CN111010235B - 一种收发机和光学时频传递装置 - Google Patents

Abstract

本方案提供了一种收发机和光学时频传递装置，其中，该收发机包括：调制解调器，基于灵活配置的偏置二进制载波FlexBOC调制策略，产生FlexBOC调制信号；和/或，基于FlexBOC解调策略，对光电信号进行解调，获得时频数据；激光收发单元，发射基于FlexBOC调制信号产生的激光信号；和/或，将接收到的外部激光信号转换为电信号。本申请所述技术方案通过采用灵活配置的偏置二进制载波(FlexBOC)调制解调技术，不但能够克服无线电时频传递技术中的多径干扰因素，实现皮秒级自由空间光学双向精密时频传递，而且还能够有效减小占用带宽，极大地降低带宽的要求。

Description

一种收发机和光学时频传递装置

技术领域

本申请涉及光学时频传递领域，特别涉及一种收发机和自由空间皮秒级光学时频传递装置。

背景技术

近年来，定位、导航和授时能力和技术促进了民生活动、金融贸易、交通管理、电力调度、物流等多个领域的快速发展。在这些技术中，授时服务为其他技术奠定了坚实的基础。近年来，光学原子钟的性能不断提高并且达到了前所未有的稳定度和精度，远超上述应用的需求。因此，时频传递技术便成为授时服务能力提升的瓶颈。

利用微波无线电手段的时频传递技术在实现高精度指标时愈发困难，基于光学方法的时频传递技术是潜在的突破方向。目前，实用的高精度光学时频传递是主要在光纤网络中实现，但在灵活度方面显得不足。

发明内容

本申请提供了一种收发机和光学时频传递装置，以提高光学时频传递的性能。

根据本申请实施例的第一个方面，提供了一种收发机，该收发机包括：

调制解调器，基于灵活配置的偏置二进制载波FlexBOC调制策略，产生FlexBOC调制信号；和/或，基于FlexBOC解调策略，对光电信号进行解调，获得时频数据；

激光收发单元，发射基于FlexBOC调制信号产生的激光信号；和/或，将接收到的外部激光信号转换为电信号。

在一种实施方式中，所述调制解调器包括：

调制模块，基于FlexBOC调制策略，对本地交互数据进行处理，产生用于调制发射激光信号的驱动电流；

解调模块，基于FlexBOC解调策略，对电信号进行处理，获得本地伪距测量值和远端伪距测量值。

在一种实施方式中，所述调制模块包括：载波发生模块、子载波发生模块、伪随机码发生模块、交互数据产生模块和数模转换器；

将载波、子载波、伪随机码和交互数据合成，经数模转换器产生用于调制发射激光信号的驱动电流。

在一种实施方式中，所述解调模块包括：载波提取模块、子载波提取模块、伪随机码提取模块、交互数据提取模块和模数转换器；

经模数转换器处理的电信号依次经过载波提取模块、子载波提取模块、伪随机码提取模块和交互数据提取模块处理，获得本地伪距测量值和远端伪距测量值。

在一种实施方式中，所述所述调制解调器还包括：

钟差计算器，根据交互数据中的远端伪距值与本地伪距测量值，计算钟差。

在一种实施方式中，所述激光收发单元包括：

激光器，基于FlexBOC调制信号产生的激光信号；

光电探测器，将接收到的外部激光信号转换为电信号。

在一种实施方式中，所述激光收发单元还包括：与激光器和光电探测器连接的环形器。

在一种实施方式中，所述收发机还包括：准直器；激光信号经过准直器沿自由空间链路与其他收发机进行数据传输。

根据本申请实施例的第二个方面，提供了一种光学时频传递装置，该装置包括：至少两个如上所述的收发机；

收发机之间的激光信号通过准直器沿自由空间链路传输。

在一种实施方式中，每个收发机各配有一个频率源。

有益效果

本申请所述技术方案通过采用灵活配置的偏置二进制载波(FlexBOC)调制解调技术，不但能够克服无线电时频传递技术中的多径干扰因素，实现皮秒级自由空间光学双向精密时频传递，而且还能够有效减小占用带宽，极大地降低带宽的要求。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1示出本方案所述收发机的示意图；

图2示出本方案所述时频传递装置的示意图；

图3示出实验对比数据的示意图。

具体实施方式

为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

现有技术中，光学时频传递是主要在光纤网络中实现，经过分析研究发现，采用光纤网络进行时频传递的灵活度较差，且消耗资源严重，难以现代光学时频传递的需求。因此，本方案提出一种自由空间光学时频传递技术，以使时频传递系统的构建和实施更加灵活。具体的，

