CN110429451B - 一种用于光电振荡器的模式跳模抑制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于光电振荡器的模式跳模抑制方法及系统。本方法为：鉴频鉴相器将低频参考振荡器的输出信号与双环结构点频光电振荡器经过分频器分频之后信号的信号进行比较，如果两者频差超过锁相环的最大牵引范围，则触发频率控制环启动工作；频率控制环路生成控制信号并发送给双环结构点频光电振荡器的短环中的压控射频移相器，调谐双环结构点频光电振荡器的振荡频率，直到低频参考振荡器与分频器输出信号的频率差落在锁相环的牵引频率范围以内时触发频率控制环路停止工作。本发明基于一个频率控制环和锁相环实现对双环结构点频光电振荡器的跳模和频率漂移抑制，达到振荡频率的长期稳定。

Description

一种用于光电振荡器的模式跳模抑制方法及系统

技术领域

本发明涉及一种适用于光电振荡器的模式跳模抑制方法及系统。系统采用一个频率控制 环和一个锁相环，实现光电振荡器与参考振荡器的相位锁定，克服了由于光电振荡环路受环 境温度、振动等因素造成的模式跳模，属于微波光子学领域。

背景技术

光电振荡器是一种能够产生高频率微波与毫米波信号的新型微波振荡器。它具备极低相 位噪声、相位噪声几乎与频率无关以及频率宽带可调谐的特征，在高性能雷达系统、宽带无 线通信系统、宽带测试系统、深空探测等众多领域有着重要的应用价值。在光电振荡器环路 中，通过长光纤可以实现环路品质因数的提高，从而实现振荡信号相位噪声的降低。但是， 由于光电振荡器采用长光纤作为高品质因数谐振腔，最终的振荡频率受限于腔模。光电振荡 器的腔模是一系列离散的频率，腔模间隔一般在100kHz-1MHz量级。因此，一般是通过窄带 的电带通滤波器来实现单一振荡模式的选择。受限于微波谐振器的色散和损耗，高频微波带 通滤波器的3dB带宽很难小于1MHz，难以实现对光电振荡器单一振荡模式的选择，从而引 起了光电振荡器的多模振荡，导致了跳模问题。虽然可以采用多环结构、注入锁定结构等来 抑制多模振荡。但是，长光纤受外界温度和机械振动的影响，将会引起振荡环路腔长的变化。 当腔长发生变化之后，导致振荡信号频率的飘移，从而引起振荡模式的跳模。光电振荡器的 跳模问题限制了其在实际系统中的应用。

目前有许多公知的文献报道实现光电振荡器的多模振荡和模式跳模，包含多环结构、采 用温度不敏感光纤、采用恒温箱对光纤所处环境的温度进行稳定、基于单一锁相环的反馈结 构、基于注入锁定机制、基于同时采用单一锁相环和注入锁定的结构，以及采用超稳的原子 谱线等。通常，可以采用负反馈机制实现对光电振荡信号频率漂移的补偿，实现光电振荡频 率锁定在高频率稳定度的参考振荡器上。但是由于光电振荡器中的光纤随温度的变化，导致 腔模频率的变化，最终将会造成锁相环路的失锁，从而引起跳模。

发明内容

针对现有技术方案中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种适用于光电振荡器的 模式跳模的抑制方法及系统。本发明适用于实现高频率稳定的光电振荡器。

本方案是基于一个频率控制环和锁相环实现对双环结构点频光电振荡器的跳模和频率漂 移抑制，达到振荡频率的长期稳定。

本系统采用两段不同长度的标准单模光纤构成的双环结构点频光电振荡器，其中，长环 和短环中各加入一个压控射频移相器实现长环和短环的腔长控制。通过控制长环的腔长可实 现振荡频率在一个长环所决定的模式间隔内的连续调谐，通过控制短环的腔长可实现对长环 离散振荡模式的选择。

