基于稳频激光器的相干无线激光通信系统、方法及接收机

摘要

本发明公开了一种基于稳频激光器的相干无线激光通信系统、方法及接收机。该系统的特色是采用稳频激光器作为通信的发射光源和接收本振光源。其中，发射机包括信源模块、调制模块以及第一稳频激光器；接收机包括光学混频模块、相干解调模块、瞄准捕获跟踪(APT)模块、发射机相对位置速度估计模块、接收机多普勒频偏估计模块和第二稳频激光器；所述光学混频模块、所述相干解调模块、所述第二稳频激光器依次连接，完成激光信号跟踪解调。本发明能够在大光学多普勒频移动态条件下完成激光信号捕获跟踪，信号捕获速度快，信号同步精度高。

说明书

技术领域

本发明相干光通信技术领域，尤其涉及一种基于稳频激光器的相干无线激光通信系统、方法及接收机。

背景技术

相干光通信要求本振激光和接收激光信号严格频率或相位同步。在无线激光移动通信系统中，例如卫星光通信，由于收发机之间具有较大相对运动速度，将造成接收到的激光信号出现较大的多普勒频偏以及频偏变化速度，在这种情况下多普勒频移是无线激光通信不可忽视的一个问题。由于锁相环的捕获时间与频偏的平方成正比，如果采用自然捕获法，当频偏很大时，需要经过很长时间锁相环才能入锁。

为了缩短捕获时间，可以采用扫频模块来辅助捕捉，即当锁相环没有锁定时，通过对本振激光器外加一个扫描电压，使得本振激光器的频率在较大范围内进行扫描。当本振激光器频率与接收光频率相近时，环路将快速锁定，这时停止扫描，环路继续保持锁定。虽然扫频加锁相环方案的捕获速度比单纯采用锁相环的方案有了较大提高，但该方案由于对接收激光信号的多普勒频偏无法进行预判，因而在扫频时必须遍历所有可能的多普勒频偏值。在接收激光信号多普勒频偏较大的情况下，所需扫描的频点较多，因而频率捕获时间依然较大。

发明内容

为了克服大多普勒动态条件下的激光信号同步问题，本发明的目的是提供一种新型相干无线激光通信系统及方法，以在快变信道系统中快速捕获跟踪大多普勒频移的激光信号。

一方面，本发明公开了一种基于稳频激光器的相干无线激光通信系统，包括发射机和接收机，其中，所述发射机包括依次连接的信源模块、调制模块以及第一稳频激光器；所述信源模块用于产生待发送的数据，所述调制模块用于负责将所述信源模块的输出调制到所述第一稳频激光器上；所述接收机包括光学混频模块、相干解调模块、激光链路瞄准捕获跟踪(APT)模块、发射机相对位置速度估计模块、接收机多普勒频偏估计模块和第二稳频激光器；其中，所述光学混频模块、所述相干解调模块、所述第二稳频激光器依次连接，完成激光信号跟踪解调；并且，所述APT模块、所述发射机相对位置速度估计模块和所述接收机多普勒频偏估计模块的输入端依次连接，所述接收机多普勒频偏估计模块的输出端连接至与所述第二稳频激光器相连接。

上述相干无线激光通信系统中，所述相干解调模块包括：分别与所述光学混频模块相连接的残余频偏估计模块和鉴相器，所述鉴相器还连接有滤波器，所述残余频偏估计模块的输出端和所述滤波器的输出端均与所述第二稳频激光器相连接。

上述相干无线激光通信系统中，所述相干解调模块包括相连接的信道补偿模块、信道估计模块和残余频偏估计模块。

上述相干无线激光通信系统中，所述相干解调模块包括延迟模块、低通滤波模块和乘法器，其中，所述延迟模块的输出与所述乘法器相连，所述乘法器的输出与低通滤波器相连；并且，所述光学混频模块的输出分别与所述延迟模块的输入和所述乘法器的输入相连接。

