CN114142925B

CN114142925B - 一种光载射频载波频率测量系统

Info

Publication number: CN114142925B
Application number: CN202111433428.1A
Authority: CN
Inventors: 卢樟建; 王国永; 姚渊博; 姚鑫; 张中英; 蒙艳松; 贺玉玲
Original assignee: Xian Institute of Space Radio Technology
Current assignee: Xian Institute of Space Radio Technology
Priority date: 2021-11-29
Filing date: 2021-11-29
Publication date: 2023-05-12
Anticipated expiration: 2041-11-29
Also published as: CN114142925A

Abstract

本发明涉及一种光载射频载波频率测量系统，包括频率基准单元、卫星中心处理器和接收通道。频率基准单元提供系统的频率基准；接收通道将光信号转化为卫星中心处理器可以处理的电信号；卫星中心处理器用于控制系统外围各器件的正常工作与数据处理，计算信号光的载波频率。本发明能够实现实时的信号光载波频率测量，降低了系统对单个AD带宽的要求，且不需要将接收激光器锁定在光梳上，没有增加系统的复杂度。

Description

一种光载射频载波频率测量系统

技术领域

本发明属于频率测量领域，涉及一种光载射频载波频率测量系统。

背景技术

未来卫星系统的一个发展方向是利用光载射频时频传递技术来实现更精确的定轨服务和授时服务，当前光载射频时频传递技术已经在星间激光链路实现了工程验证，它通过在光载波上加载测距码实现距离测量，并通过对称收发的体制实现远距离的时间比对，它可以与当前的通信系统相融合，在现有的激光通信终端上实现新的增量，具有重大的工程意义。但当前的光载射频时频传递技术不具备信号光载波频率测量功能，因此系统不能进行光学频率比对来提高系统的频率传递精度。

目前光学载波频率测量常采用的方法是利用一个稳定的已知频率的激光信号与待测的光学信号混频，通过测量混频信号实现光学载波频率测量。现有的光载射频时频传递系统利用模拟锁相环伺服接收激光器，系统不能实时地测量接收激光器的载波频率，因此不能进行信号光载波频率测量。Kepler提出利用数字锁相环伺服接收激光器，可以实时获知调整量的大小，从而估计接收激光器的输出频率。但数字锁相环的步进精度受DA量化精度影响、激光器的频率调整具有滞后性，因此难以准确估计接收激光器的频率。使用一个固定本振的高稳激光器作为光载射频时频传递系统的接收激光器，可以实现信号光的载波频率测量，但这要求系统的AD带宽大于多普勒频移带宽和系统通信带宽之和，这会在测量通信系统中引入额外的链路噪声，降低系统的测量精度。

因此需要一种可以实时监测接收激光器频率、降低系统的AD带宽且与当前的光载射频时频传递方法相兼容的光载射频载波频率测量系统。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种光载射频载波频率测量系统。

本发明解决技术的方案是：

一种光载射频载波频率测量系统，包括频率基准单元、卫星中心处理器和接收通道；

频率基准单元包含基准频率源和光学频率梳；光学频率梳锁定于基准频率源上；光学频率梳生成微波频段信号作为卫星中心处理器的工作钟，同时生成用于实时监测接收激光器载波频率变化的参考光信号；

接收通道包含第一混频器、第二混频器、分束器、接收激光器和光学天线；光学天线将接收的信号光E_S耦合到光纤中，接收激光器输出的激光信号E_R经过分束器分为两束，其中一束和光纤中的信号光E_S经过第一混频器下变频为射频信号E_sR，E_sR进过光电转换输入到卫星中心处理器；另一束和参考光信号E_o经过第二混频器下变频为射频信号E_oR，E_oR经过光电转换输入到卫星中心处理器；

卫星中心处理器测量射频信号E_sR的载波频率和E_oR的载波频率，据此计算信号光的载波频率；卫星中心处理器根据信号光和接收激光器的频偏f_oR或者多普勒频移的预测值伺服控制接收激光器的频率。

