CN103533632B - 一种基于相位补偿的自由空间频率信号传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相位补偿的自由空间频率传输与同步系统，该系统包括：发射站，用于由参考频率源提供参考频率信号，由发射补偿装置通过发射天线发射上行频率信号，接收返回的下行频率信号，并利用参考频率信号以及接收的下行频率信号主动补偿频率信号在自由空间传输过程中引入的相位噪声；接收站，用于通过接收天线接收带有自由空间传输引入相位噪声的上行频率信号，通过变频锁定装置将伺服频率源相位锁定于上行频率信号，并产生相位锁定于上行频率信号的下行频率信号回传至发射站，供发射站主动补偿相位噪声，最终在接收站得到相位锁定于发射站参考频率源的频率信号。

Description

一种基于相位补偿的自由空间频率信号传输系统

技术领域

本发明涉及微波频率信号传输领域，特别地，涉及一种基于相位补偿的自由空间微波频率信号传输系统。

背景技术

当前，时间频率系统的研究及应用主要有3个大方向。一是时间频率源的制备，用于提供时间的基准。二是时间频率的传输系统，有了好的基准源，还需要将时间频率准确的发布出去。因此时间频率传输系统的好坏，直接决定了用户端接收到的时间频率信号的质量。三是时间频率信号的接收，例如GPS接收机之类。

对于时间频率的传输系统，目前常用的频率信号的传输与同步所采用的方法主要有搬运钟法、卫星共视法（CV）、卫星双向时间频率传递法（TWSTFT）等。其中，除了搬运钟法，其他几种方法都要依赖卫星的传递。目前这些传输方法的天稳定度只能达到10^-15/天的量级，无法满足时间频率信号的精确传输与高精度使用的用户需求。

本发明申请人的另一公开专利（专利申请号：CN201110186493.9）介绍了一种通过光纤实现超长基线（距离）的微波频率信号传输的系统及方法。该系统采用了主动补偿光纤链路的噪声的方法，通过对光纤传输链路（尤其是超长距离）的相位噪声的补偿，实现了高精度、高稳定度的微波频率信号的传输，其天稳定度已可以达到10^-18/天的量级。

相比利用卫星传递时间频率的方法，上述微波频率信号光纤传输系统虽然具有非常高的传输稳定度，但在实际应用过程中会遇到各种不同的使用需求，在光纤网络覆盖之外的区域，例如空地、空空、复杂地形等，这些地点的设备就无法利用光纤传输与同步频率信号，限制了基于光纤的时频传输系统的适用范围。

目前在通信领域中，通信基站间对于时间频率同步有很高的需求，现有的解决方法就是在每个基站设备上均配置GPS接收机。但是通过在每个基站加装GPS模块来解决基站时间频率同步，存在精度以及安全性问题。采用现有技术，频率同步的稳定度约为10^-8～10^-9/秒。由于建站的数据的传输速率与频率同步的精度成正比，因此想要进一步提高基站的通信速率，高精度的时间频率同步是必须要解决的问题。另外，GPS系统由美国军方开发和控制，可进行局部性能劣化设置和限制使用，在特殊形势下会对整网运行带来安全隐患。因此亟需研究通过地面传输网络提供高精度时间频率传递的方法。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提出了一种基于相位补偿的自由空间微波频率信号传输系统。

本发明的基于相位补偿的自由空间微波频率信号传输系统包括：发射站，用于由参考频率源提供参考频率信号，由发射补偿装置通过发射天线发射上行频率信号，接收返回的下行频率信号，并利用参考频率信号以及接收的下行频率信号主动补偿频率信号在自由空间传输过程中引入的相位噪声；接收站，用于通过接收天线接收带有自由空间传输引入相位噪声的上行频率信号，通过变频锁定装置将伺服频率源相位锁定于上行频率信号，并产生相位锁定于上行频率信号的下行频率信号回传至发射站，供发射站主动补偿相位噪声，最终在接收站得到相位锁定于发射站参考频率源的频率信号。

根据本发明的微波频率信号传输系统及传输方法，能够采用自由空间作为微波频率信号的传递媒介，实现不同站点间微波频率信号的同步。此外，本发明通过实施相位噪声探测及补偿技术，实现对自由空间传输链路的相位噪声的补偿，可以实现长距离网络化的频率信号传输与同步。

附图说明

图1显示了本发明的基于相位补偿的自由空间微波频率信号传输系统结构示意图；

图2显示了本发明的发射站结构示意图；

图3显示了本发明的接收站结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1显示了本发明的基于相位补偿的自由空间频率传输与同步系统的结构示意图。