第二方面，本发明还公开了一种用于相干无线激光通信的接收机，包括光学混频模块、相干解调模块、APT模块、发射机相对位置速度估计模块、接收机多普勒频偏估计模块和第二稳频激光器；其中，所述光学混频模块、所述相干解调模块、所述第二稳频激光器依次连接组成光学锁相环，所述光学锁相环完成激光信号锁相跟踪解调；并且，所述APT模块、所述发射机相对位置速度估计模块和所述接收机多普勒频偏估计模块依次连接后，通过所述接收机多普勒频偏估计模块连接至所述第二稳频激光器。

第三方面，本发明还公开了一种基于上述通信系统的相干无线激光通信方法，所述接收机依据如下步骤进行通信：步骤一，将所述第二稳频激光器锁定在固定的频率基准上，输出固定频率的本振激光信号；步骤二，所述APT模块开始建立激光链路，当链路建立成功后，所述发射机相对位置速度估计模块根据所述APT模块建立链路过程中所获得的观测信号，估计所述接收机和发射机的相对位置和速度；所述接收机多普勒频偏估计模块根据发射机相对位置速度信息估计接收光信号的多普勒频偏；步骤三，所述第二稳频激光器切换到频率预置模式，将所述多普勒频偏置入第二稳频激光器的频率控制字，对所述步骤一中的本振激光信号进行初始频偏补偿，并保持补偿后的激光信号频率，进而完成激光信号的捕获；步骤四，通过相位同步跟踪，由所述相干解调模块对捕获的激光信号进行解调。

上述相干无线激光通信方法，所述步骤四中的相位同步跟踪为基于反馈的相干锁相跟踪算法，采用两轮频率补偿加相干解调策略，具体为：初始频偏补偿结束后，相干解调模块对接收信号进行频偏估计，并将频偏估计结果置入第二稳频激光器进行残余频率补偿，将光学混频模块中输入信号的频偏控制在锁相环的快捕带内；所述光学锁相环控制所述第二稳频激光器对输入信号的相位进行锁相跟踪。

上述相干无线激光通信方法，所述步骤四中的解调基于导频前馈对接收激光信号的相位进行相位跟踪，具体为：在发送数据中加入作为导频的辅助同步序列，接收机通过导频对光学混频模块中的输入信号进行同步；初始频偏补偿结束后，相干解调模块对接收信号频偏进行估计，并将频偏估计结果置入第二稳频激光器进行残余频率补偿；随后接收机利用导频对接收激光信号的时偏、相偏和频偏进行估计，根据时偏、相偏和频偏估计结果对光学混频模块中的输入信号进行前馈同步；同时，控制第二稳频激光器，对接收激光信号进行锁频控制。

上述相干无线激光通信方法，所述步骤四中的解调为基于DBPSK的自相干解调，具体为，对发射机的输入信号比特流进行差分编码，解调时将混频后的信号送入延迟模块，延迟模块的输出信号与输入信号间有延迟，将延迟模块的输出信号与输入信号进行自相关运算，将相关结果送入低通滤波器即得到解调信号；在相干解调的同时，光学混频模块、残余频偏估计模块以及第二稳频激光器组成锁频环跟踪锁定接收激光信号频率。

上述相干无线激光通信方法，所述步骤四中的解调通过模拟电路或数字器件实现。

相对于现有技术而言，本发明能够在大多普勒动态的系统中完成信号激光信号捕获跟踪，信号捕获速度快，信号同步精度高。

附图说明

图1为本发明中，发射机实施例的结构框图；

图2为本发明中，接收机实施例的结构框图；

图3为本发明相干无线激光通信方法一个实施例中，接收机的工作流程图；

图4为相干无线激光通信系统中，基于反馈的相干锁相接收机实施例的结构示意图；

图5为相干无线激光通信系统中，基于反馈的相干锁相接收机实施例中，科斯塔斯环的结构示意图；

图6为相干无线激光通信系统中，基于反馈的相干锁相接收机实施例中，抖动锁相环环结构示意图；

图7为相干无线激光通信系统中，基于导频前馈的无线激光通信接收机结构示意图；

图8为基于导频前馈的无线激光通信接收机数据帧导频设计示意图；

图9为相干无线激光通信系统中，基于DBPSK的自相干解调的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

