CN111082873B - 一种超长距离光纤高精度射频信号传递系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超长距离光纤高精度射频信号传递系统和方法大动态高质量的相位抖动补偿系统，包括：系统近端高稳定相位共轭补偿装置，用于对超长距离光纤传递后的射频信号直接进行鉴相锁定跟踪，得到高质量低相噪的信号，将该信号与本地高稳定辅助射频信号进行被动混频，实现回传信号的相位共轭；系统远端射频信号锁相再生装置，通过超长距离光纤与近端相位共轭补偿装置连接，用于接收来自近端发出的相位共轭信号，并通过带有高稳晶振的锁相环对其进行锁相再生。利用本发明可高质量补偿超长距离光纤链路对传递射频信号引入的相位抖动，提升了传递系统短期及长期稳定度，实现超长距离光纤高精度射频信号传递。

Description

一种超长距离光纤高精度射频信号传递系统和方法
技术领域
本发明涉及超长距离光纤稳定射频信号传输技术领域，具体涉及一种超长距离光纤高精度射频信号传递系统和方法。
背景技术
原子钟是产生标准频率的精密设备，它以原子跃迁谱线的能量为基准产生高稳定度的单一频率信号。目前研究用的高性能原子钟系统都过于复杂，环境要求较高并且不利于携带，所以对于需要这种高精度频率源的远端用户而言，将这一高精度的频标以最高的传递稳定度分发到用户端尤为重要。这样既节省构建成本，又便于在工程中广泛应用。对于当前传输稳定度较高的卫星传递方式，其缺点是只能通过长时间的测量与平均计算来获得10-15/天的指标，在秒级的时间尺度上获得良好的短期稳定度是很困难的，因此，我们必须开拓新的频标传递技术来解决这些问题，使得传递系统获得更高的精度，将高精度的原子时信号稳定的分发到用户端。
近年来光纤作为一种优选传输介质用来传递原子频标信号。原子频标信号经光纤传递与传统的自由空间传递相比，具有更低的功率损耗，并且抗电磁干扰能力强，因此能够获得更高的传递稳定性。尽管光纤这个媒介传递稳定度高，但是当外界环境温度、震动发生变化时，光载原子频标信号的传递时延将发生抖动，从而引起信号的相位抖动。我们必须发展一套相位抖动补偿装置，来减小原子频标信号在光纤中传递的稳定度损失。与此同时，随着原子频标信号传递的光纤距离不断增加，信号质量将严重恶化，信噪比下降，并且超长距离光纤频率信号传递增加了往返传输时延，因此，需要针对上述问题设计一套高质量、兼顾长稳与短稳的相位抖动补偿系统和方法。这将对实现我国国土范围内原子频标信号分发具有重大意义。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何在本地端对经过超长距离光纤传递后的射频信号进行高稳定相位追踪；如何在本地端对携带相位误差的信号进行相位共轭；如何对远端恢复出的信号进行高质量再生；如何在超长距离光纤链路中进行原子频标信号传递。
(二)技术方案
为解决上述问题，本发明提供了一种超长距离光纤高精度射频信号传递系统和方法，所述一种超长距离光纤高精度射频信号传递系统包括近端高稳定相位共轭补偿装置、远端高质量射频信号锁相再生装置。
优选地，所述的近端高稳定相位共轭补偿装置，进一步包括：高精度原子频率源；近端高稳定锁相混频装置；无源相位共轭装置。三者实现对接收到的射频信号进行相位锁定追踪及相位共轭。
优选地，所述高精度原子频率源，其特征在于，高精度原子钟作为原子频率源，产生高精度的射频源参考信号。
优选地，所述近端高稳定锁相混频装置包括原子频率源、第一辅助射频信号源、电耦合器、混频器、电放大器、电滤波器、光电探测器、密集波分复用器、恒温晶体振荡器、比例积分控制器、鉴相器等。
优选地，所述的近端高稳定锁相混频装置，其特征在于，所述的近端高稳定锁相混频装置将经过超长距离光纤传递后的射频信号与本地第一辅助高稳射频信号源通过锁相环路进行锁相下变频，追踪由链路引起的相位抖动信息。
