CN109039462B - 多调制格式兼容高速激光信号无锁相接收系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多调制格式兼容高速激光信号无锁相接收系统及方法，可极大提升现有激光通信网络中继节点处的通信制式兼容性，节约系统性能升级的价格及资源成本。其包括控制指令单元、低噪声高增益光放大器、光开关、滤波器、光延时干涉仪I、光延时干涉仪Q、第一平衡探测器、第二平衡探测器、反编码开关单元、并串转换单元和数据处理单元；控制指令单元分别与光开关、反编码开关单元、并串转换单元相连；低噪声高增益光放大器与光开关连接；光开关分别通过滤波器、光延时干涉仪I光延时干涉仪Q与第一平衡探测器和第二平衡探测器连接；第一平衡探测器、第二平衡探测器依次通过反编码开关单元、并串转换单元、数据处理单元后输出电信号。

Description

多调制格式兼容高速激光信号无锁相接收系统及方法

技术领域

本发明属于激光通信领域，具体涉及一种多调制格式兼容高速激光信号无锁相接收系统及方法。

背景技术

激光通信具有数据速率高、抗干扰和抗截获能力强、保密性能好等突出优点，已经成为地面骨干网传输的主要链路形式，商业的100G光模块已逐渐成熟，2018年OFC展会上已经有400G光模块展示。同时随着国际上空间激光链路传输可行性的不断验证，近年来世界各国也相继推出基于激光链路的空间信息网络建设计划，如美国NASA的“激光通信中继演示(LCRD)”计划，欧空局(ESA)的“数据中继系统(EDRS)”计划，日本宇宙航空研究开发事业团(JAXA)部署的“光数据中继卫星(JDRS)”计划。我国2016年发射的墨子号、2017年发射的实践十三号卫星等也都搭载了激光通信终端。

无论是地面的大容量光传输骨干网络，还是空间的高速激光通信系统，不同的接入终端会依据自身数据传输的需求，选择不同的数据调制格式。如强度调制(IM)格式的系统结构最简单，但同时接收系统对光功率的要求也较高，而二进制相位调制格式(BPSK、DPSK)的接收系统灵敏度相比IM系统降低了一半，但需要平衡探测技术，更高阶的调制格式(QPSK、DQPSK)能够在同样符号速率下，传输更多的数据，但同时系统复杂度将上升，且接收系统对光信噪比的要求更高。

现有激光通信系统中，中继节点上的单一激光终端只能支持一种特定调制格式的激光信号接收，当不同调制格式的激光链路汇聚到激光信息网络的中继节点时，现有接收方式需要对每一种调制格式配备对应的接收系统，以实现数据的解调。中继节点处单一制式激光信号的接收方式限制了高速激光信息网络节点的兼容性和可扩展性，同时要想在中继节点支持多种高速激光信号中继，需要为每一个通信制式分配一个单独的激光通信终端，系统性能升级的价格成本及资源代价巨大。

发明内容

为了克服现有激光信息网络中，中继节点仅支持单一激光通信制式导致网络兼容性受限以及扩展性差的问题，本发明提出一种能够同时兼容IM、BPSK、DPSK、QPSK及DQPSK等激光通信系统中主流的多调制格式兼容高速激光信号无锁相接收系统及方法，可极大提升现有激光通信网络中继节点处的通信制式兼容性，节约系统性能升级的价格及资源成本。

本发明具体技术方案如下：

本发明提供了一种多调制格式兼容高速激光信号无锁相接收系统，包括控制指令单元、低噪声高增益光放大器、光开关、滤波器、光延时干涉仪I、光延时干涉仪Q、第一平衡探测器、第二平衡探测器、反编码开关单元、并串转换单元和数据处理单元；

控制指令单元分别与光开关、反编码开关单元、并串转换单元相连；

光延时干涉仪I、光延时干涉仪Q并联设置；

高速激光信号通过低噪声高增益光放大器输入至光开关；

光开关包括第一输出端口、第二输出端口以及第三输出端口；第一输出端口与滤波器相连，第二输出端口与光延时干涉仪I相连，第三输出端口通过耦合器后分别与光延时干涉仪I和光延时干涉仪Q相连；