相干无线激光通信系统、接收机实施例

该实施例相干无线激光通信系统，包括发射机和接收机，发射机结构参照图1，包括依次连接的信源模块110、调制模块120以及第一稳频激光器130；信源模块110用于产生待发送的数据，调制模块120用于负责将信源模块的输出调制到第一稳频激光器130上。

接收机结构参照图2，包括光学混频模块140、相干解调模块150、APT模块160、发射机相对位置速度估计模块170、接收机多普勒频偏估计模块180和第二稳频激光器190；其中，光学混频模块140、相干解调模块150、第二稳频激光器190依次连接，完成激光信号跟踪解调；并且发射机相对位置速度估计模块170和接收机多普勒频偏估计模块180依次连接后，通过接收机多普勒频偏估计模块170连接至第二稳频激光器190。其中，E_S表示入射光，E_LO表示本振激光。其他说明书附图涉及的E_S和E_LO也表示相同的含义，以下不再赘述。

结合图3说明接收机的工作流程，接收机工作流程如下。

(1)APT模块160开始工作，负责建立激光链路建立，第二稳频激光器90输出固定频率的本振激光信号。(2)激光链路建立之后，发射机相对位置速度估计模块170根据APT模块160建立链路过程中所获得的观测信号估计收发机间的相对速度，接收机多普勒频偏估计模块负责180根据发射机相对速度信息估计接收光信号的多普勒频偏。(3)将估计多普勒频偏值置入第二稳频激光器190频率控制字，进行初始频偏补偿，随后保持第二稳频激光器190输出光信号频率。(4)相干解调模块150进行数据解调。

需要说明的是第二稳频激光器有两种工作模式，在APT阶段(上述流程中的(1)和(2))，锁定在某个固定的频率基准上；进入激光信号捕获工作时(流程中的(3))，切换到频率预置模式，根据当前的多普勒频移估计值，改变本振激光的频率，实现激光频率的快速搜索和捕获；在相干解调阶段，即流程(4)，根据不同的相干解调算法对激光器输出信号进行锁频或锁相控制。本发明的相干解调方案既可采用基于锁相环的方案，基于锁频环的差分解调方案(DBPSK)，也可采用基于导频的前馈方案。在相干解调阶段，第二稳频激光器的工作模式如下：对于锁相环方案，环路对输入激光信号的相偏进行实时估计，将相位误差送入环路滤波器后产生控制信号对激光器频率进行实时调整；对于基于锁频环的差分解调方案(DBPSK)和基于导频的前馈方案，环路对输入激光信号的多普勒频偏进行实时估计，将多普勒频偏误差送入环路滤波器后产生控制信号对激光器频率进行实时调整。

参照图4，图4为相干无线激光通信系统中，基于反馈的相干锁相接收机实施例的结构示意图。该实施例的接收机相干解调模块150包括：分别与光学混频模块相连接的残余频偏估计模块410和鉴相器420，鉴相器420还连接有滤波器430，残余频偏估计模块410的输出端和滤波器430的输出端均与第二稳频激光器相连接。

本实施例采用两轮频率补偿加相干解调策略。相干解调的具体方案为：初始频偏补偿结束后，相干解调模块开始工作，首先由残余频偏估计模块410对接收信号进行精确频偏进行估计，并将频偏估计结果置入第二稳频激光器进行残余频率补偿，将输入信号的频偏控制在锁相环的快捕带内。随后光学混频模块、鉴相器420、环路滤波器430以及第二稳频激光器构成激光锁相环路，控制第二稳频激光器对输入信号的相位进行锁相跟踪。

