CN110661570B - 一种空间激光通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供了一种空间激光通信系统，该系统包括发射端和接收端，发射端包括发射组、波分复用器、串并联变换器和第二激光器；接收端包括：耦合组件和解调组件；电滤波器的输出端与电QPSK接收器的输入端电连接；波分复用器的输入端与第二激光器的输出端电连接；波分复用器的输出端通过FSO信道与耦合器的第一输入接口通信；耦合器的第二输入接口分别与本振激光器的输出端、环路滤波器的输出端电连接；环路滤波器的输入端与第二探测器的输出端电连接；第二探测器的输入端与耦合器的第一输出接口电连接；耦合器的第二输出接口与第一探测器的输入端电连接。应用本发明实施例提供的系统能够大幅度提高激光通信技术的传输容量。

Description

一种空间激光通信系统
技术领域
本发明涉及空间激光通信技术领域，特别是涉及一种空间激光通信系统。
背景技术
激光通信技术由于其单色性好、方向性强、光功率集中、保密性好、成本低、安装快等优点，而引起各国研究者的高度重视。光纤通信和激光大气通信已经成为现实，并且光纤通信在互联网领域得到了广泛的应用，目前已经成为世界公认传输速度最快的传输方式。
但是随着科技日新月异的发展，海量的数据传输已经成为今后科技发展的趋势，随着信息量的增加，传输主线如海底光缆成为制约大数据传输的瓶颈。架设更多传输主线成本非常昂贵。因此急需进一步提高激光通信技术的传输容量。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种空间激光通信系统，能够大幅度提高激光通信技术的传输容量。
具体技术方案如下：
一种空间激光通信系统，所述系统包括发射端和接收端，
所述发射端包括：发射组、波分复用器、串并联变换器和第二激光器；
所述发射组包括：第一激光器和QPSK调制器；
在每一发射组中，所述QPSK调制器的输入端分别与所述串并联交换器的输出端、第一激光器的输出端和波分复用器的输入端电连接；所述串并联交换器的输入端用于接入外部设备输入的数据；
所述接收端包括：耦合组件和解调组件；
所述耦合组件包括：耦合器、环路滤波器、第一探测器、第二探测器和本振激光器；
所述解调组件包括：与发射组数量相同的解调组；
所述解调组包括：电滤波器和电QPSK接收器；
在每一解调组中，所述电滤波器的输入端与所述第一探测器的输出端电连接；所述电滤波器的输出端与所述电QPSK接收器的输入端电连接；所述电QPSK接收器的输出端用于输出第一信号和第二信号；
所述波分复用器的输入端与所述第二激光器的输出端电连接；所述波分复用器的输出端通过自由空间光FSO信道与所述耦合器的第一输入接口通信；
所述耦合器的第二输入接口分别与所述本振激光器的输出端、所述环路滤波器的输出端电连接；
所述环路滤波器的输入端与所述第二探测器的输出端电连接；
所述第二探测器的输入端与所述耦合器的第一输出接口电连接；
所述耦合器的第二输出接口与所述第一探测器的输入端电连接。
进一步地，所述耦合组件还包括：压控振荡器和IM调制器；
所述IM调制器的输入端分别与所述压控振荡器的输出端、所述本振激光器的输出端电连接；
所述压控振荡器的输入端与所述环路滤波器的输出端电连接；
所述IM调制器的输出端与所述第二输入接口电连接。
进一步地，所述耦合器为3dB耦合器。
进一步地，所述第一激光器为1550nm激光器。
进一步地，所述发射组的数量为4。
进一步地，针对每一所述发射组，且每一发射组中相邻布置的第一激光器波长间隔相等。
进一步地，所述波长间隔大于0.08nm。
进一步地，所述本振激光器的波长与第二激光器的波长相等。
进一步地，每一发射组的第一激光器分别依次发射f0+Δf、f0-Δf、f0+2Δf和f0-2Δf的载波信号，其中，f0为载波频率，Δf为载波变化频率。
进一步地，所述第二激光器发射的载波频率为f0。