如图1所示，本发明的基于相位补偿的自由空间频率传输与同步系统包括：

发射站，用于由参考频率源提供参考微波频率，由发射补偿装置通过发射天线发射上行频率信号，接收返回的下行频率信号，并利用参考微波频率以及接收的下行频率信号主动补偿频率信号在自由空间传输过程中引入的相位噪声。其中利用参考频率信号以及接收的下行频率信号主动补偿频率信号在自由空间传输过程中引入的相位噪声，具体通过以下方式实现：在发射站分别产生相位锁定于参考频率源的第一辅助补偿信号与第二辅助补偿信号，其频率分别为lω_r，nω_r，其中ω_r为参考频率源频率，同时产生相位相互锁定的上行频率信号与下行频率信号，其频率分别为kω₀,mω₀，ω₀与ω_r近似相等并且可调，l,m,n为不相同的正数，且满足l+n=2m的数学关系，k为不同于m的正数。发射站由第一辅助补偿信号与在发射站产生的频率信号V₄混频产生补偿误差信号V_e1，由第二辅助补偿信号与由接收站返回的下行频率信号混频产生补偿误差信号V_e2，最终由V_e1和V_e2混频产生补偿误差信号V_e，来反馈控制发射站上行频率信号的频率与相位，实现对自由空间传输引入相位噪声的补偿。

接收站，用于通过接收天线接收带有相位噪声的上行频率信号，通过变频锁定装置将伺服频率源相位锁定于上行频率信号，并产生相位锁定于上行频率信号的下行频率信号回传至发射站，供发射站主动补偿相位噪声。其中产生相位锁定于上行频率信号的下行频率信号，具体通过以下方式实现：在接收站设置与上述参考频率源频率相同的伺服频率源，产生相位锁定于该伺服频率源的频率信号，其频率与上行频率信号近似相等。将其与接收到的带有自由空间传输中相位噪声的上行频率两者进行比相产生误差信号，利用该误差信号控制伺服频率源使伺服频率源的相位锁定于上行频率信号，而相位锁定于伺服频率源的另一频率源产生下行频率信号，回传至发射站。

下面分别介绍本发明提出的频率信号的传输系统的各组成部分。

图2显示了本发明的发射站的结构示意图。

如图2所示，本发明所述的发射站处于频率信号的传输系统的发射端，其包括参考频率源，发射补偿装置，以及发射天线，在本发明，发射天线是微波天线。

所述参考频率源用于提供整个系统的参考频率。

所述发射补偿装置，用于将待传输的上行频率信号发送到发射天线，同时接收下行频率信号，并补偿频率信号在链路中传输时引入的相位噪声。发射补偿装置进一步包括第一频率源至第四频率源，第一混频器、第二混频器、第三混频器、双工器以及反馈电路。

优选地，所述双工器用于在发射端利用频分复用技术隔离上行下行频率，实现两频率信号的全双工传输，且实现方式并不限于此。

所述发射天线用于发射上行频率，并接收下行频率。

设参考频率源产生的参考频率信号为V_r：

V_r=A_rcos(ω_rt+φ_r)

其中A_r表示所述参考频率信号的振幅，为所述参考频率信号的相位，ω_r为所述参考频率信号的频率。本发明所述的参考频率源可以是产生微波频率信号的任意信号源，优选的，可以采用氢钟、铯钟或铷钟等由国家基准钟（铯喷泉钟）校准的守时钟。

下文中用到的l、m、n是一组等差数列，他们之间满足关系2m=l+n。

本发明可通过锁相环以及频率合成器产生相位锁定于参考频率源信号的任意频率微波信号，且本发明的方法不限于此。

由参考频率源产生的参考频率信号V_r被输入到第一频率源和第二频率源。

第一频率源产生相位锁定于参考频率源的第一辅助补偿信号V₁：

V₁=A₁cos(lω_rt+lφ_r)

其中A₁表示第一辅助补偿信号的振幅，lω_r为第一辅助补偿信号的频率，表示第一辅助补偿信号的频率是参考频率信号频率的l倍，锁定于参考频率源的相位为这里l为任意数，由于采用锁相环或频率综合器等方法产生的其他相位部分是固定值，因此在上式及以后的公式中均略去。

第二频率源产生相位锁定于参考频率源的第二辅助补偿信号V₂：

V₂=A₂cos(nω_rt+nφ_r)

其中A₂表示第二辅助补偿信号的振幅，为第二辅助补偿信号的相位，nω_r为第二辅助补偿信号的频率。

第三频率源产生上行频率信号V₃：

V₃=A₃cos(kω₀t+kφ₀)

