分布式光学毫米波/太赫兹传递系统和传递方法与流程

1.本发明涉及光纤时间与频率传递，特别是一种分布式光学毫米波/太赫兹传递系统和传递方法。


背景技术：

2.高稳定频率参考信号的长距离传递已被证明在射电天文学、深空网络中均发挥着重要作用。涉及天线间高精度相位同步的应用通常需要同步良好且时延抖动低的高频率参考信号。传统的基于卫星链路的频率传递受到大气湍流等影响已无法满足诸多高精度应用场景的需求，而基于光纤和空间链路的光学频率传递技术被多次证明是当前突破现有技术限制的一种有效解决方案，其中光纤具有低衰减、宽带宽、高可靠性和抗电磁干扰等优点。近些年来，诸多课题组针对光学毫米波传递提出了许多优秀的传递方案。
3.然而，目前基于光学毫米波频率传递均是针对点到点的应用场景，还未有报道过分布式的传递方案。为了拓展毫米波/太赫兹信号传递的应用范围，例如满足阿塔卡马大型毫米波阵列(alma)项目和超长基线干涉测量(vlbi)等应用需求，我们提出了一种分布式光学毫米波/太赫兹传递方案。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对现有技术以及工作的不足，提供一种分布式光学毫米波/太赫兹传递系统和传递方法。本发明在传递链路中通过光耦合器提取出前向和后向传递的光信号，经过光信号滤波、光电转换、微波滤波、分频以及光学移频处理，实现传递链路的任意位置获得相位稳定的毫米波/太赫兹信号。此外，该方案还具有可靠性高、结构简单、实现成本低的特点。
5.本发明的技术解决方案如下：
6.一种分布式光学毫米波/太赫兹传递系统，其特点在于，包括本地端、传递链路、用户端和接入端：
7.所述的本地端(1)包括光隔离器单元(10)、第一光耦合器(11)、第一法拉第旋转镜(12)、第二光耦合器(13)、第一光滤波器(14)、第二光滤波器(15)、第一声光移频器(16)、第一微波源(17)、第二声光移频器(18)、第三光耦合器(19)、第三光滤波器(20)、第四光滤波器(21)、第一光电转换单元(22)、第二光电转换单元(23)、第一电滤波器(24)、第二电滤波器(25)、第一混频器(26)、伺服控制单元(27)、压控振荡器(28)和第四光耦合器(29)；
8.所述的用户端(3)包括第三声光移频器(30)、第二微波源(31)、第五光耦合器(32)、第二法拉第旋转镜(33)、第六光耦合器(34)、第三微波源(35)、第一光锁相单元(36)、微波功分器(37)、第二光锁相单元(38)、第七光耦合器(39)、第三光电转换单元(40)和第三电滤波器(41)；
9.待传光载毫米波信号e0经依次经光隔离器(10)和第一光耦合器(11)后分为两路，其中一路经第一法拉第旋转镜(12)反射后，返回所述的第一光耦合器(11)作为本地参考光
信号e0输入到所述的第三光耦合器(19)；另一路经所述的第二光耦合(13)再次分为二路，分别经第一光滤波器(14)和第一声光移频器(16)，以及第二光滤波器(15)和第二声光移频器(18)输出，二路信号e1、e2经所述的第四光耦合器(29)合束后，经所述的传递链路(2)传递到达用户端(3)；
10.在所述的用户端(3)依次经所述的第三声光移频器(30)和所述的第五光耦合器(32)后信号e3被分为两部分，其中一部分经所述的第二法拉第旋转镜(33)反射后，经所述的传递链路(2)传递到本地端(1)，再次经第四光耦合器(29)分束后，沿原路返回，经所述的第二光耦合器(13)合束后，经第一光耦合器(11)的3端口输入，4端口输出后，与本地参考光一起输入所述的第三光耦合器(19)，经第三光耦合器(19)再次分为二路，一路依次经所述的第三光滤波器(20)、第一光电转换单元(22)和所述的第一电滤波器(24)后进入所述的第一混频器(26)，另一路依次经所述的第四光滤波器(21)、第二光电转换单元(23)和所述的第二电滤波器(25)后进入所述的第一混频器(26)，二路信号经该第一混频器(26)混频取下边带后，输出直流误差信号进入所述的伺服控制单元(27)，驱动所述的压控振荡器(28)实现相位噪声补偿；
11.另一部分经信号e3过所述的第六光耦合器(34)后被分为两路，分别进入第一光锁相单元(36)和第二光锁相单元(38)，所述的第三微波源(35)输出射频信号经微波功分器(37)分为二路分别进入第一光锁相单元(36)和第二光锁相单元(38)
12.将两束光互拍频的信号转换成两束直流信号分别进入所述的第七光耦合器(39)合束后，经所述的第三光电转换单元(40)以及所述的第三电滤波器(41)滤波后即可得到稳定的毫米波信号。
