本發(fā)明涉及一種基于幀頭輔助的相干激光通信快速頻偏捕獲方法，屬于信號處理。

背景技術(shù)：

1、激光通信技術(shù)作為新興的空間高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，展現(xiàn)了傳輸容量大、與其他通信技術(shù)充分融合、減少解碼過程等諸多優(yōu)勢，為實現(xiàn)高速連接提供了全新的手段。相對于傳統(tǒng)的衛(wèi)星微波通信技術(shù)，衛(wèi)星激光通信技術(shù)具有獨特的技術(shù)特點和顯著的優(yōu)勢。通信容量大，頻段更寬，使其在短時間內(nèi)能夠傳輸大量的數(shù)據(jù)，為高帶寬和長距離通信需求提供了可行性。其次，衛(wèi)星激光通信技術(shù)表現(xiàn)出較高的通信速率和低功耗的特點，在實際應用中提供了更快速、實時的數(shù)據(jù)傳輸體驗。同時，傳輸過程中能量集中，具備強大的抗干擾能力，在傳輸過程中不容易被偵收和干擾，使其成為實現(xiàn)空間高速穩(wěn)定通信的有效手段。

2、美國在星間激光通信方面取得關(guān)鍵技術(shù)驗證衛(wèi)星的成功發(fā)射，實現(xiàn)了星間和衛(wèi)星與無人機之間的激光通信。美國還通過“星鏈”低軌衛(wèi)星星座成功實現(xiàn)星間激光通信，進一步推動了該技術(shù)的應用。歐洲則以“歐洲數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)”為代表，成為全球首個實現(xiàn)星間激光通信技術(shù)業(yè)務運行的系統(tǒng)。國內(nèi)方面，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的激光通信設備成功實現(xiàn)多次激光通信實驗，且實驗數(shù)據(jù)證明，星地激光通信可以實現(xiàn)幾千兆字節(jié)/秒的下行鏈路傳輸速率。

3、盡管相干激光通信技術(shù)在多個方面表現(xiàn)出優(yōu)越性，目前在頻偏捕獲方面卻存在一些顯著的技術(shù)挑戰(zhàn)。首先，現(xiàn)有技術(shù)存在掃頻時間長的問題，限制了系統(tǒng)的實時性和響應速度。其次，實現(xiàn)相干激光通信頻偏捕獲中快速傅里葉變換fft計算等功能對硬件提出更高性能的要求，導致系統(tǒng)成本增加并在資源受限的環(huán)境中受到制約。此外，相干激光通信對環(huán)境條件的高敏感性也是一個不容忽視的問題，特別是在極端環(huán)境下，系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性受到溫度變化影響，需要更為精細的環(huán)境控制。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有激光移頻時間長造成的傳統(tǒng)相干激光通信中掃頻時間過長的問題，本發(fā)明的目的是提供一種基于幀頭輔助的相干激光通信快速頻偏捕獲方法，采用幀頭輔助通信的方法連續(xù)捕獲幀頭，通過讀取通信數(shù)據(jù)中是否連續(xù)捕獲到幀頭提升對頻偏的實時感知能力，通過讀取通信數(shù)據(jù)中是否連續(xù)捕獲到幀頭和調(diào)整輸出波長實現(xiàn)掃描頻率，減少可調(diào)諧激光器移頻的次數(shù)，減少掃頻過程所用時間，進而提高基于幀頭輔助相干激光通信的實時性和響應速度。

2、本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。

3、本發(fā)明公開的基于幀頭輔助的相干激光通信快速頻偏捕獲方法，編碼組幀模塊對通信數(shù)據(jù)進行信道編碼，形成包含同步幀頭的完整數(shù)據(jù)幀?；鶐盘柹赡K將編碼后的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為同相正交iq兩路模擬電信號，并通過相位調(diào)制器調(diào)制到激光載波光信號上，發(fā)送至自由空間。接收端的相干光接收器通過光學混頻器和可調(diào)諧激光器接收并分離iq兩路模擬光信號，平衡探測器測量并轉(zhuǎn)換iq兩路模擬光信號為模擬電信號，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字通信數(shù)據(jù)。通過自相關(guān)函數(shù)判斷幀頭位置，讀取幀頭的連續(xù)捕獲情況，調(diào)整可調(diào)諧激光器輸出波長實現(xiàn)掃描頻率，確定接收光信號的頻偏范圍。通過fft精確捕獲頻偏，并通過可調(diào)諧激光器消除頻偏，實現(xiàn)快速穩(wěn)定通信。

