CN111245520A - 一种基于声光调制器的复合光锁相环的线性相干接收*** - Google Patents

一种基于声光调制器的复合光锁相环的线性相干接收*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于声光调制器的复合光锁相环的线性相干接收***，包括光耦合器，用于调相信号光与本地参考光的混频；平衡光电探测器，得出调相信号光与本地参考光的相位差信息；环路滤波器一，对相位误差信号进行滤波、放大处理后作为相位调制器的调制信号；环路滤波器二，对相位误差信号进行积分、滤波、放大处理后作为压控振荡器的控制信号；声光调制器，在压控振荡器的控制下使本地参考光产生相应的频率偏移，补偿环境扰动引入的相位误差；相位调制器，补偿锁相环路快速变化的相位误差，实现对发送端RF信号的紧密跟踪。本发明实现射频信号经由长距离光纤链路传输甚至强环境扰动条件下，仍具有高线性度、大动态范围稳定接收的效果。

Description

一种基于声光调制器的复合光锁相环的线性相干接收***
技术领域
本发明属于微波信号光域传输技术领域，更具体的说是涉及一种基于声光调制器的复合光锁相环的线性相干接收***。
背景技术
模拟光链路(APL)得益于光纤的低损耗、宽带宽、电磁干扰免疫的优势被认为是射频(RF)信号长距离传输的关键技术，得到军用雷达、远程天线、射电天文以及下一代无线通信等领域的高度关注。但是实际应用对***线性度和无杂散动态范围(SFDR)有着很高的要求。
现有的技术方案从原理上主要分为强度调制-直接检测(IM-DD)和相位调制-相干检测(PM-CD)两种。比较传统的IM-DD型APL链路其SFDR主要受限于马赫-曾德调制器(MZM)的非线性响应，针对此产生了一系列线性化技术，包括预畸变、后置补偿、双平行MZM、双偏振调制器等，但是这些方案都需要复杂的偏置控制电路来补偿工作点的漂移。相比较而言，PM-CD型APL链路中，在发射端采用LiNbO3光相位调制器将射频信号调制到光上，基于LiNbO3光相位调制器的相位调制天然线性且不需要偏置控制，极大的减少了***发送端的复杂度，但此类***的非线性主要来源于接收端正弦型的光电转换函数。
现有的PM-CD型APL链路线性化技术中存在一种基于光锁相环(OPLL)的线性相干相位解调(LCPD)的方法，这种方法在接收端利用LiNbO3相位调制器构建锁相环实现接收端PM对发射端PM相位的紧密跟踪，将相位解调过程压缩在正弦转换函数的线性区域，可以从根本上抑制全阶的非线性杂散，使PM-CD型APL的线性度和SFDR获得大幅提升。该方法的技术难度仅集中于接收端，在远程天线等关键应用中极具吸引力。但是，相干链路中的调相信号光和本地参考光虽然来自同一激光器，由于经历的光纤传输链路路径不同，温度、振动等环境因素，会对两路光的传输延迟及相位产生不同的影响，导致两者的光程差产生慢漂移，影响锁相环的正常工作，造成环路锁定不稳，尤其是环境扰动较强的情况下，更是难以实现实际传输链路下的应用，造成该技术实用性不足。
因此，如何提供一种基于声光调制器的复合光锁相环的线性相干接收***是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于声光调制器的复合光锁相环的线性相干接收***，能够实现射频信号经由长距离光纤链路传输甚至强环境扰动条件下，仍具有高线性度、大动态范围稳定接收的效果，解决了长距离链路传输下的稳定接收问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于声光调制器的复合光锁相环的线性相干接收***，包括：光耦合器、平衡光电探测器、声光调制器、相位调制器、环路滤波器一和环路滤波器二，其中，
所述光耦合器，用于调相信号光与本地参考光的混频；
所述平衡光电探测器，接收光耦合器传输的混频光，用于比较得出调相信号光与本地参考光的相位差信息并将其转换为电信号；
所述环路滤波器一，一端与相位调制器电性连接，另一端与平衡光电探测器电性连接，用于对平衡光电探测器得出的相位误差信号进行滤波、放大处理后作为相位调制器的调制信号；
