CN114124233A - 空间激光通信直接相位控制光学锁相装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种空间激光通信直接相位控制光学锁相装置和方法，首先计算出信号光载波与本振光载波的实时相位误差，然后以误差值为判据直接控制本振光的载波相位做出相应的改变，最终本振光与信号光的载波相位误差会锁定在0rad附近，即完成了光学锁相。本发明可应用于高速率、高灵敏度的零差相干解调空间激光通信系统的接收端中以实现本振光与信号光的载波相位同步。不同于传统二阶锁相环系统控制本振光依赖于相位‑频率‑相位的转换，本发明的核心在于：直接控制本振光载波相位的改变以补偿实时相差。本发明对相位直接进行闭环控制，避免了相位‑频率‑相位相互转换的问题。
Description
技术领域
本发明涉及高速零差相干解调的相干光通信领域，特别是一种空间激光通信直接相位控制光学锁相装置和方法。
背景技术
在空间光通信领域，相干激光通信以其高通信速率、高灵敏度以及高频谱利用率等诸多优点逐渐取代了传统的以强度调制直接检测(IM/DD)为主要手段的非相干通信。相干通信接收端工作的核心问题在于：本振光与信号光完成干涉后，通过何种手段、如何以较小的代价提取出信号光所携带的调制信息。主要有以下三类方法：
1.以数字解调、数字信号处理(DSP)为主的相位估计与频偏估计的方法来消除由于频差及随机相位误差等因素带来的影响，这种方法通常需要非常高速的模拟数字转换器(ADC)来采集IQ两路的数据以及高速的数字信号处理芯片进行复杂的算法运算，可以兼容多种调制格式，但一般器件体积相对较大、功耗相对较大、散热相对困难、实现成本非常高，基于其诸多特性，并不是非常适用于诸如星间通信中作为接收端通信载荷的场景，后续不再讨论该方法。
2.以锁相环为主的控制本振光载波相位以实现本振光与信号光载波相位同步的方法，主要以传统的二阶锁相环为主，通过优化相关参数实现更高的锁相精度，可以兼容多种调制格式。
3.针对特定的调制格式，通过硬件或者算法的一些巧妙设计，去除掉了频差与随机相差带来的影响实现解调数据，既非第一种纯数字解调，但也没有锁相环结构，因此与1、2两种方法相差很大，此处将其划为第三种方法，这种方法往往只适用于某种调制格式。
现有技术中有一种基于通道切换实现相干光通信的解调装置和解调方法(参见[1]Liu,F.C.；Sun,J.F.；Ma,X.P.；Hou,P.P.；Cai,G.Y.；Sun,Z.W.；Lu,Z.Y.；Liu,L.R.,Newcoherent laser communication detection scheme based on channel-switchingmethod.Appl Optics 2015,54(10),2738-2746.),该方法通过采集带有频差的IQ两路信号，通过信号达到峰谷值时进行通道切换及后续的处理实现了信号的恢复，整体结构相对简单，但该方法仅能处理二进制相移键控(BPSK)调制的信号，属于外差接收，有一定的局限性。现有技术中有一种基于本振增强的外差相干接收技术(参见[2]Zhang,B.；Sun,J.；Li,G.；Xu,M.；Zhang,G.；Lao,C.；He,H.；Yue,C.,Differential phase-shift keyingheterodyne coherent detection with local oscillation enhancement.Opt Eng2018,57(8).)，该方法通过改变两路光纤长度的1bit延时来控制进入混频器的信号，对于后续得出的信号仅仅通过阈值判决亦可恢复原始数据，该方法结构简单巧妙，但局限在于只能解调二进制差分相移键控(DPSK)调制的信号，属于外差接收。上述两种方法均属于上述中的第三种方法，无法兼容多种调制格式。现有技术中有一种基于欠采样的数模混合式光学锁相的方法(参见[3]鲁绍文；周煜；朱福南；孙建锋；杨燕；朱韧；胡胜男；张晓曦；朱小磊；侯霞；陈卫标,Digital-analog hybrid optical phase-lock loop for opticalquadrature phase-shift keying.Chinese Optics Letters 2020,18(9).)，该方法以二阶环为基础，优化了环路带宽，极大提升了锁相精度，属于零差接收，该方法兼容BPSK、正交相移键控(QPSK)等多种调制格式的信号，但该方法使用的调相方式需要依赖相位-频率-相位的转换，且需要使用窄带光学滤波器。
