CN107425915A - 高精度主动式光纤微波频率传递系统 - Google Patents

高精度主动式光纤微波频率传递系统 Download PDF

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Abstract

一种高精度主动式光纤微波频率传递系统，包括本地端、光纤链路和远端，本地端与远端通过光纤链路连接；本地端发送前向信号，远端接收前向信号并返回本地端，本地端将待传递频率信号与后向信号进行处理，驱动发送的前向信号与单向光纤链路引入的相位抖动共轭。远端接收到的前向信号即为稳定微波频率信号。本发明通过变频的方法避免了后向散射噪声的影响，提高信噪比，有利于频率传递短期稳定性的提高；同时前后传递同纤同波，消除了使用波分复用引入的波长不对称性，避免波长间隔对频率传递长期稳定性的影响。

Description

高精度主动式光纤微波频率传递系统
技术领域
本发明涉及光纤时间频率传递技术领域，具体是一种高精度主动式光纤微波频率传递系统。
背景技术
时间频率作为一个基本物理量，在深空科学研究、基本物理常数测定和高精度时钟标准分布等领域有着广泛的应用。近年来，各国家(尤其是发达国家)对相关高新技术投入巨资，以支持其发展。而随着新技术的应用，现有频标的指标不断提升，其性能大约7～10年提高一个量级，目前最好的微波时钟参考源是基于铯的原子钟，其频率长期不稳定性在10-16量级。高稳定度的原子钟的原理较为复杂、尺寸较大，无法便携搬运，且价格昂贵，所以除了高稳定度的频率基准外，还需有超稳定的频率传递方法。
现有长距离时间频率信号传递方式主要有GPS共视法时间频率传递方式、GPS载波相位法时间频率传递方式和卫星双向法时间频率传输方式。GPS共视法的长期稳定性为5×10-14/day,GPS载波相位法以及双向卫星法的长期稳定性为2×10-15/day。这显然不能满足远距离高稳定时钟的要求，在此背景下，使用光纤进行频率传递的方法应运而生。光纤具有损耗低、受外界环境影响小、高带宽、稳定性高等优点，是高稳定时钟传递的理想媒介。此外，目前的光纤通信网路十分发达，并且光纤大部分埋藏在地下，十分适合高稳定的频率信号的传递。
如果基于光纤的传递系统稳定性比高稳定的原子钟差，那么用户收到的频率信号是被恶化的。而光纤链路容易受到外界环境(如温度、振动)等的影响，会对传递的频率信号附加相位噪声，恶化频率信号的稳定性，因此要对光纤链路引入的相位噪声进行补偿。通常的方法是用环路法测得光纤链路引入的相噪，然后采用主动或被动的方式进行信号变换，得到相位共轭信号进行传递，这样在接收端得到的信号是相对纯净的。但是采用环路法有一定的问题，光在光纤链路前后向传输时会有后向散射的问题，目前解决的方法是采用波分复用的方式使用多个波长的光载波进行传递，然后在接收端通过光滤波器滤出对应的光载波，这样的方法在短距离传递信号时有很好的效果。然而不同波长光载波传输时会引起前后传递时延的不对称，在传递距离增长或温度变化较大时会影响频率的信号的长期稳定性。
一种简单的方式是使用不同波长的光传到不同的用户端，但这样一方面需要多信道的光信号，另一方面会引起前面所述的传递时延的不对称性。所以能够实现同纤同波且避免后向散射影响的频率传递方案具有重要的研究价值和应用前景。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种高精度光纤微波频率传递系统与方法。
本发明原理如下：