本发明实施例提供的一种空间激光通信系统，该系统包括：发射端和接收端，发射端包括每发射组、波分复用器、串并联变换器和第二激光器；接收端包括：耦合组件和解调组件；在每一发射组中，QPSK调制器分别与串并联交换器的输出端、第一激光器的输出端和波分复用器的输入端电连接；在每一解调组中，电滤波器的输入端与第一探测器的输出端电连接；电滤波器的输出端与电QPSK接收器的输入端电连接；波分复用器的输入端与第二激光器的输出端电连接；波分复用器的输出端通过FSO信道与耦合器的第一输入接口通信；耦合器的第二输入接口分别与本振激光器的输出端、环路滤波器的输出端电连接；环路滤波器的输入端与第二探测器的输出端电连接；第二探测器的输入端与耦合器的第一输出接口电连接；耦合器的第二输出接口与第一探测器的输入端电连接。应用本发明实施例提供的系统能够大幅度提高激光通信技术的传输容量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的第一种空间激光通信系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的第二种空间激光通信系统的结构示意图。
其中，1-发射组，2-波分复用器，3-串并联变换器，4-第二激光器，5-耦合组件，6-解调组件，11-第一激光器，12-QPSK调制器，51-耦合器，52-环路滤波器，53-第一探测器，54-第二探测器，55-本振激光器，56-压控振荡器，57-IM调制器，60-解调组，61-电滤波器，62-电QPSK接收器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，图1为本发明实施例提供的第一种空间激光通信系统的结构示意图，该系统包括：
所述发射端包括：发射组1、波分复用器2、串并联变换器3和第二激光器4；
所述发射组1包括：第一激光器11和QPSK(Quadrature Phase Shift Keyin，正交相移键控)调制器12；
在每一发射组1中，所述QPSK调制器12的输入端分别与所述串并联交换器3的输出端、第一激光器11的输出端和波分复用器3的输入端电连接；所述串并联交换器3的输入端用于接入外部设备输入的数据；
所述接收端包括：耦合组件5和解调组件6；
所述耦合组件5包括：耦合器51、环路滤波器52、第一探测器53、第二探测器54和本振激光器55；
所述解调组件6包括：与发射组1数量相同的解调组60；
所述解调组60包括：电滤波器61和电QPSK接收器62；
在每一解调组60中，所述电滤波器61的输入端与所述第一探测器53的输出端电连接；所述电滤波器61的输出端与所述电QPSK接收器62的输入端电连接；所述电QPSK接收器62的输出端用于输出第一信号和第二信号；
所述波分复用器3的输入端与所述第二激光器4的输出端电连接；所述波分复用器3的输出端通过FSO(Free Space Optical Communication，自由空间光通信)信道与所述耦合器51的第一输入接口通信；
所述耦合器51的第二输入接口分别与所述本振激光器55的输出端、所述环路滤波器52的输出端电连接；
所述环路滤波器52的输入端与所述第二探测器53的输出端电连接；
所述第二探测器53的输入端与所述耦合器51的第一输出接口电连接；
所述耦合器51的第二输出接口与所述第一探测器54的输入端电连接。
其中，QPSK调制器可以理解为是对输入的二进制序列按每两位码元分为一组，用第一激光器发射的载波的四种相位表征。
波分复用器2可以理解为是将一系列载有信息、但波长不同的光信号合成一束，沿着单根光纤传输的器件；
发射组的数量可以为4，同样解调组的数量与发射组的数量相同，也就是说，解调组的数量也为4。
为了对本发明实施例的空间激光通信系统理解更加清楚，现以发射组的数量为4、每一发射组包括一个第一激光器、一个QPSK调制器为例进行说明，具体为：外部设备输入的二进制数字信号(图1中的数据)经过串并转变换器分为两路速率减半的双极性信号，双极性信号经QPSK调制器的第一输入接口,被QPSK调制器调制成双比特码元，第一激光器发射的载波信号经QPSK调制器的第二输入接口输入至QPSK调制器后，每个比特周期，QPSK调制器根据双比特码元不同的组合，从第一激光器发射的4种不同相位的载波中选择一种相位的载波信号，并将选择的载波信号除去第一激光器发射的载波信号的外干扰信号后输出，就得到QPSK信号，第二激光器输出的载波信号是用于接收端的相干探测，利用波分复用器将每一发射组中调制后的QPSK信号耦合在一起，将波分复用器发送的信号作为发射信号，发送上述发射信号至FSO信道，接收端首先将接收到的上述发射信号与本振激光器55发射的本振信号送入耦合器51进行混频，其次，使用光电探测器对耦合器混频后的信号进行探测，光电探测器探测出的信号分为4路，每一路先输入到4个解调组中，解调组的电滤波器选取出单路信号，并利用电QPSK接收器对选取的单路信息进行解调，得到解调后的信号。