发明内容
本发明主要针对高速率的零差相干解调的空间激光通信系统，提出了一种空间激光通信直接相位控制光学锁相装置和方法。本装置可以直接控制本振光的相位完成本振光与信号光的光学锁相以实现通信数据的传输。该方法不同于传统锁相环依赖于相位-频率-相位的转换达到锁相的目的，而是直接控制相位实现闭环锁相。该方法通过直接控制本振光载波相位的改变达到载波相位同步的目的，是相位到相位的直接闭环，避免了相位-频率-相位的转换问题。这是一种全新的锁相方法，对于高速率零差相干通信解调有着十分重要的意义。
本发明的技术解决方案如下：
一种空间激光通信直接相位控制光学锁相装置，其特点在于，包括2×4 90°光学桥接器、第一平衡光电探测器、第二平衡光电探测器、第一ADC、第二ADC、FPGA、第一DAC、第二DAC、直接相位控制外调制模块和本振光激光器，所述的2×4 90°光学桥接器包括两个输入端和四个输出端，所述的2×4 90°光学桥接器的两个输入端分别为信号光输入端和本振光输入端，所述的2×4 90°光学桥接器的四个输出端分别为0°混频光输出端、180°混频光输出端、90°混频光输出端和270°混频光输出端，上述元部件的连接关系如下：
所述的本振光激光器的输出端与所述的直接相位控制外调制模块的本振光输入端相连，所述的直接相位控制外调制模块的输出端与所述的2×4 90°光学桥接器的本振光输入端相连，所述的2×4 90°光学桥接器的0°混频光输出端与180°混频光输出端分别与所述的第一平衡光电探测器的第一输入端和第二输入端相连，该路为同相支路，所述的2×490°光学桥接器的90°混频光输出端与270°混频光输出端分别与所述的第二平衡光电探测器的第一输入端和第二输入端相连，该路为正交支路，所述的第一平衡光电探测器的输出端与所述的第二ADC的输入端相连，所述的第二平衡光电探测器的输出端与所述的第一ADC的输入端相连，所述的第一ADC输出端与所述的第二ADC的输出端与所述的FPGA第一采集端、第二采集端相连，所述的FPGA的第一输出端、第二输出端分别与所述的第一DAC、第二DAC的输入端相连，所述的第一DAC与所述的第二DAC的输出端与所述的直接相位控制外调制模块的两个射频输入端相连。
所述的直接相位控制外调制模块内部包括IQ调制器、IQ偏压控制板、第一射频驱动放大器、第二射频驱动放大器和分束器，所述的第一射频驱动放大器与第二射频驱动放大器的输入端分别与所述的第一DAC、第二DAC的输出端相连，所述的第一射频驱动放大器与第二射频驱动放大器的输出端分别所述的进入IQ调制器的第一射频输入端与第二射频输入端相连，所述的IQ偏压控制板的In、Ip、Qn、Qp、Pp、Pn六个端口分别与所述的IQ调制器的六个直流偏压控制端口相连，以保证IQ调制器偏压点的正确控制；
所述的本振光激光器的输出激光经所述的IQ调制器后进入所述的分束器分为两路：其中一路进入IQ偏压控制板的光输入作为反馈，另一路作为本振光进入所述的2×490°光学桥接器的本振光输入端。
上述空间激光通信直接相位控制光学锁相装置的光学锁相方法，其特点在于，该方法包括下列步骤：
1)首先空间光耦合为光纤光的信号光须源源不断地进入2×4 90°光学桥接器的信号光输入端，所述的本振光激光器的输出激光经所述的直接相位控制外调制模块进入所述的2×4 90°光学桥接器的本振光输入端，所述的2×4 90°光学桥接器的0°混频光信号与180°混频光信号经过第一平衡光电探测器后转为同相路的电信号VI(t)输入所述的所述的第二ADC，所述的2×4 90°光学桥接器输出的90°混频光信号与270°混频光信号经过第二平衡光电探测器后转为正交路的电信号VQ(t)输入所述的第一ADC，所述的FPGA分别采集所述的第一ADC提供的本振光载波数字信号与所述的第二ADC提供的信号光载波数字信号；
