CN112039601B - 星间自零差相干光载射频通信方法及链路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种星间自零差相干光载射频通信方法，在发射端，将待传输射频信号偏振调制于光载波，所生成的调制光信号中，奇数阶边带和偶数阶边带分别处于相互正交的两个偏振态上，然后将所述调制光信号发射出去；在接收端，接收所述调制光信号并偏振分离出两个正交偏振态上的光信号，将分离出的其中一路光信号的偏振态调整为与另一路相同，然后将这两路光信号耦合后再等分为两路，最后通过对等分出的两路光信号进行平衡探测恢复出待传输射频信号。本发明还公开了一种星间自零差相干光载射频通信链路。相比现有技术，本发明无需窄带光滤波器进行光载波提取，即可实现自零差相干探测，具有更大的频谱效率，结构更简单，实现成本更低。

Description

星间自零差相干光载射频通信方法及链路
技术领域
本发明属于星间光通信技术领域，具体涉及一种星间自零差相干光载射频通信方法。
背景技术
星间网络是空天地一体化网络的重要组成部分，并且在多卫星联合协作中发挥着重要作用，因此星间通信链路的搭建至关重要。随着对深空的进一步探索，卫星数量的增多，电磁环境越来越复杂，传统射频通信已无法满足当前远距离、高速率、大带宽的要求。激光通信相较于传统射频通信有着载波频率高、传输带宽大、不受电磁干扰、光束发散角小、器件尺寸小、易于集成等独特的优点，在星间通信链路的搭建上有着广泛的应用前景。
激光通信链路可按接收机结构分为两类：强度调制直接探测(IM/DD)链路与相干激光通信链路。IM/DD链路因其结构简单、成本较低的原因得到广泛应用，但其灵敏度较低，难以实现远距离传输，且不支持频率、相位解调方式，限制了系统的容量。相干激光通信链路相较于前者具有灵敏度高，通信速率高，支持更多调制格式与检测解调方案等优势，是当前星间通信链路的主要组成部分。
相干激光通信体制虽有许多显著的优势，但也有如下几个弱点：其一，相干解调在接收端处需要一个本地激光器用来产生参考光信号，这就增加了系统的成本。其二，相干通信对信号光源与本振光源的线宽有一定要求，并且在接收端需要复杂的锁相环来实现对载波相位的追踪，否则会产生额外的相位噪声，影响相干激光链路的传输质量。其三，需要准确控制本地光与信号光的偏振态以提高相干效率。以上原因增加了系统的复杂程度，也限制了相干通信链路的实际应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种星间自零差相干光载射频通信方法，可实现自零差探测，且结构更简单，实现成本更低。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种星间自零差相干光载射频通信方法，在发射端，将待传输射频信号偏振调制于光载波，所生成的调制光信号中，奇数阶边带和偶数阶边带分别处于相互正交的两个偏振态上，然后将所述调制光信号发射出去；在接收端，接收所述调制光信号并偏振分离出两个正交偏振态上的光信号，将分离出的其中一路光信号的偏振态调整为与另一路相同，然后将这两路光信号耦合后再等分为两路，最后通过对等分出的两路光信号进行平衡探测恢复出待传输射频信号。
优选地，通过调整所述偏振调制的偏振电压，使两偏振态之间的相位差保持为0，从而实现所述偏振调制。
进一步地，所述方法还包括对分离出的两路光信号中的至少一路进行放大。
更进一步地，所述方法还包括对所放大的光信号进行滤波处理。
进一步地，所述方法还包括预先对所述偏振分离进行校准，具体为：调整所述调制光信号的偏振态，使得分离出的其中一路光信号的相邻边带之间的抑制比最大。
基于同一发明构思还可以得到以下技术方案：
一种星间自零差相干光载射频通信链路，包括发射端和接受端；所述发射端包括：
偏振调制单元，用于将待传输射频信号偏振调制于光载波，生成奇数阶边带和偶数阶边带分别处于相互正交的两个偏振态上的调制光信号；
发射单元，用于将所述调制光信号发射出去；
所述接收端包括：
接收单元，用于接收所述调制光信号；
偏振分离单元，用于偏振分离出所接收调制光信号中两个正交偏振态上的光信号；
第一偏振控制器，用于将分离出的其中一路光信号的偏振态调整为与另一路相同；
耦合单元，用于将偏振态调整后的这两路光信号耦合后再等分为两路；
平衡探测单元，用于对等分出的两路光信号进行平衡探测，恢复出待传输射频信号。
优选地，所述偏振调制单元的偏振电压被调整为使得两偏振态之间的相位差保持为0，从而实现所述偏振调制。
进一步地，所述接收端还包括：
光放大器，用于对分离出的两路光信号中的至少一路进行放大。
更进一步地，所述接收端还包括：
光滤波单元，用于对本振光信号进行滤波处理，以滤除本振光的放大过程引入的ASE噪声。
