CN114430298B - 基于直接调制的多制式兼容空间激光通信方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于直接调制的多制式兼容空间激光通信方法及系统，解决现有相干激光通信系统兼容性和可扩展性较差，结构较复杂的问题。该方法包括步骤：1）生成多个驱动信号并输出多个直流偏压和同步时钟；激光器根据驱动信号的变化输出调制后高速光信号，并滤除低电平信号对应的频率及保留相位稳定的光信号；将所有高速光信号复用成1路超高速光信号并耦合至空间；2）从空间中接收传输后超高速光信号并输入至90°光混频器；90°光混频器将超高速光信号与复用本振光进行相干混频，输出四路超高速混频光信号并被4个光解复用器接收；多个平衡光电探测器组分别从4个光解复用器中各接收一路高速混频光信号，将混频电信号处理输出高速电信号。

Description

基于直接调制的多制式兼容空间激光通信方法及系统
技术领域
本发明属于空间激光通信领域，具体涉及一种基于直接调制的多制式兼容空间激光通信方法及系统。
背景技术
空间激光通信凭借其带宽优势及无电磁频谱约束等特点，已成为解决微波通信带宽瓶颈、构建天基宽带信息网、实现对地观测海量数据实时传输的重要手段。空间激光通信终端具有体积小、质量轻、功耗低等特点，非常适合作为卫星有效载荷，能够满足航天活动日益增长的通信需求。
近年来，以OneWeb、StarLink、“鸿雁”、“行云”等星座计划为代表的新兴低轨卫星通信星座迅猛发展。一些研究组织对空间激光通信系统的各项关键技术展开了全面深入的研究，已研发出多套卫星激光通信系统，并完成多项在轨演示试验，技术基本成熟，正在开始规划建设可覆盖全球的天基激光通信网络。
未来，每颗通信卫星将载有多个激光通信终端，可同时服务多个不同类型的目标，因此激光通信终端将朝着小型化、集成化、多制式兼容等方向发展。对远距离空间通信，通信制式通常采用相干调制的方式来传递信息，其中二进制相移键控(Binary Phase-ShiftKeying，BPSK)、正交相移键控(Quadrature Phase-Shift Keying，QPSK)是空间相干光通信的主要体制。
传统的相干激光通信系统通常采用LiNbO3外调制的方式实现光信号的相位调制，光发射系统由激光器、调制器、驱动器、放大器等多个独立的元器件构成，系统结构较复杂、兼容性和可扩展性较差。
发明内容
为了解决现有相干激光通信系统仅能实现单一信号格式的调制和解调，系统兼容性和可扩展性较差，及系统结构较复杂的技术问题，本发明提供了一种基于直接调制的多制式兼容空间激光通信方法及系统。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种基于直接调制的多制式兼容空间激光通信方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：
1)高速光信号发射
1.1)接收多个高速电信号，并分别进行处理生成可实现相位信号调制的多个驱动信号，同时，输出多个直流偏压和多个同步时钟；多个直流偏压分别与多个驱动信号进行加法运算后驱动多个激光器；
其中，激光器、驱动信号、直流偏压和同步时钟的数量均与高速电信号的数量相等，且一一对应；
1.2)每个激光器根据相对应驱动信号的变化产生绝热啁啾导致调频，根据调频实现光信号的相位调制，输出调制后高速光信号；
1.3)滤除每个调制后高速光信号中低电平信号对应的频率；
1.4)根据同步时钟保留调制后高速光信号中相位稳定的光信号波形；
1.5)将所有高速光信号复用成1路超高速光信号，并耦合至空间；
2)高速光信号接收
2.1)从空间中接收长距离传输后的超高速光信号，并滤出超高速光信号中的多个光信号，输入至90°光混频器；
2.2)90°光混频器将滤出多个光信号的超高速光信号与复用本振光进行相干混频，输出相位为0°、90°、180°、270°四路超高速混频光信号；
其中，复用本振光是通过多个本振激光器输出多路本振光，并根据波长的不同将多路本振光复用形成的；本振激光器的数量与步骤1.1)中高速电信号的数量相等；
2.3)4个光解复用器分别接收0°、90°、180°、270°四路超高速混频光信号，并分别根据波长的不同将每路超高速混频光信号解复用成多路高速混频光信号；多路高速混频光信号的数量与步骤1.1)中高速电信号的数量相等；
2.4)多个平衡光电探测器组分别从4个光解复用器中各接收一路高速混频光信号，并进行光电转换后输出相应的混频电信号；平衡光电探测器组的数量与步骤1.1)中高速电信号的数量相等；