所述环路滤波器二，一端通过压控振荡器与声光调制器电性连接，另一端与平衡光电探测器电性连接，用于对平衡光电探测器得出的相位误差信号进行积分、滤波、放大处理后作为压控振荡器的控制信号；
所述声光调制器，用于在压控振荡器的控制下使本地参考光产生相应的频率偏移，以补偿环境扰动引入的缓慢变化的相位误差；
所述相位调制器，接收声光调制器输出的光，并传输至光耦合器，用于补偿锁相环路快速变化的相位误差，实现对发送端的RF信号的紧密跟踪；
所述压控振荡器，用于驱动声光调制器，使其输出光相对输入光产生受控的频率偏移。
进一步，所述光耦合器采用50:50光耦合器。
进一步，相位调制器采用LiNbO3相位调制器。
进一步，待解调调相信号光和本地参考光两路光信号传输至相干接收***，调相信号光直接通过50:50光耦合器的两个输入端的其中一个端口输入，而本地参考光通过声光调制器尾纤输入，其输出端连接LiNbO3相位调制器的输入端尾纤；LiNbO3相位调制器的输出端连接50:50光耦合器的另一个输入端口。
进一步，调相信号光和本地参考光两束光在50:50光耦合器经过混频过程，在两输出端等功率输出。
进一步，50:50光耦合器的两输出端连接至平衡光电探测器进行光电探测，实现光信号到电信号的转换。
进一步，平衡光电探测器输出的电信号的低频部分沿电路板走线流入环路滤波器二；环路滤波器二的输出通过射频接口连接至压控振荡器的控制信号输入端；压控振荡器输出端通过射频传输线连接至声光调制器的射频输入端使其输出光产生频率偏移。
进一步，平衡光电探测器输出的电信号的高频和低频部分同时沿电路板走线流入环路滤波器一，环路滤波器一的输出通过电路板射频输出端口连接至LiNbO3相位调制器的射频输入端，对本地参考光进行相位调制。
进一步，环路滤波器一的信号通过射频接口输出，为相关接收***的解调射频信号。
本发明的有益效果在于：
本发明在原有基于相位调制器的锁相环路的基础上创新性地引入了一个基于声光调制器(AOFS)的新的锁相环路，用于保护***免受光纤链路传输过程中环境扰动的影响，并与原有环路共同构成复合环的结构。首先利用新引入的声光调制器这一环路对相干链路的本地参考光路与调相信号光路间的固有相位差以及环境扰动所引入的变化的相位误差进行跟踪补偿，以此辅助原有锁相环路的正常工作，实现对远端信号的线性跟踪解调。并且，由于相位和频率之间的物理联系，采用AOFS作为反馈环路的受控元件，具有无限的相位跟踪范围，使得APL在经过长距离链路传输，甚至在强的环境扰动下仍能实现高线性度相干接收。相对于现有的接收装置能够实现射频信号经由长距离光纤链路传输甚至强环境扰动条件下，仍具有高线性度、大动态范围稳定接收的效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为现有技术基于相位调制的光锁相线性相干相位解调实施方式的结构示意图。
图2附图为本发明的结构示意图。
图3附图为本发明应用于射频信号长距离传输***整体结构框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅附图2-3，本发明提供了一种基于声光调制器的复合光锁相环的线性相干接收***，包括：光耦合器、平衡光电探测器、声光调制器、相位调制器、环路滤波器一和环路滤波器二，其中，
光耦合器，用于调相信号光与本地参考光的混频；
平衡光电探测器，接收光耦合器传输的混频光，用于比较得出调相信号光与本地参考光的相位差信息并将其转换为电信号；
环路滤波器一，一端与相位调制器电性连接，另一端与平衡光电探测器电性连接，用于对平衡光电探测器得出的相位误差信号进行滤波、放大处理后作为相位调制器的调制信号；
环路滤波器二，一端通过压控振荡器与声光调制器电性连接，另一端与平衡光电探测器电性连接，用于对平衡光电探测器得出的相位误差信号进行积分、滤波、放大处理后作为压控振荡器的控制信号；
声光调制器，用于在压控振荡器的控制下使本地参考光产生相应的频率偏移，以补偿环境扰动引入的缓慢变化的相位误差；
相位调制器，接收声光调制器输出的光，并传输至光耦合器，用于补偿锁相环路快速变化的相位误差，实现对发送端的RF信号的紧密跟踪；
压控振荡器，用于驱动声光调制器，使其输出光相对输入光产生受控的频率偏移。
在另一种实施例中，光耦合器采用50:50光耦合器。
