CN111917477B - 基于环状拓扑的分布式光纤宽频稳相传输系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于环状拓扑的分布式光纤宽频稳相传输系统及方法，包括宽带频率源、光纤频率稳相传输单元、N个用户单元和M个光放大单元，所述光纤频率稳相传输单元具有第一端口、第二端口和第三端口，所述宽带频率源的输出端与光纤频率稳相传输单元的第一端口连接，所述光纤频率稳相传输单元的第二端口依次经过N个用户单元和M个光放大单元与光纤频率稳相传输单元的第三端口连接，以形成单纤双向串联环状拓扑通路，在实现分布式光纤宽频稳相传输的同时，可避免不同发射站点内部温度等环境因素对光电子器件的影响，还能有效避免随着分布节点增多情况下中心站光纤频率稳相传输单元系统体积庞大、控制复杂的缺点。

Description

基于环状拓扑的分布式光纤宽频稳相传输系统及方法
技术领域
本发明涉及光纤宽频传输技术领域，特别是涉及一种基于环状拓扑的分布式光纤宽频稳相传输系统及方法。
背景技术
高精度频率信号在卫星导航、航空航天、深空探测、侦察预警等领域有着重要的应用价值。光纤传输具有低损耗、大容量、大带宽、高速、高稳定、安全可靠的优势，在通信领域已经得到了广泛的应用。基于光纤的频率传输技术是实现更高精度频率传输和分配的有效途径，持续推动着微波光子相关领域的发展。基于光纤的频率传输技术面临着光纤链路传输时延随温度、应力、振动和传输波长等因素变化而变化的问题，传输频率信号频率/相位的持续恶化无法满足用户的高精度需求；在分布式频率稳相传输系统中，亦无法保证各个用户节点实现相位同步/一致的频率信号接收。
对于分布式频率稳相传输，常用的一种方法是将多套点对点频率稳相传输系统独立运行，但随着分布节点增多，整个分布式传递系统将越来越庞大，控制越来越复杂。另一种是在点对点频率稳相传输主链路上，通过分出部分前向和后向传输的光载信号用于获取前向和后向传递的频率信号，通过信号处理实现高精度分布式光纤频率传输。该思想最初由德国PTB研究所于2010年首次提出，并被逐渐应用于光纤分布式频率传输。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种分布式相位稳定/同步的宽频信号传输分配、中心站光纤频率稳相传输单元体积小且控制简单以及中心站光纤频率稳相传输单元独立完成信号的光电转换及信号处理工作的基于环状拓扑的分布式光纤宽频稳相传输系统及方法。
为解决上述问题，本发明提供了一种基于环状拓扑的分布式光纤宽频稳相传输系统，包括宽带频率源、光纤频率稳相传输单元、N个串联连接的用户单元和M个串联连接的光放大单元，所述光纤频率稳相传输单元具有第一端口、第二端口和第三端口，所述宽带频率源的输出端与光纤频率稳相传输单元的第一端口连接，所述光纤频率稳相传输单元的第二端口依次经过N个用户单元和M个光放大单元后与光纤频率稳相传输单元的第三端口连接，以形成单纤双向串联环状拓扑通路；
所述宽带频率源用于输出宽频信号；
所述光纤频率稳相传输单元将来自宽带频率源输出的宽频信号转换为光载宽频信号，该光载宽频信号从光纤频率稳相传输单元的第二端口输出并沿单纤双向串联环状拓扑通路的顺时针方向传输，同时该光载宽频信号还从光纤频率稳相单元的第三端口输出并沿单纤双向串联环状拓扑通路的逆时针方向传输，经过用户单元和双向光放大单元后返回光纤频率稳相传输单元；所述光纤频率稳相传输单元获取返回的光载宽频信号与宽带频率源发出的宽频信号之间的第一时延信息，并根据该第一时延信息来稳定光纤环路中的传输时延；
所述用户单元用于接收光纤频率稳相传输单元的第二端口和第三端口输出的光载宽频信号，并获取两个光载宽频信号之间的第二时延信息，并根据该第二时延信息来接收相位稳定的光载宽频信号；
所述光放大单元用于对光纤频率稳相传输单元的第二端口和第三端口传输的光载宽频信号进行放大。
进一步的，所述光纤频率稳相传输单元包括第一控制模块、第一光发模块、第一波分复用模块、第一光收模块、第一时延/相位检测模块、第二光发模块、第二波分复用模块、第二光收模块和第一时延/相位补偿模块；
所述第一光发模块用于接收宽带频率源输出的宽频信号，并将该宽频信号转换成光载宽频信号后传输给第一波分复用模块；
所述第一波分复用模块用于将接收的光载宽频信号复用进一根光纤，并将该光载宽频信号依次经光放大单元和用户单元后传输给第二波分复用模块；同时所述第一波分复用模块用于接收光纤环路中顺时针方向的光载宽频信号，并经解复用后传输给第一光收模块；
所述第一光收模块用于将接收的光载宽频信号进行光电转换后传输给第一时延/相位检测模块；
