一种基于直接数字式频率合成器的光学锁相环装置和锁相方法，装置包括：90度光学桥接器、平衡探测器、混频器、可编程逻辑门阵列、数模转换器、模数转换器、直接数字式频率合成器、带通微波放大器、窄线宽可调谐激光器、光学强度调制器、光纤光栅滤波器、光纤分束器和光纤放大器。软件利用线性扫频和傅里叶变换实现锁相环的初始进入，采用PID算法实现光学锁相环的相位精确控制。该装置不需要辅助锁相捕获电路，可以实现光学锁相环的高精度相位锁定和大范围的频移补偿。使用DDS取代压控振荡器，实现电压到相位的直接转换，改善环路相位余量，提高控制带宽进而提高光学锁相环的锁相性能。本发明专利技术可以快速实现光学锁相和激光相干通信信号解调。
Optical phase locked loop device and phase locked method based on direct digital frequency synthesizer
【技术实现步骤摘要】
基于直接数字式频率合成器的光学锁相环装置和锁相方法
本专利技术涉及自由空间相干通信和光纤相干通信，特别是一种基于直接数字式频率合成器的光学锁相环装置和锁相方法。
技术介绍
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。进行激光相干通信需要进行接收端本地激光器与发射端信号激光器的相位同步或者说相位锁定。由于光学锁相环技术难度较大，目前国内主要采用DSP(数字信号处理)对信号进行算法处理进而进行相位估计和信号解调。这种方式不需要对激光器进行相位精确控制，但是对DSP和高速DA的要求很高，功耗大，热处理复杂，也较难用于卫星平台的激光相干通信(需要宇航级DSP和高速DA)。光学锁相环技术不需要进行高速的算法处理，系统功耗低对硬件的要求也大大降低，是实现相干通信的关键技术。随着光纤相干通信和卫星平台激光相干通信需求的不断提高，光学锁相环技术越来越受到重视，成为国内外研究热点。现有技术[1](KazovskyLG.Decision-drivenphase-lockedloopforopticalhomodynereceivers:Performanceanalysisandlaserlinewidthrequirements[J].1985,32(6):1238-1247.)在理论上证明了基于决策驱动的光学锁相环的最优带宽为：同时激光器线宽需满足Δvopt＝3.1×10-4Rb。在Δv＝10kHz,kPs＝-70dBm时最优带宽为5.4M，这对于窄线宽的激光器来说是很难做到的。现有技术[2](CamatelS,FerreroV.Design,AnalysisandExperimentalTestingofBPSKHomodyneReceiversBasedonSubcarrierOpticalPhase-LockedLoop[J].JournalofLightwaveTechnology,2008,26(5):552-559.)、现有技术[3](孙建锋，许蒙蒙，张波，等.基于2X490光学桥接器的自由空间相干光通信探测装置：，CN105634591A.2016)提出用VCO(压控振荡器)对激光器进行外调制的方式提高本振激光器的控制带宽，同时保持激光器的窄线宽特性。这种方式可以把光学锁相环的闭环带宽提高到600khz附近。以上两种技术都给出了光学锁相环的理论计算，提出了锁相环的控制带宽对锁相误差以及锁相系统性能的影响。现有技术[1]对窄线宽激光器的线宽要求和环路控制带宽的要求是矛盾的，在要求激光器线宽窄的条件下，采用直接调制技术很难实现激光器高的控制带宽，一般只能到200KHz左右，远低于锁相环路要求的最优带宽5MHz。现有技术[2][3]采用VCO控制激光器外调制的方式提高了锁相环的闭环带宽到600khz，但是依旧达不到最佳锁相带宽的要求，锁相环在外界干扰较大或激光器线宽较大时依然存在不稳定的问题。影响光学锁相环带宽最主要的原因是现有技术只能直接调制激光的频率，再通过激光频率对时间积分进而实现对相位的控制。由于频率与相位的转换带来了控制环路90度相位移动，留给控制环路的其他部分的相位延迟量只有45度，锁相控制带宽被严重限制。研究一种新的控制机制实现光学锁相环对频率和相位直接控制的方案，对于提高光学锁相环的控制带宽和光学锁相环的性能有重要意义。
技术实现思路
