高速星间链路的载波恢复方法研究

武磊磊，贾和平，郝志松

(1．中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄050081; 2．原兰州军区通信网络技术管理中心，甘肃 兰州 730000)

高速星间链路的载波恢复方法研究

武磊磊1，贾和平2，郝志松1

(1．中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄050081; 2．原兰州军区通信网络技术管理中心，甘肃 兰州 730000)

针对星载平台功耗和体积受限的情况，提出了一种适用于高速星间激光传输链路相干解调的载波恢复方法。该方法基于经典的科斯塔斯环架构，采用模数混合的电路结构，利用模拟乘法器实现误差提取、FPGA实现环路滤波和本振误差的调整，具有实现复杂度低、捕获跟踪性能好等优点，适合工程实现。测试结果表明，该方法可实现调制方式为BPSK、符号速率为1.5 G符号/s、初始频率误差为15 MHz的载波恢复，解调损失小于1 dB。

高速传输;载波恢复;模数混合;科斯塔斯环

0 引言

近年来，对于空间激光通信的研究和应用越来越受到重视［1］。与传统的直接强度调制(IM/DD)激光通信相比，相干激光通信的检测灵敏度比直接强度调制高10 dB以上［2］，且可以抑制较强的太阳背景辐射，能在近太阳视场工作。

载波恢复是相干激光通信核心技术，主要有零差［3］和外差［4］2种方式。在零差解调方式中，本振光源通过光学锁相环实现与入射激光载波相位锁定，本振光源的激光频率与入射激光载波没有频差。零差解调方式的灵敏度高，但光学锁相环的实现技术难度较大。而外差解调方式中本振光源的激光频率与入射激光载波频率存在一个中频频差，载波恢复在微波链路上实现［5］。虽然外差方式的灵敏度比零差方式低3 dB，但微波链路的锁相环较光学锁相环更容易实现。

鉴于我国在低损耗90°光混频器、高量子效率平衡光电检测器等核心器件上还处于实验室研究阶段，目前支持相干光接收机研究的器件，主要借助于光纤通信系统中的光纤耦合器件，在接收带宽、光电转换效率以及器件损耗等方面均不能达到最优。因此，本文重点针对在微波链路上实现的适用于高速星间链路的载波恢复方法进行研究。

1 相干解调的基本原理

解调也称检波，是调制的逆过程，其作用是将已调信号中的基带调制信号恢复出来。解调可以采用非相干解调和相干解调2种方式。其中，非相干解调称为包络检波，不需要相干载波就可以直接从已调波的幅度中恢复出原调制信号，解调损失较大;相干解调也叫同步检波，适用于所有线性调制信号的解调，相对于非相干解调有3 dB的增益，实现相干解调的关键是在接收端恢复出一个与调制载波严格同步的相干载波，恢复载波性能的好坏，直接关系到接收机解调性能的优劣［6］。载波同步一般用锁相环路实现，对于常用的抑制载波通信调制信号应采用特殊的锁相环结构，如N次方环、Costas环和判决反馈环。鉴于硬件实现的复杂度和可行性，本文采用经典的Costas环提取载波，原理如图1所示［7］。

图1 科斯塔斯锁相环原理

图1中，接收信号s(t)=m(t)cos(ωct+θ)被送入2路相乘器，两相乘器输入的 a点和 b点的信号为:

它们和接收信号s(t)相乘后，得到c点和d点的信号为:

vc、vd经过低通滤波器后

ve、vf相乘后，得到在 g点的窄带滤波器输入电压:

式中，(φ－θ)是压控振荡电压和接收信号载波相位之差。

当(φ－θ)很小时，sin(φ－θ)≈(φ－θ)，则式(7)变为:

电压vg通过环路窄带低通滤波器，控制压控振荡器的震荡频率。此窄带低通滤波器的截止频率很低，只允许电压 vg中近似直流的电压分量通过，这个电压控制压控振荡器的输出电压相位，使 (φθ)尽可能地小。当φ=θ时，vg=0。压控振荡器的输出电压va就是科斯塔斯环提取出的载波。

