CN103560845B - 一种基于数字鉴相的频标稳相传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于数字鉴相的频标稳相传输系统，该系统包括一信号发送装置以及与该信号发送装置连接的信号接收装置，所述信号发送装置包括第一循环器；分频器；以及第一混频器，其将所述参考频标信号与所述第一循环器输出的所述双边带信号进行混频，并通过一第一低通滤波器向一数字鉴相器输出一调制信号，且所述数字鉴相器还通过一环路低通滤波器与所述压控移相器连接；所述信号接收装置包括第二带通滤波器；第二低通滤波器；以及所述第二混频器将所述参考频标信号与所述分频信号进行混频，并依次通过所述第二循环器和第二带通滤波器向所述信号发送装置输出所述双边带信号。本发明避免了在高频段下由于电缆或光缆温度效应所导致的本振相位漂移。

Description

一种基于数字鉴相的频标稳相传输系统

技术领域

本发明涉及一种基于数字鉴相的频标稳相传输系统。

背景技术

甚长基线干涉测量（Very Long Baseline Interferometry，VLBI）是分辨率和测量精度极高的一种天文观测技术，已经在天文观测及深空探测等领域得到了广泛应用。基于VLBI的中国VLBI网（Chinese VLBI Network，CVN）包括上海、北京、昆明、乌鲁木齐四个观测站。为了实现Ka频段无相位漂移地干涉测量，需要对本振相位进行更为严格控制，例如，为了使得在Ka频段32GHz获得1%的干涉损失，需要在接收端达到100秒时3.9E-14频标稳定度。然而，在现有技术中，在高频段由于电缆或光缆温度效应很容易导致本振相位漂移，为此，目前迫切需要为VLBI台站配备一种频标稳相传输系统，以解决上述问题。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种基于数字鉴相的频标稳相传输系统，以在高频段下有效防止本振相位漂移。

本发明所述的一种基于数字鉴相的频标稳相传输系统，该系统包括一信号发送装置以及与该信号发送装置连接的信号接收装置，其中，

所述信号发送装置包括：

一第一循环器，其一方面接收外部输入的参考频标信号，并依次通过一压控移相器和一第一带通滤波器向所述信号接收装置输出所述参考频标信号，另一方面依次通过该第一带通滤波器和压控移相器接收所述信号接收装置输出的双边带信号；

一分频器，其接收所述参考频标信号，并通过一第一功率分配器向所述信号接收装置输出一分频信号；以及

一第一混频器，其将所述参考频标信号与所述第一循环器输出的所述双边带信号进行混频，并通过一第一低通滤波器向一数字鉴相器输出一调制信号，且所述数字鉴相器还通过一环路低通滤波器与所述压控移相器连接；

所述信号接收装置包括：

一第二带通滤波器，其依次通过一第二循环器和一耦合器向一第二混频器输出所述参考频标信号；

一第二低通滤波器，其向所述第二混频器输出所述分频信号；以及

所述第二混频器将所述参考频标信号与所述分频信号进行混频，并依次通过所述第二循环器和第二带通滤波器向所述信号发送装置输出所述双边带信号；

其中，所述数字鉴相器对所述调制信号与所述第一功率分配器输出的所述分频信号进行比相，并通过所述环路低通滤波器向所述压控移相器输出一电压信号，以使所述压控移相器补偿所述参考频标信号在所述信号发送装置与信号接收装置之间传输时产生的相位变化，从而使所述耦合器最终输出稳定的所述参考频标信号。

