CN109802729A - 激光通信中幅度相位级联调制的相干接收系统 - Google Patents

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栾竹
孙建锋
周煜
王利娟
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Abstract

一种激光通信中幅度相位级联调制的相干接收系统，包括发射部分和接收部分，所述的发射部分包括激光器、强度调制器、相位调制器、第一信号发生器、第二信号发生器和发射望远镜，所述的接收部分包括接收望远镜、光放大器、光学窄带滤波器、光学桥接器、光电探测器、本振激光器和电子学。本发明采用相干接收，信号强度增加，对探测器的灵敏度要求降低，不需要单光子探测器，因而减少了单光子探测器所需的冷却系统，体积重量减小。利用激光的幅度和相位进行级联调制，在同样的激光器条件下，增加数据传输速率。

Description

激光通信中幅度相位级联调制的相干接收系统
技术领域
本发明属于一种激光通信的相干接收系统，特别是远距离自由空间通信的相干接收系统，本发明涉及振幅和相位的调制和解调。
背景技术
在远距离自由空间激光通信中，通常利用脉冲位置调制，需要的激光发射平均功率低，提高信息效率。在先技术(参见文献Don M.Boroson,Bryan S.Robinson,DanielV.Murphy,Dennis A.Burianek,Farzana Khatri,Joseph M.Kovalik,Zoran Sodnik,Donald M.Cornwell，“Overview and results of the Lunar Laser CommunicationDemonstration”,Proceedings Volume 8971,Free-Space Laser Communication andAtmospheric Propagation XXVI；89710S,2014)采用脉冲位置调制，直接探测接收。光电探测器为超导纳米线探测器需要配置体积大的冷却系统，不利于空间应用；同时提高通信速率需要增加调制级数，受到激光器调制技术限制。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种激光通信中幅度相位级联调制的相干接收系统，振幅和相位级联调制，相干接收解调，不需要配备冷却系统的光电探测器，结构简单，适用于空间应用；振幅和相位级联调制方法提高通信速率。
本发明的技术解决方案如下：
一种激光通信中幅度相位级联调制的相干接收系统，包括发射部分和接收部分，其特点在于，所述的发射部分包括激光器、强度调制器、相位调制器、第一信号发生器、第二信号发生器和发射望远镜，所述的激光器发出的光依次通过强度调制器和相位调制器后被发射望远镜发射到空间信道中，所述的强度调制器的射频输入端连接第一信号发生器，相位调制器的射频输入端连接第二信号发生器；
所述的接收部分包括接收望远镜接收、光放大器、光学窄带滤波器、光学桥接器、光电探测器、本振激光器和电子学；所述的接收望远镜接收到空间信道中的信号光后，依次经光放大器和光学窄带滤波器后输入光桥接器的一个输入端，所述的本振激光器发出的光进入光桥接器的另一个输入端，使信号光和本振光在光桥接器内相干，该光桥接器的输出端与电子学相连。
所述的电子学包括同相探测通道、正交探测通道和采集处理电路。
信号光和本振光在光桥接器内相干后，经光桥接器的输出端输出，光信号进入光电探测器，转换为电信号，电信号两两平衡经光探测器接收，得到同相电流信号和正交电流信号，再经过采集和信号处理解调得到信息。
所述的光桥接器为2*4 90°桥接器或者2*8 90°桥接器。
所述的2*4 90°桥接器处理与本振激光同偏振的信号，对应的光电探测器的个数为4个，平衡接收电流信号为2路，所述的2*8 90°桥接器处理其它偏振信号，对应的光电探测器的个数为8个，平衡接收电流信号为4路。
各部分器件，例如激光器、强度调制器、相位调制器、光学桥接器、光电探测器、电子学部分为成熟产品或技术，可以购买或委托研制。
强度调制方式为二进制脉冲位置调制，调制符号为M个，每个符号的持续时间为T秒，M选取为2的幂，即M＝2N，包含在M个符号中的信息位为N＝log2M比特，只有一个间隔T内包含脉冲激光能量。假定传输数据为X比特，将比特数据按照脉冲位置调制，数据传输速率为比特/秒。剩余的比特数据，进行相位调制，比特“0”相位调制为π，比特“1”相位调制为0。每个比特的持续时间为MT，数据传输速率为比特/秒。总的数据传输速率为比特/秒，与单独采用二进制脉冲位置调制相比，传输速率提高为倍。
相干信号经过光电探测器，平衡接收分别输出同相探测电流和正交探测电流。电流的数据处理分为求解振幅和求解相位两个过程。首先求解振幅，两个电流振幅的平方和的平方根为信号电流，电流值最大的间隔T代表有信号，其余M-1个间隔代表无信号，解调得到全部信息的N/(N+1)。其次求解相位，同相电流和正交探测电流的比值的反正切值为相位，解调得到全部信息的1/(N+1)。两部分信息组合在一起解调得到全部信息。
本发明采用相干接收，信号强度增加，对探测器的灵敏度要求降低，不需要单光子探测器，因而减少了单光子探测器所需的冷却系统，体积重量减小。利用激光的幅度和相位进行级联调制，在同样的激光器条件下，增加数据传输速率。
附图说明
图1为本发明激光通信中幅度相位级联调制的相干接收系统的结构示意图
具体实施方式
下面结合具体实施例和说明书附图，对本发明进一步描述。
本发明由发射部分和接收部分组成。发射部分包括激光器、强度调制器和相位调制器。接收部分包括光学桥接器、光电探测器和电子学。电子学包括同相探测通道、正交探测通道和采集处理电路。
发射部分：
激光器发出的光依次通过强度调制器和相位调制器，首先激光器的光输入强度调制器，强度调制器的射频输入端连接第一信号发生器，其中的电信号为按照脉冲位置调制编码的信息。然后强度调制器的输出光信号输入相位调制器，相位调制器的射频输入端连接第二信号发生器，其中的电信号为按照相位调制编码的信息。相位调制器的输出光信号经过光学望远镜发射。
信号光经过空间传输后，由接收望远镜接收进入接收部分。
接收部分：
接收望远镜接收的信号光依次通过光放大器和光学窄带滤波器后，信号光输入光桥接器的一个输入端，本振激光器发出的光进入光桥接器的另一个输入端，信号光和本振光在光桥接器内相干，然后在光桥接器的输出端输出，光信号进入光电探测器，转换为电信号，电信号两两平衡接收，得到同相电流信号和正交电流信号。经过采集和信号处理解调得到信息。
光桥接器可以为2*4 90°桥接器或者2*8 90°桥接器，2*4 90°桥接器处理与本振激光同偏振的信号，对应的光电探测器的个数为4个，平衡接收电流信号为2路。2*8 90°桥接器处理其它偏振信号，对应的光电探测器的个数为8个，平衡接收电流信号为4路。
如图1所示，各器件间连接的实线代表光信号，点划线代表电信号。激光器1的信号光输入强度调制器2，第一信号发生器4产生射频信号输入强度调制器2，射频信号为M元脉冲位置调制编码源，M元每个符号的持续时间均为T，只有一个T内有脉冲能量，M取值一般为2的幂次，例如M＝16，代表4比特信息，数据与脉冲位置调制编码的关系为数据“0010”对应第二个时间T内有脉冲能量，其它15个T内脉冲能量为0。强度调制器2的输出光，输入相位调制器3，第二信号发生器5产生射频信号输入相位调制器3，射频信号为相位调制编码源，数据与码元映射关系为数据“0”对应相位π，数据“1”对应相位0，每个码元的持续时间为MT。相位调制器3的输出光，经过发射望远镜6发射到空间信道中。
携带信息的光经过一定距离传输，到达接收望远镜。
接收望远镜7的输出光依次通过光功率放大器8和光滤波器9后，输入2*4 90°光桥接器11，本振激光器10输出的本振光输入2*4 90°光桥接器11的另一输入端口，在桥接器内部干涉后，输出4路光，相位为0，π的两路光输入平衡探测器12，输出同相电流iI，相位为的两路光输入平衡探测器13，输出正交支路电路iQ，iI和iQ通过采集处理器14采集处理，得到解调信号。
采集处理器将时间T内两路电流采集积分，求平方和，M个时间T为一个处理单元，电流值最大的间隔T为有脉冲间隔，其它为无脉冲间隔，译码得到log2M比特数据。在有脉冲间隔T内的两路电流的比值的反正切值为信号相位，译码得到1比特数据，处理共得到1+log2M比特数据。所有收集的信号全部处理完成后，发射端的数据在接收端实现解调。

