CN102215104A - 基于延迟锁相环的微波信号远距离稳相光纤传输装置 - Google Patents

Abstract

一种基于延迟锁相环的微波信号远距离稳相光纤传输装置，利用延迟锁相环使本地端和远端微波信号相位同步。本发明利用电光调制器的非线性效应实现光电外差混频进行相位检测，通过反馈相位差信号驱动控制微波延迟器，对微波信号进行相位改变，补偿传输链路延迟变化导致的微波信号相位扰动，保持本地端和远端微波信号的相位同步关系，解决本地端和远端微波信号相位不同步的问题，达到微波信号稳相传输的目的。本系统采用非相干校正，除具有稳相传输距离长的优点外，还拥有动态范围大、稳定性高等优点。

Description

基于延迟锁相环的微波信号远距离稳相光纤传输装置

技术领域

本发明涉及的是一种微波光子学领域的通过光纤稳相传输微波本振信号的装置，具体是一种基于延迟锁相环的微波信号远距离稳相光纤传输装置。

背景技术

目前许多精确测量均需要微波信号的远距离稳相传输，例如原子时钟分发、用于天文探测的毫米波干涉天线阵中本振信号的分发等。传统的微波信号传输采用稳相的同轴电缆，但是由于电缆损耗大，不能支持数十公里以上的远距离传输。光纤以其低损耗、抗电磁干扰等特点被认为是可支持微波信号远距离传输的最佳介质，然而，由于外界环境(如温度、应变、振动等)变化会引起光纤传输延迟的改变，导致经光纤传送的微波信号的相位发生抖动。目前，消除相位抖动的基本理论是往返延迟校正，即认为光纤中相向传输的光信号是相互独立的，经历了相同的相位扰动。因此如果将远端信号沿原光路返传回来(返回信号将经历两倍的相位扰动)，通过比较返回信号与本地信号的相位差，即可得到传输链路的延迟变化信息。利用相位差信号反馈控制光纤延迟或微波信号的相位，即可实现远端微波信号与本地信号的相位同步，即实现相位稳定传输。

实现往返校正的关键技术是鉴相(测量返回信号与本地信号的相位差)和移相(控制光纤延迟或微波信号相位)。经对现有技术文献检索发现，实现这一思路的方法可归纳为两类：其一，基于光波的鉴相和移相；其二，基于微波的鉴相和移相。由于前者需要光相干混频鉴相，所以又称为相干校正；而后者需要是微波混频鉴相，所以又称为非相干校正。相干校正的基本结构为迈克尔逊光纤干涉，在光域内返回信号与本地信号外差干涉，获得相位差信息反馈补偿光纤延迟。发表在OPTICS LETTERS(2009)，vol，34，3050-3052(2009年光学学报，34卷，3050-3052页)中Russell Wilcox等人的文章“Stable transmission of radio frequency signals onfiber links using interferometric delay sensing(基于延迟干涉的光纤稳定传输射频信号)”，系统利用外差干涉的方式精确地测量传送的射频信号的相位抖动，通过校正光纤延迟实现远端射频信号相位稳定。相干校正的特点是由于在光域内外差干涉，可以获得光波长量级的长度校准精度，但由于鉴相范围有限，能支持的传输距离较短。非相干校正是基于微波的相位差检测，通过直接测量调制在光载波上的微波信号返回后的相位变化，获得相位差信息，校正微波信号相位实现相位补偿。发表在IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement(2009)，vol58，1223-1228(2009年电机及电子学工程师联合会，仪表与测量学报，58卷，1223-1228页)中Mibo Fujieda等人的文章“Ultrastable Frequency Dissemination via Optical Fiber at NICT(日本情报通信研究机构的基于光纤的超稳定频率分发)”，系统将微波信号调制到光信号上，利用锁相环结构将携带了两倍相位抖动信息的返回光信号经接收与本地微波信号鉴相，环路滤波器根据环路需求对相位差信号进行处理，产生环路控制信号，反馈控制压控振荡器。环路滤波器稳定时，压控振荡器产生的再生信号与本地信号同频同相，达到微波信号稳相传输的目的，补偿传输链路的延迟变化。非相干校正的优势在于传输距离长，但精度在微波波长量级。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种基于延迟锁相环的微波信号远距离稳相光纤传输装置，利用延迟锁相环使本地端和远端微波信号相位同步。本发明利用电光调制器的非线性效应实现光电外差混频进行相位检测，通过反馈相位差信号驱动控制微波延迟器，对微波信号进行相位改变，补偿传输链路延迟变化导致的微波信号相位扰动，保持本地端和远端微波信号的相位同步关系，解决本地端和远端微波信号相位不同步的问题，达到微波信号稳相传输的目的。本系统采用非相干校正，除具有稳相传输距离长的优点外，还拥有动态范围大、稳定性高等优点。

