CN205792593U - Bpsk空间光通信接收解调*** - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种BPSK空间光通信接收解调***。在卫星相干光通信中通信链路的动态特性、信道特性，终端内部器件的空间光接口均是引起光场失配的来源。光场失配最终造成接收灵敏度的下降，这是卫星相干光通信链路总体研究和接收机硬件研究工作中必须加以考虑的因素。本实用新型提供一种BPSK空间光通信接收解调***，其特征在于，包括光调制器、光混频器、平衡探测器、鉴相电路、精跟踪锁相环路和频率粗调电路。本实用新型结构简单，设计合理，通信速率高，抗干扰性强。

Description

BPSK空间光通信接收解调***

技术领域

本实用新型涉及一种BPSK空间光通信接收解调***，属于通信技术领域。

背景技术

激光具有高度相干性，频率高的特点，因此激光通信相对于微波通信具有带宽大，数据传输速率高的优点。激光通信具有可高达数百Gbps的通信能力，满足未来海量空间信息传输的需求。除此之外，采用激光为传输介质建立通信链路还具有发散角小，不易被截获，保密性高，光束能量弥散度小，能够进行超长距离的有效传输，通信终端体积小、质量轻、功耗低等若干优势，非常适合作为卫星通信有效载荷。因此，空间激光通信的优势使得其成为未来空间信息网络信息传输的必然之选，中国、欧盟、美国、日本等世界主要技术大国都给予高度重视，开展了数十年的持续研究，成功验证了基于深空探测器、卫星、临近空间飞行器、飞机、系留气球、车辆、舰艇等各类移动平台的空间激光通信技术。这些成功实验大部分是基于强度调制/直接探测体制的激光通信实验，而相干体制的激光通信技术具有高灵敏度、抗日凌、适合于超远距离传输的优势，近年来已逐渐成为空间激光通信领域的研究热点。特别是随着2008年欧洲Terra SAR卫星相干光通信实验的成功，以及基于TerraSAR相干通信链路升级的欧洲数据中继***的研究计划得到实施，预示着卫星相干光通信技术将是未来卫星光骨干网络的主要通信技术之一，标志着卫星相干光通信的研究将从试验验证阶段转入实用化阶段。

综合世界各国科学家们的研究进展来看，BPSK调制、零差相干接收的空间光通信体制，将成为空间信息网激光骨干通信链路的主要体制之一，基于COSTAS光锁相环零差接收机是目前主要相干接收机方案，借用相干通信信号提取跟踪误差，通信、跟踪一体化原理设计是相干光通信接收机未来的发展趋势。

我国空间激光通信技术目前正蓬勃发展，国内多家高校和研究单位都开展了大量的理论研究，关键技术演示，激光终端研制等工作，取得了***的成果。2011年，我国海洋二号卫星搭载的激光通信终端成功实现了504Mbps的星地激光通信链路，成为中国卫星通信技术发展史上的一个重要里程碑。

当前，我国空间光通信领域的研究正处于从IM/DD卫星光通信向相干光通信技术的过渡阶段。主要的研究集中在适用于卫星相干光通信的关键技术、关键器件的研究阶段。卫星相干光通信研究，以相干光场的高度匹配为基础前提，以获得高的接收灵敏度为主要目标。在卫星相干光通信中通信链路的动态特性、信道特性，终端内部器件的空间光接口均是引起光场失配的来源。光场失配最终造成接收灵敏度的下降，这是卫星相干光通信链路总体研究和接收机硬件研究工作中必须加以考虑的因素。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种结构简单，设计合理，通信速率高，抗干扰性强的BPSK空间光通信接收解调***。

本实用新型解决上述问题所采用的技术方案是：该BPSK空间光通信接收解调***，其特征在于，包括光调制器、光混频器、平衡探测器、鉴相电路、精跟踪锁相环路和频率粗调电路。

