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科斯塔斯光锁相环的研究

作　者: 邱中华
导　师: 邱琪
学　校: 电子科技大学
专　业: 光学工程
关键词: 光锁相环科斯塔斯环路噪声环路延时零差相干光通信
分类号: TN929.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

光锁相环在空间相干光通信与微波光电子学领域有着重要的用途。在空间零差相干光通信中光锁相环被用在接收机中进行光载波的恢复,用来对接收到的光信号进行相干解调;在微波光电子学,利用外差光锁相环可以生成高于30GHz的高频微波,且频率可调。光锁相环的研究具有重要意义。本论文的主要研究内容为光锁相环数学模型的建立与仿真分析,首先比较了相干光通信中几种常用的光锁相环的优缺点,以对激光器线宽需求为依据,选择激光器线宽要求低的科斯塔斯光锁相环进行了理论分析;建立了环路的理论数学模型,详细分析了环路中的各种噪声对相位误差方差的影响,计算得到环路对激光器的线宽要求为5.02×10^-4Rb;针对环路中存在延时的情况进行了分析,得到了环路的稳定性上界,环路参数必须小心设计以避免稳定性问题;环路自然频率与延时乘积的上界与环路的阻尼系数有关,当阻尼系数为0.64时,归一化振荡频率有极大值0.74,此时环路的稳定性最好;分析了调制误差与光混频器误差,误差会产生很大的直流分量,必须对直流分量进行抑制,否则环路将不能正常工作;分析了环路前端带宽与两路光不平衡时间差的乘积对平衡探测器的激光器强度噪声抑制的影响,结果表明前端带宽与不平衡时间差乘积必须远小于0.5,这样才能较好的抑制强度噪声;综合各种因素提出了一种环路的设计思路。设计了一组可行的环路参数τ₁=29.7ms,τ₂=22.5μs,K=115Mrad/s,fn≈10KHz,ζ≈0.7,并在simulink中建立仿真模型对环路的捕获性能进行了验证;接着对环路的噪声特性进行了仿真验证;最后对环路的阻尼系数与自然频率的优化取值进行了仿真分析,结果表明大的阻尼系数可以加快环路的捕获过程,但会带来较长的锁定时间,大的自然频率可以加快环路的捕获过程,拓宽锁定范围,减小锁定时间,减小环路的相位噪声,环路的阻尼系数与自然频率都受到环路延时的限制,影响环路的稳定性。通过理论与仿真模型的建立可以对环路参数进行方便的优化设计并测试。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-16
  1.1 应用背景  9-10
  1.2 光锁相环  10-11
  1.3 国内外动态  11-15
  1.4 本课题的基本研究内容及安排  15-16
第二章光锁相环的设计  16-25
  2.1 光锁相环的类型与比较  16-19
  2.2 光锁相环涉及的关键技术  19-23
    2.2.1 光混频器  19-20
    2.2.2 平衡探测器  20
    2.2.3 激光器  20-23
    2.2.4 光束耦合与偏振控制系统  23
  2.3 环路设计考虑  23-24
  2.4 小结  24-25
第三章科斯塔斯光锁相环理论分析  25-55
  3.1 科斯塔斯光锁相环数学模型  25-37
    3.1.1 光混频器与平衡探测电路  25-28
    3.1.2 环路滤波器  28-29
    3.1.3 可调谐激光器  29-30
    3.1.4 科斯塔斯光锁相环的线性相位模型  30-31
    3.1.5 科斯塔斯光锁相环的环路噪声分析  31-37
  3.2 环路误差带来的影响  37-50
    3.2.1 环路延时对锁相环路造成的影响  38-41
    3.2.2 环路中的误差因素分析  41-50
  3.3 科斯塔斯光锁相环的参数设计考虑  50-54
    3.3.1 理论最优化环路自然频率  50-51
    3.3.2 环路稳定性分析  51-52
    3.3.3 环路其它因素的考虑  52-53
    3.3.4 环路的锁定时间与锁定范围  53
    3.3.5 环路参数设计流程  53-54
  3.4 小结  54-55
第四章科斯塔斯光锁相环仿真  55-72
  4.1 无噪声下的科斯塔斯光锁相环的捕获性能仿真  55-59
  4.2 环路中的噪声仿真验证  59-66
    4.2.1 白噪声对相位误差方差的影响  60-62
    4.2.2 相位噪声对相位误差方差的影响  62-64
    4.2.3 总噪声对相位误差方差的影响  64-66
  4.3 环路的阻尼系数与自然频率的优化取值分析  66-71
    4.3.1 阻尼系数取值的分析  66-69
    4.3.2 自然频率取值的分析  69-71
  4.4 小结  71-72
第五章结论与展望  72-74
致谢  74-75
参考文献  75-78

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