CN114710210B - 一种基于单信号参考源的光梳频率传递被动补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于单信号参考源的光梳频率传递被动补偿方法。本方法为:将进行光梳频率传递的发送端所发出的光学频率梳依次经光电转换模块、带通滤波器后输出信号将s1(t)转换为光信号加载到所述光学频率梳,然后将其经传输链路传至远端再传回发送端,滤波得到信号将参考源 与信号s1(t)进行下转换混频,得到将信号s2(t)与s3(t)混频并滤出直流部分作为PID的误差信号;待PID中所述直流信号被稳定为0后,所述远端将接收的光学频率梳信号转换为电信号并进行滤波,得到与s0(t)同频的信号。
Description
技术领域
本发明涉及信息科学中时间频率传递和测量领域,尤其涉及基于单信号参考源的光梳频率传递被动补偿方法。
背景技术
近年来,随着人类对未知世界的探索,大规模的大科学实验对时间同步精度提出也越来越高的要求。为了实现高精度的时间同步,需要使用空间或光线等介质,将原子钟或光钟的稳定频率信号在成百甚至上千公里的距离上进行稳定的传输和相位的补偿。频率传输的方法主要有三种:即射频调制、光梳传递和光频直传。其中光梳频率传递即通过将光学频率梳的重频锁定于参考信号进行传递的方案。由于光梳含有光频段的信息,并且经光电转换后有多阶的射频分量等,该方案具有可以时频同传、光频射频同传、多射频同传等等优点,从而在近几年得到了一定的发展。
对于光梳频率传递,传统的链路噪声补偿方法是“测量-计算-补偿”的主动补偿方案,由于涉及到相位计算的步骤,难免要使用计算设备,并要与测量设备和补偿设备进行数据通信,不仅增大了系统复杂度,还将系统的补偿速度限制在了几十毫秒每次的量级。相比之下,使用PID锁定的被动补偿方法虽然在射频调制的方案中得到了较好的发展,但往往需要使用压控振荡器、倍频器、分频器等电学设备进行频率的变换操作,增加了系统的噪声来源。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题,本发明的目的在于利用光梳含有多阶射频分量的特性,提出一种单信号参考源的光梳频率传递被动补偿方法。本发明通过利用光梳和带通滤波器,实现对光纤链路引入相位噪声的高速补偿。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种基于单信号参考源的光梳频率传递被动补偿方法,其步骤包括:
将进行光梳频率传递的发送端所发出的光学频率梳依次经光电转换模块、带通滤波器后输出信号其中,ω为所述光学频率梳的第n阶重频对应的角频率,ω=2πnf,f为所述光学频率梳的重复频率,/>为所述光学频率梳的初始相位;
将该信号s1(t)转换为光信号加载到所述光学频率梳,然后将其经传输链路传至远端再传回所述发送端,进行光电转换和滤波得到信号其中,为传输链路单程引入的链路噪声;
将参考频率源与信号s1(t)进行下转换混频,得到信号 将信号s2(t)与s3(t)混频并滤出直流部分作为PID的误差信号;
待PID中所述直流信号被稳定为0后,所述远端将接收的光学频率梳信号转换为电信号并进行滤波,得到与所述参考频率源s0(t)同频的信号 即在所述远端恢复出与所述参考频率源同频、同相的信号。
进一步的,将该信号s2(t)与远端传回的s3(t)进行下转换混频所得直流信号,作为PID的误差输入。
进一步的,ω为所述光学频率梳的任意阶重频对应的角频率。
一种光梳频率传递被动补偿系统的发送端,其特征在于,包括光梳模块、PID、第一光电转换模块、第二光电转换模块、第三光电转换模块、第一带通滤波器、第二带通滤波器、第一下转换混频模块和第二下转换混频模块;其中,
