CN111385031B - 基于复合轴锁相的星间相干光通信系统 - Google Patents

基于复合轴锁相的星间相干光通信系统 Download PDF

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Abstract

一种基于复合轴锁相的星间相干光通信系统，可应用于信号光频率大范围、高速变化的星间光通信系统中。利用激光器温度调谐与外调谐相结合的方式，实现本振光相位对接收信号光相位的实时跟踪。接收端以现场可编程逻辑门阵列(FPGA)为数字信号处理器实现相位误差信号以及信号光和本振光频差信号的提取。根据信号光和本振光频差信号驱动本振光温度调谐端口实现频率卸载。本发明的特点是将温度调谐的宽范围、低带宽和外调谐的窄范围、高带宽的特点相结合。锁相初期通过温度扫描实现快速入环，锁相后通过温度调谐的频率实时卸载保证系统在多普勒效应造成的大范围频率漂移中，能够保持环路的稳定工作。本发明可以实现星间高灵敏度的零差相干光通信。

Description

基于复合轴锁相的星间相干光通信系统
技术领域
本发明属于零差相干探测的卫星光通信领域，该系统装置将温度调谐的大范围、低带宽和外调谐的窄范围、高带宽的特点相结合。可以实现对星间多普勒效应的实时补偿，实现光学锁相环的稳定工作。采用欠采样的方式提取相位误差信号，降低了对后端电子学器件带宽的要求。
背景技术
随着通信卫星对通信速率要求的提升，传统的强度调制直接探测通信体制已不能满足要求。采用相干光通信体制可以满足通信卫星对通信速率和通信灵敏度的要求。对于零差相干光通信而言，接收端需要光学锁相环实现本振光相位对信号光相位的跟踪。同时由于卫星之间的相对运动，使得接收端接收到的信号光频率存在大范围、高速的漂移，因此需要光学锁相环能够对适应该变化。
现有技术[1](马晶,于思源,王淇,等.一种星间自零差相干光通信接收系统的多普勒效应在轨补偿方法：CN201510962640.5)提出采用自动控制环路对星间光通信系统中接收端多普勒效应产生的频差进行补偿，但是该类补偿方式需要根据通信速率与频差的比值，判断该比值是否能使得激光通信链路稳定建立。如果频差变化时，通信速率也要进行相应的调整。现有技术[2](汪滴珠,杨光文,左金钟,等.一种空间相干光通信高动态载波捕获跟踪环路：CN201410490978.0)提出采用双锁频环路进行频率捕获跟踪，双锁频环路分别通过不同的控制算法实现，根据锁定状态控制两个锁频环路的工作状态。这种双锁频环路增加了系统的复杂度。
为了解决多普勒效应下，光学零差相干探测中光学锁相环的稳定工作，我们开展了基于复合轴锁相的卫星光通信系统，这将对卫星光通信的零差相干接收具有非常重要的意义。
发明内容
本发明主要针对接收信号光频率大范围、高速变化的零差相干探测卫星光通信系统，提出了一种基于复合轴锁相的卫星光通信系统，可以实现锁相环的稳定工作和频率的实时卸载。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于复合轴锁相的卫星光通信系统，其特点在于：包括信号发生器，第一激光器，相位调制器，第一驱动器，可调光衰减器，第一分束器，光功率计，光学放大器，光学桥接器，第一探测器，第二探测器，限幅放大器，误码仪，第三探测器，第四探测器，ADC，第一FPGA，直接数字频率合成器，电学混频器，第二驱动器，强度调制器，第二分束器，光学滤波器，第五探测器，第二FPGA，第一DAC，第二DAC，RF源，第二激光器。上述元部件的位置关系如下：
在发射端，误码仪产生的高速数字信号经过第一驱动器放大后，通过所述的相位调制器调制第一激光器输出的激光；可调光衰减器用于对调制后的信号光进行衰减，第一分束器用于将衰减后的信号光分成两路，其中一路输入给光功率计，用于测量信号光功率；另外一路经光学放大器进行光放大后，输入到接收端。
在接收端，所述的光学桥接器将接收到的信号光和本振光进行光混频，并输出相位差90°的四路混频光信号，第三探测器和第四探测器将其中两路正交的混频光信号转换为对应的正交电信号，通过ADC转化为对应的数字信号，第一FPGA根据ADC输入的数字信号提取出信号光和本振光的相位误差信号以及频差信号。
