CN112615679A - 一种空间相干光通信频率跟踪系统及频移跟踪补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空间相干光通信频率跟踪系统及频移跟踪补偿方法，涉及空间光通信领域，包括：本振激光器，其用于输出进行混频的本振光；数字信号处理模块，其用于计算接收光信号的载波频率和本振光的光频率的频差；控制模块，其用于接收数字信号处理模块计算的频差；且数字信号处理模块被配置为：当频差未超出可解调阈值时，直接对接收光信号进行解调；当频差超出可解调阈值但未超出补偿范围时，在补偿后对接收光信号进行解调；当频差超出可解调阈值且超出补偿范围时，将频差反馈至控制模块，并通过控制模块驱使本振激光器调节本振光的光频率。本发明能保证接收光信号被正确解调，以解决多普勒频移的跟踪补偿问题。

Description

一种空间相干光通信频率跟踪系统及频移跟踪补偿方法
技术领域
本发明涉及空间光通信领域，具体涉及一种空间相干光通信频率跟踪系统及频移跟踪补偿方法。
背景技术
当前，随着太空探索和通信需求的剧增，空间光通信技术的研究也在不断发展。因为光纤通信技术多年的发展和研究，技术趋于成熟，因此可以将一些技术迁移到同样使用激光承载信息的空间光通信领域。
相干光通信具有传输速率快，传输容量大以及传输距离远的优点，是应用于空间光通信的优选方案。而在相干光通信的接收机，会将接收的光信号和本振光进行混频处理，理论上接收光信号的载波频率应当与本振激光频率一致，接收光信号的频率只受调制信号影响，这样才能正常解调，但是因为空间光通信的终端基本处于高速运动中，高速运动产生的多普勒频移会引起光信号的频率漂移，导致接收光和本振光的频率存在额外的偏差，这个额外的偏差会导致接收光信号和本振光的频差超过数字信号处理模块能够处理的范围而出现不能正确解调的情况。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明第一方面提供一种能保证接收光信号被正确解调，以解决多普勒频移的跟踪补偿问题的空间相干光通信频率跟踪系统。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种空间相干光通信频率跟踪系统，包括：
本振激光器，其用于输出进行混频的本振光；
数字信号处理模块，其用于计算接收光信号的载波频率和所述本振光的光频率的频差；
控制模块，其用于接收所述数字信号处理模块计算的频差；
且所述数字信号处理模块被配置为：当所述频差未超出可解调阈值时，直接对所述接收光信号进行解调；
当所述频差超出可解调阈值但未超出补偿范围时，在补偿后对所述接收光信号进行解调；
当所述频差超出可解调阈值且超出补偿范围时，将所述频差反馈至所述控制模块，并通过所述控制模块驱使所述本振激光器调节所述本振光的光频率。
一些实施例中，当所述频差超出可解调阈值且超出补偿范围时，所述控制模块基于所述频差确定偏移微调值，并将所述偏移微调值封装成指令发送至所述本振激光器。
一些实施例中，所述空间相干光通信频率跟踪系统还包括相干接收模块，所述相干接收模块用于接收所述本振光和接收光信号以进行混频。
一些实施例中，所述空间相干光通信频率跟踪系统还包括模数转换模块，所述模数转换模块用于将所述相干接收模块混频后的信号转换为数字信号，并输送至所述数字信号处理模块。
一些实施例中，所述控制模块与所述相干接收模块相连，以调节所述相干接收模块的工作模式及配置参数。
一些实施例中，所述空间相干光通信频率跟踪系统还包括光放大模块，所述光放大模块与所述相干接收模块相连，用于对所述接收光信号进行放大。
一些实施例中，所述控制模块与所述光放大模块相连，以调节所述光放大模块的增益。
本发明第二方面提供一种能保证接收光信号被正确解调，以解决多普勒频移的跟踪补偿问题的频移跟踪补偿方法。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种利用上述空间相干光通信频率跟踪系统的频移跟踪补偿方法，该方法包括以下步骤：
