一种超宽带数字激光锁相环装置及锁相方法与流程

本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种超宽带数字激光锁相环装置及超宽带数字激光锁相方法。

背景技术：

通信的目的是通过信道快速有效、安全准确地传输信息。卫星通信技术作为未来信息高速公路的重要组成部分，已经成为推动社会进步提高人类生活水平的重要力量。

随着对卫星间通信研究的逐渐深入，人们对数据速率的要求已经向数gbps方向发展。因此，以激光为信息载体的相干光通信系统进入了人们的视线，以激光链路代替微波链路成为卫星通信发展的必然趋势。

激光具有高度相干性，频率高的特点，因此激光通信相对于微波通信具有带宽大，数据传输速率高的优点。激光通信具有可高达数百gbps的通信能力，满足未来海量空间信息传输的需求。除此之外，采用激光为传输介质建立通信链路还具有发散角小，不易被截获，保密性高，光束能量弥散度小，能够进行超长距离的有效传输，通信终端体积小、质量轻、功耗低等若干优势，非常适合作为卫星通信的信息载体。

传统激光通信系统多采用强度调制/直接检测(im/dd)，即发送端调制光载波强度，接收机对光载波进行包络检测。尽管这种结构具有简单、容易集成等优点，但是由于只能采用ask调制格式，其单路信道带宽很有限，并且灵敏度不高。

与传统的直接强度调制(im/dd)的激光通信相比，相干激光通信具有灵敏度高、速率快等优点，特别适合星间激光通信和弱信号光的探测。在相干体制下，二进制相移键控(binaryphaseshiftkeying，bpsk)信号调制的零差接收机可实现理论上的最高灵敏度，是相干光通信研究的热点。

在相干激光通信链路中，根据本振光与信号光的频率是否一致，可以将通信系统分为零差探测和外差探测，解决零差探测的关键技术就是解决本振光与信号光的相位同步问题,即激光锁相技术。光锁相主要有两种方法，一种是模拟锁相环电路，另一种是数字锁相环电路，虽然数字光锁相环电路结构简单灵活，性能优越，可扩展性好，但是由于激光通信系统中的接收光信号和本地光信号的多普勒频移量大于+/-7ghz，同时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的量级。

发明人在实施本发明时发现，现有技术采用单环的数字光锁相环无法直接进行如此大的频差的补偿。

因此，在相干光接收机中亟需一种能够补偿频差较大的全新方案。

技术实现要素：

本发明实施例的目的是提供一种超宽带数字激光锁相环装置及锁相方法，能够在接收光信号和本振信号之间的频差较大的情况下实现有效补偿，提高通信可靠性。

为实现上述目的，本发明实施例提供了一种超宽带数字激光锁相环装置，包括：

光混频器，用于将接收光信号和本振信号混频得到四路混频信号；

平衡探测器，用于将所述四路混频信号转换成互为正交的第一路电信号和第二路电信号；

第一ad采样电路和第二ad采样电路，分别用于根据预设的采样频率对所述第一路电信号和第二路电信号进行采样，得到对应的第一数字信号和第二数字信号；

相位精跟踪环路，用于实现解调时载波的精跟踪，包括相位精跟踪计算模块、第一d/a转换模块、低通滤波器和声光移频器；所述相位精跟踪计算模块根据所述第一数字信号和第二数字信号计算出接收光信号和本振信号之间的频差，并根据频差得到声光移频器控制信号，所述声光移频器控制信号先后通过所述第一d/a转换模块、低通滤波器后输出给声光移频器；所述声光移频器用于根据所述声光移频器控制信号对激光器输出的原始激光信号进行移频处理，得到本振信号输出给所述光混频器；

相位粗跟踪环路，包括相位粗跟踪计算模块、温度控制模块和激光器，所述相位粗跟踪计算模块根据所述第一数字信号和第二数字信号计算出接收光信号和本振信号之间的频差，并根据频差生成激光器温度参数调整信号，所述温度控制模块根据所述激光器温度参数调整信号调整所述激光器的温度，从而使所述激光器输出的原始激光信号的频率落入所述相位精跟踪环路的频带范围内；