第一光电转换模块,用于将光梳模块所发出的光学频率梳转换为电信号后输入第一带通滤波器,得到信号其中,ω为所述光学频率梳的第n阶重频对应的角频率,ω=nf,f为所述光学频率梳的重复频率,/>为所述光学频率梳的初始相位;
第一带通滤波器输出的信号s1(t)经第二光电转换模块转换为光信号输入所述光梳模块,对所述光学频率梳进行调制后经传输链路传至远端;
第三光电转换模块接收所述远端返回的信号并将其转换为电信号输入第二带通滤波器,进行滤波,得到信号并将其输入到第二下转换混频模块;其中,/>为传输链路的链路噪声;
第一下转换混频模块,用于对输入的参考频率源与信号s1(t)进行下转换混频,得到信号/>将其输入到第二下转换混频模块;
第二下转换混频模块,用于对输入的信号s2(t)与s3(t)进行下转换混频得到直流信号,作为PID的误差输入;
PID,用于根据输入信号对所述发送端的光梳频率进行调整,使得近端光梳发出的信号含有负的链路噪声的相位信息。
一种基于单信号参考源的光梳频率传递被动补偿系统,其特征在于,包括如权利要求4所述发送端和远端;其中,所述发送端与远端通过传输链路连接;待PID稳定运行后,所述远端使用光电转换模块、滤波器从接收的信号中滤出与所述参考频率源s0(t)同频的信号,得到信号即在所述远端恢复出与所述参考频率源同频、同相的信号。
本发明基于单信号参考源的光梳频率传递被动补偿方法,包括以下步骤(忽略所有π/2的固定相位):
1)对于近端(即光梳频率传递的发送端)一光学频率梳,考虑其第n阶重频对应角频率为ω,即ω=nf,其中f为光梳的重复频率。其经带通滤波器滤出的信号为其中其幅值项做归一化处理。n越大频率越高能量会越低,所以一般只能取到十几或几十,但理想情况可以选取任意自然数。
2)该光梳的频率分量经光纤(或空间)链路传至远端再传回近端,携带两倍的链路噪声经光电转换和滤波后得到信号为/>
3)使用参考频率源(原子钟或与之同步的信号源),其频率应为光梳n阶重频的2倍,即其信号为
4)将s0(t)与s1(t)进行下转换混频,得到信号该信号s2(t)再与远端传回的s3(t)进行下转换混频所得直流信号/>作为PID的误差输入。PID稳定运行后,该直流信号被稳定在0,即可得到方程/> 此时近端光梳的信号便含有了链路噪声的相位信息,即/>
5)在系统远端,使用滤波器滤出与近端参考频率源同频的信号,即 如此即可在远端恢复出与近端参考频率源信号同频、同相的信号,实现了稳定的频率传递。
本发明的有益效果在于:
本发明使用被动补偿方案及纯模拟的电学器件,具有较高的补偿速率且不受数字器件精度影响;充分利用光梳含有多个频率分量的优势,不必使用压控振荡器、倍频器、分频器等产生用来混频的其他频率信号,并且在其他设备(光电探测设备等)带宽允许的范围内,可以尽可能使用高频的分量,以获得更高的补偿精度。
附图说明
图1为本发明的近端系统结构原理图。
图2为本发明远端系统结构原理图。
具体实施方式
为使本发明的上述特征和优点更明显易懂,下文特举实施例,并配合附图作详细说明。
图1、2为本发明中基于单信号参考源的光梳频率传递被动补偿方法的原理图,其中虚线为光信号,实线为电信号;本方法包括以下步骤:
以重频100MHz的光学频率梳、频率为200MHz的参考信号源为例,ω=100MHz,二者本身有一定初始相位和/>即如图1中所示,/>
光梳信号传递至远端后,再传递回近端,此时信号中含有两倍的链路噪声,即
注意到,s3(t)信号中的相位为光梳本身的相位与两倍链路噪声之和。而远端的信号相位为光梳本身相位与一倍链路噪声之和。故期望在近端通过混频、锁定等方法,使光梳本身相位是链路引入相位的相反数,即可在远端将链路引入的噪声消除。
由于近端可以拿到的s3(t)的相位信息为故只需要将它与一含有/>相位信息的同频信号混频作为PID控制器的误差信号,即可满足以上所说的条件。
