CN106301576B - 一种基于无源相位校正的多频率多点微波光纤稳相传输方法 - Google Patents

一种基于无源相位校正的多频率多点微波光纤稳相传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于无源相位校正的多频率多点微波光纤稳相传输方法。中心站将多个不同频率的目标微波信号对应进行二分频后耦合为一路，经调制加载到光信号上向多个远端节点传输。单个远端节点（以远端节点一为例）将接收的二分频微波信号用功分器分为两路，一路进行三倍频，另一路回传至中心站。在中心站，其它远端节点经过相同传输后得到的微波信号与远端节点一的微波信号耦合，移频后通过波分复用器再次传送至远端节点一进行光电检测和带通滤波，输出的微波信号与三倍频微波信号进行混频，输出的微波信号经过滤波处理后，得到相位稳定的目标微波信号。本发明中微波稳相所需时间短、质量高，并且可向多个远端节点传输不同频率的微波信号。

Description

一种基于无源相位校正的多频率多点微波光纤稳相传输方法
技术领域
本发明涉及一种微波信号的传输方法，尤其涉及一种基于无源相位校正的多频率多点微波光纤稳相传输方法，属于微波光子学技术领域。
背景技术
高质量的频率源是现代电子系统的核心，高稳定的频率标准推动了许多领域的发展。微波光子技术具有传输损耗小、带宽大、抗电磁干扰、轻便灵活、易于构造等特点，但利用光纤传输技术由于受不可控制的环境温度和机械应力变化的影响，导致信号的相位发生随机性的漂移，极大地影响了微波信号的质量。这对于波束形成系统中的精确相位馈送、空间技术中的稳定本振信号传输等都极为不利。
早期在对微波信号稳相传输的研究主要使用两种方法，一种是通过进行一次信号传输后回传至本地端，提取与本地端本振信号的相位误差来控制光纤的链路参数，以此主动补偿因为外界环境如温度和机械应力等对光纤传输造成的相位抖动。目前较为常见的是通过使用光/电延迟线和压控振荡器(VCO)等来进行反馈补偿。主要缺点是采用了复杂的电路来进行相位误差的提取，增加了系统的噪声，并且当环境恶劣时，光纤长度的变化可能会超出相位补偿的范围，而且通常只能进行单一频率向单个远端节点进行传输。另外一种方法是通过电域的混频来被动的消除相位抖动，这种方法避免了较为复杂的相位误差的提取检测和反馈回路。但是这种方法通常需要多个不同波长的激光源、2-3个同步的微波信号源以及多个混频器等等，需要成本较高、系统复杂并且多段频率混合后可能出现互调失真等问题，且通常只能进行单一频率向单个远端节点进行传输。(F.Yin,A.Zhang,Y.Dai,T.Ren,K.Xu,J.Li,J.Lin,and G.Tang,“Phase-conjugation-based fast RF phasestabilization for fiber delivery”Opt.Express vol.22,no.1,2014.)
发明内容
鉴于现有技术的以上不足，本发明旨在提供一种基于无源相位校正的多频率多点微波光纤稳相传输方法，以克服传统稳相方法中相位校正速度较慢的劣势并解决传统稳相传输中单频率单点传输的缺陷问题。
为达到上述目的，本发明提供的无源相位校正多频率多点微波稳相传输方法包括中心站和多个远端节点，其具体采用的手段为：
一种基于无源相位校正的多频率多点微波光纤稳相传输方法，通过单模光纤连接的中心站和多个远端节点，中心站将多个不同频率的目标微波信号对应进行二分频后耦合为一路，经过光电调制加载到光信号上，向多个远端节点传输；
在远端节点一中，将接收的二分频微波信号进行光电检测和带通滤波后用功分器分为两路，一路进行三倍频，另一路回传至中心站；在中心站，其它远端节点经过相同传输后得到的微波信号与远端节点一的微波信号耦合后，经声光调制器进行移频，再经波分复用器再次传送至远端节点一进行光电检测和带通滤波，输出的微波信号与三倍频微波信号进行混频，输出的微波信号经过滤波处理后，得到相位稳定的目标微波信号；
在其它远端节点，经过与远端节点一相同步骤得到对应相位稳定的目标微波信号，实现多频率多点微波信号的光纤稳相传输；
