一种基于外腔调谐激光器的锁相环结构、方法及接收机与流程

1.本发明涉及一种空间激光通信相干探测技术领域，更具体地说，它涉及一种基于外腔调 谐激光器的锁相环结构、方法及接收机。


背景技术：

2.随着通信卫星对通信速率要求的提升，传统的强度调制直接探测通信体制已不能满足要 求。采用相干光通信体制可以满足通信卫星对通信速率和通信灵敏度的要求。对于零差相干 光通信而言，接收端需要光学锁相环实现本振光相位对信号光相位的跟踪。同时由于卫星之 间的相对运动，使得接收端接收到的信号光频率存在大范围、高速的漂移，因此需要光学锁 相环才能够适应该变化并完成频差补偿。
3.星间多普勒频偏一般可通过对传输信号进行采样后鉴频得到，现有技术常采用直接数字 鉴频，但由于星间相干光通信多普勒频差常高达数ghz，若直接进行高速采样完成鉴频较为 困难；现有技术提出一种基于dfb激光器的温度、pzt、aofs三级环路复合的宽范围快调 谐锁相系统完成频差补偿。但由于星上环境复杂、功耗有限，建立精确的温控系统完成激光 器温度调谐较为困难，控温精度难以保证。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种基于外腔调谐激光器的锁相环结构、方法及接收机，以解决现 有技术在高速通信速率下直接鉴频困难以及星上环境复杂、功耗有限，建立精确的温控系统 完成激光器温度调谐较为困难且控温精度难以保证的问题。
5.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
6.第一方面，提供了一种基于外腔调谐激光器的锁相环结构，包括频差计算模块、90
°
光 混频器、平衡探测器一、平衡探测器二、鉴频器、环路滤波器一、放大器、pzt驱动和本振 激光器，还包括环路滤波器二、压控振荡器和声光移频器；
7.所述频差计算模块的输出端与放大器连接，所述放大器与pzt驱动连接，所述pzt驱动 与本振激光器连接，所述本振激光器与声光移频器连接；
8.所述声光移频器与90
°
光混频器连接，所述平衡探测器一和平衡探测器二的输出端与鉴 频器连接，所述鉴频器的输出端与环路滤波器一和环路滤波器二的输入端连接，所述环路滤 波器一与放大器、pzt驱动和本振激光器依次连接，所述环路滤波器二、压控振荡器和声光 移频器依次连接。
9.与现有技术相比，本发明星间通信开始前，通过频差计算模块计算出两星之间的多普勒 频差，并将多普勒频差这个数字信号转换为模拟信号，模拟信号经过放大器放大后驱动pzt 驱动完成本振激光器的初始调谐，即在初始频差过大时，可直接利用卫星的轨道数据完成多 普勒频差的预测，从而完成本振激光器的初始调谐，多普勒预补偿解决了高速通信下直接鉴 频困难的问题，使用可调谐外腔激光器作为本振激光器，则避免了温度调谐中温控系统调谐 较为困难，控温精度难以保证的问题，较之现有的三级环路复合的宽范围
快调谐锁相环，本 发明在保持鉴频精度的前提下，降低了锁相环的复杂度。
10.进一步的，所述90
°
光混频器包括0度、180度、90度和270度四个输出端口，所述90
°ꢀ
光混频器的0度与180度输出端口与平衡探测器一连接，所述90
°
光混频器的90度与270 度输出端口与平衡探测器二连接。
11.进一步的，所述频差计算模块包括fpga和数模转换器，所述fpga与数模转换器连接， 所述数模转换器与放大器连接。
12.第二方面，提供了一种基于外腔调谐激光器的锁相方法，应用于第一方面所述的锁相环 结构，所述方法包括：
13.获取卫星轨道数据，所述频差计算模块根据卫星轨道数据计算出多普勒频差；
14.根据多普勒频差对本振激光器进行频差补偿的初始调谐，获得频差补偿后的本振光源， 将所述频差补偿后的本振光源与信号源进行相干混频、放大信号、光电转换以及鉴频，获得 本振光源的电信号的第一频差数值，设定第一频率阈值，若第一频差数值小于第一频率阈值， 则频差数值小于第一频率的电信号锁定；
15.对锁定后的电信号依次进行信号整形、电压频率转换、相干混频处理、放大处理、光电 转换以及鉴频，获得电信号的第二频差数值，设定第二频率阈值，若第二频差数值小于第二 频率阈值，声光移频器完成本振光源对信号光源的跟踪，完成锁相环锁定。
16.与现有技术相比较，pzt跟踪环负责初始状态的大范围频率捕获，捕获范围能达到几十 ghz，在卫星通信开始前，利用卫星轨道数据，由频差计算模块提前得到多普勒频差；信号 由数字信号转换为模拟信号后控制pzt驱动改变本振激光器的输出光频率，由此提前完成补 偿多普勒频移的补偿。
17.经过初始补偿后的本振源和信号源经90
°
混频器完成相干混频后，进入平衡探测器一和 平衡探测器二完成光电转换，两路信号经鉴频器处理得到频差，随后进入环路滤波器一和放 大器进行整形和放大，若补偿后的频差大于或等于第一频率数值阈值，则pzt跟踪环再次启 动，通过控制本振源的压电陶瓷柱实现频率的偏移，直到将频差拉入进最后一级aofs跟踪 环带宽内。