在上述的基于数字鉴相的频标稳相传输系统中，所述信号发送装置与所述信号接收装置通过电缆或光缆连接，且所述系统还包括分别连接在所述电缆或光缆两端的T型接头。

在上述的基于数字鉴相的频标稳相传输系统中，所述信号发送装置还包括一与所述第一循环器、第一混频器以及分频器连接以输出所述参考频标信号的第二功率分配器。

在上述的基于数字鉴相的频标稳相传输系统中，所述信号发送装置还包括一与所述第二功率分配器的输入端连接的第三带通滤波器。

在上述的基于数字鉴相的频标稳相传输系统中，所述信号发送装置还包括一连接在所述分频器与所述第一功率分配器之间的第三低通滤波器。

在上述的基于数字鉴相的频标稳相传输系统中，所述信号发送装置还包括一连接在所述第一低通滤波器与所述数字鉴相器之间的第一放大器。

在上述的基于数字鉴相的频标稳相传输系统中，所述信号发送装置还包括一连接在所述数字鉴相器与所述环路低通滤波器之间的第二放大器。

由于采用了上述的技术解决方案，本发明利用往返校正的原理，通过信号发送装置和信号接收装置，对电缆或光缆的延时变化进行准确测量，并补偿这种延时变化，从而避免了在高频段下由于电缆或光缆温度效应所导致的本振相位漂移；具体来说，本发明中的信号发送装置主要通过分频器将参考频标信号分频，再将该参考频标信号与分频信号同时发送至电缆或光缆另一端的信号接收装置，在该信号接收装置中，先通过第二带通滤波器和第二低通滤波器分离这两种信号，然后再利用第二混频器对这两种信号进行混频，从而得到双边带信号，并将该双边带信号通过相同的电缆或光缆回送到信号发送装置，使其经过第一混频器和第一低通滤波器后通过数字鉴相器与分频信号比相，比相产生的相位差将推动压控移相器，从而补偿因电缆或光缆引起的相位变化，进而最终使信号接收装置得到稳定的参考频标信号。

附图说明

图1是本发明一种基于数字鉴相的频标稳相传输系统中信号发送装置的结构框图；

图2是本发明一种基于数字鉴相的频标稳相传输系统中信号接收装置的结构框图；

图3（a）是本发明中的信号发送装置和信号接收装置对接后测试得到的100MHz和1MHz相位测量值曲线图；

图3（b）是图3（a）中100MHz相位和1MHz相位拟合残差曲线图；

图4是对本发明进行温度监测得到的温度与时间的关系图；

图5是图3（a）中的1MHz相位对100MHz相位进行补偿后的相位残差曲线图；

图6是100MHz相位补偿前后的Allan（阿伦）方差曲线图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

本发明，即一种基于数字鉴相的频标稳相传输系统，包括一位于地面的信号发送装置、一位于天线上的、通过电缆或光缆与信号发送装置连接的信号接收装置以及分别连接在电缆或光缆两端的T型接头20。

如图1所示，信号发送装置包括：依次连接的第一循环器1、压控移相器2和第一带通滤波器3、依次连接的第一混频器4、第一低通滤波器5、第一放大器6、数字鉴相器7、第二放大器8和环路低通滤波器9，以及依次连接的分频器10、第三低通滤波器11和第一功率分配器12，其中，第一循环器1、第一混频器4和分频器10还同时与第二功率分配器13连接，且该第二功率分配器13的输入端还连接有第三带通滤波器14；环路低通滤波器9还与压控移相器2连接；第一功率分配器12还与数字鉴相器7连接；第一带通滤波器3与第一功率分配器12的输出端同时连接至一个T型接头20。

如图2所示，信号接收装置包括：依次连接的第二带通滤波器15、第二循环器16、耦合器17和第二混频器18，以及与第二混频器18连接的第二低通滤波器19，其中，第二混频器18还与第二循环器16连接；第二带通滤波器15与第二低通滤波器19的输入端同时连接至另一个T型接头20。

具体来说，首先，信号发送装置中的第一循环器1依次通过第三带通滤波器14和第二功率分配器13接收外部输入的参考频标信号（例如，本实施例中为氢钟100MHz参考表频信号），并依次通过压控移相器2和第一带通滤波器3向信号接收装置输出该参考频标信号；同时，分频器10同样接收第二功率分配器13输出的参考频标信号，并依次通过第三低通滤波器11和第一功率分配器12向信号接收装置输出分频信号（在本实施例中为1MHz分频信号）。

然后，信号接收装置中的第二带通滤波器15依次通过第二循环器16和耦合器17向第二混频器18输出参考频标信号；同时，第二低通滤波器19向第二混频器18输出分频信号；接着，第二混频器18将参考频标信号与分频信号进行混频，并依次通过第二循环器16和第二带通滤波器15向信号发送装置输出双边带信号（在本实施例中为100±1MHz双边带信号）。

最后，信号发送装置中的第一循环器1依次通过该第一带通滤波器3和压控移相器2接收信号接收装置输出的双边带信号；接着，第一混频器4将参考频标信号与第一循环器1输出的双边带信号进行混频，并依次通过第一低通滤波器5和第一放大器6向数字鉴相器7输出调制信号（在本实施例中为1MHz调制信号，其与1MHz分频信号的区别在于，该1MHz调制信号携带了长电缆或光缆伸缩带来的相位变换信息），数字鉴相器7对该调制信号与第一功率分配器12输出的分频信号进行比相，并依次通过第二放大器8和环路低通滤波器9向压控移相器2输出电压信号，以使该压控移相器2补偿参考频标信号在信号发送装置与信号接收装置之间传输时产生的相位变化，从而使信号接收装置中的耦合器17最终输出稳定的参考频标信号。