所述第二光发模块用于接收宽带频率源输出的宽频信号并将该宽频信号电光转换后传输给第二波分复用模块；
所述第二波分复用模块用于将接收的光载宽频信号复用进一根光纤，并将该光载宽频信号依次经第一时延/相位补偿模块、用户单元和光放大单元后传输给第一波分复用模块；同时第二波分复用模块用于接收光纤环路中逆时针传输的光载宽频信号，并经解复用后传输给第二光收模块；
所述第二光收模块用于将接收的光载宽频信号进行光电转换后传输给第一时延/相位检测模块；
所述第一时延/相位检测模块用于根据宽带频率源、第一光收模块和第二光收模块输入的信号获取光纤环路的时延及其变化信息，并将该时延及其变化信息输入控制模块；
所述第一控制模块用于根据时延及其变化信息产生对应的控制信号，并传输给第一时延/相位补偿模块；
所述第一时延/相位补偿模块用于根据第一控制模块输入的控制信号调整整个光纤环路的传输时延。
进一步的，每一用户单元包括光耦合器、第二控制模块、第三波分复用模块、第一光电转换模块、第二时延/相位检测模块、第四波分复用模块、第二时延/相位补偿模块和第三时延/相位补偿模块；
所述光耦合器用于耦合部分光纤频率稳相传输单元第二端口沿顺时针方向发送的光载宽频信号给第三波分复用模块，同时耦合部分光纤频率稳相传输单元第三端口沿逆时针方向发送的光载宽频信号给第四波分复用模块；
所述第三波分复用模块用于将来自光耦合器的光载宽频信号输入第一光电转换模块；
所述第一光电转换模块用于将接收的光载宽频信号进行光电转换后输入第二时延/相位检测模块；
所述第四波分复用模块用于将来自光耦合器第二端口的光载宽频信号经第二延时/相位补偿模块和第三延时/相位补偿模块输入第二光电转换模块；
所述第二光电转换模块用于将来自第三时延/相位补偿模块的光载宽频信号进行光电转换后输入第二时延/相位检测模块；
所述第二时延/相位检测模块用于根据来自第一光电转换模块和第二光电转换模块的宽频信号获取光纤环路中宽频信号的时延及其变化信息，并输入第二控制模块；
所述第二控制模块用于根据接收的宽频信号的时延及其变化信息产生控制信号，并输入第二时延/相位补偿模块和第三时延/相位补偿模块；
所述第二时延/相位补偿模块用于根据第二控制模块输入的控制信号，对第四波分复用模块输入的光载宽频信号进行时延/相位补偿，并输入第三时延/相位补偿模块；
所述第三时延/相位补偿模块用于根据第二控制模块输入的控制信号，对第二时延/相位补偿模块输入的光载宽频信号进行时延/相位补偿，并输入第二光电转换模块。
进一步的，所述基于环状拓扑的分布式光纤宽频稳相传输系统还包括第三光电转换模块，每一用户单元的第二时延/相位补偿模块的输出端均与所述第三光电转换模块的输入端连接，所述第三光电转换模块的输出端连接至本地用户，为本地用户提供稳定的宽频信号。
进一步的，所述光耦合器为2×2光耦合器，所述光耦合器具有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，所述光耦合器的第一端口与所述光纤频率稳相传输单元的第二端口连接，所述光耦合器的第二端口与所述光纤频率稳相传输单元的第三端口连接，所述光耦合器的第三端口与第四波分复用模块的输入端连接，所述光耦合器的第四端口与所述第三波分复用模块连接。
另一方面，本发明还提供了一种基于环状拓扑的分布式光纤宽频稳相传输方法，包括以下步骤：
S1：宽带频率源将宽频信号传输至光纤频率稳相传输单元；
S2：光纤频率稳相传输单元将宽带频率源输入的宽频信号转换成光载宽频信号，该光载宽频信号经波分复用后分别经光纤频率稳相传输单元的第二端口和第三端口输入至光纤环路中；
S3：用户单元获取部分光纤频率稳相传输单元的第二端口和第三端口传输的光载宽频信号，并对光载宽频信号进行光电转换；
S4：双向光放大单元对光纤频率稳相传输单元的第二端口和第三端口发送的光载宽频信号进行放大；
S5：光纤频率稳相传输单元接收来自光纤环路中传输返回的光载宽频信号，将该光载宽频信号经光电转换后和宽带频率源发出的宽频信号进行比对，并获取光纤环路的时延及其变化信息；
S6：光纤频率稳相传输单元根据获取的时延及其变化信息对整个光纤环路的时延进行补偿以实现光纤环路传输时延恒定；
S7：用户单元接收来自光纤频率稳相传输单元第二端口和第三端口传输的光载宽频信号，获取光纤环路的时延及其变化信息；
S8：用户单元根据获取的时延及其变化信息对宽频信号的时延进行补偿，以确保各用户单元接收宽频信号具有相位稳定和一致的特性。
本发明的有益效果：
(1)光纤频率稳相传输单元获取宽带频率信号的时延及相位信息，并针对时延及相位进行补偿，使得用户单元接收的宽带频率信号的相位稳定，且各用户单元之间接收的宽带频率的相位具有保持同步的能力；
