[發明專利]基于直接數字式頻率合成器的光學鎖相環裝置和鎖相方法

有效

• 申請號: 201711022617.3
• 申請日: 2017-10-26
• 公開（公告）號: CN107919913B
• 公開（公告）日: 2020-05-05
• 發明（設計）人: 陳衛標;岳朝磊;孫建鋒;朱韌;張曉曦;劉磊
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: H04B10/50
• 分類號: H04B10/50;H04B10/516;H04B10/556;H04B10/61;H04B10/11
• 代理公司: 上海恒慧知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

1.一種基于直接數字式頻率合成器的光學鎖相環裝置，特征在于其構成包括：90度光學橋接器(1)、第一平衡探測器(2)、第二平衡探測器(3)、混頻器(4)、第一模數轉換器(5)、串并轉換芯片(6)、FPGA(7)、DDS(8)、帶通微波放大器(9)、光學強度調制器(10)、光纖光柵濾波器(11)、光纖分束器(12)、光纖放大器(13)、第一數模轉換器(14)、窄線寬可調諧激光器(15)、光纖濾波器監控模塊(16)、第二模數轉換器(17)和第二數模轉換器(18)；

所述的90度光學橋接器(1)的0度和180度輸出端口分別與所述的第一平衡探測器(2)的兩個輸入端口相連，90度光學橋接器(1)的90度和270度輸出端口分別與所述的第二平衡探測器(3)的兩個輸入端口相連，所述的第一平衡探測器(2)的第一輸出端口經串并轉換芯片(6)與所述的FPGA(7)的第三輸入管腳相連，所述的第一平衡探測器(2)的第二輸出端口和第二平衡探測器(3)的輸出端口分別與混頻器(4)的兩個輸入端口相連，該混頻器(4)的輸出端口與第一模數轉換器(5)輸入端口相連，該第一模數轉換器(5)與FPGA(7)的第一輸入管腳相連，該FPGA(7)的第一輸出管腳與DDS(8)的輸入端相連，該DDS(8)的輸出端與帶通微波放大器(9)的輸入端相連，該帶通微波放大器(9)的輸出端與光學強度調制器(10)的調制端相連，該光學強度調制器(10)的光學輸入端與窄線寬可調諧激光器(15)輸出端相連，該光學強度調制器(10)的光學輸出端與光纖光柵濾波器(11)的光學輸入端相連，該光纖光柵濾波器(11)的輸出端與1:9光纖分束器(12)的輸入端相連，其中1:9光纖分束器(12)的90％輸出端接光纖放大器(13)的輸入端，1:9光纖分束器(12)的10％輸出端與光纖濾波器監控模塊(16)的輸入端相連，所述的光纖放大器(13)的輸出端與所述的90度光學橋接器(1)的本振光輸入端口相連，所述的光纖濾波器監控模塊(16)的輸出端與第二模數轉換器(17)的輸入端相連，該第二模數轉換器(17)的輸出端與FPGA(7)的第二輸入管腳相連，該FPGA(7)的第三輸出管腳與第二數模轉換器(18)的輸入端相連，該第二數模轉換器(18) 的輸出端與光纖光柵濾波器(11)控制端口相連，第一數模轉換器(14)的輸入端與FPGA(7)的第二輸出管腳相連，第一數模轉換器(14)的輸出端與所述的窄線寬可調諧激光器(15)的頻率控制端相連，FPGA(7)的第四輸出管腳(19)與下一級通信設備輸入接口相連。

2.根據權利要求1所述的基于直接數字式頻率合成器的光學鎖相環裝置，其特征在于，所述的90度光學橋接器(1)、第一平衡探測器(2)、第二平衡探測器(3)、混頻器(4)、第一模數轉換器(5)、FPGA(7)、DDS(8)、帶通微波放大器(9)、光學強度調制器(10)、光纖光柵濾波器(11)、光纖分束器(12)、光纖放大器(13)、第一數模轉換器(14)、窄線寬可調諧激光器(15)、光纖濾波器監控模塊(16)、第二模數轉換器(17)和第二數模轉換器(18)構成光學鎖相環路。

3.根據權利要求1所述的基于直接數字式頻率合成器的光學鎖相環裝置，其特征在于，所述的DDS(8)作為執行器實現對光學鎖相環中本振激光相位的直接控制。

4.根據權利要求1所述的基于直接數字式頻率合成器的光學鎖相環裝置，其特征在于，第一數模轉換器(14)控制所述的窄線寬可調諧激光器(15)的頻率，可以大范圍的改變進入光學強度調制器(10)的輸入光的頻率，進而改變光學強度調制器(10)輸出的光的頻率，實現大范圍的頻率跟蹤。

5.根據權利要求1至4任一項所述的基于直接數字式頻率合成器的光學鎖相環裝置，其特征在于，所述的光纖光柵濾波器(11)、光纖濾波器監控模塊(16)、第二模數轉換器(17)、第二數模轉換器(18)與FPGA(7)構成本振激光邊帶控制模塊，保證本振激光輸出的+1級邊帶最大，減小0級、-1級、+2級邊帶的輸出，擴大本發明在相干接收系統中接收通信速率的范圍。

6.權利要求1所述的基于直接數字式頻率合成器的光學鎖相環裝置的鎖相方法，其特征在于該方法包括以下步驟：

1)本裝置啟動后，所述的FPGA(7)經第一數模轉換器(14)輸出的電壓施加在所述的窄線寬可調諧激光器(15)的控制端，該窄線寬可調諧激光器(15)的頻率f₀線性增加4Mhz，所述的混頻器(4)的輸出的相位誤差信號V_mixer(t)經第一模數轉換器(5)進入FPGA(7)，FPGA檢測V_mixer(t)最大值是否超過設定的閾值200mv，如果V_mixer(t)最大值超過閾值，觸發程序進入下一步，否則繼續本步驟1)；

2)所述的FPGA控制的DDS(8)的輸出頻率f_DDS線性增加10khz；

3)所述的FPGA對第一模數轉換器(5)輸入相位誤差信號進行快速傅里葉變換，得出輸入相位誤差信號的中心頻率，判斷該相位誤差信號的中心頻率小于100khz，如果滿足則進入下一步，否則返回步驟2)；

4)光學鎖相環進入PID控制，執行以下并行步驟：

a)對所述的相位誤差信號進行快速傅里葉變換，得出該相位誤差信號的中心頻率，判斷該相位誤差信號的中心頻率是否連續5次超出400khz，如果超出，控制失敗，標志位置1；否則控制成功，標志位置0，光學鎖相環處于最佳工作狀態，串并轉換芯片(6)輸入到FPGA的通信數據通過FPGA的第四輸出端口傳遞到下一級，等待10us再次執行本步驟a)；

b)所述的FPGA的PID控制計算模塊，對第一模數轉換器(5)輸入相位誤差信號V_mixer(t)＝A_mixersin2θ_e進行PID運算，計算結果轉換為DDS頻率f_DDS和相位的控制字并輸出到所述的DDS(8)；所述的PID控制計算模塊檢測所述的標志位置，如果標志位置為1，步驟4)結束返回步驟2)；否則循環執行本步驟。