空間零差相干光通信的鎖相技術

劉旭東，李　晶，郭肅麗，楊　旭

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0　引言

隨著衛星探測能力的不斷增強，星載分辨率極高的傳感器產生了海量的探測數據需及時傳回地面站[1]。因此，對星地鏈路數據傳輸速率的要求越來越高，骨干鏈路數據速率需求甚至超過20 Gbps；另外，低軌道衛星(LEO)從地面站上空經過的時間短，很難完成大數據量的回傳。大量數據需要經過對地靜止軌道(GEO)轉發至地面站[2-3]，帶來了35 000 km超遠距離傳輸信號衰減嚴重的問題。

空間光通信是未來高數據速率、遠距離空間通信的重要發展方向[4-7]。對比微波無線通信系統，光通信在傳輸速率、靈敏度、功耗體積和信息安全性等方面具有明顯優勢。根據調制、解調體制不同，將光通信劃分為強度調制/直接探測和多調制方式/相干探測2類，后者具有更高的靈敏度，約10～20 dB。相干探測體制的光通信系統根據接收信號光與本振光頻率差是否相等，又可劃分為外差和零差兩類，后者具有更高的靈敏度，約3 dB。為此，零差相干光通信技術成為國內外研究熱點。

零差相干光通信系統能實現光的自鎖相，要求接收信號光和本振光頻率、相位同步。這也是該系統靈敏度高的原因。國內上海光機所[9-10]、長春光機所[11]、北京郵電大學[12]和電子科大[13]等研究機構均已開展了星地/星間光通信應用研究。而針對零差相干體制下的光鎖相環技術，各家尚處于理論和原理驗證階段。為此，研究了星間光傳輸鏈路特性，分析了零差相干光通信的光鎖相技術需求指標，建立了零差相干光通信系統模型，得到了信號光相位鎖定過程以及失鎖的邊界條件。

1　星間光傳輸特性

1.1　動態性

星間、星地鏈路的動態特性研究采用以下衛星軌道根數，如表1所示。

表1GEO和LEO軌道根數

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

地面站位置設為東經74°，北緯36°。光通信系統取1 550 nm頻段，利用下面公式計算多普勒頻移[14]。

Δf=f×(v/c)。

(1)

經過衛星工具軟件仿真。1 550 nm光頻率f取193 THz，光速c取2.9×108 m/s，徑向速度v通過對距離求導來得到。計算結果是：GEO對地的多普勒頻移為-47.39～45.25 kHz，GEO對LEO的多普勒頻移為-5.004～5.008 GHz。

1.2　激光器頻差

GEO、LEO星載光通信終端不共源，兩激光器所處環境溫度不同產生了頻率差，通常這一差值可達到GHz量級[15]，而鎖相環的固有捕獲帶寬一般都比較窄，難以滿足激光相干解調器的指標要求。因此需要突破大頻偏載波捕獲技術，擴展環路的捕獲帶寬，使解調器在有較大頻偏的情況下仍能正常工作。目前通常采用光鎖相環實現混頻光信號的相干探測，并將相干光信號轉變為電信號；除此之外，需要額外增加一個鎖頻環路，即頻差捕獲電路。此大范圍的頻差補償往往通過本振激光器溫度控制調節實現，根據衛星軌道預報，多普勒可被預測為隨時間連續的數據，根據文獻[16]，多普勒頻移的殘差可縮小至30 MHz。本文重點研究頻率差縮小至一定范圍后，窄捕獲帶下的快速捕獲技術。

1.3　相干光探測原理

零差相干光通信系統包括發射激光器、本振激光器、信號光的耦合(光學混頻器)、平衡接收、光鎖相環(OPLL)和信號處理部分，其組成如圖1所示。為提高接收增益(靈敏度)，需將接收信號光與本振光在光學混頻器中進行干涉混合。當2束光的偏振方向、頻率和相位基本一致時(外差)，光電探測器可從混頻器輸出端檢測到含有頻率和相位噪聲的信號；當本振光與信號光的頻率相等時(零差)，探測器輸出信號摻雜噪聲最低。理論計算表明零差探測靈敏度比外差探測高約3 dB[17]。

圖1　零差相干光系統主要模塊

2　零差相干光系統建模

2.1　系統方案

首先確定選取哪種光鎖相環(OPLL)，OPLL分為平衡鎖相環、科斯塔斯鎖相環和判決反饋鎖相環等。平衡鎖相環是以180°混頻器為基礎構成的線性OPLL，為避免相位相消，需要傳輸在殘余載波，要求本振光垂直于殘余載波做鎖相，才能保證本振光和接收信號光的相位相同，且線性OPLL不易消除直流分量。故此考慮后面2種鎖相環之一，兩者均是以90°混頻器為基礎構成的非線性OPLL，可采用交流耦合前置電路消除直流分量。從性能上看，判決反饋鎖相環優于科斯塔斯環，但對激光器的線寬要求更加嚴格，并且為了實現I、Q支路同步，需要精準控制1 bit時延，高速率條件下技術實現難度大。故此，在綜合考慮之下選擇了科斯塔斯光鎖相環。根據圖1在Matlab/Siumlink環境下搭建零差相干光通信仿真模型，主要包含：激光發射器和外調制器、本振激光器和壓電調節器(PZT)、90°光混頻器和光電探測器、環路低通濾波器和信號處理部分。

