空间激光通信中光学锁相环的研究进展 - 图文

空间激光通信中光学锁相环的研究进展

赵毅1，2，3 佟首峰1，2* 宋延嵩1，2 常帅1，2，3 刘洋1，2，3

1.长春理工大学空间光电技术研究所 吉林 长春 130022

2.长春理工大学空地激光通信技术国防重点学科实验室 吉林 长春 130022

3.长春理工大学光电工程学院 吉林 长春 130022

摘要 相干探测技术可以有效提高零差接收机的灵敏度。在空间激光通信系统中，零差接收机要求信号光和本振光的相位严格同步，光学锁相环是其中最常用的相位同步技术。首先对光学锁相环的理论模型进行介绍，推导出相应的传递函数，同时指出了影响光学锁相环性能的主要参数，如环路噪声带宽、自然频率和阻尼比等。详述了各类光学锁相环的基本结构和特性，其中包括：平衡锁相环、COSTAS锁相环、同步位锁相环、振荡锁相环以及副载波锁相环，并对各类光学锁相环的性能进行了比较。总结了光学锁相环近年来的发展及应用，最后对该技术的前景进行了展望。

关键词: 空间激光通信 相干探测 光学锁相环 副载波锁相环 中图分类号 TN929.1 文献标识码 A

Research Progress of Optical Phase Locked Loop

In space laser Communication

Zhao Yi1，2，3 Tong Shou-feng21，2* Song Yan-song1，2

Chang shuai1，2，3 Liu Yang1，2，3

(The Institute of Space Optoelectronic technology, Changchun University of science and technology, Changchun, Jilin, 130022, China) (Defence Key Subject Laboratory of Aero and Ground Laser Communication 21

Technology, Changchun University of Science and Technology, Changchun, Jilin, 130022, China)

(School of Optoelectronic Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun, Jilin, 130022, China)

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Abstract Coherent detection technology can improve the sensitivity of homodyne receiver effectively. In the system of space laser communication, homodyne receivers require synchronize a local oscillator (LO) signal to the phase of a signal wave, and the optical ————————

收稿日期：年-月-日；收到修改稿日期：年-月-日 基金项目：国家863计划（2012AA0042）

作者简介：赵毅（1990-），女，硕士研究生，主要从事空间激光通信系统中零差相干探测方面的研究。E-mail：cc_zhaoyi@163.com（通信联系人）

导师简介：佟首峰（1972-），男，博士，教授，主要从事航天遥感、卫星激光通信方面的研究。E-mail：tsf1998@163.com

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phase locked loop (OPLL) is the most efficacious technology. First, by including the theoretical model of the optical phase locked loop, and the corresponding transfer function is derived. Meanwhile the main parameters affecting the performance of the optical phase-locked loop are discussed, such as the loop noise bandwidth, the natural frequency, the damping factor of the loop. Describes the basic structure and characteristic of each OPLL type including: Balance OPLL, COSTAS OPLL, SyncBit OPLL, Dither OPLL and Sub-Carrier OPLL, and compares their properties in detail. Finally, the development and application of OPLL types are summarized, and the prospect of the OPLL technology is prospected.

Keywords space laser communication; coherent detection; OPLL；SC-OPLL OCIS Codes 060.1660; 060.2920; 060.5060; 060.4510; 1.引言

随着信息量的迅速增长，通信行业正朝着高速率、大容量、远距离的趋势快速发展，空间激光通信系统以其绝对的优势备受各国通信研究的青睐。目前空间激光通信体制主要分为直接探测(IM/DD)和相干探测。直接探测采用光强度调制，虽然设备简单、成本低，但系统的信噪比、灵敏度等性能均较差，不利于远距离信息传输。与IM/DD方式相比，相干探测的主要优点是：灵敏度高（比IM/DD方式高10～25 dB）；调制方式灵活（除了可以对光波进行幅度调制外，还可以进行频率调制或相位调制）；信道选择性高（可用于信道间隔小到1～10 GHz的光频分复用技术，实现多信道复用）?1?3?。

在空间相干激光通信中，根据本振光与信号光的频率是否一致，可分为零差探测和外差探测。理论上，零差探测的灵敏度高于外差3 dB，因此如何实现零差探测，成为提高接收机灵敏度的核心问题?4?5?。解决这一问题的关键是实现信号光与本振光的相位同步，这里引入了一个新的技术，即光学锁相技术。自20世纪90年代以来，随着光学锁相技术的不断发展，光学锁相环的类型(OPLL)不断丰富，零差接收机的灵敏度得到大幅度提高，因此光学锁相环引起了国内外学者的广泛关注，已成为空间激光通信中零差探测研究的重点。

2.光学锁相环的理论模型

光学锁相环(OPLL)实质是模拟电锁相环的一种闭环相位控制系统。如图1所示通常包括：等效鉴相器(PD)、等效压控振荡器(VCO)和环路滤波器(LF)?6?。等效鉴相器(PD) 用于比较信号光与本振光之间的相位差，它通常由光耦合器、90°Hybrid 和平衡探测器等来实现；环路滤波器(LF) 具有低通功能，能够滤除高频噪

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声，通过改变LF的参数可以调整锁相环路的参数；等效压控振荡器(VCO) 利用相位差信号，来控制本振激光器的输出，使本振光频率与信号光频率实现动态一致，即达到光学锁相。传统的光学锁相环中VCO是由可调谐激光器等效实现的。

uS?t?ue?t?Loop filteruC?t?uLO?t?VCO

图1 锁相环的基本原理图 Fig.1 Basic PLL circuit

假设锁相环的本振光由uLO?t?表示，信号光由uS?t?表示。则系统的本振光与信号光在时域上的表达式如下：

uS?t??u1sin?wSt??S? (1) uLO?t??u2cos?w2t??LO? (2)

假设乘法器是理想的，鉴相器(PD)的输出为： ue?t??KPDuS?t?uLO?t?