2.5)将多个平衡光电探测器组输出的混频电信号分别转换成数字信号，经数字信号处理器处理恢复出基带电信号，并输出高速电信号；
同时，数字信号处理器根据超高速光信号与复用本振光混频后的频率差，获得误差信号；
2.6)根据误差信号调整步骤2.2)本振激光器的中心波长，使数字信号处理器输出误差补偿后的高速电信号。
进一步地，步骤1.5)中，所述超高速光信号进行功率放大，并通过光学天线耦合至空间。
进一步地，步骤2.1)具体为：通过光学天线从空间接收长距离星间、星地传输后的超高速光信号，并进行低噪声高增益放大后输入至90°光混频器。
进一步地，步骤2.2)中，0°和180°超高速混频光信号的相位为同相，90°和270°超高速混频光信号的相位为正交。
同时，本发明还提供了一种基于直接调制的多制式兼容空间激光通信系统，其特殊之处在于：包括发射单元和接收单元；
所述发射单元包括m个信号处理器、m个激光器、m个光滤波器、m个脉冲剪切器和第一光复用器，其中，m为大于1的整数；
所述m个信号处理器用于接收m个高速电信号，并对高速电信号处理生成实现相位信号调制的驱动信号，以及输出直流偏压和同步时钟；
所述m个激光器根据对应驱动信号、直流偏压产生绝热啁啾导致调频，并根据调频进行相位调制输出调制后高速光信号；
所述m个光滤波器用于滤除调制后高速光信号中低电平信号对应的频率；
所述m个脉冲剪切器用于接收对应光滤波器处理后的高速光信号，根据同步时钟删除相位波动的光信号波形并保留相位稳定的m个光信号；
所述第一光复用器将m个脉冲剪切器输出的光信号复用成1路超高速光信号，并耦合至空间；
所述接收单元包括周期性光滤波器、90°光混频器、4个光解复用器、m个平衡光电探测器组、m组模拟数字转换器、数字信号处理器、第二光复用器、m个本振激光器和多普勒频移补偿器；
所述周期性光滤波器用于从将空间中接收的超高速光信号滤出m个光信号并输入至90°光混频器；
所述m个本振激光器输出m路本振光；
所述第二光复用器根据波长的不同将m路本振光复用成1路复用本振光并输入至90°光混频器；
所述90°光混频器用于将滤出m个光信号的超高速光信号与m路本振光复用成的复用本振光进行相干混频，输出相位为0°、90°、180°、270°四路超高速混频光信号；
所述4个光解复用器用于分别接收0°、90°、180°、270°四路超高速混频光信号，每个光解复用器分别根据波长的不同将其接收的超高速混频光信号解复用成m路高速混频光信号；
m个平衡光电探测器组分别从4个光解复用器中各接收一路高速混频光信号，进行光电转换后输出相应的混频电信号；
m组模拟数字转换用于分别将m个平衡光电探测器组输出的混频电信号转换成数字信号，并发送至数字信号处理器，通过数字信号处理器处理恢复出基带电信号，并输出高速电信号；
所述数字信号处理器根据超高速光信号与复用本振光混频后的频率差，获得误差信号；
所述多普勒频移补偿器根据所述误差信号调整本振激光器的中心波长。
进一步地，所述4个光解复用器分别为第一光解复用器、第二光解复用器、第三光解复用器和第四光解复用器，分别接收0°、90°、180°、270°四路超高速混频光信号；
每个平衡光电探测器组包括第一平衡光电探测器和第二平衡光电探测器；
m个平衡光电探测器组的第一平衡光电探测器分别接收第一光解复用器输出的m路高速混频光信号和第三光解复用器输出的m路高速混频光信号，并转换成高速混频电信号输出；
m个平衡光电探测器组的第二平衡光电探测器分别接收第二光解复用器输出的m路高速混频光信号和第四光解复用器输出的m路高速混频光信号，并转换成高速混频电信号输出。
进一步地，所述发射单元还包括第一光放大器和第一光学天线；第一光放大器用于对第一光复用器输出的超高速光信号进行功率放大，并输入至第一光学天线；第一光学天线用于将功率放大后的超高速光信号耦合至空间；
所述接收单元还包括第二光放大器和第二光学天线；第二光学天线用于从空间中接收第一光复用器复用成的超高速光信号；第二光放大器用于对第二光学天线接收的超高速光信号进行低噪声高增益放大，并输入至周期性光滤波器。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明利用激光器自身的啁啾效应，通过控制注入电流的大小使光场产生相位移动，实现对信号的相位编码，使信号产生相应的相位变化，实现相位调制，该直接调制方式无需额外的相位调制器，具有结构简单、体积小、重量轻、成本低的优势，可以更好地适应不断小型化、集成化的光通信网络。