在另一种实施例中，相位调制器采用LiNbO3相位调制器。
参阅附图2，图2中各部件实线连接部分为光连接，通过光纤跳线与光器件配合连接；虚线部分为电连接，电连接部分通过电路板走线和射频端口连接实现。光、电两部分共同构成了一个复合光锁相环结构。具体来讲，待解调调相信号光和本地参考光两路光信号传输至本发明接收装置，调相信号光直接通过50:50光耦合器的两个输入端的其中一个端口输入，而本地参考光通过声光调制器尾纤输入，其输出端连接LiNbO3相位调制器的输入端尾纤；LiNbO3相位调制器的输出端连接50:50光耦合器的另一个输入端口；这两束光在50:50光耦合器经过混频过程，在两输出端等功率输出；50:50光耦合器的两输出端连接至电路板焊接的平衡光电探测器的两个光电二极管进行光电探测，实现光信号到电信号的转换；平衡光电探测器输出的电信号的高频和低频部分同时沿电路板走线流入环路滤波器一，低频部分则流入环路滤波器二；环路滤波器二的输出通过射频接口连接至压控振荡器的控制信号输入端；压控振荡器输出端通过射频传输线连接至声光调制器的射频输入端使其输出光产生频率偏移；环路滤波器一的输出通过电路板射频输出接口连接连接至LiNbO3相位调制器的射频输入端，对本地参考光进行相位调制；另外环路滤波器一的信号通过射频接口输出，即为本发明相干接收装置的解调射频信号。
本发明提出了在接收装置原有基于相位调制器的锁相环路的基础上创新性地引入了一个基于声光调制器(AOFS)的新的锁相环路用于保护***免受光纤链路传输过程中环境扰动的影响，并与原有环路共同构成复合环的结构。首先利用新引入的声光调制器这一环路对相干链路的本地参考光路与调相信号光路间的固有相位差以及环境扰动所引入的变化的相位误差进行跟踪补偿，以此辅助原有锁相环路的正常工作，实现对远端信号的线性跟踪解调。并且，由于相位和频率之间的物理联系，采用AOFS作为反馈补偿的环路设计，理论上具有无限的相位跟踪范围，使得APL在经过长距离链路传输，甚至在强的环境扰动下仍能实现高线性度相干接收。相对于现有的接收装置能够实现射频信号经由长距离光纤链路传输甚至强环境扰动条件下，仍具有高线性度、大动态范围稳定接收的效果。
本发明的相干接收***如图2所示，采用了复合光锁相环的结构，在图1所示为现有的基于LiNbO3相位调制器的单锁相环路结构之外，还引入了由声光调制器及其控制元件构建的新的锁相环路，该环路延迟更大，响应速度相对缓慢，为表述方便，将该辅助环路称为“慢环”，而将与图1所示环路相同的称为“快环”。快环主要用于抑制接收装置的非线性，实现射频信号的线性大动态范围接收解调；而引入的慢环的目的是对传输链路的本地参考光与调相信号光路间的固有相位差以及环境扰动所引入的缓慢变化的相位误差进行跟踪补偿。
本发明的具体工作工程如下：
经由长距离光纤链路回传至本地的待解调调相信号光与本地参考光在50:50光耦合器中混频后送入平衡光电探测器完成相干检测。平衡光电探测器输出的电信号承载着本地参考光与调相信号光的相位差信息，同时流入快、慢环进行相位差的补偿锁定工作。首先要实现对慢环的锁定控制。包含相位差信息的电信号，送入环路滤波器二进行处理，环路滤波器二在设计时要兼顾其对快环的影响，一般采用一类或二类滤波结构，需要仔细选择各运放的反馈参数，以输出正确的控制信号，使压控振荡器作出相应的受控震荡反应。压控振荡器的输出信号随即驱动声光调制器产生受控的频率偏移，因为压控振荡器与声光调制器共同构成理想的积分器，可将频率差信息通过积分转化为相位差信息，实现对慢变的相位差的补偿跟踪。在实现慢环锁定之后，残余相位差则由快环进行补偿，其工作过程与慢环类似，经环路滤波器一调理的控制信号反馈至LiNbO3相位调制器进行相位补偿。至此，快、慢环共同完成相位差的补偿工作，之后调相信号光与本地参考光在平衡光电探测器中再次进行相位比较，如此循环往复，直至二者相位差为零，复合锁相环锁定成功，此时的输出信号就高线性度地还原出我们所要解调的发射端调制信号。整个锁相过程实际上就是我们的本地参考光相位对发射端RF调制信号的跟踪复制过程。
