CN118157766A - 多体制兼容调制发射装置 - Google Patents
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Abstract
一种多体制兼容调制发射装置及方法，可应用于空间激光通信中。该系统装置兼容实现OOK非相干/BPSK相干/QPSK相干调制，提高激光通信终端对不同通信体制的适应性，解决不同星座间通信兼容的问题。本发明自动偏压控制方法主要分为两步：粗扫描和精跟踪。粗扫描主要是基于光功率检测法，采用较大的扫描步进，初步控制在偏置工作点附近；精扫描基于导频法，分时在两路子调制器的直流偏置上引入低频、正交扰动信号，检测一次谐波和二次谐波的幅度进行控制，以实现三个支路控制在最佳偏置点上，并能随着工作点的漂移实时跟踪锁定。通过切换自动偏压控制的锁定工作点，该发明硬件可兼容发射OOK、BPSK和QPSK三种调制格式且速率分档可调。
Description
技术领域
本发明属于激光通信调制领域，特别适用于在星间链路传输过程中兼容相干/非相干多体制调制的空间激光通信，具体是一种多体制兼容调制发射装置。
背景技术
空间激光通信链路具有高速率、保密性强和传输距离远等优势，属于组成卫星互联网高速通讯的陆海空天一体化网络的重要链路。为提高激光通信终端对不同通信体制的适应性，解决不同星座间通信兼容的问题，可采用多体制通信兼容技术。
针对空间激光通信在星间链路传输过程中高速激光调制的需求，采用双平行马赫-曾德尔调制器进行激光信号高速调制，可兼容非相干开关键控(OOK)、相干二进制相移键控(BPSK)和相干正交相移键控(QPSK)激光通信发射装置。
双平行马赫-曾德尔调制器由两个子马赫-曾德尔调制器(MZM)和一个母MZM组成，由于光调制器内部光波导双臂结构容易受到环境干扰以及长期运行老化会使其传输特性发生改变，直流工作点位置发生漂移，导致调制信号质量下降，影响系统的整体性能。因此，为了在商业应用中长时间工作，偏置状态监测和自动偏压控制技术对于补偿电光调制器的直流偏置漂移至关重要。
现有的偏压控制技术主要是应用于MZ调制器的，只能实现OOK和BPSK的调制，本发明使用功率检测法和扰频法相结合的方法完成粗扫，使用分时加扰的方式进行精跟踪，实现了高效的偏压控制方式，可兼容非相干OOK、相干BPSK和QPSK的调制。
发明内容
本发明目的是提高组网激光卫星通信资源利用率，解决激光通信系统灵活性差的问题，本发明提供一种多体制兼容调制发射装置及方法，按照应用场景将双平行马赫-曾德尔调制器的偏压控制在所需的工作点上，实现非相干OOK、相干BPSK和相干QPSK激光通信发射装置的信号调制，并且速率分档可调。
本发明技术解决方案如下
多体制兼容调制发射装置，其特点在于，包括：窄线宽激光器、双平行马赫-曾德尔调制器、光耦合器、两个射频驱动单元、两个信号发生单元、光电转换单元、运算放大器单元、包络检波单元以及自动偏压控制偏置输出单元；其中，所述自动偏压控制偏置输出模块包括：模数转换单元、扰频信号发生单元、偏压控制单元和数模转换单元；
所述窄线宽激光器的输出端与双平行马赫-曾德尔调制器的光输入端连接；所述光耦合器的输入端与双平行马赫-曾德尔调制器的光输出端连接，光耦合器的两个光输出端为95：5的分光比，分别作为信号输出端和信号反馈端，信号输出端留作发射信号使用；信号反馈端与光电转换单元相连，作为偏压控制反馈信号输入；所述信号发生单元的输出端与射频驱动单元的输入端连接；所述射频驱动单元的输出端与双平行马赫-曾德尔调制器的射频输入端RF连接；所述光电转换单元的输出端与运算放大器单元的输入端和包络检波单元的输入端连接；所述模数转换单元的输入端与运算放大器单元的输出端和包络检波单元的输出端连接；所述偏压控制单元的输入端与模数转换单元的输出端连接；所述数模转换单元的输入端与偏压控制单元的输出端连接；所述数模转换单元的输出端与双平行马赫-曾德尔调制器的偏置电压输入端DC连接；所述扰频信号发生单元的输出通过加法器与数模转换单元的输出一同加载到双平行马赫-曾德尔调制器的偏置电压输入端DC1和DC2，并且加载的扰频信号相位相差90°；所述偏压控制单元主要作为算法控制和数字信号处理的作用，并且控制扰频信号发生单元的输出以及信号发生单元的输出；
