專利名稱：基于穩(wěn)頻激光器的相干無線激光通信系統(tǒng)、方法及接收機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明相干光通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于穩(wěn)頻激光器的相干無線激光通信系統(tǒng)、方法及接收機。
背景技術(shù)：
相干光通信要求本振激光和接收激光信號嚴格頻率或相位同步。在無線激光移動通信系統(tǒng)中，例如衛(wèi)星光通信，由于收發(fā)機之間具有較大相對運動速度，將造成接收到的激光信號出現(xiàn)較大的多普勒頻偏以及頻偏變化速度，在這種情況下多普勒頻移是無線激光通信不可忽視的一個問題。由于鎖相環(huán)的捕獲時間與頻偏的平方成正比，如果采用自然捕獲法，當(dāng)頻偏很大時，需要經(jīng)過很長時間鎖相環(huán)才能入鎖。為了縮短捕獲時間，可以采用掃頻模塊來輔助捕捉，即當(dāng)鎖相環(huán)沒有鎖定時，通過對本振激光器外加一個掃描電壓，使得本振激光器的頻率在較大范圍內(nèi)進行掃描。當(dāng)本振激光器頻率與接收光頻率相近時，環(huán)路將快速鎖定，這時停止掃描，環(huán)路繼續(xù)保持鎖定。雖然掃頻加鎖相環(huán)方案的捕獲速度比單純采用鎖相環(huán)的方案有了較大提高，但該方案由于對接收激光信號的多普勒頻偏無法進行預(yù)判，因而在掃頻時必須遍歷所有可能的多普勒頻偏值。在接收激光信號多普勒頻偏較大的情況下，所需掃描的頻點較多，因而頻率捕獲時間依然較大。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服大多普勒動態(tài)條件下的激光信號同步問題，本發(fā)明的目的是提供一種新型相干無線激光通信系統(tǒng)及方法，以在快變信道系統(tǒng)中快速捕獲跟蹤大多普勒頻移的激光信號。一方面，本發(fā)明公開了一種基于穩(wěn)頻激光器的相干無線激光通信系統(tǒng)，包括發(fā)射機和接收機，其中，所述發(fā)射機包括依次連接的信源模塊、調(diào)制模塊以及第一穩(wěn)頻激光器; 所述信源模塊用于產(chǎn)生待發(fā)送的數(shù)據(jù)，所述調(diào)制模塊用于負責(zé)將所述信源模塊的輸出調(diào)制到所述第一穩(wěn)頻激光器上；所述接收機包括光學(xué)混頻模塊、相干解調(diào)模塊、激光鏈路瞄準捕獲跟蹤(APT)模塊、發(fā)射機相對位置速度估計模塊、接收機多普勒頻偏估計模塊和第二穩(wěn)頻激光器；其中，所述光學(xué)混頻模塊、所述相干解調(diào)模塊、所述第二穩(wěn)頻激光器依次連接，完成激光信號跟蹤解調(diào)；并且，所述APT模塊、所述發(fā)射機相對位置速度估計模塊和所述接收機多普勒頻偏估計模塊的輸入端依次連接，所述接收機多普勒頻偏估計模塊的輸出端連接至與所述第二穩(wěn)頻激光器相連接。上述相干無線激光通信系統(tǒng)中，所述相干解調(diào)模塊包括分別與所述光學(xué)混頻模塊相連接的殘余頻偏估計模塊和鑒相器，所述鑒相器還連接有濾波器，所述殘余頻偏估計模塊的輸出端和所述濾波器的輸出端均與所述第二穩(wěn)頻激光器相連接。上述相干無線激光通信系統(tǒng)中，所述相干解調(diào)模塊包括相連接的信道補償模塊、 信道估計模塊和殘余頻偏估計模塊。
上述相干無線激光通信系統(tǒng)中，所述相干解調(diào)模塊包括延遲模塊、低通濾波模塊和乘法器，其中，所述延遲模塊的輸出與所述乘法器相連，所述乘法器的輸出與低通濾波器相連；并且，所述光學(xué)混頻模塊的輸出分別與所述延遲模塊的輸入和所述乘法器的輸入相連接。第二方面，本發(fā)明還公開了一種用于相干無線激光通信的接收機，包括光學(xué)混頻模塊、相干解調(diào)模塊、APT模塊、發(fā)射機相對位置速度估計模塊、接收機多普勒頻偏估計模塊和第二穩(wěn)頻激光器；其中，所述光學(xué)混頻模塊、所述相干解調(diào)模塊、所述第二穩(wěn)頻激光器依次連接組成光學(xué)鎖相環(huán)，所述光學(xué)鎖相環(huán)完成激光信號鎖相跟蹤解調(diào)；并且，所述APT模塊、所述發(fā)射機相對位置速度估計模塊和所述接收機多普勒頻偏估計模塊依次連接后，通過所述接收機多普勒頻偏估計模塊連接至所述第二穩(wěn)頻激光器。