18.当频差小于第一频率数值阈值时，aofs跟踪环启动，经环路滤波器二整形后，通过控 制声光移频器实现频率的速度、精密调谐。
19.进一步的，根据多普勒频差对本振激光器进行频差补偿的具体实现如下：
20.通过所述数模转换器对多普勒频差进行数模转换处理，获得多普勒频差的模拟信号；
21.通过所述放大器对模拟信号进行放大处理，所述pzt驱动根据经放大处理后的模拟信号 对所述本振激光器的本振光源进行频差补偿。
22.进一步的，若第一频差数值大于或等于第一频率阈值，则先通过所述环路滤波器一和放 大器对电信号进行滤波和放大处理，再通过所述pzt驱动的压电陶瓷柱对电信号的频率进行 偏移处理，完成对本振激光器本振光源的调谐，再对调谐后的本振光源与信号源进行相干混 频、放大信号、光电转换以及鉴频，直至所述鉴频器输出的电信号的第一频差数值小于第一 频率阈值，完成电信号的锁定。
23.进一步的，若第二频差数值大于或等于第二频率阈值，则先通过所述环路滤波器二对锁 定的电信号进行滤波处理，再依次对锁定的电信号进行信号整形、电压频率转换、
相干混频 处理、放大处理、光电转换以及鉴频，直至鉴频器输出电信号的第二频差数值小于第二频率 阈值，滤波处理后的电信号输入所述压控振荡器驱动所述声光移频器完成本振光源对信号光 源的跟踪，完成锁相环锁定。
24.进一步的，所述第一频率阈值为50mhz。
25.进一步的，所述第二频率阈值为1mhz。
26.第三方面，提供了一种接收机，包括第一方面所述的一种基于外腔调谐激光器的锁相环 结构。
27.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
28.1.采用pzt调谐环路与外调制锁相环结合的方式。pzt调谐环路作为大范围、慢速的频 率卸载，外调制锁相环作为窄范围、快速的零差解调环路；能够实现在接收端信号光频率大 范围、快速变化下，光学锁相环能保持稳定的工作。
29.2.具有快速的初始频率捕获功能。在初始频差过大时，直接利用卫星轨道数据完成多普 勒频差的预测，完成本振激光器的初始调谐，在保持鉴频精度的前提下，降低了锁相系统成 本和复杂度。
30.3.本振激光器采用可调谐外腔量子点激光器，直接利用pzt驱动完成大范围频率调谐， 避免了在星上恶劣环境下使用结构复杂，控制精度较低的温度跟踪环，降低了锁相系统的复 杂度，保证了锁相环工作的稳定性。
31.4.采用本振激光器外调制的方式完成频差精跟踪，外调制锁相环采用环路延时为ns级别 的声光移频器，具有很高的调谐速度。
附图说明
32.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不 构成对本发明实施例的限定。在附图中：
33.图1为本发明一实施例提供的锁相环结构示意图；
34.图2为本发明一实施例提供的频差计算模块的结构示意图；
35.图3为本发明一实施例提供的锁相环实现频率跟踪的控制逻辑图；图4为本发明一实施例提供的使用本发明所提结构后的信号解调仿真图。
36.附图中标记及对应的零部件名称：
37.1、90
°
光混频器；2、平衡探测器一；3、平衡探测器二；4、鉴频器；5、fpga；6、数 模转换器；7、环路滤波器一；8、放大器；9、pzt驱动；10、环路滤波器二；11、压控振荡 器；12、本振激光器；13、声光移频器。
具体实施方式
38.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明 作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本 发明的限定。
39.需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个 部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是 直接或者间接连接至该另一个部件上。
40.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、
ꢀ“
水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关 系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特 定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