所以,将信号源的信号s0(t)与光梳信号s1(t)混频即可得到上述所需的信号,即s2(t)与s3(t)混频后的直流信号作为PID的误差信号,锁定后的结果即使该两信号(同频)同相,即/>得到/>
如此,在系统远端即可得到及其高阶分量。由于评估时一般需要同频信号进行比较,故选择其二阶分量,即与参考信号源同频的分量进行评估,即/>其形式与参考信号源完全相同,即实现了频率传递的相位补偿。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制,本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明的精神和范围,本发明的保护范围应以权利要求所述为准。
Claims (6)
1.一种基于单信号参考源的光梳频率传递被动补偿方法,其步骤包括:
将进行光梳频率传递的发送端所发出的光学频率梳依次经光电转换模块、带通滤波器后输出信号其中,ω为所述光学频率梳的第n阶重频对应的角频率,ω=2πnf,f为所述光学频率梳的重复频率,/>为所述光学频率梳的初始相位;
将该信号s1(t)转换为光信号加载到所述光学频率梳,然后将其经传输链路传至远端再传回所述发送端,进行光电转换和滤波得到信号其中,/>为传输链路单程引入的链路噪声;
将参考频率源与信号s1(t)进行下转换混频,得到信号将信号s2(t)与s3(t)混频并滤出直流部分作为PID的误差信号;
待PID中所述直流信号被稳定为0后,所述远端将接收的光学频率梳信号转换为电信号并进行滤波,得到与所述参考频率源s0(t)同频的信号 即在所述远端恢复出与所述参考频率源同频、同相的信号。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,将该信号s2(t)与远端传回的s3(t)进行下转换混频所得直流信号,作为PID的误差输入。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于,ω为所述光学频率梳的任意阶重频对应的角频率。
4.一种光梳频率传递被动补偿系统的发送端,其特征在于,包括光梳模块、PID、第一光电转换模块、第二光电转换模块、第三光电转换模块、第一带通滤波器、第二带通滤波器、第一下转换混频模块和第二下转换混频模块;其中,
第一光电转换模块,用于将光梳模块所发出的光学频率梳转换为电信号后输入第一带通滤波器,得到信号其中,ω为所述光学频率梳的第n阶重频对应的角频率,ω=nf,f为所述光学频率梳的重复频率,/>为所述光学频率梳的初始相位;
第一带通滤波器输出的信号s1(t)经第二光电转换模块转换为光信号输入所述光梳模块,对所述光学频率梳进行调制后经传输链路传至远端;
第三光电转换模块接收所述远端返回的信号并将其转换为电信号输入第二带通滤波器,进行滤波,得到信号并将其输入到第二下转换混频模块;其中,/>为传输链路的链路噪声;
第一下转换混频模块,用于对输入的参考频率源与信号s1(t)进行下转换混频,得到信号/>将其输入到第二下转换混频模块;
第二下转换混频模块,用于对输入的信号s2(t)与s3(t)进行下转换混频得到直流信号,作为PID的误差输入;
PID,用于根据输入信号对所述发送端的光梳频率进行调整,使得近端光梳发出的信号含有负的链路噪声的相位信息。
5.根据权利要求4所述的发送端,其特征在于,n为自然数。
6.一种基于单信号参考源的光梳频率传递被动补偿系统,其特征在于,包括如权利要求4所述发送端和远端;其中,所述发送端与远端通过传输链路连接;待PID稳定运行后,所述远端使用光电转换模块、滤波器从接收的信号中滤出与所述参考频率源s0(t)同频的信号,得到信号即在所述远端恢复出与所述参考频率源同频、同相的信号。/>
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