CN110768918B - 一种实现相位噪声补偿的自由空间微波信号传输方法及传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及信号传输技术领域，公开了一种实现相位噪声补偿的自由空间微波信号传输方法及传输系统，可在接收端得到相位锁定于发射端待传微波信号的微波传输信号，从而确保了微波频率信号的高质量传输，使得能够采用自由空间作为微波频率信号的传递媒介，实现不同站点间微波频率信号的同步。此外，相比较于现有传输技术，可将由待传微波信号直接作为可为任意频率信号的参考频率信号，使得仅需在发射端布置一个辅助频率源，大幅度降低了发射端辅助频率源的数量，从而无需在发射端产生多路辅助频率信号来协助信号处理，既显著简化了发射端的系统结构，又提升了传输系统的可靠性和实用性，便于实际应用和推广。

Description

一种实现相位噪声补偿的自由空间微波信号传输方法及传输 系统

技术领域

本发明属于信号传输技术领域，具体地涉及一种实现相位噪声补偿的自由空间微波信号传输方法及传输系统。

背景技术

随着通信技术的发展，越来越多的领域对微波频率信号的高质量传输都提出了高需求，例如时间频率领域高质量的时间频率分发、军事领域中多基地雷达的信号综合，以及科研中大科学装置的同步等。

现有公开专利(专利号：ZL201110186493.9，《原子时信号传输系统及传输方法》)介绍了一种通过光纤实现超长基线(即距离)的微波频率信号传输的系统及方法。该系统采用了主动补偿光纤链路中噪声的方法，即通过对光纤传输链路(尤其是超长距离)的相位噪声的补偿，实现了高精度、高稳定度的微波频率信号的传输。

现有公开专利(专利号：ZL2011310467522.8，《一种基于相位补偿的自由空间频率信号传输系统》)提出了一种基于相位补偿的自由空间频率传输与同步系统，可以实现在自由空间链路中微波频率信号的高质量传输。但是该专利的方案系统较为复杂，在发射站不能直接将待传频率信号作为频率参考，需要产生多路辅助频率信号协助信号处理，导致系统的可靠性和实用性受到极大制约。

发明内容

为了解决现有自由空间微波信号传输系统所存在的系统结构较为复杂，在发射站需要产生多路辅助频率信号协助信号处理，进而导致系统的可靠性和实用性受到极大制约的问题，本发明目的在于提供一种实现相位噪声补偿的自由空间微波信号传输方法及传输系统，可具备更好的可靠性和实用性。

本发明所采用的技术方案为：

一种实现相位噪声补偿的自由空间微波信号传输方法，包括如下步骤：

S101.在发射端，将由发射侧频率源生成的第一微波信号作为上行发射信号，并使该上行发射信号经由自由空间传输至接收端；

S102.在接收端，将收到的所述上行发射信号作为第四微波信号，然后使由接收侧频率源生成的伺服频率信号相位锁定于所述第四微波信号，最后基于所述伺服频率信号生成相位锁定于所述第四微波信号的下行发射信号，并使该下行发射信号经由自由空间传输至发射端；

S103.在发射端，将收到的所述下行发射信号作为第五微波信号，然后根据所述第五微波信号、所述第一微波信号和待传微波信号得到补偿偏差信号，最后将所述补偿偏差信号作为控制信号，反馈控制所述第一微波信号的频率和相位，使传输系统闭环后所述补偿偏差信号的频率和相位均等于零，此时所述第一微波信号的频率与所述待传微波信号的频率成线性关系，所述第一微波信号的相位近似等于所述待传微波信号的相位与单次相位噪声之差，实现对自由空间传输引入相位噪声的主动补偿，其中，所述单次相位噪声是指自由空间对微波信号单次传输所引入的相位噪声。

具体的，在所述步骤S102中，所述使由接收侧频率源生成的伺服频率信号相位锁定于所述第四微波信号的步骤包括如下：

S201.基于所述伺服频率信号生成相位锁定于所述伺服频率信号的第二微波信号V₂：

V₂＝A₂ cos(kω_st+kφ_s)

式中，A₂表示所述第二微波信号的振幅，k表示所述第二微波信号与所述伺服频率信号的且反映频率倍数关系的固定比例系数，ω_s表示所述伺服频率信号的频率，t表示时间，φ_s表示所述伺服频率信号的相位；

S202.对所述第二微波信号和所述第四微波信号进行混频滤波处理，得到第三偏差信号V_E3：

V_E3＝A_E3 cos((kω_s-ω₁)t+(kφ_s-φ₁-φ_p))

式中，A_E3表示所述第三偏差信号的振幅，ω₁表示所述第一微波信号的频率，φ₁表示所述第一微波信号的相位，φ_p表示自由空间对微波信号单次传输所引入的相位噪声；

S203.将所述第三偏差信号作为控制信号，反馈控制所述伺服频率信号的频率和相位，使传输系统闭环后所述第三偏差信号的频率和相位均等于零，此时所述伺服频率信号的频率

所述伺服频率信号的相位

实现所述伺服频率信号相位锁定于所述第四微波信号。

进一步具体的，在所述步骤S102中，所述基于所述伺服频率信号生成相位锁定于所述第四微波信号的下行发射信号的步骤包括如下：

S204.基于所述伺服频率信号生成相位锁定于所述伺服频率信号的第三微波信号V₃：

式中，A₃表示所述第三微波信号的振幅，m表示所述第三微波信号与所述伺服频率信号的且反映频率倍数关系的固定比例系数,m与k为相近但不相同的数值；

S205.将所述第三微波信号作为所述下行发射信号。

详细具体的，k为不小于100的数值，m＝k+1。

详细具体的，在所述步骤S103中，所述根据所述第五微波信号、所述第一微波信号和待传微波信号得到补偿偏差信号的步骤包括如下：

S301.对所述待传微波信号与所述第一微波信号进行混频滤波处理，得到第一偏差信号V_E1，同时对所述待传微波信号与所述第五微波信号进行混频滤波处理，得到第二偏差信号V_E2：