2)所述的FPGA根据相关处理算法计算信号光载波与本振光载波的相位差
3)所述的FPGA根据所述的相位差
控制所述的第一DAC与第二DAC的输出，进而控制所述的直接相位控制外调制模块，直接改变本振光值为
的相位，从而完成光学锁相。
本发明具有如下特点：
1、采用直接相位控制的方法可以实现本振光与信号光的光学锁相，可完成高速率、高灵敏度的零差相干解调。
2、该种直接相位控制的锁相方法原理简单，算法设计简洁明晰。
本发明具有如下技术效果：
1、本发明兼容多种调制格式的信号零差相干解调，兼容BPSK、QPSK等高阶调制格式。
2、采用直接相位控制的方法，不经过频率跳周即可完成光学锁相，捕获时间很短。
3、采用直接相位控制的方法，补偿相位的效果更明显，响应更快。
附图说明
图1为空间激光通信直接相位控制光学锁相装置示意图。
图2为直接相位控制外调制模块的实施例装置图。
图2中9-1-IQ调制器，9-2-IQ偏压控制板，9-3-第一射频驱动放大器，9-4-第二射频驱动放大器，9-5-分束器。
图3为图1中两路DAC输出的两路正交控制模拟信号的时域波形，图3(a)为不调相时的情况，图3(b)为调相时的情况，以实际图例来解释如何通过控制电信号相位的改变来控制本振光相位直接产生相应的变化。
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。
请参阅图1，图1是本发明空间激光通信直接相位控制光学锁相装置示意图，图中实线部分为电信号的连接，虚线部分为光信号的连接。由图可见，本发明空间激光通信直接相位控制光学锁相装置，包括2×4 90°光学桥接器1、第一平衡光电探测器2、第二平衡光电探测器3、第一ADC4、第二ADC5、FPGA6、第一DAC7、第二DAC8、直接相位控制外调制模块9和本振光激光器10，所述的2×4 90°光学桥接器1包括两个输入端和四个输出端，所述的2×490°光学桥接器1的两个输入端分别为信号光输入端和本振光输入端，所述的2×4 90°光学桥接器1的四个输出端分别为0°混频光输出端、180°混频光输出端、90°混频光输出端和270°混频光输出端，上述元部件的连接关系如下：
所述的本振光激光器10的输出端与所述的直接相位控制外调制模块9的本振光输入端相连，所述的直接相位控制外调制模块9的输出端与所述的2×4 90°光学桥接器1的本振光输入端相连，所述的2×4 90°光学桥接器1的0°混频光输出端与180°混频光输出端分别与所述的第一平衡光电探测器2的第一输入端和第二输入端相连，该路为同相支路，所述的2×4 90°光学桥接器1的90°混频光输出端与270°混频光输出端分别与所述的第二平衡光电探测器3的第一输入端和第二输入端相连，该路为正交支路，所述的第一平衡光电探测器2的输出端与所述的第二ADC5的输入端相连，所述的第二平衡光电探测器3的输出端与所述的第一ADC4的输入端相连，所述的第一ADC4输出端与所述的第二ADC5的输出端与所述的FPGA6第一采集端、第二采集端相连，所述的FPGA6的第一输出端、第二输出端分别与所述的第一DAC7、第二DAC8的输入端相连，所述的第一DAC7与所述的第二DAC8的输出端与所述的直接相位控制外调制模块9的两个射频输入端相连。
图2为直接相位控制外调制模块的实施例装置图，如图所示，直接相位控制外调制模块9内部包括IQ调制器9-1、IQ偏压控制板9-2、第一射频驱动放大器9-3、第二射频驱动放大器9-4和分束器9-5，所述的第一射频驱动放大器9-3与第二射频驱动放大器9-4的输入端分别与所述的第一DAC7、第二DAC8的输出端相连，所述的第一射频驱动放大器9-3与第二射频驱动放大器9-4的输出端分别所述的进入IQ调制器9-1的第一射频输入端与第二射频输入端以完成对本振激光的直接相位控制以实现对于本振光载波相位的直接增加或者削减，期间所述的IQ偏压控制板9-2的In、Ip、Qn、Qp、Pp、Pn六个端口分别与所述的IQ调制器9-1的3、4、5、6、7、8六个直流偏压控制端口相连，以保证IQ调制器偏压点的正确控制(示意图中IQ偏压控制板9-2与IQ调制器9-1之间的连线数目为3是由于起作用的是Ip、Qp、Pp三个管脚)。
