CN112491466B - 光强度调制射频信号相位一致性测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光强度调制射频信号相位一致性测量装置及测量方法，包括设置在中心站的测试信号发生模块、n个光分路器、光开关、被测光电接收模块、参考光电接收模块、移相器、相位测量模块和控制计算模块，以及设置在n个发射站的n个光回传发送模块。本发明解决了射频测相系统的测量链路中发射站与发射站距离远而不便测量各发射站间的相位一致性问题，具有易于实现，成本低和效率高的特点。

Description

光强度调制射频信号相位一致性测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及光纤通信技术领域，具体涉及一种光强度调制射频信号相位一致性测量装置及测量方法。

背景技术

随着现代光纤通信技术的发展，光纤通信技术已越来越多地应用到射频信号光纤传输领域。目前大部分射频信号传输系统对相位一致性技术指标无要求，但在射频测相系统等应用场合，目标距离、方位等测量指标精度高，系统对发射、接收的多路探测(射频)信号相位一致性指标有严格要求，要求相位一致性指标控制在规定范围内，才能保证系统的性能指标。

由于温度变化、维修和元器件老化等因素影响，光传输设备、电缆和光纤的传输时延会产生改变。常用的G.652单模光纤变化系数约为30～60ps/km.C°。在工程应用时，为使系统可靠工作，发射站与中心站之间的光缆通过埋地方式来保证光缆温度和温漂的基本一致。然而，即便光缆温度和温漂的是基本一致的，但是中心站和发射站的射频信号在长期工作中，其各个传输通道相位仍然会发生不同程度的变化，而使得测相系统工作性能下降。因此，为了保证系统性能，需要测出中心站到各个发射站的射频信号相位差别，再进行相位调节和补偿，保障系统工作性能。

在传统的射频测相系统中，由于各个发射站与中心机房不远，它们之间采用电缆传输射频信号，因此在进行测量相位时，只需要用射频电缆连接发射站信号到中心站的矢量网络分析仪，就可以利用矢量网络分析仪直接测量出各个站射频信号的相位，并据此计算出各个射频信号相位差来衡量系统相位的一致性。但是，人们对随着测量距离和方位分辨率要求的提升，现有射频测相系统需要采用大范围布局，此时中心站和发射站分布在很大的地理位置上，由于电缆对射频信号传输损耗大，因此电缆已明显不适用，取而代之的是光纤，即中心站的射频信号使用光纤传输到发射站。此时传统直接用射频电缆连接发射站信号到中心站的矢量网络分析仪来实现各个站射频信号的相位测量的方法已经不再适用。

发明内容

本发明所要解决的是现有基于光纤的射频测相系统的相位一致性测量的问题，提供一种光强度调制射频信号相位一致性测量装置及测量方法。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

光强度调制射频信号相位一致性测量装置，包括测试信号发生模块、n个光回传发送模块、n个光分路器、光开关、被测光电接收模块、参考光电接收模块、移相器、相位测量模块和控制计算模块；其中光开关具有n个输入端和1个输出端；测试信号发生模块的n路输出与射频测相系统中心站的n个光发射机的输入端相连；射频测相系统中心站的n个光发射机的输出端分别连接射频测相系统的n个光发射站的输入端；n个光回传发送模块的电信号输入端分别与射频测相系统的n个光发射站的输出端连接；n个光回传发送模块的光信号输出端通过光缆分别与n个光分路器的输入端连接；n个光分路器的其中1个光分路器即参考光分路器的2路输出端，一路连接参考光电接收模块的输入端，另一路连接光开关的一个输入端；n个光分路器的另外n-1个光分路器即被测光分路器的2路输出端，一路悬置，另一路连接光开关的一个输入端；光开关的输出端连接被测光电接收模块的输入端；参考光电接收模块的输出端直接连接相位测量模块的一个输入端，被测光电接收模块的输出端经由移相器连接相位测量模块的另一个输入端；相位测量模块的输出端连接控制计算模块的输入端P2，控制计算模块的一个控制端P1连接光开关的控制端，控制计算模块的另一个控制端P0连接测试信号发生模块的控制端；上述n为射频测相系统的光发射站的个数。

