CN106603158A - 高精度分布式光纤频率传递方法 - Google Patents

Abstract

一种高精度分布式光纤频率传递方法，将本地端被传递频率信号二分频后作为探测信号，通过双向波分复用在本地端和远端间往返传输，在本地端得到包含光纤链路相位噪声的探测信号；返回的探测信号与本地被传递频率信号混频、滤波得到相位共轭信号，将相位共轭信号通过另一个波长信道上发送到光纤链路上；所有用户探测出前向共轭信号和后向探测信号，混频得到稳定的频率信号；远端将接收到的前向相位共轭信号和前向探测信号混频得到稳定的频率信号。本发明避免了后向散射噪声对频率传递短期稳定性的影响；用户共用相同波长，降低了用户增加对频率传递长期稳定性的影响和成本；采用无源补偿，具有相对简单、无限的动态范围和快速补偿的优势。

Description

高精度分布式光纤频率传递方法

技术领域

本发明涉及光纤时间频率传递技术领域，具体是一种分布式光纤频率传递方法。

背景技术

近些年来，随着科技的不断发展，原子频标的稳定度得到了极大的提升。与此同时很多领域例如深空探测、粒子加速器、导航通信以及诸如阵列雷达等国防应用对于高稳定度的频率源以及远距离频率同步的需求与日俱增。但是这些高稳定频率源的价格非常昂贵，通常情况下体积巨大且需要在理想的环境下运作，因而长距离传递高稳定的频率信号和远距离的信号同步具有非常重大的意义。

传统的频率传递方案主要有基于GPS的频率传递方案和基于卫星双向比对的传递方案等。上述方案由于传递链路开放性高，在频率传递过程中容易受到多径效应等因素的干扰，能够提供的系统长期稳定度只能达到10^-15量级，已经不能满足现有应用的需求。相比较而言，光纤频率传递方案具有带宽大、损耗低、封闭性好和抗电磁干扰等优势，因而使用光纤通信网传递高稳定度的频率信号得到了广泛的关注和研究。

使用光纤通信网传递频率信号时，光纤链路受到外界环境的波动会对被传递的频率信号引入相应的相位噪声，从而影响被传递频率信号的稳定度，因此对传递过程中引入的相位噪声进行补偿是必不可少的。现有的基于微波强度调制的光纤频率传递主要分为主动相位噪声补偿方案和被动相位噪声补偿方案。主动相位噪声补偿方案使用环路法提取链路抖动引入的噪声，通过算法驱动制动器来达到补偿目的。此方案需要精确的延时抖动测量和复杂的算法，并受限于制动器的动态范围。另一种方案采用混频的方式实现相位的补偿，避免了复杂的算法，同时具有无限的动态范围和快速的补偿速度。

为了拓展光纤频率传递的应用范围，如满足分布式雷达、阵列天线等应用场景，我们需要分布式的频率传递方案。为了实现高性能低成本的方案，我们需要解决后向散射、对称性以及系统复杂度等问题，现有的方案基本没能同时兼顾这几个方面。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种基于混频方案的分布式光纤频率传递方法。该方法基于分频技术产生探测信号，在本地端利用混频方式实现相位共轭，在用户节点利用混频方式实现链路时延抖动的相消来得到稳定的频率信号。采用了WDM的方法来区分前后向波长来消除后向散射的影响，同时所有用户共用相同的波长，避免了波长随着用户节点增多而增多，保证了前后向时延的对称性，从而可以达到很好的长期稳定性。

本发明的技术解决方案如下：

一种高精度分布式光纤频率传递方法，分布式光纤频率传递系统包括本地端、光纤链路、多个用户端、远端，本地端与远端位于光纤链路的两端并通过光波分复用器与光纤链路相连，多个用户端通过光耦合器接入所述的光纤链路，其特点在于，该方法包括下列步骤：

1)本地端被传递的频率为f的频率信号经功率分配器功分成两路，一路输入双混频模块，另一路经二分频器产生频率为f/2的二分频信号，并将该二分频信号作为探测信号，该探测信号经电光调整器调制到波长为λ₁的光载波上，称为前向探测信号，通过光波分复用器经光纤链路发送到远端；

2)所述的远端将接收到的探测信号调制到波长为λ₂的光载波上，通过光波分复用器经所述的光纤链路发送返回本地端，称为后向探测信号；

3)本地端将被传递频率信号与经光纤链路返回的包含光纤链路相位噪声的后向探测信号经混频、滤波得到相位共轭信号，将该相位共轭信号调制到波长为λ₃的光载波上，称为前向相位共轭信号，经光波分复用器发送到光纤链路上；

4)在光纤链路的用户端，通过光耦合器、光学滤波和光电探测后从光纤链路上接收调制到波长为λ₃的光载波上的前向相位共轭信号和调制到波长为λ₂的光载波上的后向探测信号，通过混频、滤波得到稳定的频率信号；

5)所述的远端将接收到调制到波长为λ₃的光载波的前向相位共轭信号和调制到波长为λ₁的光载波上的前向探测信号经混频、滤波得到稳定的频率信号。

所述的步骤4)的具体步骤如下：

①在光纤链路的任意节点处的用户端通过2×2光耦合器耦合出沿链路传输的部分前向光信号和后向光信号；

②通过光滤波器从耦合出的前向光信号中提取波长为λ₃的光信号，从耦合出的后向光信号中提取波长为λ₂的光信号，并分别通过光电探测器得到前向相位共轭信号和后向探测信号；