将前向信号传递到远端，使用环路法在本地端测得光纤链路引入的相位噪声，然后通过相位补偿模块驱动传递的前向信号为相位共轭信号。在远端，提取出从本地端传递的前向信号即为稳定的频率信号，分为两路，一路作为后向信号返回本地端，另一路给用户使用。其中传递的前向信号和后向信号均可通过信号变换，使前后向传递不同频率的微波信号，在接收端进行逆变换。这样由于本地端和远端传递的微波信号均不同，两端可以使用同一种光载波进行传递。使用同纤同波进行传递，保证了前后向传输时延的对称性，避免了传递不同波长对长期稳定性的影响；同时通过电滤波的方法将前后向传递的不同频率信号区分开来，避免了后向散射的影响。
本发明的技术解决方案如下：
一种高精度主动式光纤微波频率传递系统，该系统包括本地端、光纤链路和远端，本地端与远端通过光纤链路连接；
所述的本地端包括相位补偿模块，被传递的频率信号输入所述相位补偿模块的第一输入端，该相位补偿模块的输出端接第一功率分配器模块输入端，该第一功率分配器模块的第一输出端经第一信号变换模块、第一电光调制模块与第一环形器模块的输入端相连，该第一环形器模块的第三端口经所述的光纤链路与所述的远端第二环形器模块第三端口相连，所述的第一环形器模块的输出端经第一电光接收模块与所述的相位补偿模块的第二输入端相连，所述的第一功率分配器模块的第二输出端接所述的相位补偿模块的第三输入端；
所述的远端包括第二环形器模块，第二环形器模块的输出端经第二光电接收模块、第二信号变换模块与第二功率分配器模块的输入端相连，该第二功率分配器模块的第一输出端经第二电光调制模块接所述的第二环形器模块的输入端，所述的二环形器模块的第三端口经所述的光纤链路与所述的本地端的第一环形器模块的第三端口相连，所述的第二功率分配器模块的第二输出端为远端接收信号的输出端。
另一方式：一种高精度主动式光纤微波频率传递系统，该系统包括本地端、光纤链路和远端，本地端与远端通过光纤链路连接；
所述的本地端包括相位补偿模块，被传递的频率信号输入相位补偿模块的第一输入端，该相位补偿模块的输出端接第一功率分配器模块输入端，该第一功率分配器模块的第一输出端经第一电光调制模块与第一环形器模块的输入端相连，该第一环形器模块的第一输出端经所述的光纤链路与所述的远端第二环形器模块第一输入端相连，所述的第一环形器模块的第二输出端经第一电光接收模块、第三信号变换模块与所述的相位补偿模块的第二输入端相连，所述的第一功率分配器模块的第二输出端接所述的相位补偿模块的第三输入端；
所述的远端包括第二环形器模块，第二环形器模块的输出端经第二光电接收模块与第二功率分配器模块的输入端相连，该第二功率分配器模块的第一输出端经第四信号变换模块、第二电光调制模块接所述的二环形器模块的第二输入端，所述的第二环形器模块的第二输出端经所述的光纤链路与所述的本地端的第一环形器模块的第二输入端相连，所述的第二功率分配器模块的第二输出端为远端接收信号的输出端。
优选的，所述的第一信号变换模块和第四信号变换模块均包括第一混频器和带阻滤波器，输入的待传递信号fR和本振信号fL依次经第一混频器和带阻滤波器输出频率为fL+fR和fL-fR的双边带信号；
所述的第二信号变换模块和第三信号变换模块均包括第三功率分配器、第一电滤波器、第二混频器、第二电滤波器、第三电滤波器和二分频器，所述第三功率分配器的第一输出端与第一电滤波器的输入端相连，该第一电滤波器的输出端与第二混频器的第一输入端相连，第三功率分配器的第二输出端与第二电滤波器的输入端相连，该第二电滤波器的输出端与第二混频器的第二输入端相连，该第二混频器的输出端与第三电滤波器的输入端相连，第三电滤波器的输出端与二分频器的输入端相连；输入信号经第三功率分配器、第一电滤波器和第二电滤波器分别滤出频率为fL+fR和fL-fR的信号，经过第二混频器、和第三电滤波器取和频，然后通过二分频器，得到频率为fR的信号。