该光混频器，用于将接收信号与本振激光信号进行混频，并形成四路信号，所述光调制器连接至光混频器。

该平衡探测器，其连接至光混频器，用于将光混频器形成的四路信号转化为互为正交的第一路电信号和第二路电信号。

该鉴相电路，其连接至平衡探测器，用于输出一路解调数据和两路同相信号。

该精跟踪锁相环路，其与鉴相电路连接，并包括运算放大器和压控振荡器，所述压控振荡器与光调制器连接，上述的两路同相信号中的一路进入所述运算放大器进行调节并通过压控振荡器输出。

该频率粗调电路，其与鉴相电路连接，并包括低通滤波器、功率检测模块、第一A/D转换模块、第二A/D转换模块、FPGA、D/A转换、激光器，上述的 两路同相信号中的另一路经过所述的低通滤波器，送入功率检测模块进行频率粗调，再经过数据采集，根据信号的功率和上述的精跟踪锁相环路的状态，判断激光频率是否落在精跟踪锁相环路的频带范围内，如果在范围内则停止调节，如果不在范围内，则不断调节D/A转换，控制激光器频率，使其落入精跟踪锁相环路的频带内，上述的压控振荡器的输出频率与激光器频率混合完成锁相频率精跟踪，所述激光器连接至光调制器。

本实用新型所述鉴相电路包括比较器、时钟分配器、异或门，所述第一路电信号和第二路电信号首先通过比较器整形，变成数字信号，随后通过时钟分配器，将上述的第一路电信号和第二路电信号分别变为两路，所述第一路电信号分成的两路中的一路作为解调数据输出，另外一路与第二路电信号分成的两路中的一路通过异或门进行异或运算，将第一路信道和第二路信道的相位差变为脉冲信号，脉冲信号再经过时钟分配器变为所述的两路同相信号。

本实用新型所述比较器包括第一比较器、第四比较器，所述时钟分配器包括第二时钟分配器、第五时钟分配器和第六时钟分配器，第一比较器与第二时钟分配器连接，第二时钟分配器与异或门连接，异或门与第六时钟分配器连接，第四比较器与第五时钟分配器连接，第五时钟分配器与异或门连接。

本实用新型所述精跟踪锁相环路采用模拟式滤波器对输入信号进行滤波，然后加到压控振荡器的电压控制端，压控振荡器的输出与激光器进行混频，完成频率的窄带跟踪。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点和效果：结构简单，设计合理，通信速率高，通过精跟踪锁相环路和频率粗调电路的设置，使得抗干扰性强。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例中的BPSK空间光通信接收解调***的结构框图。

图2是鉴相电路的电路原理图。

图3是精跟踪锁相环路的电路原理图。

图4是频率粗调电路的结构框图。

图5是低通滤波器和功率检测模块的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本实用新型作进一步的详细说明，以下实施例是对本实用新型的解释而本实用新型并不局限于以下实施例。

实施例1。

如图1所示，本实施例的BPSK空间光通信接收解调***包括光调制器1、光混频器2、平衡探测器3、鉴相电路4、精跟踪锁相环路5和频率粗调电路6。

本实施例中的光混频器2，用于将接收信号与本振激光信号进行混频，并形成四路信号，光调制器1连接至光混频器2。本处的本振激光信号指的是激光器67产生的等幅波。

本实施例中的平衡探测器3，其连接至光混频器2，用于将光混频器2形成的四路信号转化为互为正交的第一路电信号I和第二路电信号Q。

本实施例中的鉴相电路4，其连接至平衡探测器3，用于输出一路解调数据和两路同相信号。

本实施例中的精跟踪锁相环路5，其与鉴相电路4连接，并包括运算放大器AD829和压控振荡器ROS-520+，压控振荡器ROS-520+与光调制器1连接，上述的两路同相信号中的一路进入所述运算放大器AD829进行调节并通过压控振荡器ROS-520+输出。