计算接收光信号的载波频率和所述本振光的光频率的频差；
当所述频差未超出可解调阈值时，直接对所述接收光信号进行解调：
当所述频差超出可解调阈值但未超出补偿范围时，在补偿后对所述接收光信号进行解调；
当所述频差超出可解调阈值且超出补偿范围时，将所述频差反馈至所述控制模块，并通过所述控制模块驱使所述本振激光器调节所述本振光的光频率。
一些实施例中，当所述频差超出可解调阈值且超出补偿范围时，所述控制模块基于所述频差确定偏移微调值，并将所述偏移微调值封装成指令发送至所述本振激光器。
一些实施例中，当所述频差超出可解调阈值且超出补偿范围时，在所述数字信号处理模块计算接收光信号和本振光的频差、以及所述控制模块基于所述频差确定偏移微调值，并将所述偏移微调值封装成指令发送至所述本振激光器的过程中，保持所述本振激光器持续运行。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明中的空间相干光通信频率跟踪系统，通过结合数字信号处理模块和控制模块协作，在不关断本振激光器的情况下实时改变其输出光频率以实现多普勒频移跟踪补偿，通过软硬结合的方式，比传统的通过光锁相环进行频率跟踪更灵活，反应更快速，同时也避免了仅仅依靠数字信号处理模块通过软件补偿导致算法复杂的问题。
附图说明
图1为本发明实施例中空间相干光通信频率跟踪系统的结构框图；
图2为本发明实施例中频移跟踪补偿方法的流程图；
图3为本发明实施例中频移跟踪补偿方法判断逻辑图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
参见图1所示，本发明实施例提供一种空间相干光通信频率跟踪系统，其包括本振激光器、数字信号处理模块和控制模块。
其中，本振激光器用于输出进行混频的本振光。数字信号处理模块用于计算接收光信号和所述本振光的频差。
控制模块用于接收所述数字信号处理模块计算的频差，且所述数字信号处理模块被配置为：当所述频差未超出可解调阈值时，直接对所述接收光信号进行解调。当所述频差超出可解调阈值但未超出补偿范围时，在补偿后对所述接收光信号进行解调。当所述频差超出可解调阈值且超出补偿范围时，将所述频差反馈至所述控制模块，并通过所述控制模块驱使所述本振激光器调节所述本振光的频率。
具体而言，当所述频差超出可解调阈值且超出补偿范围时，所述控制模块基于所述频差确定偏移微调值，并将所述偏移微调值封装成指令发送至所述本振激光器。本振激光器收到指令后，便会基于偏移微调值来调节本振光的光频率，以使接收光信号的载波频率和所述本振光的光频率一致，从而使进入数字信号处理模块的信号频偏在其可解调范围内，保证信号能够被正确解调，解决多普勒频移的跟踪补偿问题。
值得说明的是，当所述频差超出可解调阈值且超出补偿范围时，在所述数字信号处理模块计算接收光信号和本振光的频差、以及所述控制模块基于所述频差确定偏移微调值，并将所述偏移微调值封装成指令发送至所述本振激光器的过程中，保持所述本振激光器持续运行。也就是说，在上述过程中是不关断本振激光器的，保证接收程序的持续工作，本振激光器的输出光频率调整后，数字信号处理模块继续进行后续解调程序，实现接收光信号的正确解调。
为了进行混频处理，所述空间相干光通信频率跟踪系统还包括相干接收模块，所述相干接收模块用于接收所述本振光和接收光信号以进行混频。优选地，所述控制模块与所述相干接收模块相连，以调节所述相干接收模块的工作模式及配置参数。
进一步地，所述空间相干光通信频率跟踪系统还包括模数转换模块，所述模数转换模块用于将所述相干接收模块混频后的信号转换为数字信号，并输送至所述数字信号处理模块。
所述空间相干光通信频率跟踪系统还包括光放大模块，所述光放大模块与所述相干接收模块相连，用于对所述接收光信号进行放大。所述控制模块与所述光放大模块相连，以调节所述光放大模块的增益。
下面对空间相干光通信频率跟踪系统的整个处理流程做出介绍：