第三方面，本發(fā)明還公開了一種基于上述通信系統(tǒng)的相干無線激光通信方法，所述接收機依據(jù)如下步驟進行通信步驟一，將所述第二穩(wěn)頻激光器鎖定在固定的頻率基準上，輸出固定頻率的本振激光信號；步驟二，所述APT模塊開始建立激光鏈路，當(dāng)鏈路建立成功后，所述發(fā)射機相對位置速度估計模塊根據(jù)所述APT模塊建立鏈路過程中所獲得的觀測信號，估計所述接收機和發(fā)射機的相對位置和速度；所述接收機多普勒頻偏估計模塊根據(jù)發(fā)射機相對位置速度信息估計接收光信號的多普勒頻偏；步驟三，所述第二穩(wěn)頻激光器切換到頻率預(yù)置模式，將所述多普勒頻偏置入第二穩(wěn)頻激光器的頻率控制字，對所述步驟一中的本振激光信號進行初始頻偏補償，并保持補償后的激光信號頻率，進而完成激光信號的捕獲；步驟四，通過相位同步跟蹤，由所述相干解調(diào)模塊對捕獲的激光信號進行解調(diào)。上述相干無線激光通信方法，所述步驟四中的相位同步跟蹤為基于反饋的相干鎖相跟蹤算法，采用兩輪頻率補償加相干解調(diào)策略，具體為初始頻偏補償結(jié)束后，相干解調(diào)模塊對接收信號進行頻偏估計，并將頻偏估計結(jié)果置入第二穩(wěn)頻激光器進行殘余頻率補償，將光學(xué)混頻模塊中輸入信號的頻偏控制在鎖相環(huán)的快捕帶內(nèi)；所述光學(xué)鎖相環(huán)控制所述第二穩(wěn)頻激光器對輸入信號的相位進行鎖相跟蹤。上述相干無線激光通信方法，所述步驟四中的解調(diào)基于導(dǎo)頻前饋對接收激光信號的相位進行相位跟蹤，具體為在發(fā)送數(shù)據(jù)中加入作為導(dǎo)頻的輔助同步序列，接收機通過導(dǎo)頻對光學(xué)混頻模塊中的輸入信號進行同步；初始頻偏補償結(jié)束后，相干解調(diào)模塊對接收信號頻偏進行估計，并將頻偏估計結(jié)果置入第二穩(wěn)頻激光器進行殘余頻率補償；隨后接收機利用導(dǎo)頻對接收激光信號的時偏、相偏和頻偏進行估計，根據(jù)時偏、相偏和頻偏估計結(jié)果對光學(xué)混頻模塊中的輸入信號進行前饋同步；同時，控制第二穩(wěn)頻激光器，對接收激光信號進行鎖頻控制。上述相干無線激光通信方法，所述步驟四中的解調(diào)為基于DBPSK的自相干解調(diào)， 具體為，對發(fā)射機的輸入信號比特流進行差分編碼，解調(diào)時將混頻后的信號送入延遲模塊， 延遲模塊的輸出信號與輸入信號間有延遲，將延遲模塊的輸出信號與輸入信號進行自相關(guān)運算，將相關(guān)結(jié)果送入低通濾波器即得到解調(diào)信號；在相干解調(diào)的同時，光學(xué)混頻模塊、殘余頻偏估計模塊以及第二穩(wěn)頻激光器組成鎖頻環(huán)跟蹤鎖定接收激光信號頻率。上述相干無線激光通信方法，所述步驟四中的解調(diào)通過模擬電路或數(shù)字器件實現(xiàn)。相對于現(xiàn)有技術(shù)而言，本發(fā)明能夠在大多普勒動態(tài)的系統(tǒng)中完成信號激光信號捕獲跟蹤，信號捕獲速度快，信號同步精度高。


圖1為本發(fā)明中，發(fā)射機實施例的結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本發(fā)明中，接收機實施例的結(jié)構(gòu)框圖；圖3為本發(fā)明相干無線激光通信方法一個實施例中，接收機的工作流程圖；圖4為相干無線激光通信系統(tǒng)中，基于反饋的相干鎖相接收機實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為相干無線激光通信系統(tǒng)中，基于反饋的相干鎖相接收機實施例中，科斯塔斯環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為相干無線激光通信系統(tǒng)中，基于反饋的相干鎖相接收機實施例中，抖動鎖相環(huán)環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為相干無線激光通信系統(tǒng)中，基于導(dǎo)頻前饋的無線激光通信接收機結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為基于導(dǎo)頻前饋的無線激光通信接收機數(shù)據(jù)幀導(dǎo)頻設(shè)計示意圖；圖9為相干無線激光通信系統(tǒng)中，基于DBPSK的自相干解調(diào)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細的說明。