CN108040025B - 星间激光超宽带数据解调系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种星间激光超宽带数据解调系统，包括：前端信号输入端口；IQ混频器，所述IQ混频器的输入端与所述前端信号输入端口电连接，所述IQ混频器的输出端与功分模块的输入端电连接；高速数据收发器，所述高速数据收发器的输入端与所述功分模块的第一输出端电连接，所述高速数据收发器的输出端与后端解码存储模块电连接；混频检波模块，所述混频检波模块的输入端与所述功分模块的第二输出端电连接；数模转换模块，所述数模转换模块的输入端与所述混频检波模块的输出端电连接。本发明所提供的星间激光超宽带数据解调系统采用GTX模块完成I、Q两路信号的解调与发送，可以极大地提高数字信号完整性，显著提高传输带宽。

Description

星间激光超宽带数据解调系统

技术领域

本发明涉及激光宽带数据通信技术领域，特别涉及一种星间激光超宽带数据解调系统。

背景技术

随着激光通信技术的发展，目前已逐步运用于卫星与地面通信(简称星地通信)领域，相比传统微波通信而言，激光载波频率更高、抗干扰能力更强、通信容量更大，在理论上激光通信可以同时传送1000万路电视节目和100亿路电话，在国内，激光通信技术已经运用于载人航天领域。

激光通信方案由光学与电学两部分组成，光学部分包括激光发生器、APT对准系统与平衡探测器的光电转换系统，用来将信息调制到激光载波上进行发送、接收、下变频、光电转换，电学部分由射频模块和基带模块组成，完成对电信号的二次下变频、环路捕获跟踪、基带信号处理功能。现有激光通信技术存在如下缺点：

(1)带宽低。现有技术在基带处理部分采用ADC采样技术进行数据解调，这种传统接收机信号处理技术，无法突破高达10GHz的通信带宽。

(2)功耗高。现有技术采用超高速ADC进行中频采样及专用芯片FPGA等进行处理，这种超高速ADC芯片的功耗高达3W以上，且处理采样后的超高速数字信号会导致FPGA带功率消耗增多，目前国内现有星间宽带通信板卡功耗高达40W～50W。

(3)集成度低。传统方案采用ADC+FPGA+DAC的方案来完成基带处理和数据发送，通常高性能ADC、DAC外围电路和PCB设计复杂，需占用大面积PCB尺寸和产品体积。

发明内容

本发明提供了一种星间激光超宽带数据解调系统，其目的是为了解决激光宽带数据通信技术存在的带宽低、功耗高、集成度低的问题。

为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种星间激光超宽带数据解调系统，包括：

前端信号输入端口；

IQ混频器，所述IQ混频器的第一输入端与所述前端信号输入端口电连接，所述IQ混频器的输出端与功分模块的输入端电连接；

高速数据收发器，所述高速数据收发器的输入端与所述功分模块的第一输出端电连接，所述高速数据收发器的输出端与后端解码存储模块电连接；

混频检波模块，所述混频检波模块的输入端与所述功分模块的第二输出端电连接；

数模转换模块，所述数模转换模块的输入端与所述混频检波模块的输出端电连接；

正交调制模块，所述正交调制模块的第一输入端与所述数模转换模块的输出端电连接，所述正交调制模块的第二输入端与本振信号输出模块电连接，所述正交调制模块的输出端与所述IQ混频器的第二输入端电连接。

其中，所述功分模块包括第一功分器和第二功分器。

其中，所述IQ混频器包括：I路混频器、Q路混频器和90°分配器；

其中，所述I路混频器的第一输入端和所述Q路混频器的第一输入端分别与所述前端信号输入端口电连接，所述所述I路混频器的第二输入端和所述Q路混频器的第二输入端分别与所述90°分配器的输出端电连接，所述I路混频器的输出端与第一功分器的输入端电连接，所述Q路混频器的输出端与第二功分器的输入端电连接。