其中，所述相位精跟踪计算模块和相位粗跟踪计算模块通过fpga芯片实现。

作为上述方案的改进，所述相位精跟踪计算模块包括第一乘法器、环路滤波器、dds和第二d/a转换模块，输入的第一数字信号和第二数字信号通过所述第一乘法器相乘后得到接收光信号和本振信号之间的频偏信号，然后通过所述环路滤波器的环路滤波，以将频偏信号转换为幅度信号后输出控制所述dds，所述dds的输出通过所述第二d/a转换模块转换为模拟信号，从而得到所述声光移频器控制信号。

作为上述方案的改进，所述相位粗跟踪环路包括第二乘法器、滑动滤波器、能量检测模块和频率/温度转化模块；所述滑动滤波器的通带对应粗跟踪所划分的n个子带，其中n＝p1/p2，p1为粗跟踪带宽，p2为精跟踪带宽；

输入的第一数字信号和第二数字信号通过所述第二乘法器相乘后接收光信号和本振信号之间的频偏信号，然后通过所述滑动滤波器进行滤波，所述滑动滤波器在滤波器参数控制模块的控制作用下输出对应能量的信号，所述能量检测模块通过检测所述滑动滤波器的输出信号的能量大小以判断频差处于哪个子带，从而得到频差的范围，所述能量检测模块输出的结果通过所述频率/温度转化模块转换为所述激光器温度参数调整信号。

作为上述方案的改进，所述精跟踪带宽为±25mhz，粗跟踪带宽为±5ghz，n＝200。

作为上述方案的改进，所述第一ad采样电路和第二ad采样电路均采用ev10aq190a芯片，采样频率均为5ghz。

作为上述方案的改进，还包括外部时钟接口电路，所述外部时钟接口电路分别与所述第一ad采样电路和第二ad采样连接以提供采样时钟；所述外部时钟接口电路采用adclk925时钟缓冲芯片。

本发明实施例对应提供了一种超宽带数字激光锁相方法，包括步骤：

s1、通过光混频器将接收光信号和本振信号混频得到四路混频信号；

s2、通过平衡探测器将所述四路混频信号转换成互为正交的第一路电信号和第二路电信号；

s3、通过第一ad采样电路和第二ad采样电路分别根据预设的采样频率对所述第一路电信号和第二路电信号进行采样，得到对应的第一数字信号和第二数字信号；

s4、通过fpga芯片根据所述第一数字信号和第二数字信号计算出接收光信号和本振信号之间的频差，并根据所述频差分别得到实现相位精跟踪的声光移频器控制信号和实现相位粗跟踪的激光器温度参数调整信号；

s5、通过温度控制模块根据所述激光器温度参数调整信号调整所述激光器的温度，从而使所述激光器输出的原始激光信号的频率落入所述相位精跟踪环路的频带范围内；

s6、通过第一d/a转换模块、低通滤波器先后对所述声光移频器控制信号进行数模转换及滤波后输出给声光移频器；

s7、通过声光移频器根据所述声光移频器控制信号对激光器输出的原始激光信号进行移频处理，得到本振信号输出给所述光混频器；其中，所述本振信号的频率为所述原始激光信号的频率加上所述声光移频器控制信号的频率。

作为上述方案的改进，在所述步骤s4中，通过以下步骤计算得到所述声光移频器控制信号：

s411、将输入的第一数字信号和第二数字信号通过第一乘法器相乘后得到接收光信号和本振信号之间的频偏信号；

s412、通过环路滤波器对所述频偏信号进行环路滤波，以将频偏信号转换为幅度信号后输出控制dds，所述dds的输出通过所述第二d/a转换模块转换为模拟信号，从而得到所述声光移频器控制信号。