值得一提的是，本发明实施例采用的是相干探测方式的密集波分复用空集激光通信系统，相干探测与直接探测相比，很大程度上可提高接收灵敏度，增强信号在传输过程中的抗干扰能力，适用于弱信号的探测。
另外，在相干激光通信系统的接收端，第一探测器和第二探测器需要发射信号和本振信号的光场相干，提高相干激光通信系统的接收灵敏度。
本发明实施例中耦合器的使用使得系统的硬件配置简单。
上述平衡探测器可以消除本振激光器的噪声。
由此可见，本发明实施例提供的系统的发射端包括每发射组、波分复用器、串并联变换器和第二激光器；该系统的接收端包括：耦合组件和解调组件；在每一发射组中，QPSK调制器分别与串并联交换器的输出端、第一激光器的输出端和波分复用器的输入端电连接；在每一解调组中，电滤波器的输入端与第一探测器的输出端电连接；电滤波器的输出端与电QPSK接收器的输入端电连接；波分复用器的输入端与第二激光器的输出端电连接；波分复用器的输出端通过FSO信道与耦合器的第一输入接口通信；耦合器的第二输入接口分别与本振激光器的输出端、环路滤波器的输出端电连接；环路滤波器的输入端与第二探测器的输出端电连接；第二探测器的输入端与耦合器的第一输出接口电连接；耦合器的第二输出接口与第一探测器的输入端电连接。应用本发明实施例提供的系统能够大幅度提高激光通信技术的传输容量。应用本发明实施例提供的系统能够大幅度提高激光通信技术的传输容量。
为了保证高接收灵敏度，接收端的本振激光信号光和发射信号光的之间的相位差最好保持一致，本发明实施例提出了一种实现方式，如图2所示，耦合组件5还包括：压控振荡器56和IM调制器57；
IM调制器57的输入端分别与压控振荡器56的输出端、本振激光器55的输出端电连接；
压控振荡器56的输入端与环路滤波器52的输出端电连接；
IM调制器57的输出端与第二输入接口电连接。
其中，上述压控振荡器56可以理解为输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路，频率是输入信号电压的函数的振荡器，振荡器的工作状态或振荡回路的元件参数受输入控制电压的控制，就可构成一个压控振荡器。
调制器可以理解为把模拟或数字信息叠加在光源上。IM调制器可以理解为是信号对光源本身直接调制，产生调制的光场输出，通过偏置电流的编号对光源进行幅度或强度调制。
可见，本实现方式使用压控振荡器56和IM调制器57可以进一步保证接收端的本振激光信号光和发射信号光的之间的相位差保持一致，同时能够提高相干激光通信系统的接收的灵敏度。
在一种实现方式中，耦合器可以采用3dB(分贝)耦合器，相对现有技术中采用多个90混频器而言，其中，3dB耦合器就是耦合系数为3dB的耦合器，就是说信号从一个端口耦合到另一个端口时，耦合信号的功率较输入信号的功率衰减了3dB，3dB耦合器属于强耦合器。本发明实施例的耦合器采用3dB耦合器可简化整个空间激光通信系统的硬件配置。
为了满足应用要求，第一种实现方式为：针对每一所述发射组1，且每一发射组中相邻布置的第一激光器11波长间隔相等。
可见，第一种实现方式具有传输速率快、通信容量大、抗电磁干扰性能强、保密性高等优点。
基于上述第一种实现方式，第二种实现方式为：波长间隔大于0.08nm。本实现方式能够进一步增强抗电磁干扰性。
基于上述第二种实现方式，第三种实现方式为：所述本振激光器55的波长与第二激光器4的波长相等。
为了调制出信号，第四种实现方式为：每一发射组1的第一激光器11分别依次发射f0+Δf、f0-Δf、f0+2Δf和f0-2Δf的载波信号，其中，f0为载波频率，Δf为载波变化频率。
可见，本实现方式可以快速调制出不同信号。
