CN107919913B - 基于直接数字式频率合成器的光学锁相环装置和锁相方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于直接数字式频率合成器的光学锁相环装置和锁相方法，装置包括：90度光学桥接器、平衡探测器、混频器、可编程逻辑门阵列、数模转换器、模数转换器、直接数字式频率合成器、带通微波放大器、窄线宽可调谐激光器、光学强度调制器、光纤光栅滤波器、光纤分束器和光纤放大器。软件利用线性扫频和傅里叶变换实现锁相环的初始进入，采用PID算法实现光学锁相环的相位精确控制。该装置不需要辅助锁相捕获电路，可以实现光学锁相环的高精度相位锁定和大范围的频移补偿。使用DDS取代压控振荡器，实现电压到相位的直接转换，改善环路相位余量，提高控制带宽进而提高光学锁相环的锁相性能。本发明可以快速实现光学锁相和激光相干通信信号解调。

Description

基于直接数字式频率合成器的光学锁相环装置和锁相方法
技术领域
本发明涉及自由空间相干通信和光纤相干通信，特别是一种基于直接数字式频率合成器的光学锁相环装置和锁相方法。
背景技术
激光相干通信具有灵敏度高、通信带宽大可以进行密集波分复用等优点，是光纤通信的技术热点，正在逐步取代骨干网上激光强度调制通信。进行激光相干通信需要进行接收端本地激光器与发射端信号激光器的相位同步或者说相位锁定。由于光学锁相环技术难度较大，目前国内主要采用DSP(数字信号处理)对信号进行算法处理进而进行相位估计和信号解调。这种方式不需要对激光器进行相位精确控制，但是对DSP和高速DA的要求很高，功耗大，热处理复杂，也较难用于卫星平台的激光相干通信(需要宇航级DSP和高速DA)。
光学锁相环技术不需要进行高速的算法处理，系统功耗低对硬件的要求也大大降低，是实现相干通信的关键技术。随着光纤相干通信和卫星平台激光相干通信需求的不断提高，光学锁相环技术越来越受到重视，成为国内外研究热点。
现有技术[1](Kazovsky L G.Decision-driven phase-locked loop foroptical homodyne receivers:Performance analysis and laserlinewidthrequirements[J].1985,32(6):1238-1247.)在理论上证明了基于决策驱动的光学锁相环的最优带宽为：
Figure GDA0002374785970000021
同时激光器线宽需满足Δvopt＝3.1×10-4Rb。在Δv＝10kHz,kPs＝-70dBm时最优带宽为5.4M，这对于窄线宽的激光器来说是很难做到的。现有技术[2](Camatel S,Ferrero V.Design,Analysis and ExperimentalTesting of BPSK Homodyne Receivers Based on Subcarrier Optical Phase-LockedLoop[J].Journal of Lightwave Technology,2008,26(5):552-559.)、现有技术[3](孙建锋，许蒙蒙，张波，等.基于2X4 90光学桥接器的自由空间相干光通信探测装置：，CN105634591A.2016)提出用VCO(压控振荡器)对激光器进行外调制的方式提高本振激光器的控制带宽，同时保持激光器的窄线宽特性。这种方式可以把光学锁相环的闭环带宽提高到600khz附近。