作为上述方案的改进，在所述步骤s4中，通过以下步骤计算得到所述激光器温度参数调整信号：

s421、将输入的第一数字信号和第二数字信号通过第二乘法器相乘后得到接收光信号和本振信号之间的频偏信号；

s422、通过滑动滤波器对所述频偏信号进行滤波，所述滑动滤波器在滤波器参数控制模块的控制作用下输出对应能量的信号；其中，所述滑动滤波器的通带对应粗跟踪所划分的n个子带，其中n＝p1/p2，p1为粗跟踪带宽，p2为精跟踪带宽；

s423、通过能量检测模块检测所述滑动滤波器的输出信号的能量大小以判断频差处于哪个子带，从而得到频差的范围，并将能量检测模块输出的结果通过频率/温度转化模块转换为所述激光器温度参数调整信号。

作为上述方案的改进，所述精跟踪带宽为±25mhz，粗跟踪带宽为±5ghz，n＝200。

与现有技术相比，本发明实施例提供的一种超宽带数字激光锁相环装置及锁相方法先通过光混频器将接收光信号和本振信号混频得到四路混频信号，并通过平衡探测器将所述四路混频信号转换成互为正交的第一路电信号和第二路电信号，然后通过第一ad采样电路和第二ad采样电路分别根据预设的采样频率对所述第一路电信号和第二路电信号进行采样，得到对应的第一数字信号和第二数字信号，再通过fpga芯片对所述第一数字信号和第二数字信号进行并行计算，计算出接收光信号和本振信号之间的频差，并根据所述频差分别得到实现相位精跟踪的声光移频器控制信号和实现相位粗跟踪的激光器温度参数调整信号，并通过温度控制模块根据所述激光器温度参数调整信号调整所述激光器的温度，从而使所述激光器输出的原始激光信号的频率落入所述相位精跟踪的频带范围内，以及通过第一d/a转换模块、低通滤波器先后对所述声光移频器控制信号进行数模转换及滤波后输出给声光移频器，最后通过声光移频器根据所述声光移频器控制信号对激光器输出的原始激光信号进行移频处理，得到本振信号输出给所述光混频器。因此，本发明实施例通过采用粗跟踪环路和精跟踪环路的双环路锁相结构进行锁相，能够在接收光信号和本振信号之间的频差较大的情况下实现有效补偿，消除多普勒效应和激光器的温漂引起的频偏，具有抗干扰性强、结构简单等优势，能有效提高跟踪锁相环的精度，进而实现可靠通信。

附图说明

图1是本发明实施例1中一种超宽带数字激光锁相环装置的结构框图。

图2是本发明实施例1中一种超宽带数字激光锁相环装置的相位粗跟踪计算模块的结构示意图。

图3是本发明实施例1中一种超宽带数字激光锁相环装置的相位精跟踪计算模块的结构示意图。

图4是本发明实施例2中一种超宽带数字激光锁相方法的流程示意图。

图5是本发明实施例2中步骤s4的具体流程示意图。

图6是本发明实施例2中步骤s4的具体流程示意图。

具体实施方式

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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参考图1，是本发明实施例1中一种超宽带数字激光锁相环装置的结构框图。本发明实施例的超宽带数字激光锁相环装置包括光混频器1、第一平衡探测器21、第二平衡探测器22、第一ad采样电路31、第二ad采样电路32、外部时钟接口电路33、包括相位精跟踪计算模块41和相位粗跟踪计算模块42的fpga4、第一d/a转换模块51、低通滤波器52、声光移频器6、本振激光器7和温度控制模块8。

其中光混频器1用于将接收光信号和本振信号进行相干耦合(混频)处理，得到四路混频信号。其中，本实施例的本振信号由本振激光器7生成并通过声光移频器6移频处理后得到的等幅波。具体的，该本振信号具有90°相位差(0°、90°、180°、270°)。本实施例的光混频器1为90°光混频器，其作用主要是将接收光信号与本振信号进行一定的位相关系干涉，使接收信号光分别与相对相移为0°、90°、180°、270°的本振信号进行混频。其中，通过光混频器1混频处理后的四路混频信号中的0°、180°信号进入第一平衡探测器21，通过光混频器1混频处理后的四路混频信号中的90°、270°信号进入第二平衡探测器22。