优选地，所述的近端高稳定锁相混频装置，其特征在于，恒温压控晶体振荡器输出与第一辅助高稳射频信号源进行混频上变频至光纤链路中传递的射频信号频率，该上变频信号依次通过电放大器、电滤波器及鉴相器与经超长距离光纤传递过来的射频信号进行鉴相，鉴相结果通过高精度比例积分控制器反馈给恒温压控晶体振荡器。所述的第一辅助高稳射频信号源连接于所述的高精度原子频率源。所述的恒温压控晶体振荡器输出信号包含链路引起的相位抖动。
优选地，所述的无源相位共轭装置包括第二辅助高稳射频信号源、混频器、电放大器、电滤波器、电光调制器、激光器等。
优选地，所述的无源相位共轭装置，其特征在于，将所述的恒温压控晶体振荡器输出信号与第二辅助高稳射频信号源通过电混频器进行上变频，输出信号依次连接电放大器、电滤波器，输出待传递的相位共轭的射频信号。该射频信号经电光调制后经过超长距离光纤传递到远端高质量射频信号再生装置。
优选地，所述的远端高质量射频信号再生装置，其特征在于，所述的远端高质量射频信号再生装置包括光电探测器、电滤波器、鉴相器、比例积分控制器、恒温压控晶体振荡器、第三辅助射频信号源、电光调制器、激光器、电耦合器、密集波分复用器等。
优选地，所述的远端高质量射频信号再生装置，其特征在于，所述的远端高质量射频信号再生装置将探测到的由近端传递过来的射频信号与第三辅助射频信号源鉴相，鉴相结果通过高精度比例积分控制器反馈给远端恒温压控晶体振荡器。所述的远端恒温压控晶体振荡器输出连接第三辅助射频信号源。所述的远端恒温压控晶体振荡器输出高质量再生信号。第三辅助射频信号源以恒温晶体振荡器输出信号作参考，输出高质量射频信号，并通过电光调制后经超长距离光纤传递到近端相位共轭补偿装置。
本发明另一方面提出了一种利用上述装置进行超长距离光纤高精度射频信号传递的方法，包括以下步骤：近端辅助射频信号源产生锁定于原子频率源的高稳参考信号；远端辅助射频信号源产生高稳射频信号并调制到某一波长的光载波上，通过密集波分复用器耦合进超长距离光纤中经光纤传递到系统近端；系统近端将远端传过来的信号进行高精度鉴相锁定跟踪；锁定跟踪后的信号与近端辅助射频信号源混频完成相位共轭；相位共轭射频信号调制到区别于远端发射光波长的光载波上，同样通过密集波分复用器耦合进超长距离光纤中经光纤传递到系统远端；系统远端将近端传过来的信号进行鉴相锁定再生得到相位锁定于原子频率源的高稳射频信号。
(三)有益效果
本发明提出的超长距离光纤高精度射频信号传递系统和方法可完成超长距离光纤高精度射频信号传递。传递系统近端由原子频率源产生高精度参考信号，通过本发明装置，可在传递系统远端恢复出相位锁定于高精度参考信号的射频信号，并且可以通过频率变换器件将该信号频率转换成用户端需要的信号频率，具有更高的灵活性。
射频信号在超长距离光纤链路中传递时，其相位稳定性受到光纤外界环境变化的影响而逐渐降低。随着光纤距离加长其信噪比也随之下降。利用本发明装置，实现超长距离光纤高精度射频信号同步锁相接收，并利用被动混频的方式实现相位共轭，即对超长距离光纤传递后的射频信号直接进行鉴相锁定跟踪，保证进锁相环信号的信噪比。该锁相接收方式能稳定地跟踪超长距离光纤频率传递引入的相位误差，得到高质量低相噪的信号。该信号与本地高稳定参考信号进行被动混频，实现回传信号的相位共轭，相位共轭信号再次传递到系统远端时，叠加反相相位误差，使得系统远端信号相位误差归零，从而大动态补偿链路引入的相位抖动，保证系统长期稳定度。
优选地，在相位抖动补偿系统远端设置包含高稳晶振的高精度锁相环，残余的相位误差通过高稳晶振锁相在远端消除，不仅有效提高往返传递射频信号的信噪比；而且在超长距离光纤射频信号传递引入较大往返传输时延的情况下，为射频信号传递系统提供足够的短期稳定度。
最后，利用本发明装置不仅可以实现射频信号高质量、高精度传递，而且大大增加了射频信号的光纤传递距离。
附图说明
图1为本发明的超长距离光纤高精度射频信号传递系统大动态高质量的相位抖动补偿系统结构示意图；
图2为本发明的超长距离光纤高精度射频信号传递系统相位抖动补偿系统近端相位共轭补偿装置示意图；
图3为本发明的超长距离光纤高精度射频信号传递系统相位抖动补偿系统远端射频信号锁相再生装置示意图；
图4为本发明的超长距离光纤高精度射频信号传递大动态高质量的相位抖动补偿方法的流程图；