式中，A_E1表示所述第一偏差信号的振幅，A_E2表示所述第二偏差信号的振幅，ω_r表示所述待传微波信号的频率，t表示时间，φ_r表示所述待传微波信号的相位；

S302.对所述第一偏差信号和所述第二偏差信号进行混频滤波处理，得到所述补偿偏差信号V_E：

式中，A_E表示所述补偿偏差信号的振幅。

进一步详细具体的，在所述步骤S103中，使传输系统闭环后所述第一微波信号的频率和相位分别为：

式中，m与k的比值

介于0.99～1.01之间。

本发明所采用的另一种技术方案为：

一种实现相位噪声补偿的自由空间微波信号传输系统，包括发射装置和接收装置；

所述发射装置，用于先将由发射侧频率源生成的第一微波信号作为上行发射信号，并使该上行发射信号经由自由空间传输至所述接收装置，然后将收到的对应下行发射信号作为第五微波信号，再然后根据所述第五微波信号、所述第一微波信号和待传微波信号得到补偿偏差信号，最后将所述补偿偏差信号作为控制信号，反馈控制所述第一微波信号的频率和相位，使传输系统闭环后所述补偿偏差信号的频率和相位均等于零，此时所述第一微波信号的频率与所述待传微波信号的频率成线性关系，所述第一微波信号的相位近似等于所述待传微波信号的相位与单次相位噪声之差，实现对自由空间传输引入相位噪声的主动补偿，其中，所述单次相位噪声是指自由空间对微波信号单次传输所引入的相位噪声；

所述接收装置，用于先将收到的所述上行发射信号作为第四微波信号，然后使由接收侧频率源生成的伺服频率信号相位锁定于所述第四微波信号，最后基于所述伺服频率信号生成相位锁定于所述第四微波信号的下行发射信号，并使该下行发射信号经由自由空间传输至所述发射装置。

具体的，所述接收装置包括接收侧频率源、第二频率源、第四混频器、接收侧反馈控制电路、接收侧双工器和接收侧微波天线，其中，所述接收侧双工器电连接所述接收侧微波天线；

所述接收侧频率源，用于在所述接收侧反馈控制电路的控制下，生成伺服频率信号；

所述第二频率源通信连接所述接收侧频率源的输出端，用于基于所述伺服频率信号生成相位锁定于所述伺服频率信号的第二微波信号V₂：

V₂＝A₂ cos(kω_st+kφ_s)

式中，A₂表示所述第二微波信号的振幅，k表示所述第二微波信号与所述伺服频率信号的且反映频率倍数关系的固定比例系数，ω_s表示所述伺服频率信号的频率，t表示时间，φ_s表示所述伺服频率信号的相位；

所述第四混频器分别通信连接所述第二频率源的输出端和所述接收侧双工器，用于对所述第二微波信号和所述第四微波信号进行混频滤波处理，得到第三偏差信号V_E3：

V_E3＝A_E3 cos((kω_s-ω₁)t+(kφ_s-φ₁-φ_p))

式中，A_E3表示所述第三偏差信号的振幅，ω₁表示所述第一微波信号的频率，φ₁表示所述第一微波信号的相位，φ_p表示自由空间对微波信号单次传输所引入的相位噪声；

所述接收侧反馈控制电路的输入端通信连接所述第四混频器的输出端且输出端通信连接所述接收侧频率源的受控端，用于将所述第三偏差信号作为控制信号，反馈控制所述伺服频率信号的频率和相位，使传输系统闭环后所述第三偏差信号的频率和相位均等于零。

进一步具体的，所述接收装置还包括第三频率源，其中，所述第三频率源的输入端通信连接所述接收侧频率源的输出端且输出端通信连接所述接收侧双工器；

所述第三频率源，用于基于所述伺服频率信号生成相位锁定于所述伺服频率信号的且作为所述下行发射信号的第三微波信号V₃：

式中，A₃表示所述第三微波信号的振幅，m表示所述第三微波信号与所述伺服频率信号的且反映频率倍数关系的固定比例系数,m与k为相近但不相同的数值。

详细具体的，所述发射装置包括发射侧频率源、第一混频器、第二混频器、第三混频器、发射侧反馈控制电路、发射侧双工器和发射侧微波天线，其中，所述发射侧双工器电连接所述发射侧微波天线；

所述发射侧频率源的输出端通信连接所述发射侧双工器，用于在所述发射侧反馈控制电路的控制下，生成第一微波信号；

所述第一混频器分别通信连接所述发射侧频率源的输出端和待传微波信号输入端，用于对所述待传微波信号与所述第一微波信号进行混频滤波处理，得到第一偏差信号V_E1：

V_E1＝A_E1 cos((ω₁-ω_r)t+(φ₁-φ_r))