第一平衡探测器21和第二平衡探测器22分别对输入的四路混频信号进行信号转换成电信号，得到互为正交的第一路电信号(i路信号)和第二路电信号(q路信号)。

第一ad采样电路31和第二ad采样电路32，分别用于根据预设的采样频率对所述第一路电信号(i路信号)和第二路电信号(q路信号)进行采样，得到对应的第一数字信号和第二数字信号。所述第一ad采样电路31和第二ad采样电路32均连接外部时钟接口电路33，所述外部时钟接口电路33分别为第一ad采样电路和第二ad采样提供采样时钟。

具体的，所述第一ad采样电路31和第二ad采样电路32均为超高速ad采样电路，具体实施时刻采用ev10aq190a芯片以分别对i路信号和q路信号进行采样，其中，每路采样频率均为5ghz，这样，iq路综合采样频率为10ghz。所述外部时钟接口电路33可采用adclk925时钟缓冲芯片，用于将外部提供的高稳定度时钟频率分成两路，分别提供给第一ad采样电路31和第二ad采样电路32，作为其采样时钟频率。

本实施例的数字跟踪相环核心控制器由fpga4实现，用于实现超宽带数字激光锁相环的激光相位粗跟踪和相位精跟踪。具体的，该fpga4包括相位精跟踪计算模块41和相位粗跟踪计算模块42。其中，所述相位精跟踪计算模块41、第一d/a转换模块51、低通滤波器52和声光移频器6构成本实施例超宽带数字激光锁相环装置的相位精跟踪环路100，用于通过声光移频器实现相位精跟踪，从而实现超宽带数字激光锁相环的激光相位精跟踪。所述相位粗跟踪计算模块42、本振激光器7和温度控制模块8构成本实施例超宽带数字激光锁相环装置的相位粗跟踪环路200，用于对本振激光器7的相位进行调制，对半导体的本振激光器7输出的激光频率进行粗调，从而实现超宽带数字激光锁相环的激光相位粗跟踪。

其中，在相位粗跟踪环路200中，所述相位粗跟踪计算模块42根据所述所述第一ad采样电路31和第二ad采样电路32输出的第一数字信号和第二数字信号，计算出接收光信号和本振信号之间的频差，并根据频差生成激光器温度参数调整信号，所述温度控制模块8根据所述激光器温度参数调整信号调整所述本振激光器7的温度，从而使所述本振激光器7输出的原始激光信号的频率落入所述相位精跟踪环路100的频带范围内。

具体的，如图2所示，所述相位粗跟踪计算模块42第二乘法器421、滑动滤波器422、能量检测模块423和频率/温度转化模块424。其中：

所述第一ad采样电路31和第二ad采样电路32输出的第一数字信号和第二数字信号首先通过所述第二乘法器421相乘后接收光信号和本振信号之间的频偏信号。

第二乘法器421作为鉴相器，用于相位的比较，比较接收光信号和本振信号的相位差，具体将互为正交的第一路电信号(i路信号)和第二路电信号(q路信号)进行相乘，得到接收光信号和本振信号之间的频偏信号。这里的频偏信号，即本振信号/接收光信号的下变频后的中频信号。若本振信号和接收光信号之间的频率差值为0，则中频信号为0。零差相干系统要求接收光信号的频率与本振信号的频率必须完全匹配，即本振信号的相位跟随接收光信号的相位而变，两者相位一致，使通过平衡探测器和乘法器探测得到的中频信号为0。若中频信号不为0，将会最终为解调带来影响，导致误码率的上升，影响相干整体的性能。因此，本实施例通过相位粗跟踪环路200基于第二乘法器421输出的频偏信号(即接收光信号/本振信号的下变频后的中频信号)生成用于对激光器输出的激光频率进行粗调的激光器温度参数调整信号，从而使所述本振激光器7输出的原始激光信号的频率落入所述相位精跟踪环路100的频带范围内。

