CN104065416A - 基于微波移相器的微波信号光纤稳相传输系统 - Google Patents

Abstract

一种基于微波移相器的微波信号光纤稳相传输系统，包括：一中心站、一远端和一单模光纤，所述中心站通过单模光纤与远端连接，该中心站由半导体激光器、双驱动马赫曾德尔调制器、微波信号源、第一功分器、第一光滤波器、掺饵光纤放大器、光耦合器、第一阵列波导光栅、第一光电探测器、除频器、第二功分器、光源、强度调制器、第二光滤波器、光环行器、第二光电探测器、第一电混频器、带通滤波器、第二电混频器、低通滤波器、线性电压放大电路组成；该远端由第二阵列波导光栅、第三光电探测器、法拉第旋光镜组成。本发明搭建及维护成本低；可以对微波信号的相位抖动进行实时的提取和反馈。

Description

基于微波移相器的微波信号光纤稳相传输系统

技术领域

本发明涉及一种通过光纤稳相传输微波信号的系统，具体来说是一种基于微波移相器的微波信号光纤稳相传输系统，属于微波光子学技术领域。

背景技术

在分布式合成孔径雷达，深空探测，原子钟分发，全球导航卫星系统等领域中，均需要用到微波信号的稳相传输技术。传统的微波信号传输采用同轴电缆进行稳相传输，但电缆损耗大、体积大、成本高，很难实现远距离传输。光纤以其低损耗、带宽大、抗电磁干扰、价格低的优势被认为非常适合用于微波信号的传输，尤其是远距离传输。然而，由于外界环境的影响，如温度、应变、振动等，会导致光纤的等效长度发生变化，经光纤传输的信号延时发生改变，进而导致经光纤传输的微波信号的相位发生抖动。目前，实现微波信号稳相传输的基本思想都是利用往返延迟校正消除相位抖动，认为在光纤中相向传输的光信号是相互独立的，其经历的延时是相同的，即相位抖动相同，具体方法可以归纳为两类，一是主动控制法，在信号发射端，将已带有相位抖动的信号和待传输的信号进行混频实现信号预失真，预失真的信号经过同一链路的传输后得到相位稳定的微波信号；或者是在信号接收端，通过对两路带有相同相位抖动的信号进行下混频，得到无相位延迟的信号。目前，主动控制法需要多个混频器，电滤波器和多个相位同步的微波源，系统复杂，成本较高，并且在实际应用中很难操作。另一种是被动控制法，通过直接提取调制在光载波上的微波信号在光纤链路中往返传输的实时相位抖动信息，获得相位差信号，利用控制器件主动补偿待传输微波信号的相位，从而使传输的微波信号趋于稳定，这种方法的局限在于，相位差信号的提取主要依靠电路上的锁相技术，即利用鉴相器和环路滤波器鉴别相位抖动信息，传输信号的带宽受到很大限制，另外，目前用于补偿相位的器件主要有波长调谐激光器，可调光/电延迟线，光纤拉伸器等，当环境变化较大时，光纤等效长度变化较大，从而引起传输信号的相位抖动较大，由于上述器件的可调节范围较小，很难实现相位抖动的实时补偿。(L.Zhang，L.Chang，Y.Dong，W.Xie，H.He and W.Hu，″Phase drift cancellation of remote radio frequencytransfer using an optoelectronic delay-locked loop″，Opt.Lett.，Vol.36，no.6，pp.873-877，2011.)

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种基于微波移相器的微波信号光纤稳相传输系统，该系统只在中心站对信号进行处理，搭建及维护成本低；可以对微波信号的相位抖动进行实时的提取和反馈；利用混频器进行鉴相，传输的微波信号的带宽具有很大的提高。