本专利技术针对自由空间激光相干通信和光纤相干通信，提出一种基于直接数字式频率合成器的光学锁相环装置和锁相方法。本装置可以快速实现光学锁相和激光相干通信信号解调。本专利技术的技术解决方案如下：一种基于直接数字式频率合成器的光学锁相环装置，其构成包括：90度光学桥接器、平衡探测器、混频器、可编程逻辑门阵列(FPGA，以下简称为FPGA)、第一模数转换器(AD)、直接数字式频率合成器(以下简称为DDS)、带通微波放大器、窄线宽可调谐激光器、光学强度调制器、光纤光栅滤波器、光纤分束器和光纤放大器(EDFA)、第一数模转换器(DA)、窄线宽可调谐激光器、光纤滤波器监控模块、第二模数转换器和第二数模转换器；所述的90度光学桥接器的0度和180度端口分别与所述的第一平衡探测器的两个输入端口相连，90度光学桥接器的90度和270度端口分别与所述的第二平衡探测器的两个输入端口相连，所述的第一平衡探测器的第一输出端口经串并转换芯片与所述的FPGA的第三输入管脚相连，所述的第一平衡探测器的第二输出端口和第二平衡探测器的的输出端口分别与混频器的两个输入端口相连，该混频器的输出端口与第一模数转换器输入端口相连，该第一模数转换器与FPGA的第一输入管脚相连，该FPGA的第一输出管脚与DDS的输入端相连，该DDS的输出端与微波放大器的输入端相连，该带通微波放大器的输出端与光学强度调制器的调制端相连，该光学强度调制器的光学输入端与窄线宽可调谐激光器输出端相连，该光学强度调制器的光学输出端与光纤光栅滤波器的光学输入端相连，该光纤光栅滤波器的输出端与1:9光纤分束器的输入端相连，其中1:9光纤分束器的90％输出端接光纤放大器的输入端，1:9光纤分束器的输出10％输出端与光纤滤波器监控模块的输入端相连，该光纤放大器的输出端与90度光学桥接器的本振光输入端口相连，光纤滤波器监控模块的输出端与第二模数转换器的输入端相连，该第二模数转换器的输出端与FPGA的第二输入管脚相连，该FPGA的控制端与第二数模转换器的输入端相连，该第二数模转换器的输出端与光纤光栅滤波器控制端口相连，第一数模转换器的输入端与FPGA的第二输出管脚相连，第一数模转换器的输出端与窄线宽可调谐激光器的频率控制端相连，FPGA(7)的第四输出管脚(19)与下一级通信设备输入接口相连。90度光学桥接器、第一平衡探测器、第二平衡探测器、混频器、第一模数转换器、FPGA、DDS、微波放大器、光学强度调制器、光纤光栅滤波器、光纤分束器、光纤放大器、第一数模转换器、窄线宽可调谐激光器、光纤滤波器监控模块、第二模数转换器和第二数模转换器构成光学锁相环路。装置中采用的DDS，作为执行器可以实现对相位的直接控制，改善环路的传递函数。与之对应的传统的VCO，只能实现电压对频率的控制，进而控制相位。采用基于FPGA的数字化控制方案可以去掉复杂的辅助锁相电路，对于信号光和本振光的初始频差的容限更大，设计更简单。第一数模转换器控制窄线宽可调谐激光器的频率控制端口，可以大范围的改变进入光学调制器的输入光的频率，进而改变调制器的输出光频率，实现大范围的频率跟踪。所述的光纤光栅滤波器、光纤滤波器监控模块、第二模数转换器、第二数模转换器与FPGA构成本振激光器边带控制模块，保证本振激光器输出的+1级边带最大，减小0级、-1级、+2级边带的输出，扩大本专利技术在相干接收系统中接收通信速率的范围。直接数字式频率合成器实现小范围的精确锁相跟踪，与温度控制实现相结合。既能实现自由空间光通信中大范围的多普勒频移跟踪，又能实现精准的相位误差控制。本专利技术的优点在于：1、采用FPGA实现光学锁相环控制，不需要复杂的锁相辅助电路，可以实现较大初始频率差下的锁相控制。同时对锁相状态进行实时监控，失锁可以自动检测重新锁本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于直接数字式频率合成器的光学锁相环装置，特征在于其构成包括：90度光学桥接器(1)、第一平衡探测器(2)、第二平衡探测器(3)、混频器(4)、第一模数转换器(5)、串并转换芯片(6)、FPGA(7)、DDS(8)、带通微波放大器(9)、光学强度调制器(10)、光纤光栅滤波器(11)、光纤分束器(12)、光纤放大器(13)、第一数模转换器(14)、窄线宽可调谐激光器(15)、光纤滤波器监控模块(16)、第二模数转换器(17)和第二数模转换器(18)；所述的90度光学桥接器(1)的0度和180度输出端口分别与所述的第一平衡探测器(2)的两个输入端口相连，90度光学桥接器(1)的90度和270度输出端口分别与所述的第二平衡探测器(3)的两个输入端口相连，所述的第一平衡探测器(2)的第一输出端口经串并转换芯片(6)与所述的FPGA(7)的第三输入管脚相连，所述的第一平衡探测器(2)的第二输出端口和第二平衡探测器的(3)的输出端口分别与混频器(4)的两个输入端口相连，该混频器(4)的输出端口与第一模数转换器(5)输入端口相连，该第一模数转换器(5)与FPGA(7)的第一输入管脚相连，该FPGA(7)的第一输出管脚与DDS(8)的输入端相连，该DDS(8)的输出端与带通微波放大器(9)的输入端相连，该带通微波放大器(9)的输出端与光学强度调制器(10)的调制端相连，该光学强度调制器(10)的光学输入端与窄线宽可调谐激光器(15)输出端相连，该光学强度调制器(10)的光学输出端与光纤光栅滤波器(11)的光学输入端相连，该光纤光栅滤波器(11)的输出端与1:9光纤分束器(12)的输入端相连，其中1:9光纤分束器(12)的90％输出端接光纤放大器(13)的输入端，1:9光纤分束器(12)的10％输出端与光纤滤波器监控模块(16)的输入端相连，所述的光纤放大器(13)的输出端与所述的90度光学桥接器(1)的本振光输入端口相连，所述的光纤滤波器监控模块(16)的输出端与第二模数转换器(17)的输入端相连，该第二模数转换器(17)的输出端与FPGA(7)的第二输入管脚相连，该FPGA(7)的第三输出管脚与第二数模转换器(18)的输入端相连，该第二数模转换器(18)的输出端与光纤光栅滤波器(11)控制端口相连，第一数模转换器(14)的输入端与FPGA(7)的第二输出管脚相连，第一数模转换器(14)的输出端与所述的窄线宽可调谐激光器(15)的频率控制端相连，FPGA(7)的第四输出管脚(19)与下一级通信设备输入接口相连。...
【技术特征摘要】
1.一种基于直接数字式频率合成器的光学锁相环装置，特征在于其构成包括：90度光学桥接器(1)、第一平衡探测器(2)、第二平衡探测器(3)、混频器(4)、第一模数转换器(5)、串并转换芯片(6)、FPGA(7)、DDS(8)、带通微波放大器(9)、光学强度调制器(10)、光纤光栅滤波器(11)、光纤分束器(12)、光纤放大器(13)、第一数模转换器(14)、窄线宽可调谐激光器(15)、光纤滤波器监控模块(16)、第二模数转换器(17)和第二数模转换器(18)；所述的90度光学桥接器(1)的0度和180度输出端口分别与所述的第一平衡探测器(2)的两个输入端口相连，90度光学桥接器(1)的90度和270度输出端口分别与所述的第二平衡探测器(3)的两个输入端口相连，所述的第一平衡探测器(2)的第一输出端口经串并转换芯片(6)与所述的FPGA(7)的第三输入管脚相连，所述的第一平衡探测器(2)的第二输出端口和第二平衡探测器的(3)的输出端口分别与混频器(4)的两个输入端口相连，该混频器(4)的输出端口与第一模数转换器(5)输入端口相连，该第一模数转换器(5)与FPGA(7)的第一输入管脚相连，该FPGA(7)的第一输出管脚与DDS(8)的输入端相连，该DDS(8)的输出端与带通微波放大器(9)的输入端相连，该带通微波放大器(9)的输出端与光学强度调制器(10)的调制端相连，该光学强度调制器(10)的光学输入端与窄线宽可调谐激光器(15)输出端相连，该光学强度调制器(10)的光学输出端与光纤光栅滤波器(11)的光学输入端相连，该光纤光栅滤波器(11)的输出端与1:9光纤分束器(12)的输入端相连，其中1:9光纤分束器(12)的90％输出端接光纤放大器(13)的输入端，1:9光纤分束器(12)的10％输出端与光纤滤波器监控模块(16)的输入端相连，所述的光纤放大器(13)的输出端与所述的90度光学桥接器(1)的本振光输入端口相连，所述的光纤滤波器监控模块(16)的输出端与第二模数转换器(17)的输入端相连，该第二模数转换器(17)的输出端与FPGA(7)的第二输入管脚相连，该FPGA(7)的第三输出管脚与第二数模转换器(18)的输入端相连，该第二数模转换器(18)的输出端与光纤光栅滤波器(11)控制端口相连，第一数模转换器(14)的输入端与FPGA(7)的第二输出管脚相连，第一数模转换器(14)的输出端与所述的窄线宽可调谐激光器(15)的频率控制端相连，FPGA(7)的第四输出管脚(19)与下一级通信设备输入接口相连。2.根据权利要求1所述的基于直接数字式频率合成器的光学锁相环装置，其特征在于，所述的90度光学桥接器(1)、第一平衡探测器(2)、第二平衡探测器(3)、混频器(4)、第一模数转换器(5)、FPGA(7)、DDS(8)、微波放大器(9)、光学强度调制器(10)、光纤光栅滤波器(11)、光纤分...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈卫标，岳朝磊，孙建锋，朱韧，张晓曦，刘磊，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31
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