相干無線激光通信系統(tǒng)、接收機實施例該實施例相干無線激光通信系統(tǒng)，包括發(fā)射機和接收機，發(fā)射機結(jié)構(gòu)參照圖1，包括依次連接的信源模塊110、調(diào)制模塊120以及第一穩(wěn)頻激光器130 ；信源模塊110用于產(chǎn)生待發(fā)送的數(shù)據(jù)，調(diào)制模塊120用于負責(zé)將信源模塊的輸出調(diào)制到第一穩(wěn)頻激光器130上。接收機結(jié)構(gòu)參照圖2，包括光學(xué)混頻模塊140、相干解調(diào)模塊150、APT模塊160、發(fā)射機相對位置速度估計模塊170、接收機多普勒頻偏估計模塊180和第二穩(wěn)頻激光器190 ； 其中，光學(xué)混頻模塊140、相干解調(diào)模塊150、第二穩(wěn)頻激光器190依次連接，完成激光信號跟蹤解調(diào)；并且發(fā)射機相對位置速度估計模塊170和接收機多普勒頻偏估計模塊180依次連接后，通過接收機多普勒頻偏估計模塊170連接至第二穩(wěn)頻激光器190。其中，&表示入射光，表示本振激光。其他說明書附圖涉及也表示相同的含義，以下不再贅述。結(jié)合圖3說明接收機的工作流程，接收機工作流程如下。(I)APT模塊160開始工作，負責(zé)建立激光鏈路建立，第二穩(wěn)頻激光器90輸出固定頻率的本振激光信號。( 激光鏈路建立之后，發(fā)射機相對位置速度估計模塊170根據(jù)APT 模塊160建立鏈路過程中所獲得的觀測信號估計收發(fā)機間的相對速度，接收機多普勒頻偏估計模塊負責(zé)180根據(jù)發(fā)射機相對速度信息估計接收光信號的多普勒頻偏。( 將估計多普勒頻偏值置入第二穩(wěn)頻激光器190頻率控制字，進行初始頻偏補償，隨后保持第二穩(wěn)頻激光器190輸出光信號頻率。(4)相干解調(diào)模塊150進行數(shù)據(jù)解調(diào)。需要說明的是第二穩(wěn)頻激光器有兩種工作模式，在APT階段(上述流程中的(1)和(2))，鎖定在某個固定的頻率基準上；進入激光信號捕獲工作時(流程中的C3))，切換到頻率預(yù)置模式，根據(jù)當(dāng)前的多普勒頻移估計值，改變本振激光的頻率，實現(xiàn)激光頻率的快速搜索和捕獲；在相干解調(diào)階段，即流程，根據(jù)不同的相干解調(diào)算法對激光器輸出信號進行鎖頻或鎖相控制。本發(fā)明的相干解調(diào)方案既可采用基于鎖相環(huán)的方案，基于鎖頻環(huán)的差分解調(diào)方案(DBPSK)，也可采用基于導(dǎo)頻的前饋方案。在相干解調(diào)階段，第二穩(wěn)頻激光器的工作模式如下對于鎖相環(huán)方案，環(huán)路對輸入激光信號的相偏進行實時估計，將相位誤差送入環(huán)路濾波器后產(chǎn)生控制信號對激光器頻率進行實時調(diào)整；對于基于鎖頻環(huán)的差分解調(diào)方案(DBPSK)和基于導(dǎo)頻的前饋方案，環(huán)路對輸入激光信號的多普勒頻偏進行實時估計，將多普勒頻偏誤差送入環(huán)路濾波器后產(chǎn)生控制信號對激光器頻率進行實時調(diào)整。參照圖4，圖4為相干無線激光通信系統(tǒng)中，基于反饋的相干鎖相接收機實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。該實施例的接收機相干解調(diào)模塊150包括分別與光學(xué)混頻模塊相連接的殘余頻偏估計模塊410和鑒相器420，鑒相器420還連接有濾波器430，殘余頻偏估計模塊410 的輸出端和濾波器430的輸出端均與第二穩(wěn)頻激光器相連接。本實施例采用兩輪頻率補償加相干解調(diào)策略。相干解調(diào)的具體方案為初始頻偏補償結(jié)束后，相干解調(diào)模塊開始工作，首先由殘余頻偏估計模塊410對接收信號進行精確頻偏進行估計，并將頻偏估計結(jié)果置入第二穩(wěn)頻激光器進行殘余頻率補償，將輸入信號的頻偏控制在鎖相環(huán)的快捕帶內(nèi)。隨后光學(xué)混頻模塊、鑒相器420、環(huán)路濾波器430以及第二穩(wěn)頻激光器構(gòu)成激光鎖相環(huán)路，控制第二穩(wěn)頻激光器對輸入信號的相位進行鎖相跟蹤。