式中，A_E1表示所述第一偏差信号的振幅，ω_r表示所述待传微波信号的频率，t表示时间，φ_r表示所述待传微波信号的相位；

所述第二混频器分别通信连接所述发射侧双工器和所述待传微波信号输入端，用于对所述待传微波信号与所述第五微波信号进行混频滤波处理，得到第二偏差信号V_E2：

式中，A_E2表示所述第二偏差信号的振幅；

所述第三混频器分别通信连接所述第一混频器的输出端和所述第二混频器的输出端，用于对所述第一偏差信号和所述第二偏差信号进行混频滤波处理，得到所述补偿偏差信号V_E：

式中，A_E表示所述补偿偏差信号的振幅；

所述发射侧反馈控制电路的输入端通信连接所述第三混频器的输出端且输出端通信连接所述发射侧频率源的受控端，用于将所述补偿偏差信号作为控制信号，反馈控制所述第一微波信号的频率和相位，使传输系统闭环后所述补偿偏差信号的频率和相位均等于零。

本发明的有益效果为：

(1)本发明创造提供了一种可在发射端预先主动补偿自由空间链路所引入相位噪声的微波信号传输方法，即一方面在发射端发射上行发射信号和接收返回的下行发射信号，并利用作为参考频率信号的待传微波信号以及接收的下行发射信号主动补偿微波信号在自由空间传输过程中引入的相位噪声，另一方面在接收端接收到带有自由空间传输引入相位噪声的上行发射信号后，通过变频锁定方式将伺服频率信号相位锁定于上行发射信号，并产生相位锁定于上行发射信号的下行发射信号，以便回传至发射端并供发射端主动补偿相位噪声，最终在接收端得到相位锁定于发射端待传微波信号的微波传输信号，从而确保了微波频率信号的高质量传输，使得能够采用自由空间作为微波频率信号的传递媒介，实现不同站点间微波频率信号的同步；

(2)相比较于现有传输技术，可将由待传微波信号直接作为可为任意频率信号的参考频率信号，使得仅需在发射端布置一个辅助频率源，大幅度降低了发射端辅助频率源的数量，从而无需在发射端产生多路辅助频率信号来协助信号处理，既显著简化了发射端的系统结构，又提升了传输系统的可靠性和实用性，便于实际应用和推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的自由空间微波信号传输方法的流程示意图。

图2是本发明提供的自由空间微波信号传输系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例来对本发明作进一步阐述。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明虽然是用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本发明的示例实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本发明，并且不应当理解为本发明限制在本文阐述的实施例中。

应当理解，尽管本文可能使用术语第一、第二等等来描述各种单元，但是这些单元不应当受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个单元和另一个单元。例如可以将第一单元称作第二单元,并且类似地可以将第二单元称作第一单元，同时不脱离本发明的示例实施例的范围。

应当理解，对于本文中可能出现的术语“和/或”，其仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况；对于本文中可能出现的术语“/和”，其是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况；另外，对于本文中可能出现的字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。

应当理解，在本文中若将单元称作与另一个单元“连接”、“相连”或“耦合”时，它可以与另一个单元直相连接或耦合，或中间单元可以存在。相対地，在本文中若将单元称作与另一个单元“直接相连”或“直接耦合”时，表示不存在中间单元。另外，应当以类似方式来解释用于描述单元之间的关系的其他单词(例如，“在……之间”对“直接在……之间”,“相邻”对“直接相邻”等等)。

应当理解，本文使用的术语仅用于描述特定实施例，并不意在限制本发明的示例实施例。若本文所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”意在包括复数形式，除非上下文明确指示相反意思。还应当理解，若术语“包括”、“包括了”、“包含”和/或“包含了”在本文中被使用时,指定所声明的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在性,并且不排除一个或多个其他特征、数量、步骤、操作、单元、组件和/或他们的组合存在性或增加。

应当理解，还应当注意到在一些备选实施例中，所出现的功能/动作可能与附图出现的顺序不同。例如,取决于所涉及的功能/动作,实际上可以实质上并发地执行,或者有时可以以相反的顺序来执行连续示出的两个图。

应当理解，在下面的描述中提供了特定的细节,以便于对示例实施例的完全理解。然而,本领域普通技术人员应当理解可以在没有这些特定细节的情况下实现示例实施例。例如可以在框图中示出系统，以避免用不必要的细节来使得示例不清楚。在其他实例中，可以不以不必要的细节来示出众所周知的过程、结构和技术，以避免使得示例实施例不清楚。

实施例一

如图1所示，本实施例提供的所述实现相位噪声补偿的自由空间微波信号传输方法，可以但不限于包括如下步骤S101～S103。

S101.在发射端，将由发射侧频率源生成的第一微波信号作为上行发射信号，并使该上行发射信号经由自由空间传输至接收端。

在所述步骤S101中，所述发射侧频率源为现有模块，例如晶振单元等。所述第一微波信号以及后续的其它微波信号均为具有一定频率的电磁波信号或射频信号，其频率范围可介于300KHz～40GHz之间。所述自由空间即为自由空间链路的简称，其具体含义可参见现有公开专利(专利号：ZL2011310467522.8，《一种基于相位补偿的自由空间频率信号传输系统》)。所述上行发射信号可在具体通过功率放大器(可额外采用通用的信号处理技术)和双工器(只要是可以区分上行频率和下行频率的现有器件即可)后，由微波天线发出到自由空间链路中，最后由接收端的微波天线和双工器(同样只要是可以区分上行频率和下行频率的现有器件即可)接收到。

