激光通信中的光學鎖相環(huán)

激光通信中的光學鎖相環(huán)

1基于fpga的相位鎖定近年來，空間激光通信的研究和應用變得越來越重要。隨著相干激光通信技術的發(fā)展,光學鎖相系統(tǒng)也在相干接收機中得到應用。2008年,德國TerraSAR-X衛(wèi)星與美國NFIRE衛(wèi)星實現(xiàn)速率為5.6Gb/s的相干激光通信,在其零差相干接收機中就用到了科斯塔斯鎖相環(huán)進行相位同步星間激光通信存在快速大范圍的多普勒頻移,傳統(tǒng)的鎖相環(huán)很難在不補償?shù)那闆r下完成鎖定。可編程邏輯門陣列(FPGA)能夠對高速信號進行采集,并能夠以百兆赫茲的時鐘速率實現(xiàn)多種的數(shù)字信號實時處理,其設計靈活,并且?guī)砗芏痰奶幚硌訒r,可靠性高。因此,利用FPGA完成環(huán)路的控制和鎖定,可以滿足實際應用的需求通過分析并仿真了數(shù)字光學鎖相環(huán)路的特性,建立了數(shù)字科斯塔斯光學鎖相環(huán)鎖相系統(tǒng),成功實現(xiàn)了140MHz頻差范圍的相位鎖定和20MHz/s的多普勒頻移跟蹤。采用了調制邊帶注入鎖定的可調諧激光器作為本振激光器(LO),并驗證了基于該激光器實現(xiàn)鎖相的可行性,為后續(xù)的相干通信實驗提供實驗支持。2系統(tǒng)的多普勒頻移星間激光通信時,由于衛(wèi)星相對位置的運動,光載波的頻率會產(chǎn)生多普勒頻移,多普勒頻移量可以根據(jù)Δf=f圖1為仿真得到的低軌到高軌衛(wèi)星的多普勒頻移隨時間的變化,通信波長為1550nm,軌道高度分別為36000km和500km。從圖1可以看到,多普勒頻移可達±5GHz,多普勒頻移變化速率最高為10MHz/s。對于如此大范圍和快速的多普勒頻移,通常會根據(jù)衛(wèi)星的軌道和通信波長信息對于頻移量進行預測,根據(jù)預測結果調節(jié)LO的頻率進行預補償,補償過后的多普勒殘差約為30MHz3系統(tǒng)介紹3.1主養(yǎng)光濾波器log調諧控制電壓圖2為設計的基于科斯塔斯光學鎖相環(huán)的鎖相系統(tǒng)結構框圖,其中紅線代表光信號方向,黑線代表電信號方向。信號光由可調諧窄線寬激光器產(chǎn)生,線寬小于5kHz,可以通過外部電壓進行頻率調諧,調諧增益約為10MHz/V。與本振光經(jīng)過90°光混頻器后,分別形成相位差為0°,90°,180°,270°的四路光,其中0°和180°兩路光,90°和270°兩路光分別被平衡探測器接收,作為I支路和Q支路。Q支路作為誤差信號進入環(huán)路濾波器,I支路作為監(jiān)測信號。環(huán)路濾波器由模數(shù)轉換器(ADC),FPGA,數(shù)模轉換器(DAC)構成,DAC輸出LO的調諧控制電壓。LO采用調制邊帶注入鎖定的可調諧激光器,中心波長為1550nm,線寬小于5kHz,輸出功率大于16mW,具有窄線寬和快速調諧的優(yōu)點。3.2lo的相位響應環(huán)路線性化相位模型如圖3所示。光學鎖相環(huán)的傳遞函數(shù)一般表示為式中KLO的傳遞函數(shù)由實驗測得,其增益為40MHz/V。圖4為所使用的LO的頻率相位響應圖。擬合得到激光器的傳遞函數(shù)為環(huán)路濾波器為數(shù)字低通濾波器,其Z域的傳遞函數(shù)為因此,可以得到鎖相環(huán)路的開環(huán)傳遞函數(shù)為其開環(huán)頻率響應曲線如圖5所示。由圖5中求得該系統(tǒng)的相位裕量為45°,環(huán)路是穩(wěn)定的。74kHz。鎖定過程仿真結果如圖6所示,其中紅線為誤差信號,黑線為監(jiān)測信號。4結果4.1lo與激光器鎖定開始時,LO與信號激光器起始頻差設定為70MHz,由FPGA產(chǎn)生掃頻電壓信號,圖7(a)為鎖定前信號,隨著電壓的增加,LO與信號激光器的頻差不斷縮小,在進入鎖相環(huán)的捕獲帶時,完成鎖定。圖7(b)為鎖定后的I支路信號,圖7(c)為鎖定后LO控制電壓。實驗中在大于1h的時間內,環(huán)路一直處于鎖定狀態(tài),鎖定結果與仿真結果基本一致。4.2不同激光器調制斜率對比實驗由信號發(fā)生器對信號激光器進行正弦調制模擬多普勒頻移,頻率調制幅度為10,20,40MHz,調制斜率約為20MHz/s,實驗結果如圖8(a)~(c)所示。如圖8所示,紅色線為信號激光器調諧電壓控制信號,藍色線為LO調諧電壓控制信號,黑色線代表鎖定信號。由于信號激光器的頻率發(fā)生變化,可以看到,LO的調諧電壓隨之發(fā)生變化,變化趨勢與信號激光器一致,而信號仍保持鎖定。5基于可調諧激光器的鎖相系統(tǒng)設計了用于星間相干激光通信的數(shù)字科斯塔斯光學鎖相系統(tǒng),采用FPGA作為鎖相系統(tǒng)的控制單元,LO采用調制邊帶注入鎖定的可調諧激光器。該鎖相系統(tǒng)具有更快的捕獲速度和更