CN111464281A - 微波恢复装置和分布式微波同步系统 - Google Patents

微波恢复装置和分布式微波同步系统 Download PDF

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Abstract

公开了一种微波恢复装置和分布式微波同步系统。所述微波恢复装置包括：光电转换器，用于将接收到的微波调制光信号转换成电信号；锁相环，包括微波鉴相器和介质振荡器，所述微波鉴相器的一个输入端接收所述电信号，所述微波鉴相器的另一个输入端接收所述介质振荡器的输出信号，所述介质振荡器接收所述微波鉴相器的输出信号作为输入信号，并且输出恢复的微波信号。该方案利用微波鉴相器鉴相精度不受输入信号幅度影响的特性，和介质振荡器的低噪声特性，实现布置于分布式微波同步系统从端的锁相环，抑制由于光电管非线性效应产生的幅度‑相位噪声，获得更为精准的微波信号。

Description

微波恢复装置和分布式微波同步系统
技术领域
本公开涉及一种同步技术，尤其涉及一种微波恢复装置和分布式微波同步系统。
背景技术
分布式微波同步系统分为主端和从端，主端负责产生系统所需的微波信号，然后将其通过同轴线或光纤传输到从端，再通过反馈控制使从端相位与主端微波相位锁相。此类系统主要应用于大型科研装置，如粒子加速器，雷达等。
当主从端距离较近时，可用同轴线直接传输微波信号。当主从端距离较远时，则需要先用微波信号对激光做调制，然后将调制后的激光通过光纤传输到从端，以降低长距离传输时的损耗，并增加系统的抗干扰能力。
在获取到经调制的激光信号时，需要使用诸如光电管等的器件来进行连续激光信号的解调，从而恢复出微波信号。在采用光电管做调幅信号的解调时，如果光电管的响应曲线是理想的线性响应，那么光电管输出信号将与输入信号所携带的调制信号成线性关系，二者的频谱成分也会一致。然而在实际使用中，光电管的响应曲线并非是理想的线性响应。图1示出了光电管响应曲线的一个例子。如图所示，光电管响应曲线在信号幅度较大时斜率会出现变化。
虽然在现有技术中，会尽量使光电管工作在线性区域，但在实际利用中仍是存在非线性效应，尤其是在调制信号幅度较大时非线性效应会更加明显，这就造成了光电管的输出信号频谱与调制信号频谱不一致，从而引入频率噪声，即幅度-相位噪声，也即造成了同步系统在时域的时间抖动。即使仅产生了100飞秒的时间抖动，换算成频域也会产生10000GHz的高频，如此之高的高频抖动通常无法通过反馈系统抑制，从而导致从端解调信号的幅度-相位噪声。
为此，需要一种能够抑制上述幅度-相位噪声的微波恢复方案。
发明内容
本公开要解决的一个技术问题是提供一种能够抑制上述幅度-相位噪声的微波恢复方案，该方案利用微波鉴相器鉴相精度不受输入信号幅度影响的特性，和介质振荡器的低噪声特性，实现锁相环，抑制由于光电管非线性效应产生的幅度-相位噪声，获得更为精准的微波信号。
根据本公开的第一个方面，提供了一种微波恢复装置，包括：光电转换器，用于将接收到的微波调制光信号转换成电信号；锁相环，包括微波鉴相器和介质振荡器，所述微波鉴相器的一个输入端接收所述电信号，所述微波鉴相器的另一个输入端接收所述介质振荡器的输出信号，所述介质振荡器接收所述微波鉴相器的输出信号作为输入信号，并且输出恢复的微波信号。
可选地，该装置还可以包括：传输路径修正单元，用于修正所述微波调制光信号的传输延时。
可选地，该装置还可以包括：相位调节装置，用于调节所述电信号的相位，并将经相位调节的电信号输入所述锁相环。
可选地，该装置还可以包括：相位调节装置，用于调节所述恢复的微波信号的相位。
可选地，所述微波调制光信号包括：基于微波频率进行幅度调制的激光信号。
可选地，所述光电转换器包括：快速光电管。
可选地，所述介质振荡器的输出频率使用外部电压朝向所述电信号的频率进行调节。
根据本公开的第二个方面，提供了一种分布式微波同步系统，包括主端和从端，其中，所述主端发送微波调制光信号；所述从端接收所述微波调制光信号，并且包括如第一个方面所述的微波恢复装置。
本发明在连续激光同步系统中采用微波鉴相器和介质振荡器搭建了锁相环，从而降低了由于光电二极管的非线性效应引起的幅度-相位噪声。在实际应用中，可以根据具体需求在相应的从端中布置本发明的上述微波恢复结构。例如一个大型加速器系统只在一些关键位置需要最高指标要求，其他位置则不需要最高指标，因此可以只在需要的地方加入本发明的锁相环。
附图说明
