CN115085822B - 空间激光链路ook调制相干接收装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种空间激光链路开关键控调制相干接收装置和方法，装置包括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、第一模数转换器、第二模数转换器(ADC)、通信解调及频率补偿模块、误码率仪和可调谐本振光激光器。本发明在建链完成后首先进行本振光的频率调节以使本振光与信号光的频差处于较小的状态并进行频率反馈补偿，即使得中频频差一直远远小于通信速率，保持在一个称之为内差或准零差的状态，对同相、正交(IQ)两路光转电信号进行采集后，采用先复数化、再求模、最后阈值判决的方式完成对基带数据的解调，为相干光通信系统增加了调制格式的同时更提供了一种载波同步算法在某些情况下失灵时的备用通信手段，具有重要意义。

Description

空间激光链路OOK调制相干接收装置和方法
技术领域
本发明涉及高速率、高灵敏度的相干解调的空间激光通信领域，特别是一种空间激光链路OOK调制相干接收装置和方法。
背景技术
空天信息一体化网络的建立已经由理论逐步转化为实践，卫星与卫星、卫星与地面、卫星与空中载荷、空中载荷与空中载荷以及空中载荷与地面间的实时通信显得尤为重要。但随着所传数据量的急剧增大，微波通信技术越来越难以满足当下高速率通信的需求，而空间激光通信由于其通信速率高、功耗低、天线尺寸小、保密性好等优点登上了历史舞台。
基于强度调制直接检测(IM/DD)的非相干空间激光通信曾经红极一时，主要得益于掺铒光纤放大器(EDFA)的发明，IM/DD系统原理显而易见，以有光无光两种状态作为信息的“0”和“1”，接收结构简单，易于工程化。但其缺点也显而易见，例如：容易受到背景光的影响、调制格式单一、接收灵敏度较低等。
随着通信用激光器窄线宽化的发展以及相应的相干解调器件的成熟，空间相干激光通信又映入了学者们的眼帘。空间相干激光通信优点主要有：灵敏度高、允许多种调制格式、抗干扰能力强等，但缺点是相干光通信的接收机复杂性相较于IM/DD系统明显高，主要体现在相干通信接收端需要进行载波的恢复。
载波恢复主要有两种方式：
第一种是以全数字解调、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和随机相位误差等因素带来的影响，通常这种方法需要使用超高采样率的ADC；
第二种是以锁相环为主的接收端根据载波相差主动补偿本振光载波相位以实现载波同步的方法，需要ADC进行相差的采集以及DAC产生信号控制执行器件完成对本振光载波相位的补偿。
IM\DD系统结构简单但灵敏度低，相干接收系统灵敏度高但接收机结构却复杂得多，两者各有利弊。
发明内容
本发明主要针对高速率、高灵敏度的相干解调的空间激光通信领域，提出一种空间激光链路OOK调制相干接收装置和方法。本装置能相干接收OOK调制的信号光且无需进行锁相，还有一点是使用该方法对信号激光与本振激光的线宽要求不高。OOK信号以直接探测(DD)为主要接收方式，本装置通过相干接收的方式极大提升了接收机灵敏度，因此可用于高灵敏度的空间相干激光通信系统的接收端。本发明为减轻所用光电探测器带宽的要求，在建链完成后首先进行本振光的频率调节以使本振光与信号光的频差处于较小的状态并进行频率反馈控制。对同相、正交(IQ)两路光转电信号进行采集后，采用先复数化、再求模、最后阈值判决的方式完成对基带数据的解调，原理简单，使用方便，且硬件结构与传统的相移键控为调制方式的相干光通信系统兼容，为相干光通信系统增加了调制格式的同时更提供了一种载波同步算法，在某些情况下失灵时的备用通信手段，因此具有重要意义。
本发明的技术解决方案如下：
一种空间激光链路OOK调制相干接收装置，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、第一模数转换器(ADC)、第二模数转换器(ADC)、通信解调及频率补偿模块、误码率仪和可调谐本振光激光器；