以上两种技术都给出了光学锁相环的理论计算，提出了锁相环的控制带宽对锁相误差以及锁相系统性能的影响。现有技术[1]对窄线宽激光器的线宽要求和环路控制带宽的要求是矛盾的，在要求激光器线宽窄的条件下，采用直接调制技术很难实现激光器高的控制带宽，一般只能到200KHz左右，远低于锁相环路要求的最优带宽5MHz。现有技术[2][3]采用VCO控制激光器外调制的方式提高了锁相环的闭环带宽到600khz，但是依旧达不到最佳锁相带宽的要求，锁相环在外界干扰较大或激光器线宽较大时依然存在不稳定的问题。影响光学锁相环带宽最主要的原因是现有技术只能直接调制激光的频率，再通过激光频率对时间积分进而实现对相位的控制。由于频率与相位的转换带来了控制环路90度相位移动，留给控制环路的其他部分的相位延迟量只有45度，锁相控制带宽被严重限制。研究一种新的控制机制实现光学锁相环对频率和相位直接控制的方案，对于提高光学锁相环的控制带宽和光学锁相环的性能有重要意义。
发明内容
本发明针对自由空间激光相干通信和光纤相干通信，提出一种基于直接数字式频率合成器的光学锁相环装置和锁相方法。本装置可以快速实现光学锁相和激光相干通信信号解调。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于直接数字式频率合成器的光学锁相环装置，其构成包括：90度光学桥接器、平衡探测器、混频器、可编程逻辑门阵列(FPGA，以下简称为FPGA)、第一模数转换器(AD)、直接数字式频率合成器(以下简称为DDS)、带通微波放大器、窄线宽可调谐激光器、光学强度调制器、光纤光栅滤波器、光纤分束器和光纤放大器(EDFA)、第一数模转换器(DA)、窄线宽可调谐激光器、光纤滤波器监控模块、第二模数转换器和第二数模转换器；
所述的90度光学桥接器的0度和180度端口分别与所述的第一平衡探测器的两个输入端口相连，90度光学桥接器的90度和270度端口分别与所述的第二平衡探测器的两个输入端口相连，所述的第一平衡探测器的第一输出端口经串并转换芯片与所述的FPGA的第三输入管脚相连，所述的第一平衡探测器的第二输出端口和第二平衡探测器的的输出端口分别与混频器的两个输入端口相连，该混频器的输出端口与第一模数转换器输入端口相连，该第一模数转换器与FPGA的第一输入管脚相连，该FPGA的第一输出管脚与DDS的输入端相连，该DDS的输出端与带通微波放大器的输入端相连，该带通微波放大器的输出端与光学强度调制器的调制端相连，该光学强度调制器的光学输入端与窄线宽可调谐激光器输出端相连，该光学强度调制器的光学输出端与光纤光栅滤波器的光学输入端相连，该光纤光栅滤波器的输出端与1:9光纤分束器的输入端相连，其中1:9光纤分束器的90％输出端接光纤放大器的输入端，1:9光纤分束器的输出10％输出端与光纤滤波器监控模块的输入端相连，该光纤放大器的输出端与90度光学桥接器的本振光输入端口相连，光纤滤波器监控模块的输出端与第二模数转换器的输入端相连，该第二模数转换器的输出端与FPGA的第二输入管脚相连，该FPGA的控制端与第二数模转换器的输入端相连，该第二数模转换器的输出端与光纤光栅滤波器控制端口相连，第一数模转换器的输入端与FPGA的第二输出管脚相连，第一数模转换器的输出端与窄线宽可调谐激光器的频率控制端相连，FPGA(7)的第四输出管脚19与下一级通信设备输入接口相连。
90度光学桥接器、第一平衡探测器、第二平衡探测器、混频器、第一模数转换器、FPGA、DDS、微波放大器、光学强度调制器、光纤光栅滤波器、光纤分束器、光纤放大器、第一数模转换器、窄线宽可调谐激光器、光纤滤波器监控模块、第二模数转换器和第二数模转换器构成光学锁相环路。
装置中采用的DDS，作为执行器可以实现对相位的直接控制，改善环路的传递函数。与之对应的传统的VCO，只能实现电压对频率的控制，进而控制相位。
采用基于FPGA的数字化控制方案可以去掉复杂的辅助锁相电路，对于信号光和本振光的初始频差的容限更大，设计更简单。
第一数模转换器控制窄线宽可调谐激光器的频率控制端口，可以大范围的改变进入光学调制器的输入光的频率，进而改变调制器的输出光频率，实现大范围的频率跟踪。
所述的光纤光栅滤波器、光纤滤波器监控模块、第二模数转换器、第二数模转换器与FPGA构成本振激光器边带控制模块，保证本振激光器输出的+1级边带最大，减小0级、-1级、+2级边带的输出，扩大本发明在相干接收系统中接收通信速率的范围。