其中，所述高速数据收发器包括第一收发器和第二收发器，且所述第一收发器的输入端与所述第一功分器的第一输出端电连接，所述第二收发器的输入端与所述第二功分器的第一输出端电连接，所述第一收发器的输出端和第二收发器的输出端分别与所述后端解码存储模块电连接。

其中，所述混频检波模块包括：

双平衡混频器，所述双平衡混频器的第一输入端与所述第一功分器的第二输出端电连接，所述双平衡混频器的第二输入端与所述第二功分器的第二输出端电连接；

低通滤波器，所述低通滤波器的输入端与所述双平衡混频器的输出端电连接。

其中，所述数模转换模块包括：

模拟数字转换器，所述模拟数字转换器的输入端与所述低通滤波器的输出端电连接；

数字锁相环，所述数字锁相环的输入端与所述模拟数字转换器的输出端电连接；

正弦表，所述正弦表的输入端与所述数字锁相环的输出端电连接；

数字模拟转换器，所述数字模拟转换器的输入端与所述正弦表的输出端电连接。

其中，所述正交调制模块包括：

调制器，所述调制器的第一输入端与所述数字模拟转换器的输出端电连接，所述调制器的第二输入端与所述本振信号输出模块电连接；

倍频器，所述倍频器的输入端与所述调制器的输出端电连接，所述倍频器的输出端与所述90°分配器的输入端电连接。

其中，所述倍频器包括四倍倍频器和二倍倍频器。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

本发明的上述实施例所述的星间激光超宽带数据解调系统利用高速数据收发器来代替ADC完成数据解调和DAC数据发送功能，在FPGA内部形成高速串行数字信号收发通道，其速率高达28Gbps，通道功耗低至仅几百毫瓦，适于万兆光纤网络通信、高速数据收发；通过高速数据收发器完成I、Q两路信号的解调与发送，该模块内部具有预加重、判决反馈均衡器、CDR时钟恢复等功能，可以极大地提高数字信号完整性；同时为了解决数字鉴相器的局限性问题，利用混频器替代模拟乘法器，成功的将I、Q两路10Gbps宽带信号进行了乘法运算，解决了市面上找不到10GHz带宽模拟乘法器的问题。

附图说明

图1为本发明的星间激光超宽带数据解调系统的电路结构图；

图2为本发明的混频器乘法功能验证系统电路示意图。

【附图标记说明】

1-前端信号输入端口；2-IQ混频器；3-混频检波模块；4-本振信号输出模块；5-第一功分器；6-第二功分器；7-I路混频器；8-Q路混频器；9-90°分配器；10-第一收发器；11-第二收发器；12-双平衡混频器；13-低通滤波器；14-模拟数字转换器；15-数字锁相环；16-正弦表；17-数字模拟转换器；18-调制器；19-倍频器；20-后端解码存储模块；21-解调板。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明针对现有的激光宽带数据通信技术存在的带宽低、功耗高、集成度低的问题，提供了一种星间激光超宽带数据解调系统。

如图1所示，本发明的实施例提供了一种星间激光超宽带数据解调系统，包括：前端信号输入端口1；IQ混频器2，所述IQ混频器2的第一输入端与所述前端信号输入端口1电连接，所述IQ混频器2的输出端与功分模块的输入端电连接；高速数据收发器，所述高速数据收发器的输入端与所述功分模块的第一输出端电连接，所述高速数据收发器的输出端与后端解码存储模块20电连接；混频检波模块3，所述混频检波模块3的输入端与所述功分模块的第二输出端电连接；数模转换模块，所述数模转换模块的输入端与所述混频检波模块3的输出端电连接；正交调制模块，所述正交调制模块的第一输入端与所述数模转换模块的输出端电连接，所述正交调制模块的第二输入端与本振信号输出模块4电连接，所述正交调制模块的输出端与所述IQ混频器2的第二输入端电连接。