上述方案中，测试信号发生模块、n个光分路器、光开关、被测光电接收模块、参考光电接收模块、移相器、相位测量模块和控制计算模块设置在射频测相系统的中心站处；n个光回传发送模块分别设置在射频测相系统的n个光发射站处。

上述方案中，控制计算模块还与设置在中心站的计算机相连。

上述方案中，n个光回传发送模块的光信号输出端通过n芯光缆与n个光分路器的输入端连接。

上述方案中，n个光分路器的分光比相同。

上述装置所实现的光强度调制射频信号相位一致性测量方法，其特征是：包括步骤如下：

步骤1.控制计算模块的控制端P1发出切换命令到光开关的控制端，光开关根据切换命令进行通道选择，并选中通道i；

步骤2.控制计算模块的控制端P0输出控制数据到测试信号发生模块的控制端，控制测试信号发生模块输出的测试频率为f的射频信号到射频测相系统中心站的n个光发射机；

步骤3.射频测相系统中心站的n个光发射机将测试频率为f的射频信号发送到射频测相系统的n个光发射站；

步骤4.n个光回传发送模块分别接收射频测相系统的n个发射站发出的射频信号，并将该射频信号转换成回传光信号后，通过光缆传到n个光分路器中；

步骤5.n个光分路器中的参考光分路器将回传光信号分为主次两路，并将主路光送至光开关，将次路光送至参考光接收模块；同时，n个光分路器中的被测光分路器将回传光信号也分为主次两路，并将主路光送至光开关；

步骤6.参考光接收模块直接将回传光信号转换为电信号形成参考信号后送至相位测量模块；同时，光开关把选中通道i的回传光信号输出到被测光电接收模块，被测光电接收模块将其转换为电信号，再经由移相器进行移相后形成被测信号后送至相位测量模块；

步骤7.相位测量模块将参考信号与被测信号的相位进行比较，得到两者的相位差数据后送至控制计算模块，控制计算模块存储该相位差数据；

步骤8.控制计算模块判断测试频率f是否达到设定的最大测试频率f值：如果达到，则转至步骤9；否则，令f＝f+Δf，并返回步骤2；其中Δf为步进频率；

步骤9.控制计算模块判断通道i是否达到n：如果达到，则转至步骤10；否则，转至令i＝i+1，并返回步骤1；

步骤10.控制计算模块根据每个测试频率f下的n个相位差数据，并每个测试频率f下的最大相位差数据减去该测试频率f下的最小相位差数据作为该测试频率f下的相位一致性数据；

上述n为射频测相系统的光发射站的个数。

上述光强度调制射频信号相位一致性测量方法，还进一步包括如下步骤：

步骤11.控制计算模块将各个测试频率f下的相位一致性数据送至计算机中。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1、解决了测量链路中发射站与发射站距离远而不便测量各发射站间的相位一致性问题；

2、解决常用矢量分析仪只能测量有限通道(通常为2～4路)电信号相位测量问题；

3、解决了多路信号相位一致性测量周期时间的问题，16路通道测量时间不大于5分钟；

4、本测量电路的各个组件均采用已有部件，易于实现；

5、成本低，测量电路自带测试信号发生模块和相位测量模块，不再需要测试信号发生模块和矢量网络分析仪2种价格昂贵仪器；

6、本测量方法简便易行，便于推广应用。

附图说明

图1为一种光强度调制射频信号相位一致性测量装置的原理框图。

图2为一种光强度调制射频信号相位一致性测量方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，对本发明进一步详细说明。

一种光强度调制射频信号相位一致性测量装置，如图1所示，包括测试信号发生模块、n个光回传发送模块、n个光分路器、光开关、被测光电接收模块、参考光电接收模块、移相器、相位测量模块和控制计算模块。在本发明中，测试信号发生模块、n个光分路器、光开关、被测光电接收模块、参考光电接收模块、移相器、相位测量模块和控制计算模块设置在射频测相系统的中心站处；n个光回传发送模块分别设置在射频测相系统的n个光发射站处。n为射频测相系统的光发射站的个数，在本实施例中，n＝16。

