CN109495169A - 一种光纤链路的大量程高精度时延测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光纤链路的大量程高精度时延测量装置和方法，该方法采用了计数脉冲信号的副载波调制，在保持时延一致性的条件下，使得计数脉冲信号与计数频率信号共存传输，并通过相位指示测量和相位精细测量相结合的方式，精确测得光纤链路的绝对时延及其时延变化。本发明克服了传统光纤链路时延测量方法中相位测量模糊和量程不足问题，时延测量精度可以达到0.1ps。其测量精度高，应用范围广泛，具有较强的实用价值。

Description

一种光纤链路的大量程高精度时延测量装置和方法

技术领域

本发明涉及一种光纤链路的测量装置和方法，尤其涉及一种光纤链路的大量程、高精度时延测量装置和方法。

背景技术

微波光子技术结合光子学技术与微波技术两大学科的优势，利用光子学手段产生、传输、处理和调控微波信号，具有大带宽、低损耗、高精度、抗干扰等优势，在通信、探测定轨、导航定位和电子对抗领域具有广泛地应用前景和巨大的军事价值。在微波光子应用中，对光纤链路延迟进行精确调控，完成宽带信号处理、相干探测等功能的实现。因此，光纤链路的高精度、大量程、在线延迟测量和动态补偿对于微波光子链路的应用极为重要。

对光纤链路中的光真时延的测量已有很多的研究，在先技术之一是通常采用结合天基时统手段的间接同步法，即在发射机和接收机各设置一个相同的高稳定度时钟(一般选用铷原子钟)，通过定期利用北斗系统校准时钟，用其作为时间基准实现多基地雷达天线组网的时间频率同步。该技术存在不足是精度受限，不能满足皮秒量级的相位测量调控要求。

在先技术之二是利用基于光纤链路的时间频率传递方法在终端直接产生相位同步的射频信号，该方案需要在主站针对每一个从站配置光纤链路延时测量、补偿、变频、滤波等系统，在站数较多时较为复杂。当射频信号为宽带时变时，对链路延时的宽带处理技术有较高的要求。

在先技术之三是时间间隔测量领域通常采用“粗细结合”的基本思想实现大量程、高精度测量，其中的“粗”测量通常利用脉冲法测量整数周期延迟，而利用相位测量法精细测量频率信号之间时延差，二者之和就是精确的时间间隔。但将该思想移植到光纤链路高精度延时测量领域却存在时频信号难以兼容一致等问题。

国内外在光纤链路延迟测量和补偿方面已经取得了相当多的研究成果。然而，目前时延测量方案的测量动态范围较小，还未达到毫秒量级的测量范围；时延波动补偿也仅实现光纤传输的时延稳定，无法同时实现时延精确测量，获得链路的绝对时延信息。此外，时频同传进行光纤链路时延测量时，存在频率信号频点较低而导致的测量分辨率不足，双波长传输时因色散导致的粗细测量拼接误差等问题。

发明内容

发明目的：针对光纤链路时延测量的大量程、高精度需求，为解决传统方法中测量分辨率不足和相位指示模糊问题，提供一种光纤链路精确的大量程真时延的测量装置。

本发明还旨在提供一种光纤链路精确的大量程真时延的测量方法。

技术方案：本发明的光纤链路的大量程高精度时延测量装置包括：精准频率源模块，经配置以产生同源同相的计数频率信号与参考脉冲信号；脉冲产生器，经配置以接收所述计数频率信号与参考脉冲信号并产生计数脉冲信号；副载波调制器，经配置以接收所述计数频率信号和计数脉冲信号，对计数频率信号倍频以产生高频副载波，并用高频负载波调制计数脉冲信号以产生副载波脉冲信号；激光器，用于接收所述副载波脉冲信号与所述计数频率信号的合路信号并产生光载波信号；光纤链路和放置在光纤链路末端的回传模块，所述光载波信号从经由光纤链路传送至回传模块并被回传；光分路器，用于将回传信号分成第一路信号和第二路信号；第一测量模块，包括第一光检测器、第一滤波器、脉冲恢复器和上升沿计数器；第一路信号被第一光检测器检测，经第一滤波器滤波，再经脉冲恢复器恢复后产生第一待测信号；上升沿计数器的信号输入端接收所述第一待测信号，且响应于所述计数脉冲信号的触发而计数；第二测量模块，包括第二光检测器、第二滤波器和鉴相器；第二路信号被第二光检测器检测，经第二滤波器滤波后产生第二待测信号；所述鉴相器接收并比较所述第二待测信号和所述计数频率信号，输出第二测量值；延迟计算单元，用于计算基于所述第一测量值和第二测量值计算光纤链路的时延。

