多调制格式兼容高速激光信号无锁相接收系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种多调制格式兼容高速激光信号无锁相接收系统及方法，可极大提升现有激光通信网络中继节点处的通信制式兼容性，节约系统性能升级的价格及资源成本。其包括控制指令单元、低噪声高增益光放大器、光开关、滤波器、光延时干涉仪I、光延时干涉仪Q、第一平衡探测器、第二平衡探测器、反编码开关单元、并串转换单元和数据处理单元；控制指令单元分别与光开关、反编码开关单元、并串转换开关单元相连；低噪声高增益光放大器与光开关连接；光开关分别通过滤波器、光延时干涉仪I光延时干涉仪Q与第一平衡探测器和第二平衡探测器连接；第一平衡探测器、第二平衡探测器依次通过反编码开关单元、并串转换单元、数据处理单元后输出电信号。

【技术实现步骤摘要】
多调制格式兼容高速激光信号无锁相接收系统及方法
本专利技术属于激光通信领域，具体涉及一种多调制格式兼容高速激光信号无锁相接收系统及方法。
技术介绍
激光通信具有数据速率高、抗干扰和抗截获能力强、保密性能好等突出优点，已经成为地面骨干网传输的主要链路形式，商业的100G光模块已逐渐成熟，2018年OFC展会上已经有400G光模块展示。同时随着国际上空间激光链路传输可行性的不断验证，近年来世界各国也相继推出基于激光链路的空间信息网络建设计划，如美国NASA的“激光通信中继演示(LCRD)”计划，欧空局(ESA)的“数据中继系统(EDRS)”计划，日本宇宙航空研究开发事业团(JAXA)部署的“光数据中继卫星(JDRS)”计划。我国2016年发射的墨子号、2017年发射的实践十三号卫星等也都搭载了激光通信终端。无论是地面的大容量光传输骨干网络，还是空间的高速激光通信系统，不同的接入终端会依据自身数据传输的需求，选择不同的数据调制格式。如强度调制(IM)格式的系统结构最简单，但同时接收系统对光功率的要求也较高，而二进制相位调制格式(BPSK、DPSK)的接收系统灵敏度相比IM系统降低了一半，但需要平衡探测技术，更高阶的调制格式(QPSK、DQPSK)能够在同样符号速率下，传输更多的数据，但同时系统复杂度将上升，且接收系统对光信噪比的要求更高。现有激光通信系统中，中继节点上的单一激光终端只能支持一种特定调制格式的激光信号接收，当不同调制格式的激光链路汇聚到激光信息网络的中继节点时，现有接收方式需要对每一种调制格式配备对应的接收系统，以实现数据的解调。中继节点处单一制式激光信号的接收方式限制了高速激光信息网络节点的兼容性和可扩展性，同时要想在中继节点支持多种高速激光信号中继，需要为每一个通信制式分配一个单独的激光通信终端，系统性能升级的价格成本及资源代价巨大。
技术实现思路
为了克服现有激光信息网络中，中继节点仅支持单一激光通信制式导致网络兼容性受限以及扩展性差的问题，本专利技术提出一种能够同时兼容IM、BPSK、DPSK、QPSK及DQPSK等激光通信系统中主流的多调制格式兼容高速激光信号无锁相接收系统及方法，可极大提升现有激光通信网络中继节点处的通信制式兼容性，节约系统性能升级的价格及资源成本。本专利技术具体技术方案如下：本专利技术提供了一种多调制格式兼容高速激光信号无锁相接收系统，包括控制指令单元、低噪声高增益光放大器、光开关、滤波器、光延时干涉仪I、光延时干涉仪Q、第一平衡探测器、第二平衡探测器、反编码开关单元、并串转换单元和数据处理单元；控制指令单元分别与光开关、反编码开关单元、并串转换开关单元相连；光延时干涉仪I、光延时干涉仪Q并联设置；高速激光信号通过低噪声高增益光放大器输入至光开关；光开关包括第一输出端口、第二输出端口以及第三输出端口；第一输出端口与滤波器相连，第二输出端口与光延时干涉仪I相连，第三输出端口通过耦合器后分别与光延时干涉仪I和光延时干涉仪Q相连；滤波器与第一平衡探测器的一个输入端口相连，光延时干涉仪I的两个输出端口与第一平衡探测器的两个输入端口相连，光延时干涉仪Q两个输出端口与第二平衡探测器的两个输入端口相连；第一平衡探测器、第二平衡探测器依次通过反编码开关单元、并串转换单元、数据处理单元后输出电信号；光延时干涉仪I和光延时干涉仪Q之间的相移差为π2。