测试信号发生模块的n路输出与射频测相系统中心站的n个光发射机的输入端相连。射频测相系统中心站的n个光发射机的输出端分别连接射频测相系统的n个光发射站的输入端。n个光回传发送模块的电信号输入端分别与射频测相系统的n个光发射站的输出端连接。n个光回传发送模块的光信号输出端通过光缆分别与n个光分路器的输入端连接。n个光分路器的其中1个光分路器即参考光分路器的2路输出端，一路连接参考光电接收模块的输入端，另一路连接光开关的一个输入端。n个光分路器的另外n-1个光分路器即被测光分路器的2路输出端，一路悬置，另一路连接光开关的一个输入端。光开关的输出端连接被测光电接收模块的输入端。参考光电接收模块的输出端直接连接相位测量模块的一个输入端，被测光电接收模块的输出端经由移相器连接相位测量模块的另一个输入端。相位测量模块的输出端连接控制计算模块的输入端P2，控制计算模块的一个控制端P1连接光开关的控制端，控制计算模块的另一个控制端P0连接测试信号发生模块的控制端。

所述测试信号发生模块工作频率为0.3MHz～300MHz，最小分辨率为1Hz，输出幅度为-10dBm～+10dBm，输出阻抗50Ω±0.1％，连接光发射站电缆长度500±10mm，相位一致性≤0.05°@30MHz。测试信号发生模块采用串行数据控制，控制数据长度为8个字节，每个字节长度为8bit，可以控制输出幅度、输出频率。数据格式为：8bit同步位，8bit幅度位，8bit千兆百兆频率位，8bit十兆和兆频率位，8bit百k和十k频率位，8bit为k和百Hz频率位，8bit为十Hz和Hz频率位，8bit校验位。

8bit同步位为：11111111。

8bit幅度位为：控制幅度范围为-12.6dBm～+13.0dBm，见表1：

表1

8bit频率位：数值范围0～99，见表2：

表2

所述光回传发送模块工作信号频率范围为0.1MHz～300MHz，射频输入幅度范围为0dBm～+10dBm，24小时相位稳定性≤0.25°@30MHz，光回传发送模块相位一致性≤0.05°@30MHz，光波长为DWDM的1550.12nm，输出光功率为+5±0.1dBm，光纤接口为FC/APC。为了保持光缆温度和温漂的是基本一致，在本实施例中，n个光回传发送模块的光信号输出端通过n芯光缆与n个光分路器的输入端连接。

每个光回传发送模块都要经过一个光分路器在与光开关连接，且n个光分路器的分光比相同，以保证送入到相位测量模块中的被测信号和参考信号的功率基本相同。在本实施例中，16个光分路器均为1：2单模PLC光分路器，分光比为50％：50％，分光误差≤±5％，插入损耗不大于3.5dB，输入输出光纤长度300±5mm，光分路器分光端延迟一致性≤1皮秒(ps)，光纤接口为FC/APC。

所述光开关为具有n个输入端和1个输出端。在本实施例中，光开关为16:1光开关。16：1光开关为单模MEMS光开关，其插入损耗不大于1.5dB，重复性优1dB，串扰优于50dB，开关时间优于50ms，输入输出光纤长度300±5mm，通道延迟一致性≤1皮秒(ps)，接口为FC/APC。16：1光开关的通道切换由控制计算模块通过P1控制口控制，16：1光开关通道切换编码为表3所示：

表3

所述参考光电接收模块和被测光电接收模块的频率范围为0.1MHz～300MHz，光接口为单模光，光输入幅度范围为-10dBm～+5dBm，射频输出幅度为-40dBm～-10dBm，24小时相位稳定性≤0.2°@30MHz，光纤接口为FC/APC。

所述移相器频率范围为1MHz～50MHz，射频输入幅度范围为-42dBm～-8dBm，增益为±0.2dB，移相量约60°，被测信号的相位比参考信号的相位延迟62°～125°，符合相位测量模块最佳鉴相范围内。移相器采用由运放、电阻、电容、电感组成的有源宽带移相器，24小时相位稳定度为0.1°。