通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了光电管响应曲线的一个例子。
图2示出了采用连续激光进行同步的分布式微波系统的示意图。
图3示出了根据本发明一个实施例的微波恢复装置的组成示意图。
图4示出了根据本发明一个实施例的微波恢复装置的组成示意图。
图5示出了根据本发明一个实施例的微波恢复装置的组成示意图。
图6示出了根据本发明一个实施例的微波恢复装置的组成示意图。
图7示出了根据本发明一个实施例的分布式微波同步系统的组成示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
分布式微波同步系统分为主端和从端，主端负责产生系统所需的微波信号，然后将其通过同轴线或光纤传输到从端，再通过反馈控制使从端相位与主端微波相位锁相。此类系统主要应用于大型科研装置，如粒子加速器，雷达等。
当主从端距离较近时，可用同轴线直接传输微波信号。当主从端距离较远时，则需要先用微波信号对激光做调制，然后将调制后的激光通过光纤传输到从端，以降低长距离传输时的损耗，和增加系统的抗干扰能力。图2示出了采用连续激光进行同步的分布式微波系统的示意图。图中的黑色箭头表示电信号的传播路径，灰色箭头表示光信号的传播路径。
为了将主端210产生的微波同步到从端220，需要对主端210产生的微波进行调制并经由传输路径230传输到从端220，从端220则经由一定的操作恢复出主端的微波。
具体地，主端210中的微波源产生微波信号，采用激光器生成的连续激光进行幅度调制，然后借助传输路径230(图示为光纤)将调制后的激光传输至从端220。
主端210可以监测(或主从端配合监测)由温度变化或振动等引起的光纤长度变化，然后通过反馈控制使得各从端的相位与主端微波相位锁相。反馈控制方式可以包括稳定光纤长度，或在从端值直接调整微波相位等，例如经由图示的传输路径控制单元实现。
从端220对调制后的激光信号做解调，恢复出微波信号。具体地，可以采用光电二极管进行光电转换，从而直接将接收到的调制激光信号转换为电信号，随后可以基于主端反馈的相位偏移量对经转换的电信号进行相位调节，从而得到恢复出的微波信号。
在获取到经调制的激光信号时，需要使用诸如光电管等光电转换器件来进行连续激光信号的解调，从而恢复出微波信号。在采用光电管做调幅信号的解调时，由于光电管的响应曲线如上图1所示并非是理想的线性响应，因此会导致光电管的输出信号频谱与调制信号频谱不一致，从而引入频率噪声，即幅度-相位噪声，也即造成了同步系统在时域的时间抖动。在此，时间抖动是指相对于理想时钟沿，实际时钟存在的不随时间积累，时而超前，时而滞后的偏移，其在频域的描述即为相位噪声。相位噪声是指系统在各种噪声的作用下引起的系统输出信号相位的随机变化，其在时域的描述即为时间抖动。即使仅产生了100飞秒的时间抖动，换算成频域也会产生10000GHz的高频，如此之高的高频抖动通常无法通过反馈系统抑制，从而导致从端解调信号的幅度-相位噪声。
为此，本发明提出一种抑制上述幅度-相位噪声的微波恢复方案，该方案利用微波鉴相器鉴相精度不受输入信号幅度影响的特性，和DRO的低噪声特性，实现锁相环，抑制由于光电管非线性效应产生的幅度-相位噪声，获得更加稳定的微波信号。
图3示出了根据本发明一个实施例的微波恢复装置的组成示意图。该装置300可以布置在分布式微波系统中的从端，尤其是需要极高时域精度的从端，例如，图2所示的从端220，以消除从端解调信号的幅度-相位噪声。
微波恢复装置300可以包括光电转换器310和锁相环。光电转换器310用于将接收到的微波调制光信号转换成电信号。在此，所述微波调制光信号可以包括如图2所示基于微波频率进行幅度调制的激光信号。在一个实施例中，该光电转换器可以实现为光电管，尤其可以是快速光电管。
锁相环则包括微波鉴相器320和介质振荡器(DRO)330。该锁相环接收经转换的电信号作为输入信号，并且输出经锁相的去除了由光电管非线性效应产生的幅度-相位噪声的电信号。
在本发明中，鉴相指将相位差的变化转换成输出电压的变化，即调相的逆变换，以此实现调相波解调的过程。微波鉴相，顾名思义是用于比较微波之间的相位差。微波鉴相器是一种用于进行微波鉴相的器件，并且具有鉴相精度不受输入信号幅度影响的特征。介质振荡器(Dielectric Resonator Oscillator，DRO)是一种基于介质振荡原理，具有低相位噪声的微波产生器件。由于DRO具有极窄的输出带宽，因此能够结合微波鉴相器鉴相精度不受输入信号幅度影响的特征，实现锁相环，抑制由于光电管非线性效应产生的幅度-相位噪声，获得更加稳定的微波信号。
