一种消除无源相位校正中本振泄露的微波光纤稳相传输方法

摘要

本发明公开了一种消除无源相位校正中本振泄露的微波光纤稳相传输方法。中心站将目标微波信号经调制加载到光信号上向远端节点传输，远端节点将接收的微波信号用功分器分为两路，一路进行三倍频，另一路回传至中心站。在中心站，将接收到的光信号进行光电转换后调制到第三个不同波长的光源上，通过波分复用器再次传送至远端节点进行光电探测和带通滤波，输出的微波信号先与基频信号分量进行混频，经过带通滤波后的和频信号与三倍频信号分量进行混频，经过带通滤波后的差频信号再次与基频信号分量混频，输出的微波信号经过带通滤波后的和频信号通过二分频器进行分频，得到相位稳定的目标微波信号。本发明中微波稳相所需时间短、质量高，并且消除了传统无源相位校正方法中通过混频引入的本振泄露信号。

权利要求

1.一种消除无源相位校正中本振泄露的微波光纤稳相传输方法，其特征在于：通过单模光纤连接中心站和远端节点，中心站将目标微波信号经过光电调制加载到光信号上，向远端节点传输；在远端节点中，将接收的微波信号进行光电探测和带通滤波后用第一功分器分为两路，一路进行三倍频，另一路回传至中心站；在中心站，将接收到的光信号进行光电转换后调制到第三个不同波长的光源上，通过第一波分复用器再次传送至远端节点进行光电探测和带通滤波，输出的微波信号先与基频信号分量进行混频，经过滤波后的和频信号与三倍频信号分量进行混频，经过带通滤波后的差频信号再次与基频信号分量混频，输出的微波信号经过滤波处理后的和频信号通过二分频器进行分频，得到相位稳定的目标微波信号；在中心站中，第一激光源产生波长为λ0的光信号，将目标微波信号施加到第一马赫曾德尔调制器对光信号进行强度调制后提供给第一波分复用器；所述第一波分复用器将第一马赫曾德尔调制器输出的强度调制光信号和回传至中心站的微波信号传输至第一光环行器；第三激光源产生波长为λ2的光信号，回传的微波信号经过第一光放大器和第二光电探测器及第二带通滤波器后施加到第三马赫曾德尔调制器对光信号进行强度调制后提供给第一波分复用器；远端节点包括：第二波分复用器用于将三个不同波长的光信号分为三个信道并将远端节点的调制光信号在λ1信道通过光纤回传至中心站；第一光电探测器将中心站发出的调制光信号进行光电转换，并提供给第一带通滤波器；第一带通滤波器对接收的微波信号进行滤波处理；第一功分器将滤波后的微波信号分为两路，一路进行三倍频，另一路通过第二马赫曾德尔调制器调制到第二激光源上后回传至中心站进行往返传输；三倍频器将第一功分器输出的微波信号进行三倍频，倍频后的信号分量与往返传输的微波信号进行混频；第二激光源产生回传至中心站所需波长为λ1的光信号；第三光电探测器将接收的光信号进行光电转换，并提供给第三带通滤波器，滤波中心频率为目标微波信号的频率；

通过第二电放大器进行放大处理后与基频信号分量通过第一混频器进行混频；将混频的信号通过第四带通滤波器，滤波中心频率为混频信号的和频频率；经过滤波的和频信号与三倍频信号分量通过第二混频器进行混频；将混频的信号通过第五带通滤波器，滤波中心频率为混频信号的差频频率；经过滤波的差频信号与相同的基频信号分量通过第三混频器进行混频；将混频的信号通过第六带通滤波器，滤波中心频率为混频信号的和频频率；经过滤波的和频信号通过二分频器进行分频，最终在远端节点得到相位稳定的目标微波信号。

2.根据权利要求1所述的消除无源相位校正中本振泄露的微波光纤稳相传输方法，其特征在于，在中心站有两个不同波长的激光源，使微波信号调制到不同光波长复用后经同一根光纤传输，并在第二混频器的前后均进行了与基频信号分量的混频和对应中心频率的滤波处理。

