CN205610652U - 基于光频率梳的超高速空间相干光通信系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于光频率梳的超高速空间相干光通信系统。该系统首先利用光频率梳发生器及光频率梳放大整形单元产生多波长自相关光源，将多路高速通信电信号调制到上述光源形成多波长自相关高速二进制相移键控(BPSK)相干光信号，利用波分复用器复用成超高速光信号，通过光学天线空间耦合发射，经过星间、星地长距离空间传输后被接收单元接收。本实用新型解决了多个独立的激光器作为光源存在载波不易协调同步，接收端激光器光源波长、线宽和相位的稳定性难控制等问题，并且结构简单，降低了推广难度。
Description
技术领域
本实用新型属于空间激光通信领域。涉及空间激光通信系统超高速信号产生和相干接收的实现方法。
背景技术
空间激光通信由于具有通信容量大、方向性好、尺寸小、体积和功耗小等优点，目前已成为空间通信领域的重要研究课题。随着卫星数据的爆炸性增长，针对高速率、长距离的星间、星地光通信系统，利用高阶调制格式和光复用方式结合的技术手段已成为非常有效的解决方案。现有的空间激光通信大都采用强度调制、直接探测的方式进行通信，光波在空间中传播时，由于受到日光、月光、星光、大气和海水散射等杂散光的影响，探测信号中夹杂着很强的背景噪声，将增大通信的误码率，降低通信质量。
相干光通信体制具有极强的波长选择性，可利用频域多信道复用提高通信速率，是实现超高速率通信有效手段。波长选择性即窄带滤波特性使得相干通信机对宽带背景光的敏感程度大大降低，受太阳背景、地球背景和其它星光背景的影响极小。德国激光通信终端TerraSAR-X搭载一个通信速率为5.625Gbps二进制相移键控(BPSK)调制的激光通信终端(LTC)，实现星间激光通信和星地激光通信，并实时传输合成孔径雷达上的数据。实验证明相干光通信系统相比于强度调制直接探测的激光通信系统，系统的接收灵敏度提高至最佳探测灵敏度10-9的误码率条件下，9个光子/bit，支持长距离的星间星地传输，并且使通信质量显著地提高，有效解决了星间、星地长距离卫星通信的探测灵敏度瓶颈问题。
波分复用(WDM)技术是指多路的电信号通过电光调制加载到不同波长的光波上，光信号再通过合波器复合后，通过同一链路传输的一种通信技术。波分复用技术充分利用激光通信带宽，有效提高信息速率和信道容量。波分复用技术作为一种简单而又成熟的复用技术解决空间通信的信息容量瓶颈问题，可实现海量数据传输，在天基信息网络、信息攻防和空间目标监视中发挥重要而独特的作用，是一种极具前景的通信方式。
在波分复用的相干接收系统中，高性能的相干探测系统需要信号激光源和本振激光源应具有极高的稳定性以及严格的相对相位关系保障两个光场的相干性，这是相干探测技术的难点和关键技术之一。传统的多信道光源为激光器阵列，对于每一个波长信道，都将采用一个激光器作为光源对数据信号进行调制，同时在接收端会采用相同数量的同波长激光器、光90度混频器、光电平衡探测器与接收到的光信号进行相干解调完成接收的过程。目前已有方案中，每个波长信道都需要两个波长相同的光源完成发送和接收的功能，极大增加了整个系统对激光器数量的需求，接收端还需多个光90度混频器、光电平衡探测器，存在系统结构复杂，成本较高等缺点。此外，多个独立的激光器作为光源存在载波不易协调同步，接收端激光器光源波长、线宽和相位的稳定性极大的限制了其相干接收的性能，成为发展超高速、高灵敏度空间相干光通信的技术瓶颈。
实用新型内容
在相位调制的空间相干光通信系统中，发射端激光器光源和接收端的本振激光器光源需要多个独立的激光器作为光源存在载波不易协调同步，激光器光源波长、线宽和相位的稳定性难控制等问题。同时，接收端使用光学锁相环的功能是从接收端输入受噪声干扰的接收信号中再生相位，跟踪信号光相位随时间的变化，调谐控制本振激光器与信号激光器的相位进行锁定，以实现本振光与信号光的相位相干在90度混频器中相干解调。
在卫星通信系统中，BPSK光接收机使用锁相单元进行相位控制与相位跟踪在高轨卫星之间相干光通信，由于卫星通信对象之间的相对运动产生多普勒效应，而导致信号光与本振光的频率差是一个随机值，而不是解调需要的固定值。所以必须对由于卫星相对运动引起的多普勒频移通过扫频器和频率补偿器对多普勒频移进行实时的估计和补偿。