本发明的上述实施例所述的星间激光超宽带数据解调系统上还设置有一RS422接口，负责接收星历信息，包括卫星的位置信息和速度信息，利用星历信息计算出两星之间的初始多普勒频差，控制所述数字模拟转换器17输出电压信号反馈控制激光本振，使激光本振信号与光信号混频，控制两者频差为20GHz，最后中频光信号经过光电转换送入解调板21；当射频信号进入解调板21正交解调后，系统最初还未锁定，此时利用混频检波模块3对功分后的IQ信号进行混频，从而得到多普勒相位信息，送给解调板21上的数字锁相环15系统；解调板21本振来自于本振信号输出模块4与数字模拟转换器17正交调制后的单边带倍频输出，锁相环捕获跟踪可以分为频率牵引和捕获跟踪两个环节，首先将±200MHz划分为多个频带，本振进行一次20GHz〒200MHz范围内的扫频，在每个频带对检波输出值做一次傅氏变换算法，扫完一轮后，得到一系列傅氏变换结果，对比每个频带内的傅氏变换值，查找到直流分量最大的那个频带，然后控制本振输出接近该频带，此时本振与载波频差已经很小，本振已经进入了捕获带，随后靠锁相环的捕获跟踪能力去跟踪残余频差即可完成载波同步；其中，所述星间激光超宽带数据解调系统与前端信号的输出端口电连接，接收前端信号，所述前端信号可以为激光信号或其他适用的超宽带信号。

其中，利用混频器对IQ两路宽带信号进行线性模拟乘法运算，然后可以得到载波与本振频差信息，利用MATLAB对算法进行仿真，因为激光下变频后，进行光电转换，此时得到宽带BPSK调制信号，该信号送入解调板21，其表达式为：Sn＝m(t)*cos(ω_c)t，载波为Ka波段附件，残余多普勒频率范围为±200MHz左右；

对该信号进行下变频，得到I₁与Q₁信号；

I₁＝Sn*cos(ω₁)t＝|LP_m(t)*[cos(ω_c+ω₁)t+cos(ω_c-ω₁)t]＝|LP_m(t)*cos(ω_c-ω₁)t

Q₁＝Sn*[-sin(ω₁)t]＝|LP_-m(t)*[sin(ω_c+ω₁)t-sin(ω_c-ω₁)t]＝LP_m(t)*sin(ω_c-ω₁)t

其中，|LP_表示对m(t)*[cos(ω_c+ω₁)t+cos(ω_c-ω₁)t]

或-m(t)*[sin(ω_c+ω₁)t-sin(ω_c-ω₁)t]低通滤波。

对IQ信号进行模拟乘法

得到sin函数后即可以进行鉴相；

得到模拟鉴相器输出Sig_mix，然后送入数字锁相环15，完成粗捕获与细捕获、跟踪过程。

如图2所示，对混频器乘法功能进行验证，将发射板BPSK信号载波设置为与解调板21本振具有一定频差，再将IQ解调得到的包络信号用跳线引出，分别接入混频器的本振端口(LO)与中频端口(IF)，最后利用示波器、频谱仪等设备来观察结果；

其中，所述发射板的本振范围为70MHz～1200MHz，BPSK信号发射带宽为1～600MHz；调制参数设置：载波：720MHz，码率：150Mbps；令发射板载波频率为720MHz，接收板载波频率为718MHz，码率为150Mbps，在示波器观测具有包络的IQ中频信号；将IQ两路信号送入混频器，得到乘法结果，利用I*Q得到sin2ω，然后对该信号取反正切，送入环路滤波器后即可以形成收敛；

sin2ω＝real(I).*(Q)；I路乘以Q路得到sin2ω信号

test_sin2ω＝(sin2ω)；

sin2ω＝sum(sin2ω)；

phase_discri(frame)＝atan((sin2ω)/100)。

其中，所述功分模块包括第一功分器5和第二功分器6。

其中，所述IQ混频器2包括：I路混频器7、Q路混频器8和90°分配器9；其中，所述I路混频器7的第一输入端和所述Q路混频器8的第一输入端分别与所述前端信号输入端口1电连接，所述所述I路混频器7的第二输入端和所述Q路混频器8的第二输入端分别与所述90°分配器9的输出端电连接，所述I路混频器7的输出端与第一功分器5的输入端电连接，所述Q路混频器8的输出端与第二功分器6的输入端电连接。