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。
在系统近端，原子频率源10产生的高精度射频参考信号可表示为
Figure GDA0003251364360000031
在这里，A0表示高精度参考信号的振幅；ω0为参考信号频率；
Figure GDA0003251364360000032
为参考信号的初始相位。本发明所述的原子频率源可以是能够产生高精度参考信号的任意型号微波频率源，例如，氢钟、铷钟或铯钟等。近端第一辅助射频信号源11参考于高精度原子频率源10的输出信号，输出信号为
Figure GDA0003251364360000033
在这里，A4为第一辅助射频信号源的输出信号的振幅，k为任意正实数。
在系统远端，第二恒温晶体振荡器35产生的射频信号可表示为
Figure GDA0003251364360000034
在这里，A1表示恒温晶振输出信号的振幅，
Figure GDA0003251364360000035
为晶振的输出信号相位。该晶振输出信号作为第三辅助射频信号源37的参考信号，由第三辅助射频信号源输出锁相倍频信号
Figure GDA0003251364360000041
其中，A2为第三射频信号源输出信号的振幅，需满足m＝k+1。该射频信号源相位锁定于第二恒温晶体振荡器35输出的信号，优选地，射频信号源可以是锁相介质振荡器或其它锁相变频器件。信号E2通过第一电光调制器39调制到第一激光器40发出的S1通道的光上，由第二密集波分复用器30耦合进超长距离光纤链路中去，传到系统近端相位共轭补偿装置。在近端，S1通道的光由第一密集波分复用器28解复用出来，经过第一光电探测器22恢复出射频信号，频率为mω0的射频信号由第二电滤波器21滤出，得到
Figure GDA0003251364360000042
在这里，A3为第二滤波器21输出射频信号的振幅，
Figure GDA0003251364360000043
是当传递的射频信号频率为mω0时，光纤链路传递对该频率的射频信号引入的相位抖动。
在近端相位共轭补偿装置中，第一恒温晶体振荡器19输出信号可表示为
Figure GDA0003251364360000044
A5为信号的振幅，
Figure GDA0003251364360000045
为信号的相位。该信号经过第二电耦合器20功率一分为二，其中一路与信号E4同过第一混频器14做信号混频上变频，第一混频器14输出的信号经过第一电放大器15对其进行功率放大，之后通过第一电滤波器16滤出和频信号
Figure GDA0003251364360000046
在这里，A6为该和频信号的振幅。E6与E3通过第一鉴相器17进行鉴相后输出直流误差信号
Figure GDA0003251364360000047
A7为该直流误差信号的幅度。直流信号通过高精度第一比例积分控制器18进行运算后输出给第一恒温晶体振荡器19，使得环路锁定后，信号E7包含的相位误差归零，即
Figure GDA0003251364360000048
此时，第一恒温晶体振荡器19输出信号变为
Figure GDA0003251364360000049
类似于第一辅助射频参考源11，近端第二辅助射频信号源12同样参考于高精度原子频率源10的输出信号，输出信号为
Figure GDA00032513643600000410
这里，A8为第二辅助射频信号源的输出信号的振幅，需满足n＝m+1。
近端恒温晶体振荡器输出信号经过第二电耦合器20功率一分为二后的另一路信号与信号A8通过第二混频器23混频，混频器输出信号经第二电放大器24进行功率放大、第四电滤波器25滤波后，得到差频信号
Figure GDA0003251364360000051
信号E9经过第二电光调制器26调制到第二激光器27发出的S2通道的光上，由第一密集波分复用器28的S2通道耦合进光纤链路中去，传到系统远端射频信号再生装置。E9传输到系统远端后，S2通道的光由第二密集波分复用器30解复用出来，经过第二光电探测器31恢复出射频信号，频率为(n-1)ω0的射频信号由第三电滤波器32滤出，得到