直接数字式频率合成器实现小范围的精确锁相跟踪，与温度控制实现相结合。既能实现自由空间光通信中大范围的多普勒频移跟踪，又能实现精准的相位误差控制。
本发明的优点在于：
1、采用FPGA实现光学锁相环控制，不需要复杂的锁相辅助电路，可以实现较大初始频率差下的锁相控制。同时对锁相状态进行实时监控，失锁可以自动检测重新锁定，保证了锁相环的可靠性。
2、采用DDS取代了现有技术[2][3]中的VCO实现对所述的本振激光的频率和相位的直接控制。从根本上改变了光学锁相环的控制机制和传递函数，提高了锁相环路的控制带宽。减小了锁相误差、降低了本振激光器和信号激光器线宽的要求。
3、该装置采用光纤滤波器滤除激光器直接调制之后出现的多个次级边带，减小了残余边带对通信系统的影响，可以用于更高通信带宽信号的解调。
4、采用数字控制的方式实现锁相控制可以实时监控小范围控制的状态，相应的调整大范围的多普勒频移。不需要接收系统提供多普勒频移的实时信息，就可以实现自动跟踪。
5、由于采用小范围精确控制和大范围粗控制相结合的方式，锁相系统可以实现大范围的频率跟踪补偿和锁相控制。锁相系统对信号光频率变化容忍度高，可以提高锁相系统的稳定性，避免由于多普勒频移或者激光器频率漂移造成的锁相环路失锁。
6、本发明的数字控制算法和相干接收信号采用同一片FPGA芯片完成，电路设计简单，功耗低，不需要复杂的热处理分析。
附图说明
图1为本发明基于直接数字式频率合成器的光学锁相环装置的结构框图。
图2为本发明部分的控制程序流程图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
图1为本发明基于直接数字式频率合成器的光学锁相环装置的结构框图。实线部分为电信号的相连，虚线为光信号的相连。由图可见，本发明基于直接数字式频率合成器的光学锁相环装置，包括90度光学桥接器1、第一平衡探测器2、第二平衡探测器3、混频器4、第一模数转换器5、串并转换芯片6、FPGA7、DDS8、带通微波放大器9、光学强度调制器10、光纤光栅滤波器11、光纤分束器12、光纤放大器13、第一数模转换器14、窄线宽可调谐激光器15、光纤滤波器监控模块16、第二模数转换器17和第二数模转换器18；
所述的90度光学桥接器1的0度和180度端口分别与所述的第一平衡探测器2的两个输入端口相连，90度光学桥接器1的90度和270度端口分别与所述的第二平衡探测器3的两个输入端口相连，所述的第一平衡探测器2的第一输出端口经串并转换芯片6与所述的FPGA7的第三输入管脚相连，所述的第一平衡探测器2的第二输出端口和第二平衡探测器3的输出端口分别与混频器4的两个输入端口相连，该混频器4的输出端口与第一模数转换器5输入端口相连，该第一模数转换器5与FPGA7的第一输入管脚相连，该FPGA7的第一输出管脚与DDS8的输入端相连，该DDS8的输出端与带通微波放大器9的输入端相连，该带通微波放大器9的输出端与光学强度调制器10的调制端相连，该光学强度调制器10的光学输入端与窄线宽可调谐激光器15输出端相连，该光学强度调制器10的光学输出端与光纤光栅滤波器11的光学输入端相连，该光纤光栅滤波器11的输出端与1:9光纤分束器12的输入端相连，其中1:9光纤分束器12的90％输出端接光纤放大器13的输入端，1:9光纤分束器12的10％输出端与光纤滤波器监控模块16的输入端相连，该光纤放大器13的输出端与90度光学桥接器1的本振光输入端口相连，光纤滤波器监控模块16的输出端与第二模数转换器17的输入端相连，该第二模数转换器17的输出端与FPGA7的第二输入管脚相连，该FPGA7的第三输出管脚与第二数模转换器18的输入端相连，该第二数模转换器18的输出端与光纤光栅滤波器11控制端口相连，第一数模转换器14的输入端与FPGA7的第二输出管脚相连，第一数模转换器14的输出端与窄线宽可调谐激光器15的频率控制端相连，FPGA7的第四输出管脚19与下一级通信设备输入接口相连。