优选的，所述的第一信号变换模块和第四信号变换模块均包括第四功率分配器、第三混频器、第四电滤波器和电耦合器，所述的第四功率分配器的第一输出端与所述第三混频器的第二输入端相连，该第三混频器的输出端经第四电滤波器与电耦合器的第一输入端相连，所述的第四功率分配器的第二输出端和电耦合器的第二输入端相连；本振信号fL经第四功率分配器分为两路，一路和输入的待传递信号fR依次经第三混频器和第四电滤波器进入电耦合器，另一路直接输入电耦合器，经电耦合器，输出频率为fL+fR和fL的信号；
所述的第二信号变换模块和第三信号变换模块包括第五功率分配器、第四混频器、第五电滤波器、第六电滤波器和第七电滤波器，所述第五功率分配器的第一输出端与第五电滤波器的输入端相连，该第五电滤波器的输出端与第四混频器的第一输入端相连，第五功率分配器的第二输出端与第六电滤波器的输入端相连，该第六电滤波器的输出端与第四混频器的第二输入端相连，该第四混频器的输出端与第七电滤波器的输入端相连；输入信号经第五率分配器、第四滤波器和第五滤波器分别滤出频率为fL+fR和fL的信号，经过第四混频器进行混频，并经第七电滤波器取差频，得到频率为fR的信号。
优选的，所述的第一信号变换模块和第四信号变换模块均包括第六功率分配器、第五混频器、第八电滤波器和电耦合器，所述的第六功率分配器的第一输出端与所述第五混频器的第二输入端相连，该第五混频器的输出端经第八电滤波器与电耦合器的第一输入端相连，所述的第六功率分配器的第二输出端和电耦合器的第二输入端相连；本振信号fL经第六功率分配器分为两路，一路和输入的待传递信号fR依次经第五混频器和第八电滤波器进入电耦合器，另一路直接输入电耦合器，经电耦合器，输出频率为fR-fL和fL的信号；
所述的第二信号变换模块和第三信号变换模块包括第七功率分配器、第六混频器、第九电滤波器、第十电滤波器和第十一电滤波器，所述第七功率分配器的第一输出端与第九电滤波器的输入端相连，该第九电滤波器的输出端与第六混频器的第一输入端相连，第七功率分配器的第二输出端与第十电滤波器的输入端相连，该第十电滤波器的输出端与第六混频器的第二输入端相连，该第六混频器的输出端与第十一电滤波器的输入端相连；输入信号经第七率分配器、第九滤波器和第十滤波器分别滤出频率为fR-fL和fL的信号，经过第六混频器进行混频，并经第十一电滤波器取和频，得到频率为fR的信号。
本发明具有以下优点：
1、本发明通过信号变换实现前后传递的频分复用，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、本发明双向传递采用同一个波长的光载波，保证了链路双向传递的对称性。
附图说明
图1是本发明高精度主动式光纤微波频率传递系统实施例1的结构框图。
图2是本发明高精度主动式光纤微波频率传递系统实施例2的结构框图。
图3A、3B、3C分别是本发明高精度主动式光纤微波频率传递系统中第一信号变换模块和第四信号变换模块三种优选方案的结构示意图。
图4A、4B、4C分别是本发明高精度主动式光纤微波频率传递系统中第二信号变换模块和第三信号变换模块三种优选方案的结构示意图。
图5是本发明高精度主动式光纤微波频率传递系统实施例1的本地端框图。
图6是本发明高精度主动式光纤微波频率传递系统实施例1的远端结构框图。
图7A、7B、7C分别是本发明高精度主动式光纤微波频率传递系统实施例1中第一信号变换模块三种优选方案的结构示意图。
图8A、8B、8C分别是本发明高精度主动式光纤微波频率传递系统实施例1中第二信号变换模块三种优选方案的结构示意图。
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。由于本发明的形式一和形式二在结构上类似，故实施例以本发明形式一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。