其工作流程如下：

1)APT模块开始工作，负责建立激光链路，第二稳频激光器输出固定频率的本振激光信号。

2)链路激光链路建立之后，发射机相对位置速度估计模块根据APT模块建立链路过程中所获得的观测信号估计收发机间的相对速度，接收机多普勒估计模块负责根据发射机速度信息估计接收光信号的多普勒频偏。

3)根据多普勒频偏估计结果改变第二稳频激光器输出光信号频率，进行初始频偏补偿。

4)残余频偏估计模块通过信号处理方式对输入信号的残余多普勒频偏进行精确估计。

5)根据多普勒频偏精确估计结果改变第二稳频激光器输出光信号频率，进行精确频偏补偿，使得接收激光信号落入数字锁相环快捕带内。

6)由光学混频模块、鉴相器420、环路滤波器430以及第二稳频激光器构成激光锁相环开始工作，环路滤波器430的输出信号对第二稳频激光器输出的本振激光频率进行动态调整，完成接收激光信号相位跟踪解调工作。

图4的锁相环的方案可以采用科斯塔斯环、判决反馈或抖动环等进行实现。图5和图6给出了图4中光学混频模块、鉴相器420、环路滤波器430以及第二稳频激光器所构成的激光锁相环路的具体结构。

参照图5，图5为相干无线激光通信系统中，基于反馈的相干锁相接收机实施例中，科斯塔斯环的结构示意图。其环路有两个通道，同相分量和正交分量。在同相通道中，输入信号和第二稳频激光器输出的本振光信号直接叠加。在正交相位通道中输入信号相位90°相移后再和本振光信号叠加。实现这种叠加的器件是光学正交混频器510。叠加后的光信号经过光电转换模块520后得到相应的电信号。两路电信号通过相位估计器530得到相差信号，经过环路滤波器550后作为第二稳频激光器540的输入以完成锁相同步功能。

参照图6，图6为相干无线激光通信系统中，基于反馈的相干锁相接收机实施例中，抖动锁相环环结构示意图。

抖动环方案在第二稳频激光器输出的本振光中加入一个小的相位扰动，称为振荡信号，该振荡信号由锁相环路中正弦抖动信号模块670产生。振荡信号传输到整个系统中，在输出信号中作为一个波动被探测到。若存在相位差，则输出包含有振荡信号频率部分。其幅值与相位差成正比，相位取决于相位差的正负。因此在解调的时候，可通过这个振荡信号得到相位差信号。抖动环的环路只有一个同相分量。在同相通道中，输入光信号和本振光信号直接叠加。实现这种叠加的器件是180°/3dB光耦合器610。叠加后的光信号经过光电转换模块620后得到相应的电信号。光电转换模块620的输出经过功率探测模块630后与正弦抖动信号模块670的正交分量相乘后得到相位误差信号，相位误差信号经过环路滤波器650后作为第二稳频激光器680的输入以完成锁相同步功能。

基于锁相环的接收机方案相位跟踪误差小，但是在工作过程中锁相环入锁需要一定时间，因而适用于通信信号连续不间断的情况。

参照图7，图7为相干无线激光通信系统中，基于导频前馈的无线激光通信接收机结构示意图，相干解调模块包括与光学混频模块相连接的信道补偿模块740、信道估计模块730和残余频偏估计模块720，并且，残余频偏估计模块720还与第二稳频激光器相连接。

该实施例采用前馈方案对接收激光信号的相位进行跟踪。具体实现方案是在发送数据中加入特定的辅助同步序列(导频)，通过导频对接收激光信号进行同步。相干解调的具体方案为：初始频偏补偿结束后，由残余频偏估计模块720对接收信号频偏进行估计，并将频偏估计结果置入第二稳频激光器进行残余频率补偿。随后信道估计模块730开始工作，根据导频对接收激光信号的时偏、相偏和频偏进行估计，并将估计结果送入信道补偿模块740，信道补偿模块根据时偏、相偏和频偏估计结果对接收信号进行前馈同步。同时，光学混频模块，残余频偏估计模块720以及第二稳频激光器组成锁频环对接收激光信号进行锁频控制。