41.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或 者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者 隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上， 除非另有明确具体的限定。
42.实施例
43.如图1所示，本技术实施例提供一种基于外腔调谐激光器的锁相环结构，频差计算模块、 90
°
光混频器1、平衡探测器一2、平衡探测器二3、鉴频器4、环路滤波器一7、放大器8、 pzt驱动9和本振激光器12，还包括环路滤波器二10、压控振荡器11和声光移频器13；
44.所述频差计算模块的输出端与放大器8连接，所述放大器8与pzt驱动9连接，所述pzt 驱动9与本振激光器12连接，所述本振激光器12与声光移频器13连接；
45.所述声光移频器13与90
°
光混频器1连接，所述平衡探测器一2和平衡探测器二3的 输出端与鉴频器4连接，所述鉴频器4的输出端与环路滤波器一7和环路滤波器二10的输入 端连接，所述环路滤波器一7与放大器8、pzt驱动9和本振激光器12依次连接，所述环路 滤波器二10、压控振荡器11和声光移频器13依次连接。
46.具体的，如图1所示，锁相环主要包括频差计算模块、pzt跟踪环和afos跟踪环，
47.pzt跟踪环包括90
°
光混频器1、平衡探测器一2、平衡探测器二3、鉴频器4、环路滤 波器一7、放大器8、pzt驱动9和本振激光器12。aofs跟踪环包括90
°
光混频器1、平衡 探测器一2、平衡探测器二3、鉴频器4、环路滤波器二10、压控振荡器11和声光移频器13。
48.其中，本振激光器12与声光移频器13连接，当pzt跟踪环锁定时，则通过声光移频器 13将本振光源与信号光源的频差量拉入aofs跟踪环的带宽内。
49.pzt跟踪环原理和频差计算模块如下：在通信开始前，频差计算模块根据星历表和星敏 感器数据计算得到两星间的多普勒频移，并转变成模拟信号，经过放大器8放大后驱动pzt 驱动9完成本振激光器12的初始调谐，提前进行多普勒频差补偿。随后可本振激光器12输 出的本振光与信号光在90
°
光混频器1中进行相干混频，由平衡探测器一2和平衡探测器二 3进行光电转换和信号放大。随后信号输入至鉴频器4进行鉴频，鉴频信号经过环路滤波器 一7后，经放大器8后控制pzt驱动9的压电陶瓷柱完成本振激光器12的大范围调谐。
50.aofs跟踪环原理如下：通过声光移频器13输出的本振光与信号光在90
°
光混频器1 中进行相干混频，得到pzt环锁定后的电信号，由平衡探测器一2和平衡探测器二3进行光 电转换和信号放大，两个放大的信号随后进入鉴频器4完成鉴频，输出信号经过环路滤波器 二10整形后，输出至压控振荡器11中完成电压到频率的转换，控制声光移频器13实现本振 光相位的快速与精密的跟踪。
51.下面对本技术锁相环内pzt跟踪环与afos跟踪环的执行器组件进行解释：
52.本振激光器12：本振激光器12作为频差补偿模块和pzt跟踪环的执行器。
53.声光移频器19：它是aofs跟踪环的执行器，实现本振光的外调谐，尽管移频范围最小， 确是执行精度最高的一个环节。当光波和声波满足一定约束条件后，输出的光波仅在0
级和 1级边带或者0级和-1级边带产生衍射光，其余的衍射光因为相互干涉而抵消，利用此原理 实现了aofs的频率移动。
54.从上述技术方案可以看出，本发明提出了一种pzt、aofs两级环路复合控制的光锁相 环结构；为了避免在星上使用温度控制调谐，替换成了利用pzt驱动9即可完成大范围调谐 的外腔激光器，即本振激光器12，降低了系统的复杂度；由于卫星通信通信速率较高，直接 对接收到的信号进行鉴频十分困难，对模数转化器的要求非常高，为此提出利用卫星轨道数 据提前预测多普勒频差后，先完成初始补偿再进行鉴频的方式，简化了系统结构，由此构成 了一种基于外腔调谐激光器的两级复合轴光锁相环结构。
55.本技术更进一步的一个实施例中，90
°
光混频器1包括0度、180度、90度和270度四 个输出端口，90
°
光混频器1的0度与180度输出端口与平衡探测器一2连接，90
°
光混频 器1的90度与270度输出端口与平衡探测器二3连接。
56.具体的，90
°
光混频器1将信号光和本振光进行混频，输出四路相位差0
°
、180
°
； 90
°
、270
°
的混频光束，相差0
°
和180
°
的混频光组成一个支路，定义为i支路，相 差90
°
和270
°
的混频光组成另一个支路，定义为q支路，因此可以通过将i支路、q支路 各自相减得到两个相干信号，两个相干信号除相位差90
°
外，其它信息均相同，通过平衡探 测器一2对i支路的的信号接收并完成信号放大处理与光电转换处理，通过平衡探测器二3 对q支路的的信号接收并完成信号放大处理与光电转换处理。由于进入到平衡探测器中的两 路光束功率相同，所以直流分量能够相互抵消，因此对本振激光器的强度噪声有很好地抑制 效果。