请先参阅图1，图1是本发明高精度主动式光纤微波频率传递系统实施例1的结构框图，在本地端，如图5所示，被传递的频率为f的信号I进入相位补偿模块1-1，输出信号II,信号II接至功率分配器1-2分为两路，一路信号III，另一路信号IV。其中信号IV反馈到相位补偿模块1-1，信号III送入第一信号变换模块1-3，第一信号变换模块中包含本振1，本振1输出频率为f1的信号V，信号IV和信号V经过信号处理，输出信号VI。信号VI经过送入电光调制模块1-4，调制到波长为λ的光载波上，通过环形器1-5连入光纤链路。光电接收模块1-6提取出从远端返回的后向信号VII，和功率分配器1-2输出的另一路信号IV输入至相位补偿模块1-1，驱动信号VI为单向光纤链路引入的抖动相共轭，传递到远端。
在远端，如图6，通过环形器3-1和第二光电探测模块3-2探测出前向信号，送入第二信号变换模块3-3，恢复出频率为f的信号VIII,将信号VIII通过第三功率分配器3-4分为两路，分别为信号IX和信号X。其中信号IX经过第二电光调制模块3-5调制到波长同为λ的光载波上，通过第二环形器3-1连入光纤链路，返回本地端。第三功率分配器3-4输出的另一路信号X为远端得到的稳定的微波频率信号。
下面针对信号变换器输出信号的三种优选方式，对本地端第一信号变换模块和远端第二信号变换模块的具体实施方式进行说明。
第一种，针对第一信号变换模块输入待传递信号fR，信号变换中包含频率为fL的本振，信号变换输出频率为fL+fR和fL-fR的双边带信号时，本地端的第一信号变换模块和远端第二信号变换模块具体实施方式见图7-A和图8-A。在本地端进行第一信号变换时，本振信号fL和待传递信号fR经过第一混频器、带阻滤波器，滤除频率为fR的信号，输出为fL+fR和fL-fR的双边带信号。在远端相应的第二信号变换模块，将第一电滤波器和第二电滤波器滤出的频率为fL+fR的信号和频率为fL-fR的信号用第二混频器进行混频，用第三电滤波器滤波器取和频，然后二分频，得到频率为fR的信号。
第二种，针对第一信号变换模块输入待传递信号fR，信号变换中包含频率为fL的本振，信号变换输出频率为fL+fR和fL的信号时，本地端的第一信号变换模块和远端第二信号变换模块具体实施方式见图7B和图8B。在本地端进行第一信号变换时，本振信号fL经第四功率分配器分为两路，一路和待传递信号fR经过第三混频器进行混频并经第四电滤波器，输出频率为fL+fR的信号；第四功率分配器输出的另一路信号和第四电滤波器输出的fL+fR信号进入电耦合器，输出频率为fL+fR和fL的信号。在远端相应的第二信号变换模块，将第五电滤波器和第六电滤波器滤出的频率为fL+fR的信号和频率为fL的信号用第四混频器进行混频，用第六电滤波器滤波取差频，得到频率为fR的信号。
第三种，针对第一信号变换模块输入待传递信号fR，信号变换中包含频率为fL的本振，信号变换输出频率为fL+fR和fL的信号时，本地端的第一信号变换模块和远端第二信号变换模块具体实施方式见图7C和图8C。在本地端进行第一信号变换时，本振信号fL经第六功率分配器分为两路，一路和待传递信号fR经过第五混频器进行混频并经第二电滤波器，输出频率为fR-fL的信号；第六功率分配器输出的另一路信号和第八电滤波器输出的fL信号进入电耦合器，输出频率为fR-fL和fL的信号。在远端相应的第二信号变换模块，将第九电滤波器和第十电滤波器滤出的频率为fR-fL的信号和频率为fL的信号用第六混频器进行混频，用第十一电滤波器滤波取差频，得到频率为fR的信号。