2、本发明可以兼容BPSK/QPSK/8PSK/.../2nPSK等通信制式，能够有效提升卫星激光通信系统调制格式的兼容性。
3、本发明通过波分复用技术，大幅度提高了通信速率，适用于未来100Gbps量级超高速激光通信网络。
附图说明
图1是本发明基于直接调制的多制式兼容空间激光通信系统中发射单元的原理结构示意图；
图2是本发明基于直接调制的多制式兼容空间激光通信系统中接收单元的原理结构示意图；
图3是本发明实施例一中发射单元对高速电信号处理过程的波形示意图；
图4是本发明实施例二中发射单元对高速电信号处理过程的波形示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
本发明一种基于直接调制的多制式兼容空间激光通信系统，包括发射单元和接收单元。
如图1所示，发射单元包括m个信号处理器、m个激光器、m个光滤波器、m个脉冲剪切器、第一光复用器、第一光放大器和第一光学天线，其中，m为大于1的整数；m个信号处理器的驱动信号输出分别与m个激光器的信号输入连接，m个信号处理器的时钟信号输出分别与m个脉冲剪切器的时钟信号输入相连，m个激光器的信号输出分别与m个光滤波器的信号输入连接，m个光滤波器的信号输出分别与m个脉冲剪切器的信号输入连接，m个脉冲剪切器的信号输出均与第一光复用器的信号输入相连，第一光复用器的信号输出通过第一光放大器与第一光学天线相连。其中，信号处理器用于接收高速电信号，并对高速电信号处理生成实现相位信号调制的驱动信号，每个信号处理器接收的高速电信号可为1路，也可为多路，信号处理器对接收到的1路或多路高速电信号进行处理后，可根据需要输出至少1路驱动信号。
如图2所示，接收单元包括第二光学天线、第二光放大器、周期性光滤波器、90°光混频器、4个光解复用器、m个平衡光电探测器组、m组模拟数字转换器、数字信号处理器、第二光复用器、m个本振激光器和多普勒频移补偿器；第二光学天线的信号输出通过第二光放大器与周期性光滤波器的信号输入相连，周期性光滤波器的信号输出与90°光混频器的光信号输入相连，90°光混频器的信号输出分别与4个光解复用器的信号输入相连，4个光解复用器的信号输出与m个平衡光电探测器组的信号输入相连，m个平衡光电探测器组的信号输出分别与m组模拟数字转换器的信号输入相连，m组模拟数字转换器的信号输出均与数字信号处理器的信号输入相连；多普勒频移补偿器的信号输入与数字信号处理器相连，多普勒频移补偿器的信号输出分别与m个本振激光器的信号输入相连，m个本振激光器的信号输出均与第二光复用器的信号输入相连，第二光复用器的信号输出与90°光混频器的本振光信号输入相连。其中，每个平衡光电探测器组包括2个平衡光电探测器，则每组模拟数字转换器(每组ADC)包括2个模拟数字转换，分别与2个平衡光电探测器相配合。
本发明利用激光器自身的啁啾效应，通过控制注入电流的大小使光场产生相位移动，同样可以实现对信号的相位编码，使信号产生相应的相位变化，实现相位调制。这种直接调制方式无需额外的相位调制器，具有更小的尺寸、更低的功耗、更低的设备复杂度、更高的兼容性和更低的成本，可以更好地适应不断小型化、集成化的光通信网络。
同时，本发明信号处理器接收高速电信号，根据信号调制格式需求，可将高速电信号进行电域处理，生成3电平信号/5电平信号/7电平信号等，以驱动激光器实现BPSK/QPSK/8PSK/.../2nPSK等相位调制信号，因此，本发明可以兼容BPSK/QPSK/8PSK/.../2nPSK等通信制式。
实施例一
本实施例以BPSK通信制式为例，多制式兼容空间激光通信系统工作过程如下：
1)高速光信号发射(发射单元的工作过程)
1.1)信号处理器接收n Gbps高速电信号,高速电信号如图3中(a)所示；信号处理器将接收到的n Gbps高速电信号进行高通滤波或数字处理，生成三电平交流耦合直接调制驱动信号isig，如图3中(b)所示。同时信号处理器输出直流偏压ibias和同步时钟clock，直流偏压ibias向激光器提供一个可工作的偏置电压，与驱动信号isig进行加法运算后驱动激光器。
1.2)激光器根据驱动信号isig的变化产生绝热啁啾导致调频，调频Δf(t)＝γΔi(t)，γ是调频啁啾系数，频率变化如图3中(c)所示；频率变化导致相位变化ΔΦ＝2π∫Δf(t)dt＝2πγ∫Δi(t)dt，相移分别为0和π，如图3中(d)所示；从而实现了光信号的相位调制，输出BPSK高速光信号；
1.3)光滤波器使调制后BPSK高速光信号中高电平信号对应的频率接近透射峰值，低电平信号对应的频率被滤除，提高信号的消光比；