信号光E_S满足：

E_s＝A_sexp{[2πf_s(t)t+θ_s(t)+θ_sn(t)]}

其中，A_s为信号光幅度，f_s(t)为信号光载波频率，θ_s(t)为信号光调制相位，θ_sn(t)为信号光光源相位噪声。

接收激光器信号E_R满足：

E_R＝A_Rexp{[2πf_R(t)t+θ_Rn(t)]}

其中，A_R为接收激光器输出的信号幅度，f_R(t)为接收激光器信号的载波频率，θ_Rn(t)为接收激光器相位噪声。

射频信号E_sR满足

E_sR＝A_sRexp{[2π(f_s(t)-f_R(t))t+θ_s(t)+θ_sn(t)-θ_Rn(t)]}

A_sR为经过第一混频器下变频后的信号幅度。

参考光信号E_o满足：

E_o＝A_oexp{[2πf_ot+θ_on(t)]}

其中，A_o为参考光信号幅度，f_o为参考频率，θ_on(t)为参考频率源相位噪声。

射频信号E_oR满足：

E_oR＝A_oRexp{[2π(f_o-f_R(t))t+θ_on(t)-θ_Rn(t)]}

其中，A_oR为经过第二混频器下变频后的信号幅度。

卫星中心处理器计算信号光的载波频率的方式如下：

(1)射频信号E_sR的载波频率f_sR(t)满足：

f_sR(t)＝(f_s(t)-f_R(t))t+[θ_sn(t)-θ_Rn(t)]/2π

(2)E_oR包含着参考频率和激光信号的载波频偏，E_oR的载波频率f_oR(t)表示为：

f_oR(t)＝(f_o-f_R(t))t+[θ_on(t)-θ_Rn(t)]/2π

(3)前两式相减得到下式：

f_sR(t)-f_oR(t)＝(f_s(t)-f_o)t+[θ_sn(t)-θ_on(t)]/2π

其中，接收激光器信号的频率信息和相位噪声信息已经被完全抵消，在忽略信号光光源相位噪声和参考频率源相位噪声的情况下，得到信号光的载波频率f_s(t)：

f_s(t)＝f_sR(t)-f_oR(t)+f_o。

f_sR(t)和f_oR(t)为卫星中心处理器测量的信号频率值，两者在一个时钟域下进行测量。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)现有的光载射频时频传递方法利用模拟锁相环实现接收激光器对信号光载波频率的跟踪，系统不能实时地测量接收激光器的载波频率，因此不能进行信号光载波频率的测量。本发明实时监测接收激光器的载波频率，同时测量信号光和接收激光信号的混频频率，最终实现信号光的载波频率测量，为光载射频时频传递方法开发频率比对功能提供了技术储备。

(2)现有的光载射频载波频率测量方法有Kepler提出的数字锁相环的方法，具体性能未见报告，它利用数字锁相环实现接收激光器对信号光载波频率的跟踪，根据数字锁相环的反馈量积分得到下一时刻接收激光器的预估频率。但数字锁相环的步进精度受DA量化精度影响，激光器的频率调节具有滞后性和波动性，因此使用数字锁相环估计接收激光器的载波频率具有很高的技术难度。本发明利用参考频率实时监测接收激光器的载波频率，可以等效为利用参考光作为固定本振和信号光进行混频。本振频率不变的情况下，通过测量混频频率，就可实时得到信号光的载波频率。

(3)传统的基于固定本振变频的频率测量方法，是利用单个AD测量接收信号与本振信号的频偏，要求AD的接收带宽大于混频信号的带宽，常用于对AD带宽的要求较低的情形(小动态、单载波)。但对于星间光载射频时频传递系统来说，多普勒频移的动态范围大，加载的射频信号带宽宽，采用传统频率测量方法会对AD带宽提出很高的要求。本发明通过实时测量参考频率和接收激光的频差和信号光与接收激光信号的频差，间接得到信号光的载波频率，降低了系统对单个AD带宽的要求，且不需要将接收激光器锁定在光梳上，没有增加系统的复杂度。

附图说明

图1为光载射频载波频率测量系统框图；

图2为频率测量数据处理方法流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

本发明可以在现有的光载射频时频传递系统上间接测量信号光的载波频率。

本发明能够实时监测本地接收激光器的频率变化，本地接收激光器通过开环或者闭环的方式跟踪信号光载波，测量信号光载波与接收激光器的频偏；根据前面的结果计算信号光的载波频率。

本发明的一种光载射频载波频率测量系统如图1所示，主要包括频率基准单元、卫星中心处理器和接收通道。其中频率基准单元提供系统的频率基准；接收通道将光信号转化为卫星中心处理器可以处理的电信号；卫星中心处理器用于控制系统外围各器件的正常工作与数据处理。

a)频率基准

频率基准单元由基准频率源和光学频率梳构成。基准频率源是整个系统的频率参考，它通过光学频率梳将自身的频率稳定度传递给系统的各个部位。光学频率梳生成微波频段信号作为卫星中心处理器的工作钟；同时生成用于实时监测接收激光器载波频率变化的参考光信号。

b)接收通道

接收通道接收参考光信号与接收激光器信号的混频信号、信号光与接收激光器信号的混频信号，并把上述信号转化为电信号。

接收激光器可以是普通的商用航天激光器，与基准频率源不同源，用于实时跟踪接收光信号的载波频率。跟踪方法可采用闭环锁相环或者开环的多普勒频移预测。在进行相干接收时，可以采用模拟锁频环、数字锁频环或数字多普勒频移预补偿方法调整接收激光器的输出频率。

c)卫星中心处理器

卫星中心处理器用于控制系统外围各器件的正常工作与数据处理，包括测距、测速、通信、时间比对、频率比对和频率测量。在本发明中它只涉及频率测量，频率测量方法如图2所示。