本系统采用一个锁相环和频率控制环实现振荡模式跳模的抑制。当双环结构点频光电振 荡器经过分频器分频之后信号的频率与低频参考振荡器频率差小于一个长环所决定的模式间 隔时，锁相环将双环结构点频光电振荡器的相位与参考信号的相位锁定在一起。当系统由于 跳模导致双环结构点频光电振荡器经过分频器分频之后信号与低频参考振荡器的频率差大于 一个长环所决定的模式间隔时，频率控制环中的交流检测模块将鉴频鉴相器输出的信号转换 成一直流电压，通过模数转换器采样该直流电压，最终将采样得到的直流电压传输给微处理 器，微处理器判断该直流电压是否大于0V，如果是等于0V，证明此时分频器输出的信号与 低频参考振荡器的频率是相同的，锁相环此时处于锁定状态。如果直流电压大于0V，表示分 频器输出的信号与低频参考振荡器的频率差大于一个长环所决定的模式间隔，此时微处理器 会生成幅度控制字，控制数模转换器生成周期性的锯齿波扫描电压，锯齿波扫描电压的最小 值为0V，最大值为短环中压控射频移相器的最大控制电压，该锯齿波电压提供给短环中的压 控射频移相器的输入，使得短环中的射频相移发生周期性的变化，从而周期性的改变双环光 电振荡器的短环的腔长，短环腔长的变化导致短环振荡模式频率的变化，只有当短环和长环 的振荡模式频率对准时，才能形成稳定的振荡模式。由于长环的振荡模式间隔小于短环的振 荡模式间隔，通过改变短环振荡模式的频率可以实现对长环所决定的振荡模式的选择。因此 当选择的振荡模式频率与参考信号的频率差小于一个长环所决定的模式间隔时，锁相环又能 将光电振荡器的相位和参考信号的相位锁定在一起，从而实现对模式跳模的抑制。

本发明的技术方案为：

一种用于光电振荡器的模式跳模抑制方法，其步骤包括：

鉴频鉴相器将低频参考振荡器的输出信号与双环结构点频光电振荡器经过分频器分频之 后信号的信号进行比较，如果两者频差超过锁相环的最大牵引范围，则触发频率控制环启动 工作；

频率控制环路生成控制信号并发送给双环结构点频光电振荡器的短环中的压控射频移相 器，调谐双环结构点频光电振荡器的振荡频率，直到低频参考振荡器与分频器输出信号的频 率差落在锁相环的牵引频率范围以内时触发频率控制环路停止工作。

进一步的，所述双环结构点频光电振荡器的两个环路的光电探测器输出端分别放置一压 控射频移相器，用于通过改变压控射频移相器的相移，实现两个环路的腔长变化，调谐长环 和短环中振荡模式的频率。

进一步的，通过一失锁检测模块触发频率控制环启动工作或停止工作；其中，失锁检测 模块包括依次连接的交流功率检测器件、模数转换器、微处理器，交流功率检测器件的输入 端与鉴频鉴相器的输出端连接，用于将鉴频鉴相器输出的交流正弦信号转换成为一直流电压 传输给模数转换器，模数转换器对该直流电压进行采样并传输给微处理器，微处理器判断采 样直流电压是否超过了设定阈值，如果超过设定阈值则微处理器控制发送幅度控制信号给数 模转换器，生成所述控制信号控制频率控制环启动工作。

进一步的，所述控制信号为周期性的锯齿波扫描电压；步进调谐的最小步进为所述双环 结构点频光电振荡器的长环的腔模间隔频率。

进一步的，所述锯齿波扫描电压的最小值为0V，最大值为射频移相器所能承受的最大控 制电压。

一种用于光电振荡器的模式跳模抑制系统，其特征在于，包括鉴频鉴相器、双环结构点 频光电振荡器和锁相环；其中

鉴频鉴相器的一输入端与低频参考振荡器的输出端连接，另一输入端经分频器与双环结 构点频光电振荡器的输出端连接，鉴频鉴相器的输出端与频率控制环连接；用于将低频参考 振荡器的输出信号与双环结构点频光电振荡器经过分频器分频之后信号的信号进行比较，如 果两者频差超过锁相环的最大牵引范围，则触发频率控制环启动工作；

频率控制环路，用于生成控制信号并发送给双环结构点频光电振荡器的短环中的压控射 频移相器，调谐双环结构点频光电振荡器的振荡频率，直到低频参考振荡器与分频器输出信 号的频率差落在锁相环的牵引频率范围以内时触发频率控制环路停止工作。

