CN109462441A - 基于90度光学桥接器多速率兼容非标准dpsk接收装置 - Google Patents

基于90度光学桥接器多速率兼容非标准dpsk接收装置 Download PDF

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Abstract

一种基于90度光学桥接器多速率兼容非标准DPSK接收装置，包括：掺铒光纤放大器(EDFA)、1：1光纤分束器、光纤移相器、臂长匹配光纤、90度光学桥接器、平衡探测器、可编程限幅放大器、基带接收芯片、可编程逻辑门阵列(FPGA)、数模转换器、电子学混频器、模数转换器、光纤移相器驱动放大电路。本发明设计简单，可以实现多个通信速率的兼容接收，并能保证每个通信速率的最优接收性能。多个通信速率共用光学与电子学，简化了***设计，可以显著减小***成本和***重量。

Description

基于90度光学桥接器多速率兼容非标准DPSK接收装置
技术领域
本发明涉及自由空间相干通信和光纤相干通信，特别是一种基于90度光学桥接器多速率兼容非标准DPSK(Differential Phase-Shift Keying差分移相键控)接收装置。
背景技术
激光相干通信具有灵敏度高、通信带宽大可以进行密集波分复用等优点，是光纤通信的技术热点，正在逐步取代骨干网上激光强度调制通信。同时卫星激光通信也在蓬勃发展，是一代卫星通信关键实现技术。激光相干通信具有通信速率高、通信距离远、保密性高等优点，即将成为实现高速光纤通信和卫星激光通信的主流技术。相干激光通信的解调方式包括：零差相干解调、自差DPSK相干解调、内差数字相干解调。其中自差DPSK解调方式相比于零差相干解调方式和内插数字相干解调方式，实现复杂度和功耗更低，同时对通信波长要求较低，是一种很有吸引力的通信方式。在卫星光通信场景下，希望一个接收端可以同时兼容多个通信速率。传统的实现方式多为改变调制格式或者每个速率对应一套接收机，导致接收机***复杂，重量和功耗成比例增加。
现有技术[1]中国专利CN200710143877.6,“DPSK光调制信号接收装置和方法”使用180度桥接器和平衡接收机解调DPSK信号，误差控制的最优点为误差信号的最大值，不利于提高控制带宽。现有技术[2]中国专利200910163008.9“一种DPSK接收机中解调器相位锁定的装置和方法”同样采用180度桥接器和温度补偿的办法来实现解调器的相位控制，但是温控的方式响应慢，不适用于相位变化较快的场景。现有技术[3]欧洲专利EP1164761A2“DPSK system with varible data rates”选择了通过共用光路的方式实现多速率DPSK解调，电子学部分是多路选通滤波器的方式，在共用干涉臂方面，臂长差选择为最高通信速率比特周期对应的光程，通信速率向下兼容。现有技术[4]CN106716873A“无损多速率光传输和接收”通过改变纠错码的编码方式改变有效通信速率，但是实际发射和接收的符号率不变，要求发射端发射码率固定。现有技术[5]CN101213775B“DPSK调制-解调方法及使用该方法的光通信设备和***”通过时分复用和波分复用的方法实现多个速率的兼容，通信速率只能是最低速率的2倍，4倍，8倍，16倍，结构较复杂。
研究一种简单可靠的多速率兼容相干通信解调装置，对于降低通信***复杂度、降低***功耗和载荷重量，实现卫星激光通信载荷小型化有重要意义。
发明内容
本发明针对自由空间激光相干通信和光纤相干通信，提出一种基于90度光学桥接器多速率兼容非标准DPSK接收装置，可兼容多个通信速率，并提高每个通信速率下的接收性能。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于90度光学桥接器多速率兼容非标准DPSK接收装置，包括：EDFA、光纤分束器、臂长匹配光纤、光纤移相器、90度光学桥接器、I路平衡探测器、Q路平衡探测器、电子学混频器、模数转换器、FPGA、数模转换器、光纤移相器驱动电路、可编程限幅放大器、基带信号接收芯片；
所述的EDFA的输出端口与所述的光纤分束器的输入端口相连，所述的光纤分束器第一输出端口与所述的臂长匹配光纤的输入端口相连，所述的臂长匹配光纤的输出端口与所述的90度光学桥接器的第一输入端口相连，所述的光纤分束器第二输出端口与所述的光纤移相器的输入端口相连，所述的光纤移相器的输出端口与所述的90度光学桥接器的第二输入端口相连，所述的90度光学桥接器的I路输出端口与所述的I路平衡探测器的输入端口相连，该桥接器的Q路输出端口与所述的Q路平衡探测器的输入端口相连,所述的I路平衡探测器的第一输出端口与所述的电子学混频器第一输入端口相连，所述的Q路平衡探测器的输出端口与所述的电子学混频器第二输入端口相连，所述的电子学混频器的输出端口与所述的模数转换器输入端口相连，所述的模数转换器输出管脚与所述的FPGA第一输入管脚相连，所述的FPGA第一输出管脚与所述的数模转换器输入管脚相连，所述的数模转换器输出端口与所述的光纤移相器驱动电路的输入端口相连，所述的光纤移相器驱动电路的输出端口与所述的光纤移相器的驱动输入端口相连，所述的I路平衡探测器的第二输出端口与所述的可编程限幅放大器的第一输入端口相连，所述的可编程限幅放大器的输出端口与所述的基带信号接收芯片的输入端口相连，所述的基带信号接收芯片的输出管脚与所述的FPGA第二输入管脚相连，所述的FPGA第二输出管脚与所述的可编程限幅放大器的编程控制管脚相连。
