阅读说明：本技术 基于欠采样的数模混合式光学锁相环系统 (Digital-analog hybrid optical phase-locked loop system based on undersampling ) 是由 孙建锋 鲁绍文 陈卫标 周煜 侯霞 朱韧 朱小磊 于 2019-09-23 设计创作，主要内容包括：一种基于欠采样的数模混合式光学锁相环系统,可应用于高速高灵敏度的零差相干解调激光通信系统中。通过将信号光和本振光经90度光学桥接器和平衡探测器转化为模拟电信号后,模拟数字转换器(ADC)对该电信号进行欠采样,以现场可编程逻辑门阵列(FPGA)为控制器来提取相位误差信号,相位误差信号经过数字环路滤波后驱动直接数字频率合成器(DDS)产生频率和相位都受控的误差信号,进而实现光学锁相。本发明的特点是采用欠采样的方式实现相位误差信号的提取,减小了对接收端电子学带宽及数字信号处理速度的要求。同时通过外调制的方式控制本振光,提高了环路控制带宽和锁相性能。本发明可以实现高速高灵敏度的零差相干解调。(A digital-analog hybrid optical phase-locked loop system based on undersampling can be applied to a homodyne coherent demodulation laser communication system with high speed and high sensitivity. After signal light and local oscillation light are converted into analog electric signals through a 90-degree optical bridge and a balance detector, an analog-to-digital converter (ADC) performs undersampling on the electric signals, a Field Programmable Gate Array (FPGA) is used as a controller to extract phase error signals, the phase error signals are filtered by a digital loop and then drive a direct digital frequency synthesizer (DDS) to generate error signals with controlled frequency and phase, and optical phase locking is further achieved. The invention is characterized in that the extraction of the phase error signal is realized by adopting an undersampling mode, and the requirements on the electronic bandwidth and the digital signal processing speed of a receiving end are reduced. Meanwhile, the local oscillator light is controlled in an external modulation mode, so that the loop control bandwidth and the phase locking performance are improved. The invention can realize high-speed and high-sensitivity homodyne coherent demodulation.)

基于欠采样的数模混合式光学锁相环系统

技术领域

本发明涉及高速零差相干解调的相干光通信领域，特别是一种基于欠采样的数模混合式光学锁相环系统，该系统装置可以放宽对接收电子学器件带宽的要求。

背景技术

相干激光通信具有高速率、高灵敏度等优点，正在逐步取代传统的强度调制直接探测。对于高速光信号的零差相干接收而言，接收端需要一个光学锁相环对本振光和接收到的信号光进行相位误差信号的提取进而锁定。光学锁相环的实现主要有两个技术难点：首先是在高速率调制下，锁相误差信号的提取；其次是本振光的控制方式。

现有技术[1](孙建锋,许蒙蒙,张波,等.基于2X4 90°光学桥接器的自由空间相干光通信探测装置：CN105634591A.2016)提出用VCO对本振光进行边带调制以提高本振光的控制带宽。这种方式可以把光学锁相环的闭环带宽提高到600KHz附近，但是该类本振光控制方式较为复杂且光学效率较低。现有技术[2](徐健,黄丽艳,何国良,等.一种相干光接收装置中的载波相位估计方法:CN105763265A.2016)提出在数字域采用载波相位估计的方法进行信号解调，这种解调方式不需要对本振光进行精确的锁相控制，但是对DSP和ADC的处理速度要求较高。不利于接收装置的小型化、轻量化。

为了解决高速率下锁相误差信号的提取以及简化本振光的控制方式问题，我们开展了基于欠采样的数模混合式光学锁相环系统装置，这将对高速率、高灵敏度的零差相干解调具有非常重要的意义。

