CN113067636A - 一种强度调制器偏压误差信号检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种强度调制器偏压误差信号检测方法及装置，可应用于空间激光通信，兼容实现BPSK相干/OOK非相干调制方式，提高空间激光通信链路互联的灵活性。基于LiNbO₃波导的强度调制器既能实现调幅，也能实现调相，且具有高响应度、高调制带宽等优势，成为实现相干/非相干兼容调制的重要部件。但强度调制器的偏压工作点易受外界温度、应力等因素的影响，需要反馈控制实现偏压点的稳定性，保证通信调制信号的高消光比。本发明通过在强度调制器偏压控制端(DC端)引入10KHz内的扰频正弦信号，应用包络检波方式提取包络信号以消除高频调制信号的影响，提高了偏压误差信号检测的精度；应用IQ正交相乘与滑动平均滤波方式替代FFT运算，简化了软件实现的复杂度。

Description

一种强度调制器偏压误差信号检测装置及方法

技术领域

本发明属于空间激光通信领域，特别适用于兼容相干/非相干调制的多体制空间激光通信，具体是一种强度调制器偏压误差信号检测装置及方法。

背景技术

空间激光通信发展日益成熟，激光通信终端展现出通信容量大、小型化、功耗低等优势，因此世界各国均积极开展各自的空间激光信息网络，如美国的激光通信中继验证项目(LCRD计划)、欧洲数据中继验证项目(EDRS计划)、国内的天地一体化信息网络重大工程项目等。从商业卫星到航空航天，空间激光通信均逐步发挥着自身的优势。

为了提高空间激光通信链路互联的灵活性，多体制兼容的激光通信系统设计相当重要；采用强度调制器进行光信号高速调制，可兼容实现相干BPSK或非相干OOK调制，但强度调制器存在偏压工作点随外部环境变化而变化的问题。为保证通信调制信号的质量，需要对强度调制器的偏压工作点进行反馈控制，而反馈控制的精度受偏压误差信号的检测精度的影响较大。

本发明应用包络检波方式检测微弱的偏压误差信号，结合IQ正交相乘、滑动平均滤波和平方求和后开方算法，保证了较高的偏压误差信号检测精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种强度调制器偏压误差信号检测装置及方法，该装置能实现强度调制器偏压误差信号的实时检测，为强度调制偏压点控制提供判断条件，可兼容实现相干/非相干激光通信。

本发明的技术解决方案如下：

一种强度调制器偏压误差信号检测装置，其特点在于：包括通信发射光源、光可调衰减器、保偏光分束器、光电探测器、包络检波器、高速调制信号发生器、数字信号处理器和光放大器；

所述的通信发射光源输出端经所述的光可调衰减器与待控制的强度调制器的信号输入端相连，该待控制的强度调制器输出的信号光经所述的保偏光分束器分为两路，一路经所述的光放大器输出至光学天线，另一路依次是所述的光电探测器、包络检波器和数字信号处理器，该述的数字信号处理的输出端与所述的待控制的强度调制器的偏压控制端(简称DC端)相连，所述的高速调制信号发生器的输出端与所述的待控制的强度调制器高频信号输入端(简称RF端)相连。

利用上述的方法和装置可提高强度调制器偏压误差信号检测精度，实现偏压工作点的实时校正，具体流程为：

①针对特定的强度调制器，先测定半波电压：固定RF端电压，扫描其DC端电压(-7V～7V)，监测强度调制器的输出功率，记录功率最小值P_Dmin与最大值P_Dmax,得到消光比P_Dmax/P_Dmin，以及强度调制器半波电压V_Db(最大功率对应电压与最小功率对应电压之差)；同理，固定DC端电压，扫描其RF端电压(-7V～7V)，监测强度调制器(3)的输出功率，记录功率最小值P_Rmin与最大值P_Rmax,得到消光比P_Rmax/P_Rmin，以及强度调制器半波电压V_Rb(最大功率对应电压与最小功率对应电压之差)，为简化分析，一般认为两者半波电压一致，设为V_b。

②高速调制信号和扰频正弦信号的产生：根据①得到的强度调制半波电压V_b，设置高速调制信号幅值，BPSK相干调制时，V_BP＝0.94*(m(t)*2V_b-V_b)；OOK非相干调制时，V_OOK＝0.94*(m(t)*V_b-V_b/2),其中，m(t)为伪随机码元；该高速调制信号加载至强度调制器的RF端。

产生幅值为半波电压V_b的1％到10％间的扰频正弦信号V_r＝V_ramp*cos(wt)，其频率w选择在10KHz以内，常选用1KHz，加载至强度调制器的DC端，t为时间。

③强度调制后光功率信号包络检波：假设外界环境变化引入的强度调制偏置点电压随时间变化为V_f,则所述的光电探测模块将强度调制器输出光功率信号转换为：

A＝RqP_r/hv*R_L

其中，A与强度调制器输出功率呈线性关系，R为光电探测器的响应度，常用PIN管响应度为0.75A/W，P_r为强度调制器输出光功率，q为电子电荷，值为1.6×10^-19C，hv为单光子功率，R_L为负载电阻；V_b为标定得到的强度调制器半波电压，V_r为扰频信号，V_BP或V_OOK分别为相干或非相干调制时的高速调制信号。

