空间零差相干光通信的锁相技术

刘旭东，李　晶，郭肃丽，杨　旭

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0　引言

随着卫星探测能力的不断增强，星载分辨率极高的传感器产生了海量的探测数据需及时传回地面站[1]。因此，对星地链路数据传输速率的要求越来越高，骨干链路数据速率需求甚至超过20 Gbps；另外，低轨道卫星(LEO)从地面站上空经过的时间短，很难完成大数据量的回传。大量数据需要经过对地静止轨道(GEO)转发至地面站[2-3]，带来了35 000 km超远距离传输信号衰减严重的问题。

空间光通信是未来高数据速率、远距离空间通信的重要发展方向[4-7]。对比微波无线通信系统，光通信在传输速率、灵敏度、功耗体积和信息安全性等方面具有明显优势。根据调制、解调体制不同，将光通信划分为强度调制/直接探测和多调制方式/相干探测2类，后者具有更高的灵敏度，约10～20 dB。相干探测体制的光通信系统根据接收信号光与本振光频率差是否相等，又可划分为外差和零差两类，后者具有更高的灵敏度，约3 dB。为此，零差相干光通信技术成为国内外研究热点。

零差相干光通信系统能实现光的自锁相，要求接收信号光和本振光频率、相位同步。这也是该系统灵敏度高的原因。国内上海光机所[9-10]、长春光机所[11]、北京邮电大学[12]和电子科大[13]等研究机构均已开展了星地/星间光通信应用研究。而针对零差相干体制下的光锁相环技术，各家尚处于理论和原理验证阶段。为此，研究了星间光传输链路特性，分析了零差相干光通信的光锁相技术需求指标，建立了零差相干光通信系统模型，得到了信号光相位锁定过程以及失锁的边界条件。

1　星间光传输特性

1.1　动态性

星间、星地链路的动态特性研究采用以下卫星轨道根数，如表1所示。

表1GEO和LEO轨道根数

卫星a/kmeiΩωMGEO42 164.20°0°0°77°298.68°LEO6 686.220°98°0°224.328°0°

地面站位置设为东经74°，北纬36°。光通信系统取1 550 nm频段，利用下面公式计算多普勒频移[14]。

Δf=f×(v/c)。

(1)

经过卫星工具软件仿真。1 550 nm光频率f取193 THz，光速c取2.9×108 m/s，径向速度v通过对距离求导来得到。计算结果是：GEO对地的多普勒频移为-47.39～45.25 kHz，GEO对LEO的多普勒频移为-5.004～5.008 GHz。

1.2　激光器频差

GEO、LEO星载光通信终端不共源，两激光器所处环境温度不同产生了频率差，通常这一差值可达到GHz量级[15]，而锁相环的固有捕获带宽一般都比较窄，难以满足激光相干解调器的指标要求。因此需要突破大频偏载波捕获技术，扩展环路的捕获带宽，使解调器在有较大频偏的情况下仍能正常工作。目前通常采用光锁相环实现混频光信号的相干探测，并将相干光信号转变为电信号；除此之外，需要额外增加一个锁频环路，即频差捕获电路。此大范围的频差补偿往往通过本振激光器温度控制调节实现，根据卫星轨道预报，多普勒可被预测为随时间连续的数据，根据文献[16]，多普勒频移的残差可缩小至30 MHz。本文重点研究频率差缩小至一定范围后，窄捕获带下的快速捕获技术。

1.3　相干光探测原理

零差相干光通信系统包括发射激光器、本振激光器、信号光的耦合(光学混频器)、平衡接收、光锁相环(OPLL)和信号处理部分，其组成如图1所示。为提高接收增益(灵敏度)，需将接收信号光与本振光在光学混频器中进行干涉混合。当2束光的偏振方向、频率和相位基本一致时(外差)，光电探测器可从混频器输出端检测到含有频率和相位噪声的信号；当本振光与信号光的频率相等时(零差)，探测器输出信号掺杂噪声最低。理论计算表明零差探测灵敏度比外差探测高约3 dB[17]。

图1　零差相干光系统主要模块

2　零差相干光系统建模

2.1　系统方案

首先确定选取哪种光锁相环(OPLL)，OPLL分为平衡锁相环、科斯塔斯锁相环和判决反馈锁相环等。平衡锁相环是以180°混频器为基础构成的线性OPLL，为避免相位相消，需要传输在残余载波，要求本振光垂直于残余载波做锁相，才能保证本振光和接收信号光的相位相同，且线性OPLL不易消除直流分量。故此考虑后面2种锁相环之一，两者均是以90°混频器为基础构成的非线性OPLL，可采用交流耦合前置电路消除直流分量。从性能上看，判决反馈锁相环优于科斯塔斯环，但对激光器的线宽要求更加严格，并且为了实现I、Q支路同步，需要精准控制1 bit时延，高速率条件下技术实现难度大。故此，在综合考虑之下选择了科斯塔斯光锁相环。根据图1在Matlab/Siumlink环境下搭建零差相干光通信仿真模型，主要包含：激光发射器和外调制器、本振激光器和压电调节器(PZT)、90°光混频器和光电探测器、环路低通滤波器和信号处理部分。