所述的2×4 90°光学桥接器包括信号光输入端、本振光输入端及四个混频光输出端，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；
所述的可调谐本振光激光器的输出端与所述的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(I路)；所述的2×4 90°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(Q路)；所述的第一平衡光电探测器的输出端与所述的第一ADC的输入端相连，所述的第二平衡光电探测器的输出端与所述的第二ADC的输入端相连；所述的第一ADC的输出端与所述的通信解调及频率补偿模块的第一输入端相连，所述的第二ADC的输出端与所述的通信解调及频率补偿模块的第二输入端相连；所述的通信解调及频率补偿模块的基带信号输出端与所述的误码率仪的输入端相连；所述的通信解调及频率补偿模块的本振光频率控制信号输出端与所述的可调谐本振光激光器的输入端相连；
所述的通信解调及频率补偿模块内部包括复数化器模块、复数取模运算模块、频差估计及补偿模块，所述的第一ADC的输出端与所述的复数化器模块的第一输入端相连，所述的第二ADC的输出端与所述的复数化器模块的第二输入端相连，所述的复数化器模块的第一输出端与所述的复数取模运算模块的输入端相连，所述的复数化器模块的第二输出端与所述的频差估计及补偿模块的输入端相连，所述的复数取模运算模块的基带信号输出端即所述的通信解调及频率补偿模块的基带信号输出端，所述的频差估计及补偿模块的本振光频率控制信号输出端即所述的通信解调及频率补偿模块的本振光频率控制信号输出端。
上述空间激光链路OOK调制相干接收装置的接收方法，其特点在于，该方法包括下列步骤：
1)所述的2×4 90°光学桥接器首先获取OOK调制信号光载波与本振光载波频差的信息并进行本振光频率的调整使得本振光与信号光频差处于较小的状态：
空间中的信号光耦合为光纤光后经所述的调制的信号光输入端进入所述的2×490°光学桥接器，所述的可调谐本振光激光器输出的可调谐本振光经所述的可调谐本振光输入端进入所述的2×4 90°光学桥接器，I路的光转电信号与Q路的光转电信号在被所述的第一ADC和第二ADC分别进行采样后进入所述的复数化器模块，所述的复数化器模块输出分为两路：一路进入所述的频差估计及补偿模块，该模块通过进行快速傅里叶变换(FFT)的方法计算实时频差，向所述的可调谐本振光激光器输出本振光频率控制信号，以此调节所述的可调谐本振激光器输出的可调谐本振光频率，以拉低中频频差并进行频率的反馈控制，使得接收机处于一个准零差(内差)的状态，即此时中频频差远远小于通信速率；
2)所述的复数化器模块输出的另一路进入所述的复数取模运算模块，该复数取模运算模块的输出基带信号；该基带信号经所述的误码率仪的输入端输入所述的误码率仪，所述的误码率仪直接通过阈值判决完成对于基带信号“0”和“1”的辨认，通过相干接收的方式完成对于OOK调制的信号光所携带信息的解调。
本发明具有如下技术效果：
1、本发明空间激光链路OOK调制相干接收装置的结构简单，原理简单，信号解调过程计算明确，本发明接收装置硬件结构兼容其他调制格式的通信信息，例如二进制相移键控(BPSK)调制。
2、采用空间激光链路OOK调制相干接收方法可以降低相干激光通信中对于所用激光器线宽的要求，无需通过锁相完成载波同步，可以完成高速率、高灵敏度的OOK调制的信号激光的相干解调。
3、本发明最低可以使探测器带宽等于通信速率，达到与零差相干通信对探测器要求一样的效果。
附图说明
图1为本发明空间激光链路OOK调制相干接收装置示意图。
图2为通信解调及频率补偿模块内部结构示意图。
图3为高速示波器所采集的原始的I、Q两路信号波形。
图4为高速示波器通过算法恢复的基带数据信号波形及眼图。
具体实施方式