P_out(t)经过所述的包络检波模块后，消除高频调制信号V_BP和V_OOK的影响。假设包络检波模块充电时间常数为R_t，放电时间常数为R1_t,电容充电初始电压为0，检波过程离散时间间隔为Δt，充放电过程分别表示为：

P_o(t)＝P_o(t-Δt)+(P_out(t)-P_o(t-Δt))*(1-exp(-Δt/R_t))

P_o(t)＝P_o(t-Δt)*exp(-Δt/R1_t)

最终得到包络检波模块(6)后的输出信号P_o(t)，可分别表示为：

④检波后光功率信号处理：假设AD采样周期为T_s，得到离散信号P_o(nT_s)。本地产生与扰频信号频率相同的I/Q路信号：

Lcos(nT_s)＝cos(w*nT_s+φ₀)

Lsin(nT_s)＝sin(w*nT_s+φ₀)

与P_o(nT_s)相乘后进行N点滑动平均滤波得P_osmoothI(nT_s)和P_osmoothQ(nT_s)：

其中，N选取为扰频信号整数周期内离散采样点数；

或

再平方相加消φ₀后开方得偏压误差信号幅值为：

通过计算得到检测偏压误差信号幅值，可反推V_f的变化，检测精度可表示为

(单位为°)

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

实现强度调制后功率信号去高频调制信号，保证强度调制器偏压误差信号检测精度，如在BPSK调制时，可实现0.6°的偏压检测精度；

在BPSK调制时，通过控制实现偏压误差信号幅值在最小值；在OOK调制时，通过控制实现偏压误差信号幅值在最大值。

附图说明

图1为本发明强度调制器偏压误差信号检测装置的结构示意图。

图2为发明中包络检波模块和PIN管光电转换模块的电路图，其中a为包络检波模块，b为PIN管光电转换模块。

图3为OOK调制模式下，实测有无包络检波(包络检波模块前后)的强度调制偏压误差信号，其中a为检波后偏压误差信号，b为检波前偏压误差信号。

图4为BPSK调制模式下，实测有无包络检波(包络检波模块前后)的强度调制偏压误差信号，其中a为检波后偏压误差信号，b为检波前偏压误差信号。

图5为BPSK调制模式下，所检测偏压误差信号与强度调制偏置电压关系图。

具体实施方式

以下结合示意图对本发明作详细说明，但不应以此限制保护本发明的范围。

如图1所示，1550nm波段的激光器(1)发射信号光，通过调节光可调衰减器(2)和保偏光分束器(4)保证强度调制器输出光功率，采用2G带宽的PIN管光电探测模块(5)进行光电转换，在强度调制器(3)的RF端加载1.25G以上高速调制信号(由误码仪(7)经过驱动放大后输出)，(3)的DC端预先加载1KHz，峰峰值为600mV的正弦扰频信号，后与偏压反馈控制值叠加后作用至(3)的DC端，以调节强度调制器偏压工作点。

包络检波模块(6)和PIN管光电探测模块(5)如图2所示，PIN管探测模块采用反向偏压模式，PIN管的N端上拉至5V电源，P端接R2下拉电阻到地；R2阻值在综合考虑探测模块带宽和探测输出电压信号幅值的基础上选择，一般取2K-5K(对于2G带宽的PIN管)；包络检波模块可通过电容C3的不同充放电时间实现强度调制器输出光功率信号去高频调制，从而检测得到偏压误差信号，主要器件参数选择为：二极管选用BAT54系列肖特基二极管，开关速度快，导通电压小(小于0.3V)，内阻小，利于高速弱信号检测；当探测模块输出电压大于导通电压时，肖特基二极管内阻与R5串联，与电容C3构成充电回路，充电时间常数在10^-9s量级；当探测模块输出电压小于导通电压时，电阻R3和R4并联，与电容C3构成放电回路，放电时间常数在10^-5s量级；通常C3＝1nF，R5＝0Ω，R3＝10KΩ，R4取高阻值。

实测的有无包络检波(包络检波模块(6)前后)的强度调制偏压误差信号如图3和4所示，包络检波后的强度调制偏压误差信号信噪比大大提高。

在实际应用中，扰频信号为高频调制信号的浅调制，幅值很小，一般采用带增益的APD探测器进行光电转换，或在较高的强度调制器输入光功率情况下使用响应度较高的PIN管，在较低的强度调制器输入光功率情况下，结合考虑PIN管取样电阻来实现带宽和输入功率的配合；在包络检波后，可通过低噪放对检出的偏压误差信号进行再放大，以降低对数模转换的精度要求。

Claims (3)

