一种空间相干光通信高动态载波捕获跟踪环路的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种空间相干光通信高动态载波捕获跟踪环路，该载波捕获跟踪环路包括双锁频环路和锁相环路，采用双锁频环路将CPAFC跟踪算法与ODAFC跟踪算法有效相结合，进行频率捕获跟踪处理，其中CPAFC跟踪算法可以对渐变频偏进行捕获跟踪，ODAFC跟踪算法可以进行较大频偏的粗捕获，并根据锁定状态控制两个锁频环路的工作状态，在稳定锁定状态下，只采用CPAFC跟踪算法对渐变频率进行捕获跟踪，在失锁状态和进入失锁状态时，采用两个锁频环路共同进行频率捕获跟踪，可以实现较大频偏范围的捕获跟踪，本发明结合了两种算法的优点可以实现满足不同工作阶段载波捕获跟踪处理的需求，实现高动态条件下的载波稳定捕获跟踪。
【专利说明】一种空间相干光通信高动态载波捕获跟踪环路
【技术领域】
[0001] 本发明涉及相干光通信数字解调领域，特别是涉及一种空间相干光通信高动态载 波捕获跟踪环路。
【背景技术】
[0002] 在空间相干光通信中，不同轨道的卫星间通信存在多普勒频移，并且多普勒频偏 达数GHz，对整个通信链路产生严重影响。由于在相干光通信系统中本振光波长是恒定的， 当存在多普勒频移时，会使信号光频率发生变化且是不稳定的，也就导致了相干检测输出 的中频信号产生漂移，使得实现本振光对信号光的频率跟踪难度加大。相干光通信过程中 多普勒效应导致信号光与本振光的频率差是一个随机值，严重影响相干解调系统的性能， 使得误码率上升，因此必须对多普勒效应引起的频移进行补偿。
[0003] 目前，多普勒频移补偿方案大多采用自动频率控制（AFC)环路，当多普勒频移达 至IJ GHz时，一般AFC环路难以有效的工作。通常载波捕获有两种结构方式：一种是锁相环 路PLL，接收机需要产生同频同相的相干载波；另一种是锁频环路（FLL)，接收机需要产生 与输入载波同频的但不要求同相的载波。在静态或低动态接收机中，通常采用锁相环来实 现载波的跟踪。PLL具有较好的噪声性能，但它的动态容忍能力较差。高动态环境下，接收 到的信号会存在较大的多普勒频偏。为了满足高动态性，PLL必须具有相对宽的带宽，环路 带宽的增加又会使宽带噪声加入，当噪声电平增大到超过环路门限时就会导致载波跟踪环 失锁。若不增加载波锁相环的环路带宽，则载波多普勒频移常常会超过锁相环的捕获带和 同步带，这样也不能保证对载波的可靠捕获和跟踪。
[0004] 目前采用单独锁频环和锁相环进行载波捕获跟踪，存在着捕获带宽、捕获速度与 较高的跟踪精度和稳定性间矛盾，若环路捕获带宽较宽，捕获速度快，跟踪精度会相对较 低，环路的稳定性能也会较差，动态环境下容易造成动态环路失锁，很难同时满足动态性 能、跟踪精度与稳定性能的要求。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种空间相干光通信高动态载波捕 获跟踪环路，该捕获跟踪环路采用了双锁频环路和锁相环实现载波捕获跟踪，可以实现高 动态条件下的载波捕获跟踪，双锁频环路将CPAFC跟踪算法与ODAFC跟踪算法有效相结合， 并根据实时检测捕获跟踪结果控制两个锁频环路的连通状态，实现高动态范围载波稳定捕 犾跟踪。
[0006] 本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
[0007] -种空间相干光通信高动态载波捕获跟踪环路，其特征在于包括双锁频环路和锁 相环路，所述双锁频环路包括第一锁频环路、第二锁频环路和切换控制单元，其中：
[0008] 切换控制单元：接收锁相环路输出载波锁定指示信号L(k)，并根据所述载波锁定 指示信号L(k)确定第一锁频环路和第二锁频环路连通状态，以及第二锁频环路中环路滤 波器的增益；
[0009] 第一锁频环路和第二锁频环路：根据切换控制单元确定所述锁频环路的连通状态 和第二锁频环路的环路滤波器增益，由处于连通状态的锁频环路接收外部输入信号，并对 所述外部输入信号进行信号频率捕获跟踪处理，输出经频率校正后的解调信号x f(k)到锁 相环路；其中第一锁频环路采用CPAFC跟踪算法实现鉴频处理得到鉴频控制量ei(k);第二 锁频环路采用ODAFC跟踪算法实现鉴频处理得到鉴频控制量e 2(k);