其工作流程如下DAPT模塊開始工作，負責(zé)建立激光鏈路，第二穩(wěn)頻激光器輸出固定頻率的本振激光信號。2)鏈路激光鏈路建立之后，發(fā)射機相對位置速度估計模塊根據(jù)APT模塊建立鏈路過程中所獲得的觀測信號估計收發(fā)機間的相對速度，接收機多普勒估計模塊負責(zé)根據(jù)發(fā)射機速度信息估計接收光信號的多普勒頻偏。3)根據(jù)多普勒頻偏估計結(jié)果改變第二穩(wěn)頻激光器輸出光信號頻率，進行初始頻偏補償。4)殘余頻偏估計模塊通過信號處理方式對輸入信號的殘余多普勒頻偏進行精確估計。5)根據(jù)多普勒頻偏精確估計結(jié)果改變第二穩(wěn)頻激光器輸出光信號頻率，進行精確頻偏補償，使得接收激光信號落入數(shù)字鎖相環(huán)快捕帶內(nèi)。6)由光學(xué)混頻模塊、鑒相器420、環(huán)路濾波器430以及第二穩(wěn)頻激光器構(gòu)成激光鎖相環(huán)開始工作，環(huán)路濾波器430的輸出信號對第二穩(wěn)頻激光器輸出的本振激光頻率進行動態(tài)調(diào)整，完成接收激光信號相位跟蹤解調(diào)工作。圖4的鎖相環(huán)的方案可以采用科斯塔斯環(huán)、判決反饋或抖動環(huán)等進行實現(xiàn)。圖5 和圖6給出了圖4中光學(xué)混頻模塊、鑒相器420、環(huán)路濾波器430以及第二穩(wěn)頻激光器所構(gòu)成的激光鎖相環(huán)路的具體結(jié)構(gòu)。參照圖5，圖5為相干無線激光通信系統(tǒng)中，基于反饋的相干鎖相接收機實施例中，科斯塔斯環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖。其環(huán)路有兩個通道，同相分量和正交分量。在同相通道中， 輸入信號和第二穩(wěn)頻激光器輸出的本振光信號直接疊加。在正交相位通道中輸入信號相位90°相移后再和本振光信號疊加。實現(xiàn)這種疊加的器件是光學(xué)正交混頻器510。疊加后的光信號經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換模塊520后得到相應(yīng)的電信號。兩路電信號通過相位估計器530得到相差信號，經(jīng)過環(huán)路濾波器550后作為第二穩(wěn)頻激光器MO的輸入以完成鎖相同步功能。參照圖6，圖6為相干無線激光通信系統(tǒng)中，基于反饋的相干鎖相接收機實施例中，抖動鎖相環(huán)環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖。抖動環(huán)方案在第二穩(wěn)頻激光器輸出的本振光中加入一個小的相位擾動，稱為振蕩信號，該振蕩信號由鎖相環(huán)路中正弦抖動信號模塊670產(chǎn)生。振蕩信號傳輸?shù)秸麄€系統(tǒng)中， 在輸出信號中作為一個波動被探測到。若存在相位差，則輸出包含有振蕩信號頻率部分。其幅值與相位差成正比，相位取決于相位差的正負。因此在解調(diào)的時候，可通過這個振蕩信號得到相位差信號。抖動環(huán)的環(huán)路只有一個同相分量。在同相通道中，輸入光信號和本振光信號直接疊加。實現(xiàn)這種疊加的器件是180° /3dB光耦合器610。疊加后的光信號經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換模塊620后得到相應(yīng)的電信號。光電轉(zhuǎn)換模塊620的輸出經(jīng)過功率探測模塊630后與正弦抖動信號模塊670的正交分量相乘后得到相位誤差信號，相位誤差信號經(jīng)過環(huán)路濾波器650后作為第二穩(wěn)頻激光器680的輸入以完成鎖相同步功能?；阪i相環(huán)的接收機方案相位跟蹤誤差小，但是在工作過程中鎖相環(huán)入鎖需要一定時間，因而適用于通信信號連續(xù)不間斷的情況。參照圖7，圖7為相干無線激光通信系統(tǒng)中，基于導(dǎo)頻前饋的無線激光通信接收機結(jié)構(gòu)示意圖，相干解調(diào)模塊包括與光學(xué)混頻模塊相連接的信道補償模塊740、信道估計模塊 730和殘余頻偏估計模塊720，并且，殘余頻偏估計模塊720還與第二穩(wěn)頻激光器相連接。該實施例采用前饋方案對接收激光信號的相位進行跟蹤。