举例的，可设所述第一微波信号V₁为：

V₁＝A₁ cos(ω₁t+φ₁)

式中，A₁表示所述第一微波信号的振幅，ω₁表示所述第一微波信号的频率，t表示时间，φ₁表示所述第一微波信号的相位。

S102.在接收端，将收到的所述上行发射信号作为第四微波信号，然后使由接收侧频率源生成的伺服频率信号相位锁定于所述第四微波信号，最后基于所述伺服频率信号生成相位锁定于所述第四微波信号的下行发射信号，并使该下行发射信号经由自由空间传输至发射端。

在所述步骤S102中，由于自由空间链路所存在的环境温度、湿度、大气扰动以及器件所受机械应力(如振动引起)等的变化因素，必然会向传输中的所述上行发射信号引入单次相位噪声，即收到的且带有传输中相位噪声的第四微波信号V₄可表示如下：

V₄＝A₄ cos(ω₁t+φ₁+φ_p)

式中，A₄表示所述第四微波信号的振幅，φ_p表示自由空间对微波信号单次传输所引入的相位噪声。

在所述步骤S102中，所述使由接收侧频率源生成的伺服频率信号相位锁定于所述第四微波信号的步骤包括如下S201～S203。

S201.基于所述伺服频率信号生成相位锁定于所述伺服频率信号的第二微波信号V₂：

V₂＝A₂ cos(kω_st+kφ_s)

式中，A₂表示所述第二微波信号的振幅，k表示所述第二微波信号与所述伺服频率信号的且反映频率倍数关系的固定比例系数，ω_s表示所述伺服频率信号的频率，t表示时间，φ_s表示所述伺服频率信号的相位。

在所述步骤S201中，所述伺服频率信号由接收侧频率源生成，该接收侧频率源也为现有模块，例如晶振单元等，可设所述伺服频率信号V_s为：

V_s＝A_s cos(ω_st+φ_s)

式中，A_s表示所述伺服频率信号的振幅，ω_s表示所述伺服频率信号的频率，t表示时间，φ_s表示所述伺服频率信号的相位。此外，所述第二微波信号的具体生成方式可以但不限于为倍频方式(此时k大于1)或分频方式(此时k小于1)。

S202.对所述第二微波信号和所述第四微波信号进行混频滤波处理，得到第三偏差信号V_E3：

V_E3＝A_E3 cos((kω_s-ω₁)t+(kφ_s-φ₁-φ_p))

式中，A_E3表示所述第三偏差信号的振幅，ω₁表示所述第一微波信号的频率，φ₁表示所述第一微波信号的相位，φ_p表示自由空间对微波信号单次传输所引入的相位噪声。

在所述步骤S202中，所述混频滤波处理方式具体但不限于包括有先混频再低通滤波，最终得到所述第三偏差信号。

S203.将所述第三偏差信号作为控制信号，反馈控制所述伺服频率信号的频率和相位，使传输系统闭环后所述第三偏差信号的频率和相位均等于零，此时所述伺服频率信号的频率

所述伺服频率信号的相位

实现所述伺服频率信号相位锁定于所述第四微波信号。

在所述步骤S203中，所述反馈控制方式为锁相环技术中常用方式，可通过具体的现有反馈控制电路实现。在传输系统闭环后，由于所述第三偏差信号的频率和相位均等于零，则所述第三偏差信号将变为一个定值，从而控制所述伺服频率信号的频率和相位锁定于所述第四微波信号以及所述第一微波信号，即：

式中，η为在实现相位锁定后的一个固定不变常数，对相位的变化没有任何影响，为了表述方便，可以将常数η略去(在后续发射侧进行反馈控制时，也采用了类似的简化，后续不再赘述)。通过前述步骤S201～S203的反馈控制过程，可在传输系统闭环时得到如下的所述伺服频率信号V_s：

式中，A_s表示所述伺服频率信号的振幅。

在所述步骤S102中，所述基于所述伺服频率信号生成相位锁定于所述第四微波信号的下行发射信号的步骤包括如下S204～S205。

S204.基于所述伺服频率信号生成相位锁定于所述伺服频率信号的第三微波信号V₃：

式中，A₃表示所述第三微波信号的振幅，m表示所述第三微波信号与所述伺服频率信号的且反映频率倍数关系的固定比例系数,m与k为相近但不相同的数值。所述第三微波信号的具体生成方式可以但不限于为倍频方式(此时m大于1)或分频方式(此时m小于1)。

S205.将所述第三微波信号作为所述下行发射信号。所述下行发射信号的频率与所述上行发射信号的频率相近但不相同，以避免相互干扰问题。此外，所述下行发射信号也可在具体通过功率放大器(也可额外采用通用的信号处理技术)和双工器(也只要是可以区分上行频率和下行频率的现有器件即可)后，由微波天线发出到自由空间链路中，最后由发射端的微波天线和双工器接收到。

S103.在发射端，将收到的所述下行发射信号作为第五微波信号，然后根据所述第五微波信号、所述第一微波信号和待传微波信号得到补偿偏差信号，最后将所述补偿偏差信号作为控制信号，反馈控制所述第一微波信号的频率和相位，使传输系统闭环后所述补偿偏差信号的频率和相位均等于零，此时所述第一微波信号的频率与所述待传微波信号的频率成线性关系，所述第一微波信号的相位近似等于所述待传微波信号的相位与单次相位噪声之差，实现对自由空间传输引入相位噪声的主动补偿，其中，所述单次相位噪声是指自由空间对微波信号单次传输所引入的相位噪声。