本实施例中，第一至第三带通滤波器3、15、14均为100MHz带通滤波器，第一至第三低通滤波器5、19、11均为3MHz低通滤波器，第一、第二混频器4、16均为双平衡混频器。

下面将详细分析本发明的信号流程。

将信号发送装置发送到电缆的信号表示为sin(2π100t)（这里的t单位usec）；

在信号接收装置中，上述信号通过第二混频器16与1MHz分频信号相乘，因此，信号接收装置通过电缆回送到信号发送装置的双边带信号为：

sin(2π100t+φ₁)sin(2πt)

这里φ₁表示100MHz双程电缆延时。

在信号发送装置中，上述双边带信号通过第一混频器4与100MHz参考频标信号进行第一次混频，得到如下信号：

sin(2π100t)sin(2π100t+φ₁)sin(2πt)

上式中前两项混频后得到一个200MHz成分和一个直流成分，通过第一低通滤波器滤除高频成分以及第一放大器放大后，得到如下的调制信号：

cosφ₁sin(2πt)

上述调制信号与地面分频器10得到的1MHz分频信号通过数字鉴相器7进行第二次混频，得到信号为：

cosφ₁sin(2πt)sin(2πt+δ)

这里δ是相位误差，表示分频得到的1MHz分频信号的相位与100MHz参考频标信号调制得到的1MHz调制信号的相位之间的误差。混频后的信号产生一个2MHz的交流成分和一个直流成分，其通过第二放大器8和环路低通滤波器9（同时起积分作用）后得到的信号为：

cosφ₁cosδ

这就是由环路低通滤波器9产生的控制压控移相器2（Votage ControlPhase Shifter，VCPS）的电压信号。VCPS控制φ₁，这样就完成了环路控制。

假设环路锁定需要时间为T_lock，这样输给VCPS的电压信号为：

$U_{\mathrm{VCPS}}=\frac{1}{\mathrm{\τ}}{\∫}_0^t\cos {\mathrm{\φ}}_1\left(t\right)\cos \mathrm{\δ}\left(t\right)\mathrm{dt}=\frac{1}{\mathrm{\τ}}{\∫}_0^{T_{\mathrm{lock}}}\cos {\mathrm{\φ}}_1\left(t\right)\cos \mathrm{\δ}\left(t\right)\mathrm{dt}+\frac{1}{\mathrm{\τ}}{\∫}_{T_{\mathrm{lock}}}^{+\∞}\cos {\mathrm{\φ}}_1\left(t\right)\cos \mathrm{\δ}\left(t\right)\mathrm{dt}$

上述等式右边有两部分，前一部分为锁定环路需要的电压，后一部分为无穷小量，要想维持前一部分基本不变，必须保证第二部分为0，因此，有如下的结论：

cosφ₁=0或（n为整数）

最后使得信号通过VCPS和电缆的总延时保持一个常数（也就是双程延时φ₁保持常数）。

本发明采用数字鉴相器7，即采用数字采样，互相关处理实现上述闭环控制环路，采用高精度的DDS（Direct Digital Synthesizer，直接频率综合）实现相位调整，其优点至少如下：

1）可以提高鉴相的精度和调相的精度，因为通过测试，相关法获得0.005度的相位精度是容易做到的，DDS实现0.02度的相位补偿（14bit相位控制字）也是常规的商用器件。

2）没有失锁的问题，因为DDS可以在360度范围内通过软件任意设置。

下面，针对本发明，进行了初步的测试。为了验证1MHz返回信号准确携带了往返100MHz和101MHz的相位变化，首先将信号发送装置与信号接收装置采用很短的电缆对接，并对装置做了一定的保温措施，然后测试单程100MHz相位变化和双程传输后1MHz的相位变化情况，最后用最小二乘法拟合两者的比例关系，这是因为在实际工作时，信号接收装置的100MHz相位实际是无法直接测量的，直接的测量量是频标双程传输后1MHz携带的相位，通过1MHz的相位变化跟踪100MHz的相位变化，由于装置中往返电路的不对称性，导致信号往返延时变化不一致，比例关系并不等于0.5，更严格地讲，由于往返信号频率分别为100MHz和101MHz，因此，这个比例系数为0.4975（100/201）。

