四象限探测器数字跟踪通信复合接收机设计

王睿扬 1，于笑楠 2，佟首峰 2，吴天琦 1，陈星驰 1
（1.长春理工大学 光电工程学院，长春 130022； 2.长春理工大学 空间光电技术国家地方联合工程研究中心，长春 130022）
摘 要：随着微纳卫星技术的迅速发展，为实现空间激光通信接收终端的轻小型化设计，采用四象限探测器 （Quadrant De-
成跟踪与通信相关的信号处理。通过理论分析得到在 1064nm 波段，当误码率为 10-6，通信速率为 10Mbps，信噪比为 90
时，探测灵敏度为-45dBm；在光斑半径为 400μm 时，位置分辨力为 6.29μm，实现了 0.0016 的细分能力。通过对探测信号
链的仿真、光斑位置分辨力的仿真、通信解调与数据时钟恢复 （Clock Data Recover，CDR） 的仿真以及对光斑位置与脱
第 42 卷第 3 期 2019 年 6 月
长春理工大学学报 （自然科学版）
Journal of Changchun University of Science and Technology （Natural Science Edition）
Vol.42 No.3 Jun.2019
四象限探测器数字跟踪通信复合接收机设计
靶量解算的仿真，进一步验证了接收机跟踪与通信复合功能的实现。最后通过实验测试得到在误码率为 10-6，通信速率为
10Mbps 时，探测灵敏度为-30dBm，并对光斑位置探测的误差进行了标定。数字接收机的性能参数满足通信系统的基本要
求，基于 FPGA 的软件设计完成了单探测器跟踪与通信功能的复合，并实现了接收机的数字化，满足接收机的轻小型化设
tector，QD） 作为通信接收机的探头。设计的四象限探测器数字跟踪通信复合接收机，首先通过四象限探测器将光信号转
换为电信号后，然后经过前置跨阻放大电路进行信号放大并转换为电压信号，再由模数转换 （Analogue-to-Digital Conversion，
ADC） 将电信号转换为数字信号，最后通过现场可编辑门列阵 （Field－Programmable Gate Array，FPGA） 的数字算法完
WANG Ruiyang1，YU Xiaonan2，TONG Shoufeng2，WU Tianqi1，CHEN Xingchi1
（1.School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022； 2.National and Local Joint Engineering Research Center of Space Optoelectronics Technolog， Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）
Abstract：With the rapid development of micro-nano satellite technology，in order to realize the lightweight design of space laser communication receiving terminal，the Quadrant Detector （QD） is used as the probe of communication receiver. In this paper，a four-quadrant detector digital tracking communication composite receiver is designed. First，the optical signal is converted into electrical signal through the four-quadrant detector，then the signal is amplified and converted into voltage signal through the pre-trans-resistance amplifier circuit， and then the electrical signal is converted into digital signal by analog-to-digital conversion. Finally，it can be edited through the field. Field-Programmable Gate Array （FPGA） digital algorithm completes tracking and communication-related signal processing. The theoretical analysis shows that the detection sensitivity is -45dBm when the bit error rate is 10-6，the communication rate is 10Mbps and the signal-to-noise ratio is 90，and the position resolution is 6.29um when the spot radius is one-fifth of the detector's photosensitive surface radius，which achieves the subdivision ability of 0.0016. Through the simulation of detection signal chain，spot position resolution，communication demodulation and data clock recovery，as well as the calculation of spot position and miss distance， the realization of Receiver Tracking and communication composite function is
பைடு நூலகம்
计的要求。
关键词：激空间激光通信；四象限探测器；数字接收机；跟踪通信复合；探测灵敏度；位置分辨力
中图分类号： E693
文献标识码：A
文章编号：1672-9870（2019）03-0042-09
Design of Tracking and Communication Composite Digital Receiver for Four Quadrant Detectorn