CN109039471A - 一种应用于高速激光通信的数模混合解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于高速激光通信的数模混合解调方法，包括：对获取的载波光信号进行粗补偿；对获得补偿后的载波光信号进行光电转换，生成电信号；将生成的电信号与本振信号进行正交混频，得到基带正交信号；将基带正交信号分为两路信号；将第一路信号通过限幅器提供给FPGA，FPGA对第一路信号进行解调获得基带数据；将第二路信号经过模拟处理，得到残留载波的鉴相信号；将残留载波的鉴相信号经过A/D转换后提供给FPGA；以及FPGA对经过A/D转换后的残留载波的鉴相信号进行捕获、跟踪处理后进行载波重构，并基于重构的载波和模拟锁相环PPL进行正交调制获得本振信号。

Description

一种应用于高速激光通信的数模混合解调方法

技术领域

本发明涉及卫星通讯技术领域，特别涉及一种应用于高速激光通信的数模混合解调方法。

背景技术

空间激光通信***要求天基终端之间采用激光作为媒介进行高速通信，需要应对大动态高速信号处理的场景，要求尽可能地降低复杂度和功耗，以适应功率受限***。

目前，空间高速激光通信接收机有相干和非相干两种制式：非相干主要以强度调制、直接检测为代表，其接收灵敏度低，频谱利用率低；而相干通信由于本振光的放大作用而具有灵敏度的优势，且可以选择高阶调制方式以提高频谱利用率。

相干解调技术主要又分为两类：模拟零差光锁相环技术和数字光外差技术。模拟零差光锁相环技术方案类似于传统的微波接收机方案，只是将传统的压控振荡器(VCO)更换为可调谐光本振，而载波环的频率估计、鉴频鉴相、环路滤波以及本振光调节都是由模拟器件控制完成，此方案对激光器的稳定性和漂移率有比较高的要求且容易受到环境影响；数字光外差技术方案则首先通过光混频得到中频信号，而后通过高速模数转换器(ADC)采样至数字芯片内完成捕获、跟踪、时钟恢复与数据解调等一系列操作，此方案需要高速模数转换器(ADC)以及高速并行处理芯片，算法复杂度高、功耗高。

此外，低轨卫星间激光通信的载波多普勒频率可达10GHz左右，对应的***码元速率需要达到数十Gbps量级，而模数转换器(ADC)的采样速率需要满足“奈奎斯特定理”(即ADC的采样频率至少为信号频率的2倍)才可对传输码元进行采样，因此传统的数字处理方法已不适用，传统载波同步方法也难以应用。

因此，急需一种新型的应用于高速激光通信的数模混合解调装置和方法来解决上述激光通信现有技术所存在的难以实现大动态高速激光信号的高效解调，需要高速模数转换器(ADC)以及高速并行处理芯片，算法复杂度高、功耗高等问题。

发明内容

针对激光通信现有技术中所存在的难以实现大动态高速激光信号的高效解调，需要高速模数转换器(ADC)以及高速并行处理芯片，算法复杂度高、功耗高等问题，根据本发明的一个实施例，提供一种应用于高速激光通信的数模混合解调方法，包括：

对获取的载波光信号进行粗补偿；

对获得补偿后的载波光信号进行光电转换，生成电信号；

将生成的电信号与本振信号进行正交混频，得到基带正交信号；

将基带正交信号分为两路信号；

将第一路信号通过限幅器提供给FPGA，

FPGA对第一路信号进行解调获得基带数据；

将第二路信号经过模拟处理，得到残留载波的鉴相信号；

将残留载波的鉴相信号经过A/D转换后提供给FPGA；以及

FPGA对经过A/D转换后的残留载波的鉴相信号进行捕获、跟踪处理后进行载波重构，并基于重构的载波和模拟锁相环PPL进行正交调制获得本振信号。

在本发明的实施例中，所述对获取的载波光信号进行粗补偿的方法进一步包括；

卫星轨道信息获得载波多普勒信号；

经过光放大器对获得的载波多普勒信号进行放大处理；以及

通过调节本振激光器产生的光本振，在光混频器中对放大后的载波多普勒信号进行粗补偿。

在本发明的实施例中，所述对获得补偿后的载波光信号进行光电转换，生成电信号的方法是通过平衡探测器、带通滤波器以及低噪声放大器对光混频器输出的光信号进行光电转换，生成电信号。