具體實現(xiàn)方案是在發(fā)送數(shù)據(jù)中加入特定的輔助同步序列(導(dǎo)頻)，通過導(dǎo)頻對接收激光信號進行同步。相干解調(diào)的具體方案為初始頻偏補償結(jié)束后，由殘余頻偏估計模塊720對接收信號頻偏進行估計， 并將頻偏估計結(jié)果置入第二穩(wěn)頻激光器進行殘余頻率補償。隨后信道估計模塊730開始工作，根據(jù)導(dǎo)頻對接收激光信號的時偏、相偏和頻偏進行估計，并將估計結(jié)果送入信道補償模塊740，信道補償模塊根據(jù)時偏、相偏和頻偏估計結(jié)果對接收信號進行前饋同步。同時，光學(xué)混頻模塊，殘余頻偏估計模塊720以及第二穩(wěn)頻激光器組成鎖頻環(huán)對接收激光信號進行鎖頻控制。其工作流程如下DAPT模塊啟動，開始建立激光鏈路，第二穩(wěn)頻激光器輸出固定頻率的本振激光信號。2)激光鏈路建立之后，發(fā)射機相對位置速度估計模塊根據(jù)APT模塊建立鏈路過程中所獲得的觀測信號估計收發(fā)機間的相對速度，接收機多普勒頻偏估計模塊負責(zé)根據(jù)發(fā)射機速度信息估計接收光信號的多普勒頻偏。3)根據(jù)多普勒頻偏估計結(jié)果改變第二穩(wěn)頻激光器輸出光信號頻率，進行初始頻偏補償。4)第二穩(wěn)頻激光器進入鎖頻工作模式，信道估計模塊對輸入信號頻偏相偏進行估計并根據(jù)估計結(jié)果對當(dāng)前接收信號進行補償，從而完成相干解調(diào)工作。圖8給出了基于導(dǎo)頻前饋的無線激光通信接收機數(shù)據(jù)幀導(dǎo)頻設(shè)計。其導(dǎo)頻分布共有3種方式，導(dǎo)頻分布在數(shù)據(jù)幀幀頭10，導(dǎo)頻分布在數(shù)據(jù)幀幀尾20以及導(dǎo)頻均勻分布在數(shù)據(jù)幀內(nèi)30。導(dǎo)頻長度以及分布方式的選取由信道變化快慢以及接收信號信噪比決定，其具體設(shè)計可以通過仿真確定。基于導(dǎo)頻前饋的無線激光通信接收機方案相位跟蹤性能不如鎖相環(huán)方案，但是解調(diào)不需要等待鎖相環(huán)入鎖后再進行，因而適用于突發(fā)通信模式。參照圖9，圖9為相干無線激光通信系統(tǒng)中，基于DBPSK的自相干解調(diào)的結(jié)構(gòu)示意圖，相干解調(diào)模塊包括延遲模塊930、低通濾波器940和乘法器950，其中，延遲模塊930的輸出與乘法器950的輸入相連，乘法器950的輸出與低通濾波器940的輸入相連；并且，光學(xué)混頻模塊的輸出分別與延遲模塊930的輸入和乘法器950的輸入相連接。該實施例無需對激光信號相位進行跟蹤，因而其解調(diào)模塊設(shè)計最為簡單。其實現(xiàn)方法如下，對發(fā)射機比特流進行差分編碼，解調(diào)時將混頻后的信號送入延遲模塊930，延遲模塊930的輸出信號與輸入信號間有T的延遲(T為傳輸信號的符號周期)，將延遲模塊930 的輸出信號與輸入信號送入乘法器950進行自相關(guān)運算，將相關(guān)結(jié)果送入低通濾波器940 即可得到解調(diào)信號。在相干解調(diào)的同時，同時，光學(xué)混頻模塊、殘余頻偏估計模塊920以及第二穩(wěn)頻激光器組成鎖頻環(huán)控制穩(wěn)頻激光器對接收激光信號進行鎖頻控制。其工作流程如下DAPT模塊啟動，開始建立激光鏈路，第二穩(wěn)頻激光器輸出固定頻率的本振激光信號。2)激光鏈路建立之后，發(fā)射機相對位置速度估計模塊根據(jù)APT模塊建立鏈路過程中所獲得的觀測信號估計收發(fā)機間的相對速度，接收機多普勒估計模塊負責(zé)根據(jù)發(fā)射機速度信息估計接收光信號的多普勒頻偏。3)根據(jù)多普勒頻偏估計結(jié)果改變第二穩(wěn)頻激光器輸出光信號頻率，進行初始頻偏補償。4)接收信號延遲一個符號周期后進行DBPSK解碼，同時第二穩(wěn)頻激光器進入鎖頻工作模式。相干無線激光通信方法實施例另一方面，本發(fā)明還公開了一種相干無線激光通信方法，基于該方法的接收機依據(jù)如下步驟進行通信步驟1，APT模塊建立激光鏈路；將第二穩(wěn)頻激光器鎖定在固定的頻率基準上，輸出固定頻率的本振激光信號；步驟2，在激光鏈路建立之后，發(fā)射機相對位置速度估計模塊根據(jù)APT模塊建立鏈路過程中所獲得的觀測信號，估計收發(fā)機間的相對速度；接收機多普勒偏估計模塊根據(jù)發(fā)射機速度信息估計接收光信號的多普勒頻偏；步驟3，將第二穩(wěn)頻激光器切換到頻率預(yù)置模式，將多普勒頻偏置入第二穩(wěn)頻激光器的頻率控制字，對步驟1中的固定頻率的激光信號進行初始頻偏補償，并保持補償后的激光信號頻率，進而完成激光信號的捕獲；步驟4，通過相位同步跟蹤，由相干解調(diào)模塊對捕獲的激光信號進行解調(diào)。