在发射光路中，所述的信号发生单元产生所需的调制电信号经射频驱动单元后调制到所述的双平行马赫-曾德尔调制器，双平行马赫-曾德尔调制器输出的部分光信号经过光电转换单元转换为电信号后，通过输入到运算放大单元和包络检波单元进行预处理，再经过所述的模数转换单元到偏压控制单元通过幅值提取或计算FFT以实现信号特征的提取并进行电压反馈输出，反馈信号经过数模转换单元输出到双平行马赫-曾德尔调制器的偏置电压输入端。
利用上述的装置和方法可实现多调制格式兼容的信号调制，并且可提高偏压误差信号检测精度。
以下是实现多体制调制发射的偏压控制方法。
QPSK信号调制包括以下步骤：
S1、在RF1、RF2上加载经射频驱动单元放大的调制信号；
S2、固定Q路、P路偏置电压为0，对I路进行偏置电压粗扫描，即在DC1偏置电压端从-15V按较大步进扫到+15V，找到反馈信号功率最大的点，记录找到的最大值点VI0，扫描完毕置I路的电压为VI0；
S3、固定I路电压为VI0，P路电压为0，对Q路进行偏置电压粗扫描，即在DC2偏置电压端从-15V按较大步进扫到+15V，找到反馈信号功率最大的点，记录找到的最大值点VQ0，扫描完毕置Q路的电压为VQ0；
S4、固定I路、Q路偏置电压为VI0、VQ0，并在I、Q两路加载正交、低频扰动信号，DC1＝VI0+DI、DC2＝VQ0+V0*sin2πf0t，再对P路进行偏置电压的扫描从-10V按较大步进扫到+10V，对数模转换单元输入信号进行FFT计算，找到扰动信号的二次谐波(2f0)最小的值，记录找到的电压值VP0，扫描完毕置Q路的电压为VP0，完成粗扫环节，进入精控环节；
其中，VI0和VQ0分别是加载在DC1和DC2的直流偏置电压，V0*cos2πf0t和分别是V0*sin2πf0t加载在DC1和DC2的正交低频扰动信号，V0是低频扰动信号的幅值，f0是扰动信号的频率。
S5、固定I路偏置电压为VI0，Q路偏置电压为VQ0，P路偏置电压为VP0，进入I路精控，I路加载扰频信号，并且进行梯度搜索，DC1＝VI0`+V0*cos2πf0t，其中VI0`＝VI0、VI0`＝VI0+VΔ、VI0`＝VI0-VΔ，分三次找ADC输入信号经过FFT后扰动信号一次谐波f0最小的点，上述VΔ为左右试探电压的步进，若往一个方向走则继续，即偏置电压加VΔ后计算得一次谐波为最小，则继续加VΔ；减VΔ后计算得一次谐波为最小，则继续减VΔ；若加VΔ和减VΔ后，计算均比VI0大，则保持在VI0不变，记录找到拐点处的VI0`值；
S6、固定I路偏置电压为VI0`，Q路偏置电压为VQ0，P路偏置电压为VP0，进入Q路精控，Q路加载扰频信号，并且进行梯度搜索，DC2＝VQ0`+V0*sin2πf0t，其中VQ0`＝VQ0、VQ0`＝VQ0+VΔ、VQ0`＝VQ0-VΔ，分三次找ADC输入信号经过FFT后扰动信号一次谐波f0最小的点，上述VΔ为左右试探电压的步进，若往一个方向走则继续，即偏置电压加VΔ后计算得一次谐波为最小，则继续加VΔ；减VΔ后计算得一次谐波为最小，则继续减VΔ；若加VΔ和减VΔ后，计算均比VQ0大，则保持在VQ0不变，记录找到拐点处的VQ0`值；
S7、固定I路、Q路偏置电压为VI0`、VQ0`，并在I、Q两路加载正交、低频扰动信号，DC1＝VI0`+V0*V0*cos2πf0t、DC2＝VQ0`+V0*sin2πf0t，DC3＝VP0`，其中VP0`＝VP0、VP0`＝VP0+VΔ、VP0`＝VP0-VΔ，分三次找ADC输入信号经过FFT后扰动信号一次谐波f0最小的点，上述VΔ为左右试探电压的步进，若往一个方向走则继续，即偏置电压加VΔ后计算得一次谐波为最小，则继续加VΔ；减VΔ后计算得一次谐波为最小，则继续减VΔ；若加VΔ和减VΔ后，计算均比VP0大，则保持在VP0不变，记录找到拐点处的VP0`值；
S8、重复上述步骤S5～S7；
BPSK信号调制包括以下步骤：