在本发明的实施例中，所述将基带正交信号分为两路信号是利用功分器将基带正交信号分为两路。

在本发明的实施例中，所述FPGA对第一路信号进行解调获得基带数据的具体方法为通过判决反馈均衡器(DFE)、时钟数据恢复(CDR)模块解调获得基带数据。

在本发明的实施例中，所述FPGA对经过A/D转换后的残留载波的鉴相信号进行捕获的方法进一步包括：

通过软件设置频率控制字控制D/A输出载波频率；

在两个本振频率上检测误差信号；

如果没有在两个本振频率都检测到误差信号，则调节本振频率，继续在整个处理带宽内扫描；以及

如果连续在两个本振频率都检测到误差信号，则判断获得误差信号频率。

在本发明的实施例中，所述频率控制字为其中M为相位控制字长。

在本发明的实施例中，所述在两个本振频率内检测误差信号的方法为对误差整形信号进行N点FFT变换，搜索超过阈值的峰值点m，如果峰值点与次峰值点的幅度比大于10，则确定检测到误差信号，其频率可表示为其中N、M分别表示FFT长度和相位控制字长，f_s为A/D采样频率。

在本发明的实施例中，所述判断获得误差信号频率的方法如下：

设本振频率分别为f_ref,1和f_ref,2(f_ref,2>f_ref,1)，相应的峰值为P₁和P₂，误差信号估计频率为f₁和f₂；

若P₁>P₂，则误差信号频率f＝f_ref,1+f₁；

若P₁<P₂，则误差信号频率f＝f_ref,2－f₂。

本发明提供一种应用于高速激光通信的数模混合解调方法，首先利用卫星轨道信息获得载波多普勒信息，通过调节光本振对载波多普勒进行粗补偿，并对光混频器输出的激光信号进行光电转换，生成电信号；然后与本地产生的本振信号进行正交混频，得到基带正交信号；将基带正交信号分为两路，一路通过限幅器送入FPGA的GTX模块中进行处理，通过判决反馈均衡器(DFE)，时钟数据恢复(CDR)等模块解调出基带数据，另一路经过模拟处理得到残留载波的鉴相信号，通过A/D采集到FPGA中，产生重构的残留载波，并调节本地本振频率，达到载波同步的目的。基于本发明的数模混合解调方法不需要高速A/D转换，就可以实现大动态高速激光信号的高效解调。

附图说明

为了进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出根据本发明的一个实施例提供的一种应用于高速激光通信的数模混合解调方法的接收机结构示意图。

图2示出根据本发明的具体实施例提供的一种应用于高速激光通信的数模混合解调方法的流程图。

图3示出根据本发明的具体实施例提供的一种应用于高速激光通信的数模混合解调方法的载波捕获流程图。

具体实施方式

在以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免使本发明的各实施例的诸方面晦涩。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明可在没有特定细节的情况下实施。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按比例绘制。

在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

需要说明的是，本发明的实施例以特定顺序对方法步骤进行描述，然而这只是为了方便区分各步骤，而并不是限定各步骤的先后顺序，在本发明的不同实施例中，可根据方法的调节来调整各步骤的先后顺序。

本发明提供一种应用于高速激光通信的数模混合解调方法，首先利用卫星轨道信息获得载波多普勒信息，通过调节光本振对载波多普勒进行粗补偿，并对光混频器输出的激光信号进行光电转换，生成电信号；然后与本地产生的本振信号进行正交混频，得到基带正交信号；将基带正交信号分为两路，一路通过限幅器送入FPGA的GTX模块中进行处理，通过判决反馈均衡器(DFE)，时钟数据恢复(CDR)等模块解调出基带数据，另一路经过模拟处理得到残留载波的鉴相信号，通过A/D采集到FPGA中，产生重构的残留载波，并调节本地本振频率，达到载波同步的目的。基于本发明的数模混合解调方法不需要高速A/D转换，就可以实现大动态高速激光信号的高效解调。