在中心站中，N个不同频率的目标微波信号通过N个二分频器将对应的微波信号进行二分频，获得二分频微波信号；激光源产生波长为λ0的光信号，将N个二分频微波信号耦合在一起后施加到第一马赫曾德尔调制器对光信号进行强度调制后提供给第一波分复用器；所述第一波分复用器将第一马赫曾德尔调制器输出的强度调制光信号和回传至中心站的多路微波信号传输至第一光环行器；设置在第一光环行器与远端节点间的第一光耦合器将第一光环行器输出的信号分为多路，分别传输至多个远端节点；
N个远端节点具有同样的硬件结构，此处以远端节点一为例，包括：第二波分复用器用于将两个不同波长的光信号分为两个信道并将远端节点一的调制光信号在λ1信道通过光纤回传至中心站；第一光电检测器将中心站发出的调制光信号进行光电转换，并提供给第一带通滤波器；第一带通滤波器对接收的微波信号进行滤波处理，滤波中心频率为目标微波信号频率的一半；第一功分器将滤波后的微波信号分为两路，一路进行三倍频，另一路通过第二马赫曾德尔调制器调制到第二激光源上后回传至中心站进行往返传输；第一三倍频器将第一功分器输出的微波信号进行三倍频，倍频后的微波信号与往返传输的二分频微波信号进行混频；第二激光源产生回传至中心站所需波长为λ1的光信号；第二光环行器将远端节点的调制光信号耦合进光纤进行回传；第二光电检测器将接收的光信号进行光电转换，并提供给第二带通滤波器；第二带通滤波器对第二光电探测器的输出微波信号进行滤波，滤波中心频率为目标微波信号频率的一半；第三带通滤波器对接收的微波信号进行滤波，滤波中心频率为目标微波信号的频率，最终在远端节点得到相位稳定的目标微波信号；
其它N-1个远端节点经过远端节点一同样步骤得到对应的相位稳定的目标微波信号。
进一步地，在第一光环行器与第一波分复用器间连接有第一声光调制器对回传至中心站的多个不同波长的光源进行200MHz固定频率的频移，以降低因相同波长的光信号在同一根光线中往返传输引起的相干瑞利噪声的影响。
进一步地，在第二带通滤波器与第三带通滤波器之间设置有第一混频器，所述第一混频器将第二带通滤波器输出的微波信号和第一三倍频器输出的三倍频微波信号进行混频，消除光纤链路中引起的相位扰动。
这样，第二波分复用器将两个不同波长的光信号分为两个信道并将远端节点一的调制光信号在λ1信道通过光纤回传至中心站，其中λ0信道连接所述第一光电检测器将接收的光信号进行光电转换，并提供给所述第一带通滤波器进行滤波，滤波中心频率为目标微波信号频率的一半，滤波输出的微波信号连接所述第一功分器，将微波信号分为两路，一路连接所述第一三倍频器进行三倍频，另一路通过第二马赫曾德尔调制器调制到波长为λ1的第二激光源上后回传至中心站进行往返传输，再次回传的微波信号连接所述第二光环行器将调制光信号传输至第二光电检测器进行光电转换，并提供给所述第二带通滤波器，滤波中心频率为目标微波信号频率的一半，滤波输出的微波信号连接所述第一混频器将第二带通滤波器输出的微波信号和第一三倍频器输出的三倍频微波信号进行混频，消除光纤链路中引起的相位扰动，然后连接所述第三带通滤波器对混频输出的微波信号进行滤波处理，滤波中心频率为目标微波信号的频率，最终在远端节点得到相位稳定的目标微波信号。所述其它多个远端节点经过同样步骤得到对应的相位稳定的目标微波信号。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明仅需将光纤传输至远端后和另一路经过往返传输的本振信号进行混频，即可消除微波信号在光纤中传输后引入的相位扰动，不需要通过复杂的电路设计来提取相位扰动的信息来进行补偿，降低了系统的复杂度，并且相位校正所需时间为光信号在光纤链路往返传输的时间，可以实现快速相位校正。
2、本发明可以同时向多个远端节点传输不同频率的微波信号，真正实现无源相位校正的多频率多点微波光纤稳相传输。
附图说明
图1为本发明一种基于无源相位校正的多频率多点微波光纤稳相传输方法的结构示意图。
图2为本发明一种基于无源相位校正的多频率多点微波光纤稳相传输方法的系统框图。
图3为本发明无源相位校正光纤稳相传输的原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