如图1和图4所示，本实施例中的频率粗调电路6，其与鉴相电路4连接，并包括低通滤波器61、功率检测模块62、第一A/D转换模块63、第二A/D转换模块64、FPGA65、D/A转换66、激光器67，上述的两路同相信号中的另一路经过所述的低通滤波器61，送入功率检测模块62进行频率粗调，再经过数据采集，根据信号的功率和上述的精跟踪锁相环路5的状态，判断激光频率是否 落在精跟踪锁相环路5的频带范围内，如果在范围内则停止调节，如果不在范围内，则不断调节D/A转换66，控制激光器67频率，使其落入精跟踪锁相环路5的频带内，上述的压控振荡器ROS-520+的输出频率与激光器67频率混合完成锁相频率精跟踪，激光器67连接至光调制器1。

本实施例中鉴相电路4包括比较器、时钟分配器、异或门HMC745LC3，第一路电信号I和第二路电信号Q首先通过比较器整形，变成数字信号，随后通过时钟分配器，将上述的第一路电信号I和第二路电信号Q分别变为两路，第一路电信号I分成的两路中的一路作为解调数据输出，另外一路与第二路电信号Q分成的两路中的一路通过异或门HMC745LC3进行异或运算，将第一路信道和第二路信道的相位差变为脉冲信号，脉冲信号再经过时钟分配器变为所述的两路同相信号。

具体的，本实施例中的的比较器包括第一比较器HMC674LP3E*1、第四比较器HMC674LP3E*4，时钟分配器包括第二时钟分配器ADCLK944*2、第五时钟分配器ADCLK944*5和第六时钟分配器ADCLK944*6，第一比较器HMC674LP3E*1与第二时钟分配器ADCLK944*2连接，第二时钟分配器ADCLK944*2与异或门HMC745LC3连接，异或门HMC745LC3与第六时钟分配器ADCLK944*6连接，第四比较器HMC674LP3E*4与第五时钟分配器ADCLK944*5连接，第五时钟分配器ADCLK944*5与异或门HMC745LC3连接，第一路差分信号首先进入第一比较器HMC674LP3E*1，再依次经过第二时钟分配器ADCLK944*2和异或门HMC745LC3，而第二路差分信号首先进入第四比较器HMC674LP3E*4，再依次经过第四比较器HMC674LP3E*4和异或门HMC745LC3，异或门HMC745LC3进行异或运算，将第一路信道和第二路信道的相位差变为脉冲信号，脉冲信号再经过第六时钟分配器ADCLK944*6变为两路同相信号。

本实施例中的精跟踪锁相环路5采用模拟式滤波器对输入信号进行滤波，然后加到压控振荡器ROS-520+的电压控制端，压控振荡器ROS-520+的输出与激光器67进行混频，完成频率的窄带跟踪。该模拟式滤波器为有源滤波器。

如图2所示，为鉴相电路4的电路原理图，第一路电信号首先进入第一比较器HMC674LP3E*1，INP接I路信号正端，INN接I路信号负端，VTP、VTN、N/C、RTN接GND，5脚Vcci接电容C11与3.3V电源，C11另一端接GND，9脚Vcco接电容C8与2V电源，C8另一端接GND，12脚Vcco接电容C4与2V电源，C4另一端接GND，13脚Vee接电容C1与-3V电源相连，C1另一端接GND，16脚Vcci接电容C2与3.3V电源相连，C2另一端接GND，11脚Q接第二比较器ADCLK944*2的1脚CLK，10脚接第二时钟分配器ADCLK944*2的4脚第二时钟分配器ADCLK944*2的2脚VT和3脚VREF相连，5脚VEE和16脚VEE接GND，8脚VCC接电容C10与3.3V电源，C10另一端接GND，13脚VCC接电容C3与3.3V电源，C3另一端接GND，12脚Q1和11脚做为差分数据解调输出端，10脚Q2和9脚分别接异或门HMC745LC3*3的2脚AN和3脚AP。