Figure GDA0003251364360000052
在这里，A10为信号振幅，
Figure GDA0003251364360000053
为信号E9经过光纤链路传递后叠加的相位抖动。由于该信号与远端传过来的信号经由的光纤链路为同一光纤链路，因此引入的相位抖动认为是与
Figure GDA0003251364360000054
相等。因此，信号E10可写为
Figure GDA0003251364360000055
在系统远端，信号E10与第三辅助射频信号源37的输出信号E2通过第二鉴相器33进行鉴相，鉴相器输出直流误差信号为
Figure GDA0003251364360000056
A11为信号幅度。该直流信号通过高精度第二比例积分控制器34进行运算后输出给第二恒温晶体振荡器35，使得环路锁定后，信号E11包含的相位误差归零，即
Figure GDA0003251364360000057
此时，第二恒温晶体振荡器35输出信号为
Figure GDA0003251364360000058
在这里，由之前给出的n，k，m的数值关系可得，(n+k)/2m＝1。因此，系统远端的第二恒温晶体振荡器35输出信号可写为
Figure GDA0003251364360000059
由上式可见，系统远端输出的信号相位锁定于系统近端的原子钟信号。第二恒温晶体振荡器35输出信号经第三电耦合器36一分为二，其中一路输出连接频率变换模块41，其输出经频率变换后得到用户43所需的信号频率供用户使用。
下面说明利用上述超长距离光纤高精度射频信号传递方法来实现超长距离光纤高精度射频信号传递的步骤：
1)近端辅助射频信号源产生锁定于原子频率源的高稳参考信号；
2)远端辅助射频信号源产生高稳射频信号并调制到光上经超长距离光纤传递到系统近端；
3)系统近端将远端传过来的信号进行高精度鉴相锁定跟踪；
4)相位锁定跟踪后的信号与近端辅助射频信号源混频完成相位共轭；
5)相位共轭射频信号调制到光上经超长距离光纤传递到远端；
6)系统远端将近端传过来的信号进行鉴相锁定再生得到相位锁定于原子频率源的高稳射频信号。

Claims (8)

1.一种超长距离光纤高精度射频信号传递系统，其特征在于，包括：近端高稳定相位共轭补偿装置、远端射频信号锁相再生装置；其中，近端高稳定相位共轭补偿装置与远端射频信号锁相再生装置之间经超长距离光纤连接；近端高稳定相位共轭补偿装置对接收到的射频信号进行锁相共轭，补偿射频信号经光纤传递带来的相位抖动；远端射频信号锁相再生装置通过带有高稳晶振的锁相环对信号进行锁相再生，消除剩余相位误差；远近端高质量信号处理实现超长距离光纤高精度射频信号传递；
所述近端高稳定相位共轭补偿装置包括：近端高稳定锁相混频装置和无源相位共轭装置，二者依次通过电连接线连接，实现对接收到的射频信号进行相位锁定追踪及相位共轭；所述高稳定锁相混频装置包括原子频率源(10)、第一辅助射频信号源(11)、第一电耦合器(13)、第一混频器(14)、第一电放大器(15)、第一电滤波器(16)、第一鉴相器(17)、第一比例积分控制器(18)、第一恒温晶体振荡器(19)、第二电耦合器(20)、第二电滤波器(21)、第一光电探测器(22)、第一密集波分复用器(28)；原子频率源(10)产生高精度低频参考信号，可表示为
Figure FDA0003251364350000011
其中，A0表示高精度参考信号的振幅；ω0为信号频率；
Figure FDA0003251364350000012
为信号的初始相位，原子频率源(10)输出连接第一电耦合器(13)输入端，经电耦合器将信号E0功率一分为二，第一辅助射频信号源(11)参考于原子频率源(10)输出经第一电耦合器(13)一分二之后的其中一路信号，产生高稳定射频参考信号，可表示为
Figure FDA0003251364350000013
在这里，A4为第一辅助射频信号源的输出信号的振幅，k为任意正实数，第一辅助射频信号源(11)输出连接第一混频器(14)的其中一个输入端口；