进一步的，所述双环结构点频光电振荡器的长环中的压控射频移相器与所述频率控制环 的环路滤波器连接；所述双环结构点频光电振荡器的合波器输出端依次经一射频带通滤波器、 若干级低噪声放大器与所述双环结构点频光电振荡器的微波定向耦合器一输入端连接，微波 定向耦合器的输出端与所述分频器连接。

进一步的，通过一失锁检测模块触发频率控制环启动工作或停止工作；其中，失锁检测 模块包括依次连接的交流功率检测器件、模数转换器、微处理器，交流功率检测器件的输入 端与鉴频鉴相器的输出端连接，用于将鉴频鉴相器输出的交流正弦信号转换成为一直流电压 传输给模数转换器，模数转换器对该直流电压进行采样并传输给微处理器，微处理器判断采 样直流电压是否超过了设定阈值，如果超过设定阈值则微处理器控制发送幅度控制信号给数 模转换器，生成所述控制信号控制频率控制环启动工作。

进一步的，所述控制信号为周期性的锯齿波扫描电压；步进调谐的最小步进为所述长环 的腔模间隔频率。

与现有技术相比，本发明的积极效果：

1、本方案相比于单一锁相环结构的方法，克服了模式跳模导致的锁相环路失锁问题，在 锁相环路失锁的情况下，可以通过频率控制环使得光电振荡器的相位重新与参考振荡器的相 位锁定，达到振荡频率的自校准，实现振荡频率的长期稳定。

2、本方案相比于多环结构光电振荡器的方案，克服了光纤受温度变化导致的模式跳模， 即便在环境温度变化大的情况下，系统所采用的频率控制环和锁相环能够让光电振荡器的频 率一直保持与参考信号振荡频率一致。

3、本系统相比于采用温度不敏感光纤的方法，克服了环境震动所造成的模式跳模，同时 还降低了系统的复杂度和成本。

4、本系统相比于采用光纤恒温的方法，降低了系统功耗和体积，同时也克服了环境震动 所造成的模式跳模。

附图说明

图1为本发明方案的系统架构图；

图2为本发明方案的系统结构图；

图3为本发明方案的工作原理图；

图4为本发明方案的实验结果图；

(a)为结构图2中在锁定之前的电谱结果图；

(b)为结构图2中在锁定之后的电谱结果图；

(c)为结构图2中在锁相过程中的射频频率瞬态结果图；

(d)为结构图2中在锁相过程中的射频相位瞬态结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的方案进行进一步详细描述。

本发明的方案系统架构如图1所示。系统中包含两个振荡器和两个反馈控制环路。两个 振荡器分别为低频参考振荡器和双环结构点频光电振荡器；两个反馈控制环路分别为频率控 制环和锁相环。通过两个反馈环路，最终实现参考振荡器与双环结构点频光电振荡器的相位 同步。双环结构点频光电振荡器的频率可以通过振荡环路中的短环腔长的改变来实现步进调 谐，其最小步进为光电振荡器的长环腔模间隔频率，同时还可以通过改变振荡环路长环的腔 长实现频率连续调谐。

整个系统实现参考振荡器与光电振荡器相位同步的工作过程如下：首先，鉴频鉴相器将 会比较低频参考振荡器和双环结构点频光电振荡器经过分频器分频之后信号的频率和相位， 如果两者频差超过了锁相环的最大牵引范围时，失锁检测模块(由图2中的交流功率检测器 件、模数转换器以及微处理器构成)触发频率控制环启动工作。频率控制环路中的微处理器 控制数模转换器生成周期性的锯齿波扫描电压，锯齿波扫描电压的最小值为0V，最大值为射 频移相器所能承受的最大控制电压。通过施加锯齿扫描控制电压给短环中的压控射频移相器， 可以调谐双环结构点频光电振荡器的振荡频率，直到低频参考振荡器与分频器输出信号的频 率差落在锁相环的牵引频率范围以内时，失锁检测模块触发频率控制环路停止工作。此时， 锁相环启动工作，锁相环通过施加反馈控制信号，调节双环结构点频光电振荡器的长环的腔 长，将分频器分频之后信号的相位与低频参考振荡器的相位锁定在一起。