4、本發(fā)明公開的基于幀頭輔助的相干激光通信快速頻偏捕獲方法，包括如下步驟：

5、步驟一、相干光發(fā)送器的編碼組幀模塊在上位機顯示與控制模塊的控制下，對通信數(shù)據(jù)進行信道編碼。通過編碼組幀模塊形成一個完整的數(shù)據(jù)幀，其中包含用于同步的幀頭。

6、步驟二、基帶信號生成模塊通過相移鍵控器與數(shù)模轉(zhuǎn)換器dac將編碼組幀模塊產(chǎn)生的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為iq兩路模擬電信號。激光相位調(diào)制模塊通過相位調(diào)制器將兩路模擬電信號調(diào)制到激光載波光信號上，形成發(fā)送光信號。發(fā)送光信號通過光學天線傳輸?shù)阶杂煽臻g。

7、步驟三、相干光接收器通過光學天線接收自由空間中的接收光信號。通過激光相位解調(diào)模塊中的光學混合器將混合的接收光信號分離成iq兩路模擬光信號。其中光學混頻器通過調(diào)整可調(diào)諧激光器的輸出波長確保接收光信號相位匹配，可調(diào)諧激光器通過調(diào)整輸出波長實現(xiàn)掃描頻率，進而尋找接收光信號所在頻偏。

8、在星間通信中，由于不同衛(wèi)星之間相對運動，使得接收光信號存在時間尺度上的收縮或拉伸，即接收光信號頻率發(fā)生變化。接收光信號頻率變化最大值δfmax即接收光信號的最大頻偏掃描范圍。δfmax由下式表示：

9、

10、其中：f為發(fā)送端的已知發(fā)送光信號頻率，δv為收發(fā)衛(wèi)星之間的相對速度，c為真空中電磁波的傳播速度。

11、步驟四、平衡探測器用于測量iq不同通道光信號強度，確保其在接收端保持一致的功率水平。通過平衡探測器將iq兩路模擬光信號轉(zhuǎn)換成iq兩路模擬電信號。相干光接收器中iq兩路模擬電信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器adc轉(zhuǎn)換為數(shù)字通信數(shù)據(jù)。由于受到adc采樣率限制且在m階相移鍵控m-psk的情況下，fft頻率分辨范圍最大僅能達到fs/m的一半。因此并不能實現(xiàn)對[-δfmax,δfmax]完整頻率范圍做fft，僅能在掃描范圍中尋找頻偏。

12、現(xiàn)有技術(shù)通過對全頻段做fft尋找頻偏，進而通過可調(diào)諧激光器調(diào)整輸出波長消除頻偏，實現(xiàn)相干激光通信，可調(diào)諧激光器移頻次數(shù)多，掃頻過程所用時間長。

13、步驟五、通過讀取通信數(shù)據(jù)中是否連續(xù)捕獲到幀頭，當連續(xù)捕獲到幀頭時判定可調(diào)諧激光器移動到發(fā)送頻偏，停止可調(diào)諧激光器掃描，當未連續(xù)捕獲到幀頭時判定可調(diào)諧激光器未移動到所在頻偏，返回步驟三，可調(diào)諧激光器通過調(diào)整輸出波長實現(xiàn)掃描頻率，直至通信數(shù)據(jù)中連續(xù)捕獲到幀頭。通過讀取通信數(shù)據(jù)中是否連續(xù)捕獲到幀頭和調(diào)整輸出波長實現(xiàn)掃描頻率，減少可調(diào)諧激光器移頻的次數(shù)，減少掃頻過程所用時間，進而提高基于幀頭輔助的相干激光通信效率。

14、步驟5.1、在可調(diào)諧激光器掃描頻率的過程中，通過通信數(shù)據(jù)處理與控制模塊的載波同步功能，在接收光信號的實際頻率附近實現(xiàn)短暫通信，所述短暫通信指通信時間范圍為3ms以內(nèi)。在短暫通信情況下，相干光接收器通過通信數(shù)據(jù)處理與控制模塊連續(xù)捕獲到幀頭，判定可調(diào)諧激光器移動到發(fā)送頻偏，停止可調(diào)諧激光器掃描。幀頭通常具有固定的模式或序列，而通過自相關(guān)函數(shù)尋找信號中與自身相似的部分。通過計算自相關(guān)函數(shù)，找到信號中的周期性結(jié)構(gòu)，進而確定幀頭的位置。自相關(guān)函數(shù)rx[m]通過以下公式表示：