1.4)脉冲剪切器由n GHz时钟信号clock驱动，该时钟信号clock与驱动信号isig同步，其作用是：①保留符号末尾处的光信号波形，该符号内的光相位信息全部集中在符号末尾处；②删除符号开始处无用波形，其中包括降低性能的相位和功率波动。即脉冲剪切器用于删除相位波动的光信号波形并保留相位稳定的光信号波形，脉冲剪切器输出光信号如图3中(e)所示；
1.5)第一光复用器根据波长的不同将m个脉冲剪切器输出的m个相邻频率等间隔(25GHz或50GHz或100GHz...)的n Gbps BPSK高速光信号复用成1路m×n Gbps超高速光信号；
1.6)第一光放大器将输入的m×n Gbps超高速光信号进行功率放大，以满足空间长距离传输的光功率需求；
1.7)第一光学天线将功率放大后的超高速光信号(光纤信号)耦合至空间，空间发射出去；
2)高速光信号接收(接收单元的工作过程)
2.1)第二光学天线接收长距离星间、星地传输后的超高速光信号并耦合至光纤；
2.2)第二光放大器将耦合至光纤的超高速光信号进行低噪声高增益放大，达到后端探测的光功率需求；
2.3)周期性光滤波器以m个相邻频率等间隔(25GHz或50GHz或100GHz...)滤出发射单元发射超高速光信号中的m个光信号；
2.4)90°光混频器用于将超高速光信号与复用本振光进行相干混频，输出相位分别为同相0°、180°和正交90°、270°的四路超高速混频光信号，并将相位为0°、180°、90°和270°的超高速混频光信号分别发送至4个光解复用器；
其中，复用本振光是通过m个本振激光器输出m路本振光，并根据波长的不同将m路本振光复用形成的；
2.5)4个光解复用器分别为第一光解复用器、第二光解复用器、第三光解复用器和第四光解复用器，分别接收相位为0°、90°、180°、270°四路超高速混频光信号；每个光解复用器分根据波长的不同将其接收的m×n Gbp超高速混频光信号解复用成m路n Gbps高速混频光信号；
2.6)每个平衡光电探测器组包括第一平衡光电探测器和第二平衡光电探测器；m个平衡光电探测器组的第一平衡光电探测器分别接收第一光解复用器输出的m路高速混频光信号(相位为0°的高速混频光信号)和第三光解复用器输出的m路高速混频光信号(相位为180°的高速混频光信号)，并转换成高速混频电信号输出；m个平衡光电探测器组的第二平衡光电探测器分别接收第二光解复用器输出的m路高速混频光信号(相位为90°的高速混频光信号)和第四光解复用器输出的m路高速混频光信号(相位为270°的高速混频光信号)，并转换成高速混频电信号输出；
2.7)每个模拟数字转换(ADC)用于将相对应平衡光电探测器组输出的高速混频电信号转换为数字信号；
2.8)数字信号处理器接收模拟数字转换输出的数字信号，并进行前端补偿、定时恢复、偏振跟踪、频率估计、相位估计、判决等处理，恢复出基带电信号，并输出高速电信号；
同时，数字信号处理器根据超高速光信号与复用本振光混频后的频率差，获得误差信号；
2.9)多普勒频移补偿器根据数字信号处理器获得的误差信号，通过调整本振激光器的中心波长，补偿星间、星地多普勒频移导致发射单元光波长的漂移；
2.10)第二光复用器根据波长的不同将m个本振激光器输出m路本振光复用成1路复用本振光输入90°光混频器，向90°光混频器提供与信号光对应的本振光，使数字信号处理器输出误差补偿后的高速电信号。
实施例二
本实施例以QPSK通信制式为例，多制式兼容空间激光通信系统工作过程如下：
1)高速光信号发射(发射单元的工作过程)
1.1)信号处理器接收n Gbps高速电信号，内部分成两路速率n/2Gbps的“高速电信号”和“高速电信号'”如图4中(a)和(b)所示；然后将2路n/2Gbps高速电信号分别进行高通滤波或数字处理，分别生成三电平交流耦合信号，其中一路三电平交流耦合信号(“三电平信号”)是另一路三电平交流耦合信号(“三电平信号'”)幅值的一半，如图4中(c)和(d)所示。两个三电平交流耦合信号(“三电平信号”和“三电平信号'”)进行加法运算生成直接调制多电平驱动信号i sig，如图4中(e)所示。同时信号处理器输出直流偏压ibias和同步时钟clock，直流偏压ibias向激光器提供一个可工作的偏置电压，与驱动信号isig进行加法运算后驱动激光器。
1.2)激光器根据驱动信号isig的变化产生绝热啁啾导致调频，调频Δf(t)＝γΔi(t)，γ是调频啁啾系数，频率变化如图4中(f)所示；频率变化导致相位变化ΔΦ＝2π∫Δf(t)dt＝2πγ∫Δi(t)dt，相移分别为0、π/2、π和3π/2，如图4中(g)，从而实现了光信号的相位调制，输出QPSK高速光信号；