本发明接收装置可应用于完整的射频信号发射-传输-接收***中，***框图如图3所示。在发射机单元，单一连续激光光源分为两路，一路被发射端天线接收到的射频信号通过相位调制器进行相位调制，作为调相信号光路；另一路不做处理，作为本地参考光路。在单模光纤链路单元，两路光经由单模光纤搭建而成的长距离光纤链路进行传输，可见调相信号光与本地参考光经历了不同的光纤路径，那么二者受到的温度、振动等环境扰动也将不同，造成光程差的“慢漂移”，这种缓慢变化的光程差将会转化为相位噪声，影响快环正常锁定，难以在长距离链路传输下实现高线性度的相位解调功能。在相干接收机单元，本发明所提出的基于声光调制器的复合光锁相环的线性相干接收***，则可通过慢环跟踪补偿掉光传输光路的固有相位差及光纤链路引入的相位噪声，并且其相位跟踪范围理论上为无穷大。对比已有技术，能够实现射频信号经由长距离光纤链路传输甚至强环境扰动条件下，仍具有高线性度、大动态范围稳定接收的效果。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种基于声光调制器的复合光锁相环的线性相干接收***，其特征在于，包括：光耦合器、平衡光电探测器、声光调制器、相位调制器、压控振荡器、环路滤波器一和环路滤波器二，其中，
所述光耦合器，用于调相信号光与本地参考光的混频；
所述平衡光电探测器，接收光耦合器传输的混频光，用于比较得出调相信号光与本地参考光的相位差信息并将其转换为电信号；
所述环路滤波器一，一端与相位调制器电性连接，另一端与平衡光电探测器电性连接，用于对平衡光电探测器得出的相位误差信号进行滤波、放大处理后作为相位调制器的调制信号；
所述环路滤波器二，一端通过压控振荡器与声光调制器电性连接，另一端与平衡光电探测器电性连接，用于对平衡光电探测器得出的相位误差信号进行积分、滤波、放大处理后作为压控振荡器的控制信号；
所述声光调制器，用于在压控振荡器的控制下使本地参考光产生相应的频率偏移，以补偿环境扰动引入的缓慢变化的相位误差；
所述相位调制器，接收声光调制器输出的光，并传输至光耦合器，用于补偿锁相环路快速变化的相位误差，实现对发送端的RF信号的紧密跟踪；
所述压控振荡器，用于驱动声光调制器，使其输出光相对输入光产生受控的频率偏移。
2.根据权利要求1所述的一种基于声光调制器的复合光锁相环的线性相干接收***，其特征在于，所述光耦合器采用50:50光耦合器。
3.根据权利要求2所述的一种基于声光调制器的复合光锁相环的线性相干接收***，其特征在于，相位调制器采用LiNbO3相位调制器。
4.根据权利要求3所述的一种基于声光调制器的复合光锁相环的线性相干接收***，其特征在于，待解调调相信号光和本地参考光两路光信号传输至相干接收***，调相信号光直接通过50:50光耦合器的两个输入端的其中一个端口输入，而本地参考光通过声光调制器尾纤输入，其输出端连接LiNbO3相位调制器的输入端尾纤；LiNbO3相位调制器的输出端连接50:50光耦合器的另一个输入端口。
5.根据权利要求4所述的一种基于声光调制器的复合光锁相环的线性相干接收***，其特征在于，调相信号光和本地参考光两束光在50:50光耦合器经过混频过程，在两输出端等功率输出。
6.根据权利要求5所述的一种基于声光调制器的复合光锁相环的线性相干接收***，其特征在于，50:50光耦合器的两输出端连接至平衡光电探测器进行光电探测，实现光信号到电信号的转换。
7.根据权利要求3或6所述的一种基于声光调制器的复合光锁相环的线性相干接收***，其特征在于，平衡光电探测器输出的电信号的低频部分沿电路板走线流入环路滤波器二；环路滤波器二的输出通过射频接口连接至压控振荡器的控制信号输入端；压控振荡器输出端通过射频传输线连接至声光调制器的射频输入端使其输出光产生频率偏移。
8.根据权利要求7所述的一种基于声光调制器的复合光锁相环的线性相干接收***，其特征在于，平衡光电探测器输出的电信号的高频和低频部分同时沿电路板走线流入环路滤波器一，环路滤波器一的输出通过电路板射频输出端口连接至LiNbO3相位调制器的射频输入端，对本地参考光进行相位调制。
9.根据权利要求8所述的一种基于声光调制器的复合光锁相环的线性相干接收***，其特征在于，环路滤波器一的信号通过射频接口输出，为相关接收***的解调射频信号。
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