该发明装置中90度光学桥接器、第一平衡探测器、第二平衡探测器和混频器构成光学锁相环鉴相器，给出光学锁相环的锁相误差信号。误差信号经第一模数转换器采集进入FPGA进行运算。FPGA的计算结果控制DDS的输出频率与相位，再经过光学强度调制器10实现本振光信号的调制，进而实现光学锁相环的相位锁定控制。
本发明工作原理和信号输出分析如下：
假设信号光为BPSK通信信号表达式为：
Figure GDA0002374785970000081
其中d(t)为t时刻传输的0、1数据，fs、
Figure GDA0002374785970000082
分别为信号光的频率和相位。
本振光的表达式为：
Figure GDA0002374785970000083
设90度光学桥接器I路和Q路的分光比例为k:(1-k)对应的桥接器输出为：
Figure GDA0002374785970000084
Figure GDA0002374785970000085
Figure GDA0002374785970000086
Figure GDA0002374785970000087
对应的平衡探测器的输出为：
Figure GDA0002374785970000088
Figure GDA0002374785970000089
混频器的输出信号为：
Figure GDA00023747859700000810
锁相环正常工作时fs-fLO＝0，当误差信号较小
Figure GDA00023747859700000811
时，此时I路的信号为：
Figure GDA0002374785970000091
即为通信基带信号可以直接接收。
BPSK通信系统中通信误码率与锁相误差和信噪比之间的关系为：
Figure GDA0002374785970000092
锁相误差θe＝θS-θLO越小，误码率越低。
由于本振激光采用DDS和光学调制器进行多边带调制产生，我们使用其中的﹢1级边带作为本振光。设调制之前的窄线宽种子激光器频率为f0，初始相位为0。DDS输出的频率为fDDS，相位为
Figure GDA0002374785970000093
本振激光的相位
Figure GDA0002374785970000094
信号光的相位为：
Figure GDA0002374785970000095
Figure GDA0002374785970000096
光学锁相环的锁相误差信号为：
Figure GDA0002374785970000097
Figure GDA0002374785970000098
因此我们通过控制DDS的输出频率fDDS和输出相位
Figure GDA0002374785970000099
就可以实现锁相控制。
在混频器的误差信号Vmixer(t)＝Amixersin2θe≈2·Amixer·θe经过模数转换器进入FPGA，我们就可以得到响应的相位误差值θe，对其进行微分可以得到频率误差fe＝fs-f0-fDDS。通过对θe和fe进行PID运算得到DDS需要进行的调整量
Figure GDA00023747859700000910
和
Figure GDA00023747859700000911
由于DDS的频率fDDS调节范围有限，在大范围的多普勒频移跟踪过程中还可以通过改变种子激光器的频率f0实现对大范围多普勒频移的跟踪。由于锁相误差和DDS的频率输出值在程序中是可知的，因此不需要多普勒频移的预报也可以进行大范围的自动跟踪。
图2为基于数字控制和直接数字式频率合成器锁相环的控制流程图。
该光学锁相环的控制流程如下：
其特征在于该方法包括以下步骤：