本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于光频率梳的超高速空间光通信方法和系统，该方法基于光频率梳发生器及光频率梳法大整形单元产生高质量自相关光源，产生了多波长相位同步的激光光源，为超高速空间光通信系统信号产生和高灵敏度弱信号相干接收的提供有效方法。
本实用新型采取的技术方案如下：
基于光频率梳的超高速空间相干光通信的系统，其特征在于：包括多波长自相关光源产生单元、超高速相干光信号产生单元和接收单元；
多波长自相关光源产生单元包括依次相连的激光器、光频率梳产生器和光频率梳放大整形单元；激光器用于向光频率梳产生器提供单波长激光光源，光频率梳产生器用于将单波长激光转换为相位同步的多波长激光光源；光频率梳放大整形单元将多波长激光光源的功率进行放大整形为功率相等的多波长激光；
超高速相干光信号产生单元包括光解复用器A、电光调制器组、光复用器、光放大器和光学发射天线，电光调制器组包括m个电光调制器；
接收单元包括光学接收天线、光90度混频器、光解复用器B、本振光源单元、光学锁相环支路和m个通信信号处理支路；
光解复用器A包括m个输出端，m个输出端和用户的m个高速通信电信号分别与所述m个电光调制器的输入端相连；m个电光调制器输出m个高速相干光信号；
m个电光调制器的输出端均与光复用器的输入端相连，光复用器的输出端通过光放大器与光学发射天线相连，光学发射天线通过大气信道依次与光学接收天线和光90度混频器相连；
其中，电光调制器将相应的激光和高速的用户通信电信号调制为高速相干光信号、并发送至光复用器；光复用器将高速相干光信号复用为超高速相干光信号，并依次通过光放大器、光学发射天线发送至空间，经过长距离的星间、星地传输后被光学接收天线接收并发送至光90度混频器；
通信信号处理支路包括1条支路A和m-1条支路B，支路A包括第一平衡探测器、功分器、滤波器和时钟恢复单元；功分器是1×2功分器；支路B包括第一平衡探测器、滤波器和时钟恢复单元；
所述光学锁相环支路包括依次相连的第二平衡探测器、乘法器、锁相单元、扫频器和多普勒补偿器；多普勒补偿器与所述本振光源单元相连；
所述支路A中，第一平衡探测器与功分器的输入端相连，功分器的两个输出端分别为第一输出端和第二输出端，第一输出端与乘法器相连，第二输出端通过滤波器与时钟恢复单元相连；支路B中，第一平衡探测器通过滤波器与时钟恢复单元相连；
所述光解复用器B有4个，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；
光学接收天线用于将光信号耦合进光90度混频器；本振光源单元与光90度混频器相连，用于向光90度混频器提供与光信号对应的本振光；
光90度混频器用于将接收到的光信号解调为相位分别为同相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；
光解复用器B包括m个输出端，第一光解复用器和第二光解复用器的m个输出端分别与m个通信信号处理支路的第一平衡探测器相连；
第三光解复用器的一个输出端和第四光解复用器的一个输出端分别与所述第二平衡探测器相连。
第三光解复用器和第四光解复用器的其他输出端用于将相应的光信号输出至外部环境。
上述光频率梳放大整形单元是基于相位敏感或相位不敏感光纤参量的放大整形单元。
上述电光调制器为铌酸锂电光调制器，InP基半导体电光调制器。
上述滤波器是低通频滤波器。
上述光复用器是波分复用器。
上述本振光源单元的结构与多波长自相关光源产生单元的结构相同；所述多普勒补偿器与本振光源单元的激光器相连，用于补偿超高速相干光信号产生单元和接收单元之间相对运动产生的多普勒效应；本振光源单元的光频率梳放大整形单元与光90度混频器相连。
利用上述系统实现超高速空间相干光通信的方法，包括以下步骤：
(1)将频率为fi的单波长激光转换为相位同步的多波长激光；其中，多波长激光包括m个波长的激光；
(2)将多波长激光的功率进行整体放大成功率相等的多波长激光；
(3)将经过步骤(2)得到的多波长激光解复用为m个独立的激光；
(4)将用户的高速通信电信号加载到相应的激光调制为高速相干光信号；
