相干光通信系统锁相环的研究

相干光通信系统锁相环的研究

0相干光通信技术卫星通信技术作为未来空间通信领域的重要组成部分，成为促进社会进步、提高人类生活水平的重要力量。目前，随着对卫星通信研究的逐渐深入，人们对大数据量、高速率、高可靠性传输的需求日益提高。因此，以激光为信息载体的星间激光通信技术进入了人们的视线并且成为了发展的必然产物。目前很多国家实现了基于强度调制/直接探测方式的激光通信系统，但是这种调制解调方式的传输速率和探测灵敏度有限，而相干光通信技术可以实现数据的高速传输同时还有很高的探测灵敏度，因此相干光通信技术成为了目前的研究热点虽然相干光通信相比于于传统光通信有很多优点，但是它也不可避免的存在一些不足的地方。目前，LEO和GEO间数据传输的视距链接是目前存在的一个重要问题本文通过对基于科斯塔斯锁相环的光学锁相环路进行了理论分析，建立了其数学模型，并且根据理论分析设计了基于科斯塔斯锁相环的光学锁相环路。最后通过实验对锁相环路的载波恢复性能进行了测试，结果表明当信号光采用BPSK调制时，系统具有较好的误码性能。1科斯塔斯锁相环的近似线性模型图1为基于科斯塔斯锁相环的载波捕获环路。图1中S在光学锁相环中采用光混频器作为鉴相器，光混频器的输出信号即为信号光与本振光的频差信号，因此经过90°光混频器和平衡探测器后输出的I、Q两路信号即为信号光与本振光的频差信号，I、Q两路信号可以表示为上式中如图1所示，当I、Q两路信号经过乘法器后其频率和相位被扩大为原来的两倍，即信号光与本振光的频率差和相位差被扩大原来的两倍，此时乘法器的输出信号可以表示为：当信号光采用BPSK调制时，当环路锁定时，根据以上的分析，科斯塔斯锁相环的近似线性模型如图2所示：2解调探测器信号根据上文的理论分析设计了应用于BPSK调制信号的跟踪锁相电路，该电路主要是对平衡探测器输出的电信号进行处理，与90°光学混频器、平衡探测器和本振激光器组成完整的光学锁相环路，实现信号的解调输出。锁相电路主要包括限幅放大器、信号分配器、乘法器、环路滤波器、压控振荡器和功率放大器等模块。3平衡探测器的工作原理为了锁相电路的性能进行验证，我们搭建了基于BPSK调制信号的相干光通信实验测试平台。该实验平台包括两部分，第一部分为携带BPSK调制信息的相干光信号产生单元，第二部分为相干光信号的接收解调单元。实验中使用的窄线宽激光器采用线宽为1kHz的分布反馈（DFB）式激光器，该激光器可通过外部电压调节其输出信号的频率，其调谐电压输入范围为：0v-200v，该激光器具有线宽较窄、相位噪声小、调谐速率快等优点。平衡探测器的响应度为0.8A/W，该平衡探测器具有光电转换效率高、体积小、灵敏度高等优点。在实验中，使用信号光发射单元的误码仪产生码速率为5Gbps的NRZ码型作为调制信号，该信号经过功率放大器后进入光调制器，同时进入光调制器的还有窄线宽激光器产生的线宽为1550nm的光载波，光调制器根据调制信号对光载波进行调制，调制格式为BPSK。光调制器输出带有调制信息的信号光经过光衰减器后直接进入到信号光接收单元进行解调。光衰减器用来调节信号光的光功率，功率放大器用来调节信号光的载波抑制程度。信号光接收单元将接收到的信号光与本地窄线宽激光器产生的本振光同时送入90°光混频器进行混频，混频后的四路光信号经过双平衡探测器进行光电转换产生I、Q两路相位相差90°的正交信号。平衡探测器输出的I、Q两路信号输入到图5所示的锁相电路中，在经过乘法器、环路滤波器等模块后会控制压控振荡器产生一定频率的电信号，该信号将驱动声光移频器对本振光进行调节从而使信号光与本振光的频差快速减小。此时将I路信号输入到误码仪中，通过误码仪观察眼图与误码率来判断环路是否处于锁定状态。当通过误码仪能观察到清晰的眼图或者误码仪中所显示的误码率处于稳定状态时，说明锁相环路已处于锁定状态，此时I路的输出信号即为解调出的基带信号。4实验研究与分析本文对相干光通信中的零差探测技术进行了研究，通过对科斯塔斯锁相环的理论模型进行研究，建立了基于科斯塔斯锁相环的BPSK信号锁相环路，并对该锁相环路进行了理论分析和数学建模，给出了该锁相环路的线性模型，通过对锁相环路的理论分析，设计了如图5所示的精跟踪锁相环路的电路。通过实验对基于科斯塔斯锁相环的锁相环路