在所述步骤S103中，由于所述上行发射信号和所述下行发射信号均在同一自由空间链路，因此在传输时延不超过可补偿范围的前提下，可认为下行发射信号在传输中引入的相位噪声与上行发射信号在传输中引入的相位噪声存在关联，即存在等于两信号频率之比的比例关系m:k，如此收到的第五微波信号V₅：

式中，A₅表示所述第五微波信号的振幅。

在所述步骤S103中，所述根据所述第五微波信号、所述第一微波信号和待传微波信号得到补偿偏差信号的步骤包括如下S301～S302。

S301.对所述待传微波信号与所述第一微波信号进行混频滤波处理，得到第一偏差信号V_E1，同时对所述待传微波信号与所述第五微波信号进行混频滤波处理，得到第二偏差信号V_E2：

式中，A_E1表示所述第一偏差信号的振幅，A_E2表示所述第二偏差信号的振幅。

在所述步骤S301中，所述待传微波信号V_r可表示如下：

V_r＝A_r cos(ω_rt+φ_r)

式中，A_r表示所述待传微波信号的振幅，ω_r表示所述待传微波信号的频率，t表示时间，φ_r表示所述待传微波信号的相位。此外，前述混频滤波处理方式具体但不限于包括有先混频再低通滤波，最终得到所述第一偏差信号和所述第二偏差信号。

S302.对所述第一偏差信号和所述第二偏差信号进行混频滤波处理，得到所述补偿偏差信号V_E：

式中，A_E表示所述补偿偏差信号的振幅。前述混频滤波处理方式同样具体但不限于包括有先混频再低通滤波，最终得到所述补偿偏差信号。

在所述步骤S203中，所述反馈控制方式也为锁相环技术中常用方式，也可通过具体的现有反馈控制电路实现。在传输系统闭环后，由于所述补偿偏差信号的频率和相位均等于零，则所述补偿偏差信号也将变为一个定值，使所述第一微波信号的频率和相位分别为：

式中，m与k的比值

介于0.99～1.01之间。

由此可见，在m,k值确定后，所述第一微波信号的频率与所述待传微波信号的频率成线性关系，使得再次将所述第一微波信号传输至接收端时，可得到如下第四微波信号：

由于

可对自由空间链路传输所引起的相位噪声进行有效削弱，实现对自由空间传输引入相位噪声的主动补偿，特别是在所述第一微波信号的相位近似等于所述待传微波信号的相位与单次相位噪声之差时，可使接收端收到的所述第四微波信号的频率和相位均锁定于所述待传微波信号，而与发射端至接收端之间自由空间链路引入的相位噪声无明显关系(实质上，由于接收端的第二微波信号、伺服频率信号以及第三微波信号都是锁定在所述第四微波信号上的，这些信号的频率、相位都与待传微波信号构成了锁相关系，将不再受自由空间链路引入相位噪声的影响)，确保了微波频率信号的高质量传输。优化的，k为不小于100的数值，m＝k+1，如此

主动补偿的效果更佳。

综上，采用本实施例所提供的实现相位噪声补偿的自由空间微波信号传输方法，具有如下技术效果：

(1)本实施例提供了一种可在发射端预先主动补偿自由空间链路所引入相位噪声的微波信号传输方法，即一方面在发射端发射上行发射信号和接收返回的下行发射信号，并利用作为参考频率信号的待传微波信号以及接收的下行发射信号主动补偿微波信号在自由空间传输过程中引入的相位噪声，另一方面在接收端接收到带有自由空间传输引入相位噪声的上行发射信号后，通过变频锁定方式将伺服频率信号相位锁定于上行发射信号，并产生相位锁定于上行发射信号的下行发射信号，以便回传至发射端并供发射端主动补偿相位噪声，最终在接收端得到相位锁定于发射端待传微波信号的微波传输信号，从而确保了微波频率信号的高质量传输，使得能够采用自由空间作为微波频率信号的传递媒介，实现不同站点间微波频率信号的同步；

(2)相比较于现有传输技术，可将由待传微波信号直接作为可为任意频率信号的参考频率信号，使得仅需在发射端布置一个辅助频率源，大幅度降低了发射端辅助频率源的数量，从而无需在发射端产生多路辅助频率信号来协助信号处理，既显著简化了发射端的系统结构，又提升了传输系统的可靠性和实用性，便于实际应用和推广。

实施例二

如图2所示，本实施例相对于实施例一，提供了一种基于相同发明构思的且实现如实施例一所述自由空间微波信号传输方法的传输系统，包括发射装置和接收装置；所述发射装置，用于先将由发射侧频率源生成的第一微波信号作为上行发射信号，并使该上行发射信号经由自由空间传输至所述接收装置，然后将收到的对应下行发射信号作为第五微波信号，再然后根据所述第五微波信号、所述第一微波信号和待传微波信号得到补偿偏差信号，最后将所述补偿偏差信号作为控制信号，反馈控制所述第一微波信号的频率和相位，使传输系统闭环后所述补偿偏差信号的频率和相位均等于零，此时所述第一微波信号的频率与所述待传微波信号的频率成线性关系，所述第一微波信号的相位近似等于所述待传微波信号的相位与单次相位噪声之差，实现对自由空间传输引入相位噪声的主动补偿，其中，所述单次相位噪声是指自由空间对微波信号单次传输所引入的相位噪声；所述接收装置，用于先将收到的所述上行发射信号作为第四微波信号，然后使由接收侧频率源生成的伺服频率信号相位锁定于所述第四微波信号，最后基于所述伺服频率信号生成相位锁定于所述第四微波信号的下行发射信号，并使该下行发射信号经由自由空间传输至所述发射装置。