所述的直接数字频率合成器将所述的相位误差信号转化为相位可控的正弦电信号，电学混频器用于将直接数字频率合成器产生的正弦电信号和RF源输出的射频电信号进行频率上转换，产生和频电信号；强度调制器用于将电学混频器产生的和频电信号经过第二驱动器放大后加载到第二激光器输出的激光上。第二分束器用于将强度调制器输出的光信号分成两路，其中一路经第五探测器转化为对应的电信号，并经第二FPGA进行信号处理后，产生对应的控制电信号，用于控制强度调制器的偏压点位置；另一路光信号经光学滤波器滤出一阶边带光信号，并作为本振光输入给光学桥接器，形成光学锁相环的反馈控制。
所述的第一DAC将所述的频差信号转化为相应的模拟电信号，并控制第二激光器，实现频率的调谐。
所述的第二DAC将所述的频差信号转化相应的模拟电信号，并控制光学滤波器，使光学滤波器透过率中心波长和强度调制器输出光信号的一阶边带的波长一致。
所述的信号发生器输出信号用于控制第一激光器输出光信号的频率，并模拟信号光频率的漂移。
所述的第一探测器和第二探测器将光学桥接器输出的剩余两路混频光信号转换为对应的电信号，经限幅放大器放大后，输入给误码仪实现通信误码率的统计。
本发明的优点在于
1、采用光学锁相环的方式实现零差相干探测，可以有效降低接收机的功耗以及算法复杂度。
2、采用温度调谐环路与外调制锁相环结合的方式。温度调谐环路作为大范围、慢速的频率卸载，外调制锁相环作为窄范围、快速的零差解调环路；能够实现在接收端信号光频率大范围、快速变化下，光学锁相环能保持稳定的工作。
3、采用零差相干探测的方式，具有近噪声极限的灵敏度。同时，外调制锁相环采用低速的ADC进行信号的采集，将采集到的电信号经过低速的FPGA进行相位误差信号的提取。该种相位误差信号提取的方案能够降低接收端电子学的带宽以及相应数字信号处理芯片的运行速度。
4、具有快速的初始频率捕获功能。能够保证在初始频差过大时，能够实时进行频率的补偿。
5、通过FPGA实现相位误差信号的提取，环路滤波器采用数字式的PI控制算法。根据测得的环路延时参数，确定数字环路滤波器的比例参数(P)和积分参数(I)。经数字环路滤波器后的相位误差信号驱动直接数字频率合成器产生相位受控的正弦信号。提高了锁相环路的相位裕度，减小了稳态下的锁相误差。
6、采用本振激光器外调制的方式。采用强度调制器产生多级边带，同时经光学滤波器虑出一阶边带作为本振光信号。光学滤波器的中心透过率波长随着频差的变化而变化，使得本振光的边摸抑制比达到40dB以上。有效避免了其他级边带对锁相环路的影响。
附图说明
图1为本发明基于复合轴锁相的卫星光通信系统的结构框图。
图中：1—信号发生器、2—第一激光器、3—相位调制器、4—第一驱动器、5—可调光衰减器、6—第一分束器、7—光功率计、8—光学放大器、9—光学桥接器、10—第一探测器、11—第二探测器、12—限幅放大器、13—误码仪、14—第三探测器、15—第四探测器、16—ADC、17—第一FPGA、18—直接数字频率合成器、19—电学混频器、20—第二驱动器、21—强度调制器、22—第二分束器、23—光学滤波器、24—第五探测器、25—第二FPGA、26—第一DAC、27—第二DAC、28—RF源、29—第二激光器、
具体实施方式
下面结合实施案例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。请参阅示意图，示意图是本发明一种基于复合轴锁相的卫星光通信系统装置的示意图，实线部分为电信号的连接，虚线部分为光信号的相连。由图可见一种基于复合轴锁相的卫星光通信系统装置，包括信号发生器，第一激光器，相位调制器，第一驱动器，可调光衰减器，第一分束器，光功率计，光学放大器，光学桥接器，第一探测器，第二探测器，限幅放大器，误码仪，第三探测器，第四探测器，ADC，第一FPGA，直接数字频率合成器，电学混频器，第二驱动器，强度调制器，第二分束器，光学滤波器，第五探测器，第二FPGA，第一DAC，第二DAC，RF源，第二激光器：
在发射端，误码仪产生的高速数字信号经过第一驱动器放大后，通过所述的相位调制器调制第一激光器输出的激光；可调光衰减器用于对调制后的信号光进行衰减，第一分束器用于将衰减后的信号光分成两路，其中一路输入给光功率计，用于测量信号光功率；另外一路经光学放大器进行光放大后，输入到接收端。