发明内容

本发明主要针对高速高灵敏度的零差相干解调激光通信系统，提出了一种基于欠采样的数模混合式光学锁相环系统。本系统可以快速实现光学锁相和信号解调。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于欠采样的数模混合式光学锁相环系统，其特点在于：该系统包括第一激光器、IQ调制器、第一驱动器、第二驱动器、第一分束器、IQ偏压控制器、可调衰减器、第二分束器、光学放大器、光功率计、90度光学桥接器、第一探测器、第二探测器、第三探测器、第四探测器、电学放大器、ADC、FPGA、第一DAC、激光器外调制单元、第二DAC、第二激光器、限幅放大器和误码仪，上述元部件的位置关系如下：

所述的第一激光器的输出端与所述的IQ调制器的1输入端相连，该IQ调制器的输出端与所述的第一分束器的输入端相连，该第一分束器将入射光分为两路：一路经所述的可调衰减器进入第二分束器，另一路进入所述的IQ偏压控制器的输入端，该IQ偏压控制器的1、2、3输出端分别与所述的IQ调制器的4、5、6输入端相连；

所述的第二分束器将入射光分为两路：一路供所述的光功率计检测，另一路经所述的光学放大器放大后输入所述的90度光学桥接器的1输入端，该90度光学桥接器的1、2、3、4输出端的输出分别供所述的第一探测器、第二探测器、第三探测器、第四探测器探测，所述的第一探测器、第二探测器的输出端分别与所述的限幅放大器的1、2输入端相连，该限幅放大器的1、2输出端分别与所述的误码仪的 1、2输入端相连，该误码仪的1、2输出端分别经所述的第一驱动器、第二驱动器与所述的IQ调制器的2、3输入端相连，所述的第三探测器、第四探测器的输出端分别与所述的电学放大器的1、2输入端相连，该电学放大器的1、2输出端与所述的ADC的1、2输入端相连，该ADC的1、2输出端与所述的FPGA的1、2输入端相连，该FPGA的1输出端经所述的第一DAC输入所述的激光器外调制单元的1输入端，所述的FPGA的2输出端经所述的第二DAC与所述的第二激光器的控制端相连，该第二激光器的输出端与所述的激光器外调制单元的2输入端相连，所述的激光器外调制单元的输出端与所述的90度光学桥接器的2输入端相连。

本发明的工作过程是：

在信号光的发射端，所述的第一驱动器和第二驱动器将误码仪产生的两路高速电信号放大后经IQ调制器将该电信号加载到第一激光器输出的信号光上，第一分束器用于将调制后的信号光分成两路，其中一路输入到IQ偏压控制器中以反馈控制IQ调制器偏压点；另外一路输入到可调衰减器中，用于实时调节发射端的光功率。其中，第二分束器将经过可调衰减器输出的光分出两路，其中一路输入到光功率计中，用于实时监测光功率；另外一路信号光经过光学放大器放大后，入射到接收端。

在信号的接收端，所述的90度光学桥接器将经光学放大器放大后的信号光和本振光进行相位分集接收，第一探测器、第二探测器、第三探测器和第四探测器将 90度光学桥接器输出相位差为90度的四路干涉信号转换为对应的电信号。第三探测器和第四探测器输出的IQ两路信号经过电学放大器放大后，通过ADC转换为对应的数字信号。FPGA根据ADC输出的数字信号提取出相应的误差信号，该误差信号依次经过第一DAC和激光器外调制单元，用于将该误差信号转换为模拟信号并加载到第二激光器输出的本振光上，形成光学锁相环的闭环控制。

所述的FPGA主要完成四次方查找表、数字环路滤波器以及DDS的功能。其中，四次方查找表根据输入的IQ两路信号提取出相位误差信号；数字环路滤波器对提取出的相位误差信号进行PID算法处理；将经PID算法处理后的信号输入到DDS中，生成频率和相位均受控的信号。

所述的第二DAC根据相位误差信号控制第二激光器，进行光学锁相环路的初始捕获。光学锁相环环路稳定工作后，第一探测器和第二探测器输出的两路信号经过限幅放大器放大，放大后的信号输入到误码仪上测试系统的通信灵敏度和误码率。