卫星中心处理器用于测量信号光的载波频率。卫星中心处理器使用频率估计模块和相位估计模块测量射频信号E_sR的载波频率f_sR(t)和E_oR的载波频率f_oR(t)，然后使用信号光载波频率解算模块计算信号光的载波频率f_s(t)。卫星中心处理器根据信号光和接收激光器的频偏f_oR(t)或者多普勒频移的预测值伺服控制接收激光器的频率。

本发明是通过测量信号光与接收激光器信号的频差、参考光与接收激光器信号的频差来间接测量信号光的载波频率，数据处理方法如图2所示。图2所示的频率测量数据处理方法为一级的开环估计方法，但在工程应用中还可以采用其它频率测量方法。假设光载射频时频传递系统的信号光为E_S，参考光为E_o，接收激光器信号为E_R，如图1所示，其表达式如下：

E_s＝A_sexp{[2πf_s(t)t+θ_s(t)+θ_sn(t)]}

E_o＝A_oexp{[2πf_ot+θ_on(t)j}

利用接收激光器生成相干接收的本地信号，激光信号表达式为

E_R＝A_Rexp{[2πf_R(t)t+θ_Rn(t)]}

其中，A_s为信号光幅度，f_s(t)为信号光载波频率，θ_s(t)为信号光调制相位(BPSK调制)，θ_sn(t)为信号光光源相位噪声，f_s(t)＝f_s0+f_D(t)，f_s0为输出端的信号光频率，f_D(t)为由于接收端和发射端的相对运动在信号光中引入的多普勒频移。A_o为参考光信号幅度，f_o为参考频率，θ_on(t)为参考频率源相位噪声。A_R为接收激光器输出的激光信号幅度，f_R(t)为接收激光器信号频率，θ_Rn(t)为接收激光器相位噪声。θ_sn(t)、θ_on(t)和θ_Rn(t)代表的是光源的随机噪声，它们可以表征激光源在自由运转情况下的频率稳定度，在分析时可以忽略不计。

信号光与激光信号混频的射频信号E_sR为：

E_sR＝A_sRexp{[2π(f_s(t)-f_R(t))t+θ_s(t)+θ_sn(t)-θ_Rn(t)]}

使用第二混频器将参考光信号和接收激光器信号进行混频，因为参考频率锁定于基准频率源，可认为参考频率是恒定的。参考光与激光信号混频的射频信号E_oR为

E_oR＝A_oRexp{[2π(f_o-f_R(t))t+θ_on(t)-θ_Rn(t)]}

卫星中心处理器测量信号光的载波频率的过程如下：

(1)测量信号光和接收激光器信号的载波频偏。E_sR包含着基带信号θ_s(t)和信号光与接收激光的频偏，当光载射频时频传递技术采用MPSK调制时，卫星中心处理器在进行频率测量时可以消除信号光的基带信号，测得的E_sR载波频率可表示为：

f_sR(t)＝(f_s(t)-f_R(t))t+[θ_sn(t)-θ_Rn(t)]/2π

(2)测量参考频率和接收激光器的载波频偏。E_oR包含着参考频率和接收激光的载波频偏，E_oR的载波频率可表示为：

f_oR(t)＝(f_o-f_R(t))t+[θ_on(t)-θ_Rn(t)]/2π

(3)假设光载射频时频传递技术采用MPSK调制(当前星间激光通信系统采用BPSK体制)，则FPGA在进行频率测量时可以消除信号光的θ_s(t)，上述两式相减可以得到：

f_sR(t)-f_oR(t)＝(f_s(t)-f_o)t+[θ_sn(t)-θ_on(t)]/2π

其中，接收激光器信号的频率信息和相位噪声信息已经被完全抵消，在忽略信号光光源相位噪声和参考频率源相位噪声的情况下，可以得到信号光的载波频率f_s(t)：

f_s(t)＝f_sR(t)-f_oR(t)+f_o

其中，f_sR(t)和f_oR(t)为卫星中心处理器测量的信号频率值，两者在一个时钟域下进行测量；f_o为参考频率的频率值，以基准频率源为参考可以认为它是一个常值。本发明等效于传统的固定本振载波频率测量方案，但是却降低了系统对单个AD带宽的要求。