滤波器与第一平衡探测器的一个输入端口相连，光延时干涉仪I的两个输出端口与第一平衡探测器的两个输入端口相连，光延时干涉仪Q两个输出端口与第二平衡探测器的两个输入端口相连；

第一平衡探测器、第二平衡探测器依次通过反编码开关单元、并串转换单元、数据处理单元后输出电信号；

光延时干涉仪I和光延时干涉仪Q之间的相移差为

进一步地，该系统还包括环路控制单元；数据处理单元通过环路控制单元分别与光延时干涉仪I和光延时干涉仪Q相连。

进一步地，上述低噪声高增益光放大器是噪声系数≤4.5dB且增益≥40dB的1550nm波段光放大器；

上述光开关是1×3型1550nm波段光学开关器件，且能够依据调制格式指令，将输入其内的光信号透明传输至其任一指定输出端口；

上述滤波器是中心波长与滤波带宽均可调谐的1550nm波段带通光学滤波器；

上述光延时干涉仪I和光延时干涉仪Q是1550nm波段的1-bit光延时干涉仪；

上述第一平衡探测器及第二平衡探测器是1550nm波段的光平衡探测器。

基于多调制格式兼容高速激光信号无锁相接收系统的结构描述，现对采用该系统进行信号接收方法进行介绍，包括以下步骤：

【1】控制指令单元依据所需高速激光信号的调制格式，向光开关、反编码开关单元以及并串转换单元发出相应的调制指令；

【2】低噪声高增益光放大器对输入的高速激光信号进行低噪声系数、高功率增益的光功率提升处理；

【3】光开关接收到控制指令单元产生的调制指令后，对步骤【2】处理后的高速激光信号进行输出端口选择并透明传输；

【4】对步骤【3】中不同输出端口输出的不同调制格式高速激光信号，选择通过滤波器或者光延时干涉仪I或者光延时干涉仪I与光延时干涉仪Q进行信息解调；

【5】接收步骤【4】解调后的不同调制格式的高速激光信号，选择由第一平衡探测器或第一平衡探测器与第二平衡探测器进行光电转换，从而形成高速电信号；

【6】反编码开关单元接收到控制指令单元产生的调制指令后，对步骤【5】产生的高速电信号进行反编码判断，并传输至并串转换单元；

【7】并串转换单元接收到控制指令单元产生的调制格式指令后，对高速电信号进行并串转换判断，并传输至数据处理单元进行处理。

【8】数据处理单元对步骤【7】产生的高速电信号进行时钟提取、数据整形处理后，输出解调后质量良好的高速电信号并输出。

优选地，上述方法还包括步骤【9】环路控制；环路控制单元以步骤【8】处理后的高速电信号为反馈控制信号，对光延时干涉仪I和光延时干涉仪Q的相移进行控制，使两者之间的相位差始终保持在

上述步骤【3】中输出端口选择的具体过程为：

如果接收到调制格式指令为IM，则由第一输出端口输出，如果接收到的调制格式指令为BPSK、DPSK之一，则由第二输出端口输出，如果接收到的调制格式指令为QPSK、DQPSK之一，则由第三输出端口输出。