本发明的上述实施例所述的IQ混频器2分为I、Q两路，并通过滤波器和宽带放大器等射频器件将I、Q信号放大，放大后的IQ信号利用宽带功分器进行功分，一路送给混频检波模块3，一路送给高速数据收发器进行基带数据处理。

其中，所述高速数据收发器包括第一收发器10和第二收发器11，且所述第一收发器10的输入端与所述第一功分器5的第一输出端电连接，所述第二收发器11的输入端与所述第二功分器6的第一输出端电连接，所述第一收发器10的输出端和第二收发器11的输出端分别与所述后端解码存储模块20电连接。

本发明的上述实施例所述的高速数据收发器为GTX收发模块，包括两个收发器，分别是GTX1和GTX2，所述第一收发器10和所述第二收发器11分别与所述第一功分器5和所述第二功分器6电连接，负责基带数据的01判决，以及串行输出。

其中，所述混频检波模块3包括：双平衡混频器12，所述双平衡混频器12的第一输入端与所述第一功分器5的第二输出端电连接，所述双平衡混频器12的第二输入端与所述第二功分器6的第二输出端电连接；低通滤波器13，所述低通滤波器13的输入端与所述双平衡混频器12的输出端电连接。

本发明的上述实施例所述的混频检波模块3内部主要由双平衡混频器12和低通滤波器13组成，负责对IQ功分出来的信号进行模拟乘法运算，然后将混频信号送入数模转换模块进行采样处理。

其中，所述数模转换模块包括：模拟数字转换器14，所述模拟数字转换器14的输入端与所述低通滤波器13的输出端电连接；数字锁相环15，所述数字锁相环15的输入端与所述模拟数字转换器14的输出端电连接；正弦表16，所述正弦表16的输入端与所述数字锁相环15的输出端电连接；数字模拟转换器17，所述数字模拟转换器17的输入端与所述正弦表16的输出端电连接。

本发明的上述实施例所述的数模转换模块通过所述模拟数字转换器14将所述混频信号转换为数字信号，再通过所述数字锁相环15和所述正弦表16进行FPGA鉴相，最后通过所述数字模拟转换器17将数字信号转换为模拟信号发送至正交调制模块进行处理。

其中，所述正交调制模块包括：调制器18，所述调制器18的第一输入端与所述数字模拟转换器17的输出端电连接，所述调制器18的第二输入端与所述本振信号输出模块4电连接；倍频器19，所述倍频器19的输入端与所述调制器18的输出端电连接，所述倍频器19的输出端与所述90°分配器9的输入端电连接。

其中，所述倍频器19包括四倍倍频器和二倍倍频器。

本发明的上述实施例所述的正交调制模块包括调制器18，所述调制器18将所述数模转换模块发送的模拟信号和所述本振信号输出模块4发送的本振信号进行调制，在经过所述四倍倍频器和二倍倍频器的分别加倍，使信号强度增加至20GHz±200MHz，向所述IQ混频器2发送。

本发明的上述实施例所述的星间激光超宽带数据解调系统利用高速数据收发器来代替ADC完成数据解调和DAC数据发送功能，在FPGA内部形成高速串行数字信号收发通道，其速率高达28Gbps，通道功耗低至仅几百毫瓦，适于万兆光纤网络通信、高速数据收发中；通过高速数据收发器完成I、Q两路信号的解调与发送，该模块内部具有预加重、判决反馈均衡器、CDR时钟恢复等功能，可以极大地提高数字信号完整性；同时为了解决数字鉴相器的局限性问题，利用混频器替代模拟乘法器，成功的将I、Q两路10Gbps宽带信号进行了乘法运算，解决了市面上找不到10GHz带宽模拟乘法器的问题。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种星间激光超宽带数据解调系统，其特征在于，包括：