图1为本发明一种基于无源相位校正的多频率多点微波光纤稳相传输方法的结构示意图，图2为本发明一种基于无源相位校正的多频率多点微波光纤稳相传输方法的系统框图。如图2所示，所述微波信号光纤稳相传输方法包括中心站和多个远端节点，所述中心站和多个远端节点通过单模光纤传输，其中：
所述中心站包括：微波信号源1011、微波信号源1012、……、微波信号源101N、激光源1041、电耦合器1031、二分频器1021、二分频器1022、……、二分频器102N、马赫曾德尔调制器1051、波分复用器1061、光环行器1071、光耦合器1081、光耦合器1082、声光调制器1091、掺铒光纤放大器1101，其中：
所述微波信号源1011到微波信号源101N用于产生需要稳相传输的多个不同频率的目标微波信号；
所述二分频器1021到二分频器102N用于将对应的微波信号1011到微波信号101N进行二分频，获得二分频微波信号；
所述激光源1041用于产生波长为λ0的光信号，将二分频微波信号施加到马赫曾德尔调制器1051对光信号进行强度调制后提供给波分复用器1061；
所述波分复用器1061用于将马赫曾德尔调制器1051输出的强度调制光信号和回传至中心站的多路微波信号传输至光环行器1071；
所述光耦合器1081用于将环行器1071输出的信号分为多路，分别传输至多个远端节点；
所述声光调制器1091用于对回传至中心站的多个不同波长的光源进行200MHz固定频率的频移，以降低因相同波长的光信号在同一根光线中往返传输引起的相干瑞利噪声的影响；
所述单个远端节点，此处以远端节点一为例，包括：波分复用器2011、光电检测器2021、带通滤波器2031、功分器2041、三倍频器2051、激光源2061、马赫曾德尔调制器2071、光环行器2081、光电检测器2022、第二带通滤波器2032、混频器2091、带通滤波器2033，其中：
所述波分复用器2011用于将激光源1041和激光源2061的不同波长分为两个信道并将远端节点一的调制光信号在λ1信道通过光纤回传至中心站；
所述光电检测器2021用于将中心站发出的调制光信号进行光电转换，并提供给带通滤波器2031；
所述带通滤波器2031用于对接收到的微波信号进行滤波处理，滤波中心频率为微波信号1011频率的一半；
所述功分器2041用于将滤波后的微波信号分为两路，一路进行三倍频，另一路通过马赫曾德尔调制器调2071制到激光源2061上后回传至中心站进行往返传输；
所述三倍频器2051用于将功分器2041输出的微波信号进行三倍频，倍频后的微波信号与往返传输的二分频微波信号进行混频；
所述激光源2061用于产生回传至中心站所需波长为λ1的光信号；
所述光环行器2081用于将远端节点的调制光信号耦合进光纤进行回传并将往返传输的信号传输至光电检测器2022；
所述光电检测器2022用于将接收的光信号进行光电转换，并提供给带通滤波器2032；
所述带通滤波器2032用于对光电检测器2022输出的微波信号进行滤波，滤波中心频率为微波信号1011频率的一半；
所述混频器2091用于将带通滤波器2032输出的微波信号和三倍频器2051输出的信号进行混频，消除光纤链路中引起的相位扰动；
所述带通滤波器2033用于对混频器2091输出的微波信号进行滤波，滤波中心频率为微波信号1011的频率，最终在远端节点得到相位稳定的微波信号1011；
所述其它多个远端节点经过同样步骤得到对应的相位稳定的目标微波信号。
图3为本发明无源相位校正光纤稳相传输的原理图，为了便于公众理解本发明的技术方案，下面对其原理进行进一步说明：
假设待传输的目标微波信号为(忽略幅度)：
其中ωRF和分别表示目标微波信号的角频率和初始相位，cos(·)表示余弦函数，t表示时间。通过二分频器后：
经过马赫曾德尔调制器调制到光上后，通过单模光纤传输到远端节点一：
其中为光纤链路的相位扰动。经过光电探测器后用带通滤波器滤出二分频微波信号，通过马赫曾德尔调制器对光信号进行强度调制后回传到中心站，经过波分复用器等器件后再次传输到远端节点一：
经过光电探测器后用带通滤波器滤出往返传输的微波信号，将(3)式进行三倍频后和(4)式进行混频，得到：
