CN108011667B - 变频补偿微波频率传递系统及方法 - Google Patents

变频补偿微波频率传递系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种变频补偿微波频率传递系统及方法，经过相位预补偿的微波发射信号加载于激光信号，利用光纤传递到远端，远端通过探测恢复出与本地端微波参考频率信号同步的频率信号；具体过程中，本地信号传至远端后，远端探测信号经过变频后回传本地端，回传信号上包含了光纤链路上引入的相位噪声，回传信号和本地发射信号分别与本地参考信号混频并比较得到预补偿量，以该补偿量控制产生发射信号的晶振，完成高精度频率传递的相位补偿。与现有频率传递的主要区别是本地端发射和远地端回传的信号频率不同，避免了两端站点强信号对探测接收弱信号的相位干扰，进一步提升了频率传递稳定度。

Description

变频补偿微波频率传递系统及方法
技术领域
本发明涉及光纤时间频率传递技术领域，特别是涉及一种变频补偿微波频率传递系统及方法。
背景技术
传递频率标准的方式有很多，传统的频率传递方式主要是自由空间传播，包括短波授时、长波授时、GPS等。光纤频率传递是一种新兴的基于光纤的高精度频率信号传递技术，该技术利用通信光纤作为频率信号的传递信道，可以传递时间、微波频率和光学频率等多种时间频率信号，具有高精度、噪声低、损耗小、信道资源丰富等优点，频率传递稳定度远远优于目前广泛应用的卫星授时技术，初步应用于科学研究及工程技术领域。
当加载标准微波频率的光信号沿光纤传递时，光纤受到外界环境(如温度、湿度、应力、震动等)变化的影响从而使得光载波传递的时间延迟发生改变，导致标准频率传递稳定度恶化。采用测量往返传递信号的相位变化，并进行实时相位补偿，可以大幅提高传输频率信号的稳定度。现有光纤微波频率传递方案均为在一条光纤链路上往返传递同一信号，在弱信号探测时容易受到本地同频强信号干扰。
发明内容
本发明的目的在于提供一种变频补偿微波频率传递系统及方法，以解决上述技术问题。本发明利用变频器使本地和远端站点工作频率不同，能够解决站点内的强信号对探测接收的微弱信号干扰的问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
变频补偿微波频率传递系统，包括：本地端、光纤链路和远地端；本地端和远地端通过光纤链路连接；本地端包括第一功率分配器、第一混频器、第一分频器、第二混频器、第三混频器、环路滤波器、第二功率分配器、压控晶振、第一低噪声放大器、本地端激光器、第一电光调制器、第一光环形器和第一光电探测器；本地端激光器的输出端连接第一电光调制器的入光端口，第一电光调制器的出光端口连接第一光环形器的输入端口，第一光环形器的输出端口连接光纤链路一端；第一光环形器的反射端口连接第一光电探测器的输入端；第一光电探测器的输出端连接第一低噪声放大器的输入端，第一低噪声放大器的输出端连接第三混频器的第一输入端，第三混频器的输出端连接第二混频器的第一输入端，第二混频器的输出端连接环路滤波器的输入端，环路滤波器的输出端连接压控晶振的压控端口，压控晶振的输出端连接第二功率分配器的输入端，第二功率分配器的第一输出端连接第一电光调制器的调制端口；第二功率分配器的第二输出端第一混频器的第一输入端，第一混频器的输出端连接第一分频器的输入端，第一分频器的输出端连接第二混频器的第二输入端；第一功率分配器的输入端连接参考信号，第一功率分配器的两个输出端分别连接第二混频器的第二输入端和第三混频器的第二输入端。