[0010] 锁相环路：接收锁频环路输出的经频率校正后的解调信号xf (k)，进行相位捕获跟 踪处理，输出经相位补偿后的信号Xfa(k)，并利用信号Xfa(k)计算载波锁定指示信号L(k)， 然后输出所述载波锁定指示信号L(k)到切换控制单元。
[0011] 上述的空间相干光通信高动态载波捕获环路，在双锁频环路中，第一锁频环路包 括解调单元、第一鉴频器、第一环路滤波器；第二锁频环路包括解调单元、第二鉴频器、第二 环路滤波器，其中：
[0012] 第一锁频环路与第二锁频环路共用解调单元，第一环路滤波器的输出频偏估计量 Λ 和第二环路滤波器的输出频偏估计量Λ f2通过加法器相加后输出频偏估计量Λ f = Δ ?\+Δ f2到解调单元；
[0013] 解调单元接收外部输入信号，并接收频偏估计量△ f对所述输入信号进行频偏纠 正，输出经频偏纠正后的解调信号Xf(k)到第一鉴频器、第二鉴频器和锁相环路，其中经频 偏纠正后的解调信号X f (k)的同相支路信号为S1GO、正交支路信号Sq(k);
[0014] 第一鉴频器接收解调单元输出的所述同相支路信号S1GO和正交支路信号S Q(k)， 采用CPAFC跟踪算法进行频偏捕获跟踪，得到鉴频控制量ei (k);
[0015] 第二鉴频器接收解调单元输出的所述同相支路信号S1GO和正交支路信号S Q(k)， 采用ODAFC跟踪算法进行频偏捕获跟踪，得到鉴频控制量e2(k);
[0016] 第一环路滤波器在第一锁频环路连通状态下，接收第一鉴频器输出的鉴频控制量 ei(k)，并进行环路滤波得到频偏估计量Af1 ;在第一锁频环路未连通状态下，接收信 号，经环路处理后输出的鉴频控制量ei(k) = 0,得到频偏估计量Af1 = 〇 ;并在第一锁频环 路连通状态或未连通状态下输出频偏估计量Af1到所述加法器；
[0017] 第二环路滤波器在第二锁频环路连通状态下，接收第二鉴频器输出的鉴频控制量 e2 (k)，根据切换控制单元的判断结果确定第二环路滤波器增益K2，并进行环路滤波得到频 偏估计量Af 2 ;在第二锁频环路未连通状态下，接收"〇"信号，经环路处理后输出的鉴频控 制量e2(k) = 0,得到频偏估计量Af2 = 0 ;并在第二锁频环路连通状态或未连通状态下输 出频偏估计量Af2到所述加法器；
[0018] 在上述的空间相干光通信高动态载波捕获跟踪环路中，锁相环路利用经相位补偿 后的信号X fa(k)通过如下公式计算载波锁定指示信号L(k):
[0019] L (k) = Ifa GO2-QfaGO2
[0020] 其中，Ifa(k)为所述信号xfa(k)的同相支路信号，Q faGO为所述信号Xfa(k)的正交 支路信号。
[0021] 在上述的空间相干光通信高动态载波捕获跟踪环路中，切换控制单元接收锁相环 路输出载波锁定指示信号L (k)，并根据所述载波锁定指示信号L (k)确定第一锁频环路和 第二锁频环路的连通状态，以及第二锁频环路中环路滤波器的增益，所述第二锁频环路中 环路滤波器即为第二环路滤波器，具体实现方法如下：
[0022] (1)、将接收到的载波锁定指示信号L(k)划分为N个数据块，其中每个数据块包括 M点数据，然后根据对所述每个数据块数据求平均值得到切换控制状态信号E (η):
【权利要求】
1. 一种空间相干光通信高动态载波捕获跟踪环路，其特征在于包括双锁频环路和锁相 环路，所述双锁频环路包括第一锁频环路、第二锁频环路和切换控制单元，其中： 切换控制单元：接收锁相环路输出载波锁定指示信号L(k)，并根据所述载波锁定指示 信号L(k)确定第一锁频环路和第二锁频环路连通状态，以及第二锁频环路中环路滤波器 的增益； 第一锁频环路和第二锁频环路：根据切换控制单元确定所述锁频环路的连通状态和第 二锁频环路的环路滤波器增益，由处于连通状态的锁频环路接收外部输入信号，并对所述 外部输入信号进行信号频率捕获跟踪处理，输出经频率校正后的解调信号xf (k)到锁相环 路；其中第一锁频环路采用CPAFC跟踪算法实现鉴频处理得到鉴频控制量ei(k);第二锁频 环路采用ODAFC跟踪算法实现鉴频处理得到鉴频控制量e2(k); 锁相环路：接收锁频环路输出的经频率校正后的解调信号xf (k)，进行相位捕获跟踪处 理，输出经相位补偿后的信号Xfa (k)，并利用信号Xfa (k)计算载波锁定指示信号L(k)，然后 输出所述载波锁定指示信号Uk)到切换控制单元。