下面结合附图1-2来介绍基于本发明的一个实施例的应用于高速激光通信的数模混合解调方法。图1示出根据本发明的一个实施例提供的一种应用于高速激光通信的数模混合解调方法的接收机结构示意图；图2示出根据本发明的具体实施例提供的一种应用于高速激光通信的数模混合解调方法的流程图；图3示出根据本发明的具体实施例提供的一种应用于高速激光通信的数模混合解调方法的载波捕获流程图。

首先，在步骤201，对激光信号进行粗补偿。如图1所示，卫星轨道信息获得载波多普勒信号息后，经过光放大器对获得的载波多普勒信号进行放大处理后，再通过调节本振激光器产生光本振，在光混频器中对放大后的载波多普勒信号进行粗补偿，获得补偿后的载波多普勒信号。

接下来，在步骤202，对获得补偿后的载波多普勒信号进行光电转换，生成电信号。在本发明的一个实施例中，如图1所示，通过平衡探测器、带通滤波器以及低噪声放大器对光混频器输出的激光信号进行光电转换，生成电信号。

然后，在步骤203，将生成的电信号与本地产生的本振信号通过正交混频器进行正交混频，得到基带正交信号。在本发明的一个实施例中，如图1所示，本振信号由数字直接频率合成DDS和模拟锁相环PPL进行正交混频调制然后在进行倍频方式产生，具有频率动态范围大、相位噪声低、调节速度快的优点。

接下来，在步骤204，将基带正交信号分为两路。在本发明的一个实施例中，利用功分器将基带正交信号分为两路。一路输出到FPGA中的高速串行接收模块，一路输出到载波捕获和跟踪模块中。

然后，在步骤205，将其中一路信号通过限幅器提供给FPGA中的高速串行接收模块。

接下来，在步骤206，解调获得基带数据。由于本发明需要处理的数据速率达几十Gbps，常规的A/D芯片和FPGA根本无法处理如此之高速率的信号。在本发明的一个实施例中，如图1所示，设计了基于高速串行接收模式的处理方案，基带正交信号通过限幅器进入FPGA中的高速串行接收模块中，通过判决反馈均衡器(DFE)、时钟数据恢复(CDR)等模块解调获得基带数据，在FPGA内进行进一步处理，从而省略了A/D采样，同时通过高速串行接收模块对数据进行并行处理，降低了对FPGA处理时钟的要求。

然后，在步骤207，将其中另一路信号经过模拟处理，得到残留载波的鉴相信号。在本发明的一个实施例中，如图1所示，模拟处理是通过模拟乘法器和低通滤波器进行处理。

接下来，在步骤208，将残留载波的鉴相信号经过A/D转换后提供给FPGA的载波捕获和跟踪模块。

最后，在步骤209，FPGA的载波捕获和跟踪模块对鉴相信号进行捕获、跟踪处理后进行载波重构，并基于重构的载波调节本振信号达到载波同步的目的。

根据本发明的一个具体实施例，在提供上述的应用于高速激光通信的数模混合解调方法时，涉及到的主要技术内容包括：

1)中频正交混频技术

是指将宽带信号经放大器放大后与本振激光器产生的本振信号输入到光混频器中进行正交混频，对输入信号进行下变频并消除载波多普勒频移，输出为两路基带正交信号。本振信号由数字直接频率合成DDS和模拟锁相环PPL进行正交调制方式产生，具有频率动态范围大、相位噪声低、调节速度快的优点。

2)功分器

是指利用功分器将基带正交信号分为两路。正交混频器输出基带正交信号，经过功分器后分为两路，一路输出到FPGA中的高速串行接收模块，一路输出到载波捕获和跟踪模块中。

3)模拟鉴相与低通滤波

是指对基带正交信号进行模拟鉴相后对鉴相误差进行低通滤波，基带正交信号可分别表示为：

I＝cos(Δωt) (1)

Q＝sin(Δωt) (2)

其中Δω为频率残差，t为时间，则鉴相误差可表示为：

Δθ(t)＝sin(2Δωt) (3)