经试验表明，本系统本地端发送前向信号，远端接收前向信号并返回本地端，本地端将待传递频率信号与后向信号进行处理，驱动发送的前向信号与单向光纤链路引入的相位抖动共轭。远端接收到的前向信号即为稳定微波频率信号。通过变频的方法避免了后向散射噪声的影响，提高信噪比，有利于频率传递短期稳定性的提高；同时前后传递同纤同波，消除了使用波分复用引入的波长不对称性，避免波长间隔对频率传递长期稳定性的影响。
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 (5)

1.一种高精度主动式光纤微波频率传递系统，该系统包括本地端(1)、光纤链路(2)和远端(3)，本地端(1)与远端(3)通过光纤链路(2)连接；
所述的本地端(1)包括相位补偿模块(1-1)，被传递的频率信号输入该相位补偿模块(1-1)的第一输入端，该相位补偿模块(1-1)的输出端接第一功率分配器模块(1-2)输入端，该第一功率分配器模块(1-2)的第一输出端经第一信号变换模块(1-3)、第一电光调制模块(1-4)与第一环形器模块(1-5)的输入端相连，该第一环形器模块(1-5)的第三端口经所述的光纤链路(2)与所述的远端(3)第二环形器模块(3-1)第三端口相连，所述的第一环形器模块(1-5)的输出端经第一电光接收模块(1-6)与所述的相位补偿模块(1-1)的第二输入端相连，所述的第一功率分配器模块(1-2)的第二输出端接所述的相位补偿模块(1-1)的第三输入端；
所述的远端(3)包括第二环形器模块(3-1)，第二环形器模块(3-1)的输出端经第二光电接收模块(3-2)、第二信号变换模块(3-3)与第二功率分配器模块(3-4)的输入端相连，该第二功率分配器模块(3-4)的第一输出端经第二电光调制模块(3-5)接所述的第二环形器模块(3-1)的输入端，所述的二环形器模块(3-1)的第三端口经所述的光纤链路(2)与所述的本地端(1)的第一环形器模块(1-5)的第三端口相连，所述的第二功率分配器模块(3-4)的第二输出端为远端接收信号的输出端。
2.一种高精度主动式光纤微波频率传递系统，该系统包括本地端(1)、光纤链路(2)和远端(3)，本地端(1)与远端(3)通过光纤链路(2)连接；
所述的本地端(1)包括相位补偿模块(1-1)，被传递的频率信号输入该相位补偿模块(1-1)的第一输入端，该相位补偿模块(1-1)的输出端接第一功率分配器模块(1-2)输入端，该第一功率分配器模块(1-2)的第一输出端经第一电光调制模块(1-4)与第一环形器模块(1-4)的输入端相连，该第一环形器模块(1-5)的第一输出端经所述的光纤链路(2)与所述的远端(3)第二环形器模块(3-1)第一输入端相连，所述的第一环形器模块(1-4)的第二输出端经第一电光接收模块(1-6)、第三信号变换模块(1-7)与所述的相位补偿模块(1-1)的第二输入端相连，所述的第一功率分配器模块(1-2)的第二输出端接所述的相位补偿模块(1-1)的第三输入端；
所述的远端(3)包括第二环形器模块(3-1)，该第二环形器模块(3-1)的输出端经第二光电接收模块(3-2)与第二功率分配器模块(3-3)的输入端相连，该第二功率分配器模块(3-4)的第一输出端经第四信号变换模块(3-6)、第二电光调制模块(3-5)接所述的二环形器模块(3-1)的第二输入端，所述的第二环形器模块(3-1)的第二输出端经所述的光纤链路(2)与所述的本地端(1)的第一环形器模块(1-5)的第二输入端相连，所述的第二功率分配器模块(3-4)的第二输出端为远端接收信号的输出端。