所述相位测量模块频率范围为0.1MHz～2000MHz，输入信号幅度范围-50dBm～-5dBm，鉴相范围0～180°，鉴相精度0.1°，48h幅度温度稳定性±0.1°，最佳鉴相线性范围为20°～160°，输出相位差数据为16bitTTL电平数据，相位差数据格式为直接二进制码。相位差数据格式见表4：

表4

由于中心站到发射站的光缆通常采用埋地方式，保证相位一致性测量时光缆环境温度一致传输时延一致。相位一致性测量是测量用户射频信号传输通道光发射、光接收的相位一致性。

16个发射站的16路回传射频信号分别通过16根光纤传输回中心站，回传光信号先输入16个光分路器进行1：2光分路，然后输入16：1光开关进行测量通道选择。在测相系统建设时，为保证各个发射站发射的射频信号相位一致，中心站到每个发射站的光纤长度是严格等长敷设的，回传光纤也是严格等长的，因此在发射站射频信号相位相同时，16路回传信号传输到16：1光开关的相位应该是一致的，被测光电接收模块的传输光路比参考光电接收模块的光路长度长一个16：1光开关输入输出的光纤长度，约为2*(300±5)mm≈1200mm，光纤延迟时间为6ns，1MHz～30MHz射频信号相位延迟为2.16°～64.8°，移相器相移约为60°，被测信号的相位比参考信号的相位延迟62°～125°，符合相位测量模块最佳鉴相范围内。

上述装置所实现的光强度调制射频信号相位一致性测量方法，如图2所示，其具体包括步骤如下：

步骤1.控制计算模块的控制端P1发出切换命令到光开关的控制端，光开关根据切换命令进行通道选择，并选中通道i；其中通道i的起始值为1；

步骤2.控制计算模块的控制端P0输出控制数据到测试信号发生模块的控制端，控制测试信号发生模块输出的测试频率为f的射频信号到射频测相系统中心站的n个光发射机；其中测试频率f的起始值为1MHz；

步骤3.射频测相系统中心站的n个光发射机将测试频率为f的射频信号发送到射频测相系统的n个光发射站；

步骤4.n个光回传发送模块分别接收射频测相系统的n个发射站发出的射频信号，并将该射频信号转换成回传光信号后，通过光缆传到n个光分路器中；

步骤5.n个光分路器中的参考光分路器将回传光信号分为主次两路，并将主路光送至光开关，将次路光送至参考光接收模块；同时，n个光分路器中的被测光分路器将回传光信号也分为主次两路，并将主路光送至光开关；

步骤6.参考光接收模块直接将回传光信号转换为电信号形成参考信号后送至相位测量模块；同时，光开关把选中通道i的回传光信号输出到被测光电接收模块，被测光电接收模块将其转换为电信号，再经由移相器进行移相后形成被测信号后送至相位测量模块；

步骤7.相位测量模块将参考信号与被测信号的相位进行比较，得到两者的相位差数据后送至控制计算模块，控制计算模块存储该相位差数据；

步骤8.控制计算模块判断测试频率f是否达到设定的最大测试频率f值：如果达到，则转至步骤9；否则，令f＝f+Δf，并返回步骤2；其中Δf为步进频率；

步骤9.控制计算模块判断通道i是否达到n：如果达到，则转至步骤10；否则，转至令i＝i+1，并返回步骤1；

步骤10.控制计算模块根据每个测试频率f下的n个相位差数据，并每个测试频率f下的最大相位差数据减去该测试频率f下的最小相位差数据作为该测试频率f下的相位一致性数据；

步骤11.控制计算模块将各个测试频率f下的相位一致性数据送至设置在中心站的计算机中。

在系统应用中，发射站回传到中心站的16路射频光信号光功率应在-10～+5dBm范围内。相位测量时，第一路射频回传信号光纤连接第一光分路器的公共端，第二路射频回传信号光纤连接第二光分路器的公共端，依次类推，第十六路射频回传信号光纤连接第十六光分路器的公共端。控制计算模块的通信端连接计算机的网络接口。射频回传信号进行光分路器后分别送至16：1光开关的输入端。