第二路电信号首先进入第四比较器HMC674LP3E*4，INP接Q路信号正端，INN接Q路信号负端，VTP、VTN、N/C、RTN接GND，5脚Vcci接电容C19与3.3V电源，C19另一端接GND，9脚Vcco接电容C17与2V电源，C17另一端接GND，12脚Vcco接电容C16与2V电源，C16另一端接GND，13脚Vee接电容C12与-3V电源相连，C12另一端接GND，16脚Vcci接电容C13与3.3V电源，C13另一端接GND，11脚Q接第五时钟分配器ADCLK944*5的1脚CLK，10脚接比较器*5(ADCLK944)4脚*5的2脚VT和3脚VREF相连，5脚VEE和16脚VEE接GND，8脚VCC接电容C18与3.3V电源，C18另一端接GND，13脚VCC接电容C14与3.3V电源，C14另一端接GND，12脚Q1和11脚之间串接电阻R4，10脚Q2和9脚分别接异或门*3(HMC745LC3)的7脚BN和6脚BP。

异或门HMC745LC3*3的1脚、4脚、5脚、8脚、9脚、12脚、14脚接GND，13脚VCC接电容C7与3.3V电源，C7另一端接GND，16脚VCC接电容C6与3.3V电源，C6另一端接GND，15脚VR接R1并与C5相连，R1和C5的另一端接GND，11脚DP接第六时钟分配器ADCLK944*6的1脚CLK，10脚DN接*6的4脚

第六时钟分配器ADCLK944*6的2脚VT和3脚VREF相连，5脚VEE和16脚VEE接GND，8脚VCC接电容C15与3.3V电源，C15另一端接GND，13脚VCC接电容C9与3.3V电源，C9另一端接GND，11脚接电阻R2，R2另一端接GND，9脚接电阻R3，R3另一端接GND，10脚Q2接频率粗调输入端电感L2，12脚Q1接精跟踪锁相环路输入端R7。

如图3所示，图3为精跟踪锁相环路5的电路原理图，R7另一端接电容C22，C22另一端接运算放大器AD829的2脚-IN，同时串接C21，C21另一端接C20和R5，运算放大器AD829的1脚OFFSET NULL与R6相连，R6另一端与8脚OFFSET NULL相连，运算放大器AD829的3脚+IN和4脚-Vs接GND，5脚Ccomp接C23，C23另一端接GND，7脚+Vs接电源+5V，6脚OUTPUT接R5、C20另一端，同时与压控振荡器ROS-520+的2脚Vtune和第二A/D转换模块64相连。形成有源低通滤波器，即上述提到的模拟式滤波器。

压控振荡器ROS-520+的1、3、4、5、6、7、8、9、11、12、13、15、16脚接GND，14脚Vcc接电源+5V，10脚RFout与光调制器1的输入端相连。

如图5所示，图5为低通滤波器61和功率检测模块62的电路原理图，低通滤波器61的电感L2的另一端接C27和L3，C27的另一端接GND，L3的另一端接L4和C28，C28的另一端接GND，L3的另一端接C25，C25的另一端接功率检测模块62的电路芯片AD8307的8脚INP和L1，L1的另一端接C24和电路芯片AD8307的1脚INM，功率检测模块62的C24另一端接GND，电路芯片AD8307的2脚COM接GND，4脚接第一A/D转换模块63，电路芯片AD8307的6脚ENB、7脚VPS串接并与R8和C26相连，R8另一端接电源3.3V，C26另一端接GND。