在一個實施例中，步驟4中的相位同步跟蹤為基于反饋的相干鎖相跟蹤，采用兩輪頻率補償加相干解調(diào)策略，具體為初始頻偏補償結(jié)束后，相干解調(diào)模塊對接收光信號進行頻偏估計，并將頻偏估計結(jié)果置入第二穩(wěn)頻激光器進行殘余頻率補償，將光學(xué)混頻模塊的輸入艮的頻偏控制在鎖相環(huán)的快捕帶內(nèi)；光學(xué)鎖相環(huán)控制第二穩(wěn)頻激光器對輸入信號的相位進行鎖相跟蹤。鎖相環(huán)的方案可以采用科斯塔斯環(huán)、判決反饋或抖動環(huán)等進行實現(xiàn)。
圖5給出了科斯塔斯環(huán)的實現(xiàn)方案，其環(huán)路有兩個通道，同相分量和正交分量。在同相通道中，輸入光信號和第二穩(wěn)頻激光器輸出的本振光信號直接疊加。在正交相位通道中輸入信號相位90°相移后再和本振光信號疊加。實現(xiàn)這種疊加的器件是光學(xué)正交混頻器 510。疊加后的光信號經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換模塊520后得到相應(yīng)的電信號。兩路電信號通過相位估計器530得到相差信號，經(jīng)過環(huán)路濾波器550后作為第二穩(wěn)頻激光器MO的輸入以完成鎖相同步功能。圖6給出了抖動環(huán)的實現(xiàn)方案，第二穩(wěn)頻激光器輸出的本振光中加入一個小的相位擾動，稱為振蕩信號，振蕩信號由鎖相環(huán)路中正弦抖動信號模塊670產(chǎn)生。振蕩信號傳輸?shù)秸麄€系統(tǒng)中，在輸出信號中作為一個波動被探測到。若存在相位差，則輸出包含有振蕩信號頻率部分。其幅值與相位差成正比，相位取決于相位差的正負。因此在解調(diào)的時候，可通過這個振蕩信號得到相位差信號。抖動環(huán)的環(huán)路只有一個同相分量。在同相通道中，輸入信號和本振光信號直接疊加。實現(xiàn)這種疊加的器件是180° /3dB光耦合器610。疊加后的光信號經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換模塊620后得到相應(yīng)的電信號。光電轉(zhuǎn)換模塊620的輸出經(jīng)過功率探測模塊630后與正弦抖動信號模塊670的正交分量相乘后得到相位誤差信號，相位誤差信號經(jīng)過環(huán)路濾波器650后作為第二穩(wěn)頻激光器680的輸入以完成鎖相同步功能?；阪i相環(huán)方案的接收機相位跟蹤誤差小，但是在工作過程中鎖相環(huán)入鎖需要一定時間，因而適用于通信信號連續(xù)不間斷的情況。在另一個實施例中，步驟4中的解調(diào)基于導(dǎo)頻前饋對接收激光信號的相位進行相位跟蹤，具體為在發(fā)送數(shù)據(jù)中加入作為導(dǎo)頻的輔助同步序列，通過導(dǎo)頻對接收激光信號進行同步；初始頻偏補償結(jié)束后，相干解調(diào)模塊對接收信號頻偏進行估計，并將頻偏估計結(jié)果置入第二穩(wěn)頻激光器進行殘余頻率補償；隨后根據(jù)導(dǎo)頻對接收激光信號的時偏、相偏和頻偏進行估計，根據(jù)時偏、相偏和頻偏估計結(jié)果對接收信號進行前饋同步；同時，控制第二穩(wěn)頻激光器，對接收激光信號進行鎖頻控制。該方法通過圖7所述的系統(tǒng)實現(xiàn)該實施例采用前饋方案對接收激光信號的相位進行跟蹤。圖8給出了基于導(dǎo)頻前饋的無線激光通信接收機數(shù)據(jù)幀導(dǎo)頻設(shè)計。其導(dǎo)頻分布共有3種方式，導(dǎo)頻分布在數(shù)據(jù)幀幀頭10，導(dǎo)頻分布在數(shù)據(jù)幀幀尾20以及導(dǎo)頻均勻分布在數(shù)據(jù)幀內(nèi)30。導(dǎo)頻長度以及分布方式的選取由信道變化快慢以及接收信號信噪比決定，其具體設(shè)計可以通過仿真確定?；趯?dǎo)頻前饋的無線激光通信接收機方案相位跟蹤性能不如鎖相環(huán)方案，但是解調(diào)不需要等待鎖相環(huán)入鎖后再進行，因而適用于突發(fā)通信模式。