完成上述步骤S1～S4后，去除双平行马赫-曾德尔调制器射频信号输入端RF2上的调制信号，仅加载一路调制信号在RF1上，继续进行上述步骤S5～S8即可完成BPSK信号的调制。
OOK信号调制包括以下步骤(此模式下保持VP0＝0不变)：
A1、在RF1路上加载调制信号，RF2没有输入。固定Q路、P路偏置电压为0，对I路进行偏置电压粗扫描，即在DC1偏置电压端从-15V按较大步进扫到+15V，找到模数转换单元输入信号最大的点和最小点，记录找到的最大值MAX，其对应的偏置电压VIMAX，以及最小值MIN，其对应的偏置电压VIMIN。再次扫描，DC1从+15V回扫到-15V，找到反馈信号最接近1/2(MIN+MAX)位置的电压值，记为VI0，扫描完毕置I路的电压为VI0；
A2、固定I路电压为VI0，P路电压为0，对Q路进行偏置电压粗扫描，即在DC2偏置电压端从-15V按较大步进扫到+15V，找到反馈信号最小的点，记录找到的最小值点VQ0，扫描完毕置Q路的电压为VQ0；
A3、固定I路偏置电压为VI0，Q路偏置电压为VQ0，P路偏置电压为0，进入I路精控，I路加载扰频信号，并且进行梯度搜索，DC1＝VI0`+DI，其中VI0`＝VI0、VI0`＝VI0+VΔ、VI0`＝VI0-VΔ，分三次找ADC输入信号经过FFT后扰动信号一次谐波f0最大的点，上述VΔ为左右试探电压的步进，若往一个方向走则继续，即偏置电压加VΔ后计算得一次谐波为最大，则继续加VΔ；减VΔ后计算得一次谐波为最大，则继续减VΔ；若加VΔ和减VΔ后，计算均比VI0小，则保持在VI0不变，记录找到拐点处的VI0`值；
A4、固定I路偏置电压为VI0`，Q路偏置电压为VQ0，P路偏置电压为VP0，进入Q路精控，Q路加载扰频信号，并且进行梯度搜索，DC2＝VQ0`+V0*sin2πf0t，其中VQ0`＝VQ0、VQ0`＝VQ0+VΔ、VQ0`＝VQ0-VΔ，分三次找ADC输入信号经过FFT后扰动信号一次谐波f0最小的点，上述VΔ为左右试探电压的步进，若往一个方向走则继续，即偏置电压加VΔ后计算得一次谐波为最小，则继续加VΔ；减VΔ后计算得一次谐波为最小，则继续减VΔ；若加VΔ和减VΔ后，计算均比VQ0大，则保持在VQ0不变，记录找到拐点处的VQ0`值；
A5、重复上述步骤A3～A4。
与现有技术相比，本发明的优点在于
1)本发明采用基于功率检测的偏压控制方法和基于导频信号检测的偏压控制方法，分别应用于偏压控制的粗扫描与精跟踪。粗扫描部分先找到一组大致的偏置工作点，跟踪部分在粗扫描的基础上采用梯度下降法实时跟踪迭代，找到最佳偏置电压点。
2)此发明相较于传统的射频通信的方式采用光模块调制激光信号的激光通信方式，避免了射频波段的电磁波方向性差、通信速率低、保密性差等劣势，实现了保密性强、高速率的星间激光通信。
3)本发明采用同一个发射装置分时实现QPSK、BPSK和OOK的调制，使得该激光通信系统装置的体积大大减小，提高了系统的灵活性。
4)此发明装置可适用于10Mbps、20Mbps的OOK调制；312.5Mbps、625Mbps、1.25Gbps、2.5Gbps的BPSK调制和5Gbps的QPSK调制，实现了多种调制体制兼容、多档速率可切换的偏压控制装置。
附图说明
图1为本发明多体制兼容调制发射装置的结构框图。
图2为本发明多体制兼容调制发射装置所使用的偏置电压自动闭环反馈控制方法流程图。
图中：窄线宽激光器(1)、双平行马赫-曾德尔调制器(2)、光耦合器(3)、两个射频驱动单元(4)、两个信号发生单元(5)、光电转换单元(6)、运算放大器单元(7)、包络检波单元(8)以及自动偏压控制偏置输出单元(9)；其中，所述自动偏压控制偏置输出单元包括：模数转换单元(10)、扰频信号发生单元(11)、偏压控制单元(12)和数模转换单元(13)。
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是本发明多体制兼容调制发射装置的示意图，由图可见一种多体制兼容发射装置，包括：窄线宽激光器1、双平行马赫-曾德尔调制器2、光耦合器、两个射频驱动单元、两个信号发生单元、光电转换单元、运算放大器单元、包络检波单元以及自动偏压控制偏置输出单元；其中，所述自动偏压控制偏置输出模块6包括：模数转换单元、扰频信号发生单元、偏压控制单元和数模转换单元；