(2)光纤频率稳相传输单元、用户单元和双向光放大单元之间串联形成单纤双向串联环状拓扑通路，光纤频率稳相传输单元独自完成信号的光电互转换和信号处理，可以有效避免不同发射站点内部温度等环境因素对使用光子和电子器件的影响，从而进一步提高用户获得宽带频率信号的性能。
附图说明
图1为本发明基于环状拓扑的分布式光纤宽频稳相传输系统的较佳的实施方式的结构示意图。
图2为图1中传输系统的光纤频率稳相传输单元的结构示意图。
图3为图1中传输系统的用户单元的结构示意图。
图4为本发明基于环状拓扑的分布式光纤宽频稳相传输方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例一
如图1所示，是本发明基于环状拓扑的分布式光纤宽频稳相传输系统的较佳的实施方式的结构示意图。所述传输系统包括宽带频率源1、光纤频率稳相传输单元2、N个串联连接的用户单元3和M个串联连接的光放大单元4，所述光纤频率稳相传输单元2具有第一端口、第二端口和第三端口，所述宽带频率源1的输出端与光纤频率稳相传输单元2的第一端口连接，所述光纤频率稳相传输单元2的第二端口依次经过N个用户单元3和M个光放大单元4与光纤频率稳相传输单元2的第三端口连接，以形成单纤双向串联环状拓扑通路。
所述宽带频率源1用于输出宽频信号。所述光纤频率稳相传输单元2将来自宽带频率源1输出的宽频信号转换为光载宽频信号，该光载宽频信号从光纤频率稳相传输单元2的第二端口输出并沿单纤双向串联环状拓扑通路的顺时针方向传输，依次经过用户单元3和光放大单元4后从光纤频率稳相传输单元2的第三端口回到光纤频率稳相传输单元2，同时该光载宽频信号从光纤频率稳相传输单元2的第三端口输出并沿单纤双向串联环状拓扑通路的逆时针方向传输，依次经过光放大单元4和用户单元3后从光纤频率稳相传输单元2的第二端口回到光纤频率稳相传输单元，所述光纤频率稳相传输单元2接收从第二端口和第三端口返回的光载宽频信号，将该光载宽频信号进行光电转换后与宽带频率源1发出的宽频信号进行比对，并获取此时光纤环路中的一个第一时延信息，并根据该第一时延信息来稳定光纤环路的传输时延/相位。所述用户单元3用于接收光纤频率稳相传输单元2第二端口和第三端口传输的光载宽频信号，将两个端口传输来的光载宽频信号进行电光转换后进行比对，并获取此时光纤环路中的一个第二时延信息，并根据该第二时延信息来接收相位稳定的光载宽频信号。所述光放大单元4用于对光纤频率稳相传输单元2的第二端口和第三端口传输的光载宽频信号进行放大。
如图2所示，所述中心站光纤频率稳相传输单元2包括第一控制模块201、第一光发模块202、第一波分复用模块203、第一光收模块204、第一时延/相位检测模块205、第二光发模块206、第二波分复用模块207、第二光收模块208和第一时延/相位补偿模块209；所述第一光发模块202的输入端与第二光发模块206的输入端均连接，所述第一光发模块202的输出端依次经过第一波分复用模块203和第一光收模块204与所述第一时延/相位检测模块205的输入端连接，所述第二光发模块206的输出端依次经过第二波分复用模块207和第二光收模块208与所述第一时延/相位检测模块205的输入端连接，所述第一时延/相位检测模块205的输入端还与所述宽带频率源1的输出端连接，所述第一时延/相位检测模块205的输出端与所述第一控制模块201的输入端连接，所述第一控制模块201的输出端与所述第一时延/相位补偿模块209的输入端连接，所述第一时延/相位补偿模块209还与所述第二波分复用模块207连接。
所述第一光发模块202接收宽带频率源1输出的宽频信号并将该宽频信号转换成光载宽频信号后传输给第一波分复用模块203。所述第一波分复用模块203将第一光发模块202传输的光载宽频信号复用进一根光纤，并将该光载宽频信号依次经光放大单元4和用户单元3后传输给第二波分复用模块207；同时第一波分复用模块203将来自光纤环路中传输返回的光载宽频信号解复用后传输给第一光收模块204。所述第一光收模块204将第一波分复用模块203传输的光载宽频信号转换成电信号传输给第一时延/相位检测模块205。
所述第二光发模块206接收宽带频率源1输出的光载宽频信号并将该宽频信号电光转换后传输给第二波分复用模块207。所述第二波分复用模块207将第二光发模块206传输的光载宽频信号复用进一根光纤，并将该光载宽频信号依次经第一时延/相位补偿模块209、用户单元3和光放大单元4后传输给第一波分复用模块203；同时第二波分复用模块207用于将光纤环路中传输返回的光载宽频信号解复用后传输给第二光收模块208。所述第二光收模块208将第二波分复用模块207传输的光载宽频信号转换成电信号传输给第一时延/相位检测模块205。