如图1所示，本方案公开了一种收发机，该收发机主要由调制解调器和激光接收单元两部分组成。在收发机向外发送激光信号时，调制解调器基于灵活配置的偏置二进制载波(FlexBOC，Flexible Binary-Offset-Carrier)调制策略，产生FlexBOC调制信号，激光收发单元根据FlexBOC调制信号产生的激光信号，发送给其他接收机；在收发机接收激光信号时，调制解调器基于FlexBOC解调策略，对电信号进行解调，获得时频数据。

在一种实施方案中，所述调制解调器可以设计成独立的功能器件，通过插接的方式配置到收发机中，再通过软件配置好传输协议，以保证收发机之间信号传输的稳定性和安全性。

本方案中，调制解调器中至少要包含调制模块和解调模块。在收发机向外发送激光信号前，需要利用调制模块基于FlexBOC调制策略，对本地交互数据进行处理，产生用于调制发射激光信号的驱动电流，再基于驱动电流产生需要发射的激光信号。在收发机接收外部激光信号并进行光电转换后，需要利用解调模块基于FlexBOC解调策略，对电信号进行处理，获得本地伪距测量值和远端伪距测量值。

本方案中，所述调制模块具体需要将用于将调制信号从基带上搬移的载波信号、用于测量精密伪距的子载波、用于进行伪距粗测和收发机识别的伪随机码和交互数据合成后，进行模数转换，才能够生成所述驱动电流。因此，所述调制模块中需要配置有载波发生模块、子载波发生模块、伪随机码发生模块、交互数据产生模块和数模转换器；以此同时，可以通过这几个模块根据传递的要求，灵活配置载波、子载波、伪随机码等参数。

本方案中，所述解调模块具体需要将获得的电信号进行模数转换，随后依次提取出信号中的载波、子载波、伪随机码和交互数据，进而产生本地伪距测量值和远端伪距测量值。因此，所述解调模块中需要配置有载波提取模块、子载波提取模块、伪随机码提取模块、交互数据提取模块和模数转换器；同时，为了配合匹配收发机之间的信息传递，可以根据情况随时调整载波、子载波、伪随机码等参数。

本方案中，为了更加方便的获得两个收发机之间的钟差，可以在调制解调器中配置钟差计算器，从而快速计算出钟差。在一种实施方式中，可以在调制解调器中集成配置有钟差计算器的上位机，由此，可以在计算完钟差结果后，立刻显示给操作者。

本方案中，所述激光收发单元包括：激光器、光电探测器和环形器；激光器在驱动电流的作用下，产生激光信号，通过环形器发射出去；光电探测器可以对环形器采集到的外部激光信号进行处理，产生电信号。在一种实施方案中，所述激光器可以采用高速调谐激光器。

本方案中，为了使发射和接收激光信号更加集中，收发效率更高，收发机还可以配置准直器；使激光信号能够经过准直器沿自由空间链路与其他收发机进行数据传输。

如图2所示，本方案还提供了一种光学时频传递装置，该装置包括：至少两个如上所述的收发机；收发机之间的激光信号通过准直器沿自由空间链路传输。每个收发机各配有一个频率源。

本申请所述技术方案通过采用灵活配置的偏置二进制载波(FlexBOC)调制解调技术，不但能够克服无线电时频传递技术中的多径干扰因素，实现皮秒级自由空间光学双向精密时频传递，而且还能够有效减小占用带宽，极大地降低带宽的要求。

下面通过实例对本方案作进一步说明。

本实施例提供了一种高精度自由空间皮秒级光学时频传递方法与装置，采用灵活配置的偏置二进制载波(FlexBOC)调制解调技术，并结合高速调谐激光技术，克服了无线电时频传递技术中的多径干扰因素，实现皮秒级自由空间光学双向精密时频传递。此方法较二进制相移键控(BPSK，Binary Phase Shift Keying)调制解调技术，可极大地降低带宽要求，达到与之相当的时频传递精度，有望应用于星地、星间时钟网络和室外授时服务。

如图1所示，FlexBOC收发机结构包含调制解调器、高速可调谐半导体激光器、光电探测器和光学元件等。半导体激光器工作在1550nm波长附近，输出通信波段激光，并且支持高达吉赫兹(GHz)速率的宽带电流调制。输出激光根据本地发射机中FlexBOC调制解调器产生的FlexBOC调制信号实现调制，产生的激光信号经过光纤环行器、光纤准直器沿自由空间链路传输至对侧站点接收机。为了提高链路互易性，采用被动温控方式减小链路中光纤环行器的差模影响。调制解调器接收机采用全数字锁相环对接收光进行解码，实现伪距测量和交互数据提取。上位机可记录双向伪距数值，计算并显示秒级间隔的钟差。