1.一种强度调制器偏压误差信号检测装置，其特征在于：包括通信发射光源(1)、光可调衰减器(2)、保偏光分束器(4)、光电探测器(5)、包络检波器(6)、高速调制信号发生器(7)、数字信号处理器(8)和光放大器(9)；

所述的通信发射光源(1)输出端经所述的光可调衰减器(2)与待控制的强度调制器(3)的信号输入端相连，该待控制的强度调制器(3)输出的信号光经所述的保偏光分束器(4)分为两路，一路经所述的光放大器(9)输出至光学天线，另一路依次是所述的光电探测器(5)、包络检波器(6)和数字信号处理器(8)，该述的数字信号处理(8)的输出端与所述的待控制的强度调制器(3)的偏压控制端(简称DC端)相连，所述的高速调制信号发生器(7)的输出端与所述的待控制的强度调制器(3)高频信号输入端(简称RF端)相连。

2.利用权利要求1所述的提高强度调制器偏压误差信号检测精度的装置对强度调制器进行偏压误差信号的检测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1)测定待检测的强度调制器(3)的半波电压：

固定RF端电压，标准信号发生器按步进0.05V输出-7V到7V的直流电压信号，扫描待检测强度调制器(3)DC端的电压，并用光功率计监测所述的待检测强度调制器(3)的输出功率，记录DC端功率最小值P_Dmin与最大值P_Dmax，得到DC端消光比P_Dmax/P_Dmin，以及强度调制器(3)的DC端半波电压V_Db，即最大功率对应电压与最小功率对应电压之差；

固定DC端电压，标准信号发生器按步进0.05V输出-7V到7V的直流电压信号，扫描所述的待检测强度调制器(3)RF端的电压，并用光功率计监测所述的强度调制器(3)的输出功率，记录RF端功率最小值P_Rmin与最大值P_Rmax，得到RF端消光比P_Rmax/P_Rmin，以及强度调制器(3)的RF端半波电压V_Rb，

设半波电压V_b＝V_Db＝V_Rb；

2)高速调制信号和扰频正弦信号产生：

根据半波电压V_b，按下列公式设置高速调制信号V_BP或V_OOK的幅值：

BPSK相干调制时，V_BP＝0.94*(m(t)*2V_b-V_b)；

OOK非相干调制时，V_OOK＝0.94*(m(t)*V_b-V_b/2)；

其中，m(t)为伪随机码元，令高速调制信号发生器(7)产生该高速调制信号并加载至强度调制器的RF端；

所述的数字信号处理器(8)产生扰频正弦信号V_r＝_ramp*cos(wt)，其中扰频幅值V_ramp＝1～10％V_b，w为扰频频率，t为时间，令产生的扰频信号加载至所述的待控制的强度调制器的DC端；

3)强度调制后光功率信号包络检波：设外界环境变化引入的强度调制偏置点电压随时间变化为V_f，则所述的光电探测模块(5)将强度调制器输出光功率信号转换为：

A＝RqP_r/hv*R_L

其中，A与强度调制器输出功率呈线性关系，R为光电探测器的响应度，常用PIN管响应度为0.75A/W，P_r为强度调制器输出光功率，q为电子电荷，值为1.6×10^-19C，h为单光子功率，R_L为负载电阻；V_b为标定得到的强度调制器半波电压，V_r为扰频信号，V_BP或V_OOK分别为相干或非相干调制时的高速调制信号；

转换后得光功率信号P_out(t)经过所述的包络检波模块(6)后，消除高频调制信号V_BP和V_OOK的影响，设包络检波模块充电时间常数为R_t，放电时间常数为R1_t,电容充电初始电压为0，检波过程离散时间间隔为Δt，则充放电过程分别表示为：

P_o(t)＝P_o(t-Δt)+(P_out(t)-P_o(t-Δt))*(1-exp(-Δt/R_t))

P_o(t)＝P_o(t-Δt)*exp(-Δt/R1_t)

最终得到包络检波模块(6)后的输出信号P_o(t)，可分别表示为：

4)所述的数字信号处理器(8)对包络检波模块(6)后输出信号P_o(t)进行处理：包括AD模数转换、IQ正交相乘、滑动平均滤波、平方求和后开方；设AD采样周期为T_s，得到离散信号P_o(nT_s)，本地产生与扰频信号频率相同的I/Q路信号：

Lcos(nT_s)＝cos(w*nT_s+φ₀)

Lsin(nT_s)＝sin(w*nT_s+φ₀)

与P_o(nT_s)相乘后进行N点滑动平均滤波得P_osmoothI(nT_s)和P_osmoothQ(nT_s)：

其中，N选取为扰频信号整数周期内离散采样点数；

或

再平方相加消φ₀后开方得偏压误差信号幅值为：

通过计算得到检测偏压误差信号幅值，可反推V_f的变化，检测精度表示为

(单位为°)。

3.根据权利要求2所述的对强度调制器进行偏压误差信号的检测方法，其特征在于，所述的扰频频率w在10KHz以内。

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