2 高速传输链路相干解调

我国将建设天基信息网络，满足全球范围内的海陆空天多域间的高速信息交互和处理。天基信息网络由骨干网络系统和接入网络系统等部分组成，其中骨干网络系统节点间传输的信息量巨大，达到Gbps量级，如此高的传输速率对相干解调提出了更高的要求。高速传输相干解调的实现方式大体可分为全数字相干解调、全模拟相干解调和模数混合相干解调3种。

2．1 全数字相干解调［8］

通过数字化混频信号，利用数字信号处理算法，校正本振光与信号光相位不同步导致的相位误差，以实现信号解调和接收。该方案的优点是可以利用丰富的数字信号处理算法改善系统的性能。缺点是:① 需要超高速模数转换(ADC)。该要求不仅是通信速率的最终限制因素，而且是我国目前技术的薄弱环节，受制于别国。② 多普勒频移使接收信号占据更大的频率范围、相位误差快速变化。不仅迫使接收机必需预留出接收带宽而导致接收灵敏度恶化，而且需要更高速的ADC和数字运算处理，以实时校正快速变化的相位误差。③ 系统功耗大。超高速ADC以及大规模数字处理将极大增加接收系统功耗，不适合功耗敏感的星间链路。

2．2 全模拟相干解调

通过模拟器件实现本振与信号的相位同步，该方案的优点是不需要高速数字化及其处理过程，避免了超高速ADC的技术壁垒，有效降低了系统功耗。但模拟锁相环不能实时调整环路带宽，只能针对单点信号，同时又涉及多方面的高精度控制与驱动等难点技术，目前我国在该方面技术还不成熟，需要进一步深入细致的技术攻关。

2．3 模数混合相干解调

通过模拟电路和数字器件共同实现相干解调。其中误差提取通过模拟电路实现，环路滤波和本振误差的调整在FPGA内进行，该方案同时具备了全数字相干解调和全模拟相干解调的优点，既不受AD采样率和输入带宽的限制，同时又避免了高精度模拟控制与驱动，环路带宽可灵活调整，适合多速率信号相干解调。

综上所述，针对本文提出的调制方式为BPSK、符号速率为1．5 G符号/s的情况，采用模数混合相干解调最合适，既可以避免对超高速模数转换(ADC)的依赖，降低系统功耗，又可以增加系统的灵活性。

3 模数混合科斯塔斯锁相环

模数混合科斯塔斯锁相环的原理框图如图2所示，主要由正交解调、有源滤波、误差提取、AD采样和环路滤波等模块组成。其中，正交解调模块将输入的中频信号变换为I、Q两路正交基带信号，得到图1中的vc、vd信号，再通过有源低通滤波器后变为ve、vf;误差信号的提取则通过模拟乘法器实现，ve、vf两电压相乘后，得到在g点的窄带滤波器输入电压vg;vg信号经 AD采样之后进入 FPGA，并在FPGA内进行环路滤波，将得到的结果送入本振模块以调节中频本振的频率，实现对输入信号的跟踪。

图2 模数混合科斯塔斯锁相环原理

3．1 正交混频块

正交混调也叫正交基带变换，其目的是去掉调制信号中的载频，将信号变到基带。正交解调模块的组成如图3所示，主要包括4个部件［9］:2个混频器、1个0°功分器和1个90°功分器。基本工作原理是输入信号经0°功分分别与经90°功分器的2路本振信号进行混频，产生2路互为正交的零中频信号I、Q［10］。由于正交混频直接影响 I、Q之间的幅度平衡度和相位平衡度，因此需要采用器件筛选的办法实现I、Q之间的匹配。器件选定后，还可以利用电缆的长度差异来补偿器件之间的相位不平衡［11］。

图3 正交解调模块

3．2 有源滤波模块

宽带正交解调器输出的基带信号中含有基带信号和高次谐波的混频分量，需要用滤波器滤除，常用的滤波器为RC无源滤波器。无源滤波器对通带频率信号呈现匹配传输，对阻带滤波信号实现失配而进行反射衰减，从而实现信号频谱的过滤功能［1 2］。因此，LC、介质等无源滤波器在实现滤波的同时，必然会带来群时延的恶化。经过群时延补偿，能够实现的群时延指标是ns级。

对于低符号率信号，ns级的群时延远低于符号周期，带来的码间串扰影响不大。但对于 1．5 G符号/s的信号，ns级的群时延已经大于一个符号周期，码间串扰已经严重影响信号质量。因此需要对宽带滤波技术进行创新，采用线性相位的有源滤波技术，实现基带信号的滤波。经测试，当传输1．5 G符号/s的QPSK信号时，LC滤波和有源线性滤波后的QPSK相点如图4所示。