所述第一时延/相位检测模块205接收宽带频率源1、第一光收模块204和第二光收模块208输入的宽频信号，以宽带频率源1的宽频信号作为参考信号，对宽带频率源1的宽频信号与第一光收模块204和第二光收模块208输入的宽频信号进行比对，以获取光纤环路的时延及其变化信息，并将该时延及其变化信息输入控制模块。
所述第一控制模块201接收第一时延/相位检测模块205获取的光纤环路中的时延及其变化信息，并产生对应的控制信号传输给第一时延/相位补偿模块209。
所述第一时延/相位补偿模块209根据第一控制模块201输入的控制信号调整整个光纤环路的传输时延，以实现光纤环路传输时延的恒定。
如图3所示，每一用户单元3包括光耦合器301、第二控制模块302、第三波分复用模块303、第一光电转换模块304、第二时延/相位检测模块305、第四波分复用模块306、第二时延/相位补偿模块307和第三时延/相位补偿模块308，所述光耦合器301具有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口；所述光耦合器301的第一端口与光纤频率稳相传输单元2的第二端口连接，所述光耦合器301的第二端口与光纤频率稳相传输单元2的第三端口连接，所述光耦合器301的第三端口依次经过第四波分复用模块306、第二时延/相位补偿模块307、第三时延/相位补偿模块308和第二光电转换模块与第二时延/相位检测模块305的输入端连接，所述光耦合器301的第四端口依次经过第三波分复用模块303和第一光电转换模块304与所述第二时延/相位检测模块305的输入端连接，所述第二时延/相位检测模块305的输出端与所述第二控制模块302的输入端连接，所述第二控制模块302的输出端与第二时延/相位补偿模块307和第三时延/相位补偿模块308的输入端均连接。
所述光耦合器301用于耦合部分光纤频率稳相传输单元2第二端口传输沿顺时针方向发送的光载宽频信号给第三波分复用模块303，同时耦合部分光纤频率稳相传输单元2第三端口沿逆时针方向发送的光载宽频信号给第四波分复用模块306。所述光耦合器301为2×2光耦合器301。所述光耦合器301的第一端口与光纤频率稳相传输单元2的第二端口连接，所述光耦合器301的第二端口与光纤频率稳相传输单元2的第三端口连接，所述光耦合器301的第三端口与第四波分复用模块306连接，所述光耦合器的第三端口与第四波分复用模块306连接，以用于将光纤环路中的光载宽频信号接入用户单元3。
所述第三波分复用模块303将来自光耦合器301第四端口的光载宽频信号输入第一光电转换模块304。所述第一光电转换模块304将接收的光载宽频信号进行光电转化后输入第二时延/相位检测模块305。
所述第四波分复用模块306将来自光耦合器301第三端口的光载宽频信号经第二延时/相位补偿模块和第三延时/相位补偿模块输入第二光电转换模块。所述第二光电转换模块将来自第三时延/相位补偿模块308的光载宽频信号进行光电转化后输入第二时延/相位检测模块305。
所述第二时延/相位检测模块305根据来自第一光电转换模块304和第二光电转换模块的宽频信号，获取光纤环路中宽频信号的时延/相位及其变化信息，并将该时延/相位及其变化信息输入第二控制模块302。
所述第二控制模块302根据第二时延/相位检测模块305传输的时延及其变化信息产生控制信号，并将该控制信号输入第二时延/相位补偿模块307和第三时延/相位补偿模块308。
所述第二时延/相位补偿模块307根据第二控制模块302输入的控制信号，对第四波分复用模块306输入的光载宽频信号进行时延/相位补偿，并输入第三时延/相位补偿模块308。所述第三时延/相位补偿模块308根据第二控制模块302输入的控制信号，对第二时延/相位补偿模块307输入的光载宽频信号进行时延/相位补偿，并输入第二光电转换模块。
所述基于环状拓扑的分布式光纤宽频稳相传输系统还包括第三光电转换模块5，每一所述用户单元3的第二时延/相位补偿模块307的输出端均与所述第三光电转换模块5的输入端连接，所述第三光电转换模块5的输出端连接至本地用户，为本地用户提供稳定的宽频信号。
实施例二
如图4所示，是本发明基于环状拓扑的分布式光纤宽频稳相传输方法的流程图，具体包括以下步骤：
在本实施例中，所述光纤频率稳相传输单元2沿顺时针方向传输的宽频信号的波长为1550.12mm，沿逆时针方向传输的宽频信号的波长为1551.72mm，待传输的宽频信号为10～18GHz之间的任一点频信号。
S1：宽带频率源1将宽频信号传输至光纤频率稳相传输单元2。