3.根据权利要求1或2所述的高精度主动式光纤微波频率传递系统，其特征在于，所述的第一信号变换模块(1-3)和第四信号变换模块(3-6)均包括第一混频器和带阻滤波器，输入的待传递信号fR和本振信号fL依次经第一混频器和带阻滤波器输出频率为fL+fR和fL-fR的双边带信号；
所述的第二信号变换模块(3-3)和第三信号变换模块(1-7)均包括第三功率分配器、第一电滤波器、第二混频器、第二电滤波器、第三电滤波器和二分频器，所述第三功率分配器的第一输出端与第一电滤波器的输入端相连，该第一电滤波器的输出端与第二混频器的第一输入端相连，第三功率分配器的第二输出端与第二电滤波器的输入端相连，该第二电滤波器的输出端与第二混频器的第二输入端相连，该第二混频器的输出端与第三电滤波器的输入端相连，第三电滤波器的输出端与二分频器的输入端相连；输入信号经第三功率分配器、第一电滤波器和第二电滤波器分别滤出频率为fL+fR和fL-fR的信号，经过第二混频器和第三电滤波器取和频，然后通过二分频器，得到频率为fR的信号。
4.根据权利要求1或2所述的高精度主动式光纤微波频率传递系统，其特征在于，所述的第一信号变换模块(1-3)和第四信号变换模块(3-6)均包括第四功率分配器、第三混频器、第四电滤波器和电耦合器，所述的第四功率分配器的第一输出端与所述第三混频器的第二输入端相连，该第三混频器的输出端经第四电滤波器与电耦合器的第一输入端相连，所述的第四功率分配器的第二输出端和电耦合器的第二输入端相连；本振信号fL经第四功率分配器分为两路，一路和输入的待传递信号fR依次经第三混频器和第四电滤波器进入电耦合器，另一路直接输入电耦合器，经电耦合器，输出频率为fL+fR和fL的信号；
所述的第二信号变换模块(3-3)和第三信号变换模块(1-7)包括第五功率分配器、第四混频器、第五电滤波器、第六电滤波器和第七电滤波器，所述第五功率分配器的第一输出端与第五电滤波器的输入端相连，该第五电滤波器的输出端与第四混频器的第一输入端相连，第五功率分配器的第二输出端与第六电滤波器的输入端相连，该第六电滤波器的输出端与第四混频器的第二输入端相连，该第四混频器的输出端与第七电滤波器的输入端相连；输入信号经第五率分配器、第四滤波器和第五滤波器分别滤出频率为fL+fR和fL的信号，经过第四混频器进行混频，并经第七电滤波器取差频，得到频率为fR的信号。
5.根据权利要求1或2所述的高精度主动式光纤微波频率传递系统，其特征在于，所述的第一信号变换模块(1-3)和第四信号变换模块(3-6)均包括第六功率分配器、第五混频器、第八电滤波器和电耦合器，所述的第六功率分配器的第一输出端与所述第五混频器的第二输入端相连，该第五混频器的输出端经第八电滤波器与电耦合器的第一输入端相连，所述的第六功率分配器的第二输出端和电耦合器的第二输入端相连；本振信号fL经第六功率分配器分为两路，一路和输入的待传递信号fR依次经第五混频器和第八电滤波器进入电耦合器，另一路直接输入电耦合器，经电耦合器，输出频率为fR-fL和fL的信号；
所述的第二信号变换模块(3-3)和第三信号变换模块(1-7)包括第七功率分配器、第六混频器、第九电滤波器、第十电滤波器和第十一电滤波器，所述第七功率分配器的第一输出端与第九电滤波器的输入端相连，该第九电滤波器的输出端与第六混频器的第一输入端相连，第七功率分配器的第二输出端与第十电滤波器的输入端相连，该第十电滤波器的输出端与第六混频器的第二输入端相连，该第六混频器的输出端与第十一电滤波器的输入端相连；输入信号经第七率分配器、第九滤波器和第十滤波器分别滤出频率为fR-fL和fL的信号，经过第六混频器进行混频，并经第十一电滤波器取和频，得到频率为fR的信号。
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