本发明的优点在于如下：

1、接收端采用零差相干探测的方式，可以达到近散粒噪声极限的通信灵敏速度。同时，通过欠采样相位误差信号解算的方式解决高速率相干接收时因电子学带宽受限而无法提取相位误差信号的难题。

2、该装置通过单个FPGA实现四次方查找表、数字PID算法的环路滤波器和DDS 的功能，具备失锁后自动重新锁定的功能。减小了稳态下的锁相误差以及对激光器线宽的要求。

3、该装置采用本振激光器外调制的方式，避免了直接调制本振光时带宽受限的问题，提高了锁相环路的控制带宽。简化了本振光的控制方式，有效的保证了锁相环的可靠性。

4、该装置采用初始环路捕获的辅助环路。同时，在环路锁定后及时对误差信号进行卸载，提高了对信号光频率变化的容忍度。避免了由于信号光频率大范围漂移造成的锁相环路失锁。

5、该装置的光学锁相电路设计简单，可兼容BPSK/QPSK等高阶调制的零差相干接收。

附图说明

图1为本发明基于欠采样的数模混合式光学锁相环系统的结构框图。

图中：1—第一激光器、2—IQ调制器、3—第一驱动器、4—第二驱动器、5—第一分束器、6—IQ偏压控制器、7—可调衰减器、8—第二分束器、9—光学放大器、 10—光功率计、11—90度光学桥接器、12—第一探测器、13—第二探测器、14—第三探测器、15—第四探测器、16—电学放大器、17—ADC、18—FPGA、19—第一DAC、 20—激光器外调制单元、21—第二DAC、22—第二激光器、23—限幅放大器、24—误码仪、

具体实施方式

下面结合实施案例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请参阅图1，图1是本发明基于欠采样的数模混合式光学锁相环系统的结构框图，实线部分为电信号的连接，虚线部分为光信号的相连。由图可见，本发明基于欠采样的数模混合式光学锁相环系统，包括第一激光器1、IQ调制器2、第一驱动器3、第二驱动器4、第一分束器5、IQ偏压控制器6、可调衰减器7、第二分束器8、光学放大器9、光功率计10、90度光学桥接器11、第一探测器12、第二探测器13、第三探测器14、第四探测器15、电学放大器16、ADC17、FPGA18、第一 DAC19、激光器外调制单元20、第二DAC21、第二激光器22、限幅放大器23和误码仪24，上述元部件的位置关系如下：

所述的第一激光器1的输出端与所述的IQ调制器2的1输入端相连，该IQ调制器2的输出端与所述的第一分束器5的输入端相连，该第一分束器5将入射光分为两路：一路经所述的可调衰减器7进入第二分束器8，另一路进入所述的IQ 偏压控制器6的输入端，该IQ偏压控制器6的1、2、3输出端分别与所述的IQ调制器2的4、5、6输入端相连；

所述的第二分束器8将入射光分为两路：一路输出光供所述的光功率计10检测，另一路输出光经所述的光学放大器9放大后输入所述的90度光学桥接器11的 1输入端，该90度光学桥接器11的1、2、3、4输出端分别供所述的第一探测器12、第二探测器13、第三探测器14、第四探测器15探测，所述的第一探测器12、第二探测器13的输出端分别与所述的限幅放大器23的1、2输入端相连，该限幅放大器23的1、2输出端分别与所述的误码仪24的1、2输入端相连，该误码仪24 的1、2输出端分别经所述的第一驱动器3、第二驱动器4与所述的IQ调制器2的 2、3输入端相连，所述的第三探测器14、第四探测器15的输出端分别与所述的电学放大器16的1、2输入端相连，该电学放大器16的1、2输出端与所述的ADC17 的1、2输入端相连，该ADC17的1、2输出端与所述的FPGA18的1、2输入端相连，该FPGA18的1输出端经所述的第一DAC19输入所述的激光器外调制单元20的1输入端，所述的FPGA18的2输出端经所述的第二DAC21与所述的第二激光器22的控制端相连，该第二激光器22的输出端与所述的激光器外调制单元20的2输入端相连，所述的激光器外调制单元20的输出端与所述的90度光学桥接器11的2输入端相连。