经过模拟鉴相后，对鉴相误差进行低通滤波，以辅助后面的载波捕获与跟踪。

4)A/D采样

是指对鉴相信号的鉴相误差经过A/D采样。鉴相误差经过A/D采样后，可表示为：

其中，f_s为A/D采样频率，n为采样点序号，Ω为归一化数字频率，ε为直流偏置。

5)偏置消除

是指消除直流偏置。由于载波估计和跟踪对直流偏置非常敏感，因此在处理前需要首先消除直流偏置。需要通过高通滤波器进行隔直处理，处理后鉴相信号的数字鉴相误差可表示为：

Δθ(n)＝sin(Ωn) (5)

6)载波捕获

是指进行鉴相信号的载波捕获。在本发明的一个具体实施例中，考虑到残余多普勒频率范围高达几百MHz，若直接采样和再生则A/D、D/A的工作频率太高，对FPGA处理也有巨大的压力。因此本发明提出一种扫描策略，通过软件控制本振频率的方式在模拟部分将整个频率捕获范围划分成多个频率段，在每一段中对多普勒频率进行搜索，从而A/D芯片只需要对单个频率段进行采样，大大降低了A/D采样的压力和FPGA处理速率。

由于在鉴相时由复信号生成实信号，丢失了频率符号信息，因此利用常规的FFT变换进行载波捕获时只能得到频率的绝对偏差，而无法判断是正频率还是负频率。为此，图3示出根据本发明的具体实施例提供的一种应用于高速激光通信的数模混合解调方法的载波捕获流程图，如图3所示，对基于FFT的频率估计算法修正如下：

A)通过软件设置频率控制字控制D/A输出载波频率，在整个频率范围内，按步进设置频率控制字控制D/A输出载波频率，其步进值为低通滤波器B的一半带宽，可表示为：

Δθ(n)＝sin(Ωn) (5)

f_ref＝f_c-f_d,max,f_c-f_d,max+Δf,...,f_c+f_d,max-Δf,f_c+f_d,max (6)

Δf＝B/2 (7)

其中，f_ref是正交混频器的本振频率，f_c是设定载波频率，f_d,max是多普勒频率上限，Δf是频率步进值，B表示低通滤波器B的带宽。

B)对误差整形信号进行N点FFT变换，搜索超过预定门限的峰值点m，如果峰值点与次峰值点的幅度比大于10，则确定检测到误差信号，其频率可表示为：

其中f_s为A/D采样频率。

C)如果没有在两个本振频率都检测到误差信号，则调节本振频率，继续在整个处理带宽内扫描；

D)如果连续在两个本振频率都检测到误差信号，设本振频率分别为f_ref,1和f_ref,2(f_ref,2>f_ref,1)，相应的峰值为P₁和P₂，误差信号估计频率为f₁和f₂，则误差信号频率可判断如下：

若P₁>P₂，则误差信号频率：

f＝f_ref,1+f₁ (9)

反之，若P₁<P₂，则误差信号频率

f＝f_ref,2－f₂ (10)

E)相应的频率控制字为其中M为相位控制字长。

7)载波跟踪

是指进行鉴相信号的载波跟踪。在本发明的一个实施例中，载波捕获成功后，则停止捕获扫描，启动载波跟踪。由于D/A工作时钟应为信号频率的3倍以上，生成频率达几百MHz的载波对D/A的要求很高。为了降低D/A的工作时钟，在本发明的一个实施例中，采用模/数结合的方式，在数字域中将再生载波的频率压缩到原来的八分之一，然后在模拟处理中通过倍频的方式复现真实频率，从而降低了对D/A工作频率的要求。

在本发明的一个具体实施例中，为了降低D/A工作频率，在跟踪中对频率进行特别处理，其方法如下：

A)将载波再生模块E的频率控制字设置为捕获单元确定的频率控制字；

B)将误差整形信号输入环路滤波单元C进行滤波；

C)将环路滤波输出除以8，作为频率控制字输入到载波再生模块E。

8)正交调制

是指完成载波重构后，基于重构的载波信号和模拟锁相环PPL进行正交调制方式产生本振信号，具有频率动态范围大、相位噪声低、调节速度快的优点。由于在载波跟踪将频率控制字减小8倍，因此在正交调制后需要对信号进行4倍频，生成真实的控制频率。