本发明提供一种基于微波移相器的微波信号光纤稳相传输系统，包括：一中心站、一远端和一单模光纤，所述中心站通过单模光纤与远端连接，其中：

所述的中心站包括：

一半导体激光器；

一双驱动马赫曾德尔调制器，其光输入端与半导体激光器的输出端相连；

一微波信号源；

一第一功分器，其输入端口1与微波信号源的输出端相连，其输出端口2与双驱动马赫曾德尔调制器的微波信号输入端相连；

一第一光滤波器，其输入端与双驱动马赫曾德尔调制器的光输出端相连；

一掺饵光纤放大器，其输入端与光滤波器的输出端相连；

一光耦合器，其输入端口1与掺饵光纤放大器的输出端相连；

一第一阵列波导光栅，其输入端口1与光耦合器的输出端口3相连；

一第一光电探测器，其输入端与光耦合器的输出端口2相连；

一除频器，其输入端与第一光电探测器的输出端相连；

一第二功分器，其输入端口1与除频器的输出端相连；

一光源；

一强度调制器，其光输入端与光源的输出端相连，其射频输入端与第二功分器的输出端口3相连；

一第二光滤波器，其输入端与强度调制器的输出端相连；

一光环行器，其输入端口1与第二光滤波器的输出端相连，其端口2与第一阵列波导光栅的输入端口2相连；

一第二光电探测器，其输入端与光环行器的输出端口3相连；

一第一电混频器，其本振输入端与功分器的输出端口2相连，其中频输入端与第二光电探测器的输出端相连；

一带通滤波器，其输入端与电混频器的射频输出端相连；

一第二电混频器，其射频输入端与第一功分器的输出端口3相连，其中频输入端与带通滤波器的输出端相连；

一低通滤波器，其输入端与第二电混频器的本振输出端相连；

一线性电压放大电路，其输入端与低通滤波器的输出端相连，其输出端与双驱动马赫曾德尔调制器的偏置电压输入端相连；

所述的远端包括：

一第二阵列波导光栅，其输入端与单模光纤相连；

一第三光电探测器，其输入端与第二阵列波导光栅的一输出端口1相连；

一法拉第旋光镜，输入端与第二阵列波导光栅的另一输出端口2相连。

本发明的工作原理如下：

中心站微波源产生需传输的本振微波信号，利用双驱动马赫曾德尔调制器将其调制到光载波上，经滤波、放大后的光载微波信号用功分器分为两路，一路经阵列波导光栅进入光纤传输链路，传送到远端，另一路信号经光电探测器后得到微波信号，该微波信号经双驱动马赫曾德尔调制器后，相位与本振信号不同，利用除频器将其频率和相位均变为一半，同样加载到光载波上进行传输，远端的法拉第旋光镜将其发射，沿原光纤链路传输，返回到中心站的信号经历了两倍的延时，但由于除频微波信号频率为本振信号的一半，因此返回到中心站的除频微波信号的相位抖动与中心站传到远端的本振信号的相位抖动一致。将未传输的除频信号和返回的除频信号进行上混频，得到与本振信号频率相同，且包含相位抖动信息的微波信号，用混频器和低通滤波器对该信号和本振信号进行鉴相，得到表征相位抖动的电压信号，反馈到双驱动马赫曾德尔调制器的偏置电压端，对传输的本振微波信号进行移相，补偿光纤传输链路延时导致的微波信号相位抖动，实现远端接收到的微波信号与中心站发射的本振微波信号相位同步，即实现微波信号的光纤稳相传输。

本发明具有以下有益效果：该系统只在中心站对信号进行处理，搭建及维护成本低；可以对微波信号的相位抖动进行实时的提取和反馈；利用混频器进行鉴相，传输的微波信号的带宽得到了很大的提高。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明，其中：

图1是本发明中基于微波移相器的微波信号光纤稳相传输系统的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种基于微波移相器的微波信号光纤稳相传输系统，包括：一中心站A、一远端B和一单模光纤9，所述中心站A通过单模光纤9与远端B连接，其中：

所述的中心站A包括：

一半导体激光器1，其用于提供连续的光载波；

一双驱动马赫曾德尔调制器2，其光输入端与半导体激光器1的输出端相连；

一微波信号源3，所述微波信号源3是矢量网络分析仪或微波信号源，用于产生本振微波信号，该信号为需要传输的信号；

一第一功分器4，其输入端口1与微波信号源3的输出端相连，其输出端口2与双驱动马赫曾德尔调制器2的微波信号输入端相连，用于将微波信号源3产生的本振信号分为两路；

一第一光滤波器5，其输入端与双驱动马赫曾德尔调制器2的光输出端相连，其用于滤除所述光载波信号的下边带以及+2阶边带以上的调制边带，实现单边带调制，即滤波之后的信号只剩余光载波信号和+1阶调制边带信号，其可用于抵抗单模光纤的色散诱导微波信号的周期衰落问题；

其中，所述双驱动马赫曾德尔调制器2有两个射频输入端口，其中一路利用微波信号源3输出的本振微波信号对所述半导体激光器1的输出光进行强度调制，产生调制边带，将微波信号调制到光载波上，另一路不加微波信号，只有光载波通过，通过调节双驱动马赫曾德尔调制器的偏置电压，可改变微波信号的相位，该调制器与第一光滤波器5相连可作为微波移相器使用；

一掺饵光纤放大器6，其输入端与光滤波器5的输出端相连，用于放大所述调制之后的光载波和+1阶调制边带信号，所述掺铒光纤放大器6是掺镱光纤放大器；

一光耦合器7，其输入端口1与掺饵光纤放大器6的输出端相连，用于将所述调制后的光信号分为两路；

一第一阵列波导光栅8，其输入端口1与光耦合器7的输出端口3相连，其具有波分复用的功能；

一第一光电探测器12，其输入端与光耦合器7的输出端口2相连，用于将所述光载波信号和+1阶调制边带信号的一路转化为电信号，即光载波信号和+1阶调制边带信号发生拍频；