所述的本振光激光器10的输出激光经所述的IQ调制器9-1后进入所述的分束器9-5分为两路：其中一路进入IQ偏压控制板9-2的光输入作为反馈，另一路作为本振光进入所述的2×4 90°光学桥接器1的本振光输入端。
实施例
所述的FPGA6主要完成相差的实时计算、相位的实时补偿、频率的实时补偿。其中相差的实时计算，是根据所述的第一ADC4及所述的第二ADC5采集得到的数字信号进行去调制项处理后，使用坐标旋转数字计算方法(Coordinate Rotation Digital Computer)实现对信号光与所述的本振光激光器10所发的本振光载波相位差的实时计算，具体使用该方法时需要用到FPGA6的CORDIC核；相位的实时补偿在于FPGA6根据所计算的实时相差直接改变所述的第一DAC7及所述的第二DAC8输出的两路正交控制信号的相位来补偿相差；频率的实时补偿在于根据多次计算的相差值，以此计算出一个平均频差，所述的第一DAC7及所述的第二DAC8输出的两路正交控制信号增加或者减少此频差频率对应的线性相位项来补偿信号光与本振光之间的小频差，时刻保证频差在锁相带宽内。
所述的第一DAC7及所述的第二DAC8首先输出两路幅度一致、初始频率一致的射频正余弦信号(正交信号)，对本振光进行频率大小为该射频信号频率值的移频，主要作用在于IQ偏压控制板9-2会将IQ调制器9-1控制在使得输出功率最小的偏压点(NULL点)，若所述的IQ调制器9-1的两个射频输入端口未施加电信号，则可以理解为本振光激光器10所发出的光经过IQ调制器9-1后输出功率几乎为0，系统无法正常使用。所述的第一DAC7及所述的第二DAC8根据实时计算的相位误差实时控制IQ调制器9-1进而通过外调制的手段控制本振光激光器10所发出的本振激光。
本发明空间激光相位直接控制光学锁相方法，该具体实例系统工作时，具体操作步骤如下：
1)图1中所述的信号光既可以为BPSK调制或者是QPSK调制，本实施例采用的时BPSK信号，首先空间光耦合为光纤光的信号光须源源不断地进入2×4 90°光学桥接器1的信号光输入端。
2)2×4 90°光学桥接器1的0°混频光信号与180°混频光信号经过第一平衡光电探测器2后转为同相路的电信号VI(t)，90°混频光信号与270°混频光信号经过第二平衡光电探测器3后转为正交路的电信号VQ(t)，VI(t)与VQ(t)的表达式如下：
其中，R表示所用平衡光电探测器的响应度，RL表示探测器的跨阻阻值，ωS与ωL分别表示信号光角频率与本振光角频率，
与
分别表示信号光相位噪声与本振光相位噪声，m(t)为基带信号数据，由于发射端完成的是BPSK调制，因此满足m(t)＝0 or 1。
3)将第一平衡光电探测器2、第二平衡光电探测器3输出的IQ两路电信号由第一ADC4和第二ADC5转换为对应的数字信号，两路正交信号同步进行采样，采样后的离散电信号VI[k×dT]和VQ[k×dT]表示为如下：
其中，dT为第一ADC2与第二ADC3的采样时间间隔，即采样率的倒数，实例中所使用的两个ADC的采样率均为1GHz,因此dT的值为1ns。
4)FPGA6首先对两路信号做复数化处理得到复信号VCOMPLEX[k×dT]表示为如下：
其中,
5)由于信号光的调制方式为BPSK调制，FPGA6需要对VCOMPLEX[k×dT]做平方运算以消除调制项m[k×dT]π对相差正确计算带来的影响，平方后的信号VSQUARE[k×dT]表示为如下：
由于m[k×dT]＝0 or 1，因此VSQUARE[k×dT]可以简化为：
6)FPGA6计算VSQUARE[k×dT]的FFT值，从而得到信号光与本振光的频差，经过频率卸载后，信号光与本振光频差已经非常小，VSQUARE[k×dT]可以表示为如下：
其中，