1)本装置启动后，所述的FPGA(7)经第一数模转换器(14)输出的电压施加在所述的窄线宽可调谐激光器(15)的控制端，该窄线宽可调谐激光器(15)的频率f0线性增加4Mhz，所述的混频器(4)的输出的相位误差信号Vmixer(t)经第一模数转换器5进入FPGA(7)，FPGA检测Vmixer(t)最大值是否超过设定的阈值200mv，如果Vmixer(t)最大值超过阈值，触发程序进入下一步，否则继续本步骤1)；
2)所述的FPGA控制的DDS(8)的输出频率fDDS线性增加10khz；
3)所述的FPGA对第一模数转换器5输入相位误差信号进行快速傅里叶变换，得出输入误差信号的中心频率，判断该相位误差信号的中心频率小于100khz，如果满足则进入下一步，否则返回步骤2)；
4)光学锁相环进入PID控制阶段，执行以下并行步骤：
a)对所述的相位误差信号进行快速傅里叶变换，得出该相位误差信号的中心频率，判断该相位误差信号的中心频率是否连续5次超出400khz，如果超出，控制失败，标志位置1；否则控制成功，标志位置0，光学锁相环处于最佳工作状态，串并转换芯片(6)输入到FPGA的通信数据通过FPGA的第四输出端口传递到下一级，等待10us再次执行本步骤；
b)所述的FPGA的PID控制计算模块，对第一模数转换器(5)输入相位误差信号Vmixer(t)＝Amixersin2θe进行PID运算，计算结果转换为DDS频率fDDS和相位
Figure GDA0002374785970000101
的控制字并输出到所述的DDS(8)；所述的PID控制计算模块检测所述的标志位置，如果标志位置为1，步骤4)结束返回步骤2)；否则循环执行本步骤。
实验表明，本发明可以快速实现光学锁相和激光相干通信信号解调。

Claims (6)

1.一种基于直接数字式频率合成器的光学锁相环装置，特征在于其构成包括：90度光学桥接器(1)、第一平衡探测器(2)、第二平衡探测器(3)、混频器(4)、第一模数转换器(5)、串并转换芯片(6)、FPGA(7)、DDS(8)、带通微波放大器(9)、光学强度调制器(10)、光纤光栅滤波器(11)、光纤分束器(12)、光纤放大器(13)、第一数模转换器(14)、窄线宽可调谐激光器(15)、光纤滤波器监控模块(16)、第二模数转换器(17)和第二数模转换器(18)；
所述的90度光学桥接器(1)的0度和180度输出端口分别与所述的第一平衡探测器(2)的两个输入端口相连，90度光学桥接器(1)的90度和270度输出端口分别与所述的第二平衡探测器(3)的两个输入端口相连，所述的第一平衡探测器(2)的第一输出端口经串并转换芯片(6)与所述的FPGA(7)的第三输入管脚相连，所述的第一平衡探测器(2)的第二输出端口和第二平衡探测器(3)的输出端口分别与混频器(4)的两个输入端口相连，该混频器(4)的输出端口与第一模数转换器(5)输入端口相连，该第一模数转换器(5)与FPGA(7)的第一输入管脚相连，该FPGA(7)的第一输出管脚与DDS(8)的输入端相连，该DDS(8)的输出端与带通微波放大器(9)的输入端相连，该带通微波放大器(9)的输出端与光学强度调制器(10)的调制端相连，该光学强度调制器(10)的光学输入端与窄线宽可调谐激光器(15)输出端相连，该光学强度调制器(10)的光学输出端与光纤光栅滤波器(11)的光学输入端相连，该光纤光栅滤波器(11)的输出端与1:9光纤分束器(12)的输入端相连，其中1:9光纤分束器(12)的90％输出端接光纤放大器(13)的输入端，1:9光纤分束器(12)的10％输出端与光纤滤波器监控模块(16)的输入端相连，所述的光纤放大器(13)的输出端与所述的90度光学桥接器(1)的本振光输入端口相连，所述的光纤滤波器监控模块(16)的输出端与第二模数转换器(17)的输入端相连，该第二模数转换器(17)的输出端与FPGA(7)的第二输入管脚相连，该FPGA(7)的第三输出管脚与第二数模转换器(18)的输入端相连，该第二数模转换器(18) 的输出端与光纤光栅滤波器(11)控制端口相连，第一数模转换器(14)的输入端与FPGA(7)的第二输出管脚相连，第一数模转换器(14)的输出端与所述的窄线宽可调谐激光器(15)的频率控制端相连，FPGA(7)的第四输出管脚(19)与下一级通信设备输入接口相连。