S2：光纤频率稳相传输单元2将宽带频率源输入的宽频信号转换成光载宽频信号，该光载宽频信号经波分复用后分别经光纤频率稳相传输单元的第二端口和第三端口输入至光纤环路中。
在本实施例中，由宽带频率源1发送的点频信号可表示为：
Figure BDA0002628637780000141
其中：ω为宽频信号的频率，
Figure BDA0002628637780000142
为该宽频信号的初始相位。
宽带频率源1发出宽频信号，第一光发模块202接收宽频信号，并将该宽频信号转换成光载宽频信号传输至第一波分复用模块203，光载宽频信号经第一波分复用模块203复用到一根光纤中后输入光纤环路，并依次经光放大单元4和用户单元3后输入第二波分复用模块207；同时第二光发模块206接收宽频信号，并将该宽频信号转换成光载宽频信号然后传输至第二波分复用模块207，光载宽频信号经第二波分复用模块207复用到一根光纤中再经第一时延/相位补偿模块209输入光纤环路中，并依次经用户单元3和光放大单元4后输入第一波分复用模块203中。
S3：用户单元3获取部分光纤频率稳相传输单元2的第二端口和第三端口传输的光载宽频信号，并对光载宽频信号进行光电转换。
光纤频率稳相传输单元2的第二端口输出的光载宽频信号沿顺时针方向由光耦合器301的第一端口进入光耦合器301中，光耦合器301对该光载宽频信号进行分光，并将部分光载宽频信号经光耦合器301的第四端口耦合给第三波分复用模块303，第一光电转换模块304将该光载宽频信号转换为电信号后传输给第二时延/相位检测模块305。
第i个用户单元3获取的沿顺时针方向传输的光载宽频信号表示为：
Figure BDA0002628637780000151
其中：τFU为沿顺时针方向从光纤频率稳相传输单元2的第二端口到第i(i＝1,2,3……N)个用户单元3的光纤环路的传输时延。
光纤频率稳相传输单元2的第三端口输出的光载宽频信号沿逆时针方向由光耦合器301的第二端口进入光耦合器301中，光耦合器301对该光载宽频信号进行分光，并将部分光载宽频信号经光耦合器301的第三端口耦合给第四波分复用模块306，第二光电转换模块309将经第二时延/相位补偿模块307和第三时延/相位补偿模块308后的光载宽频信号转换为电信号后传输给第二时延/相位检测模块305。
第i个用户单元3获取的沿逆时针方向传输的光载宽频信号可表示为：
Figure BDA0002628637780000152
其中：τBU为沿逆时针方向从光纤频率稳相传输单元2的第三端口到第i(i＝1,2,3……N)个用户单元3的光纤环路的传输时延。
沿逆时针方向传输的光载宽频信号经时延补偿后可表示为：
Figure BDA0002628637780000161
其中：τd为单个时延补偿的附加延时。
S4：双向光放大单元4对光纤频率稳相传输单元2的第二端口和第三端口发送的光载宽频信号进行放大。
S5：光纤频率稳相传输单元2接收来自光纤环路中传输返回的光载宽频信号，将该光载宽频信号经光电转换后和宽带频率源1发出的宽频信号进行比对，并获取光纤环路的相位及其变化信息。
光纤环路中由光纤频率稳相传输单元2的第二端口和第三端口输出的光载频率信号分别经第二波分复用模块207和第一波分复用模块203返回至光纤频率稳相传输单元2中，第一波分复用模块203将该返回的光载频率信号解复用后传输给第一光收模块204，第一光收模块204将光载宽频信号转换成电信号后传输给第一时延/相位检测模块205，第二波分复用模块207将该返回的光载频率信号解复用后传输给第二光收模块208，第二光收模块208将光载宽频信号转换成电信号后传输给第一时延/相位检测模块205，第一时延/相位检测模块205将第一光收模块204和第二光收模块208传输的信号与宽带频率源1发出的宽频信号进行比对，并获取光纤环路的相位及其变化信息。
光纤频率稳相传输单元2接收的光载宽频信号可表示为：
Figure BDA0002628637780000162
S6：光纤频率稳相传输单元2根据获取的相位及其变化信息对整个光纤环路的相位进行补偿，以确保光纤环路传输相位稳定。
第一时延/相位检测模块205将获取的相位及其变化信息传输给第一控制模块201，第一控制模块201根据下述式(6)产生对应的控制信号传输给第一时延/相位补偿模块209，第一时延/相位补偿模块209根据该控制信号对整个光纤环路的传输时延进行补偿，以稳定光纤环路中的传输时延，使得光纤环路的传输时延保持恒定。
此时光纤环路的传输时延可表示为：
τFU+τBU＝c (6)
其中：c为常数。
S7：用户单元3接收来自光纤频率稳相传输单元2第二端口和第三端口传输的光载宽频信号，获取光纤环路的相位及其变化信息。