本发明工作原理和信号输出分析如下：
设最低通信码率为：Bb，则***通信速率可以兼容Bb、2*Bb、3*Bb、4*Bb、5*Bb等。时延部分要求：时延臂光程比相移臂光程小Tb*C。Tb＝1/Bb，C为光速。
信号光的电场可以表示为：PS为接收到的信号光功率，w为信号光角频率，m(t)为t时刻的调制码，取值为0或1，为信号光初始相位。
经过延时器到达桥接器入口1的电场可以表示为：
经过移相器到达桥接器入口2的电场可以表示为：
是延时器一臂由于时延、信号光频率变化和光纤光程变化积累的相位差，是光纤移相器加入控制信号时引入的相位。
90度桥接器的4路输出端口光电场信号为:
对应的电流信号为：
对于DPSK信号，m(t)＝0或1，那么[m(t+Tb)-m(t)]·π＝0或者±π。乘法器输出的信号可以改写为：
FPGA的反馈控制程序可以保证：或π。
此时I路的信号变为：
或
因此在相位锁定期间，I路信号相当于做了m(t)和m(t+Tb)的异或或者同或运算。
对于通讯速率为Bb的信号m(t)和m(t+Tb)为相邻两位信号。
对于通讯速率为2*Bb的信号m(t)和m(t+Tb)为间隔1位信号。
对于通讯速率为3*Bb的信号m(t)和m(t+Tb)为间隔2位信号。
对于通讯速率为4*Bb的信号m(t)和m(t+Tb)为间隔3位信号。
对于发射端，需要进行对应差分编码，
通讯速率为1*Bb的信号
通讯速率为2*Bb的信号
通讯速率为3*Bb的信号
通讯速率为4*Bb的信号
由异或运算的规则可知，ck＝ak。
综上可知：在相位锁定在时ck＝ak，既限幅输出信号就是发射端需要传输的通信码。在相位锁定在时ck＝～ak，。相位锁定是非常稳定的，可以保证不会出现0，π反转的情况。
在切换速率时，FPGA可以控制限幅芯片的输入带宽，选择对应速率的最优接收带宽，保证每个速率下的最优接收性能。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、不同通信速率共用光学和电子学器件，***简单，功耗低、重量轻、体积小。
2、针对不同通信速率，可通过FPGA控制限幅放大器的带宽可以保证每个通信速率的最优接收性能。
3、采用FPGA控制光纤移相器实现相位控制的方式，可以同时对锁相状态进行实时监控，失锁可以自动检测重新锁定，保证了锁相的可靠性。
4、本发明的数字控制算法和相干接收信号采用同一片FPGA芯片完成，电路设计简单，功耗低，不需要复杂的热处理分析。
附图说明
图1为本发明基于90度光学桥接器多速率兼容非标准DPSK接收装置的结构框图。
具体实施方式
下面结合实施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。
图1为本发明基于90度光学桥接器多速率兼容非标准DPSK接收装置的结构框图。由图可见，本发明基于90度光学桥接器多速率兼容非标准DPSK接收装置，包括：EDFA1、光纤分束器2、臂长匹配光纤3、光纤移相器4、90度光学桥接器5、I路平衡探测器6、Q路平衡探测器7、电子学混频器8、模数转换器9、FPGA10、数模转换器11、光纤移相器驱动电路12、可编程限幅放大器13、基带信号接收芯片14；
所述的EDFA1的输出端口与所述的光纤分束器2的输入端口相连，所述的光纤分束器2第一输出端口与所述的臂长匹配光纤3的输入端口相连，所述的臂长匹配光纤3的输出端口与所述的90度光学桥接器5的第一输入端口相连，所述的光纤分束器2第二输出端口与所述的光纤移相器4的输入端口相连，所述的光纤移相器4的输出端口与所述的90度光学桥接器5的第二输入端口相连，所述的90度光学桥接器5的I路输出端口与所述的I路平衡探测器6的输入端口相连，该桥接器的Q路输出端口与所述的Q路平衡探测器7的输入端口相连,所述的I路平衡探测器6的第一输出端口与所述的电子学混频器8第一输入端口相连，所述的Q路平衡探测器7的输出端口与所述的电子学混频器8第二输入端口相连，所述的电子学混频器8的输出端口与所述的模数转换器9输入端口相连，所述的模数转换器9输出管脚与所述的FPGA10第一输入管脚相连，所述的FPGA10第一输出管脚与所述的数模转换器11输入管脚相连，所述的数模转换器11输出端口与所述的光纤移相器驱动电路12的输入端口相连，所述的光纤移相器驱动电路12的输出端口与所述的光纤移相器4的驱动输入端口相连，所述的I路平衡探测器6的第二输出端口与所述的可编程限幅放大器13的第一输入端口相连，所述的可编程限幅放大器13的输出端口与所述的基带信号接收芯片14的输入端口相连，所述的基带信号接收芯片14的输出管脚与所述的FPGA10第二输入管脚相连，所述的FPGA10第二输出管脚与所述的可编程限幅放大器13的编程控制管脚相连。