1.3)光滤波器使调制后QPSK高速光信号中高电平信号对应的频率接近透射峰值，低电平信号对应的频率被滤除，提高信号的消光比；
1.4)脉冲剪切器由n/2GHz时钟信号clock驱动，该时钟信号clock与驱动信号isig同步，其作用是：①保留符号末尾处的光信号波形，该符号内的光相位信息全部集中在符号末尾处；②删除符号开始处无用波形，其中包括降低性能的相位和功率波动。即脉冲剪切器用于删除相位波动的光信号波形并保留相位稳定的光信号波形，脉冲剪切器输出光信号如图4中(h)所示；
1.5)第一光复用器根据波长的不同将m个脉冲剪切器输出的m个相邻频率等间隔(25GHz或50GHz或100GHz...)的n Gbps QPSK高速光信号复用成1路m×n Gbps超高速光信号；
1.6)第一光放大器将输入的m×n Gbps QPSK超高速光信号进行功率放大，以满足空间长距离传输的光功率需求；
1.7)第一光学天线将功率放大后的超高速光信号(光纤信号)耦合至空间，空间发射出去；
2)高速光信号接收(接收单元的工作过程)
2.1)第二光学天线接收长距离星间、星地传输后的超高速光信号并耦合至光纤；
2.2)第二光放大器将耦合至光纤的超高速光信号进行低噪声高增益放大，达到后端探测的光功率需求；
2.3)周期性光滤波器以m个相邻频率等间隔(25GHz或50GHz或100GHz...)滤出发射单元发射超高速光信号中的m个光信号；
2.4)90°光混频器用于将超高速光信号与复用本振光进行相干混频，输出相位分别为同相0°、180°和正交90°、270°的四路超高速混频光信号，并将相位为0°、180°、90°和270°的超高速混频光信号分别发送至4个光解复用器；
其中，复用本振光是通过m个本振激光器输出m路本振光，并根据波长的不同将m路本振光复用形成的；
2.5)4个光解复用器分别为第一光解复用器、第二光解复用器、第三光解复用器和第四光解复用器，分别接收相位为0°、90°、180°、270°四路超高速混频光信号；每个光解复用器分根据波长的不同将其接收的m×n Gbps超高速混频光信号解复用成m路n Gbps高速混频光信号；
2.6)每个平衡光电探测器组包括第一平衡光电探测器和第二平衡光电探测器；m个平衡光电探测器组的第一平衡光电探测器分别接收第一光解复用器输出的m路高速混频光信号(相位为0°的高速混频光信号)和第三光解复用器输出的m路高速混频光信号(相位为180°的高速混频光信号)，并转换成高速混频电信号输出；m个平衡光电探测器组的第二平衡光电探测器分别接收第二光解复用器输出的m路高速混频光信号(相位为90°的高速混频光信号)和第四光解复用器输出的m路高速混频光信号(相位为270°的高速混频光信号)，并转换成高速混频电信号输出；
2.7)每个模拟数字转换(ADC)用于将相对应平衡光电探测器组输出的高速混频电信号转换为数字信号；
2.8)数字信号处理器接收模拟数字转换输出的数字信号，并进行前端补偿、定时恢复、偏振跟踪、频率估计、相位估计、判决等处理，恢复出基带电信号，并输出高速电信号；
同时，数字信号处理器根据超高速光信号与复用本振光混频后的频率差，获得误差信号；
2.9)多普勒频移补偿器根据数字信号处理器获得的误差信号，通过调整本振激光器的中心波长，补偿星间、星地多普勒频移导致发射单元光波长的漂移；
2.10)第二光复用器根据波长的不同将m个本振激光器输出m路本振光复用成1路复用本振光输入90°光混频器，向90°光混频器提供与信号光对应的本振光，使数字信号处理器输出误差补偿后的高速电信号。
以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

Claims (7)

1.一种基于直接调制的多制式兼容空间激光通信方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)高速光信号发射
1.1)接收多个高速电信号，并分别进行处理生成可实现相位信号调制的多个驱动信号，同时，输出多个直流偏压和多个同步时钟；多个直流偏压分别与多个驱动信号进行加法运算后驱动多个激光器；
其中，激光器、驱动信号、直流偏压和同步时钟的数量均与高速电信号的数量相等，且一一对应；
1.2)每个激光器根据相对应驱动信号的变化产生绝热啁啾导致调频，根据调频实现光信号的相位调制，输出调制后高速光信号；
1.3)滤除每个调制后高速光信号中低电平信号对应的频率；
1.4)根据同步时钟保留调制后高速光信号中相位稳定的光信号；
1.5)将所有高速光信号复用成1路超高速光信号，并耦合至空间；