(5)将高速相干光信号复用为超高速相干光信号，然后通过光放大器放大后通过发射天线进入大气信道进行传输后由接收天线接收、并发送至光90度混频器，同时本振光源单元向光90度混频器输入本振光；然后光90度混频器将接收到的光信号解调为相位分别为同相的0°、180°和正交的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；
(6)第一光解复用器和第二光解复用器将同相超高速混频光信号解复用为m个独立的同相高速混频光信号，然后对同相高速混频光信号进行如下处理：
通过第一光解复用器的一个输出端和第二光解复用器的一个输出端将频率为fi的同相高速混频光信号发送至第一平衡探测器；第一平衡探测器将同相高速混频光信号转换为同相高速混频电信号、并发送至功分器；功分器通过第一输出端将同相高速混频电信号发送至乘法器；通过第二输出端将同相高速混频电信号发送至滤波器进行滤噪，然后通过时钟恢复系统还原成原始的高速通信电信号；
其他包含m-1个频率为f1、f2…、fi-1，fi+1、…、fm的同相高速混频光信号通过第一光解复用器的其他输出端和第二光解复用器的其他输出端发送至第一平衡探测器；第一平衡探测器将同相高速混频光信号转换为同相高速混频电信号、直接发送至滤波器进行滤噪，然后通过时钟恢复系统还原成原始的m-1个高速通信电信号；
第三光解复用器和第四光解复用器将正交超高速混频光信号解复用为m个独立的正交高速混频光信号，并通过第三光解复用器的一个输出端和第四光解复用器的一个输出端将频率为fi的正交高速混频光信号发送至第二平衡探测器，第二平衡探测器将正交高速混频光信号转换为正交高速混频电信号，然后发送至乘法器；
乘法器提取接收到的电信号的相位误差信息、并将相位误差信息发送至锁相单元，锁相单元根据相位误差信息调谐控制本振光源单元与输入至光90度混频器的光信号的相位进行同步锁定；
第三光解复用器和第四光解复用器的其他m-1个输出端将相应的光信号输出至外部环境。
光解复用器A、光解复用器B、光复用器以及所述步骤(1)中的多波长激光的频率间隔为50GHz或100GHz。
步骤(4)中的高速相干光信号为BPSK相干光信号。
本实用新型的优点：
能够实现星间、星地超高速、超长距离的高灵敏度光通信，用于接收到的极弱信号的相干探测；
同时解决现有波分复用技术超高速卫星间相干光通信方法和系统中激光器、光90度混频器、光电平衡探测器数量数目较多，系统结构复杂成本较高等问题；
能够解决多个独立的激光器作为光源存在载波不易协调同步，激光器光源波长、线宽和相位的稳定性难控制等问题；
本实用新型利用光频率梳发生器及光频率梳法大整形单元产生高质量多波长自相关光源，作为发射端载波光源和接收端的本振光源可以解决上述难题，并且结构简单，易于推广。
附图说明
图1为多波长自相关光源产生单元框图；
图2为(a)单泵浦(b)双泵浦光频率梳光纤光参量放大整形图；
图3是超高速相干光信号产生单元流程框图；
图4是接收单元框图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型进行说明：
基于光频率梳的超高速空间相干光通信的系统，包括多波长自相关光源产生单元、超高速相干光信号产生单元和接收单元；
(1)多波长自相关光源产生单元
如图1所示，多波长自相关光源产生单元包括依次相连的激光器、光频率梳产生器和光频率梳放大整形单元；
激光器将频率为fi的单波长激光发送至光频率梳产生器转换为相位同步、频率间隔固定Δf(50GHz)的多波长激光，波长范围覆盖C波段(1530nm-1565nm可覆盖80个子通道)，由于产生的多波长激光的光功率以频率fi为中心向两面递减，并发送至光频率梳放大整形单元；在光频率梳放大整形单元里，通过对光频率梳在高非线性光纤(HNLF)中进行相位敏感或相位不敏感光纤参量放大过程的放大整形后提高了光频率梳平坦度和信噪比，光频率梳对应的m个频率功率被放大成基本相同，如图2(a)所示，单泵浦光纤参量放大后光频率梳对应的m个频率的功率被整体被放大成基本相等，光频率梳平坦度大幅提高。如图2(b)所示，双泵浦光纤参量放大后光频率梳对应的m个功率被整体被放大成基本相同，同时根据双泵浦光位置间隔，光频率梳覆盖的光谱宽度可以被进一步的调整。
