相干光通信系統鎖相環的研究

0相干光通信技術衛星通信技術作為未來空間通信領域的重要組成部分，成為促進社會進步、提高人類生活水平的重要力量。目前，隨著對衛星通信研究的逐漸深入，人們對大數據量、高速率、高可靠性傳輸的需求日益提高。因此，以激光為信息載體的星間激光通信技術進入了人們的視線并且成為了發展的必然產物。目前很多國家實現了基于強度調制/直接探測方式的激光通信系統，但是這種調制解調方式的傳輸速率和探測靈敏度有限，而相干光通信技術可以實現數據的高速傳輸同時還有很高的探測靈敏度，因此相干光通信技術成為了目前的研究熱點雖然相干光通信相比于于傳統光通信有很多優點，但是它也不可避免的存在一些不足的地方。目前，LEO和GEO間數據傳輸的視距鏈接是目前存在的一個重要問題本文通過對基于科斯塔斯鎖相環的光學鎖相環路進行了理論分析，建立了其數學模型，并且根據理論分析設計了基于科斯塔斯鎖相環的光學鎖相環路。最后通過實驗對鎖相環路的載波恢復性能進行了測試，結果表明當信號光采用BPSK調制時，系統具有較好的誤碼性能。1科斯塔斯鎖相環的近似線性模型圖1為基于科斯塔斯鎖相環的載波捕獲環路。圖1中S在光學鎖相環中采用光混頻器作為鑒相器，光混頻器的輸出信號即為信號光與本振光的頻差信號，因此經過90°光混頻器和平衡探測器后輸出的I、Q兩路信號即為信號光與本振光的頻差信號，I、Q兩路信號可以表示為上式中如圖1所示，當I、Q兩路信號經過乘法器后其頻率和相位被擴大為原來的兩倍，即信號光與本振光的頻率差和相位差被擴大原來的兩倍，此時乘法器的輸出信號可以表示為：當信號光采用BPSK調制時，當環路鎖定時，根據以上的分析，科斯塔斯鎖相環的近似線性模型如圖2所示：2解調探測器信號根據上文的理論分析設計了應用于BPSK調制信號的跟蹤鎖相電路，該電路主要是對平衡探測器輸出的電信號進行處理，與90°光學混頻器、平衡探測器和本振激光器組成完整的光學鎖相環路，實現信號的解調輸出。鎖相電路主要包括限幅放大器、信號分配器、乘法器、環路濾波器、壓控振蕩器和功率放大器等模塊。3平衡探測器的工作原理為了鎖相電路的性能進行驗證，我們搭建了基于BPSK調制信號的相干光通信實驗測試平臺。該實驗平臺包括兩部分，第一部分為攜帶BPSK調制信息的相干光信號產生單元，第二部分為相干光信號的接收解調單元。實驗中使用的窄線寬激光器采用線寬為1kHz的分布反饋（DFB）式激光器，該激光器可通過外部電壓調節其輸出信號的頻率，其調諧電壓輸入范圍為：0v-200v，該激光器具有線寬較窄、相位噪聲小、調諧速率快等優點。平衡探測器的響應度為0.8A/W，該平衡探測器具有光電轉換效率高、體積小、靈敏度高等優點。在實驗中，使用信號光發射單元的誤碼儀產生碼速率為5Gbps的NRZ碼型作為調制信號，該信號經過功率放大器后進入光調制器，同時進入光調制器的還有窄線寬激光器產生的線寬為1550nm的光載波，光調制器根據調制信號對光載波進行調制，調制格式為BPSK。光調制器輸出帶有調制信息的信號光經過光衰減器后直接進入到信號光接收單元進行解調。光衰減器用來調節信號光的光功率，功率放大器用來調節信號光的載波抑制程度。信號光接收單元將接收到的信號光與本地窄線寬激光器產生的本振光同時送入90°光混頻器進行混頻，混頻后的四路光信號經過雙平衡探測器進行光電轉換產生I、Q兩路相位相差90°的正交信號。平衡探測器輸出的I、Q兩路信號輸入到圖5所示的鎖相電路中，在經過乘法器、環路濾波器等模塊后會控制壓控振蕩器產生一定頻率的電信號，該信號將驅動聲光移頻器對本振光進行調節從而使信號光與本振光的頻差快速減小。此時將I路信號輸入到誤碼儀中，通過誤碼儀觀察眼圖與誤碼率來判斷環路是否處于鎖定狀態。當通過誤碼儀能觀察到清晰的眼圖或者誤碼儀中所顯示的誤碼率處于穩定狀態時，說明鎖相環路已處于鎖定狀態，此時I路的輸出信號即為解調出的基帶信號。4實驗研究與分析本文對相干光通信中的零差探測技術進行了研究，通過對科斯塔斯鎖相環的理論模型進行研究，建立了基于科斯塔斯鎖相環的BPSK信號鎖相環路，并對該鎖相環路進行了理論分析和數學建模，給出了該鎖相環路的線性模型，通過對鎖相環路的理論分析，設計了如圖5所示的精跟蹤鎖相環路的電路。通過實驗對基于科斯塔斯鎖相環的鎖相環路