下面结合实施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是本发明空间激光链路OOK调制相干接收装置示意图，图中蓝色线为电信号的连接线，红色线为光信号的连接线。由图可见，本发明种空间激光链路OOK调制相干接收装置，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、第一模数转换器(ADC)4、第二模数转换器(ADC)5、通信解调及频率补偿模块6、误码率仪7和可调谐本振光激光器8；
所述的2×4 90°光学桥接器1包括信号光输入端、本振光输入端及四个混频光输出端，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；
所述的可调谐本振光激光器8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(I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(Q路)；所述的第一平衡光电探测器2的输出端与所述的第一ADC4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二ADC5的输入端相连；所述的第一ADC4的输出端与所述的通信解调及频率补偿模块6的第一输入端相连，所述的第二ADC5的输出端与所述的通信解调及频率补偿模块6的第二输入端相连；
所述的通信解调及频率补偿模块(6)的基带信号输出端与所述的误码率仪(7)的输入端相连；所述的通信解调及频率补偿模块(6)的本振光频率控制信号输出端与所述的可调谐本振光激光器(8)的输入端相连；
参见图2，图2为通信解调及频率补偿模块内部结构示意图，如图所示，所述的通信解调及频率补偿模块6内部包括复数化器模块6-1、复数取模运算模块6-2、频差估计及补偿模块6-3，所述的第一ADC4的输出端与所述的复数化器模块6-1的第一输入端相连，所述的第二ADC5的输出端与所述的复数化器模块6-1的第二输入端相连，所述的复数化器模块6-1的第一输出端与所述的复数取模运算模块6-2的输入端相连，所述的复数化器模块6-1的第二输出端与所述的频差估计及补偿模块6-3的输入端相连，所述的复数取模运算模块6-2的基带信号输出端即所述的通信解调及频率补偿模块6的基带信号输出端，所述的频差估计及补偿模块6-3的本振光频率控制信号输出端即所述的通信解调及频率补偿模块6的本振光频率控制信号输出端。
实施例
所述的第一ADC4、所述的第二ADC5和所述的通信解调及频率补偿模块6在本实施例中整合后主要实体化为一台四通道高速通信用示波器，所述的第一平衡光电探测器2的输出进入高速示波器的输入通道1被高速示波器相应的ADC采集作为I路信号，所述的第二平衡探测器3的输出进入高速示波器的输入通道2被高速示波器相应的ADC采集作为Q路信号。得到I、Q两路的光转电信号后，首先需要进行本振光与信号光载波频差的计算并以其作为判据调节本振光的中心频率以降低载波频差，具体实现是调整可调谐本振激光器的温度以实现频率调谐，激光器温度越高，输出激光中心频率越小。可以对复数化后的信号做快速傅里叶变换(FFT)求取频谱峰值位置以确定频差，此处频差为信号光频率减去本振光频，因此若所鉴频差远远大于0，则需要降低激光器温度以增加本振激光的中心频率从而使得频差接近0，若所鉴频差远远小于0，则需要升高激光器温度以减小本振激光器的中心频率从而使得频差接近0，频差为正或者为负没有关系，只要绝对值远远小于通信速率即可。
在完成频率补偿使得接收机进入内差状态后，对复数化后的信号进行取模再阈值判决以进行码元“0”或者“1”的辨别。即可完成对于OOK信号的相干解调。
本发明空间激光链路OOK调制相干接收装置和方法，该具体实例系统工作时，具体操作步骤如下：
1)图1中所述的信号光为OOK调制格式，具体实现是使用马赫曾德调制器(MZM)加上合适的直流偏压点并配合合适的射频信号完成对于信号光的OOK调制，本次实施例所加信号通信速率为1Gbit/s，即整套接收机成为速率为1Gbit/s的相干通信系统。OOK调制的空间光耦合为光纤光后进入2×4 90°桥接器1的信号光输入端。可调谐本振激光器的输出进入2×4 90°桥接器1的本振光输入端。