前端信号输入端口；

IQ混频器，所述IQ混频器的第一输入端与所述前端信号输入端口电连接，所述IQ混频器的输出端与功分模块的输入端电连接；

高速数据收发器，所述高速数据收发器的输入端与所述功分模块的第一输出端电连接，所述高速数据收发器的输出端与后端解码存储模块电连接；

混频检波模块，所述混频检波模块的输入端与所述功分模块的第二输出端电连接；

数模转换模块，所述数模转换模块的输入端与所述混频检波模块的输出端电连接；

正交调制模块，所述正交调制模块的第一输入端与所述数模转换模块的输出端电连接，所述正交调制模块的第二输入端与本振信号输出模块电连接，所述正交调制模块的输出端与所述IQ混频器的第二输入端电连接；

其中，所述功分模块包括第一功分器和第二功分器；

其中，所述IQ混频器包括：I路混频器、Q路混频器和90°分配器；

其中，所述I路混频器的第一输入端和所述Q路混频器的第一输入端分别与所述前端信号输入端口电连接，所述所述I路混频器的第二输入端和所述Q路混频器的第二输入端分别与所述90°分配器的输出端电连接，所述I路混频器的输出端与第一功分器的输入端电连接，所述Q路混频器的输出端与第二功分器的输入端电连接；

所述IQ混频器分为I路混频器和Q路混频器两路，并通过滤波器和宽带放大器将I、Q信号放大，且将放大后的I、Q信号利用宽带功分器进行功分，一路输送到所述混频检波模块，一路输送到所述高速数据收发器进行基带数据处理；

其中，所述高速数据收发器包括第一收发器和第二收发器，且所述第一收发器的输入端与所述第一功分器的第一输出端电连接，所述第二收发器的输入端与所述第二功分器的第一输出端电连接，所述第一收发器的输出端和第二收发器的输出端分别与所述后端解码存储模块电连接；所述第一收发器和所述第二收发器负责基带数据的01判决和串行输出；

其中，所述混频检波模块包括：

双平衡混频器，所述双平衡混频器的第一输入端与所述第一功分器的第二输出端电连接，所述双平衡混频器的第二输入端与所述第二功分器的第二输出端电连接；

低通滤波器，所述低通滤波器的输入端与所述双平衡混频器的输出端电连接；

所述混频检波模块内部主要由双平衡混频器和低通滤波器组成，负责对IQ功分出来的信号进行模拟乘法运算，然后将混频信号送入数模转换模块进行采样处理；

所述数模转换模块包括：

模拟数字转换器，所述模拟数字转换器的输入端与所述低通滤波器的输出端电连接；

数字锁相环，所述数字锁相环的输入端与所述模拟数字转换器的输出端电连接；

正弦表，所述正弦表的输入端与所述数字锁相环的输出端电连接；

数字模拟转换器，所述数字模拟转换器的输入端与所述正弦表的输出端电连接；

所述数模转换模块通过所述模拟数字转换器将所述混频信号转换为数字信号，通过所述数字锁相环和所述正弦表进行FPGA鉴相，通过所述数字模拟转换器将数字信号转换为模拟信号发送至所述正交调制模块进行处理。

2.根据权利要求1所述的星间激光超宽带数据解调系统，其特征在于，所述正交调制模块包括：

调制器，所述调制器的第一输入端与所述数字模拟转换器的输出端电连接，所述调制器的第二输入端与所述本振信号输出模块电连接；

倍频器，所述倍频器的输入端与所述调制器的输出端电连接，所述倍频器的输出端与所述90°分配器的输入端电连接。

3.根据权利要求2所述的星间激光超宽带数据解调系统，其特征在于，所述倍频器包括四倍倍频器和二倍倍频器。

Images