继续参考图2，在本实施例中，所述滑动滤波器422的通带对应粗跟踪所划分的n个子带，其中n＝p1/p2，p1为粗跟踪带宽，p2为精跟踪带宽。例如，当精跟踪带宽为±25mhz，粗跟踪带宽为±5ghz时，如果想要的激光信号进入精跟踪带，需要将粗跟踪带划分为n＝200个子带，每个子带对应一个滤波器，如果采用滤波器组，则需要占用fpga内部很多资源，本发明采用滑动滤波器422进行设计，滤波器参数由fpga进行设置，使滑动滤波器422的通带对应粗跟踪所划分的200个子带。

具体实施时，通过所述滑动滤波器422对所述第二乘法器421输出的频偏信号进行滤波，所述滑动滤波器422在滤波器参数控制模块420的控制作用下输出对应能量的信号。所述能量检测模块423通过检测所述滑动滤波器422的输出信号的能量大小以判断频差处于哪个子带，从而得到频差的范围。所述能量检测模块423输出的结果通过所述频率/温度转化模块424转换为激光器温度参数调整信号。

所述温度控制模块8根据所述激光器温度参数调整信号调整所述本振激光器7的温度，从而调节本振激光器7输出激光的波长，使所述本振激光器7输出的原始激光信号的频率落入所述相位精跟踪环路的频带范围内。

一般采用两种方式对本振激光器的频率进行调谐，一种是温度划节，另一种的电压作为外部输入的调节。对于温度的调决来说其范围比较大，能到ghz的量级(10个g左右)，适用于大范围的的调谐。但温度调谐的速度慢，在秒(s)的量级上，而且频率与温度非线性。因此温度适用于宽范围的，低速的控制。

因此，本实施例优选采用温度调谐(温度控制模块8)的方式，在接收光信号和本振的差频较大的情况下，通过温度的控制端的温度调谐，让本振激光器的f进行宽区域内的低速扫描调整处理，其目的就是缩小由于多普勒频移导致的接收光信号和本振信号的频率不一致的问题，达到频率控制的目的。

另外，本实施例通过温度控制模块8对本振激光器的输出频率进行控制的具体原理和过程为本领域技术人员所熟知，在此省略描述。

在相位精跟踪环路100中，所述相位精跟踪计算模块41根据所述第一数字信号和第二数字信号计算出接收光信号和本振信号之间的频差，并根据频差得到声光移频器控制信号，所述声光移频器控制信号先后通过所述第一d/a转换模块51、低通滤波器52后输出给声光移频器6。所述声光移频器6用于根据所述声光移频器控制信号对本振激光器7输出的原始激光信号进行移频处理，得到本振信号输出给所述光混频器1。

具体的，如图3所示，所述相位精跟踪计算模块41包括第一乘法器411、环路滤波器412、dds413和第二d/a转换模块414。其中：

所述第一ad采样电路31和第二ad采样电路32输出的第一数字信号和第二数字信号首先通过所述第一乘法器411相乘后得到接收光信号和本振信号之间的频偏信号。

其中，第一乘法器411作为鉴相器，用于相位的比较，比较接收光信号和本振信号的相位差，具体将互为正交的第一路电信号(i路信号)和第二路电信号(q路信号)进行相乘，得到接收光信号和本振信号之间的频偏信号。这里的频偏信号，即本振信号/接收光信号的下变频后的中频信号。若本振信号和接收光信号之间的频率差值为0，则中频信号为0。零差相干系统要求接收光信号的频率与本振信号的频率必须完全匹配，即本振信号的相位跟随接收光信号的相位而变，两者相位一致，使通过平衡探测器和乘法器探测得到的中频信号为0。若中频信号不为0，将会最终为解调带来影响，导致误码率的上升，影响相干整体的性能。因此，本实施例通过相位精跟踪环路100基于第一乘法器411输出的频偏信号(即接收光信号/本振信号的下变频后的中频信号)进行解调时载波的精跟踪，并输出声光移频器控制信号用于驱动声光移频器6，从而在一定的频率范围内使声光移频器6输出给光混频器1的本振信号跟随接收光信号的载波频率。

继续参考图3，通过所述环路滤波器412对所述第一乘法器411输出的频偏信号进行环路滤波，以将频偏信号转换为幅度信号后输出控制所述dds(directdigitalsynthesizer，直接数字合成)413，所述dds413的输出通过所述第二d/a转换模块414转换为模拟信号，从而得到所述声光移频器控制信号。