上述步骤【4】中信息解调的具体选择条件是：

若是IM调制格式，则通过滤波器进行带通滤波；

若是BPSK、DPSK调制格式之一，则通过光延时干涉仪I进行1-bit延时干涉解调；

若是QPSK、DQPSK调制格式之一，则通过耦合器进入光延时干涉仪I与光延时干涉仪Q中，分别进行1-bit延时干涉解调。

上述步骤【5】中光电转换的选择条件是：

若接收的是IM调制格式，则通过第一平衡探测器的一个输入端口进行光电转换；

若接收的是BPSK、DPSK调制格式之一，则通过第一平衡探测器进行光电转换；

若接收的是QPSK、DQPSK调制格式之一，则通过第一平衡探测器及第二平衡探测器进行光电转换。

上述步骤【6】中反编码判断过程为：

如果接收到的调制格式指令为BPSK、QPSK之一，则进行基于“异或”逻辑的差分反编码处理后输出；

如果接收到的调制格式指令为IM、DPSK、DQPSK之一，则透明传输。

上述步骤【7】中并串转换判断过程为：

如果接收到的调制格式指令为QPSK、DQPSK之一，则将输入的两路并行高速电信号转换为一路串行的高速电信号；

如果接收到的调制格式指令为IM、BPSK、DPSK之一，则透明传输。

本发明的优点是：

(1)本发明所提出的多调制格式兼容的高速激光信号接收系统及方法，在激光信息网络中继节点处实现了通信制式兼容性和数据速率可扩展性的提升，同时有利于实现激光接收终端的体积、重量、功耗及价格成本的控制。

(2)本发明采用光开关和并联设置的光延时干涉仪I、光延时干涉仪Q，实现了IM、BPSK、DPSK、QPSK、DQPSK等5种激光通信制式兼容的高速激光信号接收解调，极大提升了核心器件的共用率，大幅降低了多种通信制式兼容的接收终端的复杂性。

(3)本发明采用将反编码开关单元与两个并联光延时干涉仪配合使用，实现对BPSK、QPSK调制格式的兼容解调，无需任何锁相机构，具有器件成熟度高，环路控制简单，工程实现风险低等显著优点。

(4)本发明采用两个并联光延时干涉仪实现4种相位调制激光通信制式兼容的高速激光信号模拟解调，其数据解调速率也是自适应兼容的，即能够对不同数据速率(如1.25Gbit/s、2.5Gbit/s甚至10Gbit/s)的相位调制激光信号自适应模拟解调，使得高速激光通信接收机的兼容性得到了进一步提升。

附图说明

图1是本发明的系统原理示意图；

图2是光延时干涉仪解调原理示意图；

图3是光延时干涉仪I和光延时干涉仪Q并联后的解调原理示意图。

具体实施方式

参照图1所示的系统的一种实施例原理示意图，该实施例具体系统结构是：主要包括控制指令单元、低噪声高增益光放大器、光开关、滤波器、光延时干涉仪I、光延时干涉仪Q、平衡探测器1#(即第一平衡探测器)、平衡探测器2#(即第二平衡探测器)、反编码开关单元、并串转换单元、数据处理单元以及环路控制单元；

控制指令单元分别与光开关、反编码开关单元、并串转换单元相连；

光延时干涉仪I、光延时干涉仪Q并联设置；

高速激光信号通过低噪声高增益光放大器输入至光开关；

光开关包括端口①(即第一输出端口)、端口②(即第二输出端口)以及端口③(即第三输出端口)；端口①与滤波器相连，端口②与光延时干涉仪I相连，端口③通过耦合器后分别与光延时干涉仪I和光延时干涉仪Q相连；

滤波器与平衡探测器1#(即第一平衡探测器)的一个输入端口相连，光延时干涉仪I的两个输出端口与平衡探测器1#的两个输入端口相连，光延时干涉仪Q两个输出端口与平衡探测器2#的两个输入端口相连；