?KPDu1u2?sin??wS?wLO?t??S??LO??sin??wS?wLO?t??S??LO?? (3) 2KPD为相位探测器的系数，取值恒定。假定wS?wLO，且相位差很小时，上式可近

似为：

ue?t??KPDu1u2Kuusin??S??LO??PD12??S??LO? (4) 22此时，由于环路带宽的限制，(3)中频率相加项可以忽略。环路滤波器(LP)能够消除相位探测器输出信号的噪声和高频成分，同时决定着整个闭环反馈系统的动态性能。环路滤波器输出信号uC?t?的表达式为：

uC?t??f?t??ue?t? (5)

上式中f?t?为脉冲响应，“?”表示卷积计算。VCO的传递函数为：

t0

?LO?GVCO??uC???d? (6)

其中GVCO为增益因子，决定着VCO频率波动的灵敏度。

公式(4)、(5)和(6)定义了一个锁相环的反馈环路，对其进行拉氏变换：

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Ue?s??KPDu1u2??S?s???LO?s?? (7) 2UC?s??F?s??Ue?s? (8)

UC?s? (9) s将上式中的?S?LO，得到锁相环的闭环传递函数：

?LO?s??GVCO?s?1GloopF?s??LO?s? (10) H?s????1?S?s?1?sGloopF?s?Gloop?GVCOKPDu1u22表示锁相环路的总体增益。则误差传递函数如下：

1?H?s???e?s??S?s???LO?s?1 (11) ???1?S?s??S?s?1?sGloopF?s?要进一步分析光锁相环OPLL的整体性能，还需要确定放大器的放大倍率，以及环路滤波器的传输特性。假设放大器的放大倍率较大，传递函数如下：

F?s??U2sR2C1?1s?2?1 (12) ??U1sR1C1s?1两个时间常数分别为：

?1?R1C1 (13) ?2?R2C1 (14) 环路滤波器(LP)影响光锁相环的两个重要参数是自然频率wn和阻尼比?，其满足的条件如下，将其带入（11）中可获得新的闭环传递函数如下：

H?s??Gloop?s?2?1??1s2?sGloop?2?1?Gloop2?fn?wn?22?wns?wn (15) ?2?1s2?2?wns?wnGloop?1 (16)

?2Gloopwn?2 (17) ???2?12锁相环中另一个重要的参数就是环路的噪声带宽：

??1?2 (18) ?Bn??H?f?df??fn?????04???3.OPLL的种类与性能分析

20世纪末，随着空间激光通信的快速发展，光学锁相技术也得到了发展和改进，各国相继开展了利用各类光学锁相环的接收机演示实验。下面介绍了不同的OPLL，并对其性能进行分析。

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3.1平衡锁相环

平衡环是最简单的光学锁相环，如图2所示。平衡环主要包括180°混频器、平衡探测器、环路滤波器和本振激光器。其中实现鉴相功能的是180°混频器和平衡探测器。信号光与本振光通过180°混频器，使平衡探测器的两个对称光电二极管接收到相同功率的光信号，再经过跨阻放大器后直流分量被抵消，从环路滤波器得到的相位差进入本振激光器调节接口，实现相位的同步跟踪?7?8?。在锁相过程中，平衡环需要传输一个残余载波，以确保当信号光与本振光相位为零时，仍能进行相位锁定，因此在平衡环中需要进行二次解调。平衡锁相环虽然结构简单易于实现,可以传输模拟和数字信号。但会受数据通道和锁相通道之间的串扰影响，且对线宽要求严格，因此逐渐被新的光学锁相环所取代。

-180 coupler+LO LaserLoop Filter 图2 平衡锁相环

Fig.2 Schematic overview of the Balanced loop

3.2 COSTAS锁相环

COSTAS锁相环是零差系统中最受青睐的光学锁相环之一，基于BPSK的COSTAS锁相环被认为是目前灵敏度最高的零差系统?9?。其主要由90°混频器、双支路平衡探测器、环路滤波器和本振激光器组成。如图3所示。信号光与本振光在混频器中实现相干叠加相移后输出四路带有相位信息的光束，分别为0°、180°、90°、270°。在混频器中能量分配比?，可以决定I支路（通信支路）与Q支路（相位支路）输出的功率分布，乘法器的使用能够将调制信息消除，同时将相位误差放大2倍，增加了执行精度。当相位差恒定时，相位噪声为零，乘法器的输出为零，I支路上的信号即为调制信号。COSTAS锁相环不仅可以有效的提高接收机的灵敏度，同时可以避免直流分量的影响。在选择合适截止频率的低通滤波器情况下，可降低噪声带宽, 保证良好的频率跟踪性能。

在COSTAS锁相环的搭建中，因为混频效率、相移精度、光功率损耗等因素的影响，以及温度、震动等情况带来的偏差，使得90°混频器在零差相干通信中的实现更加困难?10?12?。与此同时，本振源由可调谐激光器直接实现，在具体试验中，

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