说明书

一种消除无源相位校正中本振泄露的微波光纤稳相传输方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种微波信号的传输方法，尤其涉及一种消除无源相位校正中本振泄露的微波光纤稳相传输方法，属于微波光子学技术、微波工程技术领域。

背景技术

[0002] 在射电天文学、深空网络、分布式合成孔径雷达系统、高精度时钟标准分布以及粒子加速器等应用中，接收器使用载波相位进行定位，故要求将基准微波信号或本地振荡器信号以最小的相位变化传输至另一个站点。而微波光子技术具有传输损耗小、带宽大、抗电磁干扰、轻便灵活等特点，但利用光纤传输技术由于受不可控制的环境温度和机械应力变化的影响，导致信号的相位发生随机性的漂移，极大地影响了微波信号的质量。

[0003] 目前在对微波信号稳相传输的研究主要分为两大类，一是主动相位校正系统，常用方法为通过进行一次信号传输后回传至中心站，提取与中心站本振信号的相位误差来控制光纤的链路参数，以此主动补偿因为外界环境如温度和机械应力等对光纤传输造成的相位抖动。目前较为常见的是通过使用光/电延迟线和压控振荡器等来进行反馈补偿。主要缺点是采用了复杂的电路来进行相位误差的提取，增加了系统的噪声，并且当环境恶劣时，光纤长度的变化可能会超出相位补偿的范围并且稳相的速度相对较慢。二是被动相位校正系统，常用方法是通过电域的混频来被动的消除相位扰动，这种方法避免了较为复杂的相位误差的提取检测和反馈回路，并且稳相速度相对较快。但是这种方法在混频处会存在微波信号自身拍频而引入的本振泄露等问题。(F.Yin,A.Zhang,Y.Dai,T.Ren,K.Xu,J.Li,J.Lin,and G.Tang,“Phase-conjugation-based fast RF phase stabilization for fiber delivery”Opt.Express vol.22,no.1,2014.)

发明内容

[0004] 鉴于现有技术的以上不足，本发明旨在提供一种消除无源相位校正中本振泄露的微波光纤稳相传输方法，以克服传统主动相位校正稳相方法中相位校正速度较慢的劣势并解决被动相位校正方法中本振泄露的缺陷问题。

[0005] 为达到上述目的，本发明提供的消除无源相位校正中本振泄露的微波光纤稳相传输方法包括中心站和远端节点，其具体采用的手段为：

[0006] 一种消除无源相位校正中本振泄露的微波光纤稳相传输方法,其特征在于：通过单模光纤连接的中心站和远端节点，中心站将目标微波信号经过光电调制加载到光信号上，向远端节点传输；

[0007] 在远端节点中，将接收的微波信号进行光电探测和带通滤波后用功分器分为两路，一路进行三倍频，另一路回传至中心站；在中心站，将接收到的光信号进行光电转换后调制到第三个不同波长的光源上，通过波分复用器再次传送至远端节点进行光电探测和带通滤波，输出的微波信号先与基频信号分量进行混频，经过带通滤波后的和频信号与三倍频信号分量进行混频，经过带通滤波后的差频信号再次与基频信号分量混频，输出的微波信号经过滤波处理后的和频信号通过二分频器进行分频，得到相位稳定的目标微波信号。本发明中微波稳相所需时间短、质量高，并且消除了传统无源相位校正方法中直接混频引入的本振泄露信号；

[0008] 在中心站中，第一激光源产生波长为λ0的光信号，将目标微波信号施加到第一马赫曾德尔调制器对光信号进行强度调制后提供给第一波分复用器；所述第一波分复用器将第一马赫曾德尔调制器输出的强度调制光信号和回传至中心站的微波信号传输至第一光环行器；第三激光源产生波长为λ2的光信号，回传的微波信号经过第一光放大器和第二光电探测器及第二带通滤波器后施加到第三马赫曾德尔调制器对光信号进行强度调制后提供给第一波分复用器；