在另一個實施例中，步驟4的解調(diào)為基于DBPSK的自相干解調(diào)，該方法基于圖9所表示的系統(tǒng)。具體為，對發(fā)射機比特流進行差分編碼，解調(diào)時將混頻后的信號送入延遲模塊 930，延遲模塊930的輸出信號與輸入信號間有延遲，將延遲模塊930的輸出信號與輸入信號進行自相關(guān)運算，將相關(guān)結(jié)果送入低通濾波器940即得到解調(diào)信號；在相干解調(diào)的同時， 光學(xué)混頻模塊、殘余頻偏估計模塊920以及第二穩(wěn)頻激光器組成鎖頻環(huán)，對接收激光信號進行鎖頻控制。以上對本發(fā)明所提供的一種基于穩(wěn)頻激光器的相干無線激光通信系統(tǒng)、方法及接收機進行了詳細介紹，本文中應(yīng)用了具體實施例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述， 以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實施方式
及應(yīng)用范圍上均會有改變之處。綜上，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。
權(quán)利要求
1.一種基于穩(wěn)頻激光器的相干無線激光通信系統(tǒng)，其特征在于采用穩(wěn)頻激光器作為通信的發(fā)射光源和接收本振光源，包括發(fā)射機和接收機，其中，所述發(fā)射機包括依次連接的信源模塊、調(diào)制模塊以及第一穩(wěn)頻激光器；所述信源模塊用于產(chǎn)生待發(fā)送的數(shù)據(jù)，所述調(diào)制模塊用于將所述信源模塊的輸出調(diào)制到所述第一穩(wěn)頻激光器輸出激光上；所述接收機包括光學(xué)混頻模塊、相干解調(diào)模塊、激光鏈路瞄準捕獲跟蹤(APT)模塊、發(fā)射機相對位置速度估計模塊、接收機多普勒頻偏估計模塊和第二穩(wěn)頻激光器；其中，所述光學(xué)混頻模塊、所述相干解調(diào)模塊、所述第二穩(wěn)頻激光器依次連接，完成激光信號跟蹤解調(diào)；并且所述APT模塊、所述發(fā)射機相對位置速度估計模塊和所述接收機多普勒頻偏估計模塊的輸入端依次連接，所述接收機多普勒頻偏估計模塊的輸出端連接至與所述第二穩(wěn)頻激光器相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相干無線激光通信系統(tǒng)，其特征在于，所述相干解調(diào)模塊包括分別與所述光學(xué)混頻模塊相連接的殘余頻偏估計模塊和鑒相器，所述鑒相器還連接有濾波器，所述殘余頻偏估計模塊的輸出端和所述濾波器的輸出端均與所述第二穩(wěn)頻激光器相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相干無線激光通信系統(tǒng)，其特征在于，所述相干解調(diào)模塊包括相連接的信道補償模塊、信道估計模塊和殘余頻偏估計模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相干無線激光通信系統(tǒng)，其特征在于，所述相干解調(diào)模塊包括延遲模塊、低通濾波模塊和乘法器，其中，所述延遲模塊的輸出與所述乘法器相連，所述乘法器的輸出與低通濾波器相連；并且，所述光學(xué)混頻模塊的輸出分別與所述延遲模塊的輸入和所述乘法器的輸入相連接。
5.一種接收機，其特征在于，包括光學(xué)混頻模塊、相干解調(diào)模塊、APT模塊、發(fā)射機相對位置速度估計模塊、接收機多普勒頻偏估計模塊和第二穩(wěn)頻激光器；其中，所述光學(xué)混頻模塊、所述相干解調(diào)模塊、所述第二穩(wěn)頻激光器依次連接組成光學(xué)鎖相環(huán)，所述光學(xué)鎖相環(huán)完成激光信號鎖相跟蹤解調(diào)；并且所述APT模塊、所述發(fā)射機相對位置速度估計模塊和所述接收機多普勒頻偏估計模塊依次連接后，通過所述接收機多普勒頻偏估計模塊連接至所述第二穩(wěn)頻激光器。