S8：用户单元对接收的宽频信号进行相位补偿，以实现各用户单元3接收宽频信号具有相位稳定的特性。
在光纤环路中传输时延稳定的前提下，第二时延/相位检测模块305根据第一光电转换模块304和第二光电转换模块传输的宽带频率信号，获取光纤环路中传输时延及其变化信息。
第二延时/相位检测模块将获取的时延及其变化信息传输给第二控制模块302，第二控制模块302根据下述式(7)产生对应的控制信号发送给第二时延/相位补偿模块307和第三时延/相位补偿模块308，第二延时/相位补偿模块根据控制信号对宽频信号进行补偿，以将相位稳定的宽频信号传输给第三光电转换模块5，第三光电转换模块5将该宽频信号进行光电转换后传输至各本地用户。
τFU-τBU-2τd＝k (7)
其中：k为常数。
当式(6)和式(7)均成立时，可得到各用户单元3输出宽频信号的相位为：
Figure BDA0002628637780000181
由于k和c均为常数，因此各用户单元3输出的宽频信号具有相位稳定的特性。
实施例三
如图4所示，是本发明基于环状拓扑的分布式光纤宽频稳相传输方法的流程图，具体包括以下步骤：
本实施例与实施例二的区别在于本实施例中宽带频率源发送的宽频信号为脉冲扫频信号，其工作原理与实施例二相同。不同之处在于，实施例二通过相位测量来实现宽频稳相传输，本实施例通过时延测量来实现宽频稳相传输，且可以实现各用户接收信号的相位同步。在本实施例中，所述光纤频率稳相传输单元2沿顺时针方向传输的光载宽频信号的波长为1550.12mm，沿逆时针方向传输的光载宽频信号的波长为1551.72mm，待传输的宽频信号为瞬时带宽为8GHz的脉冲扫频信号。
S1：宽带频率源1将宽频信号传输至光纤频率稳相传输单元2。
S2：光纤频率稳相传输单元2将宽带频率源输入的脉冲扫频信号转换成光载宽频信号，该光载宽频信号经波分复用后分别经光纤频率稳相传输单元的第二端口和第三端口输入至光纤环路中。
宽带频率源1发出宽频信号后，第一光发模块202接收宽频信号，并将该宽频信号转换成光载宽频信号然后传输至第一波分复用模块203，光载宽频信号经第一波分复用模块203复用到一根光纤中后输入至光纤环路中，并依次经光放大单元4和用户单元3后输入第二波分复用模块207；同时第二光发模块206接收宽频信号，并将该宽频信号转换成光载宽频信号然后传输至第二波分复用模块207，光载宽频信号经第二波分复用模块207复用到一根光纤中再经第一时延/相位补偿模块209输入光纤环路中，并依次经用户单元3和光放大单元4后输入第一波分复用模块203中。
S3：用户单元3获取部分光纤频率稳相传输单元2的第二端口和第三端口传输的光载宽频信号，并对光载宽频信号进行光电转换。
光纤频率稳相传输单元2的第二端口输出的光载宽频信号沿顺时针方向由光耦合器301的第一端口进入光耦合器301中，光耦合器301对该光载宽频信号进行分光，一部分光载宽频信号经光耦合器301的第二端口向前传输由光纤频率稳相传输单元2的第三端口返回光纤频率稳相传输单元2中，另一部分光载宽频信号经光耦合器301的第四端口传输至第三波分复用模块303，第一光电转换模块304将该光载宽频信号转换为电信号后传输给第二时延/相位检测模块305。
光纤频率稳相传输单元2的第三端口输出的光载宽频信号沿逆时针方向由光耦合器301的第二端口进入光耦合器301中，光耦合器301对该光载宽频信号进行分光，一部分光载宽频信号经光耦合器301的第一端口向前传输由光纤频率稳相传输单元2的第二端口返回光纤频率稳相传输单元2中，另一部分光载宽频信号经光耦合器301的第三端口传输至第四波分复用模块306，第二光电转换模块309将该光载宽频信号转换为电信号后传输给第二时延/相位检测模块305。
S4：双向光放大单元4对光纤频率稳相传输单元2的第二端口和第三端口发送的光载宽频信号进行放大。
S5：光纤频率稳相传输单元2接收来自光纤环路中传输返回的光载宽频信号，将该光载宽频信号经光电转换后和宽带频率源1发出的宽频信号进行比对，并获取光纤环路的时延及其变化信息。
光纤环路中由光纤频率稳相传输单元2的第二端口和第三端口输出的光载频率信号分别经第一波分复用模块203和第二波分复用模块207返回至光纤频率稳相传输单元2中，第一波分复用模块203将该返回的光载频率信号解复用后传输给第一光收模块204，第一光收模块204将光载宽频信号转换成电信号后传输给第一时延/相位检测模块205，第二波分复用模块207将该返回的光载频率信号解复用后传输给第二光收模块208，第二光收模块208将光载宽频信号转换成电信号后传输给第一时延/相位检测模块205，第一时延/相位检测模块205将第一光收模块204和第二光收模块208传输的信号与宽带频率源1发出的宽频信号进行比对，并获取出光纤环路中的时延及其变化信息。