本发明通过以下技术方案实现，本发明包括：本地端、远端和连接于其间传输光信号的光纤传输链路，其中：

所述的本地端包括：微波源、微波功分器、微波延迟器、中频源、中频功分器、单边带调制器、激光器、光调制器、环形器、光电混频器、相位差检测单元和电平调整单元，其中：微波源与微波功分器相连并输出至微波延迟器，微波延迟器内部有第一微波延迟器和第二微波延迟器，分别与光调制器和单边带调制器的射频输入端相连；光调制器的光输入端与激光器相连，输出端与环形器的第一端口相连，环形器的第二端口与传输光纤相连；中频源与中频功分器相连并输出两路中频信号，第一输出端和第二输出端分别与单边带调制器的中频输入端和相位差检测单元的电输入端相连，单边带调制器的输出与光电混频器的电输入端相连，光电混频器的光输入端与环形器的第三端口相连，光电混频器的输出与相位差检测单元的光输入相连，相位差检测单元的输出和电平调整单元相连，电平调整单元的输出端与微波延迟器的控制端相连，分别控制第一微波延迟器和第二微波延迟器的微波延迟。

所述的远端包括：90∶10的1×2光耦合器、光电检测器、法拉第旋光镜，其中：光耦合器的输入端与光纤相连并由光耦合器将光路分为两路，10/100输出端和90/100输出端分别与光电检测器和法拉第旋光镜相连，光电检测器接收10/100光路上的光信号将其转化为电信号作为远端接收，法拉第旋光镜反射另一路光信号并使其沿原光纤传输链路返回至本地端，由环形器第三端口输出。

所述的相位差检测单元包括：光电检测器、带通滤波器、鉴相器和环路滤波器，其中：光电检测器的输入端与光电混频器的输出端相连，输出端与带通滤波器输入端相连，带通滤波器的输出端与鉴相器的信号输入端相连，鉴相器的参考输入端与中频功分器的输出端相连，鉴相器的输出端与环路滤波器相连，环路滤波器输出相位差信号至电平调整单元。

所述的电平调整单元包括：反相器、直流电压源和两个加法器，其中：电平调整单元的两路输入端均与相位差检测单元的输出端相连，其中一路输入和直流电压源输出连接至其中一个加法器；另一路输入与反相器相连，反相器的输出和直流电压源输出连接至另一加法器，两个加法器的输出分别连接微波延迟器的两控制端，分别控制第一第二微波延迟器，使两个微波延迟器的相位延迟对称变化。

本发明工作原理如下：

本地端微波源输出微波本振信号，经微波功分器分为两路，微波延迟器分别对两路微波信号进行相对的相位改变。其中第一微波延迟器输出的微波信号幅度调制到激光器输出的光信号上，调制器偏置在正交点，得到的光信号经环形器进入光纤传输链路，到达远端。

远端通过90∶10的1×2光耦合器将光路分为两路，10/100的光路通过光电检测器转化为电信号，作为远端接收；另一路远端光信号通过法拉第旋光镜反射，使其沿原光纤传输链路返回，由本地端的环形器输出。返回到本地端的光信号与远端光信号相比，经历了两倍的相位扰动。

本地端经过第二微波延迟器输出的微波信号和本地中频信号经单边带调制器移频后与返回光信号光电混频，利用电光调制器的非线性效应实现外差混频，调制器偏置在消光态。后经光电检测，带通滤波得到的电信号和本地中频信号为有相位差的同频信号，相位差为两倍的相位扰动。两电信号经过鉴相器、环路滤波器得到满足环路要求的表征相位差信息的电压信号。光电检测器，带通滤波器，鉴相器和环路滤波器构成相位差检测单元。输出电压信号经过电平调整反馈控制微波延迟器，补偿传输链路延迟变化导致的微波信号相位扰动，即可实现远端微波信号与本地微波信号相位同步，即实现微波信号的稳相传输。

与现有技术相比，本发明利用非相干校正方式，在保证返回信号信噪比的基础上，实现微波信号远距离的稳相传输；在远端利用法拉第旋光镜反射光信号使其沿原光路返回，并使其偏振态旋转90°，减少前向信号和瑞利后向散射信号发生干涉造成的信噪比恶化；在本地端利用电光调制器的非线性效应实现光电外差混频相位检测，避免了乘法器鉴相极性模糊等缺点，对微波信号的信噪比要求较低，易于实现远距离传输。利用延迟锁相环对相位抖动进行补偿，具有较大的校正范围，增强了系统的稳定性。整个系统具有稳相传输距离长，校正范围大、稳定性高等优点。

附图说明

图1为本发明结构图。

图2为微波延迟器的结构图。

图3为相位差检测单元的结构图。

图4为实施例效果示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1所示，本实施例包括：本地端、远端和连接于其间传输光信号的光纤传输链路，其中：