2)高速光信号接收
2.1)从空间中接收长距离传输后的超高速光信号，并滤出超高速光信号中的多个光信号，输入至90°光混频器；
2.2)90°光混频器将滤出多个光信号的超高速光信号与复用本振光进行相干混频，输出相位为0°、90°、180°、270°四路超高速混频光信号；
其中，复用本振光是通过多个本振激光器输出多路本振光，并根据波长的不同将多路本振光复用形成的；本振激光器的数量与步骤1.1)中高速电信号的数量相等；
2.3)4个光解复用器分别接收0°、90°、180°、270°四路超高速混频光信号，并分别根据波长的不同将每路超高速混频光信号解复用成多路高速混频光信号；多路高速混频光信号的数量与步骤1.1)中高速电信号的数量相等；
2.4)多个平衡光电探测器组分别从4个光解复用器中各接收一路高速混频光信号，并进行光电转换后输出相应的混频电信号；平衡光电探测器组的数量与步骤1.1)中高速电信号的数量相等；
2.5)将多个平衡光电探测器组输出的混频电信号分别转换成数字信号，经数字信号处理器处理恢复出基带电信号，并输出高速电信号；
同时，数字信号处理器根据超高速光信号与复用本振光混频后的频率差，获得误差信号；
2.6)根据误差信号调整步骤2.2)本振激光器的中心波长，使数字信号处理器输出误差补偿后的高速电信号。
2.根据权利要求1所述基于直接调制的多制式兼容空间激光通信方法，其特征在于：步骤1.5)中，所述超高速光信号进行功率放大，并通过光学天线耦合至空间。
3.根据权利要求2所述基于直接调制的多制式兼容空间激光通信方法，其特征在于，步骤2.1)具体为：通过光学天线从空间接收长距离星间、星地传输后的超高速光信号，并进行低噪声高增益放大后输入至90°光混频器。
4.根据权利要求1所述基于直接调制的多制式兼容空间激光通信方法，其特征在于：步骤2.2)中，0°和180°超高速混频光信号的相位为同相，90°和270°超高速混频光信号的相位为正交。
5.一种基于直接调制的多制式兼容空间激光通信系统，其特征在于：包括发射单元和接收单元；
所述发射单元包括m个信号处理器、m个激光器、m个光滤波器、m个脉冲剪切器和第一光复用器，其中，m为大于1的整数；
所述m个信号处理器用于接收m个高速电信号，并对高速电信号处理生成实现相位信号调制的驱动信号，以及输出直流偏压和同步时钟；
所述m个激光器根据对应驱动信号、直流偏压产生绝热啁啾导致调频，并根据调频进行相位调制输出调制后高速光信号；
所述m个光滤波器用于滤除调制后高速光信号中低电平信号对应的频率；
所述m个脉冲剪切器用于接收对应光滤波器处理后的高速光信号，根据同步时钟删除相位波动的光信号波形并保留相位稳定的m个光信号；
所述第一光复用器将m个脉冲剪切器输出的光信号复用成1路超高速光信号，并耦合至空间；
所述接收单元包括周期性光滤波器、90°光混频器、4个光解复用器、m个平衡光电探测器组、m组模拟数字转换器、数字信号处理器、第二光复用器、m个本振激光器和多普勒频移补偿器；
所述周期性光滤波器用于将空间中接收的超高速光信号滤出m个光信号并输入至90°光混频器；
所述m个本振激光器输出m路本振光；
所述第二光复用器根据波长的不同将m路本振光复用成1路复用本振光并输入至90°光混频器；
所述90°光混频器用于将滤出m个光信号的超高速光信号与m路本振光复用成的复用本振光进行相干混频，输出相位为0°、90°、180°、270°四路超高速混频光信号；
所述4个光解复用器用于分别接收0°、90°、180°、270°四路超高速混频光信号，每个光解复用器分别根据波长的不同将其接收的超高速混频光信号解复用成m路高速混频光信号；
m个平衡光电探测器组分别从4个光解复用器中各接收一路高速混频光信号，进行光电转换后输出相应的混频电信号；
m组模拟数字转换用于分别将m个平衡光电探测器组输出的混频电信号转换成数字信号，并发送至数字信号处理器，通过数字信号处理器处理恢复出基带电信号，并输出高速电信号；
所述数字信号处理器根据超高速光信号与复用本振光混频后的频率差，获得误差信号；
所述多普勒频移补偿器根据所述误差信号调整本振激光器的中心波长。
6.根据权利要求5所述基于直接调制的多制式兼容空间激光通信系统，其特征在于：所述4个光解复用器分别为第一光解复用器、第二光解复用器、第三光解复用器和第四光解复用器，分别接收0°、90°、180°、270°四路超高速混频光信号；
每个平衡光电探测器组包括第一平衡光电探测器和第二平衡光电探测器；
m个平衡光电探测器组的第一平衡光电探测器分别接收第一光解复用器输出的m路高速混频光信号和第三光解复用器输出的m路高速混频光信号，并转换成高速混频电信号输出；