具体的，所述接收装置包括接收侧频率源、第二频率源、第四混频器、接收侧反馈控制电路、接收侧双工器和接收侧微波天线，其中，所述接收侧双工器电连接所述接收侧微波天线；

所述接收侧频率源，用于在所述接收侧反馈控制电路的控制下，生成伺服频率信号；

所述第二频率源通信连接所述接收侧频率源的输出端，用于基于所述伺服频率信号生成相位锁定于所述伺服频率信号的第二微波信号V₂：

V₂＝A₂ cos(kω_st+kφ_s)

式中，A₂表示所述第二微波信号的振幅，k表示所述第二微波信号与所述伺服频率信号的且反映频率倍数关系的固定比例系数，ω_s表示所述伺服频率信号的频率，t表示时间，φ_s表示所述伺服频率信号的相位；

所述第四混频器分别通信连接所述第二频率源的输出端和所述接收侧双工器，用于对所述第二微波信号和所述第四微波信号进行混频滤波处理，得到第三偏差信号V_E3：

V_E3＝A_E3 cos((kω_s-ω₁)t+(kφ_s-φ₁-φ_p))

式中，A_E3表示所述第三偏差信号的振幅，ω₁表示所述第一微波信号的频率，φ₁表示所述第一微波信号的相位，φ_p表示自由空间对微波信号单次传输所引入的相位噪声；

所述接收侧反馈控制电路的输入端通信连接所述第四混频器的输出端且输出端通信连接所述接收侧频率源的受控端，用于将所述第三偏差信号作为控制信号，反馈控制所述伺服频率信号的频率和相位，使传输系统闭环后所述第三偏差信号的频率和相位均等于零。

进一步具体的，所述接收装置还包括第三频率源，其中，所述第三频率源的输入端通信连接所述接收侧频率源的输出端且输出端通信连接所述接收侧双工器；

所述第三频率源，用于基于所述伺服频率信号生成相位锁定于所述伺服频率信号的且作为所述下行发射信号的第三微波信号V₃：

式中，A₃表示所述第三微波信号的振幅，m表示所述第三微波信号与所述伺服频率信号的且反映频率倍数关系的固定比例系数,m与k为相近但不相同的数值。

详细具体的，所述发射装置包括发射侧频率源、第一混频器、第二混频器、第三混频器、发射侧反馈控制电路、发射侧双工器和发射侧微波天线，其中，所述发射侧双工器电连接所述发射侧微波天线；

所述发射侧频率源的输出端通信连接所述发射侧双工器，用于在所述发射侧反馈控制电路的控制下，生成第一微波信号；

所述第一混频器分别通信连接所述发射侧频率源的输出端和待传微波信号输入端，用于对所述待传微波信号与所述第一微波信号进行混频滤波处理，得到第一偏差信号V_E1：

V_E1＝A_E1 cos((ω₁-ω_r)t+(φ₁-φ_r))

式中，A_E1表示所述第一偏差信号的振幅，ω_r表示所述待传微波信号的频率，t表示时间，φ_r表示所述待传微波信号的相位；

所述第二混频器分别通信连接所述发射侧双工器和所述待传微波信号输入端，用于对所述待传微波信号与所述第五微波信号进行混频滤波处理，得到第二偏差信号V_E2：

式中，A_E2表示所述第二偏差信号的振幅；

所述第三混频器分别通信连接所述第一混频器的输出端和所述第二混频器的输出端，用于对所述第一偏差信号和所述第二偏差信号进行混频滤波处理，得到所述补偿偏差信号V_E：

式中，A_E表示所述补偿偏差信号的振幅；

所述发射侧反馈控制电路的输入端通信连接所述第三混频器的输出端且输出端通信连接所述发射侧频率源的受控端，用于将所述补偿偏差信号作为控制信号，反馈控制所述第一微波信号的频率和相位，使传输系统闭环后所述补偿偏差信号的频率和相位均等于零。

如图2所示，本实施例中前述发射装置及接收装置的具体技术细节以及总的技术效果，可参照实施例一直接推导得到，于此不再赘述。

应当说明的是，实际应用中，在发射端和接收端由于双工器、混频器和功率放大器等器件之间也有线缆，这些线缆也会分别引入相位噪声，但是由于在线缆中传输微波信号的相位噪声正比于其所经过的线缆长度，而在本发明中，双工器、功率放大器和混频器之间所连接的线缆长度通常为几十厘米或更短，这与整个频率传输系统链路总长度相比是一个极小量，因此完全可以忽略不计，在前述关系式中可以不将此相位噪声计入。

应当说明的是，在前述对本发明传输系统的介绍中，仅描述了一个发射装置和一个接收装置的情况，然而这种情况并不能构成对本发明的限制。事实上，对于存在多发射装置和多接收装置，或者一个站点既为一个链路的发射装置同时又为另一个链路的接收装置的情况，例如蜂窝网络，也包含在本发明之内。