③将获得的前向相位共轭信号和后向探测信号经混频、滤波输出频率为f的稳定的频率信号。

本发明具有以下优点：

1、本发明利用波分复用有效避免了后向散射噪声对频率传递短期稳定性的影响；

2、本发明在用户节点利用混频方式实现链路时延抖动的相消来得到稳定的频率信号。同时所有用户共用相同的波长，避免了波长随着用户节点增多而增多，可有效降低波长不对称性随节点增加对频率传递长期稳定性的影响，以及使用多个波长信道的成本。保证了前后向时延的对称性，从而可以达到很好的长期稳定性。

3、本发明采用无源补偿方式，具有相对简单、无限动态范围和快速补偿的优势。

附图说明

图1是本发明实施例的系统结构框图。

图2是本地端结构示意图。

图3是用户端结构示意图。

图4是远端结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。实施例以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例系统结构框图如图1所示，包括：本地端1、光纤链路2、多个用户端3、远端4。本地端1与远端4位于光纤链路2两端，多个用户端3通过光耦合模块接入到光纤链路上。

所述的本地端1如图2所示。被传递频率信号由功率分配器1-1功分成两路。一路输入双混频模块1-2，另一路通过二分频器1-3产生探测信号，产生的探测信号经电光调制模块1-4调制到波长λ₁上，通过光波分复用器1-8发送到光纤链路2上。光波分复用器1-8从沿光纤链路2返回的光信号中滤出波长为λ₂的光信号送入光电接收模块1-6(由光电探测器、电滤波器组成)。光电接收模块1-6提取出从远端返回的探测信号，并送入双混频模块1-2。为了避免信号泄露以及非线性引起的谐波干扰的影响，本实施例中，采用双混频模块1-2来实现从功率分配器1-1输入的被传递频率信号与从光电接收模块1-6输入的探测信号间的混频。双混频模块1-2由一个本地振荡器、三个混频器、两个电滤波器组成。通过选择合适频点的本地振荡器对混频信号进行移频，再经过电滤波来避免信号泄露以及非线性引起的谐波干扰。双混频模块1-2输出的混频信号经电滤波器1-7滤出下边带信号得到纯净的相位共轭信号。相位共轭信号通过电光调制模块1-5调制到波长λ₃上通过光波分复用器1-8发送到光纤链路2上。

所述的远端4的结构如图3所示。光波分复用器4-1从来自光纤链路2的光信号中滤出波长为λ₃和波长为λ₁的前向信号，并分别输入光电接收模块4-2和4-3。光电接收模块4-2探测出前向相位共轭信号并送入双混频模块4-6。光电接收模块4-3从波长为λ₁的信号中提取出前向探测信号，并输入功率分配器4-4。该功率分配器4-4将输入的前向探测信号功分成两路，分别送入双混频模块4-6及电光调制模块4-7。双混频模块4-6将功率分配器4-4输入的探测信号与光电接收模块4-2输入的前向相位共轭信号混频。双混频模块4-6输出的混频信号经电滤波器4-5滤出上边带信号得到稳定的频率信号。电光调制模块4-7将功率分配器4-4输入的前向探测信号调制到波长λ₂上通过光波分复用器4-1发送到光纤链路2上。

所述的用户端3的结构如图4所示。2×2光耦合器3-1从光纤链路2上耦合出部分前向光信号和后向光信号，并分别输入光滤波器3-2和3-3。光滤波器3-2和3-3分别滤出波长为λ₃和波长为λ₂的光信号，并送入光电接收模块3-4和3-5。光电接收模块3-4和3-5分别将提取出的前向相位共轭信号和后向探测信号输入到双混频模块3-6。双混频模块3-6将两路输入信号混频输入电滤波器3-7。电滤波器3-7滤出混频输出的上边带信号得到稳定的频率信号。

以上所述仅为本发明的实施例之一，并不用以限制本发明，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 (2)

1.高精度分布式光纤频率传递方法，分布式光纤频率传递系统包括本地端、光纤链路、多个用户端、远端，本地端与远端位于光纤链路的两端并通过光波分复用器与光纤链路相连，多个用户端通过光耦合器接入所述的光纤链路，其特征在于，该方法包括下列步骤：

1)本地端被传递的频率为f的频率信号经功率分配器功分成两路，一路输入双混频模块，另一路经二分频器产生频率为f/2的二分频信号，并将该二分频信号作为探测信号，该探测信号经电光调整器调制到波长为λ₁的光载波上，称为前向探测信号，通过光波分复用器经光纤链路发送到远端；

2)所述的远端将接收到的探测信号调制到波长为λ₂的光载波上，通过光波分复用器经所述的光纤链路发送返回本地端，称为后向探测信号；

3)本地端将被传递频率信号与经光纤链路返回的包含光纤链路相位噪声的后向探测信号经混频、滤波得到相位共轭信号，将该相位共轭信号调制到波长为λ₃的光载波上，称为前向相位共轭信号，经光波分复用器发送到光纤链路上；

4)在光纤链路的用户端，通过光耦合器、光学滤波和光电探测后从光纤链路上接收调制到波长为λ₃的光载波上的前向相位共轭信号和调制到波长为λ₂的光载波上的后向探测信号，通过混频、滤波得到稳定的频率信号；

5)所述的远端将接收到调制到波长为λ₃的光载波的前向相位共轭信号和调制到波长为λ₁的光载波上的前向探测信号经混频、滤波得到稳定的频率信号。

2.根据权利要求1所述的高精度分布式光纤频率传递方法，其特征在于，所述的步骤4)的具体步骤如下：

①在光纤链路的任意节点处的用户端通过2×2光耦合器耦合出沿链路传输的部分前向光信号和后向光信号；

②通过光滤波器从耦合出的前向光信号中提取波长为λ₃的光信号，从耦合出的后向光信号中提取波长为λ₂的光信号，并分别通过光电探测器得到前向相位共轭信号和后向探测信号；

③将获得的前向相位共轭信号和后向探测信号经混频、滤波输出频率为f的稳定的频率信号。