控制计算模块的P1控制端发出切换命令，该切换命令输入到16：1光开关控制端，16：1光开关根据命令进行通道选择，把选中通道i(i＝1～16)的光信号输出到被测光电接收模块。被测光电接收模块把输入的光先通过光/电转换将光信号恢复成电信号输出，然后输入移相器进行60°移相，移相后的射频信号作为被测信号输出到相位测量模块。参考光分路器的1个分光输出连接到参考光电接收模块进行光电转换恢复成电信号，然后作为参考信号输出到相位测量模块与被测信号进行相位比较，两者相位差转换成电压信号，由模块内的A/D芯片进行模数转换，转换位数为16bit，转换速率为2MHz，A/D转换数据由相位测量模块输出口输出给控制计算模块进行存储、计算等处理。

由于本发明的整个相位一次性测量过程中，包括2层循环过程，其中一层循环过程是测试频率f由初始的测试频率f＝1MHz变化到最大测试频率f＝30MHz，另一层循环过程是通道i由1变化到n。这2层循环过程既可以采用先固定测试频率f，再在固定测试频率f下，依次变化通道i的方式；也可以采用先固定通道i，再在固定通道i下，依次变化测试频率f的方式；这两者方式并没有本质的区别，且均在本发明的保护范围之内。在本发明优选实施例中，优先采用先固定通道i，再在固定通道i下，依次变化测试频率f的方式，以减少光开关切换次数，有利于提高测试系统使用寿命。

下面以采用先固定通道i，再在固定通道i下，依次变化测试频率f的方式为例进行说明：

控制计算模块P1控制端发出的切换命令至16：1光开关控制端进行通道选择，选中通道1。控制计算模块P0控制端发出控制指令，控制测试信号发生模块输出0dBm幅度，以30us时间间隔依次发送测试频率f(这里例子假定测试频率f为起始为1MHz，终止为30MHz，间隔为0.1MHz)1MHz、1.1MHz、1.2MHz…30MHz，共有290个频率，发送一个周期为8.7ms。依次测量各频率点与参考信号(通道1)的相位值P1-1(1MHz)、P1-1(1.1MHz)、…P1-1(30MHz)。

以50ms时间间隔依次选中通道2直到16，依次测试16路射频回传信号与参考信号的射频相位差(P2-1(1MHz)、P2-1(1.1MHz)、…P2-1(30MHz)，…P16-1(1MHz)、P16-1(1.1MHz)、…P16-1(30MHz))，最后由控制计算模块进行计算出各路射频回传信号的一致性(ΔP(1MHz)、ΔP(1.1MHz)、…ΔP(30MHz))。

16个通道共测量的频率点为16*290＝4640个，测试时间为4640*30us＝139.2ms，16个通道工作周期为16*50ms＝750ms。

相位一致性ΔP计算方法为：1MHz频率处的ΔP(1MHz)＝Pi-1(1MHz)max-Pj-1(1MHz)min。i/j＝1，2，…16。

其它频率的相位一致性依次计算，最终的相位一致性结果上报送至外部计算机。

本发明通过光纤传输方式解决中心站与发射站距离远的传输测量问题，通过多路选一光开关的方式实现快速切换测量，通过设置测试信号发生模块发送系列测试频率f，测量系统在各种频率下的相位一致性，为测相系统性能掌握提供详细数据，通过设置移相器的方式提高测量精度。

需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

Claims (6)

1.光强度调制射频信号相位一致性测量装置，其特征是：包括测试信号发生模块、n个光回传发送模块、n个光分路器、光开关、被测光电接收模块、参考光电接收模块、移相器、相位测量模块和控制计算模块；其中光开关具有n个输入端和1个输出端；测试信号发生模块、n个光分路器、光开关、被测光电接收模块、参考光电接收模块、移相器、相位测量模块和控制计算模块设置在射频测相系统的中心站处；n个光回传发送模块分别设置在射频测相系统的n个光发射站处；