在信号光的发射端，所述的第一驱动器3和第二驱动器4将误码仪24产生的两路高速电信号放大后经IQ调制器2将该电信号加载到第一激光器1上。第一分束器5用于将调制后的信号光分成两路，其中一路输入到IQ偏压控制器6中以反馈控制IQ调制器2的偏压点；另外一路输入到可调衰减器7中，用于实时调节发射端的光功率。其中，第二分束器8将经过可调衰减器7输出的光分出两路，其中一路输入到光功率计10中，用于实时监测光功率；另外一路信号光经过光学放大器9放大后，入射到接收端。

在信号的接收端，所述的90度光学桥接器11将经光学放大器9放大后的信号光和本振光进行相位分集接收，第一探测器12、第二探测器13、第三探测器14和第四探测器15将90度光学桥接器11输出相位差为90度的四路干涉信号转换为对应的电信号。其中，第三探测器14和第四探测器15输出的IQ两路信号经过第一电学放大器16放大后，通过ADC17转换为对应的数字信号。FPGA18根据ADC输出的数字信号提取出相应的相位误差信号。第一DAC19将误差信号转化为模拟信号，通过激光器外调制单元20将FPGA产生的相位误差信号加载到第二激光器22产生调制光信号，形成光学锁相环的闭环控制。

所述的FPGA11主要完成四次方查找表、数字环路滤波器以及DDS的功能。其中，四次方查找表根据输入的IQ两路信号提取出相位误差信号；数字环路滤波器对提取出的相位误差信号进行PID算法处理；将经PID算法处理后的信号输入到DDS 中，生成频率和相位均受控的信号。

所述的第二DAC21根据相位误差信号控制第二激光器22，进行光学锁相环路的初始捕获。光学锁相环环路稳定工作后，第一探测器11和第二探测器12输出的两路信号经过限幅放大器23放大，放大后的信号输入到误码仪24上测试系统的通信灵敏度和误码率。

本发明一种基于欠采样的数模混合式光学锁相环系统工作时,具体操作步骤如下：

1)第三探测器(14)和第四探测器(15)将90度光学桥接器(11)输出IQ两路信号转换为对应的电信号V_I(t)和V_Q(t)：

其中，R和R_L表示探测器的响应度和夸阻阻值；P_S和P_L表示信号光功率和本振光功率；

和

表示信号光相位噪声和本振光相位；θ(t)代表调制信号相位，对于QPSK调制θ(t)＝0,π/2,π,3π/2,对于BPSK调制θ(t)＝0,π。

2)将第三探测器14、第四探测器15输出的IQ两路信号经过ADC(17)转换为相应的数字信号，两路信号进行同步采样，采样率为2GHz。采样的后电信号V_I(t)和 V_Q(t)：

3)FPGA(18)首先采用四次方查找表从IQ两路数字信号中提取出相位误差信号 x[k]。四次方查找表对应的数学表达式为：

将提取出的相位误差信号x[k]进行环路滤波处理，该环路滤波器由数字PID控制算法实现，对应的传递函数可以表达为：

经过环路滤波后的相位误差信号控制DDS产生频率和相位都受控的误差信号。

4)在第3步的四次方查找表提取相位误差信号的同时，同步解算信号光和本振光的频差，第二DAC(21)根据此频差信号直接控制本振激光器，频差不断的减小最终进入环路的捕获带中。完成锁相环路的初始捕获。

5)DDS输出的信号经过第一DAC(19)转换为模拟信号，激光器外调制单元(20) 根据该模拟信号对第二激光器(20)输出的本振光信号进行调制。

6)将激光器外调制单元(20)输出的光信号。输入到90度光学桥接器(11)中形成闭环。

7)锁相环路锁定后，将第一探测器(12)和第二探测器(13)输出的电信号经限幅放大器(23)放大后输入到误码仪(24)中。

8)通过调节可调衰减器(7)改变输入信号光的功率，测试在不同输入信号光功率下对应的误码率。