进一步地，所述第一测量值为整数周期个数时延，所述第二测量值为不足整数周期的时延。

进一步地，所述光纤链路的往返时延为2τ＝N·T+△τ，其中τ为光纤链路的单向时延，N为时延整数周期个数，△τ为不足整数周期的时延，T为所述计数频率信号的一个整数周期。

本发明的光纤链路的大量程高精度时延测量方法包括如下步骤：(1)调整精准频率源模块，产生同源同相的计数频率信号与参考脉冲信号；(2)将所述计数频率信号与参考脉冲信号接入脉冲产生器，以产生计数脉冲信号；(3)对计数频率信号倍频产生高频副载波，并用高频负载波调制计数脉冲信号以产生副载波脉冲信号；(4)将计数频率信号与副载波脉冲信号合路，并用合路后的信号调制激光器，产生光载波信号；(5)在光纤链路末端架设回传模块，将光载波信号经由光纤链路传送至回传模块后再回传；(6)用光分路器将回传信号分成第一路信号和第二路信号；(7)将第一路信号依次通过第一光电检测器、第一滤波器和脉冲恢复器，产生第一待测信号；将第一待测信号和所述计数脉冲信号分别接入上升沿计数器的信号输入端和时钟输入端，产生第一测量值；(8)将第二路信号依次通过第二光电检测器和第二滤波器，产生第二待测信号；用鉴相器比较所述第二待测信号和所述计数频率信号，输出第二测量值；(9)第一测量值和第二测量值求和即为所测光纤链路的时延。

进一步地，所述第一测量值为整数周期个数时延，所述第二测量值为不足整数周期的时延。

进一步地，所述光纤链路的往返时延为2τ＝N·T+△τ，其中τ为光纤链路的单向时延，N为时延整数周期个数，△τ为不足整数周期的时延，T为所述计数频率信号的一个整数周期。

有益效果：与现有技术相比，本发明利用副载波调制技术将用于相位指示的计数脉冲信号和用于相位精细测量的频率信号混合传输，保持了两类信号的时延一致性，避免了传统方法中频率信号过低导致精细测量精度不足和时频信号时延不一致导致的相位指示模糊问题。本发明时延测量精度可以达到0.1ps，其测量精度高，应用范围广泛，硬件简单具有较强的实用价值。

附图说明

图1是本发明时延测量装置实施例1光路示意图；

图2是本发明时延计算原理示意图；

图3是本发明副载波调制原理示意图。

图中：标号1表示精准频率源模块；标号2表示脉冲产生器；标号3表示副载波调制器；标号4表示激光器；标号5表示光纤链路；标号6表示回传模块；标号7表示光分路器；标号8表示第一光电检测器；标号9表示第一滤波器；标号10表示脉冲恢复器；标号11表示上升沿计数器；标号12表示第二光电检测器2；标号13表示第二滤波器；标号14表示鉴相器；标号15表示延迟计算单元。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明。

如图1，本发明的时延测量装置包括精准频率源模块1、脉冲产生器2、副载波调制器3、激光器4、光纤链路5、架设在光纤链路5末端的回传模块6、光分路器7、第一测量模块、第二测量模块和延迟计算单元15。其中，第一测量模块包括第一光检测器8、第一滤波器9、脉冲恢复器10和上升沿计数器11。第二测量模块包括第二光检测器12、第二滤波器13和鉴相器14。

利用上述测量装置对光纤链路时延进行测量的具体步骤如下：

(1)调整200MHz精准频率源模块1，产生同源同相的200MHz计数频率信号与1PPS参考脉冲信号。

(2)将计数频率信号与参考脉冲信号接入脉冲产生器2，产生1PPS计数脉冲信号，用计数脉冲信号触发上升沿计数器11开始计数。

(3)将1PPS计数脉冲信号和计数频率信号输入副载波调制器3，计数频率信号在副载波调制器3中经倍频产生1.3GHz的高频副载波，再通过高频副载波调制计数脉冲信号获得副载波脉冲信号。

在此步骤中，通过对计数频率信号进行倍频，并用倍频后产生的高频副载波来调制计数脉冲信号可以保证产生的副载波脉冲信号、计数频率信号和高频副载波保持同源同相。同时，由于计数脉冲信号与光载波、200MHz计数频率信号的信道间隔会很小，不利于解调，因此这里采用高频副载波进行调制，可以使计数脉冲信号与200M计数频率信号互不串扰。