平衡探测器1#、平衡探测器2#依次通过反编码开关单元、并串转换单元、数据处理单元后输出电信号；

光延时干涉仪I和光延时干涉仪Q之间的相移差为

数据处理单元通过环路控制单元分别与光延时干涉仪I和光延时干涉仪Q相连。

本实施例中各个器件的主要参数如下：

1、低噪声高增益光放大器是噪声系数≤4.5dB且增益≥40dB的1550nm波段光放大器；

2、光开关是1×3型1550nm波段光学开关器件，且能够依据调制格式指令，将输入其内的光信号透明传输至其任一指定输出端口；

3、滤波器是中心波长与滤波带宽均可调谐的1550nm波段带通光学滤波器；

4、光延时干涉仪I和光延时干涉仪Q是1550nm波段的1-bit光延时干涉仪；

5、平衡探测器1#及平衡探测器2#是1550nm波段的光平衡探测器。

通过上述对系统结构的介绍，现对使用该实施例进行信号接收的方法进行描述，具体包括以下步骤：

1.控制指令单元依据所需高速激光信号的调制格式，向光开关、反编码开关单元、并串转换单元发出相应的调制指令；

2.低噪声高增益光放大器对输入的1550nm波段高速激光信号进行噪声系数小于4.5dB(含)、功率增益大于40dB(含)的光功率提升，输出高速激光信号；

3.光开关单元接收到步骤1产生的调制指令后，对步骤2产生的1550nm波段高速激光信号进行输出端口选择。

具体过程为：如果接收到的调制格式指令为IM，则由端口①输出，如果接收到的调制格式指令为BPSK、DPSK之一，则由端口②输出，如果接收到的调制格式指令为QPSK、DQPSK之一，则由端口③输出；

4.参照图1，多制式兼容解调过程为：

4.1对于IM调制格式，滤波器将步骤3中端口①输出的1550nm波段高速激光信号进行带通滤波，去除带外噪声后输出；

4.2对于BPSK、DPSK调制格式，光延时干涉仪I将步骤3中端口②输出的1550nm波段高速激光信号进行1-bit延时干涉解调，将相位调制信息转换为强度信息后输出；

4.3对于QPSK、DQPSK调制格式，步骤3中端口③输出的1550nm波段高速激光信号经耦合器输入至光延时干涉仪I与光延时干涉仪Q中分别进行1-bit延时干涉解调，将相位调制信息转换为强度信息后输出。

需要强调的是：光延时干涉仪的原理具体是：

如图2所示，光延时干涉仪(DLI)将输入信号光用3dB分束器分为上下两路，其中一路延时一个符号时间T_S，另一路信号得到一个相移

然后这两路信号光再通过一个3dB耦合器进行耦合后输出，3dB耦合器会在经过其耦合的上下两路光程之间引入一个180°的相移，则当在DLI的输入端输入信号E_in1时，在DLI输出端可以得到：

设输入信号的幅度为a(t)，调制相位为

激光器相位噪声为

则输入信号

经过DLI后输出的光功率可以表示为：

其中

为相邻两个比特的调制相位差，

为激光器相位噪声引起的相位变化，相位调制的幅度应该保持为一个常数，即a(t)＝a(t-Ts)，从功率表达式可以发现忽略激光器相位噪声条件下，通过DLI的输出信号可以得到相位调制信息

如图3所示，如果将两个光延时干涉仪并联，并分别标记为I路和Q路，则I路和Q路的输入光场之间具有90°相位差，

由前面所述DLI的传输特性可知，I路的两个输出光场为：

其中

为I路DLI的相移分量，则上式对应的光电流可以表示为：

同样，

和

分别表示相邻调制符合之间的相位差以及激光源相位噪声引起的相位误差，采用平衡探测器进行探测时，两个支路光电流进行相减，则上式前两项将抵消，最终得到输出光电流为：

依据同样的计算步骤可以得到Q路经过平衡探测器光电转换后输出的光电流为：

其中

表示Q路DLI的相移分量φ-π/2。忽略激光源相位噪声的影响，则输出光电流表示为：

由上式可以看出，通过分别控制I路和Q路的DLI相移分量

及

处于不同的值，可以实现正交相位调制的相干数据解调，我们正是利用这一原理，基于两个并联的1-bit光延时干涉仪实现多种相位调制通信制式兼容的星载高速激光信号解调，例如设定

及

的值分别为-π/4和-5π/4，可实现DQPSK调制方式的相干数据解调。

5.光电转换过程为：

5.1对于IM调制格式，步骤4.1产生的1550nm波段高速激光信号经平衡探测器1#光电转换为高速电信号后输出；

5.2对于BPSK、DPSK调制格式，步骤4.2产生的解调后高速激光信号经平衡探测器1#光电转换为高速电信号后输出；

5.3对于QPSK、DQPSK调制格式，步骤4.3产生的解调后高速激光信号经平衡探测器1#与平衡探测器2#光电转换为高速电信号后输出。

6.反编码开关单元接收到步骤1产生的调制指令后，对步骤5产生的高速电信号进行反编码判断及处理，具体过程为：如果接收到的调制格式指令为BPSK、QPSK之一，则对步骤5产生的高速电信号进行基于“异或”逻辑的反编码处理后输出；如果接收到的通信制式指令为IM、DPSK、DQPSK之一，则透明传输；