进一步的，远地端包括远地端激光器、第二电光调制器、第二光环形器、第二光电探测器、第二低噪声放大器和第二分频器；第二光环形器的输入端口连接光纤链路的另一端；远地端激光器的输出端连接第二电光调制器的入光端口，第二电光调制器的出光端口连接第二光环形器的输出端口；第二光环形器的反射端口连接第二光电探测器的输入端，第二光电探测器的输出端连接第二低噪声放大器的输入端，第二低噪声放大器的输出端连接第二分频器的输入端，第二分频器的输出端连接第二电光调制器的调制。
变频补偿微波频率传递方法，包括：
1)本地端发射信号EX(t)由压控晶振产生，经第二功率分配器分成两路，第二功率分配器的一路输入第一混频器与本地端参考信号Eref(t)混频并经过第一分频器变频得到近端混频信号E1(t)，第二功率分配器的另一路作为传递频率信号调制激光，再经第一光环形器馈入光纤链路发送至远端；
2)本地端所发送信号在远端经第二光环形器后由第二光电探测器接收，再利用第二低噪声放大器功率放大后经过第二分频器变频，变频比为Y/X，得到频率Y微波信号EY(t)，EY(t)信号调制加载到远地端激光载波上，经第二光环形器回传本地端；
3)回传信号在本地端经第一光环形器及第一低噪声放大器后与本地参考信号Eref(t)在第三混频器中混频，得到远端回传混频信号E2(t)，该信号包含传递信号在光纤链路上引入的相位噪声；
4)利用第二混频器将近端混频信号E1(t)和远端回传混频信号E2(t)模拟鉴相，得到对应光纤链路引入相位噪声的误差量，用环路滤波器滤除信号中的高频干扰成分后反馈控制压控晶振，完成微波传递的相位预补偿；
经过补偿的发射信号在远端恢复出与本地端参考信号Eref(t)相位同步的频率信号。
本发明中，经过相位预补偿的微波发射信号加载于激光信号，利用光纤传递到远端，远端通过探测恢复出与本地端微波参考频率信号同步的频率信号。具体过程中，远端探测信号经过分频器变频后加载到激光信号回传本地端，回传信号上包含了光纤链路上引入的相位噪声，该回传信号和本地发射信号分别与本地参考信号混频得到两个信号，两混频信号进入模拟鉴相器得到预补偿量，以该量控制产生发射信号的晶振，完成高精度频率传递的相位补偿。与现有频率传递的主要区别是本地端发射和远地端回传的信号频率不同，避免了两端站点强信号对探测接收弱信号的相位干扰，进一步提升了频率传递稳定度。
高精度变频补偿微波频率传递方法，本地端发射和远地端回传的信号频率不同，具体步骤如下：
a)本地发射信号EX(t)(频率X)调制激光向远端发射，远端接收并解调信号(频率X)，再通过分频器将接收的解调信号(频率X)转换为信号EY(t)(频率Y)，并将EY(t)信号调制激光回传本地端；
b)本地端探测到的回传信号Eback(t)(频率Y)上包含光纤链路上的相位噪声，回传信号Eback(t)和发射信号EX(t)分别与参考频率信号Eref(t)混频，并乘以与远端相应的分频比，得到E1(t)和E2(t)，E1(t)和E2(t)再次混频鉴相即可得到由于链路噪声需要再近端对发射信号的预补偿量；
经过补偿的发射信号可以在远端恢复出与本地端参考信号Eref(t)相位同步的频率信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明利用变频技术实现在光纤链路中往返传输的微波频率不同，使用同一波长的激光作为载波，避免由于不同波长传递的方法造成等效光路不对称带来的稳定度指标下降；
2)本发明利用变频技术实现在本地端和远地端所探测接收的弱信号与站内强信号频率不同，避免了由于必然存在的微波泄漏所造成的信号干扰，提高了频率传递可实现的稳定度指标极限。
本发明进一步提升光纤频率传递的性能和应用价值，满足不断发展的原子频标需求，将高稳定频率源信号高精度地传递到远距离用户端。
附图说明
图1是本发明变频补偿微波频率传递系统的结构框图；
图2是本地端的结构示意图；