窄线宽激光器输出的光通过光纤进入双平行马赫-曾德尔调制器，通过Y型波导结构被分成两路送入双平行马赫-曾德尔调制器的两臂(上下支路)，其中，上支路包含一个子MZM；下支路包含一个子MZM和一个相位调制器。之后，通过一个Y型波导合束至双平行马赫-曾德尔调制器光输出端输出。
设双平行马赫-曾德尔调制器的输入光场信号为Ein：
Ein＝E0exp(j2πft)
式中：E0为光场幅度；f为光载波频率；t为时间。
为了方便分析，假设双平行马赫-曾德尔调制器Y型结构处光功率分配为理想的情况，即分配比例为1：1。那么，双平行马赫-曾德尔调制器的输出光场表达式为
式中：Vπ是调制器的半波电压；uI(t)、uQ(t)、uP分别为I路、Q路和P路的驱动信号，由调制信号、直流偏置和扰频信号组成，表示为
式中：是射频口所加的调制信号；/>和/>为I路、Q路和P路电极上加的直流偏置；/>为I路、Q路直流偏置上所加的正交扰动信号；Vdither为扰动信号的幅值；f0为扰动信号的频率。
因此，双平行马赫-曾德尔调制器的输出光功率可表示为
式中：Pin为输入光功率；分别是I路、Q路和P路，上、下两臂直流偏置施加在铌酸锂晶体上所产生的相位差。
由上式可以看出，在不加扰频信号和调制信号的情况下，即 当/>为π的奇数倍时，MZM1和MZM2上、下两臂的相位差为π，此时的光功率最小；当/>为π的偶数倍时，MZM1和MZM2上、下两臂的相位差为2π，此时的光功率最大。对于单个MZM，当驱动电压在Vπ的半波电压变化时，EOM的输出光功率随着驱动电压是单调变化的，当调制器工作在最大工作点(MAX)时，输出光功率为最大值；当调制器工作在最小工作点(NULL点)时，输出光功率为最小值，此时调制器获得最大的消光比。直流功率检测法依据上述原理，通过光电转换单元将光信号转换为电信号直流分量进行检测。
为了提高扰频信号信噪比，在偏压控制单元进行FFT计算时，由于扰频频谱有一定的带宽，所以选择3个频点进行比较，分别是中心频点和左右两个频点，可以更好的还原检测频点扰频信号的幅值分量。
双平行马赫-曾德尔调制器输出的光信号经过耦合器，将部分光信号作为反馈信号输入进闭环控制环路，通过有包络检波和无包络检波的运算放大电路输出的反馈控制信号可通过修改偏压控制单元读取接口的不同进行分析比较。
通过发射固定的伪随机码，使用相干接收机测量光信号输出的误差矢量幅度(EVM)，该参数可反映信号的调制质量和信噪比，进而评价整个系统的性能。
Claims (8)
1.一种多体制兼容调制发射装置，其特征在于，包括：窄线宽激光器(1)、双平行马赫-曾德尔调制器(2)、光耦合器(3)、两个射频驱动单元(4)、两个信号发生单元(5)、光电转换单元(6)、运算放大器单元(7)、包络检波单元(8)以及自动偏压控制偏置输出单元(9)；其中，所述自动偏压控制偏置输出单元包括：模数转换单元(10)、扰频信号发生单元(11)、偏压控制单元(12)和数模转换单元(13)；
所述窄线宽激光器(1)的输出端与双平行马赫-曾德尔调制器(2)的光输入端连接；所述光耦合器(3)的输入端与双平行马赫-曾德尔调制器(2)的光输出端连接，光耦合器(3)的两个光输出端为95：5的分光比，分别作为信号输出端和信号反馈端，信号输出端留作发射信号使用；信号反馈端与光电转换单元(6)相连，作为偏压控制反馈信号输入；所述信号发生单元(5)的输出端与射频驱动单元(4)的输入端连接；所述射频驱动单元(4)的输出端与双平行马赫-曾德尔调制器(2)的射频输入端RF连接；所述光电转换单元(6)的输出端与运算放大器单元(7)的输入端和包络检波单元(8)的输入端连接；所述模数转换单元(10)的输入端与运算放大器单元(7)的输出端和包络检波单元(8)的输出端连接；所述偏压控制单元(12)的输入端与模数转换单元(10)的输出端连接；所述数模转换单元(13)的输入端与偏压控制单元(12)的输出端连接；所述数模转换单元(13)的输出端与双平行马赫-曾德尔调制器(2)的偏置电压输入端DC连接；所述扰频信号发生单元(11)的输出通过加法器与数模转换单元(13)的输出一同加载到双平行马赫-曾德尔调制器(2)的偏置电压输入端DC1和DC2，并且加载的扰频信号相位相差90°；所述偏压控制单元(12)主要作为算法控制和数字信号处理的作用，并且控制扰频信号发生单元的输出以及信号发生单元的输出；