其工作流程如下：

1)APT模块启动，开始建立激光链路，第二稳频激光器输出固定频率的本振激光信号。

2)激光链路建立之后，发射机相对位置速度估计模块根据APT模块建立链路过程中所获得的观测信号估计收发机间的相对速度，接收机多普勒频偏估计模块负责根据发射机速度信息估计接收光信号的多普勒频偏。

3)根据多普勒频偏估计结果改变第二稳频激光器输出光信号频率，进行初始频偏补偿。

4)第二稳频激光器进入锁频工作模式，信道估计模块对输入信号频偏相偏进行估计并根据估计结果对当前接收信号进行补偿，从而完成相干解调工作。

图8给出了基于导频前馈的无线激光通信接收机数据帧导频设计。其导频分布共有3种方式，导频分布在数据帧帧头10，导频分布在数据帧帧尾20以及导频均匀分布在数据帧内30。导频长度以及分布方式的选取由信道变化快慢以及接收信号信噪比决定，其具体设计可以通过仿真确定。基于导频前馈的无线激光通信接收机方案相位跟踪性能不如锁相环方案，但是解调不需要等待锁相环入锁后再进行，因而适用于突发通信模式。

参照图9，图9为相干无线激光通信系统中，基于DBPSK的自相干解调的结构示意图，相干解调模块包括延迟模块930、低通滤波器940和乘法器950，其中，延迟模块930的输出与乘法器950的输入相连，乘法器950的输出与低通滤波器940的输入相连；并且，光学混频模块的输出分别与延迟模块930的输入和乘法器950的输入相连接。

该实施例无需对激光信号相位进行跟踪，因而其解调模块设计最为简单。其实现方法如下，对发射机比特流进行差分编码，解调时将混频后的信号送入延迟模块930，延迟模块930的输出信号与输入信号间有T的延迟(T为传输信号的符号周期)，将延迟模块930的输出信号与输入信号送入乘法器950进行自相关运算，将相关结果送入低通滤波器940即可得到解调信号。在相干解调的同时，同时，光学混频模块、残余频偏估计模块920以及第二稳频激光器组成锁频环控制稳频激光器对接收激光信号进行锁频控制。

其工作流程如下：

1)APT模块启动，开始建立激光链路，第二稳频激光器输出固定频率的本振激光信号。

2)激光链路建立之后，发射机相对位置速度估计模块根据APT模块建立链路过程中所获得的观测信号估计收发机间的相对速度，接收机多普勒估计模块负责根据发射机速度信息估计接收光信号的多普勒频偏。

3)根据多普勒频偏估计结果改变第二稳频激光器输出光信号频率，进行初始频偏补偿。

4)接收信号延迟一个符号周期后进行DBPSK解码，同时第二稳频激光器进入锁频工作模式。

相干无线激光通信方法实施例

另一方面，本发明还公开了一种相干无线激光通信方法，基于该方法的接收机依据如下步骤进行通信：

步骤1，APT模块建立激光链路；将第二稳频激光器锁定在固定的频率基准上，输出固定频率的本振激光信号；步骤2，在激光链路建立之后，发射机相对位置速度估计模块根据APT模块建立链路过程中所获得的观测信号，估计收发机间的相对速度；接收机多普勒偏估计模块根据发射机速度信息估计接收光信号的多普勒频偏；步骤3，将第二稳频激光器切换到频率预置模式，将多普勒频偏置入第二稳频激光器的频率控制字，对步骤1中的固定频率的激光信号进行初始频偏补偿，并保持补偿后的激光信号频率，进而完成激光信号的捕获；步骤4，通过相位同步跟踪，由相干解调模块对捕获的激光信号进行解调。