S6：光纤频率稳相传输单元2根据获取的时延及其变化信息对整个光纤环路的时延进行补偿，以确保光纤环路传输时延恒定。
第一时延/相位检测模块205获取时延及其变化信息。此时光纤环路的传输时延可表示为：
τFU+τBU＝c (9)
其中：c为常数。
第一时延/相位检测模块205将获取的时延及其变化信息传输给第一控制模块201，第一控制模块201根据式(9)产生对应的控制信号传输给第一时延/相位补偿模块209，第一时延/相位补偿模块209根据该控制信号对整个光纤环路的传输时延进行补偿，以稳定光纤环路中的传输时延，使得光纤环路的传输时延保持恒定。
S7：用户单元3接收来自光纤频率稳相传输单元2第二端口和第三端口传输的光载宽频信号，获取光纤环路的时延及其变化信息。
S8：用户单元根据获取的时延及其变化信息对宽频信号的时延进行补偿，以确保各用户单元3接收宽频信号具有相位稳定/同步的特性。
在光纤环路中传输时延稳定的前提下，第二时延/相位检测模块305根据第一光电转换模块304和第二光电转换模块传输的宽带频率信号，获取光纤环路中传输时延及其变化信息。此时，光纤环路中的传输时延可表示为：
第二延时/相位检测模块将获取的时延及其变化信息传输给第二控制模块302，第二控制模块302根据下述式(10)产生对应的控制信号发送给第二时延/相位补偿模块307和第三时延/相位补偿模块308，第二延时/相位补偿模块根据控制信号对宽频信号的时延/相位进行补偿，以将传输时延稳定的宽频信号传输给第三光电转换模块5，第三光电转换模块5将该宽频信号进行光电转换后传输至各本地用户。
τFU-τBU-2τd＝k (10)
其中：k为常数。
当式(9)和式(10)均成立时，由于k和c均为常数且各用户单元可以保持一致，因此各用户单元3输出的宽频信号具有相位稳定和同步的特性。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明的专利保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于环状拓扑的分布式光纤宽频稳相传输系统，其特征在于：包括宽带频率源、光纤频率稳相传输单元、N个串联连接的用户单元和M个串联连接的光放大单元，所述光纤频率稳相传输单元具有第一端口、第二端口和第三端口，所述宽带频率源的输出端与光纤频率稳相传输单元的第一端口连接，所述光纤频率稳相传输单元的第二端口依次经过N个用户单元和M个光放大单元后与光纤频率稳相传输单元的第三端口连接，以形成单纤双向串联环状拓扑通路；
所述宽带频率源用于输出宽频信号；
所述光纤频率稳相传输单元将来自宽带频率源输出的宽频信号转换为光载宽频信号，该光载宽频信号从光纤频率稳相传输单元的第二端口输出并沿单纤双向串联环状拓扑通路的顺时针方向传输，同时该光载宽频信号还从光纤频率稳相单元的第三端口输出并沿单纤双向串联环状拓扑通路的逆时针方向传输，经过用户单元和双向光放大单元后返回光纤频率稳相传输单元；所述光纤频率稳相传输单元获取返回的光载宽频信号与宽带频率源发出的宽频信号之间的第一时延信息，并根据该第一时延信息来稳定光纤环路中的传输时延；
所述用户单元用于接收光纤频率稳相传输单元的第二端口和第三端口输出的光载宽频信号，并获取两个光载宽频信号之间的第二时延信息，并根据该第二时延信息来接收相位稳定的光载宽频信号；
所述光放大单元用于对光纤频率稳相传输单元的第二端口和第三端口传输的光载宽频信号进行放大。
2.根据权利要求1所述的基于环状拓扑的分布式光纤宽频稳相传输系统，其特征在于：所述光纤频率稳相传输单元包括第一控制模块、第一光发模块、第一波分复用模块、第一光收模块、第一时延/相位检测模块、第二光发模块、第二波分复用模块、第二光收模块和第一时延/相位补偿模块；
所述第一光发模块用于接收宽带频率源输出的宽频信号，并将该宽频信号转换成光载宽频信号后传输给第一波分复用模块；
所述第一波分复用模块用于将接收的光载宽频信号复用进一根光纤，并将该光载宽频信号依次经光放大单元和用户单元后传输给第二波分复用模块；同时所述第一波分复用模块用于接收光纤环路中顺时针方向的光载宽频信号，并经解复用后传输给第一光收模块；
所述第一光收模块用于将接收的光载宽频信号进行光电转换后传输给第一时延/相位检测模块；
所述第二光发模块用于接收宽带频率源输出的宽频信号并将该宽频信号电光转换后传输给第二波分复用模块；