利用相位敏感光纤参量放大结构需要对信号光、泵浦光、闲频光进行相位锁定，放大整形后的比相位不敏感光纤参量放大结构产生的光频率梳光信噪比提升6dB。通过光纤光参量放大过程对光频率梳进行放大整形，得到m个相邻频率间隔Δf(50GHz)高平坦度、高光信噪比、光谱宽度可控的相位同步的m个多波长相关光源，并将多波长激光发送至光解复用器；
(2)超高速相干光信号产生单元
如图3所示，光解复用器A将多波长激光通过频率间隔为Δf(50GHz)波分解复用器解复用为m个频率间隔为Δf(50GHz)频率分别为f1、f2…、fi-1、fi、fi+1、…、fm的激光作为载波光源、并发送至相应的高速铌酸锂(LiNbO3)电光调制器；设电光调制器的输入为则其输出为其中，Vπ为半波电压，在此电压作用下光波的相位变化为π，调制电压V(t)为双电平信号时，即可实现BPSK高速调制。将m路多波长的激光和高速的用户通信电信号调制为BPSK高速相干光信号、并发送至光复用器；光复用器将多波长高速BPSK相干光信号高速相干光信号复用为速率乘以m倍的超高速相干光信号，并依次通过光放大器、光学发射天线发送至空间。
BPSK调制技术应用于高速率传输通信系统中，利用调制信号携带的相位信息对载波的相位进行调制，通常默认将码元“1”和“0”用0和π表示。因此，BPSK信号的表示为
eBPSK(t)＝A cos(ω0t+φn)，
式中，φn表示第n个符号的绝对相位。
(3)超高速相干信号接收单元
光学天线接收的超高速相干光信号，与基于光频率梳发生器产生的本振光源输入光90度混频器中相干解调成同相和正交的四路信号，利用四个波分解复用器转换成四路多波长相关高速相干光信号。然后被两组光电平衡探测器，分别转换成同相位和正交相位的电信号。中心波长对应的同相信号被分为两部分，一部分和中心波长对应的正交相位电信号进入乘法器后，得到相位误差信号，作为判决反馈锁相环的控制输入信号，控制本振光源去完成光锁相。另一部分与其他波长的同相信号分别进行数据判决恢复高速通信电信号。其他波长对应的正交信号输出至外部环境。
具体如下：
本振光源单元向光90度混频器提供与光信号对应的多波长本振光，将接收到的超高速相干光信号解调为相位分别为同相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；
如图4所示，上述超高速相干光信号经过星间(或星地)长距离传输后被空间站(或地面站)光学天线空间接收，与上述(1)相同结构产生的本振光源单元向光90度混频器提供与光信号对应的多波长本振光，输入到90度混频器中进行对超高速BPSK光信号的相干解调成相位分别为同相0°、180°和正交90°、270°四路超高速混频光信号，四路光信号分别被四个频率间隔为Δf(50GHz)包括m个输出端的第一光解复用器、第二光解复用器、第三光解复用器和第四光解复用器解调成四路分别包含m个频率间隔为Δf(50GHz)的高速多波长同步的光信号f1、f2…、fi-1，fi、fi+1、…、fm。
第一光解复用器和第二光解复用器将同相超高速混频光信号解复用为m个独立的同相高速混频光信号，并通过相应的输出端发送至第一平衡探测器；其中一路同相高速混频光信号分为两支：一支进入通信信号处理支路，另一支进入光学锁相环支路，其他路的同相高速混频光信号均进入通信信号处理支路。
对同相高速混频光信号进行如下处理：
如图4，通过第一光解复用器的一个输出端和第二光解复用器的一个输出端将频率为fi的同相高速混频光信号发送至第一平衡探测器；第一平衡探测器将同相高速混频光信号转换为同相高速混频电信号、并发送至功分器；功分器通过第一输出端将同相高速混频电信号发送至乘法器；通过第二输出端将同相高速混频电信号发送至滤波器进行滤噪，然后通过时钟恢复系统还原成原始的高速通信电信号；
其他包含m-1个频率为f1、f2…、fi-1，fi+1、…、fm的同相高速混频光信号通过第一光解复用器的其他输出端和第二光解复用器的其他输出端发送至第一平衡探测器；第一平衡探测器将同相高速混频光信号转换为同相高速混频电信号、直接发送至滤波器进行滤噪，然后通过时钟恢复系统还原成原始的m-1个高速通信电信号；
第三光解复用器和第四光解复用器将正交超高速混频光信号解复用为m个独立的正交高速混频光信号，并通过第三光解复用器的一个输出端和第四光解复用器的一个输出端将频率为fi的正交高速混频光信号发送至第二平衡探测器，第二平衡探测器将正交高速混频光信号转换为正交高速混频电信号，然后发送至乘法器；