Claims (5)

1.一种激光通信中幅度相位级联调制的相干接收系统，包括发射部分和接收部分，其特征在于，所述的发射部分包括激光器、强度调制器、相位调制器、第一信号发生器、第二信号发生器和发射望远镜，所述的激光器发出的光依次通过强度调制器和相位调制器后被发射望远镜发射到空间信道中，所述的强度调制器的射频输入端连接第一信号发生器，相位调制器的射频输入端连接第二信号发生器；
所述的接收部分包括接收望远镜、光放大器、光学窄带滤波器、光学桥接器、光电探测器、本振激光器和电子学；所述的接收望远镜接收到空间信道中的信号光后，依次经光放大器和光学窄带滤波器后输入光桥接器的一个输入端，所述的本振激光器发出的光进入光桥接器的另一个输入端，使信号光和本振光在光桥接器内相干，该光桥接器的输出端与电子学相连。
2.根据权利要求1所述的激光通信中幅度相位级联调制的相干接收系统，其特征在于，所述的电子学包括同相探测通道、正交探测通道和采集处理电路。
3.根据权利要求1所述的激光通信中幅度相位级联调制的相干接收系统，其特征在于，信号光和本振光在光桥接器内相干后，经光桥接器的输出端输出，光信号进入光电探测器，转换为电信号，电信号两两平衡经光探测器接收，得到同相电流信号和正交电流信号，再经过采集和信号处理解调得到信息。
4.根据权利要求1-3任一所述的激光通信中幅度相位级联调制的相干接收系统，其特征在于，所述的光桥接器为2*4 90°桥接器或者2*8 90°桥接器。
5.根据权利要求4所述的激光通信中幅度相位级联调制的相干接收系统，其特征在于，所述的2*4 90°桥接器处理与本振激光同偏振的信号，对应的光电探测器的个数为4个，平衡接收电流信号为2路，所述的2*8 90°桥接器处理其它偏振信号，对应的光电探测器的个数为8个，平衡接收电流信号为4路。
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