[发明专利]一种多孔径低成本空间相干光接收机及信号接收解调方法

说明书

技术领域

本发明涉及空间光通信，光信号探测和数字信号处理技术领域，特别涉及高灵敏度空间相干光接收机及信号接收解调方法。

背景技术

目前无线通信主要采用微波通信手段，但是受载波频率限制，微波通信单通道传输速率在每秒百Mb/s量级，难以满足日益增长的海量数据传输的需求。空间光通信技术采用具有更高频率的激光作为载波，是提高无线通信速率的有效途径。激光的频率比微波高三个数量级以上，作为通信的载体意味着更大的可资利用频带，能够实现单信道10Gbps以上的数据传输。激光的发射角很小，能量高度集中，收发天线尺寸小，因此终端的功耗，体积和重量相对较低。此外激光发射波束纤细并且在短时间内能够传输大量数据，从而减少持续通信时间，提高了通信的保密性和抗干扰性。最后空间光通信不像射频通信那样频段由国家或国际机构管理，光频段的使用目前没受到限制。总之，空间光通信相比微波通信具有许多不可替代的优点，在军用和民用无线通信领域都有重要的研究意义和良好的应用前景。

目前空间光通信系统按照信号探测方式可以分为直接探测和相干探测系统。直接探测光接收机采用单一的PIN光电二极管和雪崩光电二极管将光信号转换为电信号，结构简单，成本低。但直接探测光接收机只能探测信号光的强度信息，光场相位无法传输信息，因此系统传输速率较低。一般相干探测光接收机包括2个光混频器，4个光平衡探测器和4个模数转换器，其结构较为复杂，成本很高。但是相干探测光接收机能够恢复信号光全场信息，支持高阶调制格式，因此能够实现较高的传输速率。此外相干探测光接收机具有较高的灵敏度，能够实现更远的传输距离。因此两者各有利弊。

空间光通信系统由于不便于采用光中继放大器补偿光信号传输损耗，因此传输距离一般受限于损耗。此外，光信号经过长距离传输达到接收端后信号光斑面积较之于发射端扩展较大，普通单一孔径的光接收机光学天线面积有限，不利于将信号光耦合到光探测器探测面上，导致光信号接收效率较低。最后，当光信号在大气传输时会受到大气湍流的影响导致信号光场相干性降低，影响光信号的耦合和相干探测效率。为克服上述问题，以往多采用提高光信号发射功率，增加接收机光学天线尺寸和光探测器探测面积，以及采用自适应光学系统对大气湍流进行补偿等各种手段。但是，由于一般无线通信终端电源功率有限，提高光学透镜和扩大光探测器尺寸也受限于的制备工艺和成本问题，因此难以获得满意的效果。自适应光学系统虽然可以一定程度补偿大气湍流影响，但是存在结构复杂，成本较高，体积较大的问题。如果开发和设计一种基于低成本直接探测，但支持高速率高级调制格式信号，且具有较大的空间光信号接收面积和较高灵敏度，并且不依赖于自适应光学系统就能抑制大气湍流效应的空间相干光接收机对于提高空间光通信系统的整体性能和实用性，降低系统成本具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种基于多个低成本直接探测单元并能够实现各路信号相干合并的空间相干光接收机，以大幅增加空间光信号的接收面积，支持高速率高级调制格式信号，实现更高的灵敏度，并抑制大气湍流影响。

为解决上述技术问题，本发明提出一种基于直接探测的多孔径空间相干光接收机。

包括多个独立的光信号直接探测单元和统一的DSP模块，每个光信号直接探测单元又包括：光学天线，光强度探测器，以及模数转换器；

所述光学天线，用于收集空间光信号，并将其耦合到光强度探测器探测面上；

所述光强度探测器，用于将光信号强度信息转换为电信号；

所述模数转换器，用于将电信号转换为数字信号，以便于DSP处理；

所述DSP模块，用于对输入的各路信号进行处理，以恢复出各路信号对应的光场信息，并进行相干合并和信号解调。

所述DSP模块恢复出各路信号对应的光场信息，是在数字域内通过Hilbert变换恢复出各路光学信号的全场信息。

优选的，所述光学天线收集到的光信号通过光纤传输或空间耦合方式输入到所述光强度探测器。

优选的，所述光强度探测器可以采用PIN光电二极管和雪崩光电二极管。

更优的，所述光学天线收集到的光信号通过光纤传输，所述光强度探测器前设有光放大器，以对光信号进行放大。

所述数字域内Hilbert变换所采用的公式如下：

P_n(t)＝|E_n(t)+E₀exp(iπBt)|²(3)