具体地，如图3所示，微波鉴相器320的一个输入端接收经光电转换的电信号，另一个输入端接收DRO330的输出信号，DRO330接收微波鉴相器320的输出信号作为输入信号。利用微波鉴相器鉴相精度不受输入信号幅度影响的特性，和DRO的低噪声特性，实现锁相环，抑制由于光电管非线性效应产生的幅度-相位噪声，并由DRO330输出恢复的微波信号。
微波鉴相器对输入的射频信号直接进行比相处理。在本发明中，可以使用一个外部电压来调节DRO330的输出频率，以使得DRO330的输出频率朝向所述电信号的频率(即，微波频率)靠近，以实现更为快速锁相。例如，转换后的微波频率为1.2GHz，DRO 330的初始输出频率为1.3GHz，利用锁相环结构，可以最终得到经锁相的(且抑制了幅度-相位噪声的)1.2GHz的输出频率。在一个优选实施例中，可以为DRO330额外添加一个外部电压，以朝向所述电信号的频率调节其输出频率。例如，使用外部电压将初始输出频率1.3GHz朝向1.2GHz进行调节，例如，调节到1.25GHz，由此能够更快地得到经锁相的(且抑制了幅度-相位噪声的)1.2GHz的输出频率。
如前所述，由于在传输路径中会由于光纤长度变化等而导致从端接收到的信号与主端发送的信号具有时移，从而导致频域的相位差，为此，本发明的微波恢复装置300可以引入调节机制。在不同的实现中，上述调节可以在微波恢复的不同步骤进行。
图4示出了根据本发明一个实施例的微波恢复装置的组成示意图。如图4所示，微波恢复装置400除了包括光电管410、微波鉴相器420和DRO430之外，还包括相位调节装置440。该相位调节装置440位于光电管410和锁相环之间。在利用光电管410恢复出微波信号之后，首先通过相位调节装置440来控制该微波信号的相对时刻，即调节光电管410输出的电信号的相位，并将经相位调节的电信号输入所述锁相环。该相位调节装置440可以通过接收来自主端的调节信号(例如，相移值)来进行所述调节。经相位调节的微波信号随后进入由微波鉴相器420和DRO430组成的锁相环，以利用微波鉴相器鉴相精度不受输入信号幅度影响的特性，和DRO的低噪声特性，抑制由于光电管非线性效应产生的幅度-相位噪声，并输出与主端锁相的微波信号。
图5示出了根据本发明一个实施例的微波恢复装置的组成示意图。如图5所示，微波恢复装置500除了包括光电管510、微波鉴相器520和DRO530之外，还包括相位调节装置540。该相位调节装置540位于锁相环之后。在利用光电管510恢复出微波信号之后，首先通过由微波鉴相器520和DRO530组成的锁相环，以利用微波鉴相器鉴相精度不受输入信号幅度影响的特性，和DRO的低噪声特性，抑制由于光电管非线性效应产生的幅度-相位噪声。随后，通过相位调节装置540来控制该微波信号的相对时刻，即调节锁相环输出的电信号的相位。该相位调节装置540可以通过接收来自主端的调节信号(例如，相移值)来进行所述调节。经相位调节的微波信号随后进入，并输出与主端锁相的微波信号。
图6示出了根据本发明一个实施例的微波恢复装置的组成示意图。如图6所示，微波恢复装置600除了包括光电管610、微波鉴相器620和DRO630之外，还包括传输路径修正单元640。该传输路径修正单元640位于光电管610之前。在通过光电管610恢复微波信号之前，可以通过路径修正机制调节传输路径上的延时。传输路径修正单元640可以基于各自反馈控制方式，通过接收来自主端的修正信号来进行所述修正，从而控制该光信号相对于主端发送时的相对时刻。随后，经修正的微波调制光信号被输入光电管610进行光电转换，经转换的微波信号通过由微波鉴相器620和DRO630组成的锁相环，以利用微波鉴相器鉴相精度不受输入信号幅度影响的特性，和DRO的低噪声特性，抑制由于光电管非线性效应产生的幅度-相位噪声，并输出与主端锁相的微波信号。
如上已经结合图3-6描述了本发明的微波恢复装置及其优选实施例。该装置可以布置在分布式微波系统中的从端，尤其是需要极高时域精度的从端。
为此，本发明还可以实现为一种分布式微波同步系统。图7示出了根据本发明一个实施例的分布式微波同步系统的组成示意图。如图所示，该系统包括主端710和从端720，并且可以经由传输路径730(例如，光纤)进行微波调制光信号，尤其是基于微波频率进行幅度调制的连续激光信号的传输。从端720可以实现如上所述的微波恢复装置。
具体地，主端710可以发送微波调制光信号，从端720则可接收所述微波调制光信号，并利用本发明的微波恢复方案恢复出与主端锁相且消除了幅度-相位噪声的微波信号。