进一步地，该系统还包括环路控制单元；数据处理单元通过环路控制单元分别与光延时干涉仪I和光延时干涉仪Q相连。进一步地，上述低噪声高增益光放大器是噪声系数≤4.5dB且增益≥40dB的1550nm波段光放大器；上述光开关是1×3型1550nm波段光学开关器件，且能够依据调制格式指令，将输入其内的光信号透明传输至其任一指定输出端口；上述滤波器是中心波长与滤波带宽均可调谐的1550nm波段带通光学滤波器；上述光延时干涉仪I和光延时干涉仪Q是1550nm波段的1-bit光延时干涉仪；上述第一平衡探测器及第二平衡探测器是1550nm波段的光平衡探测器。基于多调制格式兼容高速激光信号无锁相接收系统的结构描述，现对采用该系统进行信号接收方法进行介绍，包括以下步骤：【1】控制指令单元依据所需高速激光信号的调制格式，向光开关、反编码开关单元以及并串转换单元发出相应的调制指令；【2】低噪声高增益光放大器对输入的高速激光信号进行低噪声系数、高功率增益的光功率提升处理；【3】光开关接收到控制指令单元产生的调制指令后，对步骤【2】处理后的高速激光信号进行输出端口选择并透明传输；【4】对步骤【3】中不同输出端口输出的不同调制格式高速激光信号，选择通过滤波器或者光延时干涉仪I或者光延时干涉仪Q进行信息解调；【5】接收步骤【4】解调后的不同调制格式的高速激光信号，选择由第一平衡探测器或第二平衡探测器进行光电转换，从而形成高速电信号；【6】反编码开关单元接收到控制指令单元产生的调制指令后，对步骤【5】产生的高速电信号进行反编码判断，并传输至并串转换单元；【7】并串转换单元接收到控制指令单元产生的调制格式指令后，对高速电信号进行并串转换判断，并传输至数据处理单元进行处理。【8】数据处理单元对步骤【7】产生的高速电信号进行时钟提取、数据整形等处理后，输出解调后质量良好的高速电信号并输出。优选地，上述方法还包括步骤【9】环路控制；环路控制单元以步骤【7】产生的高速电信号为反馈控制信号，对光延时干涉仪I和光延时干涉仪Q的相移进行控制，使两者之间的相位差始终保持在π2。上述步骤【3】中输出端口选择的具体过程为：如果接收到调制格式指令为IM，则由第一输出端口输出，如果接收到的调制格式指令为BPSK、DPSK之一，则由第二输出端口输出，如果接收到的调制格式指令为QPSK、DQPSK之一，则由第三输出端口输出。上述步骤【4】中信息解调的具体选择条件是：若是IM调制格式，则通过滤波器进行带通滤波；若是BPSK、DPSK调制格式之一，则通过光延时干涉仪I进行1-bit延时干涉解调；若是QPSK、DQPSK调制格式之一，则通过耦合器进入光延时干涉仪I与光延时干涉仪Q中，分别进行1-bit延时干涉解调。上述步骤【5】中光电转换的选择条件是：若接收的是IM调制格式，则通过第一平衡探测器的一个输入端口进行光电转换；若接收的是BPSK、DPSK调制格式之一，则通过第一平衡探测器进行光电转换；若接收的是QPSK、DQPSK调制格式之一，则通过第一平衡探测器及第二平衡探测器进行光电转换。上述步骤【6】中反编码判断过程为：如果接收到的调制格式指令为BPSK、QPSK之一，则进行基于“异或”逻辑的差分反编码处理后输出；如果接收到的调制格式指令为IM、DPSK、DQPSK之一，则透明传输。上述步骤【7】中并串转换判断过程为：如果接收到的调制格式指令为QPSK、DQPSK之一，则将输入的两路并行高速电信号转换为一路串行的高速电信号；如果接收到的调制格式指令为IM、BPSK、DPSK之一，则透明传输。本专利技术的优点是：(1)本专利技术所提出的多调制格式兼容的高速激光信号接收系统及方法，在激光信息网络中继节点处实现了通信制式兼容性和数据速率可扩展性的提升，同时有利于实现激光接收终端的体积、重量、功耗及价格成本的控制。