具体说来，计数脉冲信号的副载波调制原理可参见附图3。由于计数脉冲信号为秒脉冲，相当于周期为1s的方波信号，因而其傅里叶变换后的频谱由以sinc函数为包络的离散点组成的，其频率成分理论上会延伸至无穷远处与计数频率信号；而计数频率信号为连续的余弦信号，频谱为单频点。二者的频域关系如图3左侧所示。若不做任何处理，直接将计数脉冲信号与计数频率信号合并发送到终端站，由于调制过程存在非线性效应且在光电检测过程中光信号调制边带之间会进行差拍，使计数频率信号(对应fr)周围出现计数脉冲信号的分量，相当于将计数脉冲信号调制到了计数频率信号上。然而，计数脉冲信号的谱线间隔为1Hz，普通带通滤波器的通带宽度很难做到如此窄，即使部分研究中用伪随机码作为计数脉冲信号，其频率也在千赫兹量级，所以计数频率信号周围的干扰分量仍然很难被滤除，使计数频率信号的纯净度难以得到保证。另外，由于计数脉冲信号是基带信号，而计数频率信号的频点一般远高于其主体频谱范围，因此可以通过低通滤波恢复计数脉冲信号，而计数频率信号不会对其造成干扰。基于此，为防止频率为200Mhz的计数频率信号被计数脉冲信号干扰，先将计数脉冲信号(1PPS)用副载波调制到中频fy处,使二者交调后产生的干扰信号的中心频点从光载波信号的中心频率fo处转移至fo±fy处，以留出足够的频带宽度对计数频率信号进行滤波。但因副载波脉冲信号与基带秒脉冲信号有相同的频谱形状，其频带也是无限宽的，所以在频率信号周围理论上仍然会有频谱分量，虽然这些离中心频点较远的频率分量的功率较小，但在对频率信号性能要求较高的应用中这些干扰也不能被忽略。200Mhz的计数频率信号则不会被影响传递，二者实现互不干扰的情况。

(4)将副载波脉冲信号与200MHz计数频率信号合路，调制到一光载波信号后接入待测光纤链路5。

(5)在光纤链路5末端架设回传模块6，调整回传模块6的参数，将光载波信号回传至本地端。

(6)回传的光载波信号返回本地端经光分路器7分成两路，分别记为第一路信号和第二路信号。

(7)将第一路信号依次通过第一光电检测器8，第一滤波器9，经脉冲恢复器10恢复，获得第一待测信号；上升沿计数器11的信号输入端接收第一待测信号，在计数脉冲信号的触发下对第一待测信号进行计数，从而测量整数周期部分时延中包含的整数周期的个数N。

(8)将第二路信号依次通过第二光电检测器12、第二滤波器13，获得第二待测信号；使鉴相器14接收第二待测信号和计数频率信号，并对二者进行比较，测量非整数周期部分时延△τ的时延信息。

(9)第二部分不足一个整数周期T(50ns)的△τ时延部分，通过鉴相法测量相位差。其原理是将两个同频率信号之间的相位关系通过线性鉴相器转换为和它成线性关系的电压输出，通过输出电压随时间的变化关系得出两频率信号之间的相位差随时间的变化关系，最后利用后续所述公式由IF端的电压测量值推出相位差值。

假设鉴相器的本地端LO输入为频率标准信号A cos(ωt)，参考端RF输入为回传的的频率信号二者存在相位差RF端输出信号经过低通滤波后得到电压变化由于V(t)的幅度变化无法准确推导出相位差因此需要先使回传的频率信号中的经历2π的相位变化，此时测量值会分别出现最大值Vmax和最小值Vmin,通过的运算即可将C和D用已知的最大值和最小值表示。

V max＝C+D，

V min＝-C+D，

C＝(V max-V min)/2，

D＝(V max+V min)/2，

从而可由IF端的电压测量值推出相位差值为：

之后可采用数字采样技术进行后端分析处理从而获得精确相位差异。通过鉴相法测量相位差，将本地频率信号与返回信号之间的相位关系通过线性鉴相器转换为和它成线性关系的电压输出，通过输出电压随时间的变化关系得出两频率信号之间的相位差随时间的变化关系，最后计算出两频率信号之间的频率差，进而获得小于一个周期的时延τ。

