基于costas的相干光通信系统中载波相位恢复方法
技术领域
1.本发明属于相干光通信技术领域。
背景技术：2.在高速光纤传输系统中，采用相干检测技术，将光信号的频率、相位、振幅等信息都被转换到电域中。其过程是电光调制器将基带信号调制到光载波上，经光纤传输到达接收端，将接收到的光信号与本振激光器的光信号经混合器进行相干混合，随后将相干光信号送入到平衡探测器，经转换得到电信号，最后将电信号采样后送入dsp模块处理，dsp模块将对信号在光纤链路中的传输损伤进行补偿和载波恢复，恢复出原始光信号。
3.但是相干光通信的通信波段光信号频率一般在100thz以上，激光器的微小漂移就可能造成信号光与本振光频率的频差变得非常大，可能达到数十ghz量级。激光器线宽越宽，所产生的相位噪声就越大，对光信号的在传输过程中的影响就越大，使得信号在接收端恢复时很难恢复出原始信息，故光信号在相干通信系统传输过程中要减小相位噪声对系统性能的影响。而在高速相干光通信系统中，加性噪声主要是由放大器的自发辐射产生的，相位噪声的来源主要是由激光器自身产生的相位噪声，激光器线宽是影响相位噪声的关键因素。
技术实现要素：4.本发明是为了解决激光器线宽会造成相干光噪声大，难以恢复出原始信息的问题，现提供基于costas的相干光通信系统中载波相位恢复方法。
5.基于costas的相干光通信系统中载波相位恢复方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
6.步骤一：将t时刻的信号光us(t)和本振光u
lo
(t)进行相干混频，获得相邻相位差为90
°
的四束光；
7.步骤二：将步骤一获得的四束光经过平衡探测器获得相互正交的两路光信号；
8.步骤三：对步骤二中相互正交的两路光信号进行模数转换，获得两路数字信号；
9.步骤四：将步骤三中的一路数字信号分配成两路子信号，其中一路子信号与另一路数字信号进行异或运算形成脉冲信号，另一路子信号作为解调输出结果；
10.步骤五：将步骤四获得的脉冲信号分配成两路子脉冲；
11.步骤六：一路子脉冲经过低通滤波之后输入至功率检测器，之后利用数模转换器采集的符合调制要求的功率，
12.另一路子脉冲经过二阶有源低通滤波后输入至压控振荡器；
13.步骤七：压控振荡器输出频率与激光器的频率与数模转换器采集的符合调制要求的功率进行混频，从而驱动激光器输出t+1时刻的本振光u
lo
(t+1)；
14.步骤八：判断通信是否结束，若通信结束，则完成载波相位恢复，若通信未结束，则使t＝t+1，然后返回步骤一。
15.进一步的，上述本振光u
lo
(t)的相位表达式为：
[0016][0017]
其中，为压控振荡器产生的相位，激光器的噪声相位。
[0018]
进一步的，在上述步骤七之前，先对激光器的温漂进行补偿。
[0019]
进一步的，上述在相干光通信系统的发送端输出的信号光通过传输光纤输入至掺铒光纤放大器，放大后的信号光再经过传输光纤输入至混频器进行相干混频。
[0020]
本发明提出的costas锁相环相干解调系统架构对传统的costas光学锁相环进行了改进，由原来的单环路反馈变成了精跟踪反馈和粗跟踪反馈两个反馈环路。costas环(同相-正交环)利用锁相环(pll)提取载频，不需要对接收信号作平方运算就能得到载频输出，具有载波跟踪特性，调制跟踪特性和低门限特性，其原理如图1所示。两路信号输出均含有调制信号，两者相乘后可以消除调制信号的影响，经环路滤波器后得到仅与压控振荡器输出和理想载波之间相位差有关的控制电压，从而准确地对压控振荡器进行调整。
附图说明
[0021]
图1为传统costas环的结构示意图；
[0022]
图2本发明所述基于costas的相干光通信系统中载波相位恢复方法的逻辑框图；
[0023]
图3本发明所述基于costas的相干光通信系统中载波相位恢复方法的流程图。
具体实施方式
[0024]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0025]
具体实施方式一：在实现相干解调过程中第一步就是如何提取相干载波，对于信号中存在导频分量的一般采用带通滤波器提取信号中的相干载波，对于抑制载波的调制方式想要提取载波就要用到锁相环提取载波，因此锁相环是实现相干解调中的一个关键部件。costas环不仅能提取载波，还具有解调信息的作用。costas环用相乘器实现了非线性作用，工作频率是载波频率本身，频率越高越容易实现非线性作用。如图1所示，在costas环中，输入信号被分别送到正交支路和同相支路中，正交支路中的输入信号与压控振荡器的输出进行正交鉴相，同相支路中的输入信号与经过90
°
相移的压控振荡器的输出进行同相鉴相，之后两个鉴相结果经过低通滤波器后相乘获得误差结果，误差结果通过环路滤波器后控制压控振荡器的输出。本实施方式对现有的costas光学锁相环进行了改进，由原来的单环路反馈变成了精跟踪反馈和粗跟踪反馈两个反馈环路。
[0026]
参照图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于costas的相干光通信系统中载波相位恢复方法，具体包括以下步骤：
[0027]
步骤一：在相干光通信系统的发送端输出的信号光通过传输光纤输入至掺铒光纤放大器，将t时刻放大后的信号光us(t)再经过传输光纤输入至混频器，与t时刻本振光u