m个平衡光电探测器组的第二平衡光电探测器分别接收第二光解复用器输出的m路高速混频光信号和第四光解复用器输出的m路高速混频光信号，并转换成高速混频电信号输出。
7.根据权利要求6所述基于直接调制的多制式兼容空间激光通信系统，其特征在于：所述发射单元还包括第一光放大器和第一光学天线；第一光放大器用于对第一光复用器输出的超高速光信号进行功率放大，并输入至第一光学天线；第一光学天线用于将功率放大后的超高速光信号耦合至空间；
所述接收单元还包括第二光放大器和第二光学天线；第二光学天线用于从空间中接收第一光复用器复用成的超高速光信号；第二光放大器用于对第二光学天线接收的超高速光信号进行低噪声高增益放大，并输入至周期性光滤波器。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114430298B (zh) * 2021-11-25 2024-01-30 中国科学院西安光学精密机械研究所 基于直接调制的多制式兼容空间激光通信方法及系统

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010118842A (ja) * 2008-11-12 2010-05-27 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 光伝送方式、送信器及び受信器
KR20110070259A (ko) * 2009-12-18 2011-06-24 한국과학기술원 위상 변조 신호를 생성하는 방법, 위상 변조 신호를 생성하는 장치 및 이를 이용한 광통신망
CN102611668A (zh) * 2011-01-25 2012-07-25 中兴通讯股份有限公司 一种正交频分复用无源光网络数据传输方法及光线路终端
WO2012100714A1 (zh) * 2011-01-25 2012-08-02 中兴通讯股份有限公司 一种正交频分复用无源光网络数据传输方法及光网络单元
WO2015176527A1 (zh) * 2014-05-22 2015-11-26 复旦大学 正交多载波光源及pdm-qpsk信号发射装置
CN105871499A (zh) * 2016-03-17 2016-08-17 中国科学院西安光学精密机械研究所 基于光频率梳的超高速空间相干光通信方法和系统
CN108650013A (zh) * 2018-04-19 2018-10-12 西安空间无线电技术研究所 一种基于光频移的宽带多路信道化的系统及方法
CN109039462A (zh) * 2018-07-19 2018-12-18 中国科学院西安光学精密机械研究所 多调制格式兼容高速激光信号无锁相接收系统及方法
CN110460384A (zh) * 2019-03-08 2019-11-15 中国电子科技集团公司电子科学研究院 量子密钥分发相位编解码器、相应的编解码装置及系统
CN110677198A (zh) * 2019-09-29 2020-01-10 中国科学院西安光学精密机械研究所 超高速相干光信号偏振解复用和波长变换系统及控制方法
CN111211838A (zh) * 2019-12-02 2020-05-29 中国科学院西安光学精密机械研究所 一种星间激光通信pat系统的目标提取与跟踪相机及方法
CN111934761A (zh) * 2020-08-12 2020-11-13 长春理工大学 基于少模并行混频的抗大气湍流高速相干激光通信装置

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4320573B2 (ja) * 2003-07-14 2009-08-26 日本電気株式会社 光受信方法、光受信装置及びこれを用いた光伝送システム
US7469106B2 (en) * 2004-02-17 2008-12-23 Nortel Networks Limited Reference phase and amplitude estimation for coherent optical receiver
US8498542B2 (en) * 2010-01-21 2013-07-30 Ciena Corporation Multi-channel optical transceiver with offset quadrature amplitude modulation