(10)将两部分时延测量值：如图2，输入信号(即合路信号)开始传输时触发计数器开始计数，其中的副载波脉冲信号经过链路返回本地后使计数器截止，此时整数延迟部分测量得出，其中的计数频率信号经过链路返回本地后，与本地的200Mhz信号会有不到一个周期的相位差，即为△τ，△τ可通过鉴相分析出相位变化即可得到。将光纤链路的往返时延记为2τ(其中τ为光纤链路的单向时延)，那么2τ＝N·T+△τ，其中T为200MHz计数频率信号中一个整数周期的时间。

以上对本发明的具体实施例进行了描述和说明，这些实施例应被认为只是示例性的，并不用于对本发明进行限制，本发明应根据所附的权利要求进行解释。

Claims (6)

1.一种光纤链路的大量程高精度时延测量装置，其特征在于，包括：

精准频率源模块，经配置以产生同源同相的计数频率信号与参考脉冲信号；

脉冲产生器，经配置以接收所述计数频率信号与参考脉冲信号并产生计数脉冲信号；

副载波调制器，经配置以接收所述计数频率信号和计数脉冲信号，对计数频率信号倍频产生高频副载波，并用高频负载波调制计数脉冲信号以产生副载波脉冲信号；

激光器，用于接收所述副载波脉冲信号与所述计数频率信号的合路信号并产生光载波信号；

光纤链路和放置在光纤链路末端的回传模块，所述光载波信号从经由光纤链路传送至回传模块并被回传；

光分路器，用于将回传信号分成第一路信号和第二路信号；

第一测量模块，包括第一光检测器、第一滤波器、脉冲恢复器和上升沿计数器；第一路信号被第一光检测器检测，经第一滤波器滤波，再经脉冲恢复器恢复后产生第一待测信号；上升沿计数器的信号输入端接收所述第一待测信号，且响应于所述计数脉冲信号的触发而计数；

第二测量模块，包括第二光检测器、第二滤波器和鉴相器；第二路信号被第二光检测器检测，经第二滤波器滤波后产生第二待测信号；所述鉴相器接收并比较所述第二待测信号和所述计数频率信号，输出第二测量值；

延迟计算单元，用于计算基于所述第一测量值和第二测量值计算光纤链路的往返时延。

2.根据权利要求1所述的光纤链路的大量程高精度时延测量装置，其特征在于，所述第一测量值为整数周期个数时延，所述第二测量值为不足整数周期的时延。

3.根据权利要求1所述的光纤链路的大量程高精度时延测量装置，其特征在于，所述光纤链路的往返时延为2τ＝N·T+△τ，其中τ为光纤链路的单向时延，N为时延整数周期个数，△τ为不足整数周期的时延，T为所述计数频率信号的一个整数周期。

4.一种光纤链路的大量程高精度时延测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)调整精准频率源模块，产生同源同相的计数频率信号与参考脉冲信号；

(2)将所述计数频率信号与参考脉冲信号接入脉冲产生器，以产生计数脉冲信号；

(3)对计数频率信号倍频以产生高频副载波，并用高频负载波调制计数脉冲信号以产生副载波脉冲信号；

(4)将计数频率信号与副载波脉冲信号合路，并用合路后的信号调制激光器，产生光载波信号；

(5)在光纤链路末端架设回传模块，将光载波信号经由光纤链路传送至回传模块后再回传；

(6)用光分路器将回传信号分成第一路信号和第二路信号；

(7)将第一路信号依次通过第一光电检测器、第一滤波器和脉冲恢复器，产生第一待测信号；将第一待测信号和所述计数脉冲信号分别接入上升沿计数器的信号输入端和时钟输入端，产生第一测量值；

(8)将第二路信号依次通过第二光电检测器和第二滤波器，产生第二待测信号；用鉴相器比较所述第二待测信号和所述计数频率信号，输出第二测量值；

(9)第一测量值和第二测量值求和即为所测光纤链路的时延。

5.根据权利要求4所述的光纤链路的大量程高精度时延测量方法，其特征在于，所述第一测量值为整数周期个数时延，所述第二测量值为不足整数周期的时延。

6.根据权利要求4所述的光纤链路的大量程高精度时延测量方法，其特征在于，所述光纤链路的往返时延为2τ＝N·T+△τ，其中τ为光纤链路的单向时延，N为时延整数周期个数，△τ为不足整数周期的时延，T为所述计数频率信号的一个整数周期。