7.并串转换单元接收到步骤1产生的调制指令后，对步骤6产生的高速电信号进行并串转换判断及处理，具体过程为：如果接收到的调制格式指令为QPSK、DQPSK之一，则将步骤6产生的两路并行高速电信号转换为一路串行高速电信号后输出；如果接收到的通信制式指令为IM、BPSK、DPSK之一，则透明传输；

8.数据处理单元对步骤7产生的高速电信号进行时钟提取、数据整形等处理后，输出解调后质量良好的高速电信号；

9.环路控制单元以步骤8产生的高速电信号为反馈控制信号，对光延时干涉仪I和光延时干涉仪Q的相移进行控制，使两者之间的相位差始终保持在

从而很好的避免了由于外界热、震动、光信号传输路径不匹配等原因导致的光延时干涉仪I和光延时干涉仪Q之间相位差偏离

的关系，更加适用于实际生产工作当中。

可见控制指令单元通过控制光开关、光延时干涉仪I与光延时干涉仪Q的相位差，实现了IM、BPSK、DPSK、QPSK、DQPSK五种调制格式兼容的高速激光信号解调，且无需任何复杂的锁相机构。

上述实施例表明，本发明所提供的无锁相机构的多调制格式兼容高速激光信号接收方案实现了IM、BPSK、DPSK、QPSK、DQPSK五种调制格式兼容的高速激光信号接收与解调。通过控制不同参数进行组合，提升了核心器件的共用率，扩展了通信系统的调制格式兼容性，又极大降低了系统实现的复杂性和器件数量，在应用于高速激光通信网络中继节点时，既保障了兼容性和可扩展性的提升，又节约了现有激光通信系统升级的价格及资源成本。

Claims (10)

1.一种多调制格式兼容高速激光信号无锁相接收系统，其特征在于：包括控制指令单元、低噪声高增益光放大器、光开关、滤波器、光延时干涉仪I、光延时干涉仪Q、第一平衡探测器、第二平衡探测器、反编码开关单元、并串转换单元和数据处理单元；

控制指令单元分别与光开关、反编码开关单元、并串转换单元相连；

光延时干涉仪I、光延时干涉仪Q并联设置；

高速激光信号通过低噪声高增益光放大器输入至光开关；

光开关包括第一输出端口、第二输出端口以及第三输出端口；第一输出端口与滤波器相连，第二输出端口与光延时干涉仪I相连，第三输出端口通过耦合器后分别与光延时干涉仪I和光延时干涉仪Q相连；

滤波器与第一平衡探测器的一个输入端口相连，光延时干涉仪I的两个输出端口与第一平衡探测器的两个输入端口相连，光延时干涉仪Q两个输出端口与第二平衡探测器的两个输入端口相连；