应注意的是，本发明中采用的混频、低通滤波，信号放大等处理以及微波天线、双工器等器件原理属于本领域的技术人员熟知的技术，因此不在本发明的讨论之列。本发明中使用的微波信号放大、探测等技术也存在多种实现方式，这些内容均不能构成对本发明的限制。

以上所描述的多个实施例仅仅是示意性的，若涉及到作为分离部件说明的单元，其可以是或者也可以不是物理上分开的；若涉及到作为单元显示的部件，其可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

最后应说明的是，本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (10)

1.一种实现相位噪声补偿的自由空间微波信号传输方法，其特征在于，包括如下步骤：

S101.在发射端，将由发射侧频率源生成的第一微波信号作为上行发射信号，并使该上行发射信号经由自由空间传输至接收端；

S102.在接收端，将收到的所述上行发射信号作为第四微波信号，然后使由接收侧频率源生成的伺服频率信号相位锁定于所述第四微波信号，最后基于所述伺服频率信号生成相位锁定于所述第四微波信号的下行发射信号，并使该下行发射信号经由自由空间传输至发射端；

S103.在发射端，将收到的所述下行发射信号作为第五微波信号，然后根据所述第五微波信号、所述第一微波信号和待传微波信号得到补偿偏差信号，最后将所述补偿偏差信号作为控制信号，反馈控制所述第一微波信号的频率和相位，使传输系统闭环后所述补偿偏差信号的频率和相位均等于零，此时所述第一微波信号的频率与所述待传微波信号的频率成线性关系，所述第一微波信号的相位φ₁等于

实现对自由空间传输引入相位噪声的主动补偿，其中，φ_r表示所述待传微波信号的相位，φ_p表示单次相位噪声，ξ表示介于0.99～1.01之间的数值，所述单次相位噪声是指自由空间对微波信号单次传输所引入的相位噪声。

2.如权利要求1所述的一种实现相位噪声补偿的自由空间微波信号传输方法，其特征在于，在所述步骤S102中，所述使由接收侧频率源生成的伺服频率信号相位锁定于所述第四微波信号的步骤包括如下：

S201.基于所述伺服频率信号生成相位锁定于所述伺服频率信号的第二微波信号V₂：

V₂＝A₂cos(kω_st+kφ_s)

式中，A₂表示所述第二微波信号的振幅，k表示所述第二微波信号与所述伺服频率信号的且反映频率倍数关系的固定比例系数，ω_s表示所述伺服频率信号的频率，t表示时间，φ_s表示所述伺服频率信号的相位；

S202.对所述第二微波信号和所述第四微波信号进行混频滤波处理，得到第三偏差信号V_E3：

V_E3＝A_E3cos((kω_s-ω₁)t+(kφ_s-φ₁-φ_p))

式中，A_E3表示所述第三偏差信号的振幅，ω₁表示所述第一微波信号的频率，φ₁表示所述第一微波信号的相位，φ_p表示自由空间对微波信号单次传输所引入的相位噪声；

S203.将所述第三偏差信号作为控制信号，反馈控制所述伺服频率信号的频率和相位，使传输系统闭环后所述第三偏差信号的频率和相位均等于零，此时所述伺服频率信号的频率

所述伺服频率信号的相位

实现所述伺服频率信号相位锁定于所述第四微波信号。

3.如权利要求2所述的一种实现相位噪声补偿的自由空间微波信号传输方法，其特征在于，在所述步骤S102中，所述基于所述伺服频率信号生成相位锁定于所述第四微波信号的下行发射信号的步骤包括如下：

S204.基于所述伺服频率信号生成相位锁定于所述伺服频率信号的第三微波信号V₃：

式中，A₃表示所述第三微波信号的振幅，m表示所述第三微波信号与所述伺服频率信号的且反映频率倍数关系的固定比例系数,m与k为相近但不相同的数值；

S205.将所述第三微波信号作为所述下行发射信号。

4.如权利要求3所述的一种实现相位噪声补偿的自由空间微波信号传输方法，其特征在于：k为不小于100的数值，m＝k+1。

5.如权利要求3所述的一种实现相位噪声补偿的自由空间微波信号传输方法，其特征在于，在所述步骤S103中，所述根据所述第五微波信号、所述第一微波信号和待传微波信号得到补偿偏差信号的步骤包括如下：

S301.对所述待传微波信号与所述第一微波信号进行混频滤波处理，得到第一偏差信号V_E1，同时对所述待传微波信号与所述第五微波信号进行混频滤波处理，得到第二偏差信号V_E2：

式中，A_E1表示所述第一偏差信号的振幅，A_E2表示所述第二偏差信号的振幅，ω_r表示所述待传微波信号的频率，t表示时间，φ_r表示所述待传微波信号的相位；

S302.对所述第一偏差信号和所述第二偏差信号进行混频滤波处理，得到所述补偿偏差信号V_E：

式中，A_E表示所述补偿偏差信号的振幅。

6.如权利要求5所述的一种实现相位噪声补偿的自由空间微波信号传输方法，其特征在于，在所述步骤S103中，使传输系统闭环后所述第一微波信号的频率和相位分别为：

式中，m与k的比值

介于0.99～1.01之间。

7.一种实现相位噪声补偿的自由空间微波信号传输系统，其特征在于，包括发射装置和接收装置；

所述发射装置，用于先将由发射侧频率源生成的第一微波信号作为上行发射信号，并使该上行发射信号经由自由空间传输至所述接收装置，然后将收到的对应下行发射信号作为第五微波信号，再然后根据所述第五微波信号、所述第一微波信号和待传微波信号得到补偿偏差信号，最后将所述补偿偏差信号作为控制信号，反馈控制所述第一微波信号的频率和相位，使传输系统闭环后所述补偿偏差信号的频率和相位均等于零，此时所述第一微波信号的频率与所述待传微波信号的频率成线性关系，所述第一微波信号的相位φ₁等于