[0009] 远端节点包括：第二波分复用器用于将三个不同波长的光信号分为三个信道并将远端节点的调制光信号在λ1信道通过光纤回传至中心站；第一光电探测器将中心站发出的调制光信号进行光电转换，并提供给第一带通滤波器；第一带通滤波器对接收的微波信号进行滤波处理；第一功分器将滤波后的微波信号分为两路，一路进行三倍频，另一路通过第二马赫曾德尔调制器调制到第二激光源上后回传至中心站进行往返传输；三倍频器将第一功分器输出的微波信号进行三倍频，倍频后的信号分量与往返传输的微波信号进行混频；第二激光源产生回传至中心站所需波长为λ1的光信号；第三光电探测器将接收的光信号进行光电转换，并提供给第三带通滤波器，滤波中心频率为目标微波信号的频率；通过第二电放大器进行放大处理后与基频信号分量通过第一混频器进行混频；将混频的信号通过第四带通滤波器，滤波中心频率为混频信号的和频频率；经过滤波的和频信号与三倍频信号分量通过第二混频器进行混频；将混频的信号通过第五带通滤波器，滤波中心频率为混频信号的差频频率；经过滤波的差频信号与相同的基频信号分量通过第三混频器进行混频；将混频的信号通过第六带通滤波器，滤波中心频率为混频信号的和频频率；经过滤波的和频信号通过二分频器进行分频，最终在远端节点得到相位稳定的目标微波信号。

[0010] 进一步地，在中心站有两个不同波长的激光源，使微波信号调制到不同光波长复用后经同一根光纤传输，以降低因相同波长的光信号在同一根光线中往返传输引起的相干瑞利噪声的影响。

[0011] 进一步地，传统无源相位校正方法中通过三倍频信号分量与往返传输的信号直接进行混频，滤波后的差频信号中会存在因目标微波信号自身拍频产生的二倍微波信号频率的本振泄露，导致不能够将相位扰动完全消除。本方法中，在第二混频器的前后分别设置有第一混频器和第三混频器，进行了与基频信号分量的混频和对应中心频率的滤波处理，避免了传统方法混频时因拍频而产生的微波信号的本振泄露，从而消除光纤链路中引起的相位扰动。

[0012] 这样，第二波分复用器将三个不同波长的光信号分为三个信道并将远端节点的调制光信号在λ1信道通过光纤回传至中心站，其中λ0信道连接所述第一光电探测器将接收的光信号进行光电转换，并提供给所述第一带通滤波器进行滤波，滤波中心频率为目标微波信号频率，滤波输出的微波信号连接所述第一功分器，将微波信号分为两路，一路连接所述三倍频器进行三倍频，另一路通过第二马赫曾德尔调制器调制到波长为λ1的第二激光源上后回传至中心站进行往返传输，再次回传的微波信号连接所述第二波分复用器将调制光信号传输至第三光电探测器进行光电转换，并提供给所述第三带通滤波器，滤波中心频率为目标微波信号频率，滤波输出的微波信号连接所述第二电放大器，经过放大的微波信号连接第一混频器和基频信号分量进行混频，混频后的信号提供给第四带通滤波器，滤波中心频率为混频的和频信号频率，滤波输出的微波信号连接所述第二混频器和三倍频信号分量进行混频，混频后的信号提供给第五带通滤波器，滤波中心频率为混频的差频信号频率，滤波输出的微波信号连接所述第三混频器和基频信号分量进行混频，混频后的信号提供给第六带通滤波器，滤波中心频率为混频的和频信号频率，滤波输出的微波信号连接所述二分频器进行分频，最终在远端节点得到相位稳定的目标微波信号。

[0013] 从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

[0014] 1、本发明仅需将光纤传输至远端后和另一路经过往返传输的本振信号以及基频信号分量进行混频，即可消除微波信号在光纤中传输后引入的相位扰动，不需要通过复杂的电路设计来提取相位扰动的信息来进行补偿，降低了系统的复杂度，并且相位校正所需时间为光信号在光纤链路往返传输的时间，可以实现快速相位校正。