图4 LC滤波与有源滤波QPSK相点

由图4可以看出，有源线性滤波较LC滤波相点有明显的改善。这是由于有源滤波器是由有源器件和RC网络构成，RC网络对不同频段提供不同的衰减特性，有源器件具有放大能力，使得有源滤波器能够提供通带增益，并能够克服传统无源滤波器带来的谐波失真。本文利用运算放大器 THS3202的带限特点［1 3］实现低通滤波，同时由于运放滤波的原理是对频率信号实现选择性放大，因此可以获得接近线性的群时延性能。

3．3 误差提取模块

由式(7)可以看出，误差信号的提取需要对基带I、Q两路信号进行乘法运算［14］，当传输信号为1．5 G符号/s、成型系数为0．5时，I、Q两路基带信号的带宽1．125 GHz，而本振与中频信号的初始误差一般在kHz量级，这就要求混频器的输入范围为DC～1．125 GHz，输出范围为DC～10 MHz，如此宽的输入范围，没有任何一款混频器能满足要求。由于输入信号的带宽很宽，因此输入信号可以不从直流开始，仍能提取出误差。因此，对于带宽很宽的基带信号，输入信号的频率不需要从DC开始，只需要尽可能接近DC即可。又因为载波锁定时误差为零，所以混频器的输出范围必须从 DC开始。本文选用HEM280－14－3型混频器，其输入范围从10 MHz开始，比较接近DC;输出范围从DC开始，可用于误差信号的提取。

3．4 AD采样模块

混频器输出的误差信号需经过AD采样进入FPGA内，这就要求AD的输入带宽也必须从低频开始［15］。AD的输入一般为差分输入，而混频器的输出为单端输出，并且AD在直流耦合模式下需要共模电压，因此需设计AD前端适配电路。本文采用AD8138芯片作为 AD采样前端，相对于运放放大器，AD8138在差分信号处理方面具有较大优势，它不仅像运算放大器一样易于使用，并且大大简化了差分信号的放大与驱动，－3 dB带宽为 320 MHz。因此，能够实现AD的输入带宽能够从低频开始，其连接框图如图5所示。

图5 AD8138与AD连接电路

图5所示的电路是用于驱动AD的前端电路，差分驱动时，AD的性能最佳，失真最小。AD8138可以实现单端到差分转换，其正负输出端通过一对49．9 Ω的电阻与AD相应差分输入端相连，以使AD开关电容前端的影响最小。为获得最佳性能，该器件采用±5 V电源供电。为了平衡信号源的50 Ω并联阻抗及其驱动同相输入端的50 Ω端接电阻，需要在－IN输入端增加23 Ω，合计523 Ω。

3．5 环路滤波模块

锁相环中的环路滤波器实际是一个低通滤波器，由线性元件电阻、电容或运算放大器组成。其目的是让低频信号通过，滤出误差电压的高频分量。对于不同结构的环路滤波器，输出信号的稳定性、频谱纯度等均不相同，由文献［16］可知不同环路的稳态相差如表1所示。由于本方案应用于同步卫星之间，环路中不存在频率斜升成分，因此本文环路滤波器选用二阶2型环，既能保证稳态相差为零，又能简化电路复杂度。

表1 不同环路的稳态相差

4 测试结果分析

在L频段，对符号速率为1．5 G符号/s的BPSK信号进行模数混合载波恢复，并测试了误码率性能，测试框图如图6所示。

图6 误码率性能测试框图

开始时，本振与信号起始频差设定为15 MHz，通过调整噪声源的功率电平，使系统的误码率分别达到使系统的误码率分别达到1×10－2和1×10－8之间的各个量级，同时记录噪声源的设置值，再分别测量信号功率和各个设置值的噪声功率，通过计算得出Eb/N0的值，得出模数混合载波恢复方案的误码率性能。

图7为L频段1．5 G符号/s、BPSK体制、初始频差为15 MHz的测试曲线，由图7可以看出，在误码率为1×10－7，模数混合载波恢复方案的解调损失较理论值相差小于1 dB，同时在低信噪比的情况下，模数混合载波恢复可以稳定工作。