其中A₃表示信号的振幅，kω₀为其频率，这里ω₀与ω_r几乎完全相同，k为不同于m的任意数，为信号的相位。该信号通过功率放大器和双工器（只要是可以区分上行下行频率的器件就可以）后由微波天线发出。

第四频率源与第三频率源是相位相互锁定的，它产生的信号为V₄：

V₄=A₄cos(mω₀t+mφ₀)

其中A₄表示信号的振幅，mω₀为其频率，其频率与下行频率信号几乎相同，为信号的相位。该信号与第一频率源产生的信号通过第一混频器混频为主动相位补偿提供辅助补偿误差信号V_e1。

图3为本发明接收站的结构示意图。

在本发明的系统中，发射站发出上行频率之后，由接收站接收。

在接收站变频锁定上行频率信号的相位通过下述方式实现：在接收站放置一个与上述参考频率源频率相同的伺服频率源，相位锁定于伺服频率源的辅助补偿信号的频率与带有传输中相位噪声的上行频率信号的频率相同，将该辅助补偿信号与接收到的带有传输中相位噪声的上行频率信号两者进行比相产生误差信号，利用该误差信号控制伺服频率源使伺服频率源的相位与接收到的上行频率信号相位相互锁定，而相位锁定于伺服频率源的另一频率源产生下行频率信号，回传至发射站。

如图3所示，本发明所述的接收站处于频率信号传输系统的接收端，包括接收天线、伺服频率源和变频锁定装置，其中接收天线为微波天线，变频锁定装置进一步包括第五频率源V₅、第六频率源V₆、反馈电路、混频器和双工器。第五频率源与第六频率源相位锁定于伺服频率源V_s。第五频率源与接收端接收到的信号V₇通过混频器和低通滤波器生误差信号，此误差信号进入反馈电路产生控制信号，将伺服频率源的相位锁定于V₇。

接收站接收到的带有传输中相位噪声的上行频率信号为V₇：

V₇=A₇cos(kω₀t+kφ₀+kφ_p)

其中，A₇表示信号的振幅，kω₀为其频率，表示传输链路对频率信号单次传输引入的相位噪声，该相位噪声受到环境温度、湿度、大气扰动、器件所受机械应力（如振动引起）等的变化因素影响。

系统未闭环时，伺服频率源信号为：

V_s=A_scos(ω_st+φ_s)

其中，A_s表示信号的振幅，ω_s为其频率，为其相位。

相位锁定于伺服频率源的第五频率源产生的信号V₅为：

V₅=A₅cos(kω_st+kφ_s)

其中，A₅表示信号的振幅，kω_s为其频率，为其相位。

V₅与接收到的包含单次传输相位噪声的上行频率信号V₇进行混频，然后通过低通滤波器进行滤波，得到误差信号V₉：

V₉=A₉cos[k(ω_s-ω₀)t+k(φ_s-φ₀-φ_p)]

此误差信号输入到反馈电路中，在系统闭环后变为定值，从而控制伺服频率源的频率和相位，使之锁定于V₇：

ω_s=ω₀

φ_s=φ₀+φ_p+η

在实现相位锁定后，η为一个固定不变的常数，对相位的变化没有影响。因此，为了表述方便，可以将常数项η略去，从而上式可以简化表示为：

φ_s=φ₀+φ_p

这一反馈控制过程使V_s信号变为：

V_s=A_scos(ω₀t+φ₀+φ_p)

其中，A_s表示信号的振幅，ω₀为其频率，为其相位。

第六频率源V₆相位锁定于伺服频率源V_s，该信号为：

V₆=A₆cos(mω₀t+mφ₀+mφ_p)

其中，A₆表示信号的振幅，mω₀为其频率，为其相位。

由第六频率源发出的下行频率信号V₆，经接收站的功率放大器和双工器，由微波天线发出，回传到发射站。由于上行频率信号和下行频率信号均在同一链路，因此在传输时延不超过可补偿范围的前提下，可认为下行频率信号在传输中引入的相位噪声与上行频率信号在传输中引入的相位噪声存在关联，即存在等于两信号频率之比的比例关系m:k。

因此下行频率信号由发射站微波天线接收后变为：

V₈=A₈cos(mω₀t+mφ₀+2mφ_p)

其中，A₈表示信号的振幅，mω₀为其频率，V₈较V₆增加了相位噪声因此其相位为

在发射站主动补偿相位噪声通过下述方式实现：

第一辅助补偿信号V₁与第四频率源信号V₄通过第一混频器混频并低通滤波，得到误差信号V_e1：

V_e1=A_e1cos[(mω₀-lω_r)t+mφ₀-lφ_r]