2. 根据权利要求1所述的一种空间相干光通信高动态载波捕获跟踪环路，其特征在 于，在双锁频环路中，第一锁频环路包括解调单元、第一鉴频器、第一环路滤波器；第二锁频 环路包括解调单元、第二鉴频器、第二环路滤波器，其中： 第一锁频环路与第二锁频环路共用解调单元，第一环路滤波器的输出频偏估计量Λ和第二环路滤波器的输出频偏估计量Λf2通过加法器相加后输出频偏估计量Λf= Δ?\+Δf2到解调单元； 解调单元接收外部输入信号，并接收频偏估计量△f对所述输入信号进行频偏纠正， 输出经频偏纠正后的解调信号Xf (k)到第一鉴频器、第二鉴频器和锁相环路，其中经频偏纠 正后的解调信号Xf (k)的同相支路信号为S1GO、正交支路信号Sq(k); 第一鉴频器接收解调单元输出的所述同相支路信号S1GO和正交支路信号Sq(k)，采用CPAFC跟踪算法进行频偏捕获跟踪，得到鉴频控制量ei (k); 第二鉴频器接收解调单元输出的所述同相支路信号S1GO和正交支路信号Sq(k)，采用ODAFC跟踪算法进行频偏捕获跟踪，得到鉴频控制量e2 (k); 第一环路滤波器在第一锁频环路连通状态下，接收第一鉴频器输出的鉴频控制量ei(k)，并进行环路滤波得到频偏估计量Af1 ;在第一锁频环路未连通状态下，接收"0"信 号，经环路处理后输出的鉴频控制量ei(k) = 0,得到频偏估计量Af1 = 0 ;并在第一锁频环 路连通状态或未连通状态下输出频偏估计量Af1到所述加法器； 第二环路滤波器在第二锁频环路连通状态下，接收第二鉴频器输出的鉴频控制量e2 (k)，根据切换控制单元的判断结果确定第二环路滤波器增益K2，并进行环路滤波得到频 偏估计量Af2 ;在第二锁频环路未连通状态下，接收"0"信号，经环路处理后输出的鉴频控 制量e2(k) = 0,得到频偏估计量Af2 = 0 ;并在第二锁频环路连通状态或未连通状态下输 出频偏估计量Af2到所述加法器。
3. 根据权利要求1或2所述的一种空间相干光通信高动态载波捕获跟踪环路，其特 征在于，锁相环路利用经相位补偿后的信号Xfa(k)通过如下公式计算载波锁定指示信号 L(k)： L(k) =IfaGO2-QfaGO2 其中，Ifa(k)为所述信号Xfa(k)的同相支路信号，Qfa(k)为所述信号Xfa(k)的正交支路 信号。
4. 根据权利要求1或2所述的一种空间相干光通信高动态载波捕获跟踪环路，其特征 在于，切换控制单元接收锁相环路输出载波锁定指示信号L(k)，并根据所述载波锁定指示 信号L(k)确定第一锁频环路和第二锁频环路的连通状态，以及第二锁频环路中环路滤波 器的增益，所述第二锁频环路中环路滤波器即为第二环路滤波器，具体实现方法如下： (1) 、将接收到的载波锁定指示信号L(k)划分为N个数据块，其中每个数据块包括M点 数据，然后根据对所述每个数据块数据求平均值得到切换控制状态信号E(η): Im=nM E(n) = - L(m)， /7=1,2,...,N 从《=(?-1)Λ?+1 其中，Μ、Ν为正整数； (2) 、根据步骤（1)得到的切换控制状态信号E(η)计算开关控制量S1和S2 : 51 =IE(η) 52 = |Ε(η+1) 其中，I·I代表取绝对值运算； (3) 、将步骤（2)得到的开关控制量SpS2与切换控制阈值Th进行比较，确定第一锁频 环路和第二锁频环路的的连通状态和第二锁频环路中环路滤波器增益K2，其中K2取值为 Kmin或K_，DKniin;经过比较后进行如下处理： (3a)、如果S1Mh且S2>Th，则只连通第一锁频环路，即将第一鉴频器得到的鉴频控制量ejk)输出到第一环路滤波器，进行环路滤波得到频偏估计量Af1，且第二锁频环路的环路 