本实用新型的工作原理：

接收信号通过2与本振激光信号混频，形成四路信号，再经过平衡探测器3，将光信号转化为正交的I、Q两路电信号。I、Q首先通过比较器整形，变成数字信号，随后通过时钟分配器，将每路信号分成两路的同时，保证I、Q信道的相位一致性。I路信号两路中的一路作为解调输出，另外一路与其中一路Q路信号 进行异或运算，将I、Q信道的相位差变为脉冲信号，脉冲信号再经过时钟分配电路变为两路同相信号，其中一路经过低通滤波器61后，送入功率检测模块62进行频率粗调，再经过数据采集，根据信号的功率和精跟踪锁相环路5的状态，可以有效判断出激光频率是否落在精跟踪锁相环路5的频带范围内，如果在范围内则停止调节，如果不在范围内，则不断调节第一A/D转换模块63，控制激光器67的频率，使其落入精跟踪锁相环路5的频带内。另外一路经过二阶有源低通滤波器，控制压控振荡器ROS-520+的输出频率与激光器67频率混频，完成锁相频率精跟踪。

本实施例中的FPGA65指的是现场可编程门阵列，是一种集成电路，属于现有技术，此处不再赘述。

本实用新型结构简单，设计合理，通信速率高，通过精跟踪锁相环路和频率粗调电路的设置，使得抗干扰性强。

本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本实用新型所作的举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本实用新型说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种BPSK空间光通信接收解调***，其特征在于，包括：

光调制器；

光混频器，用于将接收信号与本振激光信号进行混频，并形成四路信号，所述光调制器连接至光混频器；

平衡探测器，其连接至光混频器，用于将光混频器形成的四路信号转化为互为正交的第一路电信号和第二路电信号；

鉴相电路，其连接至平衡探测器，用于输出一路解调数据和两路同相信号；

精跟踪锁相环路，其与鉴相电路连接，并包括运算放大器和压控振荡器，所述压控振荡器与光调制器连接，上述的两路同相信号中的一路进入所述运算放大器进行调节并通过压控振荡器输出；

频率粗调电路，其与鉴相电路连接，并包括低通滤波器、功率检测模块、第一A/D转换模块、第二A/D转换模块、FPGA、D/A转换、激光器，上述的两路同相信号中的另一路经过所述的低通滤波器，送入功率检测模块进行频率粗调，再经过数据采集，根据信号的功率和上述的精跟踪锁相环路的状态，判断激光频率是否落在精跟踪锁相环路的频带范围内，如果在范围内则停止调节，如果不在范围内，则不断调节D/A转换，控制激光器频率，使其落入精跟踪锁相环路的频带内，上述的压控振荡器的输出频率与激光器频率混合完成锁相频率精跟踪，所述激光器连接至光调制器。

2.根据权利要求1所述的BPSK空间光通信接收解调***，其特征在于：所述鉴相电路包括比较器、时钟分配器、异或门，所述第一路电信号和第二路电信号首先通过比较器整形，变成数字信号，随后通过时钟分配器，将上述的第一路电信号和第二路电信号分别变为两路，所述第一路电信号分成的两路中的一路作为解调数据输出，另外一路与第二路电信号分成的两路中的一路通过异或门进行异或运算，将第一路信道和第二路信道的相位差变为脉冲信号，脉冲信号再经过时钟分配器变为所述的两路同相信号。

3.根据权利要求2所述的BPSK空间光通信接收解调***，其特征在于：所述比较器包括第一比较器、第四比较器，所述时钟分配器包括第二时钟分配器、第五时钟分配器和第六时钟分配器，第一比较器与第二时钟分配器连接，第二时钟分配器与异或门连接，异或门与第六时钟分配器连接，第四比较器与第五时钟分配器连接，第五时钟分配器与异或门连接。

4.根据权利要求1所述的BPSK空间光通信接收解调***，其特征在于：所述精跟踪锁相环路采用模拟式滤波器对输入信号进行滤波，然后加到压控振荡器的电压控制端，压控振荡器的输出与激光器进行混频，完成频率的窄带跟踪。