(2)本专利技术采本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多调制格式兼容高速激光信号无锁相接收系统，其特征在于：包括控制指令单元、低噪声高增益光放大器、光开关、滤波器、光延时干涉仪I、光延时干涉仪Q、第一平衡探测器、第二平衡探测器、反编码开关单元、并串转换单元和数据处理单元；控制指令单元分别与光开关、反编码开关单元、并串转换开关单元相连；光延时干涉仪I、光延时干涉仪Q并联设置；高速激光信号通过低噪声高增益光放大器输入至光开关；光开关包括第一输出端口、第二输出端口以及第三输出端口；第一输出端口与滤波器相连，第二输出端口与光延时干涉仪I相连，第三输出端口通过耦合器后分别与光延时干涉仪I和光延时干涉仪Q相连；滤波器与第一平衡探测器的一个输入端口相连，光延时干涉仪I的两个输出端口与第一平衡探测器的两个输入端口相连，光延时干涉仪Q两个输出端口与第二平衡探测器的两个输入端口相连；第一平衡探测器、第二平衡探测器依次通过反编码开关单元、并串转换单元、数据处理单元后输出电信号；光延时干涉仪I和光延时干涉仪Q之间的相移差为

【技术特征摘要】
1.一种多调制格式兼容高速激光信号无锁相接收系统，其特征在于：包括控制指令单元、低噪声高增益光放大器、光开关、滤波器、光延时干涉仪I、光延时干涉仪Q、第一平衡探测器、第二平衡探测器、反编码开关单元、并串转换单元和数据处理单元；控制指令单元分别与光开关、反编码开关单元、并串转换开关单元相连；光延时干涉仪I、光延时干涉仪Q并联设置；高速激光信号通过低噪声高增益光放大器输入至光开关；光开关包括第一输出端口、第二输出端口以及第三输出端口；第一输出端口与滤波器相连，第二输出端口与光延时干涉仪I相连，第三输出端口通过耦合器后分别与光延时干涉仪I和光延时干涉仪Q相连；滤波器与第一平衡探测器的一个输入端口相连，光延时干涉仪I的两个输出端口与第一平衡探测器的两个输入端口相连，光延时干涉仪Q两个输出端口与第二平衡探测器的两个输入端口相连；第一平衡探测器、第二平衡探测器依次通过反编码开关单元、并串转换单元、数据处理单元后输出电信号；光延时干涉仪I和光延时干涉仪Q之间的相移差为2.根据权利要求1所述的多调制格式兼容高速激光信号无锁相接收系统，其特征在于：还包括环路控制单元，数据处理单元通过环路控制单元分别与光延时干涉仪I和光延时干涉仪Q相连。3.根据权利要求2所述的多调制格式兼容高速激光信号无锁相接收系统，其特征在于：低噪声高增益光放大器是噪声系数≤4.5dB且增益≥40dB的1550nm波段光放大器；光开关是1×3型1550nm波段光学开关器件，且能够依据调制格式指令，将输入其内的光信号透明传输至其任一指定输出端口；滤波器是中心波长与滤波带宽均可调谐的1550nm波段带通光学滤波器；光延时干涉仪I和光延时干涉仪Q是1550nm波段的1-bit光延时干涉仪；第一平衡探测器及第二平衡探测器是1550nm波段的光平衡探测器。4.一种基于权利要求1所述的多调制格式兼容高速激光信号无锁相接收系统的信号接收方法，其特征在于，包括以下步骤：【1】控制指令单元依据所需高速激光信号的调制格式，向光开关、反编码开关单元以及并串转换单元发出相应的调制指令；【2】低噪声高增益光放大器对输入的高速激光信号进行低噪声系数、高功率增益的光功率提升处理；【3】光开关接收到控制指令单元产生的调制指令后，对步骤【2】处理后的高速激光信号进行输出端口选择并透明传输；【4】对步骤【3】中不同输出端口输出的不同调制格式高速激光信号，选择通过滤波器或者光延时干涉仪I或者光延时干涉仪Q进行信息解调；【5】接收步骤【4】解调后的不同调制格式的高速激光信号，选择由第一平衡探测器或第二平衡探测器进行光电转换，从而形成高速电信号；【6】反编...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄新宁，汪伟，谢小平，苏玉龙，胡辉，段弢，高铎瑞，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61