当承载信息的光信号即图1中的接收光信号被接收后，首先在光放模块被放大，然后进入相干接收模块，此时本振激光器发出的本振光也进入相干接收模块，与接收光信号进行混频处理，之后混频信号进入模数转换模块转换为数字信号进入数字信号处理模块进行处理。
正常情况下接收光信号的光载波和本振激光器的本振光是同频的，光载波被调制后生成的光信号频率变化只受调制信号影响，但是由于存在多普勒频移，导致接收光信号的频率发生了额外的偏移，因此接收光信号和本振光之间就存在额外的偏差，当该偏差超过数字信号处理模块可补偿的范围就出现无法解调的问题。
故本实施例中数字信号处理模块会实时监测接收光信号的载波频率和本振光的光频率的频率偏差，若超过可解调阈值，数字信号处理模块先判断是否可通过补偿消掉，若不能则将超出的频率偏移值反馈至控制模块，控制模块根据该值计算出在本振光的初始频率上需要微调的值，然后将计算出的偏移微调值传递给本振激光器，本振激光器在不关断的情况下将输出光频率调整到和接收光信号载波频率相同的值，调整后的本振光和接收光信号再次进入相干接收模块进行后续处理，此时的信号频偏就在数字信号处理模块可处理范围内，使得接收光信号可被正确解调。
综上所述，本发明中的空间相干光通信频率跟踪系统，其包括本振激光器、数字信号处理模块和控制模块。本振激光器用于输出进行混频的本振光。数字信号处理模块用于计算接收光信号和所述本振光的频差。控制模块用于接收所述数字信号处理模块计算的频差，且所述数字信号处理模块被配置为：当所述频差未超出可解调阈值时，直接对所述接收光信号进行解调。当所述频差超出可解调阈值但未超出补偿范围时，在补偿后对所述接收光信号进行解调。当所述频差超出可解调阈值且超出补偿范围时，将所述频差反馈至所述控制模块，并通过所述控制模块驱使所述本振激光器调节所述本振光的频率。以使接收光信号的载波频率和所述本振光的光频率一致，从而使进入数字信号处理模块的信号频偏在其可解调范围内，保证信号能够被正确解调，解决多普勒频移的跟踪补偿问题。
本发明通过结合数字信号处理模块和控制模块协作，在不关断本振激光器的情况下实时改变其输出光频率以实现多普勒频移跟踪补偿，通过软硬结合的方式，比传统的通过光锁相环进行频率跟踪更灵活，反应更快速，同时也避免了仅仅依靠数字信号处理模块通过软件补偿导致算法复杂的问题。
与之对应的是，参见图2所示，本发明实施例还提供一种利用上述空间相干光通信频率跟踪系统的频移跟踪补偿方法，该方法包括以下步骤：
S1.计算接收光信号的载波频率和所述本振光的光频率的频差。
S2.当所述频差未超出可解调阈值时，直接对所述接收光信号进行解调。
S3.当所述频差超出可解调阈值但未超出补偿范围时，在补偿后对所述接收光信号进行解调。
S4.当所述频差超出可解调阈值且超出补偿范围时，将所述频差反馈至所述控制模块，并通过所述控制模块驱使所述本振激光器调节所述本振光的光频率。
进一步地，当所述频差超出可解调阈值且超出补偿范围时，所述控制模块基于所述频差确定偏移微调值，并将所述偏移微调值封装成指令发送至所述本振激光器。
优选地，当所述频差超出可解调阈值且超出补偿范围时，在所述数字信号处理模块计算接收光信号和本振光的频差、以及所述控制模块基于所述频差确定偏移微调值，并将所述偏移微调值封装成指令发送至所述本振激光器的过程中，保持所述本振激光器持续运行。
参见图3所示，在频率跟踪环节，数字信号处理模块首先接收光信号的载波频率和所述本振光的光频率的频差，然后判断频差是否超出可解调阈值，如果没有超出，则进行后续的信号解调程序。若超出了可解调阈值，就继续判断是否超出可补偿范围，若没有，则进行频差补偿以及后续的信号解调程序。若超出了可补偿范围，则数字信号处理模块将频差反馈给控制模块，控制模块根据该频差值结算出本振激光器的输出光频率微调偏移值，然后将该微调偏移值封装成指令传递给本振激光器，本振激光器接收指令后在最初设定的频率值上进行微调，这个过程是不关断激光器的，保证接收程序的持续工作，本振激光器的输出光频率调整后，数字信号处理模块继续进行后续解调程序，实现信号的正确解调。