进一步地，所述接收端还包括：
第二偏振控制器，用于调整所述调制光信号的偏振态，以使得分离出的其中一路光信号的相邻边带之间的抑制比最大，从而实现对所述偏振分离单元的校准。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
本发明通过偏振调制器对光载波两正交偏振态分别调制，可实现无需接收端处本地激光器的相干光载射频链路；同时，由于光学载波和边带信号分别处于正交偏振态，无需采用窄带光滤波器进行光学载波提取，从而降低了接收端的复杂度，提升了射频通信系统的频率利用率，系统结构更简单，实现成本更低。
附图说明
图1为本发明星间自零差相干光载射频通信链路一个具体实施例的结构示意图；
图2为偏振调制后的光信号频谱示意图。
具体实施方式
针对现星间相干激光通信技术的不足，本发明的解决思路是利用正交的两个偏振态分别携带不同边带，在接收端处放大其中一个偏振态实现对另一偏振态的相干检波，实现无需本地激光器的自零差相干光载射频链路。
本发明所提出的星间自零差相干光载射频通信方法，具体如下：
在发射端，将待传输射频信号偏振调制于光载波，所生成的调制光信号中，奇数阶边带和偶数阶边带分别处于相互正交的两个偏振态上，然后将所述调制光信号发射出去；在接收端，接收所述调制光信号并偏振分离出两个正交偏振态上的光信号，将分离出的其中一路光信号的偏振态调整为与另一路相同，然后将这两路光信号耦合后再等分为两路，最后通过对等分出的两路光信号进行平衡探测恢复出待传输射频信号。
本发明所提出的星间自零差相干光载射频通信链路，包括发射端和接受端；所述发射端包括：
偏振调制单元，用于将待传输射频信号偏振调制于光载波，生成奇数阶边带和偶数阶边带分别处于相互正交的两个偏振态上的调制光信号；
发射单元，用于将所述调制光信号发射出去；
所述接收端包括：
接收单元，用于接收所述调制光信号；
偏振分离单元，用于偏振分离出所接收调制光信号中两个正交偏振态上的光信号；
第一偏振控制器，用于将分离出的其中一路光信号的偏振态调整为与另一路相同；
耦合单元，用于将偏振态调整后的这两路光信号耦合后再等分为两路；
平衡探测单元，用于对等分出的两路光信号进行平衡探测，恢复出待传输射频信号。
优选地，所述偏振调制单元的偏振电压被调整为使得两偏振态之间的相位差保持为0，从而实现所述偏振调制。
为了抵消远距离传输带来的功率损耗，提高拍频所得射频信号的功率，进一步地，所述接收端还包括：
光放大器，用于对分离出的两路光信号中的至少一路进行放大。
为了进一步提升链路的信噪比，所述接收端还可包括：
光滤波单元，用于对所放大的光信号进行滤波处理，以滤除光的放大过程引入的ASE噪声。
为了使得偏振分离单元能够准确分离两个正交偏振态，进一步地，所述接收端还包括：
第二偏振控制器，用于调整所述调制光信号的偏振态，以使得分离出的其中一路光信号的相邻边带之间的抑制比最大，从而实现对所述偏振分离单元的校准。。
为了便于公众理解，下面通过一个具体实施例并结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：
图1显示了本发明所提出的星间自零差相干光载射频通信链路一个优选实施例的基本结构。如图1所示，在发射端，光源产生载波光信号，输入偏振调制器；偏振调制器将待传输的射频信号调制于光载波上，产生偏振调制光信号，调节偏置电压使两偏振态之间相位差为0，则其中偶数阶(含载波信号)和奇数阶边带信号分别处于正交的两个偏振态上；发射天线将调制光信号在瞄准跟踪捕获后，向接收卫星发射；在接收端，接收天线接收发送过来的调制光信号，由图中右侧的偏振控制器和偏振分束器所组成的偏振分离单元(预先经过校准)将其中两个正交的偏振态信号分离出来分别送往通道A和通道B，其中通道A为偶数阶边带，通道B为奇数阶边带；通道A中的信号通过掺铒光纤放大器(EDFA)放大光功率(在此之后，还可先通过光滤波器滤波滤除光放大过程引入的ASE噪声，以进一步提升信噪比)，通道B中的信号经过图中左侧的偏振控制器旋转九十度以使两通道的偏振态一致以提高相干效率，两通道的信号送入X光纤耦合器耦合后被等分为两路，这两路信号进入平衡探测器拍频恢复出待传输信号，完成信号的传递。
下面进一步对该链路的工作原理进行说明：
由光源产生载波信号：
Ein(t)＝A0exp(jωct)
其中A0和ωc分别为光载波的幅度与角频率，随后经过偏振调制器的调制。
调制信号为：
Vm(t)＝V0cos(ωRFt)
调节偏振调制器的偏振电压使两偏振态之间的相位差保持为0，则电场可以表示为：
Figure BDA0002707166930000051
其中β为调制深度，ωRF为射频信号角频率，在小信号调制状态，即β＜＜1时，根据雅可比展开式，忽略高阶分量的情况下，上式可展开成如下式的形式：