表示信号光的实时相位值，
表示本振光的实时相位值，FPGA6根据此时的VSQUARE[k×dT]直接计算实时相位误差，计算出的实时相差值表示如下：
其中，
atan2指的是四象限反正切运算，携带系数
源自求得的是两倍的相位误差，imag指的是取复信号的虚部值，real指的是取复信号的实部值。
7)将提取出的相位误差信号θERROR[k×dT]进行平滑滤波处理，消除随机误差带来的影响，FPGA6将平均后的当前时刻相差值传递到两路DAC输出的电信号中，两路DAC输出的两路正交的电信号控制IQ调制器实现相位改变，从而完成相位到相位的直接闭环。DAC输出信号单次相位的改变满足：
其中，θimplement为每次相位操作改变的执行量，n为平滑滤波所设置的平均次数，θerror[i]为第i次所计算的相差，本次实施例中n为80。
8)FPGA6计算出实时的相位误差后，通过直接数字合成(DDS)控制两路DAC输出的两路正交电信号的相位值，通过7)中所述的原理实时补偿所鉴的相差，不经过跳周直接可以对相位进行锁定，即使得相差处于0rad附近。相差始终满足：
θerror(t)＝θchange(t)-θerror(t-τ)
式中，θerror(t)为当前时刻计算的相位误差，简称为相差，θchange(t)为由于激光器相位噪声与极微小频率差带来的相位变化量，τ为环路延时，θerror(t-τ)为t-τ时刻所计算的相差，也即为上一次相位变化的执行量，此为直接相位控制的核心，即相位变化执行量等于所计算的实时相位误差。
本锁相系统自始至终并没有完成真正意义上的锁频，为保证锁相后锁相状态维持的鲁棒性与稳健性，根据每8次所取得的相差进行频差的估计，补偿频差以保证锁相性能。进行相位锁定时的两路DAC输出的电信号波形可参见附图3(a)及图3(b)中波形的区别，可以看出图3(b)中标记部分电信号相位是根据所计算相差所做补偿而带来的变化。
第一DAC7与第二DAC8的输出的两路正交信号的模拟电学表达式为：
其中，ωref0为电学信号初始角频率，
为电学信号初相位，Δωref(j)为第j次补偿频率操作中的补频量，
为第i次改相操作中的直接相位控制改变量。本实施例的算法设计中，8次调节相位伴随1次频率补偿，即根据8次
计算当前频差量Δωref(j)。两路DAC输出信号幅度一致，相位严格正交。
9)第一DAC7与第二DAC8根据FPGA6的DDS所给出的相位输出对应的两路正交控制信号经第一射频驱动放大器9-3与第二射频驱动放大器9-4后加载至IQ调制器9-1上，本振光激光器10输出的本振光会被两路正交的电信号调制，其相位因此会得到改变，以此来完成相位的闭环与锁定。
实验表明，本发明通过直接控制本振光载波相位的改变达到载波相位同步的目的，是相位到相位的直接闭环，避免了相位-频率-相位的转换问题。这是一种全新的锁相方法，对于高速率零差相干通信解调有着十分重要的意义。
注：
1、所使用的两路DAC输出采样率均为100MHz，在进行锁相时，由于所使用的射频驱动放大器具有交流耦合的作用，最好使其工作频率的绝对值介于3MHz<|DACFFT|＜15MHz之间，保证锁相信号的优良性，以保证高质量的数据传输，绝对避免DAC输出信号频率为0。
2、由于IQ调制器未加射频驱动信号时，IQ偏压控制板会通过控制直流偏压点使得IQ调制器的输出光功率几乎为0，需要一开始DAC输出一个基频信号，例如：频率为5MHz的两路正交的正余弦信号，计算频差时需要首先考虑此频差量，才会得到正确的频差信息，进而为下一步实现频率卸载的做出相应的频率改变。
自此，本发明说明书完成了对该种空间激光通信直接相位控制光学锁相方法的详细描述。
本发明未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。
Claims (3)
1.一种空间激光通信直接相位控制光学锁相装置，其特征在于，包括2×4 90°光学桥接器(1)、第一平衡光电探测器(2)、第二平衡光电探测器(3)、第一ADC(4)、第二ADC(5)、FPGA(6)、第一DAC(7)、第二DAC(8)、直接相位控制外调制模块(9)和本振光激光器(10)；