滤波器输出的频偏估计量Af2 = 0,则进行信号频偏纠正的频偏估计量Af=Af1 ; (3b)、如果S^Th且S2>Th，则将第一锁频环路和第二锁频环路都连通，即将第一鉴频器 得到的鉴频控制量ei(k)输出到第一环路滤波器，进行环路滤波得到频偏估计量Af1，且将 第二鉴频器得到的鉴频控制量e2(k)输出到第二环路滤波器，第二环路滤波器的环路滤波 增益K2 =Kmin，进行环路滤波得到频偏估计量Af2 ;则进行信号频偏纠正的频偏估计量Af =Δfx+Δf2； (3c)、如果S2〈Th，则将第一锁频环路和第二锁频环路都连通，即将第一鉴频器得到的 鉴频控制量ei(k)输出到第一环路滤波器，进行环路滤波得到频偏估计量Af1，且将第二 鉴频器得到的鉴频控制量e2(k)输出到第二环路滤波器，第二环路滤波器的环路滤波增益 K2=Kmax，进行环路滤波得到频偏估计量Af2 ;则进行信号频偏纠正的频偏估计量Af= ΔA+Δf2〇
5. 根据权利要求4所述的一种空间相干光通信高动态载波捕获跟踪环路，其特征在 于，切换控制阈值Th根据以下方法确定： (1) 、在载波捕获跟踪环路开始工作后，切换控制阈值Th取值为设定的初始切换控制 阈值ThQ，即Th=Thtl ; (2) 、当开关控制量S2与切换控制阈值Th相比，比较处理结果为S1XTh且S2XTh时， 则记录Ep =E(η);如果所述比较处理结果为S1CTh且52〈111时，则记录Eq =E(η);其中，η =1?N; (3) 、经过步骤（2)得到Ep和Eq后，更新切换控制阈值7? = 1义1 + 1&1 ； 2 (4) 、重复步骤（2)?（3)，保持对切换控制阈值Th进行实时更新。
6. 根据权利要求1或2所述的一种空间相干光通信高动态载波捕获跟踪环路，其特征 在于，第一锁频环路采用CPAFC跟踪算法实现鉴频处理得到鉴频控制量ei (k)，具体鉴频处 理方法如下： (1) 、接收经频率校正后的解调信号Xf (k)，其中所述解调信号Xf (k)的同相支路信号为 S1GO、正交支路信号为Sq (k); (2) 、根据步骤（1)接收得到的同相支路信号S1GO、正交支路信号Sq(k)计算叉积分量 Uk)和点积分量fd()t(k)，其中： fcross(k) =S1 (k-1)Sq (k) -S1 (k)Sq (k-1) fd〇t(k) =SjGi-DSjGO+SQGi-DSQGO (3) 、根据步骤（2)计算得到的叉积分量f_ss(k)和点积分量fd()t(k)计算鉴频控制量 e^k)： ei(k) =fcross(k) ·sign[fdot(k)] 其中，sign[ ·]代表取符号运算。
7. 根据权利要求1或2所述的一种空间相干光通信高动态载波捕获跟踪环路，其特征 在于，第二锁频环路采用ODAFC跟踪算法实现鉴频处理得到鉴频控制量e2 (k)，具体鉴频处 理方法如下： (1) 、接收经频率校正后的解调信号Xf (k)，其中所述解调信号Xf (k)的同相支路信号为 S1GO、正交支路信号为Sq (k); (2) 、计算鉴频控制量〇2〇〇 : e2(k)=(^-): X X 2(5,(n)Sc)(m) - Stj(Ii)Sl (m)sin - η) NSm=k-(Ns-l) n=k-(Ns-l) 其中，Ns为正整数，当Ns= 2 时，e2(k) =S1 (k-1)SQ(k)-SQ(k-1)S1GO;当Ns= 4 时， 鉴频控制量e2(k)简化为： 4(/r)=4sinf ((\ (/f - 3)? (/Γ _ 2) - ^ (/r _ 3)4 (/C _2) + & (/r _ (/r - 1) - Sy(/r _2)·^ (/r _ 1))。 + 5,(k-1)? (Zr) - Se (/r -1)5, (Zr)
【文档编号】H04B10/61GK104320201SQ201410490978
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年9月23日 优先权日:2014年9月23日
【发明者】汪滴珠, 杨光文, 左金钟, 杨新权, 靳凡 申请人:西安空间无线电技术研究所