实现对自由空间传输引入相位噪声的主动补偿，其中，φ_r表示所述待传微波信号的相位，φ_p表示单次相位噪声，ξ表示介于0.99～1.01之间的数值，所述单次相位噪声是指自由空间对微波信号单次传输所引入的相位噪声；

所述接收装置，用于先将收到的所述上行发射信号作为第四微波信号，然后使由接收侧频率源生成的伺服频率信号相位锁定于所述第四微波信号，最后基于所述伺服频率信号生成相位锁定于所述第四微波信号的下行发射信号，并使该下行发射信号经由自由空间传输至所述发射装置。

8.如权利要求7所述的一种实现相位噪声补偿的自由空间微波信号传输系统，其特征在于，所述接收装置包括接收侧频率源、第二频率源、第四混频器、接收侧反馈控制电路、接收侧双工器和接收侧微波天线，其中，所述接收侧双工器电连接所述接收侧微波天线；

所述接收侧频率源，用于在所述接收侧反馈控制电路的控制下，生成伺服频率信号；

所述第二频率源通信连接所述接收侧频率源的输出端，用于基于所述伺服频率信号生成相位锁定于所述伺服频率信号的第二微波信号V₂：

V₂＝A₂cos(kω_st+kφ_s)

式中，A₂表示所述第二微波信号的振幅，k表示所述第二微波信号与所述伺服频率信号的且反映频率倍数关系的固定比例系数，ω_s表示所述伺服频率信号的频率，t表示时间，φ_s表示所述伺服频率信号的相位；

所述第四混频器分别通信连接所述第二频率源的输出端和所述接收侧双工器，用于对所述第二微波信号和所述第四微波信号进行混频滤波处理，得到第三偏差信号V_E3：

V_E3＝A_E3cos((kω_s-ω₁)t+(kφ_s-φ₁-φ_p))

式中，A_E3表示所述第三偏差信号的振幅，ω₁表示所述第一微波信号的频率，φ₁表示所述第一微波信号的相位，φ_p表示自由空间对微波信号单次传输所引入的相位噪声；

所述接收侧反馈控制电路的输入端通信连接所述第四混频器的输出端且输出端通信连接所述接收侧频率源的受控端，用于将所述第三偏差信号作为控制信号，反馈控制所述伺服频率信号的频率和相位，使传输系统闭环后所述第三偏差信号的频率和相位均等于零。

9.如权利要求8所述的一种实现相位噪声补偿的自由空间微波信号传输系统，其特征在于，所述接收装置还包括第三频率源，其中，所述第三频率源的输入端通信连接所述接收侧频率源的输出端且输出端通信连接所述接收侧双工器；

所述第三频率源，用于基于所述伺服频率信号生成相位锁定于所述伺服频率信号的且作为所述下行发射信号的第三微波信号V₃：

式中，A₃表示所述第三微波信号的振幅，m表示所述第三微波信号与所述伺服频率信号的且反映频率倍数关系的固定比例系数,m与k为相近但不相同的数值。

10.如权利要求9所述的一种实现相位噪声补偿的自由空间微波信号传输系统，其特征在于，所述发射装置包括发射侧频率源、第一混频器、第二混频器、第三混频器、发射侧反馈控制电路、发射侧双工器和发射侧微波天线，其中，所述发射侧双工器电连接所述发射侧微波天线；

所述发射侧频率源的输出端通信连接所述发射侧双工器，用于在所述发射侧反馈控制电路的控制下，生成第一微波信号；

所述第一混频器分别通信连接所述发射侧频率源的输出端和待传微波信号输入端，用于对所述待传微波信号与所述第一微波信号进行混频滤波处理，得到第一偏差信号V_E1：

V_E1＝A_E1cos((ω₁-ω_r)t+(φ₁-φ_r))

式中，A_E1表示所述第一偏差信号的振幅，ω_r表示所述待传微波信号的频率，t表示时间，φ_r表示所述待传微波信号的相位；

所述第二混频器分别通信连接所述发射侧双工器和所述待传微波信号输入端，用于对所述待传微波信号与所述第五微波信号进行混频滤波处理，得到第二偏差信号V_E2：

式中，A_E2表示所述第二偏差信号的振幅；

所述第三混频器分别通信连接所述第一混频器的输出端和所述第二混频器的输出端，用于对所述第一偏差信号和所述第二偏差信号进行混频滤波处理，得到所述补偿偏差信号V_E：

式中，A_E表示所述补偿偏差信号的振幅；

所述发射侧反馈控制电路的输入端通信连接所述第三混频器的输出端且输出端通信连接所述发射侧频率源的受控端，用于将所述补偿偏差信号作为控制信号，反馈控制所述第一微波信号的频率和相位，使传输系统闭环后所述补偿偏差信号的频率和相位均等于零。

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