在发射光路中，所述的信号发生单元(5)产生所需的调制电信号经射频驱动单元(4)后调制到所述的双平行马赫-曾德尔调制器(2)，双平行马赫-曾德尔调制器(2)输出的部分光信号经过光电转换单元(6)转换为电信号后，通过输入到运算放大单元(7)和包络检波单元(8)进行预处理，再经过所述的模数转换单元(10)到偏压控制单元(12)通过幅值提取或计算FFT以实现信号特征的提取并进行电压反馈输出，反馈信号经过数模转换单元(13)输出到双平行马赫-曾德尔调制器(2)的偏置电压输入端。
2.根据权利要求1所述的多体制兼容调制发射装置，其特征在于，所述的双平行马赫-曾德尔调制器(2)外部端口包括：一个光输入端、一个光输出端，三个偏置电压输入端DC1、DC2和DC3，两个射频输入端RF1和RF2；内部光波导结构包括：两个马赫-曾德尔调制器(MZM)和一个相位调制器(PM)，上支路MZM为I路，下支路MZM为Q路，P路用于控制上下支路的相位差。
3.根据权利要求1所述的多体制兼容调制发射装置，其特征在于，采用闭环反馈控制系统，即确定自动偏压控制偏置输出单元(9)的偏置电压初始化扫描范围和扫描步进，通过对I路、Q路和P路对应的直流偏置电压进行实时检测和控制，从而补偿由温度、调制器结构不理想引起的偏置点漂移。
4.根据权利要求3所述的多体制兼容调制发射装置，其特征在于，所述确定自动偏压控制偏置输出单元(9)的偏置电压初始化扫描范围为-15V～15V；扫描步进为0.1Vπ。
5.根据权利要求1所述的多体制兼容调制发射装置，其特征在于，所述的扰频信号发生单元(11)产生两路低频、正交扰动信号分别加载在所述平行马赫-曾德尔调制器(2)的偏置电压输入端DC1和DC2上，其中，扰动信号DI＝Acos(2πfpilott)、DQ＝Asin(2πfpilott)，A＝0.01～0.1Vπ是扰频信号幅值，fpilot＝3kHz是扰频频率，t为时间。
6.根据权利要求1所述的多体制兼容调制发射装置，其特征在于，所述的运算放大器单元(7)的输出作为反馈控制信号经模数转换单元(10)输入到偏压控制单元(12)进行数字信号处理；所述的包络检波单元(8)的输出作为反馈控制信号经模数转换单元(10)输入到偏压控制单元(12)进行数字信号处理；运算放大器单元(7)用于对P路的反馈信号的放大，P路检测的是扰频信号的二次谐波分量；所述包络检波单元(8)用于消除I路和Q路的高频调制信号的影响，提高反馈信号的检测精度。
7.根据权利要求1所述的多体制兼容调制发射装置，其特征在于，所述信号发生单元(5)产生射频调制信号受偏压控制单元(12)控制，进行QPSK调制时产生两路信号经射频驱动单元放大输出到RF1、RF2上；进行BPSK、OOK调制时，仅产生一路信号经射频驱动单元放大输出到RF1上。
8.根据权利要求7所述的多体制兼容调制发射装置，其特征在于，所述调制步骤分为I路粗扫、Q路粗扫、P路粗扫、I路精控、Q路精控和P路精控。首先，使用基于功率检测法的粗扫将I、Q、P三路的电压固定在工作点附近。然后，进入跟踪环节，使用分时加扰的方式进行扰频信号的检测，在QPSK和BPSK调制中，控制I路时，在I路加入扰频信号，控制I路电压使得一次扰频最小；控制Q路时，在Q路加入扰频信号，控制Q路电压使得一次扰频最小；控制P路时,在I、Q两路同时加入正交的扰频信号，控制P路电压使得二次扰频最小。在OOK调制中，控制I路时，在I路加入扰频信号，控制I路电压使得一次扰频最大；控制Q路时，在Q路加入扰频信号，控制Q路电压使得一次扰频最小。
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