所述的远端射频信号锁相再生装置包括：第二密集波分复用器(30)、第二光电探测器(31)、第三电滤波器(32)、第二鉴相器(33)、第二比例积分控制器(34)、第二恒温晶体振荡器(35)、第三电耦合器(36)、第三辅助射频信号源(37)、第四电耦合器(38)、第一电光调制器(39)、第一激光器(40)组成；第二恒温晶体振荡器(35)产生的信号可表示为
Figure FDA0003251364350000014
其中，A1表示第二恒温晶体振荡器(35)输出信号的振幅，
Figure FDA0003251364350000015
为第二恒温晶体振荡器(35)的输出信号相位，第二恒温晶体振荡器(35)输出连接第三辅助射频信号源(37)的输入，第三辅助射频信号源(37)参考于第二恒温晶体振荡器(35)输出经第三电耦合器(36)一分为二后的信号，产生高稳辅助射频信号
Figure FDA0003251364350000016
其中，A2为第三辅助射频信号源输出信号的振幅，需满足m＝k+1；所述第三辅助射频信号源(37)输出连接第四电耦合器(38)输入端，经电耦合器将信号E2功率一分为二，第一电光调制器(39)电输入端口连接第四电耦合器(38)的其中一路输出，所述第一电光调制器(39)光输入端口连接第一激光器(40)的输出，所述第一电光调制器(39)输出连接第二密集波分复用器(30)的S1通道，S1通道的光信号经由超长距离光纤(42)传递到近端相位共轭补偿装置。
2.如权利要求1所述的超长距离光纤高精度射频信号传递系统，其特征在于，所述第一光电探测器(22)探测接收第一密集波分复用器(28)S1通道输出的光信号；所述第一光电探测器(22)输出连接第二电滤波器(21)，得到信号
Figure FDA0003251364350000021
其中，A3为第二电滤波器(21)输出射频信号的振幅，
Figure FDA0003251364350000022
是当传递的射频信号频率为mω0时，该频率的射频信号经光纤链路传递后叠加的相位抖动。
3.如权利要求1所述的超长距离光纤高精度射频信号传递系统，其特征在于，所述第一恒温晶体振荡器(19)输出高稳信号
Figure FDA0003251364350000023
其中，A5为信号的振幅，
Figure FDA0003251364350000024
为信号的相位；第一恒温晶体振荡器(19)输出连接第二电耦合器(20)输入端，经第二电耦合器(20)将信号E5功率一分为二，第一混频器(14)两个输入端分别连接第一辅助射频信号源(11)输出端和第二电耦合器(20)的其中一个输出端，所述第一混频器(14)输出端依次连接第一电放大器(15)、第一电滤波器(16)。
4.如权利要求1所述的超长距离光纤高精度射频信号传递系统，其特征在于，所述的第一电滤波器(16)输出信号为
Figure FDA0003251364350000025
其中，A6为信号的振幅；所述第一鉴相器(17)两个输入端分别连接第一电滤波器(16)输出端、第二电滤波器(21)的输出端，所述第一鉴相器(17)输出端连接高精度第一比例积分控制器(18)，所述第一鉴相器(17)输出直流误差信号为
Figure FDA0003251364350000026
其中，A7为该直流误差信号的幅度；所述第一比例积分控制器(18)输入端连接第一鉴相器(17)的输出端，并对第一鉴相器(17)输出的直流误差信号进行比例积分运算；所述第一比例积分控制器(18)输出端连接第一恒温晶体振荡器(19)的输入端，控制第一恒温晶体振荡器(19)使得整个环路进行锁定，环路锁定后，信号E7包含的相位误差归零，即
Figure FDA0003251364350000027
所述第一恒温晶体振荡器(19)在环路锁定后，输出信号为
Figure FDA0003251364350000028