一除频器13，其输入端与第一光电探测器12的输出端相连，用于将所述光载波信号和+1阶调制边带信号拍频产生微波信号的频率变为原来的一半，即该除频器输出信号的频率为所述微波信号源3产生的本振信号的频率的1/2；

一第二功分器14，其输入端口1与除频器13的输出端口相连，用于将所述除频后的微波信号分为两路；

其中，所述第一功分器4和第二功分器14的功率比为50：50；

一光源15，其用于产生连续的光载波；

其中所述半导体激光器1是光纤激光器；所述半导体激光器1与光源15输出的光波长不同，以保证这两种光载波在所述单模光纤9中传输不发生干涉。

一强度调制器16，其光输入端与光源15的输出端相连，其射频输入端与功分器14的输出端口3相连，其用于所述除频器13输出的微波信号对所述光源15输出的连续光进行强度调制，产生调制边带，所述的强度调制器16的材料为铌酸锂晶体、半导体聚合物或有机聚合物；

一第二光滤波器17，其输入端与强度调制器16的输出端相连，用于滤除所述强度调制器16输出的光载波信号的下边带以及+2阶边带以上的调制边带，实现单边带调制，即滤波之后的信号只剩余光载波信号和+1阶调制边带信号；

其中所述第一光滤波器5，第二光滤波器17是基于硅基液晶技术的波形整形器、光滤波器、波分复用器或光纤光栅。

一光环行器18，其输入端口1与第二光滤波器17的输出端相连，其端口2与第一阵列波导光栅8的输入端口2相连，其具有非互易性，光在其中只能单向环行，1端口输入的所述的强度调制后的光载波输出到2端口，传输到远端，法拉第旋光镜19反射后返回到该光环行器的端口2，并输出到输出端口3，返回的信号经历了两倍的相位扰动；

一第二光电探测器20，其输入端与光环行器18的输出端口3相连，用于将所述经历了两倍相位扰动的光载波信号和+1阶调制边带信号转化为电信号；

其中所述第一光电探测器12和第二光电探测器20是光电二极管或光电倍增管。

一第一电混频器21，其本振输入端与功分器14的输出端口2相连，其中频输入端与第二光电探测器20的输出端相连，其用于所述将除频器13输出的微波信号和所述第二光电探测器20输出的经历两倍相位扰动的拍频信号进行上混频，该电混频器射频输出端输出的微波信号的频率与所述微波信号源3产生的本振信号的频率相同；

一带通滤波器22，其输入端与电混频器21的射频输出端相连，用于滤除高阶谐波，只有与所述微波信号源3产生的本振信号的频率相同的信号可以通过；

一第二电混频器23，其射频输入端与第一功分器4的输出端口3相连，其中频输入端口与带通滤波器22的输出端口相连，其用于鉴相，即将微波信号源产生的本振信号和所述第一电混频器21产生的与本振信号频率相同的微波信号进行下混频，得到相位抖动信息；

其中所述的第一电混频器21和第二电混频器23的带宽大于所述微波源3输出本振信号的带宽；

一低通滤波器24，其输入端与第二电混频器23的本振输出端相连，用于滤除高频信号，只有与相位抖动信息有关的低频电压信号通过；

一线性电压放大电路25，其输入端与低通滤波器24的输出端相连，其输出端与双驱动马赫曾德尔调制器2的偏置电压输入端相连，所述的线性电压放大电路25为可调谐放大电路，用于放大所述低通低通滤波器24产生的与相位抖动信息有关的电压信号，并反馈到所述双驱动马赫曾德尔调制器；