57.本技术更进一步的一个实施例中，频差计算模块包括fpga5和数模转换器6，fpga5 与数模转换器6连接，数模转换器6与放大器8连接。
58.具体的，在卫星通信开始前，利用卫星轨道数据，由fpga5对卫星轨道数据进行计算， 提前得到两星之间的多普勒频差，由于多普勒频差是数字信号，因此，数字信号由数模转换 器6转换成模拟信号后控制pzt驱动9改变可调谐外腔量子点激光器的输出光频率，由此提 前完成补偿多普勒频差的补偿。
59.如图3所示，本技术实施例还提供了一种基于外腔调谐激光器的锁相方法，应用于上述 的锁相环结构，方法包括：
60.获取卫星轨道数据，所述频差计算模块根据卫星轨道数据计算出多普勒频差；
61.根据多普勒频差对本振激光器进行频差补偿的初始调谐，获得频差补偿后的本振光源， 将所述频差补偿后的本振光源与信号源进行相干混频、放大信号、光电转换以及鉴频，获得 本振光源的电信号的第一频差数值，设定第一频率阈值，若第一频差数值小于第一频率阈值， 则频差数值小于第一频率的电信号锁定；
62.对锁定后的电信号依次进行信号整形、电压频率转换、相干混频处理、放大处理、光电 转换以及鉴频，获得电信号的第二频差数值，设定第二频率阈值，若第二频差数值小于第二 频率阈值，声光移频器完成本振光源对信号光源的跟踪，完成锁相环锁定。
63.具体的，pzt跟踪环负责初始状态的大范围频率捕获，捕获范围能达到几十ghz，在卫 星通信开始前，利用卫星轨道数据，由频差计算模块提前得到多普勒频差；信号由数字信号 转换为模拟信号后控制pzt驱动9改变本振激光器12的输出光频率，由此提前完成补偿多 普勒频移的补偿。
64.经过初始补偿后的本振源和信号源经90
°
混频器完成相干混频后，进入平衡探测
声光移频器13实现本振光相位的快速与精密跟踪。
77.本技术实施例还提供了一种接收机，包括第一方面所述的一种基于外腔调谐激光器的锁 相环结构。
78.具体的，对于零差相干光通信而言，接收机需要光学锁相环实现本振光相位对信号光相 位的跟踪。同时由于卫星之间的相对运动，使得接收机接收到的信号光频率存在大范围、高 速的漂移，因此本发明的锁相环可应用于接收机中适应该变化并完成频差补偿，本发明也可 用在星上零差相干光接收机中所有需要使用温度调谐激光器的光锁相环结构，包括但不限于 costas光锁相环、平衡光锁相环、同步位光锁相环等。
79.本技术实施例还提供了具体的实施案例，可调谐外腔量子点激光器(即本振激光器12) 输出波长为1550nm，线宽小于2mhz，最大功率输出为23mw，压电调谐范围大于60ghz， 响应时间为s量级。90
°
光混频器1要求i、q端输出相位不一致小于10
°
，将输入的光信 号和本振光进行混频后输出。平衡探测器一2和平衡探测器二3的功率失配比小于5％，响应 带宽大于20ghz，才能较好的抑制本振激光器12噪声，因此选用discovery公司的r401hg 系列探测器。鉴频器4采用乘法器进行实现。fpga5根据卫星提供的轨道数据计算多普勒频 偏，数模转换器6将数字频偏数据转换成模拟信号。经过放大器8放大10倍后控制pzt驱 动9完成频率调谐。pzt驱动9的电压范围为0～110v，控制精度为10mv，调谐系数为 644.4316mhz/v。环路滤波器一7和环路滤波器二10均为二阶有源比例积分滤波，根据环路 带宽和截止频率的要求进行设计，要求环路滤波器一7的截止频率小于500mhz，环路滤波 器二10的截止频率小于50mhz。要求压控振荡器11的输出频率与输入电压近似为线性变化， 且输出频率范围在470mhz～530mh之间；声光移频器13是实现最后一级精密调谐的关键器 件，选用brimrose公司的ifp-500-50-1550-2fp 型声光移频器13，调谐范围为50mhz，中心 频率为500mhz，对信号光源进行精确追踪和调制。
80.根据以上参数，在matlab中完成了基于bpsk通信体制的信号解调仿真，如图4所示， aofs环路锁定时间约为1us，当系统相位锁定后，信号光和本振光相位差将稳定在一定范围， 由于接收光信号存在{0、π}相位调制，最终两束光频差应在{kπ、(k 1)π}之间跳转。图3显 示稳定相位约在0.08π与3.222π之间跳转，实际相位误差约为0.08π。
81.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说 明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护 范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本 发明的保护范围之内。