所述的2×4 90°光学桥接器(1)包括两个输入端，即信号光输入端和本振光输入端，以及四个输出端，即0°混频光输出端、180°混频光输出端、90°混频光输出端和270°混频光输出端；
所述的本振光激光器(10)的输出端与所述的直接相位控制外调制模块(9)的本振光输入端相连，所述的直接相位控制外调制模块(9)的输出端与所述的2×4 90°光学桥接器(1)的本振光输入端相连，所述的2×4 90°光学桥接器(1)的0°混频光输出端与180°混频光输出端分别与所述的第一平衡光电探测器(2)的第一输入端和第二输入端相连，该路为同相支路；所述的2×4 90°光学桥接器(1)的90°混频光输出端与270°混频光输出端分别与所述的第二平衡光电探测器(3)的第一输入端和第二输入端相连，该路为正交支路；所述的第一平衡光电探测器(2)的输出端与所述的第二ADC(5)的输入端相连，所述的第二平衡光电探测器(3)的输出端与所述的第一ADC(4)的输入端相连，所述的第一ADC(4)输出端与所述的第二ADC(5)的输出端与所述的FPGA(6)第一采集端、第二采集端相连，所述的FPGA(6)的第一输出端、第二输出端分别与所述的第一DAC(7)、第二DAC(8)的输入端相连，所述的第一DAC(7)与所述的第二DAC(8)的输出端与所述的直接相位控制外调制模块(9)的两个射频输入端相连。
2.根据权利要求1所述的空间激光通信直接相位控制光学锁相装置，其特征在于，所述的直接相位控制外调制模块(9)内部包括IQ调制器(9-1)、IQ偏压控制板(9-2)、第一射频驱动放大器(9-3)、第二射频驱动放大器(9-4)和分束器(9-5)，所述的第一射频驱动放大器(9-3)与第二射频驱动放大器(9-4)的输入端分别与所述的第一DAC(7)、第二DAC(8)的输出端相连，所述的第一射频驱动放大器(9-3)与第二射频驱动放大器(9-4)的输出端分别所述的进入IQ调制器9-1的第一射频输入端与第二射频输入端以完成对本振激光的直接相位控制以实现对于本振光载波相位的直接增加或者削减，期间所述的IQ偏压控制板(9-2)的In、Ip、Qn、Qp、Pp、Pn六个端口分别与所述的IQ调制器(9-1)的3、4、5、6、7、8六个直流偏压控制端口相连，以保证IQ调制器偏压点的正确控制；
所述的本振光激光器(10)的输出激光经所述的IQ调制器(9-1)后进入所述的分束器(9-5)分为两路：其中一路进入IQ偏压控制板(9-2)的光输入作为反馈，另一路作为本振光进入所述的2×4 90°光学桥接器(1)的本振光输入端。
3.权利要求1所述的空间激光通信直接相位控制光学锁相装置的光学锁相方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
1)获取包含信号光载波与本振光载波相差的信息：空间光耦合为光纤光的信号光须源源不断地进入2×4 90°光学桥接器(1)的信号光输入端，所述的本振光激光器(10)的输出激光经所述的直接相位控制外调制模块(9)进入所述的2×4 90°光学桥接器(1)的本振光输入端，所述的2×4 90°光学桥接器1的0°混频光信号与180°混频光信号经过第一平衡光电探测器2后转为同相路的电信号VI(t)输入所述的第二ADC(5)，所述的2×4 90°光学桥接器(1)输出的90°混频光信号与270°混频光信号经过第二平衡光电探测器(3)后转为正交路的电信号VQ(t)输入所述的第一ADC(4)，所述的FPGA(9)分别采集所述的第一ADC(4)提供的本振光载波数字信号与所述的第二ADC(5)提供的信号光载波数字信号；
2)FPGA(9)根据相关处理算法计算信号光载波与本振光载波的相位差
3)FPGA(9)根据所述的相位差
控制所述的第一DAC(7)与第二DAC(8)的输出，进而控制所述的直接相位控制外调制模块(9)，直接改变本振光值为
的相位，从而完成光学锁相。
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