15、

16、其中，rx[m]是自相關(guān)函數(shù)在延遲為m的時候的值，x[n]是原始信號在時間點n的采樣值，n為信號的長度。由于此時相干光接收器通過通信數(shù)據(jù)處理與控制模塊連續(xù)捕獲到幀頭，則此時找到自由空間傳輸?shù)慕邮展庑盘査陬l偏范圍δf。

17、步驟5.2、確定自由空間傳輸?shù)慕邮展庑盘査陬l偏范圍δf后通過fft找到自由空間傳輸?shù)慕邮展庑盘枩蚀_頻偏faccurate。避免傳統(tǒng)相干光接收器掃描[-δfmax,δfmax]完整頻率范圍，顯著縮減頻偏捕獲時間。fft通過將長度為n的離散傅里葉變換分解為兩個長度為n/2的離散傅里葉變換。

18、對于一個長度為n的復數(shù)序列x[0],x[1],…,x[n-1]，其離散傅里葉變換定義為：

19、

20、其中，x[k]是頻域序列，x[n]是時域序列，j是虛數(shù)單位，是旋轉(zhuǎn)因子，表示在復平面上逆時針旋轉(zhuǎn)弧度。

21、步驟5.3、根據(jù)步驟5.2捕獲自由空間傳輸?shù)慕邮展庑盘枩蚀_頻偏faccurate，通過可調(diào)諧激光器精準消除頻偏faccurate，實現(xiàn)基于幀頭輔助的相干激光快速穩(wěn)定通信。

22、有益效果：

23、1、相較于傳統(tǒng)的掃頻方法對全頻段做fft尋找頻偏，進而通過可調(diào)諧激光器調(diào)整輸出波長消除頻偏，實現(xiàn)相干激光通信。本發(fā)明公開的基于幀頭輔助的相干激光通信快速頻偏捕獲方法，通過自相關(guān)函數(shù)判斷幀頭位置，讀取幀頭的連續(xù)捕獲情況，調(diào)整可調(diào)諧激光器輸出波長實現(xiàn)掃描頻率，確定接收光信號的頻偏范圍。通過fft精確找到頻偏，并通過可調(diào)諧激光器消除頻偏，實現(xiàn)快速穩(wěn)定通信。通過讀取通信數(shù)據(jù)中是否連續(xù)捕獲到幀頭提升對頻偏的實時感知能力，當連續(xù)捕獲到幀頭時判定可調(diào)諧激光器移動到發(fā)送頻偏，停止可調(diào)諧激光器掃描，當未連續(xù)捕獲到幀頭時判定可調(diào)諧激光器未移動到所在頻偏，通過可調(diào)諧激光器調(diào)整輸出波長實現(xiàn)掃描頻率，直至通信數(shù)據(jù)中連續(xù)捕獲到幀頭。通過讀取通信數(shù)據(jù)中是否連續(xù)捕獲到幀頭和調(diào)整輸出波長實現(xiàn)掃描頻率，減少可調(diào)諧激光器移頻的次數(shù)，減少掃頻過程所用時間，進而提高基于幀頭輔助的相干激光通信效率。

24、2、本發(fā)明公開的基于幀頭輔助的相干激光通信快速頻偏捕獲方法，在實現(xiàn)有益效果1基礎(chǔ)上，通過采用基于幀頭輔助的通信方法，在短時間內(nèi)實現(xiàn)對頻偏的快速捕獲；通過可調(diào)諧激光器精準消除頻偏faccurate，提高相干激光通信實時性和響應速度。

25、3、本發(fā)明公開的基于幀頭輔助的相干激光通信快速頻偏捕獲方法，在實現(xiàn)有益效果1基礎(chǔ)上，由于頻偏掃描范圍減小，通信數(shù)據(jù)處理階段的fft計算次數(shù)也相應減少，進而顯著節(jié)約用于通信數(shù)據(jù)處理的計算資源。