5.如权利要求1所述的超长距离光纤高精度射频信号传递系统，其特征在于，所述的无源相位共轭装置包括：第二辅助射频信号源(12)、第二混频器(23)、第二电放大器(24)、第四电滤波器(25)、第二电光调制器(26)、第二激光器(27)；所述的第二辅助射频信号源(12)参考于原子频率源(10)输出经第一电耦合器(13)一分二之后的一路信号，产生高稳辅助参考信号
Figure FDA0003251364350000029
其中，A8为第二辅助射频信号源的输出信号的振幅，需满足n＝m+1；所述第二混频器(23)两个输入端分别连接第二辅助射频信号源(12)输出端、第二电耦合器(20)其中一路输出端；所述第二混频器(23)输出端依次连接第二电放大器(24)、第四电滤波器(25)；第四电滤波器(25)输出信号为
Figure FDA0003251364350000031
其中，A9为信号的振幅；第二电光调制器(26)电输入端连接第四电滤波器(25)输出端，所述第二电光调制器(26)光输入端连接第二激光器(27)的输出端，所述第二电光调制器(26)输出连接第一密集波分复用器(28)的S2通道，S2通道的光信号经由超长距离光纤(42)传递到远端射频信号锁相再生装置。
6.如权利要求1所述的超长距离光纤高精度射频信号传递系统，其特征在于，所述第二光电探测器(31)探测接收第二密集波分复用器(30)S2通道输出的光信号，所述第二光电探测器(31)输出连接第三电滤波器(32)，第三电滤波器(32)输出信号为
Figure FDA0003251364350000032
其中，A10为信号振幅，
Figure FDA0003251364350000033
为信号E9经过光纤链路传递后叠加的相位抖动，由于该信号与远端传到近端的信号经由的光纤链路为同一光纤链路，此时引入的相位抖动认为是与
Figure FDA0003251364350000034
相等，信号E10可写为
Figure FDA0003251364350000035
7.如权利要求1所述的超长距离光纤高精度射频信号传递系统，其特征在于，所述第二鉴相器(33)两个输入端分别连接第三电滤波器(32)输出端、第四电耦合器(38)的其中一路输出端，所述第二鉴相器(33)输出直流误差信号为
Figure FDA0003251364350000036
其中，A11为信号幅度；第二比例积分控制器(34)输入端连接第二鉴相器(33)的输出端，并对第二鉴相器(33)输出的直流误差信号进行比例积分运算，所述第二比例积分控制器(34)输出端连接第二恒温晶体振荡器(35)的输入端，使得整个环路进行锁定，环路锁定后，信号E11包含的相位误差归零，即
Figure FDA0003251364350000037
第二恒温晶体振荡器(35)在环路锁定后，输出为
Figure FDA0003251364350000038
其中，由之前给出的n，k，m的数值关系可得，(n+k)/2m＝1；因此，所述第二恒温晶体振荡器(35)输出信号可写为
Figure FDA0003251364350000039
由上式可见，系统远端射频信号锁相再生装置输出的信号锁定于系统近端的原子频率源输出的信号；所述的第三电耦合器(36)一路输出连接频率变换模块(41)，其输出经频率变换后得到用户(43)所需的信号频率供用户使用。
8.一种使用如权利要求1-7任意一项的超长距离光纤高精度射频信号传递系统的超长距离光纤高精度射频信号传递方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)近端辅助射频信号源产生锁定于原子频率源的高稳参考信号；
2)远端辅助射频信号源产生高稳射频信号并调制到光上经超长距离光纤传递到系统近端；
3)系统近端将远端传过来的信号进行高精度鉴相锁定跟踪；
4)相位锁定跟踪后的信号与近端辅助射频信号源混频完成相位共轭；
5)相位共轭射频信号调制到光上经超长距离光纤传递到远端；
6)系统远端将近端传过来的信号进行鉴相锁定再生得到相位锁定于原子频率源的高稳射频信号。
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