经带通滤波器进行滤波处理，最终得到相位稳定的目标微波信号。其它多个远端节点的基本原理与远端节点一相同，此处不再赘述。
综合以上陈述，本发明具有如下特征。1)本发明仅需将光纤传输至远端后和另一路经过往返传输的本振信号进行混频，即可消除微波信号在光线中传输后引入的相位扰动，不需要通过复杂的电路设计来提取相位抖动信息来进行补偿，降低了系统的复杂度，并且相位校正所需时间为光纤链路往返传输的时间，可以实现快速相位校正。2)本发明可以同时向多个远端节点传输多个不同频率的微波信号，实现多频率多点微波信号的光纤稳相传输。
以上所陈述的仅仅是本发明的优选实施方式，应当指出，在不脱离本发明方法和核心装置实质的前提下，在实际实施中可以做出若干更改和润色也应包含在本发明的保护范围以内。

Claims (3)

1.一种基于无源相位校正的多频率多点微波光纤稳相传输方法，通过单模光纤连接的中心站和多个远端节点，中心站将多个不同频率的目标微波信号对应进行二分频后耦合为一路，经过光电调制加载到光信号上，向多个远端节点传输；
在远端节点一中，将接收的二分频微波信号进行光电检测和带通滤波后用功分器分为两路，一路进行三倍频，另一路回传至中心站；在中心站，其它远端节点经过相同传输后得到的微波信号与远端节点一的微波信号耦合后，经声光调制器进行移频，再经波分复用器再次传送至远端节点一进行光电检测和带通滤波，输出的微波信号与三倍频微波信号进行混频，输出的微波信号经过滤波处理后，得到相位稳定的目标微波信号；
在其它远端节点，经过与远端节点一相同步骤得到对应相位稳定的目标微波信号，实现多频率多点微波信号的光纤稳相传输；
在中心站中，N个不同频率的目标微波信号通过N个二分频器将对应的微波信号进行二分频，获得二分频微波信号；激光源产生波长为λ0的光信号，将N个二分频微波信号耦合在一起后施加到第一马赫曾德尔调制器对光信号进行强度调制后提供给第一波分复用器；所述第一波分复用器将第一马赫曾德尔调制器输出的强度调制光信号和回传至中心站的多路微波信号传输至第一光环行器；设置在第一光环行器与远端节点间的第一光耦合器将第一光环行器输出的信号分为多路，分别传输至多个远端节点；
N个远端节点具有同样的硬件结构，此处以远端节点一为例，包括：第二波分复用器用于将两个不同波长的光信号分为两个信道并将远端节点一的调制光信号在λ1信道通过光纤回传至中心站；第一光电检测器将中心站发出的调制光信号进行光电转换，并提供给第一带通滤波器；第一带通滤波器对接收的微波信号进行滤波处理，滤波中心频率为目标微波信号频率的一半；第一功分器将滤波后的微波信号分为两路，一路进行三倍频，另一路通过第二马赫曾德尔调制器调制到第二激光源上后回传至中心站进行往返传输；第一三倍频器将第一功分器输出的微波信号进行三倍频，倍频后的微波信号与往返传输的二分频微波信号进行混频；第二激光源产生回传至中心站所需波长为λ1的光信号；第二光环行器将远端节点的调制光信号耦合进光纤进行回传；第二光电检测器将从第二光环行器接收的光信号进行光电转换，并提供给第二带通滤波器；第二带通滤波器对第二光电探测器的输出微波信号进行滤波，滤波中心频率为目标微波信号频率的一半；第三带通滤波器对接收的微波信号进行滤波，滤波中心频率为目标微波信号的频率，最终在远端节点得到相位稳定的目标微波信号；
其它N-1个远端节点经过远端节点一同样步骤得到对应的相位稳定的目标微波信号。
2.根据权利要求1所述的基于无源相位校正的多频率多点微波光纤稳相传输方法，其特征在于，在第一光环行器与第一波分复用器间连接有第一声光调制器对回传至中心站的多个不同波长的光源进行200MHz固定频率的频移，以降低因相同波长的光信号在同一根光线中往返传输引起的相干瑞利噪声的影响。
3.根据权利要求1所述的基于无源相位校正的多频率多点微波光纤稳相传输方法，其特征在于，在第二带通滤波器与第三带通滤波器之间设置有第一混频器，所述第一混频器将第二带通滤波器输出的微波信号和第一三倍频器输出的三倍频微波信号进行混频，消除光纤链路中引起的相位扰动。
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