Claims (8)

1.一种基于90度光学桥接器多速率兼容非标准DPSK接收装置，特征在于其构成包括：EDFA(1)、光纤分束器(2)、臂长匹配光纤(3)、光纤移相器(4)、90度光学桥接器(5)、I路平衡探测器(6)、Q路平衡探测器(7)、电子学混频器(8)、模数转换器(9)、FPGA(10)、数模转换器(11)、光纤移相器驱动电路(12)、可编程限幅放大器(13)和基带信号接收芯片(14)；
所述的EDFA(1)的输出端口与所述的光纤分束器(2)的输入端口相连，所述的光纤分束器(2)第一输出端口与所述的臂长匹配光纤(3)的输入端口相连，所述的臂长匹配光纤(3)的输出端口与所述的90度光学桥接器(5)的第一输入端口相连，所述的光纤分束器(2)第二输出端口与所述的光纤移相器(4)的输入端口相连，所述的光纤移相器(4)的输出端口与所述的90度光学桥接器(5)的第二输入端口相连，所述的90度光学桥接器(5)的I路输出端口与所述的I路平衡探测器(6)的输入端口相连，该90度光学桥接器(5)的Q路输出端口与所述的Q路平衡探测器(7)的输入端口相连，所述的I路平衡探测器(6)的第一输出端口与所述的电子学混频器(8)第一输入端口相连，所述的Q路平衡探测器(7)的输出端口与所述的电子学混频器(8)第二输入端口相连，所述的电子学混频器(8)的输出端口与所述的模数转换器(9)输入端口相连，所述的模数转换器(9)输出管脚与所述的FPGA(10)第一输入管脚相连，所述的FPGA(10)第一输出管脚与所述的数模转换器(11)输入管脚相连，所述的数模转换器(11)输出端口与所述的光纤移相器驱动电路(12)的输入端口相连，所述的光纤移相器驱动电路(12)的输出端口与所述的光纤移相器(4)的驱动输入端口相连，所述的I路平衡探测器(6)的第二输出端口与所述的可编程限幅放大器(13)的第一输入端口相连，所述的可编程限幅放大器(13)的输出端口与所述的基带信号接收芯片(14)的输入端口相连，所述的基带信号接收芯片(14)的输出管脚与所述的FPGA(10)第二输入管脚相连，所述的FPGA(10)第二输出管脚与所述的可编程限幅放大器(13)的编程控制管脚相连。
2.根据权利要求1所述的基于90度光学桥接器多速率兼容非标准DPSK接收装置，其特征在于，所述的臂长匹配光纤(3)可以多个通信速率共用，不需要选通。
3.根据权利要求1所述的基于90度光学桥接器多速率兼容非标准DPSK接收装置，其特征在于，所述的臂长匹配光纤(3)与光纤移相器(4)两路光程差为：最低通信速率Bb单个通信比特时间乘以光速。
4.根据权利要求1-3任一所述的基于90度光学桥接器多速率兼容非标准DPSK接收装置，其特征在于，当通信速率为最低通信速率的n倍时，其对应的的发射端的差分编码要求为：
其中ak为需要发送的第k个通信码，bk+n为差分编码后的第k个通信码。n为实际通信速率与***设定的最低通信速率的倍数。
5.根据权利要求1-3任一所述的基于90度光学桥接器多速率兼容非标准DPSK接收装置，其特征在于，通过FPGA(10)控制可编程限幅放大器(13)的输入带宽，保证每个通信速率最优接收。
6.根据权利要求1-3任一所述的基于90度光学桥接器多速率兼容非标准DPSK接收装置，其特征在于，通过FPGA(10)控制压电式光纤移相器(4)，实现相位锁定。
7.根据权利要求1-3任一所述的基于90度光学桥接器多速率兼容非标准DPSK接收装置，其特征在于，压电式光纤相移器响应带宽可以达到几十Khz，相位锁定闭环带宽高，锁相误差标准差可以控制在4度以内。
8.根据权利要求1-3任一所述的基于90度光学桥接器多速率兼容非标准DPSK接收装置，其特征在于，通过90度桥接器和正交的IQ两路信号混频得到锁相误差信号，锁相误差信号与相位误差成比例。
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