[发明专利]一种锁相和数据分离的平衡锁相环系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锁相和数据分离的平衡锁相环系统及方法，属于相干光通信接收技术、空间光通信接收技术和激光雷达技术领域，主要应用于相干光纤通信、大气自由空间光通信、星间/星地空间光通信和其他空间光通信领域。

背景技术

基于相干光通信的激光接收技术由于具有高的接收灵敏度，具有广泛的应用前景。目前在地面的高速光纤通信系统和卫星间的高速数传均得到了应用，是新一代的光通信接收处理技术。

光锁相环技术是用于相干光通信的载波恢复方法之一，目前光锁相环技术主要有：平衡锁相环、科斯塔斯锁相环、判决驱动锁相环和抖动锁相环等。其中平衡锁相环和抖动锁相环使用180°光混频器，结构较为简单；科斯塔斯锁相环和判决举动锁相环需要使用90°光混频器，其制作复杂，难度高。平衡式锁相环结构最为简单，但是存在两方面不足：一方面需要调制信号残留载波信息，另一方面是光电接收需要直流耦合。前者引入一定量的功率损失(<0.5dB)，而后者需要采用高速直流耦合放大器。针对后者，目前不具备商用的直流耦合高速跨阻放大器，主要采用50欧负载匹配的微波宽带放大器。由于光电探测器的热噪声与负载电阻成反比，导致使用50欧负载的直流耦合放大器输出噪声较大，影响了接收机的灵敏度。另外，目前50欧负载匹配、直流耦合的微波宽带放大器由于需要直流耦合，并非微波放大器的主流使用方式，难以设计，并且容易破坏微波放大器。因而需要一种改进型平衡锁相环，可以有效利用光分路的特点，使锁相和数据接收使用不同光路，从而将上述直流耦合问题解决，可以直接使用商用的跨阻放大器对光电流进行放大，其实现复杂度和接收灵敏度均要优于经典的平衡光锁相环，现有技术无法解决。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种锁相和数据分离的平衡锁相环系统及方法，利用锁相和数据分离的改进型平衡锁相环，通过在混频器之后，光探测器之前将光进行分路，实现了锁相和数据接收分离，可以有效利用光分路的特点，使锁相和数据接收使用不同光路，从而将直流耦合问题解决，可以直接使用商用的跨阻放大器对光电流进行放大，其实现复杂度和接收灵敏度均要优于经典的平衡光锁相环。

本发明解决的技术方案为：一种锁相和数据分离的平衡锁相环系统，包括：180°光混频器、本振激光器、分光镜、平衡光电探测器、低速直流耦合跨阻放大器和高速交流耦合跨阻放大器；

180°光混频器将外部接收的光信号与本振激光器产生的本振激光信号进行混频后送至两个分光镜，两个分光镜将混频后的光信号中的0°和180°光信号分别进行分光，得到小分光比光信号和大分光比光信号，将小分光比光信号中的0°和180°光信号送至平衡光电探测器，平衡光电探测器对混频分光后的光信号中的0°和180°光信号进行光电转换后，分别得到小分光比0°和180°电信号，送至低速直流耦合跨阻放大器，由低速直流耦合跨阻放大器对该小分光比0°和180°电信号放大滤波，产生相位误差信号送至环路滤波器，环路滤波器根据该相位误差信号对本振激光器进行控制，实现接收的光信号和本振激光信号的相位同步；大分光比光信号中的0°和180°光信号送至平衡光电探测器，平衡光电探测器对大分光比光信号中的0°和180°光信号进行光电转换后，分别得到大分光比0°和180°电信号，送至高速交流耦合跨阻放大器，由高速交流耦合跨阻放大器对该大分光比0°和180°电信号进行放大，作为系统的输出，用于时钟和数据恢复。

接收所述外部光信号的调制格式是强度调制信号或相位调制信号。

所述两个分光镜将混频后的光信号中的0°和180°光信号分别进行分光，得到的小分光比信号，该小分光比信号为小于混频后的光信号中的0°和180°光信号的功率50％的信号；两个分光镜将混频后的光信号中的0°和180°光信号分别进行分光，得到的大分光比信号，该大分光比信号为大于混频后的光信号中的0°和180°光信号功率50％的信号。

所述低速直流耦合跨阻放大器为跨阻放大器,且为低通型放大器，输入为直流耦合，需要对直流分量进行放大，并且只允许低于1MHz的低频分量通过放大器进行放大。

所述高速直流耦合跨阻放大器为跨阻放大器，且为高通型放大器，对输入信号中的直流分量进行阻断，只允许对大于1MHz的高频分量进行放大。

一种锁相和数据分离的平衡锁相环方法，步骤如下：

(1)180°光混频器将外部接收的光信号与本振激光器产生的本振激光信号进行混频后送至两个分光镜；