从端720可以包括光电转换器710(例如，光电管，尤其是快速光电管)，用于将接收到的微波调制光信号转换成电信号，以及锁相环，用于抑制由于光电管非线性效应产生的幅度-相位噪声。该锁相环包括微波鉴相器722和介质振荡器(DRO)723。微波鉴相器722的一个输入端接收所述电信号，另一个输入端接收DRO723的输出信号，DRO723接收所述微波鉴相器的输出信号作为输入信号，并且输出恢复的微波信号。恢复出的微波信号随后可用于从端720进行各种后续处理。
类似地，可以使用外部电压调节DRO723的输出频率，以使得DRO723的输出频率朝向所述电信号的频率靠近，以实现更为快速的锁相。
进一步地，为了消除由于传输路径引入的时移，需要通过反馈机制使得从端720的相位与主端710微波相位锁相。为此，在一个实施例中，从端可以包括相位调节装置(未示出)。相位调节装置可以如图4或5所示，位于锁相环之前或之后，由此可以基于从主端接收到的调节信号，用于调节所述电信号的相位，并将经相位调节的电信号输入所述锁相环；或者调节所述恢复的微波信号的相位。
在另一个实施例中，所述从端还可以包括：传输路径修正单元，用于基于从主端接收到的修改信号，修正由所述传输路径产生的微波调制光信号的传输延时。
在实际使用中，该分布式微波同步系统可以包括一个主端和多个从端。所述多个从端中的至少一个从端可以包括本发明的微波恢复装置，即包括所述光电转换器和所述锁相环，用于将接收到的所述微波调制光信号恢复成与主端锁相的微波信号。例如一个大型加速器系统只在一些关键位置需要最高指标要求，其他位置则不需要最高指标，因此可以只在需要的地方加入本发明的锁相环结构。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (14)

1.一种微波恢复装置，包括：
光电转换器，用于将接收到的微波调制光信号转换成电信号；
锁相环，包括微波鉴相器和介质振荡器，所述微波鉴相器的一个输入端接收所述电信号，所述微波鉴相器的另一个输入端接收所述介质振荡器的输出信号，所述介质振荡器接收所述微波鉴相器的输出信号作为输入信号，并且输出恢复的微波信号。
2.如权利要求1所述的装置，还包括：
传输路径修正单元，用于修正所述微波调制光信号的传输延时。
3.如权利要求1所述的装置，还包括：
相位调节装置，用于调节所述电信号的相位，并将经相位调节的电信号输入所述锁相环。
4.如权利要求1所述的装置，还包括：
相位调节装置，用于调节所述恢复的微波信号的相位。
5.如权利要求1所述的装置，其中，所述微波调制光信号包括：
基于微波频率进行幅度调制的激光信号。
6.如权利要求1所述的装置，其中，所述光电转换器包括：
快速光电管。
7.如权利要求1所述的装置，其中，所述介质振荡器的输出频率使用外部电压朝向所述电信号的频率进行调节。
8.一种分布式微波同步系统，包括主端和从端，其中，
所述主端发送微波调制光信号；
所述从端接收所述微波调制光信号，并且包括：
光电转换器，用于将接收到的微波调制光信号转换成电信号；
锁相环，包括微波鉴相器和介质振荡器，所述微波鉴相器的一个输入端接收所述电信号，所述微波鉴相器的另一个输入端接收所述介质振荡器的输出信号，所述介质振荡器接收所述微波鉴相器的输出信号作为输入信号，并且输出恢复的微波信号。
9.如权利要求8所述的系统，其中，所述微波调制光信号经由传输路径传送至所述从端，
所述从端还包括：
传输路径修正单元，用于基于从主端接收到的修改信号，修正由所述传输路径产生的微波调制光信号的传输延时。
10.如权利要求8所述的系统，其中，所述从端还包括：
相位调节装置，基于从主端接收到的调节信号，用于：
调节所述电信号的相位，并将经相位调节的电信号输入所述锁相环；或者
调节所述恢复的微波信号的相位。
11.如权利要求8所述的系统，其中，所述微波调制光信号包括：
基于微波频率进行幅度调制的激光信号。
12.如权利要求8所述的系统，其中，所述光电转换器包括：
快速光电管。
13.如权利要求8所述的系统，其中，所述系统包括多个从端，所述多个从端中的至少一个从端包括所述光电转换器和所述锁相环，用于将接收到的所述微波调制光信号恢复成与主端锁相的微波信号。
14.如权利要求8所述的系统，其中，所述介质振荡器的输出频率使用外部电压朝向所述电信号的频率进行调节。
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