图7 误码率曲线

5 结束语

本文针对高速星间激光传输链路在体积、功耗和实现复杂度等方面的要求，重点对全数字相干解调方案和全模拟相干解调方案进行了分析，从工程实现的角度，提出了一种适用于高速传输链路的模数混合载波恢复方案。该方案充分利用了模拟器件输入带宽宽、体积小、功耗低及FPGA处理灵活和精度高的特点，可满足高速星间激光链路在体积、功耗和实现复杂度等方面的要求。

为了提高锁定时间，减小稳态误差，环路带宽设计得比较窄，目前只能实现15 MHz频差范围内的快速捕获。捕获带宽小，限制了模数混合载波恢复在起始频差比较大的传输系统中的应用。如何在保证现有性能的情况下增加捕获带宽，是需要进一步研究的内容。

［1］ SODNIK Z，LUTZ H，FURCH B，et al．Optical Satellite Communications in Europe［C］∥SPIE，2010，758705:1－9．

［2］ 肖石林，曾庆济．光相干探测的应用技术研究［J］．光通信技术，2003，13(11):28－31．

［3］ 王 海．相干光通信零差BPSK系统的设计［D］．成都:电子科技大学，2009．

［4］ 秦艳召．相干光通信链路外差接收技术研究［D］．成都:电子科技大学，2009．

［5］ 王康年，刘红云，卢明伦，等．太赫兹通信技术发展现状及其军事应用展望［J］．无线电通信技术，2014，40(5):1－5．

［6］ 于开勇，李静芳，潘申富．载波相位误差对解调性能的影响分析［J］．无线电通信技术，2014，40(1):26－27．

［7］ 樊昌信．通信原理［M］．北京:国防工业出版社，2006．

［8］ 时瑞瑞．中频数字解调器的载波同步算法研究［D］．南京:南京理工大学，2010．

［9］ 方立军，马 骏，章 曦．一种宽带正交解调器的实验研究［J］．现代电子，2000，73(4):30－33．

［10］王 涛，张文静．宽带正交模耦合器的设计［J］．无线电工程，2013，43(3):40－42．

［11］顾明超，李 倩．宽带数字下变频器的FPGA实现［J］．无线电通信技术，2014，40(5):69－72．

［12］贾建科．毫米波带通滤波器的一种改进设计方法［J］．无线电工程，2014，44(2):50－52．

［13］何 芳．低敏感度全集成有源滤波器设计研究［D］．天津:天津大学，2009．

［14］田惠忱．模拟乘法器及其应用［J］．呼伦贝尔学院学报，2002，10(6):55－57．

［15］张 洋．基于芯片选择的一种AD采样电路的改进设计［J］．河南科技，2015，574(10):26－28．

［16］张 涛．锁相技术［M］．北京:机械工业出版社，2015．

Research on Carrier Recovery Method for High Speed Inter-satellite Links

WU Lei-lei1，JIA He-ping2，HAO Zhi-song1

(1．The 54th Research Instituteof CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China; 2．Communication Network Technology Management Center of the Former Lanzhou Military Region，Lanzhou Gansu 730000，China)

In view of the linited power and volume of the satellite platform，this paper proposes a method of coherent carrier recovery for high speed intersatellite laser transmission link．The method is based on the classical architecture of Costas loop and adopts an analog-digital mixed circuit，in which the error extraction is realized by means of analog multiplier and loop filter，and the adjustment of vibration error is realized in FPGA．The method has such advantages as low complexity and good tracking performance，which is suitable for project implementation．The test results show that the proposed method can realize the carrier recovery for modulation mode of BPSK，symbol rate of 1．5 G symbol/second and initial frequency error of 15 MHz．The demodulation loss is less than 1 dB．

high-speed transmission;carrier recovery;analog-digital mixing;costas loop

TN911

A

1003－3106(2017)02－0078－05

10．3969/j．issn．1003－3106．2017．02．19

武磊磊，贾和平，郝志松．高速星间链路的载波恢复方法研究［J］．无线电工程，2017，47(2):78－82．

2016-11-04

国家部委基金资助项目。

武磊磊男，(1987—)，硕士研究生。主要研究方向:卫星激光通信。

贾和平男，(1968—)，高级工程师。主要研究方向:卫星网络通信。