测试信号发生模块的n路输出与射频测相系统中心站的n个光发射机的输入端相连；射频测相系统中心站的n个光发射机的输出端分别连接射频测相系统的n个光发射站的输入端；n个光回传发送模块的电信号输入端分别与射频测相系统的n个光发射站的输出端连接；n个光回传发送模块的光信号输出端通过光缆分别与n个光分路器的输入端连接；n个光分路器的其中1个光分路器即参考光分路器的2路输出端，一路连接参考光电接收模块的输入端，另一路连接光开关的一个输入端；n个光分路器的另外n-1个光分路器即被测光分路器的2路输出端，一路悬置，另一路连接光开关的一个输入端；光开关的输出端连接被测光电接收模块的输入端；参考光电接收模块的输出端直接连接相位测量模块的一个输入端，被测光电接收模块的输出端经由移相器连接相位测量模块的另一个输入端；相位测量模块的输出端连接控制计算模块的输入端P2，控制计算模块的一个控制端P1连接光开关的控制端，控制计算模块的另一个控制端P0连接测试信号发生模块的控制端；控制计算模块还与设置在中心站的计算机相连；

上述n为射频测相系统的光发射站的个数。

2.根据权利要求1所述的光强度调制射频信号相位一致性测量装置，其特征是：n个光回传发送模块的光信号输出端通过一条n芯光缆与n个光分路器的输入端连接。

3.根据权利要求1所述的光强度调制射频信号相位一致性测量装置，其特征是：n个光分路器的分光比相同。

4.权利要求1所述装置所实现的光强度调制射频信号相位一致性测量方法，其特征是：包括步骤如下：

步骤1.控制计算模块的控制端P1发出切换命令到光开关的控制端，光开关根据切换命令进行通道选择，并选中通道i；

步骤2.控制计算模块的控制端P0输出控制数据到测试信号发生模块的控制端，控制测试信号发生模块输出的测试频率为f的射频信号到射频测相系统中心站的n个光发射机；

步骤3.射频测相系统中心站的n个光发射机将测试频率为f的射频信号发送到射频测相系统的n个光发射站；

步骤4.n个光回传发送模块分别接收射频测相系统的n个发射站发出的射频信号，并将该射频信号转换成回传光信号后，通过光缆传到n个光分路器中；

步骤5.n个光分路器中的参考光分路器将回传光信号分为主次两路，并将主路光送至光开关，将次路光送至参考光接收模块；同时，n个光分路器中的被测光分路器将回传光信号也分为主次两路，并将主路光送至光开关；

步骤6.参考光接收模块直接将回传光信号转换为电信号形成参考信号后送至相位测量模块；同时，光开关把选中通道i的回传光信号输出到被测光电接收模块，被测光电接收模块将其转换为电信号，再经由移相器进行移相后形成被测信号后送至相位测量模块；

步骤7.相位测量模块将参考信号与被测信号的相位进行比较，得到两者的相位差数据后送至控制计算模块，控制计算模块存储该相位差数据；

步骤8.控制计算模块判断测试频率f是否达到设定的最大测试频率f值：如果达到，则转至步骤9；否则，令f=f+Δf，并返回步骤2；其中Δf为步进频率；

步骤9.控制计算模块判断通道i是否达到n：如果达到，则转至步骤10；否则，转至令i=i+1，并返回步骤1；

步骤10.控制计算模块根据每个测试频率f下的n个相位差数据，并每个测试频率f下的最大相位差数据减去该测试频率f下的最小相位差数据作为该测试频率f下的相位一致性数据；

上述n为射频测相系统的光发射站的个数。

5.根据权利要求4所述的光强度调制射频信号相位一致性测量方法，其特征是：通道i的起始值为1，测试频率f的起始值为1MHz。

6.根据权利要求4所述的光强度调制射频信号相位一致性测量方法，其特征是：还进一步包括如下步骤：

步骤11.控制计算模块将各个测试频率f下的相位一致性数据送至计算机中。