[0015] 2、本发明可以消除传统无源相位校正方法中的本振泄露，在传统无源相位校正的第二混频器的前后分别进行了与基频信号分量的混频和对应中心频率的滤波处理，避免了传统方法混频时因拍频而产生的微波信号的本振泄露，从而消除光纤链路中引起的相位扰动。附图说明：

[0016] 图1为本发明一种消除无源相位校正中本振泄露的微波光纤稳相传输方法的结构示意图；

[0017] 图2为本发明一种消除无源相位校正中本振泄露的微波光纤稳相传输方法的系统框图；

[0018] 图3为本发明消除无源相位校正本振泄露的光纤稳相传输原理图。

具体实施方式

[0019] 下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

[0020] 图1为本发明一种消除无源相位校正中本振泄露的微波光纤稳相传输方法的结构示意图，图2为本发明一种消除无源相位校正中本振泄露的微波光纤稳相传输方法的系统框图。如图2所示，所述微波信号光纤稳相传输方法包括中心站和远端节点，所述中心站和远端节点通过单模光纤传输，其中：

[0021] 所述中心站包括：微波信号源1011、激光源1021、马赫曾德尔调制器1031、激光源1022、马赫曾德尔调制器1032、波分复用器1041、光环行器1051、光纤放大器1061、光电探测器1071、带通滤波器1081，其中：

[0022] 所述微波信号源1011用于产生需要稳相传输的目标微波信号；

[0023] 所述激光源1021用于产生波长为λ0的光信号，将目标微波信号和回传至中心站的信号分别施加到马赫曾德尔调制器1031和1032对光信号进行强度调制后提供给波分复用器1041；

[0024] 所述波分复用器1041用于将马赫曾德尔调制器1031和1032输出的强度调制光信号和回传至中心站的微波信号传输至光环行器1051；

[0025] 所述掺饵光纤放大器1061用于放大补偿光信号经过光纤链路传输中因色散等因素导致的功率损耗；

[0026] 所述光电探测器1071用于将回传至中心站的调制光信号进行光电转换，并提供给带通滤波器1081；

[0027] 所述带通滤波器1081用于对接收到的微波信号进行滤波处理，滤波中心频率为微波信号1011的频率；

[0028] 所述激光源1022用于产生波长为λ2的光信号，将经过带通滤波器1081滤波的信号施加到马赫曾德尔调制器1032对光信号进行强度调制后提供给波分复用器1041；

[0029] 所述远端节点包括：波分复用器2011、光电探测器2021、带通滤波器2031、电放大器2041、功分器20/51、三倍频器2101、激光源2061、马赫曾德尔调制器2071、光电探测器2022、带通滤波器2032、电放大器2042、基频信号分量源2091、混频器2081、带通滤波器
2033、混频器2082、带通滤波器2034、混频器2083、带通滤波器2035、二分频器2111，其中：

[0030] 所述波分复用器2011用于将激光源1021、激光源1022和激光源2061的不同波长分为三个信道并将远端节点的调制光信号在λ1信道通过光纤回传至中心站；

[0031] 所述光电探测器2021用于将中心站发出的调制光信号进行光电转换，并提供给带通滤波器2031；

[0032] 所述带通滤波器2031用于对接收到的微波信号进行滤波处理，滤波中心频率为微波信号1011的频率；

[0033] 所述电放大器2041用于对滤波后的电信号进行功率放大；

[0034] 所述功分器2051用于将滤波后的微波信号分为两路，一路进行三倍频，另一路通过马赫曾德尔调制器调2071制到激光源2061上后回传至中心站进行往返传输；