综上所述，本发明中的频移跟踪补偿方法，其通过计算接收光信号的载波频率和所述本振光的光频率的频差，并当所述频差未超出可解调阈值时，直接对所述接收光信号进行解调：当所述频差超出可解调阈值但未超出补偿范围时，在补偿后对所述接收光信号进行解调；当所述频差超出可解调阈值且超出补偿范围时，将所述频差反馈至所述控制模块，并通过所述控制模块驱使所述本振激光器调节所述本振光的光频率。从而使进入数字信号处理模块的信号频偏在其可解调范围内，保证信号能够被正确解调，解决多普勒频移的跟踪补偿问题。
本发明通过结合数字信号处理模块和控制模块协作，在不关断本振激光器的情况下实时改变其输出光频率以实现多普勒频移跟踪补偿，通过软硬结合的方式，比传统的通过光锁相环进行频率跟踪更灵活，反应更快速，同时也避免了仅仅依靠数字信号处理模块通过软件补偿导致算法复杂的问题。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种空间相干光通信频率跟踪系统，其特征在于，包括：
本振激光器，其用于输出进行混频的本振光；
数字信号处理模块，其用于计算接收光信号的载波频率和所述本振光的光频率的频差；
控制模块，其用于接收所述数字信号处理模块计算的频差；
且所述数字信号处理模块被配置为：当所述频差未超出可解调阈值时，直接对所述接收光信号进行解调；
当所述频差超出可解调阈值但未超出补偿范围时，在补偿后对所述接收光信号进行解调；
当所述频差超出可解调阈值且超出补偿范围时，将所述频差反馈至所述控制模块，并通过所述控制模块驱使所述本振激光器调节所述本振光的光频率。
2.如权利要求1所述的空间相干光通信频率跟踪系统，其特征在于：
当所述频差超出可解调阈值且超出补偿范围时，所述控制模块基于所述频差确定偏移微调值，并将所述偏移微调值封装成指令发送至所述本振激光器。
3.如权利要求1所述的空间相干光通信频率跟踪系统，其特征在于：
所述空间相干光通信频率跟踪系统还包括相干接收模块，所述相干接收模块用于接收所述本振光和接收光信号以进行混频。
4.如权利要求3所述的空间相干光通信频率跟踪系统，其特征在于：
所述空间相干光通信频率跟踪系统还包括模数转换模块，所述模数转换模块用于将所述相干接收模块混频后的信号转换为数字信号，并输送至所述数字信号处理模块。
5.如权利要求3所述的空间相干光通信频率跟踪系统，其特征在于：所述控制模块与所述相干接收模块相连，以调节所述相干接收模块的工作模式及配置参数。
6.如权利要求3所述的空间相干光通信频率跟踪系统，其特征在于：
所述空间相干光通信频率跟踪系统还包括光放大模块，所述光放大模块与所述相干接收模块相连，用于对所述接收光信号进行放大。
7.如权利要求6所述的空间相干光通信频率跟踪系统，其特征在于：所述控制模块与所述光放大模块相连，以调节所述光放大模块的增益。
8.一种利用权利要求1所述的空间相干光通信频率跟踪系统的频移跟踪补偿方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
计算接收光信号的载波频率和所述本振光的光频率的频差；
当所述频差未超出可解调阈值时，直接对所述接收光信号进行解调：
当所述频差超出可解调阈值但未超出补偿范围时，在补偿后对所述接收光信号进行解调；
当所述频差超出可解调阈值且超出补偿范围时，将所述频差反馈至所述控制模块，并通过所述控制模块驱使所述本振激光器调节所述本振光的光频率。
9.如权利要求8所述的频移跟踪补偿方法，其特征在于：
当所述频差超出可解调阈值且超出补偿范围时，所述控制模块基于所述频差确定偏移微调值，并将所述偏移微调值封装成指令发送至所述本振激光器。
10.如权利要求9所述的频移跟踪补偿方法，其特征在于：
当所述频差超出可解调阈值且超出补偿范围时，在所述数字信号处理模块计算接收光信号和本振光的频差、以及所述控制模块基于所述频差确定偏移微调值，并将所述偏移微调值封装成指令发送至所述本振激光器的过程中，保持所述本振激光器持续运行。
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