本发明的方案具体实现结构如图2所示。光电振荡器采用双环结构实现，激光器输出连 续波激光，并且注入到电光强度调制器中，电光调制器的输出经过一个50：50的光耦合器分 成两束，两束光分别通过两段不同长度的标准单模光纤，两段光纤输出的光信号分别经过两 个光电探测器转换成电信号。两路光电探测器的输出通过合波器耦合在一起。三个低噪声放 大器补偿了光电振荡环路的损耗射频。第三级低噪声放大器的输出经过一个微波定向耦合器， 微波定向耦合器的其中一个输出反馈驱动电光调制器形成闭合的光电振荡回路。微波定向耦 合器的另外一个输出端的输出信号经过一个分频器，分频器的输出与低频参考振荡器通过鉴 频鉴相器进行相位比较。相比于公知的双环光电振荡器结构，本方案在两个环路的光电探测 器输出端分别放置了一个压控射频移相器。通过改变压控射频移相器的相移，可以实现两个 环路的腔长变化。通过改变两个环路的腔长，可以实现对长环和短环中振荡模式的频率调谐。 双环结构光电振荡器主要通过两类机制实现对单一振荡模式的选择，模式选择原图如图3所 示。第一类机制是窄带的带通电滤波器，第二类机制是双环路振荡模式的游标卡尺效应。通 过窄带带通电滤波器，可实现对短环路中单一振荡模式的选择。通过合理设计长环中光纤的 长度，可使得短环振荡模式的3dB带宽大于长环中振荡模式的模式间隔。此时，可以使得只 有一个长环振荡模式的频率能够和之前被带通电滤波器选择的短环振荡模式的频率对上，从 而实现了对长环中单一振荡模式的选择。为了实现双环结构点频光电振荡器振荡模式频率的 压控频率连续调谐性，可以通过改变长环中的射频相移实现。同时，通过控制短环中的射频 相移，可以使得短环的振荡模式的频率发生改变，从而实现光电振荡器频率的步进调谐。当 分频器输出信号的频率与低频参考振荡器的频率差落在锁相环的牵引范围之内时，锁相环可 以将光电振荡器的相位和参考振荡器的相位同步在一起。否则，鉴频鉴相器的输出可以控制 频率控制环的工作。如果鉴频鉴相器的输出为一交流正弦信号，这一交流正弦信号将会被频 率控制环中的交流功率检测器件转换成为一直流电压，模数转换器采样这一直流电压，并将 该直流电压传输给微处理器，如果模数转换器的采样直流电压超过了设定阈值0V，则微处理 器控制发送幅度控制信号给数模转换器，生成周期性的锯齿波扫描电压，从而使得频率控制 环启动工作。频率控制环中的交流功率检测和模数转换器模块能够检测到锁相环的失锁状态， 从而通过微处理器和数模转换器施加控制信号调节短环中的射频相移，使光电振荡器的频率 进行步进调谐，当分频器的输出信号与参考振荡器的频差落在锁相环的牵引范围之内时，又重新实现了光电振荡器的相位和参考振荡器的相位同步。频率控制环保证了光电振荡器在跳 模发生时，振荡频率的自校准。实现了系统输出频率的长时间稳定，并能够克服环境温度和 振荡所导致的频率跳模。

为了验证该方案的有效性，实验实现了固定点频的光电振荡器，并研究了频率锁定和相 位锁定的过程。在实验中，激光器的波长为1550nm，功率为17dBm，电光强度调制器的模 拟带宽为20GHz，采用的光纤长度分别为100米和2000米，两个光电探测器的带宽为20GHz， 两个压控射频移相器的移相范围为360度，工作频率为6GHz～15GHz，电带通滤波器的中心 频率为8.6GHz，带宽为10MHz，三个低噪声放大器的增益均为15dB，分频器的分频比为8， 鉴相器采用双平衡混频器实现，环路滤波器采用有源二阶比例积分滤波器，实验测试得到的 结果如图4所示。图4(a)和图4(b)分别表示了结构图2中A点的光电振荡器输出信号在锁定 之前和锁定之后的电谱。由于光电振荡器的跳模，导致锁相环路失锁的状况下，光电振荡器 的频率与参考信号的频率相差1.8MHz左右，通过频率控制环步进调谐光电振荡器的频率， 使得光电振荡器的频率与参考信号的频率差小于锁相环的牵引范围时，锁相环实现了光电振 荡器与参考信号的相位锁定，如图4(b)所示。图4(c)和图4(d)分别表示了结构图2中A点射 频信号在锁相过程中的频率和相位瞬态过程。在锁相过程中，光电振荡器的振荡频率经历了 一个阻尼振荡的过程，最后频率切换到与参考振荡器的频率一致。同时，其相位在锁相过程 中发生了突变。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (5)