Figure BDA0002707166930000052
如图2中黑色实线所示，偏振调制光信号在+45°方向的偏振态上主要携带0阶光载波边带与±2阶偶数阶边带，在-45°方向的偏振态上主要携带±1阶奇数阶边带。
利用这一包含两个正交偏振态的光束传输信号，进行星间链路的搭建，因真空传输不会改变激光的偏振态，接收端处接收到的信号光仍是两束偏振正交信号光的叠加。为了使偏振分离单元能准确地分离上述两个正交偏振态，传输时，需进行偏振分离单元的校准。校准时，调节与偏振分束器输入端连接的偏振控制器方向，使通道A或通道B接收光信号的相邻边带之间的抑制比最大，分别获得接收光信号A和接收光信号B：
EA(t)∝exp(jωct)[J0(β)-2J2(β)cos(2ωRFt)]
EB(t)∝exp(jωct)[-2jJ1(β)cos(ωRFt)]
随后，利用掺铒光纤放大器(EDFA)把其中一个通道的光信号放大，以抵消远距离传输带来的功率损耗，提高拍频所得射频信号的功率。本实施例中选择光信号B进行放大，其增益为G。同时，利用图中左侧的偏振控制器对另一通道的光信号的偏振态旋转90°，使两通道的信号偏振态匹配，提高相干效率。
令X耦合器的分光比为50：50，则耦合器输出的电场可表示为：
Figure BDA0002707166930000061
平衡探测器可看作两个光电探测器输出光电流相减，假设两者探测效率都为η，根据光电探测器的平方律检波特性，输出光电流分别为
Figure BDA0002707166930000062
Figure BDA0002707166930000063
i(t)＝i1(t)-i2(t)
∝8ηJ0J1G2 cos(ωRFt)
由上式可以看出，直流光功率与噪声相减，其中共模的相对强度噪声被抑制，而不相关的电路噪声与电子热噪声叠加。因此，通过平衡探测可以去除直流项和二阶射频信号，最终获得一阶射频信号cos(ωRFt)，从而恢复出了原始射频信号，实现了基于偏振调制的自零差相干检波。

Claims (10)

1.一种星间自零差相干光载射频通信方法，其特征在于，在发射端，将待传输射频信号偏振调制于光载波，所生成的调制光信号中，奇数阶边带和偶数阶边带分别处于相互正交的两个偏振态上，然后将所述调制光信号发射出去；在接收端，接收所述调制光信号并偏振分离出两个正交偏振态上的光信号，将分离出的其中一路光信号的偏振态调整为与另一路相同，然后将这两路光信号耦合后再等分为两路，最后通过对等分出的两路光信号进行平衡探测恢复出待传输射频信号。
2.如权利要求1所述星间自零差相干光载射频通信方法，其特征在于，通过调整所述偏振调制的偏振电压，使两偏振态之间的相位差保持为0，从而实现所述偏振调制。
3.如权利要求1所述星间自零差相干光载射频通信方法，其特征在于，还包括对分离出的两路光信号中的至少一路进行放大。
4.如权利要求3所述星间自零差相干光载射频通信方法，其特征在于，还包括对所放大的光信号进行滤波处理。
5.如权利要求1所述星间自零差相干光载射频通信方法，其特征在于，还包括预先对所述偏振分离进行校准，具体为：调整所述调制光信号的偏振态，使得分离出的其中一路光信号的相邻边带之间的抑制比最大。
6.一种星间自零差相干光载射频通信链路，包括发射端和接收 端；其特征在于，所述发射端包括：
偏振调制单元，用于将待传输射频信号偏振调制于光载波，生成奇数阶边带和偶数阶边带分别处于相互正交的两个偏振态上的调制光信号；
发射单元，用于将所述调制光信号发射出去；
所述接收端包括：
接收单元，用于接收所述调制光信号；
偏振分离单元，用于偏振分离出所接收调制光信号中两个正交偏振态上的光信号；
第一偏振控制器，用于将分离出的其中一路光信号的偏振态调整为与另一路相同；
耦合单元，用于将偏振态调整后的这两路光信号耦合后再等分为两路；
平衡探测单元，用于对等分出的两路光信号进行平衡探测，恢复出待传输射频信号。
7.如权利要求6所述星间自零差相干光载射频通信链路，其特征在于，所述偏振调制单元的偏振电压被调整为使得两偏振态之间的相位差保持为0，从而实现所述偏振调制。
8.如权利要求6所述星间自零差相干光载射频通信链路，其特征在于，所述接收端还包括：
光放大器，用于对分离出的两路光信号中的至少一路进行放大。
9.如权利要求8所述星间自零差相干光载射频通信链路，其特征在于，所述接收端还包括：
光滤波单元，用于对所放大的光信号进行滤波处理。
10.如权利要求6所述星间自零差相干光载射频通信链路，其特征在于，所述接收端还包括：
第二偏振控制器，用于调整所述调制光信号的偏振态，以使得分离出的其中一路光信号的相邻边带之间的抑制比最大，从而实现对所述偏振分离单元的校准。
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