2)2×4 90°光学桥接器1的0°混频光、180°混频光分别进入第一平衡光电探测器2的第一输入端和第二输入端，90°混频光与270°混频光分别进入第二平衡光电探测器3的第一输入端和第二输入端。四路光信号光转电后电压信号的模拟表达式可以写为如下：
其中，R为所用平衡光电探测器的响应度，r表示平衡探测器的跨阻阻值，m(t)为基带信号数据，由于发射端完成的是OOK调制，因此满足m(t)＝0or 1。PS和PLO分别为信号光功率和本振光功率，kS为2×4 90°桥接器1的信号光的分光比，kLO为2×4 90°桥接器的本振光的分光比，在本实施例中kS＝kLO＝0.5。ωS与ωLO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。
3)0°光转电信号与180°光转电信号经过第一平衡光电探测器2的减法运算后得到I路信号，90°光转电信号与270°光转电信号经过第二平衡光电探测器3的减法运算后得到Q路信号，减法运算消除了共模噪声以及信号光功率的波动项，I路信号与Q路信号的模拟表达式写为如下：
4)第一平衡光电探测器2输出的I路电压信号进入高速示波器通道1，第二平衡光电探测器3输出的Q路电压信号进入高速示波器通道2，两路信号被示波器相应的ADC同步进行采样，且有ADC的采样率为5G Sa/s，信号光调制通信速率为1Gbit/s，因此是满足奈奎斯特采样定理的。由于之前提到，本发明能控制本振光频率使得本振光与信号光载波频差很小，处于准零差状态，通信速率又为1Gbit/s，因此设置高速示波器通道1和通道2的带宽亦为1GHz，在保证信号主要能量被接收的同时避免带外噪声带来的性能恶化。被ADC采样的I、Q两路离散信号表示为如下：
其中，k为采样序号，dT为高速示波器ADC的采样时间间隔，即为采样率的导数，两路ADC的采样率均为5G Sa/s，因此有dT＝0.2ns。
5)通信解调及频率补偿模块6先对I、Q两路做复数化处理得到复信号VCOMPLEX[k×dT]表示为如下：
具体获得此复信号的做法为将示波器的数据实时提取出来通过计算机进行复数化，并做FFT获取频差从而调整可调谐激光器的温度以调整本振光中心频率以拉低本振光与信号光的载波频差，至此，完成了进入内差状态的操作，后续还需进行频率监测及反馈使载波频差一直处于较小的状态，监控过程中我们所使用的示波器有math功能，即数值计算功能，可以持续对I路信号或者Q路信号做FFT以观测频谱峰值的变化，以此为判据调节可调谐本振光激光器的温度。
6)复数化后的取模运算的实现在本实施例中具体是以I、Q两路信号先各自数值做平方运算，然后求和，最后再开方的形式实现的。同样，我们可以使用示波器完成对于通道一和通道二所采集的I、Q两路离散信号的对应计算及处理。
I、Q两路离散信号做数值平方后表达为如下：
I路信号与Q路信号相加可以表达为如下：
VSUM(k×dT)＝R2r2PSPLOm2(k×dT)
原因在于cos2(x)+sin2(x)＝1，开方后解调出的基带信号可以表示为：
到此为止，完成了对于OOK信号的相干解调。原始的I、Q两路信号如下图3所示，示波器完成上述操作后产生的基带数据及眼图如下图4所示。
7)至于图1中的误码率仪7，在本实施例中是采用先将示波器数据采集然后离线处理的方式计算误码率。具体实现是，示波器采样率为5G Sa/s，通信速率为1Gbit/s,即为5个点表示1bit数据，先对离散数据做十倍的重采样，此时有50个点表示1bit，此时取每个bit中心30个数据点做平均作为这一bit的电平值，然后设置合适的阈值，通过阈值判决分辨“0”、“1”，所发送的伪随机码码长为27-1，即127个码字为一次循环，将解调出的码字找到起始点，即与原始码字起始端对齐，通过做码元比对的方式完成误码率的计算。
至此，本发明说明书完成了对该种空间激光链路OOK调制相干接收装置和方法的详细描述。
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 (2)

1.一种空间激光链路OOK调制相干接收装置，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）、第一模数转换器ADC（4）、第二模数转换器ADC（5）、通信解调及频率补偿模块（6）、误码率仪（7）和可调谐本振光激光器（8）；