2.根据权利要求1所述的基于直接数字式频率合成器的光学锁相环装置，其特征在于，所述的90度光学桥接器(1)、第一平衡探测器(2)、第二平衡探测器(3)、混频器(4)、第一模数转换器(5)、FPGA(7)、DDS(8)、带通微波放大器(9)、光学强度调制器(10)、光纤光栅滤波器(11)、光纤分束器(12)、光纤放大器(13)、第一数模转换器(14)、窄线宽可调谐激光器(15)、光纤滤波器监控模块(16)、第二模数转换器(17)和第二数模转换器(18)构成光学锁相环路。
3.根据权利要求1所述的基于直接数字式频率合成器的光学锁相环装置，其特征在于，所述的DDS(8)作为执行器实现对光学锁相环中本振激光相位的直接控制。
4.根据权利要求1所述的基于直接数字式频率合成器的光学锁相环装置，其特征在于，第一数模转换器(14)控制所述的窄线宽可调谐激光器(15)的频率，可以大范围的改变进入光学强度调制器(10)的输入光的频率，进而改变光学强度调制器(10)输出的光的频率，实现大范围的频率跟踪。
5.根据权利要求1至4任一项所述的基于直接数字式频率合成器的光学锁相环装置，其特征在于，所述的光纤光栅滤波器(11)、光纤滤波器监控模块(16)、第二模数转换器(17)、第二数模转换器(18)与FPGA(7)构成本振激光边带控制模块，保证本振激光输出的+1级边带最大，减小0级、-1级、+2级边带的输出，扩大本发明在相干接收系统中接收通信速率的范围。
6.权利要求1所述的基于直接数字式频率合成器的光学锁相环装置的锁相方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
1)本装置启动后，所述的FPGA(7)经第一数模转换器(14)输出的电压施加在所述的窄线宽可调谐激光器(15)的控制端，该窄线宽可调谐激光器(15)的频率f0线性增加4Mhz，所述的混频器(4)的输出的相位误差信号Vmixer(t)经第一模数转换器(5)进入FPGA(7)，FPGA检测Vmixer(t)最大值是否超过设定的阈值200mv，如果Vmixer(t)最大值超过阈值，触发程序进入下一步，否则继续本步骤1)；
2)所述的FPGA控制的DDS(8)的输出频率fDDS线性增加10khz；
3)所述的FPGA对第一模数转换器(5)输入相位误差信号进行快速傅里叶变换，得出输入相位误差信号的中心频率，判断该相位误差信号的中心频率小于100khz，如果满足则进入下一步，否则返回步骤2)；
4)光学锁相环进入PID控制，执行以下并行步骤：
a)对所述的相位误差信号进行快速傅里叶变换，得出该相位误差信号的中心频率，判断该相位误差信号的中心频率是否连续5次超出400khz，如果超出，控制失败，标志位置1；否则控制成功，标志位置0，光学锁相环处于最佳工作状态，串并转换芯片(6)输入到FPGA的通信数据通过FPGA的第四输出端口传递到下一级，等待10us再次执行本步骤a)；
b)所述的FPGA的PID控制计算模块，对第一模数转换器(5)输入相位误差信号Vmixer(t)＝Amixersin2θe进行PID运算，计算结果转换为DDS频率fDDS和相位
Figure FDA0002381654490000031
的控制字并输出到所述的DDS(8)；所述的PID控制计算模块检测所述的标志位置，如果标志位置为1，步骤4)结束返回步骤2)；否则循环执行本步骤。
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