FlexBOC调制解调器的调制模块生成的FlexBOC信号包含四个分量：70MHz中频(IF)载波，用于将调制信号从基带上搬移；10MHz子载波，用于精密伪距测量；PN码，进行伪距粗测和收发机识别；以及本地测量伪距与交互数据，用于站点之间进行数据交换。其中，一个PN码速率为125kHz。这四个信号分量在时域内合成，最终用于调制高速半导体激光器的驱动电流。

在FlexBOC调制解调器的解调模块中，伪码自相关的时间间隔测量和载波相位分析实现了本地端伪距测量。利用解调模块分别提取上述四个FlexBOC信号分量，随后分别跟踪PN码和子载波并行进行本地端伪距测量。伪距粗测采用基于PN码自相关的时间间隔测量方法，精度约为10ns，小于数字信号采样周期；伪距精测采用子载波的相位分析，精度可提升至皮秒级量级，接近BPSK方法的测试指标。最后，根据交互数据中的远端伪距值与本地伪距测量值，上位机每秒钟计算并显示输出钟差。

如图2所示，一种自由空间皮秒级光学时频传递装置结构。此系统采用基于FlexBOC调制解调技术实现自由空间光学双向时频传递。双向时频传递的两个站点假定为A、B两站。在A、B站中，每台FlexBOC收发机工作在全双工模式下实现双向伪距测量和数据交互。利用通信波段连续波激光，经自由空间链路传输至对侧站点，实现时频传递与测量，测量值溯源至各自外部频率源。依据双向传递原理，可极大抑制链路中的环境扰动。

图3所示为FlexBOC与BPSK调制信号频谱的比较，阴影区域标明了调制解调技术的有效占用带宽。由于子载波调制，FlexBOC中频信号周围产生了频率偏移量为10MHz的两个边带，分别为(IF-10)MHz和(IF+10)MHz。插图给出了边带的放大视图。可以看到，由于125kHz PN码调制，子载波周围产生级联边带。在接收机信号处理过程中，PN码的高次调制谐波将被滤除，仅保留基频信号进行相位分析。因此，本装置中FlexBOC信号的典型有效占用带宽为500kHz。前期测试结果表明，与采用10MHz码速率的BPSK调制解调装置相比，本装置实现了与之相当的时频传递指标。BPSK调制信号的频谱显示其有效带宽为20MHz。由此可知，本装置减小了97.5％的占用带宽，极大地降低带宽要求。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种收发机，其特征在于，该收发机包括：

调制解调器，基于灵活配置的偏置二进制载波FlexBOC调制策略，产生FlexBOC调制信号；和/或，基于FlexBOC解调策略，对光电信号进行解调，获得时频数据；

激光收发单元，发射基于FlexBOC调制信号产生的激光信号；和/或，将接收到的外部激光信号转换为电信号；

所述调制解调器包括：

调制模块，基于FlexBOC调制策略，对本地交互数据进行处理，产生用于调制发射激光信号的驱动电流；

解调模块，基于FlexBOC解调策略，对电信号进行处理，获得本地伪距测量值和远端伪距测量值；

所述调制模块包括：载波发生模块、子载波发生模块、伪随机码发生模块、交互数据产生模块和数模转换器；

将载波、子载波、伪随机码和交互数据合成，经数模转换器产生用于调制发射激光信号的驱动电流；

所述收发机还包括：准直器；激光信号经过准直器沿自由空间链路与其他收发机进行数据传输。

2.根据权利要求1所述的收发机，其特征在于，所述解调模块包括：载波提取模块、子载波提取模块、伪随机码提取模块、交互数据提取模块和模数转换器；

经模数转换器处理的电信号依次经过载波提取模块、子载波提取模块、伪随机码提取模块和交互数据提取模块处理，获得本地伪距测量值和远端伪距测量值。

3.根据权利要求1所述的收发机，其特征在于，所述调制解调器还包括：

钟差计算器，根据交互数据中的远端伪距值与本地伪距测量值，计算钟差。

4.根据权利要求1所述的收发机，其特征在于，所述激光收发单元包括：

激光器，基于FlexBOC调制信号产生的激光信号；

光电探测器，将接收到的外部激光信号转换为电信号。

5.根据权利要求4所述的收发机，其特征在于，所述激光收发单元还包括：与激光器和光电探测器连接的环形器。

6.一种光学时频传递装置，其特征在于，该装置包括：至少两个如权利要求1至5任意一项所述的收发机；

收发机之间的激光信号通过准直器沿自由空间链路传输。

7.根据权利要求6所述的光学时频传递装置，其特征在于，每个收发机各配有一个频率源。

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