第二辅助补偿信号与V₈通过第二混频器混频并低通滤波，得到误差信号V_e2：

V_e2=A_e2cos[(nω_r-mω₀)t-mφ₀-2mφ_p+nφ_r]

将这两个误差信号通过第三混频器进行混频并低通滤波，得到误差信号V_e：

V_e=A_ecos[(2mω₀-lω_r-nω_r)t+2m(φ₀+φ_p)-(l+n)φ_r]

因为2m=l+n，所以上式可化简为

V_e=A_ecos[2m(ω₀-ω_r)t-2m(φ₀+φ_p-φ_r)]

将此误差信号输入发射端的反馈电路，系统闭环后，V_e会变为定值，控制第四频率源的频率和相位，使

mω₀=mω_r

mφ₀=mφ_r-mφ_p+mξ

其中，在实现锁定的传输路径里，ξ为一个固定不变的常数，对相位的变化没有影响。因此，为了表述方便，可以将常数项ξ略去，从而上式可以简化表示为：

φ₀+φ_p=φ_r

由上式可见，经变频锁定装置处理后接收端伺服频率源得到的微波信号V_s的频率ω₀与参考源频率ω_r相同，相位与参考源相位相同，因而具有与参考频率信号相同的品质（稳定度），即经过上述步骤，我们在接收站复现了相位锁定于参考频率源的频率信号。

应当说明的是，实际应用中，在发射端和接收端由于双工器、混频器和功率放大器等器件之间也有线缆，这些线缆也会分别引入相位噪声，但是由于在线缆中传输的微波信号的相位噪声正比于其所经过的线缆长度，在本发明中，双工器、功率放大器和混频器之间所连接的线缆长度通常为几十厘米或更短，这与整个频率传输系统链路总长度相比是一个极小量，因此完全可以忽略不计，在前述关系式中可以不将此相位噪声计入。

在上述对本发明的装置介绍中，仅描述了一个发射站和一个接收站的情况，然而这种情况并不能构成对本发明的限制。事实上，对于存在多发射站和多接收站，或者一个站点既为一个链路的发射站同时又为另一个链路的接收站的情况，例如蜂窝网络，也包含在本发明之内。

应注意的是，本发明中采用的混频、低通滤波等处理以及微波天线、多工器等器件原理属于本领域的技术人员熟知的技术，因此不在本发明的讨论之列。本发明中使用的微波信号放大、探测等技术也存在多种实现方式，这些内容均不能构成对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于相位补偿的自由空间频率传输与同步系统，该系统包括：

发射站，用于由参考频率源提供参考频率信号，由发射补偿装置通过发射天线发射上行频率信号，接收返回的下行频率信号，并利用参考频率信号以及接收的下行频率信号主动补偿频率信号在自由空间传输过程中引入的相位噪声；

接收站，用于通过接收天线接收带有自由空间传输引入相位噪声的上行频率信号，通过变频锁定装置将伺服频率源相位锁定于上行频率信号，并产生相位锁定于上行频率信号的下行频率信号回传至发射站，供发射站主动补偿相位噪声，最终在接收站得到相位锁定于发射站参考频率源的频率信号；

在接收站产生相位锁定于上行频率信号的下行频率信号，具体通过以下方式实现：在接收站设置与上述参考频率源频率相同的伺服频率源V_s，产生相位锁定于该伺服频率源的频率信号V₅，其频率与上行频率信号近似相等；将其与接收到的带有自由空间传输引入相位噪声的上行频率V₇两者进行比相产生误差信号，利用该误差信号控制伺服频率源使伺服频率源V_s的相位锁定于上行频率信号，而相位锁定于伺服频率源的另一频率源产生下行频率信号V₆，回传至发射站。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在发射站利用参考频率信号以及接收的下行频率信号主动补偿频率信号在自由空间传输过程中引入的相位噪声，进一步包括：在发射站分别产生相位锁定于参考频率源的第一辅助补偿信号V₁与第二辅助补偿信号V₂，其频率分别为lω_r，nω_r，其中ω_r为参考频率源频率，同时产生相位相互锁定的频率信号V₃与频率信号V₄，其频率分别为kω₀，mω₀，ω₀与ω_r近似相等并且可调，l，m，n为不相同的正数，且满足l+n＝2m的数学关系，k为不同于m的正数；