在接收端，所述的光学桥接器将接收到的信号光和本振光进行光混频，并输出相位差90°的四路混频光信号，第三探测器和第四探测器将其中两路正交的混频光信号转换为对应的正交电信号，通过ADC转化为对应的数字信号，第一FPGA根据ADC输入的数字信号提取出信号光和本振光的相位误差信号以及频差信号。
所述的直接数字频率合成器将所述的相位误差信号转化为相位可控的正弦电信号，电学混频器用于将直接数字频率合成器产生的正弦电信号和RF源输出的射频电信号进行频率上转换，产生和频电信号；强度调制器用于将电学混频器产生的和频电信号经过第二驱动器放大后加载到第二激光器输出的激光上。第二分束器用于将强度调制器输出的光信号分成两路，其中一路经第五探测器转化为对应的电信号，并经第二FPGA进行信号处理后，产生对应的控制电信号，用于控制强度调制器的偏压点位置；另一路光信号经光学滤波器滤出一阶边带光信号，并作为本振光输入给光学桥接器，形成光学锁相环的反馈控制。
所述的第一DAC将所述的频差信号转化为相应的模拟电信号，并控制第二激光器，实现频率的调谐。
所述的第二DAC将所述的频差信号转化相应的模拟电信号，并控制光学滤波器，使光学滤波器透过率中心波长和强度调制器输出光信号的一阶边带的波长一致。
所述的信号发生器输出信号用于控制第一激光器输出光信号的频率，并模拟信号光频率的漂移。
所述的第一探测器和第二探测器将光学桥接器输出的剩余两路混频光信号转换为对应的电信号，经限幅放大器放大后，输入给误码仪实现通信误码率的统计。
本发明的工作原理如下：
1.接收信号光和本振光的电场表达式为：
Figure BDA0002423678820000041
Figure BDA0002423678820000042
其中，PS和PL表示信号光功率和本振光功率；
Figure BDA0002423678820000043
和
Figure BDA0002423678820000044
表示信号光相位和本振光相位；θ(t)代表信号调制相位。对于BPSK调制θ(t)＝0,π；对于QPSK调制θ(t)＝0,π/2,π,3π/2。
2.第三探测器14和第四探测器15将光学桥接器9输出两路正交信号转换为对应的电信号VI(t)和VQ(t)：
Figure BDA0002423678820000045
Figure BDA0002423678820000046
其中，R和RL表示探测器的响应度和夸阻阻值。
3.将探测器输出的两路正交信号经过ADC16转换为相应的数字信号，ADC16的采样率为125Msps，第一FPGA17对采样后的信号首先进行极性判断，得到信号VI[n]和VQ[n]：
Figure BDA0002423678820000047
Figure BDA0002423678820000048
其中，
Figure BDA0002423678820000049
4.第一FPGA17对极性判断后的VI[n]和VQ[n]信号，进行异或运算(EX-OR)，得到信号y[n]:
Figure BDA00024236788200000410
5.第一FPGA17对异或运算(EX-OR)后的信号y[n]进行16点的滑动平均，得到相位误差信号z[n]。
Figure BDA0002423678820000051
其中，K表示环路增益。
6.第一FPGA17对滑动平均后的相位误差信号z[n]进行环路滤波处理，该环路滤波器为理想的一阶有源滤波器，由数字PI控制算法实现，对应的传递函数可以表达为：
Figure BDA0002423678820000052
经过环路滤波后的相位误差信号控制直接数字频率合成器18产生相应的信号，形成锁相环路。
7.在第5步对相位误差信号进行FFT，可得到信号光和本振光的频率差，第一DAC26和第二DAC27根据此频差信号分别控制第二激光器29和光学滤波器23，使得信号光和本振光的频差不断减小最终进入环路的捕获。
8.锁相环路锁定后，通过调节信号发生器1输出电压改变第一激光器2频率，模拟信号光频率的变化。同时，通过调节可调光衰减器5改变输入信号光的功率，在不同输入信号光功率下，测试基于复合轴锁相的卫星光通信系统的通信性能。