实施例：

以异轨MEO链路的光载射频时频传递系统为例，星间链路的最大多普勒频移为2.7GHz(1550nm波段)，通信带宽为1GHz，此时使用固定本振的变频方式时，需要带宽为3.7GHz+Δf的AD，Δf为参考频率和发射信号源载波频率的差值，通过选择参考频率锁定的梳齿可以让Δf接近0。如果采用本发明的频率测量方法(将参考频率作为固定本振)则只需要一个2.7GHz+Δf(接收多普勒频移和频差)带宽的AD和1GHz的AD(接收基带信号)。当多普勒频移f_D大于信号带宽D_w时，采用本发明的频率测量系统可通过轨道预测的方式调整接收激光器信号频率在f_s0+(f_D+D_w)/2或让锁相环的调整变量存在一个固定频偏(f_D+D_w)/2的方式进一步降低系统所需AD的最大带宽。例如通过广播星历计算出的星间链路多普勒频移为2.7GHz时，卫星处理器调整接收激光器的频率输出在f_s0+1.8GHz附近，则信号光与激光信号的混频带宽为1.9GHz(1GHz通信信号带宽和0.9GHz的频偏)，参考光与激光信号的混频带宽为1.8GHz+Δf，此时系统只需要两个带宽为2GHz的AD进行信号接收(激光器频率调节的精度有限，需要留有足够的余量)，降低了系统对单个AD的带宽需求。

由此可见，本发明通过实时测量参考频率和接收激光器信号频率的频差和信号光与接收激光器信号频率的频差，间接得到信号光的载波频率，降低了系统对单个AD带宽的要求，且不需要将接收激光器锁定在光梳上，没有增加系统的复杂度。

Claims

1.一种光载射频载波频率测量系统，其特征在于：包括频率基准单元、卫星中心处理器和接收通道；

卫星中心处理器测量射频信号E_sR的载波频率和E_oR的载波频率，据此计算信号光的载波频率；卫星中心处理器根据信号光和接收激光器的频偏f_oR或者多普勒频移的预测值伺服控制接收激光器的输出频率；

卫星中心处理器计算信号光的载波频率的方式如下：

(1)射频信号E_sR的载波频率f_sR(t)满足：

f_sR(t)＝(f_s(t)-f_R(t))t+[θ_sn(t)-θ_Rn(t)]/2π

f_oR(t)＝(f_o-f_R(t))t+[θ_on(t)-θ_Rn(t)]/2π

(3)前两式相减得到下式：

f_sR(t)-f_oR(t)＝(f_s(t)-f_o)t+[θ_sn(t)-θ_on(t)]/2π

f_s(t)＝f_sR(t)-f_oR(t)+f_o；

其中，f_s(t)为信号光载波频率，θ_sn(t)为信号光光源相位噪声，f_R(t)为接收激光器信号的载波频率，θ_Rn(t)为接收激光器相位噪声，f_o为参考频率，θ_on(t)为参考频率源相位噪声。

2.根据权利要求1所述的一种光载射频载波频率测量系统，其特征在于：信号光E_S满足：

E_s＝A_sexp{[2πf_s(t)t+θ_s(t)+θ_sn(t)]}

3.根据权利要求2所述的一种光载射频载波频率测量系统，其特征在于：接收激光器信号E_R满足：

E_R＝A_Rexp{[2πf_R(t)t+θ_Rn(t)]}

4.根据权利要求3所述的一种光载射频载波频率测量系统，其特征在于：射频信号E_sR满足：

E_sR＝A_sRexp{[2π(f_s(t)-f_R(t))t+θ_s(t)+θ_sn(t)-θ_Rn(t)]}

A_sR为经过第一混频器下变频后的信号幅度。

5.根据权利要求4所述的一种光载射频载波频率测量系统，其特征在于：

参考光信号E_o满足：

E_o＝A_oexp{[2πf_ot+θ_on(t)]}

6.根据权利要求5所述的一种光载射频载波频率测量系统，其特征在于：射频信号E_oR满足：

E_oR＝A_oRexp{[2π(f_o-f_R(t))t+θ_on(t)-θ_Rn(t)]}

其中，A_oR为经过第二混频器下变频后的信号幅度。

7.根据权利要求1所述的一种光载射频载波频率测量系统，其特征在于，f_sR(t)和f_oR(t)为卫星中心处理器测量的信号频率值，两者在一个时钟域下进行测量。