第一平衡探测器、第二平衡探测器依次通过反编码开关单元、并串转换单元、数据处理单元后输出电信号；

光延时干涉仪I和光延时干涉仪Q之间的相移差为

2.根据权利要求1所述的多调制格式兼容高速激光信号无锁相接收系统，其特征在于：还包括环路控制单元，

数据处理单元通过环路控制单元分别与光延时干涉仪I和光延时干涉仪Q相连。

3.根据权利要求2所述的多调制格式兼容高速激光信号无锁相接收系统，其特征在于：

低噪声高增益光放大器是噪声系数≤4.5dB且增益≥40dB的1550nm波段光放大器；

光开关是1×3型1550nm波段光学开关器件，且能够依据调制格式指令，将输入其内的光信号透明传输至其任一指定输出端口；

滤波器是中心波长与滤波带宽均可调谐的1550nm波段带通光学滤波器；

光延时干涉仪I和光延时干涉仪Q是1550nm波段的1-bit光延时干涉仪；

第一平衡探测器及第二平衡探测器是1550nm波段的光平衡探测器。

4.一种基于权利要求1所述的多调制格式兼容高速激光信号无锁相接收系统的信号接收方法，其特征在于，包括以下步骤：

【1】控制指令单元依据所需高速激光信号的调制格式，向光开关、反编码开关单元以及并串转换单元发出相应的调制指令；

【2】低噪声高增益光放大器对输入的高速激光信号进行低噪声系数、高功率增益的光功率提升处理；

【3】光开关接收到控制指令单元产生的调制指令后，对步骤【2】处理后的高速激光信号进行输出端口选择并透明传输；

【4】对步骤【3】中不同输出端口输出的不同调制格式高速激光信号，选择通过滤波器或者光延时干涉仪I或者光延时干涉仪I与光延时干涉仪Q进行信息解调；

【5】接收步骤【4】解调后的不同调制格式的高速激光信号，选择由第一平衡探测器或第一平衡探测器与第二平衡探测器进行光电转换，从而形成高速电信号；

【6】反编码开关单元接收到控制指令单元产生的调制指令后，对步骤【5】产生的高速电信号进行反编码判断，并传输至并串转换单元；

【7】并串转换单元接收到控制指令单元产生的调制格式指令后，对高速电信号进行并串转换判断，并传输至数据处理单元进行处理；

【8】数据处理单元对步骤【7】产生的高速电信号进行时钟提取、数据整形处理后，输出解调后质量良好的高速电信号并输出。

5.根据权利要求4所述的多调制格式兼容高速激光信号无锁相接收系统的信号接收方法，其特征在于：还包括步骤【9】环路控制；

环路控制单元以步骤【8】处理后的高速电信号为反馈控制信号，对光延时干涉仪I和光延时干涉仪Q的相移进行控制，使两者之间的相位差始终保持在

6.根据权利要求4或5所述的多调制格式兼容高速激光信号无锁相接收系统的信号接收方法，其特征在于：

所述步骤【3】中输出端口选择的具体过程为：

如果接收到调制格式指令为IM，则由第一输出端口输出，如果接收到的调制格式指令为BPSK、DPSK之一，则由第二输出端口输出，如果接收到的调制格式指令为QPSK、DQPSK之一，则由第三输出端口输出。

7.根据权利要求4或5所述的多调制格式兼容高速激光信号无锁相接收系统的信号接收方法，其特征在于：

所述步骤【4】中信息解调的具体选择条件是：

若是IM调制格式，则通过滤波器进行带通滤波；

若是BPSK、DPSK调制格式之一，则通过光延时干涉仪I进行1-bit延时干涉解调；

若是QPSK、DQPSK调制格式之一，则通过耦合器进入光延时干涉仪I与光延时干涉仪Q中，分别进行1-bit延时干涉解调。

8.根据权利要求4或5所述的多调制格式兼容高速激光信号无锁相接收系统的信号接收方法，其特征在于：

步骤【5】中光电转换的选择条件是：

若接收的是IM调制格式，则通过第一平衡探测器的一个输入端口进行光电转换；

若接收的是BPSK、DPSK调制格式之一，则通过第一平衡探测器进行光电转换；

若接收的是QPSK、DQPSK调制格式之一，则通过第一平衡探测器及第二平衡探测器进行光电转换。

9.根据权利要求4或5所述的多调制格式兼容高速激光信号无锁相接收系统的信号接收方法，其特征在于：

步骤【6】中反编码判断过程为：

如果接收到的调制格式指令为BPSK、QPSK之一，则进行基于“异或”逻辑的差分反编码处理后输出；

如果接收到的调制格式指令为IM、DPSK、DQPSK之一，则透明传输。

10.根据权利要求4或5所述的多调制格式兼容高速激光信号无锁相接收系统的信号接收方法，其特征在于：

步骤【7】中并串转换判断过程为：

如果接收到的调制格式指令为QPSK、DQPSK之一，则将输入的两路并行高速电信号转换为一路串行的高速电信号；

如果接收到的调制格式指令为IM、BPSK、DPSK之一，则透明传输。

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