图3（a）、（b）中100MHz相位和1MHz相位的比例关系为0.39，这说明双程的延时变化比单程大2倍以上，缓慢的相位变化是由于装置的温度系数导致的，图4给出了这次测试过程中系统的温度变化情况（为了与图3（a）、（b）中的相位进行直观比较，温度前面乘上了负号），尽管如此，通过1MHz跟踪，采用最小二乘法拟合，可以把100MHz的误差推算到RMS=0.01度的误差范围，这反映了系统对信号恶化程度。多次测量后确定比例系数为0.4，此处定义跟踪误差为：1MHz相位乘以比例系数0.4后的相位值与100MHz的相位值作差，残差即是补偿后的相位误差，因为实际工作时需要通过1MHz的相位跟踪100MHz相位。采用0.4作为比例系数，用图3（a）中的1MHz相位对100MHz相位进行补偿，补偿后相位残差见图5，这个曲线反映了系统对信号发送装置输入100MHz信号进行闭环后的恶化程度。图6给出了100MHz相位补偿前后的阿伦方差，由此可以看到阿伦方差在补偿后改善了约60倍，阿伦方差的计算方法如下式：

$\mathrm{\&sigma;}\left(\mathrm{\&tau;}\right)=\frac{1}{\sqrt{2}\mathrm{\&omega;\&tau;}}{<{[\mathrm{\&phi;}(t+2\mathrm{\&tau;})-2\mathrm{\&phi;}(t+\mathrm{\&tau;})+\mathrm{\&phi;}\left(t\right)]}^2>}^{1/2}$

其中，σ为阿伦方差；ω为信号圆频率；τ为时间间隔；φ为相位；<·>表示求均值。

因此，尽管系统具有一定的温度效应，通过补偿后，系统对频标性能的恶化为8E-151s，1.5E-1510s，4E-16100s，这个相对目前的氢钟指标1E-131s，3E-1410s，7E-15100s（symmetricom MHM-2010）基本高一个数量级，因此系统本身不会对氢钟的指标有本质的恶化。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (5)

1.一种基于数字鉴相的频标稳相传输系统，其特征在于，所述系统包括一信号发送装置以及与该信号发送装置连接的信号接收装置，其中，

所述信号发送装置包括：

一第一循环器，其一方面依次通过一第三带通滤波器以及一第二功率分配器接收外部输入的参考频标信号，并依次通过一压控移相器和一第一带通滤波器向所述信号接收装置输出所述参考频标信号，另一方面依次通过该第一带通滤波器和压控移相器接收所述信号接收装置输出的双边带信号；

一分频器，其接收所述第二功率分配器输出的所述参考频标信号，并通过一第一功率分配器向所述信号接收装置输出一分频信号；以及

一第一混频器，其将所述第二功率分配器输出的所述参考频标信号与所述第一循环器输出的所述双边带信号进行混频，并通过一第一低通滤波器向一数字鉴相器输出一调制信号，且所述数字鉴相器还通过一环路低通滤波器与所述压控移相器连接；

所述信号接收装置包括：

一第二带通滤波器，其依次通过一第二循环器和一耦合器向一第二混频器输出所述参考频标信号；

一第二低通滤波器，其向所述第二混频器输出所述分频信号；以及

所述第二混频器将所述参考频标信号与所述分频信号进行混频，并依次通过所述第二循环器和第二带通滤波器向所述信号发送装置输出所述双边带信号；

其中，所述数字鉴相器对所述调制信号与所述第一功率分配器输出的所述分频信号进行比相，并通过所述环路低通滤波器向所述压控移相器输出一电压信号，以使所述压控移相器补偿所述参考频标信号在所述信号发送装置与信号接收装置之间传输时产生的相位变化，从而使所述耦合器最终输出稳定的所述参考频标信号。

2.根据权利要求1所述的基于数字鉴相的频标稳相传输系统，其特征在于，所述信号发送装置与所述信号接收装置通过电缆或光缆连接，且所述系统还包括分别连接在所述电缆或光缆两端的T型接头。

3.根据权利要求1或2所述的基于数字鉴相的频标稳相传输系统，其特征在于，所述信号发送装置还包括一连接在所述分频器与所述第一功率分配器之间的第三低通滤波器。

4.根据权利要求1或2所述的基于数字鉴相的频标稳相传输系统，其特征在于，所述信号发送装置还包括一连接在所述第一低通滤波器与所述数字鉴相器之间的第一放大器。

5.根据权利要求1或2所述的基于数字鉴相的频标稳相传输系统，其特征在于，所述信号发送装置还包括一连接在所述数字鉴相器与所述环路低通滤波器之间的第二放大器。