1.一种用于光电振荡器的模式跳模抑制方法，其步骤包括：

鉴频鉴相器将低频参考振荡器的输出信号与双环结构点频光电振荡器经过分频器分频之后的信号进行比较，如果两者频差超过锁相环的最大牵引范围，则触发频率控制环路启动工作；所述双环结构点频光电振荡器的两个环路的光电探测器输出端分别放置一压控射频移相器，用于通过改变压控射频移相器的相移，实现两个环路的腔长变化，调谐长环和短环中振荡模式的频率；

频率控制环路生成控制信号并发送给双环结构点频光电振荡器的短环中的压控射频移相器，调谐双环结构点频光电振荡器的振荡频率，直到低频参考振荡器与分频器输出信号的频率差落在锁相环的牵引频率范围以内时触发频率控制环路停止工作；其中所述控制信号为周期性的锯齿波扫描电压；步进调谐的最小步进为所述双环结构点频光电振荡器的长环的腔模间隔频率；所述锯齿波扫描电压的最小值为0V，最大值为射频移相器所能承受的最大控制电压。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过一失锁检测模块触发频率控制环启动工作或停止工作；其中，失锁检测模块包括依次连接的交流功率检测器件、模数转换器、微处理器，交流功率检测器件的输入端与鉴频鉴相器的输出端连接，用于将鉴频鉴相器输出的交流正弦信号转换成为一直流电压传输给模数转换器，模数转换器对该直流电压进行采样并传输给微处理器，微处理器判断采样直流电压是否超过了设定阈值，如果超过设定阈值则微处理器控制发送幅度控制信号给数模转换器，生成所述控制信号控制频率控制环启动工作。

3.一种用于光电振荡器的模式跳模抑制系统，其特征在于，包括鉴频鉴相器、双环结构点频光电振荡器和锁相环；其中

鉴频鉴相器的一输入端与低频参考振荡器的输出端连接，另一输入端经分频器与双环结构点频光电振荡器的输出端连接，鉴频鉴相器的输出端与频率控制环连接；用于将低频参考振荡器的输出信号与双环结构点频光电振荡器经过分频器分频之后的信号进行比较，如果两者频差超过锁相环的最大牵引范围，则触发频率控制环路启动工作；所述双环结构点频光电振荡器的两个环路的光电探测器输出端分别放置一压控射频移相器，用于通过改变压控射频移相器的相移，实现两个环路的腔长变化，调谐长环和短环中振荡模式的频率；

频率控制环路，用于生成控制信号并发送给双环结构点频光电振荡器的短环中的压控射频移相器，调谐双环结构点频光电振荡器的振荡频率，直到低频参考振荡器与分频器输出信号的频率差落在锁相环的牵引频率范围以内时触发频率控制环路停止工作；其中所述控制信号为周期性的锯齿波扫描电压；步进调谐的最小步进为所述双环结构点频光电振荡器的长环的腔模间隔频率；所述锯齿波扫描电压的最小值为0V，最大值为射频移相器所能承受的最大控制电压。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述双环结构点频光电振荡器的长环中的压控射频移相器与所述频率控制环的环路滤波器连接；所述双环结构点频光电振荡器的合波器输出端依次经一射频带通滤波器、若干级低噪声放大器与所述双环结构点频光电振荡器的微波定向耦合器一输入端连接，微波定向耦合器的输出端与所述分频器连接。

5.如权利要求3所述的系统，其特征在于，通过一失锁检测模块触发频率控制环启动工作或停止工作；其中，失锁检测模块包括依次连接的交流功率检测器件、模数转换器、微处理器，交流功率检测器件的输入端与鉴频鉴相器的输出端连接，用于将鉴频鉴相器输出的交流正弦信号转换成为一直流电压传输给模数转换器，模数转换器对该直流电压进行采样并传输给微处理器，微处理器判断采样直流电压是否超过了设定阈值，如果超过设定阈值则微处理器控制发送幅度控制信号给数模转换器，生成所述控制信号控制频率控制环启动工作。

Images