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当前,光锁相式零差相干光接收机已被广泛用于自由空间激光通信中,主要是因为它具有高的接收灵敏度、强的抗背景光干扰能力、低功耗以及兼容复杂的调制格式等,此外,由于零差相干接收是直接解调出基带信号,相比于外差接收方式,大幅度降低了接收带宽。光锁相环的设计是该接收机技术的核心。零差光锁相环主要包括平衡环,科斯塔斯环（Costas loop）,同步比特环等。其中,基于Costas环的零差相干光接收机具有优越的频率选择性和激光相位噪声容纳能力,是综合性能最优的锁相接收方式。为此,本论文围绕基于Costas环的10Gbit/s BPSK零差相干光接收机开展研究。光锁相环（OPLL）的环路带宽通常受到环路延迟、激光相频控制带宽等因素的限制,当激光器具有较大的相位噪声和频率漂移时,光锁相系统的稳定性难以得到保障。为了解决该锁相难题,本系统引入了辅助频率捕获（自动入锁控制电路）技术,实现了在信号光和本振光间存在较大频差的情况下,接收机也能够快速捕获锁定信号光,并能够有效跟踪激光器的频率偏移。因此,可以满足多普勒频移严重的星间激光通信需求。在星间激光通信中,由于卫星之间的相对运动而引起严重的多普勒效应,多普勒频偏范围可达±7 GHz以上,最大变化速率约10.2 MHz/s。由于该值远大于光锁相环的锁定范围,导致接收机难以维持锁相,成为当前星间激光通信领域急待解决的问题。而本论文研究的辅助频率捕获技术,有效解决了这一难题,实现了可满足星间激光通信需求的相干光接收。论文详细介绍了相干光接收机的基本原理设计方法,完成了基于Costas环的10 Gbit/s BPSK零差相干光接收机的研制,最后对完成的接收机的性能进行了系统测试分析。测试结果表明,本接收机的环路带宽为500 KHz,残余相位噪声低于3.6°;在误码率（BER）为1×10-9时,接收灵敏度为-39.5 dBm。而且,本接收机具有很好的稳定性和优越的动态特性,即:当信号激光和本振激光之间的初始频差高达±12GHz时,在辅助频率捕获电路的控制下,接收机可以在7.3 s内快速的捕获和锁定信号激光,并且该接收机可以对频偏范围为±8 GHz变化速率为600 MHz以内的多普勒频移信号进行实时跟踪,维持环路的稳定锁定。