为了在接收端进行相干探测，进一步提高接收端接收的灵敏度，基于上述第四实现方式，第五种实现方式为：所述第二激光器4发射的载波频率为f0。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、装置、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、装置、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、装置、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于装置实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见装置实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种空间激光通信系统，所述系统包括发射端和接收端，其特征在于，
所述发射端包括：多个发射组(1)、波分复用器(2)、串并联交换器(3)和第二激光器(4)；
所述发射组(1)包括：第一激光器(11)和QPSK调制器(12)；
在每一发射组(1)中，所述QPSK调制器(12)的输入端分别与所述串并联交换器(3)的输出端、第一激光器(11)的输出端和波分复用器(2)的输入端电连接；所述串并联交换器(3)的输入端用于接入外部设备输入的数据；
所述接收端包括：耦合组件(5)和解调组件(6)；
所述耦合组件(5)包括：耦合器(51)、环路滤波器(52)、第一探测器(53)、第二探测器(54)和本振激光器(55)；
所述解调组件(6)包括：与发射组(1)数量相同的解调组(60)；
所述解调组(60)包括：电滤波器(61)和电QPSK接收器(62)；
在每一解调组(60)中，所述电滤波器(61)的输入端与所述第二探测器(54)的输出端电连接；所述电滤波器(61)的输出端与所述电QPSK接收器(62)的输入端电连接；所述电QPSK接收器(62)的输出端用于输出第一信号和第二信号；
所述波分复用器(2)的输入端与所述第二激光器(4)的输出端电连接；所述波分复用器(2)的输出端通过自由空间光FSO信道与所述耦合器(51)的第一输入接口通信；
所述耦合器(51)的第二输入接口与所述本振激光器(55)的输出端电连接；
所述环路滤波器(52)的输入端与所述第一探测器(53)的输出端电连接；
所述第一探测器(53)的输入端与所述耦合器(51)的第一输出接口电连接；
所述耦合器(51)的第二输出接口与所述第二探测器(54)的输入端电连接。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述耦合组件(5)还包括：压控振荡器(56)和IM调制器(57)；
所述IM调制器(57)的输入端分别与所述压控振荡器(56)的输出端、所述本振激光器(55)的输出端电连接；
所述压控振荡器(56)的输入端与所述环路滤波器(52)的输出端电连接；
所述IM调制器(57)的输出端与所述第二输入接口电连接。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述耦合器(51)为3dB耦合器。
4.如权利要求1～3中任一项所述的系统，其特征在于，所述第一激光器(11)为1550nm激光器。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述发射组的数量为4。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，针对每一所述发射组(1)，且每一发射组(1)中相邻布置的第一激光器(11)波长间隔相等。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述波长间隔大于0.08nm。
8.如权利要求5～7中任一项所述的系统，其特征在于，所述本振激光器(55)的波长与第二激光器(4)的波长相等。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，每一发射组(1)的第一激光器(11)分别依次发射f0+Δf、f0-Δf、f0+2Δf和f0-2Δf的载波信号，其中，f0为载波频率，Δf为载波变化频率。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述第二激光器(4)发射的载波频率为f0。
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