2.2　外调制激光发射器

激光发射器和外调制器主要指标包括：信号光功率、相位初值、调制信息、激光器线宽和相位噪声等。经相位调制后的信号光由式(2)表示：

(2)

图2　激光发射器和外调制器

式中，接收光的功率为Ps、幅度为Es、初始相位为θs，调制深度为φ，BPSK双极性调制信息为d(t)。BPSK相位调制原理是：将随机码发生器产生的随机二进制信号转换为双极性(±1)信号，与相位调制指数θ相乘后与光载波混频，完成信号光调制。

引入频率偏移(多普勒)、频率噪声、相位初值和相位噪声后，调制到光载波频段。建立的发射激光器及外调制模块如图2所示。

2.3　本振激光器及压电调节器(PZT)

本振激光器和压电调谐节器(PZT)主要参数包括：本振光功率、相对信号光的频偏，初始相位、PZT 压电调节系数和相位噪声。本地激光器输出可用式(3)表示：

(3)

PZT输入电信号经电压/频率转换，经过积分器可得到所需的调谐信号。引入频率偏移(固定)、相位噪声后，调制到光载波频段，建立的本振激光器及PZT模块如图3所示。

图3　本振激光器及PZT调谐模块

2.4　相干光混频器

科斯塔斯锁相环的90°光混频器输出相位相差90°的4路光信号：

(4)

(5)

经过光电探测后四路电信号表示为：

(6)

(7)

(8)

(9)

图4　90°光混频器模块

3　零差相干光通信系统仿真

3.1　系统参数设计

将上节中介绍的各个模块封装后连接，可进行零差相干光通信系统仿真。开展BPSK传输速率、锁相时间、相位误差水平等方面的仿真试验。在此之前需对系统参数进行配置，下面介绍主要模块的参数设计情况。

3.1.1激光器参数

发射端1 550 nm激光器功率设置为10 dBm(10 mW)，线宽1 kHz，相对强度噪声系数-140 dB/Hz。当传输距离为35 000 km时，接收光信号功率为-50 dBm。接收端1 550 nm激光器参数和发端相同，PZT调节系数取1 MHz/V@100 MHz，控制带宽为100 kHz。

3.1.2OPLL参数

影响科斯塔斯OPLL锁定时间的2个重要参数是信号快速捕获时间和捕获带宽大小。其中，快速捕获时间是OPLL入锁所需要的时间，捕获带宽是环路能够快捕入锁的最大频差。在捕获过程环路锁定的条件是，相位差的改变时间大于OPLL鉴相特性周期时间。

本文采用的无源超前滞后滤波器的快捕时间和捕获带宽计算公式为：TL≈2π/ωn；ΔωL=2ξωn[18]；ξ表示阻尼系数；ωn表示阻尼系数为0时的自然频率：ωn=(K/τ1)1/2；K表示环路增益。系统参数配置如表2所示。

表2锁相环参数配置

参数名称科斯塔斯锁相环数值光电二极管灵敏度R/(A/W)0.5接收器跨阻r/Ω1 000环路滤波器系数τ1/ms29.7环路滤波器系数τ2/μs22.5环路增益K/(Mrad/s)500阻尼系数ξ1.4相位调制指数φ/(°)60快捕范围ΔωL/KHz100快捕时间TL/μs28

3.2　不同频差的锁相过程

通过对带有补偿多普勒频移的相干零差1 550 nm激光通信系统进行了的系统建模，对BPSK信号1 Gbps数据传输收发仿真，改变频移大小观察光锁相环输出至光电探测器的信号电平，如图5、图6和图7所示。

图5　频差45 MHz时探测器输出信号

图6　频差47 MHz时探测器输出信号

图7　频差50 MHz时探测器输出信号

得到结论如下：

① 在没有残余载波情况下，通过科斯塔斯锁相环本振激光器控制可实现光相位的快速锁定(ns级)，频差范围：±50 MHz；

② 补偿超过±5 GHz的多普勒频移，可根据卫星轨道预报计算多普勒补充信号，如此大范围调节本振激光器的方法可采用温度控制，预先将频差引入光锁相环的捕获带。

4　结束语

零差相干光通信技术在星间、星地环境下的应用需要克服多种扰动带来的频率偏移干扰，本文工作体现了零差相干探测体制高灵敏度和快速捕获的特点，并且科斯塔斯光锁相环能够对相干探测系统带来明显提升。光学锁相环技术是星间通信的研究方向和发展趋势，下一步考虑采用可编程逻辑器件来实现环路数字化，通过对环路自动控制将大频偏引入捕获带范围。