[0035] 所述三倍频器2101用于将功分器2051输出的微波信号进行三倍频，倍频后的信号分量与经带通滤波器2033滤波后的微波信号进行混频；

[0036] 所述激光源2061用于产生回传至中心站所需波长为λ1的光信号；

[0037] 所述光电探测器2022用于将接收的光信号进行光电转换，并提供给带通滤波器2032；

[0038] 所述带通滤波器2032用于对光电探测器2022输出的微波信号进行滤波，滤波中心频率为微波信号的频率；

[0039] 所述电放大器2042用于对滤波后的电信号进行功率放大；

[0040] 所述基频信号分量源2091用于产生进行混频的基频信号分量；

[0041] 所述混频器2081用于将电放大器2042输出的微波信号和基频信号分量源2091产生的基频信号分量进行混频；

[0042] 所述带通滤波器2033用于对混频器2081输出的微波信号进行滤波，滤波中心频率为微波信号1011和基频信号分量2091的和频率；

[0043] 所述混频器2082用于将带通滤波器2033输出的微波信号和三倍频器2101产生的三倍频信号分量进行混频；

[0044] 所述带通滤波器2034用于对混频器2082输出的微波信号进行滤波，滤波中心频率为三倍频信号分量2101和带通滤波器2033输出微波信号的差频率；

[0045] 所述混频器2083用于将带通滤波器2034输出的微波信号和基频信号分量源2091产生的基频信号分量进行混频；

[0046] 所述带通滤波器2035用于对混频器2083输出的微波信号进行滤波，滤波中心频率为带通滤波器2034输出微波信号和基频信号分量2091的和频率；

[0047] 所述二分频器2111用于对带通滤波器2035输出的微波信号进行二分频，最终在远端节点得到相位稳定的微波信号1011。

[0048] 图3为本发明消除无源相位校正中本振泄露的原理图，为了便于公众理解本发明的技术方案，下面对其原理进行进一步说明：

[0049] 假设待传输的目标微波信号为(忽略幅度):

[0050]

[0051]

[0052] 其中ω0和 分别表示目标微波信号的角频率和初始相位，ωref和 分别表示基频信号分量的角频率和初始相位，cos(·)表示余弦函数，t表示时间。

[0053] 经过马赫曾德尔调制器调制到光上后，通过单模光纤传输到远端节点：

[0054]

[0055] 其中 为光纤链路的相位扰动。经过光电探测器后用带通滤波器滤出微波信号，通过马赫曾德尔调制器对光信号进行强度调制后回传到中心站，经过波分复用器等器件后再次传输到远端节点：

[0056]

[0057] 传统无源相位校正方法表示为将(3)式进行三倍频后和(4)式进行混频，得到：

[0058]

[0059] 经二分频器分频和带通滤波器进行滤波处理后，可以恢复为目标微波信号，但此时滤波后的信号中仍然存在由微波信号自身拍频产生的本振泄露，导致相位扰动不能完全消除。此方法首先将(2)式和(4)式进行混频并对其和频信号进行滤波处理，得到：

[0060]

[0061] 将(6)式与(3)式的三倍频信号分量进行混频并对其差频信号进行滤波处理，得到：

[0062]

[0063] 将(7)式与(2)式进行混频并对其和频信号进行滤波处理，得到：

[0064]

[0065] 对(8)式进行二分频，得到：

[0066]

[0067] 经带通滤波器进行滤波处理，最终得到相位稳定的目标微波信号。

[0068] 综合以上陈述，本发明具有如下特征。1).本发明仅需将光纤传输至远端后和另一路经过往返传输的本振信号进行混频，即可消除微波信号在光线中传输后引入的相位扰动，不需要通过复杂的电路设计来提取相位抖动信息来进行补偿，降低了系统的复杂度，并且相位校正所需时间为光纤链路往返传输的时间，可以实现快速相位校正。2).本发明可以消除传统无源相位校正方法中的本振泄露，在第二混频器的前后分别进行了与基频信号分量的混频和对应中心频率的滤波处理，避免了传统方法混频时因拍频而产生的微波信号的本振泄露，从而消除光纤链路中引起的相位扰动。

[0069] 以上所陈述的仅仅是本发明的优选实施方式，应当指出，在不脱离本发明方法和核心装置实质的前提下，在实际实施中可以做出若干更改和润色也应包含在本发明的保护范围以内。