US9374260B2 (en) * 2013-11-07 2016-06-21 Futurewei Technologies, Inc. Method and apparatus for directly detected optical transmission systems based on carrierless amplitude-phase modulation
CN106533562B (zh) * 2016-11-30 2019-03-29 上海卫星工程研究所 空间多用户多制式卫星激光通信系统和方法
JP7395760B2 (ja) * 2020-04-03 2023-12-11 アクロノス インコーポレイテッド 測距アプリケーションのための周波数情報高速抽出
CN114430298B (zh) * 2021-11-25 2024-01-30 中国科学院西安光学精密机械研究所 基于直接调制的多制式兼容空间激光通信方法及系统

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010118842A (ja) * 2008-11-12 2010-05-27 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 光伝送方式、送信器及び受信器
KR20110070259A (ko) * 2009-12-18 2011-06-24 한국과학기술원 위상 변조 신호를 생성하는 방법, 위상 변조 신호를 생성하는 장치 및 이를 이용한 광통신망
CN102611668A (zh) * 2011-01-25 2012-07-25 中兴通讯股份有限公司 一种正交频分复用无源光网络数据传输方法及光线路终端
WO2012100714A1 (zh) * 2011-01-25 2012-08-02 中兴通讯股份有限公司 一种正交频分复用无源光网络数据传输方法及光网络单元
WO2015176527A1 (zh) * 2014-05-22 2015-11-26 复旦大学 正交多载波光源及pdm-qpsk信号发射装置
CN105871499A (zh) * 2016-03-17 2016-08-17 中国科学院西安光学精密机械研究所 基于光频率梳的超高速空间相干光通信方法和系统
CN108650013A (zh) * 2018-04-19 2018-10-12 西安空间无线电技术研究所 一种基于光频移的宽带多路信道化的系统及方法
CN109039462A (zh) * 2018-07-19 2018-12-18 中国科学院西安光学精密机械研究所 多调制格式兼容高速激光信号无锁相接收系统及方法
CN110460384A (zh) * 2019-03-08 2019-11-15 中国电子科技集团公司电子科学研究院 量子密钥分发相位编解码器、相应的编解码装置及系统
CN110677198A (zh) * 2019-09-29 2020-01-10 中国科学院西安光学精密机械研究所 超高速相干光信号偏振解复用和波长变换系统及控制方法
CN111211838A (zh) * 2019-12-02 2020-05-29 中国科学院西安光学精密机械研究所 一种星间激光通信pat系统的目标提取与跟踪相机及方法
CN111934761A (zh) * 2020-08-12 2020-11-13 长春理工大学 基于少模并行混频的抗大气湍流高速相干激光通信装置

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Digital Mobile Fronthaul Based on Performance Enhanced Multi-Stage Noise-Shaping Delta-Sigma Modulator;Ke Bai; Dongdong Zou; Zixuan Zhang; Zibin Li; Wei Wang; Qi Sui; Zizheng Cao; Fan Li;Journal of Lightwave Technology(第39期);全文 *
差分相移键控信号的数字相干光检测与色散补偿研究与实现;冯勇;闻和;张汉一;郭奕理;;中国激光(02);全文 *
正交调制降频相位式激光测距;许贤泽;翁名杰;徐逢秋;白翔;;光学精密工程(08);全文 *

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