2.2　外調制激光發射器

激光發射器和外調制器主要指標包括：信號光功率、相位初值、調制信息、激光器線寬和相位噪聲等。經相位調制后的信號光由式(2)表示：

(2)

圖2　激光發射器和外調制器

式中，接收光的功率為Ps、幅度為Es、初始相位為θs，調制深度為φ，BPSK雙極性調制信息為d(t)。BPSK相位調制原理是：將隨機碼發生器產生的隨機二進制信號轉換為雙極性(±1)信號，與相位調制指數θ相乘后與光載波混頻，完成信號光調制。

引入頻率偏移(多普勒)、頻率噪聲、相位初值和相位噪聲后，調制到光載波頻段。建立的發射激光器及外調制模塊如圖2所示。

2.3　本振激光器及壓電調節器(PZT)

本振激光器和壓電調諧節器(PZT)主要參數包括：本振光功率、相對信號光的頻偏，初始相位、PZT 壓電調節系數和相位噪聲。本地激光器輸出可用式(3)表示：

(3)

PZT輸入電信號經電壓/頻率轉換，經過積分器可得到所需的調諧信號。引入頻率偏移(固定)、相位噪聲后，調制到光載波頻段，建立的本振激光器及PZT模塊如圖3所示。

圖3　本振激光器及PZT調諧模塊

2.4　相干光混頻器

科斯塔斯鎖相環的90°光混頻器輸出相位相差90°的4路光信號：

(4)

(5)

經過光電探測后四路電信號表示為：

(6)

(7)

(8)

(9)

圖4　90°光混頻器模塊

3　零差相干光通信系統仿真

3.1　系統參數設計

將上節中介紹的各個模塊封裝后連接，可進行零差相干光通信系統仿真。開展BPSK傳輸速率、鎖相時間、相位誤差水平等方面的仿真試驗。在此之前需對系統參數進行配置，下面介紹主要模塊的參數設計情況。

3.1.1激光器參數

發射端1 550 nm激光器功率設置為10 dBm(10 mW)，線寬1 kHz，相對強度噪聲系數-140 dB/Hz。當傳輸距離為35 000 km時，接收光信號功率為-50 dBm。接收端1 550 nm激光器參數和發端相同，PZT調節系數取1 MHz/V@100 MHz，控制帶寬為100 kHz。

3.1.2OPLL參數

影響科斯塔斯OPLL鎖定時間的2個重要參數是信號快速捕獲時間和捕獲帶寬大小。其中，快速捕獲時間是OPLL入鎖所需要的時間，捕獲帶寬是環路能夠快捕入鎖的最大頻差。在捕獲過程環路鎖定的條件是，相位差的改變時間大于OPLL鑒相特性周期時間。

本文采用的無源超前滯后濾波器的快捕時間和捕獲帶寬計算公式為：TL≈2π/ωn；ΔωL=2ξωn[18]；ξ表示阻尼系數；ωn表示阻尼系數為0時的自然頻率：ωn=(K/τ1)1/2；K表示環路增益。系統參數配置如表2所示。

表2鎖相環參數配置

參數名稱科斯塔斯鎖相環數值光電二極管靈敏度R/(A/W)0.5接收器跨阻r/Ω1 000環路濾波器系數τ1/ms29.7環路濾波器系數τ2/μs22.5環路增益K/(Mrad/s)500阻尼系數ξ1.4相位調制指數φ/(°)60快捕范圍ΔωL/KHz100快捕時間TL/μs28

3.2　不同頻差的鎖相過程

通過對帶有補償多普勒頻移的相干零差1 550 nm激光通信系統進行了的系統建模，對BPSK信號1 Gbps數據傳輸收發仿真，改變頻移大小觀察光鎖相環輸出至光電探測器的信號電平，如圖5、圖6和圖7所示。

圖5　頻差45 MHz時探測器輸出信號

圖6　頻差47 MHz時探測器輸出信號

圖7　頻差50 MHz時探測器輸出信號

得到結論如下：

① 在沒有殘余載波情況下，通過科斯塔斯鎖相環本振激光器控制可實現光相位的快速鎖定(ns級)，頻差范圍：±50 MHz；

② 補償超過±5 GHz的多普勒頻移，可根據衛星軌道預報計算多普勒補充信號，如此大范圍調節本振激光器的方法可采用溫度控制，預先將頻差引入光鎖相環的捕獲帶。

4　結束語

零差相干光通信技術在星間、星地環境下的應用需要克服多種擾動帶來的頻率偏移干擾，本文工作體現了零差相干探測體制高靈敏度和快速捕獲的特點，并且科斯塔斯光鎖相環能夠對相干探測系統帶來明顯提升。光學鎖相環技術是星間通信的研究方向和發展趨勢，下一步考慮采用可編程邏輯器件來實現環路數字化，通過對環路自動控制將大頻偏引入捕獲帶范圍。