所述声光移频器控制信号先后通过所述第一d/a转换模块51、低通滤波器52的d/a转换和滤波后，输出给声光移频器6。所述声光移频器6，用于根据所述声光移频器控制信号对所述本振激光器7输出的原始激光信号进行移频处理，得到本振信号输出给所述光混频器1。其中，所述本振信号的频率为所述原始激光信号的频率加上所述声光移频器控制信号的频率。

综上，本发明实施例提供的一种超宽带数字激光锁相环装置先通过光混频器将接收光信号和本振信号混频得到四路混频信号，并通过平衡探测器将所述四路混频信号转换成互为正交的第一路电信号和第二路电信号，然后通过第一ad采样电路和第二ad采样电路分别根据预设的采样频率对所述第一路电信号和第二路电信号进行采样，得到对应的第一数字信号和第二数字信号，再通过fpga芯片对所述第一数字信号和第二数字信号进行并行计算，计算出接收光信号和本振信号之间的频差，并根据所述频差分别得到实现相位精跟踪的声光移频器控制信号和实现相位粗跟踪的激光器温度参数调整信号，并通过温度控制模块根据所述激光器温度参数调整信号调整所述激光器的温度，从而使所述激光器输出的原始激光信号的频率落入所述相位精跟踪的频带范围内，以及通过第一d/a转换模块、低通滤波器先后对所述声光移频器控制信号进行数模转换及滤波后输出给声光移频器，最后通过声光移频器根据所述声光移频器控制信号对激光器输出的原始激光信号进行移频处理，得到本振信号输出给所述光混频器。因此，本发明实施例通过采用粗跟踪环路和精跟踪环路的双环路锁相结构进行锁相，能够在接收光信号和本振信号之间的频差较大的情况下实现有效补偿，消除多普勒效应和激光器的温漂引起的频偏，具有抗干扰性强、结构简单等优势，能有效提高跟踪锁相环的精度，进而实现可靠通信。

参考图4，是本发明实施例2中一种超宽带数字激光锁相方法的流程示意图，该载波频偏补偿方法包括步骤s1～步骤s7：

s1、通过光混频器将接收光信号和本振信号混频得到四路混频信号。

其中，其中，本实施例的本振信号由本振激光器生成并通过声光移频器移频处理后得到的等幅波。具体的，该本振信号具有90°相位差(0°、90°、180°、270°)。本实施例采用的光混频器为90°光混频器，其作用主要是将接收光信号与本振信号进行一定的位相关系干涉，使接收信号光分别与相对相移为0°、90°、180°、270°的本振信号进行混频，得到四路90°相位差的混频信号。

s2、通过平衡探测器将所述四路混频信号转换成互为正交的第一路电信号和第二路电信号。

具体实施时，通过第一平衡探测器和第二平衡探测器分别对输入的四路混频信号进行信号转换成电信号，得到互为正交的第一路电信号(i路信号)和第二路电信号(q路信号)。其中，通过光混频器混频处理后的四路混频信号中的0°、180°信号进入第一平衡探测器，通过光混频器1混频处理后的四路混频信号中的90°、270°信号进入第二平衡探测器。

s3、通过第一ad采样电路和第二ad采样电路分别根据预设的采样频率对所述第一路电信号和第二路电信号进行采样，得到对应的第一数字信号和第二数字信号。

在该步骤中，采用的第一ad采样电路和第二ad采样电路均为超高速ad采样电路，具体实施时刻采用ev10aq190a芯片以分别对i路信号和q路信号进行采样，其中，每路采样频率均为5ghz，这样，iq路综合采样频率为10ghz。另外，所述第一ad采样电路和第二ad采样电路均连接外部时钟接口电路，所述外部时钟接口电路分别为第一ad采样电路和第二ad采样提供采样时钟。所述外部时钟接口电路可采用adclk925时钟缓冲芯片，用于将外部提供的高稳定度时钟频率分成两路，分别提供给第一ad采样电路和第二ad采样电路，作为其采样时钟频率。

s4、通过fpga芯片根据所述第一数字信号和第二数字信号计算出接收光信号和本振信号之间的频差，并根据所述频差分别得到实现相位精跟踪的声光移频器控制信号和实现相位粗跟踪的激光器温度参数调整信号。