在一个实施例中，步骤4中的相位同步跟踪为基于反馈的相干锁相跟踪，采用两轮频率补偿加相干解调策略，具体为：初始频偏补偿结束后，相干解调模块对接收光信号进行频偏估计，并将频偏估计结果置入第二稳频激光器进行残余频率补偿，将光学混频模块的输入E_s的频偏控制在锁相环的快捕带内；光学锁相环控制第二稳频激光器对输入信号的相位进行锁相跟踪。

锁相环的方案可以采用科斯塔斯环、判决反馈或抖动环等进行实现。

图5给出了科斯塔斯环的实现方案，其环路有两个通道，同相分量和正交分量。在同相通道中，输入光信号和第二稳频激光器输出的本振光信号直接叠加。在正交相位通道中输入信号相位90°相移后再和本振光信号叠加。实现这种叠加的器件是光学正交混频器510。叠加后的光信号经过光电转换模块520后得到相应的电信号。两路电信号通过相位估计器530得到相差信号，经过环路滤波器550后作为第二稳频激光器540的输入以完成锁相同步功能。

图6给出了抖动环的实现方案，第二稳频激光器输出的本振光中加入一个小的相位扰动，称为振荡信号，振荡信号由锁相环路中正弦抖动信号模块670产生。振荡信号传输到整个系统中，在输出信号中作为一个波动被探测到。若存在相位差，则输出包含有振荡信号频率部分。其幅值与相位差成正比，相位取决于相位差的正负。因此在解调的时候，可通过这个振荡信号得到相位差信号。抖动环的环路只有一个同相分量。在同相通道中，输入信号和本振光信号直接叠加。实现这种叠加的器件是180°/3dB光耦合器610。叠加后的光信号经过光电转换模块620后得到相应的电信号。光电转换模块620的输出经过功率探测模块630后与正弦抖动信号模块670的正交分量相乘后得到相位误差信号，相位误差信号经过环路滤波器650后作为第二稳频激光器680的输入以完成锁相同步功能。

基于锁相环方案的接收机相位跟踪误差小，但是在工作过程中锁相环入锁需要一定时间，因而适用于通信信号连续不间断的情况。

在另一个实施例中，步骤4中的解调基于导频前馈对接收激光信号的相位进行相位跟踪，具体为：在发送数据中加入作为导频的辅助同步序列，通过导频对接收激光信号进行同步；初始频偏补偿结束后，相干解调模块对接收信号频偏进行估计，并将频偏估计结果置入第二稳频激光器进行残余频率补偿；随后根据导频对接收激光信号的时偏、相偏和频偏进行估计，根据时偏、相偏和频偏估计结果对接收信号进行前馈同步；同时，控制第二稳频激光器，对接收激光信号进行锁频控制。该方法通过图7所述的系统实现该实施例采用前馈方案对接收激光信号的相位进行跟踪。

图8给出了基于导频前馈的无线激光通信接收机数据帧导频设计。其导频分布共有3种方式，导频分布在数据帧帧头10，导频分布在数据帧帧尾20以及导频均匀分布在数据帧内30。导频长度以及分布方式的选取由信道变化快慢以及接收信号信噪比决定，其具体设计可以通过仿真确定。基于导频前馈的无线激光通信接收机方案相位跟踪性能不如锁相环方案，但是解调不需要等待锁相环入锁后再进行，因而适用于突发通信模式。

在另一个实施例中，步骤4的解调为基于DBPSK的自相干解调，该方法基于图9所表示的系统。具体为，对发射机比特流进行差分编码，解调时将混频后的信号送入延迟模块930，延迟模块930的输出信号与输入信号间有延迟，将延迟模块930的输出信号与输入信号进行自相关运算，将相关结果送入低通滤波器940即得到解调信号；在相干解调的同时，光学混频模块、残余频偏估计模块920以及第二稳频激光器组成锁频环，对接收激光信号进行锁频控制。

以上对本发明所提供的一种基于稳频激光器的相干无线激光通信系统、方法及接收机进行了详细介绍，本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。