图3是远地端的结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明一种变频补偿微波频率传递系统，包括：本地端1、光纤链路2和远地端3。本地端1和远地端3通过光纤链路2连接。
请参阅图2所示，本地端1包括第一功率分配器4、第一混频器5、第一分频器6、第二混频器7、第三混频器8、环路滤波器9、第二功率分配器10、压控晶振11、第一低噪声放大器12、本地端激光器13、第一电光调制器14、第一光环形器15和第一光电探测器16。
本地端激光器13的输出端连接第一电光调制器14的入光端口，第一电光调制器14的出光端口连接第一光环形器15的输入端口，第一光环形器15的输出端口连接光纤链路2一端；
第一光环形器15的反射端口连接第一光电探测器16的输入端；第一光电探测器16的输出端连接第一低噪声放大器12的输入端，第一低噪声放大器12的输出端连接第三混频器8的第一输入端，第三混频器8的输出端连接第二混频器7的第一输入端，第二混频器7的输出端连接环路滤波器9的输入端，环路滤波器9的输出端连接压控晶振11的压控端口，压控晶振11的输出端连接第二功率分配器10的输入端，第二功率分配器10的第一输出端连接第一电光调制器14的调制端口。
第二功率分配器10的第二输出端第一混频器5的第一输入端，第一混频器5的输出端连接第一分频器6的输入端，第一分频器6的输出端连接第二混频器7的第二输入端；
第一功率分配器4的输入端连接参考信号，第一功率分配器4的两个输出端分别连接第二混频器5的第二输入端和第三混频器8的第二输入端。
请参阅图3所示，远地端3包括远地端激光器17、第二电光调制器18、第二光环形器19、第二光电探测器20、第二低噪声放大器22和第二分频器21。
第二光环形器19的输入端口连接光纤链路2的另一端；远地端激光器17的输出端连接第二电光调制器18的入光端口，第二电光调制器18的出光端口连接第二光环形器19的输出端口；第二光环形器19的反射端口连接第二光电探测器20的输入端，第二光电探测器20的输出端连接第二低噪声放大器22的输入端，第二低噪声放大器22的输出端连接第二分频器21的输入端，第二分频器21的输出端连接第二电光调制器18的调制。
本发明一种变频补偿微波频率传递方法，包括以下步骤：
1)本地端发射信号EX(t)由压控晶振11产生，经第二功率分配器10分成两路，第二功率分配器10的一路输入第一混频器5与本地端参考信号Eref(t)混频并经过第一分频器6变频得到近端混频信号E1(t)，第二功率分配器10的另一路作为传递频率信号调制激光，再经第一光环形器15馈入光纤链路2发送至远端3；
2)本地端所发送信号在远端经第二光环形器19后由第二光电探测器20接收，再利用第二低噪声放大器22功率放大后经过第二分频器21变频，变频比为Y/X(远端和本地端传输频率之比)，得到频率Y微波信号EY(t)，EY(t)信号调制加载到远地端激光载波上，经第二光环形器19回传本地端；
3)回传信号在本地端经第一光环形器15及第一低噪声放大器12后与本地参考信号Eref(t)在第三混频器8中混频，得到远端回传混频信号E2(t)，该信号包含传递信号在光纤链路上引入的相位噪声；
4)利用第二混频器7将近端混频信号E1(t)和远端回传混频信号E2(t)模拟鉴相，得到对应光纤链路引入相位噪声的误差量，用环路滤波器9滤除信号中的高频干扰成分后反馈控制压控晶振11，完成微波传递的相位预补偿。
经过补偿的发射信号在远端恢复出与本地端参考信号Eref(t)相位同步的频率信号。

Claims (3)

1.变频补偿微波频率传递系统，其特征在于，包括：本地端(1)、光纤链路(2)和远地端(3)；本地端(1)和远地端(3)通过光纤链路(2)连接；