5.根据权利要求3所述的BPSK空间光通信接收解调***，其特征在于：所述第一路电信号首先进入第一比较器，第一比较器的INP接I路信号正端，INN接I路信号负端，VTP、VTN、N/C、RTN接GND，5脚Vcci接电容C11与3.3V电源，C11另一端接GND，9脚Vcco接电容C8与2V电源，C8另一端接GND，12脚Vcco接电容C4与2V电源，C4另一端接GND，13脚Vee接电容C1与-3V电源相连，C1另一端接GND，16脚Vcci接电容C2与3.3V电源相连，C2另一端接GND，11脚Q接第二比较器的1脚CLK，10脚接第二时钟分配器的4脚第二时钟分配器的2脚VT和3脚VREF相连，5脚VEE和16脚VEE接GND，8脚VCC接电容C10与3.3V电源，C10另一端接GND，13脚VCC接电容C3与3.3V电源，C3另一端接GND，12脚Q1和11脚做为差分数据解调输出端，10脚Q2和9脚分别接异或门的2脚AN和3脚AP；第二路电信号首先进入第四比较器，第四比较器的INP接Q路信号正端，INN接Q路信号负端，VTP、VTN、N/C、RTN接GND，5脚Vcci接电容C19与3.3V电源，C19另一端接GND，9脚Vcco接电容C17与2V电源，C17另一端接GND，12脚Vcco接电容C16与2V电源，C16另一端接GND，13脚Vee接电容C12与-3V电源相连，C12另一端接GND，16脚Vcci接电容C13与3.3V电源，C13另一端接GND，11脚Q接第五时钟分配器的1脚CLK，10脚接比较器4脚五时钟分配器的2脚VT和3脚VREF相连，5脚VEE和16脚VEE接GND，8脚VCC接电容C18与3.3V电源，C18另一端接GND，13脚VCC接电容C14与3.3V电源，C14另一端接GND，12脚Q1和11脚之间串接电阻R4，10脚Q2和9脚分别接异或门的7脚BN和6脚BP；异或门的1脚、4脚、5脚、8脚、9脚、12脚、14脚接GND，13脚VCC接电容C7与3.3V电源，C7另一端接GND，16脚VCC接电容C6与3.3V电源，C6另一端接GND，15脚VR接R1并与C5相连，R1和C5的另一端接GND，11脚DP接第六时钟分配器脚CLK，10脚DN接*6的4脚第六时钟分配器的2脚VT和3脚VREF相连，5脚VEE和16脚VEE接GND，8脚VCC接电容C15与3.3V电源，C15另一端接GND，13脚VCC接电容C9与3.3V电源，C9另一端接GND，11脚接电阻R2，R2另一端接GND，9脚接电阻R3，R3另一端接GND，10脚Q2接频率粗调输入端电感L2，12脚Q1接精跟踪锁相环路输入端R7。

6.根据权利要求4所述的BPSK空间光通信接收解调***，其特征在于：所述精跟踪锁相环路的R7另一端接电容C22，C22另一端接运算放大器的2脚-IN，同时串接C21，C21另一端接C20和R5，运算放大器的1脚OFFSET NULL与R6相连，R6另一端与8脚OFFSET NULL相连，运算放大器的3脚+IN和4脚-Vs接GND，5脚Ccomp接C23，C23另一端接GND，7脚+Vs接电源+5V，6脚OUTPUT接R5、C20另一端，同时与压控振荡器的2脚Vtune和第二A/D转换模块64相连，所述压控振荡器的1、3、4、5、6、7、8、9、11、12、13、15、16脚接GND，14脚Vcc接电源+5V，10脚RFout与光调制器1的输入端相连。

7.根据权利要求4所述的BPSK空间光通信接收解调***，其特征在于：所述低通滤波器61的电感L2的另一端接C27和L3，C27的另一端接GND，L3的另一端接L4和C28，C28的另一端接GND，L3的另一端接C25，C25的另一端接功率检测模块62的电路芯片的8脚INP和L1，L1的另一端接C24和电路芯片的1脚INM，功率检测模块的C24另一端接GND，电路芯片的2脚COM接GND，4脚接第一A/D转换模块，电路芯片的6脚ENB、7脚VPS串接并与R8和C26相连，R8另一端接电源3.3V，C26另一端接GND。