乘法器提取接收到的电信号的相位误差信息、并将相位误差信息发送至锁相单元，作为判决反馈锁相环的控制输入信号，锁相单元根据相位误差信息调谐控制本振光源单元与输入至光90度混频器的光信号的相位进行同步锁定。
由于波长之间相关性m-1个信号不需要再对多波长本振光光源进行锁相控制，与被频率fi锁相的本振光光源和m-1个光信号保持相位同步，所以其他支路路正交信号无需分别锁相控制，直接输出至外部环境，极大简化接收端的系统结构。
Claims (6)
1.基于光频率梳的超高速空间相干光通信的系统，其特征在于：包括多波长自相关光源产生单元、超高速相干光信号产生单元和接收单元；
多波长自相关光源产生单元包括依次相连的激光器、光频率梳产生器和光频率梳放大整形单元；激光器用于向光频率梳产生器提供单波长激光光源，光频率梳产生器用于将单波长激光转换为相位同步的多波长激光光源；
超高速相干光信号产生单元包括光解复用器A、电光调制器组、光复用器、光放大器和光学发射天线，电光调制器组包括m个电光调制器；
接收单元包括光学接收天线、光90度混频器、光解复用器B、本振光源单元、光学锁相环支路和m个通信信号处理支路；
光解复用器A包括m个输出端，m个输出端和用户的m个高速通信电信号分别与所述m个电光调制器的输入端相连；
m个电光调制器的输出端均与光复用器的输入端相连，光复用器的输出端通过光放大器与光学发射天线相连，光学发射天线通过大气信道依次与光学接收天线和光90度混频器相连；
通信信号处理支路包括1条支路A和m-1条支路B；支路A包括第一平衡探测器、功分器、滤波器和时钟恢复单元；功分器是1×2功分器；支路B包括第一平衡探测器、滤波器和时钟恢复单元；
所述光学锁相环支路包括依次相连的第二平衡探测器、乘法器、锁相单元、扫频器和多普勒补偿器；多普勒补偿器与所述本振光源单元相连；
所述支路A中，第一平衡探测器与功分器的输入端相连，功分器的两个输出端分别为第一输出端和第二输出端，第一输出端与乘法器相连，第二输出端通过滤波器与时钟恢复单元相连；支路B中，第一平衡探测器通过滤波器与时钟恢复单元相连；
所述光解复用器B有4个，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；
光学接收天线用于将光信号耦合进光90度混频器；本振光源单元与光90度混频器相连，用于向光90度混频器提供与光信号对应的本振光；
光90度混频器用于将接收到的光信号解调为相位分别为同相的0°、180°和正交的90°、270°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；
光解复用器B包括m个输出端，第一光解复用器和第二光解复用器的m个输出端分别与m个通信信号处理支路的第一平衡探测器相连；
第三光解复用器的一个输出端和第四光解复用器的一个输出端分别与所述第二平衡探测器相连；
第三光解复用器和第四光解复用器的其他输出端用于将相应的光信号输出至外部环境。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述光频率梳放大整形单元是基于相位敏感或相位不敏感光纤参量的放大整形单元。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：所述电光调制器为铌酸锂电光调制器或InP基半导体电光调制器。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：所述滤波器是低通频滤波器。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述光复用器是波分复用器。
6.根据权利要求1至5任一所述的系统，其特征在于：本振光源单元的结构与多波长自相关光源产生单元的结构相同；所述多普勒补偿器与本振光源单元的激光器相连，用于补偿超高速相干光信号产生单元和接收单元之间相对运动产生的多普勒效应；本振光源单元的光频率梳放大整形单元与光90度混频器相连。
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