lo
(t)进行相干混频，获得相邻相位差为90
°
的四束光。
[0028]
其中，本振光u
lo
(t)的相位表达式为：
[0029][0030]
其中，为压控振荡器产生的相位，激光器的噪声相位。
[0031]
步骤二：将步骤一获得的四束光经过平衡探测器获得相互正交的两路光信号。
[0032]
步骤三：对步骤二中相互正交的两路光信号进行模数转换，获得两路数字信号。
[0033]
步骤四：将步骤三中的一路数字信号分配成两路子信号，其中一路子信号与另一路数字信号进行异或运算形成脉冲信号，另一路子信号作为解调输出结果。
[0034]
步骤五：将步骤四获得的脉冲信号分配成两路子脉冲。
[0035]
步骤六：一路子脉冲经过低通滤波之后输入至功率检测器，之后利用数模转换器采集的符合调制要求的功率；
[0036]
另一路子脉冲经过二阶有源低通滤波后输入至压控振荡器。
[0037]
相干光通信的光信号的频率很高，很难保证发送端的激光器频率和接收端激光器频率不变，只要激光器的温度产生微弱变化，就会引起很大的频偏，进而影响通信系统的性能。因此需要对激光器的温漂进行补偿。
[0038]
步骤七：压控振荡器输出频率与激光器的频率与数模转换器采集的符合调制要求的功率进行混频，从而驱动激光器输出t+1时刻的本振光u
lo
(t+1)。
[0039]
步骤八：判断通信是否结束，若通信结束，则完成载波相位恢复，若通信未结束，则使t＝t+1，然后返回步骤一。
[0040]
本实施方式的锁相环对激光器的线宽要求不高，不需要残余载波信号，接收信号通过光混频器与本振激光信号混频，形成四路信号，再经过平衡探测器，将光信号转化为正交的两路电信号。两路电信号首先通过限幅放大器整形，变成数字信号，随后通过时钟分配器，将每路信号分成两路的同时，保证两路电信号信道的相位一致性。异或运算的目的是将两路电信号信道的相位差变为脉冲信号，脉冲信号再经过时钟分配电路变为两路同相信号，其中一路经过低通滤波器后进行功率检测，再经过数据采集，根据信号的功率和精跟踪锁相环的状态，可以有效判断出激光频率是否落在精跟踪锁相的频带范围内，如果在范围内则停止调节，如果不在范围内，则不断调节d/a，控制激光器频率，使其落入精跟踪锁相环的频带内。另外一路经过二阶有源低通滤波器，控制vco的输出频率。
[0041]
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。
技术特征：1.基于costas的相干光通信系统中载波相位恢复方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤一：将t时刻的信号光u
s
(t)和本振光u
lo
(t)进行相干混频，获得相邻相位差为90
°
的四束光；步骤二：将步骤一获得的四束光经过平衡探测器获得相互正交的两路光信号；步骤三：对步骤二中相互正交的两路光信号进行模数转换，获得两路数字信号；步骤四：将步骤三中的一路数字信号分配成两路子信号，其中一路子信号与另一路数字信号进行异或运算形成脉冲信号，另一路子信号作为解调输出结果；步骤五：将步骤四获得的脉冲信号分配成两路子脉冲；步骤六：一路子脉冲经过低通滤波之后输入至功率检测器，之后利用数模转换器采集的符合调制要求的功率，另一路子脉冲经过二阶有源低通滤波后输入至压控振荡器；步骤七：压控振荡器输出频率与激光器的频率与数模转换器采集的符合调制要求的功率进行混频，从而驱动激光器输出t+1时刻的本振光u
lo
(t+1)；步骤八：判断通信是否结束，若通信结束，则完成载波相位恢复，若通信未结束，则使t＝t+1，然后返回步骤一。2.根据权利要求1所述的基于costas的相干光通信系统中载波相位恢复方法，其特征在于，本振光u
lo
(t)的相位表达式为：其中，为压控振荡器产生的相位，激光器的噪声相位。3.根据权利要求1所述的基于costas的相干光通信系统中载波相位恢复方法，其特征在于，在步骤七之前，先对激光器的温漂进行补偿。相干光通信的光信号的频率很高，很难保证发送端的激光器频率和接收端激光器频率不变，只要激光器的温度产生微弱变化，就会引起很大的频偏，进而影响通信系统的性能。4.根据权利要求1、2或3所述的基于costas的相干光通信系统中载波相位恢复方法，其特征在于，在相干光通信系统的发送端输出的信号光通过传输光纤输入至掺铒光纤放大器，放大后的信号光再经过传输光纤输入至混频器进行相干混频。
技术总结基于COSTAS的相干光通信系统中载波相位恢复方法，涉及相干光通信技术领域。本发明是为了解决激光器线宽会造成相干光噪声大，难以恢复出原始信息的问题。本发明本发明提出的COSTAS锁相环相干解调系统包括精跟踪反馈和粗跟踪反馈两个反馈环路。COSTAS环利用锁相环提取载频，不需要对接收信号作平方运算就能得到载频输出，具有载波跟踪特性，调制跟踪特性和低门限特性。两路信号输出均含有调制信号，两者相乘后可以消除调制信号的影响，经环路滤波器后得到仅与压控振荡器输出和理想载波之间相位差有关的控制电压，从而准确地对压控振荡器进行调整。荡器进行调整。荡器进行调整。
技术研发人员：李志 陈志红 刘捷 罗杏通 黄环辉
受保护的技术使用者：公诚管理咨询有限公司
技术研发日：2022.07.20
技术公布日：2022/11/1