本地端(1)包括第一功率分配器(4)、第一混频器(5)、第一分频器(6)、第二混频器(7)、第三混频器(8)、环路滤波器(9)、第二功率分配器(10)、压控晶振(11)、第一低噪声放大器(12)、本地端激光器(13)、第一电光调制器(14)、第一光环形器(15)和第一光电探测器(16)；
本地端激光器(13)的输出端连接第一电光调制器(14)的入光端口，第一电光调制器(14)的出光端口连接第一光环形器(15)的输入端口，第一光环形器(15)的输出端口连接光纤链路(2)一端；第一光环形器(15)的反射端口连接第一光电探测器(16)的输入端；第一光电探测器(16)的输出端连接第一低噪声放大器(12)的输入端，第一低噪声放大器(12)的输出端连接第三混频器(8)的第一输入端，第三混频器(8)的输出端连接第二混频器(7)的第一输入端，第二混频器(7)的输出端连接环路滤波器(9)的输入端，环路滤波器(9)的输出端连接压控晶振(11)的压控端口，压控晶振(11)的输出端连接第二功率分配器(10)的输入端，第二功率分配器(10)的第一输出端连接第一电光调制器(14)的调制端口；
第二功率分配器(10)的第二输出端第一混频器(5)的第一输入端，第一混频器(5)的输出端连接第一分频器(6)的输入端，第一分频器(6)的输出端连接第二混频器(7)的第二输入端；
第一功率分配器(4)的输入端连接参考信号，第一功率分配器(4)的两个输出端分别连接第二混频器(5)的第二输入端和第三混频器(8)的第二输入端。
2.根据权利要求1所述的变频补偿微波频率传递系统，其特征在于，远地端(3)包括远地端激光器(17)、第二电光调制器(18)、第二光环形器(19)、第二光电探测器(20)、第二低噪声放大器(22)和第二分频器(21)；
第二光环形器(19)的输入端口连接光纤链路(2)的另一端；远地端激光器(17)的输出端连接第二电光调制器(18)的入光端口，第二电光调制器(18)的出光端口连接第二光环形器(19)的输出端口；第二光环形器(19)的反射端口连接第二光电探测器(20)的输入端，第二光电探测器(20)的输出端连接第二低噪声放大器(22)的输入端，第二低噪声放大器(22)的输出端连接第二分频器(21)的输入端，第二分频器(21)的输出端连接第二电光调制器(18)的调制。
3.变频补偿微波频率传递方法，其特征在于，基于权利要求2所述的变频补偿微波频率传递系统，包括：
1)本地端发射信号EX(t)由压控晶振(11)产生，经第二功率分配器(10)分成两路，第二功率分配器(10)的一路输入第一混频器(5)与本地端参考信号Eref(t)混频并经过第一分频器(6)变频得到近端混频信号E1(t)，第二功率分配器(10)的另一路作为传递频率信号调制激光，再经第一光环形器(15)馈入光纤链路(2)发送至远端(3)；
2)本地端所发送信号在远端经第二光环形器(19)后由第二光电探测器(20)接收，再利用第二低噪声放大器(22)功率放大后经过第二分频器(21)变频，变频比为Y/X，得到频率Y微波信号EY(t)，EY(t)信号调制加载到远地端激光载波上，经第二光环形器(19)回传本地端；
3)回传信号在本地端经第一光环形器(15)及第一低噪声放大器(12)后与本地参考信号Eref(t)在第三混频器(8)中混频，得到远端回传混频信号E2(t)，该信号包含传递信号在光纤链路上引入的相位噪声；
4)利用第二混频器(7)将近端混频信号E1(t)和远端回传混频信号E2(t)模拟鉴相，得到对应光纤链路引入相位噪声的误差量，用环路滤波器(9)滤除信号中的高频干扰成分后反馈控制压控晶振(11)，完成微波传递的相位预补偿；
经过补偿的发射信号在远端恢复出与本地端参考信号Eref(t)相位同步的频率信号。
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