6.一種基于權(quán)利要求1所述通信系統(tǒng)的相干無線激光通信方法，其特征在于，所述接收機依據(jù)如下步驟進行通信步驟一，將所述第二穩(wěn)頻激光器鎖定在固定的頻率基準上，輸出固定頻率的本振激光信號；步驟二，所述APT模塊開始建立激光鏈路，當(dāng)鏈路建立成功后，所述發(fā)射機相對位置速度估計模塊根據(jù)所述APT模塊建立鏈路過程中所獲得的觀測信號，估計所述接收機和發(fā)射機的相對位置和速度；所述接收機多普勒頻偏估計模塊根據(jù)發(fā)射機相對位置速度信息估計接收光信號的多普勒頻偏；步驟三，所述第二穩(wěn)頻激光器切換到頻率預(yù)置模式，將所述多普勒頻偏置入第二穩(wěn)頻激光器的頻率控制字，對所述步驟一中的本振激光信號進行初始頻偏補償，并保持補償后的激光信號頻率，進而完成激光信號的捕獲；步驟四，通過相位同步跟蹤，由所述相干解調(diào)模塊對捕獲的激光信號進行解調(diào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的相干無線激光通信方法，其特征在于，所述步驟四中的相位同步跟蹤為基于反饋的相干鎖相跟蹤算法，采用兩輪頻率補償加相干解調(diào)的策略，具體為初始頻偏補償結(jié)束后，相干解調(diào)模塊對接收信號進行頻偏估計， 并將頻偏估計結(jié)果置入第二穩(wěn)頻激光器進行殘余頻率補償，將光學(xué)混頻模塊中輸入信號的頻偏控制在鎖相環(huán)的快捕帶內(nèi)；所述光學(xué)鎖相環(huán)控制所述第二穩(wěn)頻激光器對輸入信號的相位進行鎖相跟蹤。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的相干無線激光通信方法，其特征在于，所述步驟四中的解調(diào)基于導(dǎo)頻前饋方法對接收激光信號的相位進行相位跟蹤，具體為在發(fā)送數(shù)據(jù)中加入作為導(dǎo)頻的輔助同步序列，接收機通過導(dǎo)頻對光學(xué)混頻模塊中的輸入信號進行同步；初始頻偏補償結(jié)束后，相干解調(diào)模塊對接收信號頻偏進行估計，并將頻偏估計結(jié)果置入第二穩(wěn)頻激光器進行殘余頻率補償；隨后接收機利用導(dǎo)頻對接收激光信號的時偏、相偏和頻偏進行估計，根據(jù)時偏、相偏和頻偏估計結(jié)果對光學(xué)混頻模塊中的輸入信號進行前饋同步；同時，控制第二穩(wěn)頻激光器，對接收激光信號進行鎖頻控制。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的相干無線激光通信方法，其特征在于，所述步驟四中的解調(diào)為基于差分二進制相移鍵控(DBPSK)的自相干解調(diào)，具體為，對發(fā)射機的輸入信號比特流進行差分編碼，解調(diào)時將混頻后的信號送入延遲模塊，延遲模塊的輸出信號與輸入信號間有延遲，將延遲模塊的輸出信號與輸入信號進行自相關(guān)運算，將相關(guān)結(jié)果送入低通濾波器即得到解調(diào)信號；在相干解調(diào)的同時，光學(xué)混頻模塊、殘余頻偏估計模塊以及第二穩(wěn)頻激光器組成鎖頻環(huán)控制穩(wěn)頻激光器對接收激光信號進行鎖頻控制。
10.根據(jù)權(quán)利要求7至9中任一項所述的相干無線激光通信方法，其特征在于，所述步驟四中的解調(diào)通過模擬電路或數(shù)字器件實現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于穩(wěn)頻激光器的相干無線激光通信系統(tǒng)、方法及接收機。該系統(tǒng)的特色是采用穩(wěn)頻激光器作為通信的發(fā)射光源和接收本振光源。其中，發(fā)射機包括信源模塊、調(diào)制模塊以及第一穩(wěn)頻激光器；接收機包括光學(xué)混頻模塊、相干解調(diào)模塊、瞄準捕獲跟蹤(APT)模塊、發(fā)射機相對位置速度估計模塊、接收機多普勒頻偏估計模塊和第二穩(wěn)頻激光器；所述光學(xué)混頻模塊、所述相干解調(diào)模塊、所述第二穩(wěn)頻激光器依次連接，完成激光信號跟蹤解調(diào)。本發(fā)明能夠在大光學(xué)多普勒頻移動態(tài)條件下完成激光信號捕獲跟蹤，信號捕獲速度快，信號同步精度高。
文檔編號H04B10/10GK102185653SQ20111010479
公開日2011年9月14日 申請日期2011年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月26日
發(fā)明者劉璐, 周喆颋, 涂波 申請人:北京大學(xué)