Claims (6)

1.一种基于复合轴锁相的星间相干光通信系统，其特征在于：包括信号发生器(1)，第一激光器(2)，相位调制器(3)，第一驱动器(4)，可调光衰减器(5)，第一分束器(6)，光功率计(7)，光学放大器(8)，光学桥接器(9)，第一探测器(10)，第二探测器(11)，限幅放大器(12)，误码仪(13)，第三探测器(14)，第四探测器(15)，ADC(16)，第一FPGA(17)，直接数字频率合成器(18)，电学混频器(19)，第二驱动器(20)，强度调制器(21)，第二分束器(22)，光学滤波器(23)，第五探测器(24)，第二FPGA(25)，第一DAC(26)，第二DAC(27)，RF源(28)和第二激光器(29)；
在发射端，误码仪(13)产生的高速数字信号经过第一驱动器(4)放大后，通过所述的相位调制器(3)调制第一激光器(2)输出的激光；可调光衰减器(5)用于对调制后的信号光进行衰减，第一分束器(6)用于将衰减后的信号光分成两路，其中一路输入给光功率计(7)，用于测量信号光功率；另外一路经光学放大器(8)进行光放大后，输入到接收端；
在接收端，所述的光学桥接器(9)将接收到的信号光和本振光进行光混频，并输出相位差90°的四路混频光信号，第三探测器(14)和第四探测器(15)将其中两路正交的混频光信号转换为对应的正交电信号，通过ADC(16)转化为对应的数字信号，第一FPGA(17)根据ADC(16)输入的数字信号提取出信号光和本振光的相位误差信号以及频差信号；
所述的直接数字频率合成器(18)将所述的相位误差信号转化为相位可控的正弦电信号，电学混频器(19)用于将直接数字频率合成器(18)产生的正弦电信号和RF源(28)输出的射频电信号进行频率上转换，产生和频电信号；强度调制器(21)用于将电学混频器(19)产生的和频电信号经过第二驱动器(20)放大后加载到第二激光器(29)输出的激光上，第二分束器(22)用于将强度调制器(21)输出的光信号分成两路，其中一路经第五探测器(24)转化为对应的电信号，并经第二FPGA(25)进行信号处理后，产生对应的控制电信号，用于控制强度调制器(21)的偏压点位置；另一路光信号经光学滤波器(23)滤出一阶边带光信号，并作为本振光输入给光学桥接器(9)，形成光学锁相环的反馈控制；
所述的第一DAC(26)将所述的频差信号转化为相应的模拟电信号，并控制第二激光器(29)，实现频率的调谐；
所述的第二DAC(27)将所述的频差信号转化相应的模拟电信号，并控制光学滤波器(23)，使光学滤波器(23)透过率中心波长和强度调制器(21)输出光信号的一阶边带的波长一致；
所述的信号发生器(1)输出信号用于控制第一激光器(2)输出光信号的频率，并模拟信号光频率的漂移；
所述的第一探测器(10)和第二探测器(11)将光学桥接器(9)输出的剩余两路混频光信号转换为对应的电信号，经限幅放大器(12)放大后，输入给误码仪(13)实现通信误码率的统计。
2.根据权利要求1所述的基于复合轴锁相的星间相干光通信系统，其特征在于，光学锁相环工作开始工作前，所述的第一FPGA(17)产生扫描电信号经第一DAC(26)和第二DAC(27)转化为模拟电信号后分别控制第二激光器(29)和光学滤波器(23)，使得本振光频率大范围的扫描实现锁相环路的初始捕获，
当第一FPGA(17)解算出信号光和本振光频差在锁相环入锁频率范围内时，开始启动锁相环控制，实现零差相干探测，在锁相环工作的过程中，当直接数字频率合成器(18)产生的正弦电信号频率高于一定值时，通过调节第一DAC(26)和第二DAC(27)输出的电压，实现频率的卸载。
3.根据权利要求1所述的基于复合轴锁相的星间相干光通信系统，其特征在于，所述的ADC(16)对第三探测器(14)和第四探测器(15)输出的正交电信号进行欠采样，所述的第一FPGA(17)根据该欠采样信号提取相位误差信号和频差信号。
4.根据权利要求1所述的基于复合轴锁相的星间相干光通信系统，其特征在于，所述的直接数字频率合成器(18)根据第一FPGA(17)提取出的相位误差信号生成为相位受控的正弦信号，提高了光学锁相的环路带宽。
5.根据权利要求1所述的基于复合轴锁相的星间相干光通信系统，其特征在于，由强度调制器(21)、第二分束器(22)、第五探测器(24)和第二FPGA(25)构成外调制单元，第二FPGA(25)产生低频扰动电信号驱动强度调制器(21)，同时第二FPGA(25)根据由第五探测器(24)输入的电信号反馈控制低频扰动电信号的偏置电压，将强度调制器(21)的偏压点控制在正确的位置。
6.根据权利要求1所述的基于复合轴锁相的星间相干光通信系统，其特征在于，由第一FPGA(17)、光学滤波器(23)、第一DAC(26)、第二DAC(27)和第二激光器(29)构成光学锁相环的复合锁相环路，辅助初始的频率入锁以及环路锁定后频率的卸载。
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