在本实施例中，由fpga实现超宽带数字激光锁相环的激光相位粗跟踪和相位精跟踪。基于正交的第一路电信号(i路信号)和第二路电信号(q路信号)得到接收光信号和本振信号之间的频偏信号。这里的频偏信号，即本振信号/接收光信号的下变频后的中频信号，并基于该频偏信号分别生成实现相位精跟踪的声光移频器控制信号和实现相位粗跟踪的激光器温度参数调整信号。其中，所述激光器温度参数调整信号用于对本振激光器的相位进行调制，对半导体的本振激光器输出的激光频率进行粗调，从而实现超宽带数字激光锁相环的激光相位粗跟踪。所述声光移频器控制信号实现进行解调时载波的精跟踪，用于驱动声光移频器，从而在一定的频率范围内使声光移频器输出给光混频器的本振信号跟随接收光信号的载波频率。

具体的，如图5所示，在所述步骤s4中，通过以下步骤s421～s423计算得到所述激光器温度参数调整信号：

s421、将输入的第一数字信号和第二数字信号通过第二乘法器相乘后得到接收光信号和本振信号之间的频偏信号；

s422、通过滑动滤波器对所述频偏信号进行滤波，所述滑动滤波器在滤波器参数控制模块的控制作用下输出对应能量的信号；其中，所述滑动滤波器的通带对应粗跟踪所划分的n个子带，其中n＝p1/p2，p1为粗跟踪带宽，p2为精跟踪带宽；

s423、通过能量检测模块检测所述滑动滤波器的输出信号的能量大小以判断频差处于哪个子带，从而得到频差的范围，并将能量检测模块输出的结果通过频率/温度转化模块转换为所述激光器温度参数调整信号。

在本实施例中，所述滑动滤波器的通带对应粗跟踪所划分的n个子带，其中n＝p1/p2，p1为粗跟踪带宽，p2为精跟踪带宽。例如，当精跟踪带宽为±25mhz，粗跟踪带宽为±5ghz时，如果想要的激光信号进入精跟踪带，需要将粗跟踪带划分为n＝200个子带，每个子带对应一个滤波器，如果采用滤波器组，则需要占用fpga内部很多资源，本发明采用滑动滤波器进行设计，滤波器参数由fpga进行设置，使滑动滤波器的通带对应粗跟踪所划分的200个子带。

具体实施时，通过第二乘法器作为鉴相器，用于相位的比较，比较接收光信号和本振信号的相位差，具体将互为正交的第一路电信号(i路信号)和第二路电信号(q路信号)进行相乘，得到接收光信号和本振信号之间的偏差信号(即本振信号/接收光信号的下变频后的中频信号)。

然后，通过所述滑动滤波器对所述第二乘法器输出的频偏信号进行滤波，所述滑动滤波器在滤波器参数控制模块的控制作用下输出对应能量的信号。所述能量检测模块通过检测所述滑动滤波器的输出信号的能量大小以判断频差处于哪个子带，从而得到频差的范围。所述能量检测模块输出的结果通过所述频率/温度转化模块转换为激光器温度参数调整信号。

最后，通过所述温度控制模块根据所述激光器温度参数调整信号调整所述本振激光器的温度，从而调节本振激光器输出激光的波长，使所述本振激光器输出的原始激光信号的频率落入所述相位精跟踪环路的频带范围内。

进一步的，如图6所示，在所述步骤s4中，通过以下步骤计算得到所述声光移频器控制信号：

s411、将输入的第一数字信号和第二数字信号通过第一乘法器相乘后得到接收光信号和本振信号之间的频偏信号；

s412、通过环路滤波器对所述频偏信号进行环路滤波，以将频偏信号转换为幅度信号后输出控制dds，所述dds的输出通过所述第二d/a转换模块转换为模拟信号，从而得到所述声光移频器控制信号。