发射站由第一辅助补偿信号V₁与在发射站产生的频率信号V₄混频产生补偿误差信号V_e1，由第二辅助补偿信号V₂与接收站返回的下行频率信号V₈混频产生补偿误差信号V_e2，最终由V_e1和V_e2混频产生误差信号V_e，来反馈控制发射站上行频率信号的频率与相位，实现对自由空间传输引入相位噪声的补偿。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，在发射站由参考频率源产生的参考频率信号为V_r：V_r＝A_rcos(ω_rt+φ_r)，A_r表示所述参考频率信号的振幅，为所述参考频率信号的相位，ω_r为所述参考频率信号的频率，在发射站产生的上行频率信号为V₃：V₃＝A₃cos(kω₀t+kφ₀)，其中A₃表示信号的振幅，kω₀为其频率，为信号的相位，ω₀与ω_r近似相等并且可调，在接收站接收到的带有传输中相位噪声的上行频率信号为V₇：V₇＝A₇cos(kω₀t+kφ₀+kφ_p)，其中，A₇表示信号的振幅，kω₀为其频率，表示传输链路对频率信号单次传输引入的相位噪声。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在接收站，所述变频锁定装置进一步包括第五频率源、第六频率源和反馈电路，第五频率源与第六频率源相位锁定于伺服频率源，由第五频率源与接收到的包含单次传输相位噪声的上行频率信号V₇进行混频、滤波，得到误差信号，将此误差信号输入到反馈电路中，控制伺服频率源的相位使之锁定于V₇。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，在接收站，通过反馈控制，使伺服频率源V_s信号变为：V_s＝A_scos(ω₀t+φ₀+φ_p)，第六频率源V₆相位锁定于伺服频率源V_s，该信号为：V₆＝A₆cos(mω₀t+mφ₀+mφ_p)，其中，A₆表示信号的振幅，mω₀为其频率，为其相位，由第六频率源发出的下行频率信号V₆，由微波天线发出，回传到发射站，所述下行频率信号由发射站微波天线接收后变为：V₈＝A₈cos(mω₀t+mφ₀+2mφ_p)，其中，A₈表示信号的振幅，mω₀为其频率，相位为下行频率信号V₆由微波天线发出前，经过功率放大器和双工器。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，在发射站，发射补偿装置进一步包括第一频率源至第四频率源，其中

第一频率源产生相位锁定于参考频率源的第一辅助补偿信号V₁：

V₁＝A₁cos(lω_rt+lφ_r)

其中A₁表示第一辅助补偿信号的振幅，lω_r为第一辅助补偿信号的频率，锁定于参考频率源的相位为

第二频率源产生相位锁定于参考频率源的第二辅助补偿信号V₂：

V₂＝A₂cos(nω_rt+nφ_r)

其中A₂表示第二辅助补偿信号的振幅，为第二辅助补偿信号的相位，nω_r为第二辅助补偿信号的频率；

第三频率源产生上行频率信号V₃：

V₃＝A₃cos(kω₀t+kφ₀)

第四频率源与第三频率源是相位相互锁定的，它产生的信号为V₄：

V₄＝A₄cos(mω₀t+mφ₀)

其中A₄表示信号的振幅，mω₀为其频率，为信号的相位。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述发射补偿装置还包括第一混频器、第二混频器、第三混频器以及反馈电路，优选地，还包括双工器；第一辅助补偿信号V₁与第四频率源信号V₄通过第一混频器混频、滤波，得到误差信号V_e1：

V_e1＝A_e1cos[(mω₀-lω_r)t+mφ₀-lφ_r]

第二辅助补偿信号与V₈通过混频器二混频、滤波，得到误差信号V_e2：

V_e2＝A_e2cos[(nω_r-mω₀)t-mφ₀-2mφ_p+nφ_r]

将这两个误差信号通过混频器三进行混频、滤波，得到误差信号V_e：

V_e＝A_ecos[(2mω₀-lω_r-nω_r)t+2m(φ₀+φ_p)-(l+n)φ_r]

将此误差信号输入发射端的反馈电路，控制第四频率源的频率及相位。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，2m＝l+n，所以V_e可被简化为：V_e＝A_ecos[2m(ω₀-ω_r)t-2m(φ₀+φ_p-φ_r)]，通过反馈锁定，使

ω₀＝ω_r

φ₀+φ_p-φ_r＝ξ

其中，将常数项ξ略去，上式简化表示为：φ₀+φ_p＝φ_r，经变频锁定装置处理后，接收端伺服频率源得到的微波信号V_s的频率ω₀与参考源频率ω_r相同，相位与参考源相位相同。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的系统，其特征在于，所述接收站和发射站是一个或多个。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述发射站能够作为另一个链路的接收站，所述接收站也能够作为另一个链路的发射站，可以实现网络化传输。