所述第二波分复用模块用于将接收的光载宽频信号复用进一根光纤，并将该光载宽频信号依次经第一时延/相位补偿模块、用户单元和光放大单元后传输给第一波分复用模块；同时第二波分复用模块用于接收光纤环路中逆时针传输的光载宽频信号，并经解复用后传输给第二光收模块；
所述第二光收模块用于将接收的光载宽频信号进行光电转换后传输给第一时延/相位检测模块；
所述第一时延/相位检测模块用于根据宽带频率源、第一光收模块和第二光收模块输入的信号获取光纤环路的时延及其变化信息，并将该时延及其变化信息输入控制模块；
所述第一控制模块用于根据时延及其变化信息产生对应的控制信号，并传输给第一时延/相位补偿模块；
所述第一时延/相位补偿模块用于根据第一控制模块输入的控制信号调整整个光纤环路的传输时延。
3.根据权利要求1所述的基于环状拓扑的分布式光纤宽频稳相传输系统，其特征在于：每一用户单元包括光耦合器、第二控制模块、第三波分复用模块、第一光电转换模块、第二时延/相位检测模块、第四波分复用模块、第二时延/相位补偿模块和第三时延/相位补偿模块；
所述光耦合器用于耦合部分光纤频率稳相传输单元第二端口沿顺时针方向发送的光载宽频信号给第三波分复用模块，同时耦合部分光纤频率稳相传输单元第三端口沿逆时针方向发送的光载宽频信号给第四波分复用模块；
所述第三波分复用模块用于将来自光耦合器的光载宽频信号输入第一光电转换模块；
所述第一光电转换模块用于将接收的光载宽频信号进行光电转换后输入第二时延/相位检测模块；
所述第四波分复用模块用于将来自光耦合器第二端口的光载宽频信号经第二延时/相位补偿模块和第三延时/相位补偿模块输入第二光电转换模块；
所述第二光电转换模块用于将来自第三时延/相位补偿模块的光载宽频信号进行光电转换后输入第二时延/相位检测模块；
所述第二时延/相位检测模块用于根据来自第一光电转换模块和第二光电转换模块的宽频信号获取光纤环路中宽频信号的时延及其变化信息，并输入第二控制模块；
所述第二控制模块用于根据接收的宽频信号的时延及其变化信息产生控制信号，并输入第二时延/相位补偿模块和第三时延/相位补偿模块；
所述第二时延/相位补偿模块用于根据第二控制模块输入的控制信号，对第四波分复用模块输入的光载宽频信号进行时延/相位补偿，并输入第三时延/相位补偿模块；
所述第三时延/相位补偿模块用于根据第二控制模块输入的控制信号，对第二时延/相位补偿模块输入的光载宽频信号进行时延/相位补偿，并输入第二光电转换模块。
4.根据权利要求3所述的基于环状拓扑的分布式光纤宽频稳相传输系统，其特征在于：所述基于环状拓扑的分布式光纤宽频稳相传输系统还包括第三光电转换模块，每一用户单元的第二时延/相位补偿模块的输出端均与所述第三光电转换模块的输入端连接，所述第三光电转换模块的输出端连接至本地用户，为本地用户提供稳定的宽频信号。
5.根据权利要求3所述的基于环状拓扑的分布式光纤宽频稳相传输系统，其特征在于：所述光耦合器为2×2光耦合器，所述光耦合器具有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，所述光耦合器的第一端口与所述光纤频率稳相传输单元的第二端口连接，所述光耦合器的第二端口与所述光纤频率稳相传输单元的第三端口连接，所述光耦合器的第三端口与第四波分复用模块的输入端连接，所述光耦合器的第四端口与所述第三波分复用模块连接。
6.一种基于环状拓扑的分布式光纤宽频稳相传输方法，包括权利要求1-5任一所述的基于环状拓扑的分布式光纤宽频稳相传输系统，其特征在于，包括以下步骤：
S1：宽带频率源将宽频信号传输至光纤频率稳相传输单元；
S2：光纤频率稳相传输单元将宽带频率源输入的宽频信号转换成光载宽频信号，该光载宽频信号经波分复用后分别经光纤频率稳相传输单元的第二端口和第三端口输入至光纤环路中；
S3：用户单元获取部分光纤频率稳相传输单元的第二端口和第三端口传输的光载宽频信号，并对光载宽频信号进行光电转换；
S4：双向光放大单元对光纤频率稳相传输单元的第二端口和第三端口发送的光载宽频信号进行放大；
S5：光纤频率稳相传输单元接收来自光纤环路中传输返回的光载宽频信号，将该光载宽频信号经光电转换后和宽带频率源发出的宽频信号进行比对以获取光纤环路的时延及其变化信息；
S6：光纤频率稳相传输单元根据获取的时延及其变化信息对整个光纤环路的时延进行补偿，以实现光纤环路传输时延恒定；
S7：用户单元接收来自光纤频率稳相传输单元第二端口和第三端口传输的光载宽频信号，获取光纤环路的时延及其变化信息；
S8：用户单元根据获取的时延及其变化信息对宽频信号的时延进行补偿，以实现各用户单元接收宽频信号具有相位稳定和一致的特性。
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