基于costas光学锁相环的性能

Performance Analysis Based on costas OPLL
LV Xiguang，SUN Tingyu，HAO Botao，LI Xiaoguang，WANG Lei，ZHENG Wenbo
（School of Opto-Electronics Engineering University of sci.&tech. of changchun，Changchun 130022） Abstract： OPLL is the core component of the coherent optical communication system， it can effectively achieve phase tracking and locking between local oscillator and the received signal light， thus improve the system sensibility greatly. In this paper，on the basis of costas OPLL principle with BPSK modulation，we achieved the best relationship between bandwidth and natural frequency with the help of software simulation and computation， but also the optimum bandwidth that maintain the stability of the system under the second-order OPLL condition， based on this， we got the relationships of various parameters in coherent systems . Key words：coherent optical communication； BPSK modulation；costas OPLL
近些年， 随着窄线宽高稳频激光器技术取得突 破性进展， 星载激光通信系统越来越受到世界各国 的关注， 并在星地通信实验中取得了成功。其中， 基 于 BPSK 调制信号的 costas 环路零差探测系统， 由 于高码率 ， 低带宽的优势， 不容易受外界光照影 响， 对通信和跟踪具有极高灵敏度而成为相干光通 信中研究的热点。
（5） （6）
ϕ d (t ) 为 这里 ϕ NT (t ) 为信号激光器的相位噪声； ϕ NLO (t ) 为本振激 BPSK 调制信号信息， 取值 0 或 π ； ϕC (t ) 为由本振激光器控制的相位噪 光器相位噪声；
系统开环传递函数： KA F ( f )exp(- j2πfτ ) H0( f ) = j2πf 性，
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长春理工大学学报 （自然科学版）
2012 年
图 1 costas 环路原理图 Fig.1 The diagram of the PLL based on costas principle
ϕ S = ϕ NT (t ) + ϕ d (t ) ϕ LO = ϕC (t ) + ϕ NLO (t )
0 0
经 90 混频器输出复振幅可表示为
0
E I = ( E S + E LO ) 1 - k EQ = E S + E LO exp( - j π 2)
(
)
（4）
其中，P S 和中 P LO 分别为信号光和本振光的
ϕ S 和 ϕ LO 分别为信号光和本振光的相位， 光功率，
各自的平衡探测器组件实现相位探测， 两个支路输
［1］
出信号相乘得到误差信号［2］， 通过环路滤波器得到 电平信号来控制本振激光器， 两支路信号仿真结果 如图 2 所示。 信号光表示为：
E S = P S exp( jϕ S)
（1） （2） （3）
k
本振光表示为：
E LO = P LO exp( jϕ LO)
1 COSTAS 环路原理
零差相干检测的 costas 环路如图 1， 信号光和本 振光经由 900 混频器进行混频移相后产生有 900 相位 差的四路输出， 其中 00 和 1800 度作为同相 （I 路） 输入 分量， 90 和 270 度作为正交 （Q 路） 输入分量， 经由
（9）
以如图 4 一阶环路滤波器为例分析系统稳定
声， 其表达式为［3］：
ϕC (t ) = ∫0 V c (ι)dι ⋅ G VCO
吕曦光，孙亭玉，郝博涛，李晓光，王磊，郑文波Βιβλιοθήκη Baidu
（长春理工大学 摘 光电工程学院，长春 130022） 要：光学锁相环是相干光通信系统的核心组成部分，可以有效地实现本振对信号光的相位跟踪和锁定，从而大大提高
系统的接收灵敏度。本文基于二进制相移键控 （BPSK） 调制的科斯塔斯 （costas） 光学锁相环原理，通过软件仿真和计算 得到了二阶环路下，带宽与自然频率的最佳关系以及维持系统稳定性的最优环路带宽，并在此基础上得到了相干系统各种 参数的关系。 关键词：相干光通信；BPSK 调制；costas 光学锁相环 中图分类号：TN929 文献标识码：A 文章编号：1672-9870 （2012） 04-0027-04
第 35 卷第 4 期 2012 年 12 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.35 No.4 Dec.2012
基于 costas 光学锁相环的性能分析
收稿日期：2012-05-16
信号光和本振光相位可分别为：
作者简介：吕曦光 （1985-） ，男，硕士研究生，主要从事光电子技术及应用的研究，E-mail:lvxiguang@163.com。 通讯作者：郑文波 （1965-） ，男，副教授，主要从事光电检测、通信技术方面的研究，E-mail: zhengwb123@yahoo.com.cn。