所述的本地端包括：微波源1、微波功分器2、微波延迟器3、中频源4、中频功分器5、单边带调制器6、激光器7、光调制器8、环形器9、光电混频器14、相位差检测单元15和电平调整单元16，其中：微波源1与微波功分器2相连并输出至微波延迟器3，微波延迟器3内部有第一微波延迟器3-1和第二微波延迟器3-2，分别与光调制器8和单边带调制器6的射频输入端相连；光调制器8的光输入端与激光器7相连，输出端与环形器9的第一端口相连，环行器9的第二端口与传输光纤10相连；中频源4与中频功分器5相连并输出两路中频信号，第一输出端和第二输出端分别与单边带调制器6的中频输入端和相位差检测单元15的电输入端相连，单边带调制器6的输出与光电混频器14的电输入端相连，光电混频器14的光输入端与环形器9的第三端口相连，光电混频器14的输出与相位差检测单元15的光输入端相连，相位差检测单元15的输出与电平调整单元16，电平调整单元16的输出端与微波延迟器3的控制端相连，分别控制第一微波延迟器3-1和第二微波延迟器3-2的微波延迟。

所述的远端包括：90∶10的1×2光耦合器11、法拉第旋光镜12和光电检测器13，其中：光耦合器11的输入端与光纤10相连，其90/100输出端和10/100输出端分别与法拉第旋光镜12和光电检测器13相连。

所述的相位差检测单元15包括：光电检测器17、带通滤波器18、鉴相器19和环路滤波器20，其中：光电检测器17的输入端与光电混频器14的输出端相连，输出端与带通滤波器18输入端相连，带通滤波器18的输出端与鉴相器19的信号输入端相连，鉴相器19的参考输入端与中频功分器5的输出端相连，鉴相器19的输出端与环路滤波器20相连，环路滤波器20输出相位差信号至电平调整单元16。

所述的电平调整单元16，包括反相器，直流电压源V_o和两个加法器。其中：电平调整单元的两路输入端均与相位差检测单元的输出端相连，其中一路输入和直流电压源输出连接至其中一个加法器；另一路输入与反相器相连，反相器的输出和直流电压源输出连接至另一加法器，两个加法器的输出分别连接第一第二微波延迟器的控制端，使两个微波延迟器的相位延迟对称变化。

所述的环形器9为三端口，光路传输只能环形单向，此处实现了远端光路和本地端光路的隔离，降低了本地端和远端光路的相互影响。

所述的法拉第旋光镜12，将远端光信号反射回本地端，返回到本地端的光信号将经历两倍的相位扰动，便于系统实现往返延迟校正；法拉第旋光镜12在反射远端光信号的同时，对光信号的偏振态进行了90°的偏转，减小前向信号和瑞利后向散射信号发生干涉造成的信噪比恶化。

所述的光电混频器14，利用电光调制器的非线性效应实现外差混频。利用此方式进行相位检测，避免了乘法器鉴相极性模糊等缺点。

假设本地端微波源1输出微波本振信号为A_ocos(ω_RFt)，经微波功分器2分为两路，微波延迟器3分别对两路微波信号进行相对的相位改变，经过第一第二微波延迟器得到的微波信号可分别表示为A_ocos[ω_RF(t-t_o-τ)]和A_ocos[ω_RF(t-t_o+τ)]。第一微波延迟器与光调制器8相连，其输出的微波信号幅度调制到激光器7输出的光信号上，调制器偏置在正交点，得到的光信号经环形器9的第一端口进入光纤传输链路10，到达远端。假设光纤传输链路的长度为L，传输过程中引入的相位抖动为其中n为光纤纤芯的折射率，c为光在真空中的传输速度。传输到远端的光信号的光功率正比于

远端通过90∶10的1×2光耦合器11将光信号分为两路，10/100的光路通过光电检测器13转化为电信号，作为远端接收；另一路通过法拉第旋光镜12反射远端光信号使其沿原光纤传输链路10返回，由本地端的环形器9第二端口输入，第三端口输出，得到返回光信号，其光功率正比于

返回光信号与远端光信号相比，经历了两倍的相位扰动。本地端中频源4输出的中频信号经中频功分器5分为两路，一路与相位差检测单元15相连，一路与单边带调制器6相连，第二微波延迟器输出的微波信号和本地中频信号经单边带调制器6移频后与返回光信号进入光电混频器14，利用电光调制器的非线性效应实现外差混频，调制器偏置在消光态。光电混频器14输出的光信号和本地中频信号进行相位差检测15，光电混频器14输出的光信号经光电检测17，带通滤波18得到的电信号为