9)高速串行接收

是指FPGA对进行数据高速串行接收。由于本发明需要处理的数据速率达几十Gbps，常规的A/D芯片和FPGA根本无法处理如此之高速率的信号。在本发明的一个实施例中，设计了基于高速串行接收模式的处理方案，基带正交信号通过限幅器进行FPGA中的高速串行接收模块中，经过判决反馈均衡、时间同步等处理后，获得基带数据，在FPGA内进行进一步处理，从而省略了A/D采样，同时通过高速串行接收模块对数据进行并行处理，降低了对FPGA处理时钟的要求。

基于本发明提供的该种应用于高速激光通信的数模混合解调方法，首先利用卫星轨道信息获得载波多普勒信息，通过调节光本振对载波多普勒进行粗补偿，并对光混频器输出的激光信号进行光电转换，生成电信号；然后与本地产生的本振信号进行正交混频，得到基带正交信号；将基带正交信号分为两路，一路通过限幅器送入FPGA的GTX模块中进行处理，通过判决反馈均衡器(DFE)，时钟数据恢复(CDR)等模块解调出基带数据，另一路经过模拟处理得到残留载波的鉴相信号，通过A/D采集到FPGA中，产生重构的残留载波，并调节本地本振频率，达到载波同步的目的。基于本发明的数模混合解调方法不需要高速A/D转换，就可以实现大动态高速激光信号的高效解调。

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (9)

1.一种应用于高速激光通信的数模混合解调方法，包括：

对获取的载波光信号进行粗补偿；

对获得补偿后的载波光信号进行光电转换，生成电信号；

将生成的电信号与本振信号进行正交混频，得到基带正交信号；

将基带正交信号分为两路信号；

将第一路信号通过限幅器提供给FPGA；

FPGA对第一路信号进行解调获得基带数据；

将第二路信号经过模拟处理，得到残留载波的鉴相信号；

将残留载波的鉴相信号经过A/D转换后提供给FPGA；以及

FPGA对经过A/D转换后的残留载波的鉴相信号进行捕获、跟踪处理后进行载波重构，并基于重构的载波和模拟锁相环PPL进行正交调制获得本振信号。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对获取的载波光信号进行粗补偿的方法进一步包括；

卫星轨道信息获得载波多普勒信号；

经过光放大器对获得的载波多普勒信号进行放大处理；以及

通过调节本振激光器产生的光本振，在光混频器中对放大后的载波多普勒信号进行粗补偿。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对获得补偿后的载波光信号进行光电转换，生成电信号的方法是通过平衡探测器、带通滤波器以及低噪声放大器对光混频器输出的光信号进行光电转换，生成电信号。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将基带正交信号分为两路信号是利用功分器将基带正交信号分为两路。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述FPGA对第一路信号进行解调获得基带数据的具体方法为通过判决反馈均衡器(DFE)、时钟数据恢复(CDR)模块解调获得基带数据。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述FPGA对经过A/D转换后的残留载波的鉴相信号进行捕获的方法进一步包括：

通过软件设置频率控制字控制D/A输出载波频率；

在两个本振频率上检测误差信号；

如果没有在两个本振频率都检测到误差信号，则调节本振频率，继续在整个处理带宽内扫描；以及

如果连续在两个本振频率都检测到误差信号，则判断获得误差信号频率。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述频率控制字为其中M为相位控制字长。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述在两个本振频率内检测误差信号的方法为对误差整形信号进行N点FFT变换，搜索超过阈值的峰值点m，如果峰值点与次峰值点的幅度比大于10，则确定检测到误差信号，其频率可表示为其中N、M分别表示FFT长度和相位控制字长，f_s为A/D采样频率。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述判断获得误差信号频率的方法如下：

设本振频率分别为f_ref,1和f_ref,2(f_ref,2>f_ref,1)，相应的峰值为P₁和P₂，误差信号估计频率为f₁和f₂；

若P₁>P₂，则误差信号频率f＝f_ref,1+f₁；

若P₁<P₂，则误差信号频率f＝f_ref,2－f₂。