所述的远端B包括：

一第二阵列波导光栅10，其输入端与单模光纤9相连，其可用于解波分复用，即通过单模光纤9传输的不同波长的光可以从不同端口输出；

一第三光电探测器11，其输入端与第二阵列波导光栅10的一输出端口1相连，用于将搭载在光载波上传输的微波信号转换为电信号；

一法拉第旋光镜19，输入端与第二阵列波导光栅10的另一输出端口2相连，其用于将从中心站传输过来的信号反射回中心站；

所述的光纤传输链路包括单模光纤9，其输入端与第一阵列波导光栅8的输出端相连，输出端与第二阵列波导光栅10的输入端相连，用于传输光载微波信号，长度为10公里。

假设中心站微波源3输出的微波本振信号为其中ω_RF为角频率，为初始相位，第一功分器4将其分为两路，经双驱动马赫曾德尔调制器2，第一光滤波器5对其进行调制，滤波后的光载微波信号可以表示为为其中v是双驱动马赫曾德尔调制器2的偏置电压，v_π是其半波电压。该光载微波信号经光耦合器7分路，一部分传送到远端，假设光纤中单向传输的延时为τ，则接收端收到的微波信号为另一部分进入第一光电探测器12进行拍频，并经除频器13得到的微波信号为该除频信号经第二功分器14分路后，一路加载的光载波上传输到远端，并被法拉第旋光镜19发射回到中心站，经历了两倍的信号抖动，即延时为2τ，返回后的微波信号可以表示为未经传输的除频信号和传输后的除频信号经第一混频器21进行上混频，得到的信号为其与微波源3输出的微波信号用第二混频器23鉴相，经低通滤波器24，得到相位差信号该相位差信号反映到电压上，经线性电压放大电路25放大后反馈到双驱动马赫曾德尔调制器2的偏置电压输出端，可以调节偏置电压v的大小实现移相，使得则远端第三光电探测器11接收到的微波信号为与中心站发射的微波信号初始相位相同，实现微波信号稳相传输。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于微波移相器的微波信号光纤稳相传输系统，包括：一中心站、一远端和一单模光纤，所述中心站通过单模光纤与远端连接，其中：

所述的中心站包括：

一半导体激光器；

一双驱动马赫曾德尔调制器，其光输入端与半导体激光器的输出端相连；

一微波信号源；

一第一功分器，其输入端口1与微波信号源的输出端相连，其输出端口2与双驱动马赫曾德尔调制器的微波信号输入端相连；

一第一光滤波器，其输入端与双驱动马赫曾德尔调制器的光输出端相连；

一掺饵光纤放大器，其输入端与光滤波器的输出端相连；

一光耦合器，其输入端口1与掺饵光纤放大器的输出端相连；

一第一阵列波导光栅，其输入端口1与光耦合器的输出端口3相连；

一第一光电探测器，其输入端与光耦合器的输出端口2相连；

一除频器，其输入端与第一光电探测器的输出端相连；

一第二功分器，其输入端口1与除频器的输出端相连；

一光源；

一强度调制器，其光输入端与光源的输出端相连，其射频输入端与第二功分器的输出端口3相连；

一第二光滤波器，其输入端与强度调制器的输出端相连；

一光环行器，其输入端口1与第二光滤波器的输出端相连，其端口2与第一阵列波导光栅的输入端口2相连；

一第二光电探测器，其输入端与光环行器的输出端口3相连；

一第一电混频器，其本振输入端与功分器的输出端口2相连，其中频输入端与第二光电探测器的输出端相连；

一带通滤波器，其输入端与电混频器的射频输出端相连；

一第二电混频器，其射频输入端与第一功分器的输出端口3相连，其中频输入端与带通滤波器的输出端相连；

一低通滤波器，其输入端与第二电混频器的本振输出端相连；

一线性电压放大电路，其输入端与低通滤波器的输出端相连，其输出端与双驱动马赫曾德尔调制器的偏置电压输入端相连；

所述的远端包括：

一第二阵列波导光栅，其输入端与单模光纤相连；

一第三光电探测器，其输入端与第二阵列波导光栅的一输出端口1相连；

一法拉第旋光镜，输入端与第二阵列波导光栅的另一输出端口2相连。

2.根据权利要求1所述的基于微波移相器的微波信号光纤稳相传输系统，其中所述半导体激光器是光纤激光器；所述半导体激光器与光源输出的光波长不同，以保证这两种光载波在所述单模光纤中传输不发生干涉。

3.根据权利要求1所述的基于微波移相器的微波信号光纤稳相传输系统，其中所述微波信号源是矢量网络分析仪或微波信号源。

4.根据权利要求1所述的基于微波移相器的微波信号光纤稳相传输系统，其中所述第一光滤波器，第二光滤波器是基于硅基液晶技术的波形整形器、光滤波器、波分复用器或光纤光栅。

5.根据权利要求1所述的基于微波移相器的微波信号光纤稳相传输系统，其中所述掺铒光纤放大器是掺镱光纤放大器。

6.根据权利要求1所述的基于微波移相器的微波信号光纤稳相传输系统，其中所述第一功分器和第二功分器的功率比为50：50。

7.根据权利要求1所述的基于微波移相器的微波信号光纤稳相传输系统，其中所述第一光电探测器和第二光电探测器是光电二极管或光电倍增管。

8.根据权利要求1所述的基于微波移相器的微波信号光纤稳相传输系统，其中所述的强度调制器的材料为铌酸锂晶体、半导体聚合物或有机聚合物。

9.根据权利要求1所述的基于微波移相器的微波信号光纤稳相传输系统，其中所述的第一电混频器和第二电混频器的带宽大于所述微波源输出本振信号的带宽。

10.根据权利要求1所述的基于微波移相器的微波信号光纤稳相传输系统，其中所述的线性电压放大电路为可调谐放大电路。