其和本地中频信号为有相位差的同频信号，相位差为两倍的相位扰动。两电信号经过鉴相器19、环路滤波器20得到表征相位差信息的电压信号。环路滤波器20根据环路要求设置环路参数，调整系统响应速度和稳定性。相位差检测单元15输出的电压信号经过电平调整16反馈控制微波延迟器3的第一第二微波延迟器，补偿传输链路延迟变化导致的微波信号相位扰动，达到微波信号稳相传输的目的。如果在传输过程中，光纤链路长度发生微小变化ΔL，只需调整：

可使远端光信号的相位稳定。系统实现微波信号在光纤传输链路中远距离稳相传输。

如图2所示，所述的微波延迟器3的控制端接收控制电压为V，延迟器延迟时间τ和控制电压V间的关系为线性τ(V)，在电压V的控制下，输入微波信号E(t)＝cos(ω_RFt)，经过延迟τ，输出的微波信号为：E(t)＝cos[ω_RF(t-τ)]。

如图3所示，为本发明实施例中相位差检测单元结构图。相位差检测单元15，包括光电检测器17，带通滤波器18，鉴相器19，环路滤波器20。由光电混频器14输出的光信号经光电检测17，带通滤波器18得到的电信号和中频源4输出的中频信号为有相位差的同频信号，经鉴相器19鉴相。系统通过环路滤波器20设置环路参数，调整系统响应速度和稳定性，输出相位差信号。

如图4所示，是本实施例的结果图，为远端光接收直接和本地端连接，50千米光纤传输链路开环传输和闭环传输三种系统设置下远端接收到的微波信号的均方根抖动随时间的变化曲线，X轴为线性刻度，Y轴为对数刻度。从测量结果可得，开环情况下均方根抖动随系统运行时间的增长累计明显，带有延迟锁相环的闭环回路随系统运行时间的增长，其稳定效果基本可以接近远端光信号直接和本地端连接情况下的系统运行情况，证明了本发明利用微波延迟器实现了微波信号远距离稳相光纤传输。

Claims (4)

1.基于延迟锁相环的微波信号远距离稳相光纤传输装置，包括：本地端、远端和连接于其间传输光信号的光纤传输链路，其特征在于：

所述的本地端包括：微波源、微波功分器、微波延迟器、中频源、中频功分器、单边带调制器、激光器、光调制器、环形器、光电混频器、相位差检测单元和电平调整单元，其中：微波源与微波功分器相连并输出至微波延迟器，微波延迟器内部有第一微波延迟器和第二微波延迟器，分别与光调制器和单边带调制器的射频输入端相连；光调制器的光输入端与激光器相连，输出端与环形器的第一端口相连，环形器的第二端口与传输光纤相连；中频源与中频功分器相连并输出两路中频信号，第一输出端和第二输出端分别与单边带调制器的中频输入端和相位差检测单元的电输入端相连，单边带调制器的输出与光电混频器的电输入端相连，光电混频器的光输入端与环形器的第三端口相连，光电混频器的输出与相位差检测单元的光输入相连，相位差检测单元的输出和电平调整单元相连，电平调整单元的输出端与微波延迟器的控制端相连，分别控制第一微波延迟器和第二微波延迟器的微波延迟；

所述的远端包括：90∶10的1×2光耦合器、光电检测器、法拉第旋光镜，其中：光耦合器的输入端与光纤相连并由光耦合器将光路分为两路，10/100输出端和90/100输出端分别与光电检测器和法拉第旋光镜相连，光电检测器接收10/100光路上的光信号将其转化为电信号作为远端接收，法拉第旋光镜反射另一路光信号并使其沿原光纤传输链路返回至本地端，由环形器第三端口输出。

2.根据权利要求1所述的基于延迟锁相环的微波信号远距离稳相光纤传输装置，其特征是，所述的微波延迟器的控制端接收控制电压为V，延迟器延迟时间τ和控制电压V间的关系为线性τ(V)，在电压V的控制下，输入微波信号E(t)＝cos(ω_RFt)，经过延迟τ，输出的微波信号为：E(t)＝cos[ω_RF(t-τ)]。

3.根据权利要求1所述的基于延迟锁相环的微波信号远距离稳相光纤传输装置，其特征是，所述的环形器为三端口，光路传输只能环形单向，此处实现了远端光路和本地端光路的隔离，降低了本地端和远端光路的相互影响。

4.根据权利要求1所述的基于延迟锁相环的微波信号远距离稳相光纤传输装置，其特征是，所述的相位差检测单元包括：光电检测器、带通滤波器、鉴相器和环路滤波器，其中：光电检测器的输入端与光电混频器的输出端相连，输出端与带通滤波器输入端相连，带通滤波器的输出端与鉴相器的信号输入端相连，鉴相器的参考输入端与中频功分器的输出端相连，鉴相器的输出端与环路滤波器相连，环路滤波器输出相位差信号至电平调整单元。

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