所述的2×4 90°光学桥接器（1）包括信号光输入端、本振光输入端及四个混频光输出端，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；
所述的可调谐本振光激光器（8）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，同相支路I路为所述的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；正交支路Q路为所述的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；所述的第一平衡光电探测器（2）的输出端与所述的第一模数转换器ADC（4）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二模数转换器ADC的输入端相连；所述的第一模数转换器ADC（4）的输出端与所述的通信解调及频率补偿模块（6）的第一输入端相连，所述的第二模数转换器ADC（5）的输出端与所述的通信解调及频率补偿模块（6）的第二输入端相连；所述的通信解调及频率补偿模块（6）的基带信号输出端与所述的误码率仪（7）的输入端相连；所述的通信解调及频率补偿模块（6）的本振光频率控制信号输出端与所述的可调谐本振光激光器（8）的输入端相连；
所述的通信解调及频率补偿模块（6）内部包括复数化器模块（6-1）、复数取模运算模块（6-2）、频差估计及补偿模块（6-3），所述的第一模数转换器ADC（4）的输出端与所述的复数化器模块（6-1）的第一输入端相连，所述的第二模数转换器ADC的输出端与所述的复数化器模块（6-1）的第二输入端相连，所述的复数化器模块（6-1）的第一输出端与所述的复数取模运算模块（6-2）的输入端相连，所述的复数化器模块（6-1）的第二输出端与所述的频差估计及补偿模块（6-3）的输入端相连，所述的复数取模运算模块（6-2）的基带信号输出端即所述的通信解调及频率补偿模块（6）的基带信号输出端，所述的频差估计及补偿模块（6-3）的本振光频率控制信号输出端即所述的通信解调及频率补偿模块（6）的本振光频率控制信号输出端。
2.权利要求1所述的空间激光链路OOK调制相干接收装置的接收方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
1）所述的2×4 90°光学桥接器（1）首先获取OOK调制信号光载波与本振光载波频差的信息并进行本振光频率的调整使得本振光与信号光频差的绝对值处于接近0的状态：
空间中的信号光耦合为光纤光后经所述的调制的信号光输入端进入所述的2×4 90°光学桥接器（1），所述的可调谐本振光激光器（8）输出的可调谐本振光经可调谐本振光输入端进入所述的2×4 90°光学桥接器（1），I路的光转电信号与Q路的光转电信号在被所述的第一模数转换器ADC（4）和第二ADC模数转换器（5）分别进行采样后进入所述的复数化器模块（6-1），所述的复数化器模块（6-1）输出分为两路，一路进入所述的频差估计及补偿模块（6-3），该模块通过进行快速傅里叶变换（FFT）的方法计算实时频差，向所述的可调谐本振光激光器（8）输出本振光频率控制信号，以此调节所述的可调谐本振光激光器（8）输出的可调谐本振光频率，以拉低使得本振光与信号光频差并进行频率的反馈控制，使得接收机处于一个准零差，即内差的状态，即此时本振光与信号光频差的绝对值远小于通信速率，接近0；
2） 所述的复数化器模块（6-1）输出的另一路进入所述的复数取模运算模块（6-2），该复数取模运算模块（6-2）的输出基带信号；该基带信号经所述的误码率仪（7）的输入端输入所述的误码率仪（7），所述的误码率仪（7）直接通过阈值判决完成对于基带信号“0”和“1”的辨认，通过相干接收的方式完成对于OOK调制的信号光所携带信息的解调。
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