具体实施时，通过第一乘法器作为鉴相器，用于相位的比较，比较接收光信号和本振信号的相位差，具体将互为正交的第一路电信号(i路信号)和第二路电信号(q路信号)进行相乘，得到接收光信号和本振信号之间的偏差信号(即本振信号/接收光信号的下变频后的中频信号)。

然后，通过所述环路滤波器对所述第一乘法器输出的频偏信号进行环路滤波，以将频偏信号转换为幅度信号后输出控制所述dds(directdigitalsynthesizer，直接数字合成)，所述dds的输出通过所述第二d/a转换模块414转换为模拟信号，从而得到所述声光移频器控制信号。

s5、通过温度控制模块根据所述激光器温度参数调整信号调整所述激光器的温度，使所述激光器输出的原始激光信号的频率落入所述相位精跟踪的频带范围内。

具体的，由所述温度控制模块根据所述激光器温度参数调整信号调整所述本振激光器的温度，从而调节本振激光器输出激光的波长，使所述本振激光器输出的原始激光信号的频率落入所述相位精跟踪环路的频带范围内。

s6、通过第一d/a转换模块、低通滤波器先后对所述声光移频器控制信号进行数模转换及滤波后输出给声光移频器。

s7、通过声光移频器根据所述声光移频器控制信号对激光器输出的原始激光信号进行移频处理，得到本振信号输出给所述光混频器；其中，所述本振信号的频率为所述原始激光信号的频率加上所述声光移频器控制信号的频率。

具体实施时，所述声光移频器控制信号先后通过所述第一d/a转换模块、低通滤波器的d/a转换和滤波后，输出给声光移频器。所述声光移频器用于根据所述声光移频器控制信号对所述本振激光器输出的原始激光信号进行移频处理，得到本振信号输出给所述光混频器。其中，所述本振信号的频率为所述原始激光信号的频率加上所述声光移频器控制信号的频率。

本实施例公开的超宽带数字激光锁相方法的详细工作原理及过程请参考上述实施例公开的超宽带数字激光锁相环装置，在此不再赘述。

综上，本发明实施例提供的一种超宽带数字激光锁相方法先通过光混频器将接收光信号和本振信号混频得到四路混频信号，并通过平衡探测器将所述四路混频信号转换成互为正交的第一路电信号和第二路电信号，然后通过第一ad采样电路和第二ad采样电路分别根据预设的采样频率对所述第一路电信号和第二路电信号进行采样，得到对应的第一数字信号和第二数字信号，再通过fpga芯片对所述第一数字信号和第二数字信号进行并行计算，计算出接收光信号和本振信号之间的频差，并根据所述频差分别得到实现相位精跟踪的声光移频器控制信号和实现相位粗跟踪的激光器温度参数调整信号，并通过温度控制模块根据所述激光器温度参数调整信号调整所述激光器的温度，从而使所述激光器输出的原始激光信号的频率落入所述相位精跟踪的频带范围内，以及通过第一d/a转换模块、低通滤波器先后对所述声光移频器控制信号进行数模转换及滤波后输出给声光移频器，最后通过声光移频器根据所述声光移频器控制信号对激光器输出的原始激光信号进行移频处理，得到本振信号输出给所述光混频器。因此，本发明实施例通过采用粗跟踪环路和精跟踪环路的双环路锁相结构进行锁相，能够在接收光信号和本振信号之间的频差较大的情况下实现有效补偿，消除多普勒效应和激光器的温漂引起的频偏，具有抗干扰性强、结构简单等优势，能有效提高跟踪锁相环的精度，进而实现可靠通信。

需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件的方式来实现，当然也可以通过专用硬件包括专用集成电路、专用cpu、专用存储器、专用元器件等来实现。一般情况下，凡由计算机程序完成的功能都可以很容易地用相应的硬件来实现，而且，用来实现同一功能的具体硬件结构也可以是多种多样的，例如模拟电路、数字电路或专用电路等。但是，对本发明而言更多情况下软件程序实现是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在可读取的存储介质中，如计算机的软盘，u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。