13.所述的接入端包括第八光耦合器、第九光耦合器、第十光耦合器、第五光滤波器、第四光电转换单元、第四电滤波器、第一分频器单元、第六光滤波器、第五光电转换单元、第五电滤波器、第二分频器单元、第七光滤波器、第四声光移频器、第八光滤波器、第五声光移频器、第十一光耦合器、第六光电转换单元和第六电滤波器；
14.所述的第八光耦合器位于所述的传递链路的任意节点，用于获取前向传递的光信号和后向传递的光信号；所述的前向传递的光信号经所述的第九光耦合器分成三路，第一路通过所述的第十光耦合器与所述的后向传递的光信号合束后分为两部分，一部分依次经所述的第五光滤波器、第四光电转换单元、第四电滤波器和第一分频器单元后加载在所述的第四声光移频；另一部分依次经所述的第六光滤波器、第五光电转换单元、第五电滤波器和第二分频器单元后加载在所述的第五声光移频器；第二路依次经所述的第七光滤波器和第四声光移频器后进入所述的第十一光耦合器，第三路依次经所述的第八光滤波器和所述的第五声光移频器后所述的第十一光耦合器，两路信号经所述的第十一光耦合器合束后，经所述的第六光电转换单元和第六电滤波器后输出稳定的毫米波信号。
15.所述的传递链路为光纤链路或者自由空间链路，所述的自由空间链路由自由空间光发射模块、接收模块与自由空间链路组成。
16.利用上述分布式光学毫米波/太赫兹传递系统的传递方法，其特征在于，该方法具体步骤如下：
17.1)本地端待传递的光载毫米波信号其中两个角频率和相位的差值分别与毫米波的频率和相位相匹配，即ω
2-ω1＝ω
mmw
，
所述的光载毫米波信号e0经过所述的光隔离器、所述的第一光耦合器后分成两路：一路经过所述的第一法拉第旋转镜反射，再经所述的第一光耦合器后作为本地参考光输入到所述的第三光耦合器上，另一路经所述的第二光耦合后被分为两部分，一部分所述的e0光信号过所述的第一光滤波器和所述的第一声光移频器后输出的信号记为e1,另一部分所述的e0光信号经过所述的第二光滤波器和所述的第二声光移频器后输出的信号记为e2,所述的e1和e2信号表达式为：
[0018][0019][0020]
式中，ω
rf1
，分别为所述的第一声光移频器射频工作的频率和初始相位，ω
vco
，分别为所述的第二声光移频器射频工作的频率和初始相位；
[0021]
2)所述的e1、e2信号经过所述的第四光耦合器合束后进入所述的传递链路，在所述的用户端经过所述的第三声光移频器后，输出信号e3的表达式为：
[0022][0023]
式中，和分别表示传递链路引入的相位噪声，ω
rf2
和分别为所述的第三声光移频器射频工作的频率和初始相位；
[0024]
所述的e3信号经过所述的第五光耦合器被分为两部分：一部分经过所述的第二法拉第旋转镜后反射进入到所述的传递链路，传递到本地端所述的第四光耦合器后，依次经历了与所述的e1和e2信号互逆的路径后，经过所述的第一光耦合器的3,4端口，传递到所述的第三光耦合器的1端口，其表达式为：
[0025][0026]
3)这里假设前向传递和后向传递的链路噪声相等，所述的e4信号与所述的本地参考光信号e0经过所述的第三光耦合器合束后分为两路：一路依次经过所述的第三光滤波器、第一光电转换单元和所述的第一电滤波器后，输出的信号记为e5，另一路依次经过所述的第四光滤波器、所述的第二光电转换单元和所述的第二电滤波器后，输出的信号记为e6，所述的e5和e6的表达式分别为：
[0027][0028][0029]
所述的e5和e6信号通过所述的第一混频器混频取下边带后，输出的直流误差信号ve进入所述的伺服控制单元，其表达式为：
[0030][0031]
当所述的伺服控制单元工作在锁定状态时ve
→
0,表达式进一步可以写为：
[0032]
[0033]
4)在所述的用户端，另一部分所述的e3信号经过所述的第六光耦合器后被分为两路：一路经过所述的第一光锁相单元后，输出的信号记为e7，另一路经过所述的第二光锁相单元，输出的信号记为e8，所述的e7和e信号的表达式为：
[0034][0035][0036]
式中，ω
rf3
和分别表示所述的第三微波源输出射频信号的角频率和初始相位，所述的e7和e8信号经所述的第七光耦合器合束后，经所述的第三光电转换单元以及所述的第三电滤波器滤波后输出信号的表达式为：
[0037][0038]
将的表达式代入到上式，所述的e9表达式可以进一步改写为：
[0039][0040]
5)在所述的传递链路的任意节点，通过所述的第八光耦合器获取前向和后向传递的光信号，其表达式为：
[0041][0042][0043]
式中，和分别为在ω1和ω2频率下本地端到接入端传递链路引入的相位噪声，和分别为在ω1和ω2频率下用户端到接入端传递链路引入的相位噪声。
[0044]
6)所述的e
10
信号经所述的第九光耦合器后分成三路，一路通过所述的第十光耦合器与所述的e
11
信号合束后分为两部分，一部分经过所述的第五光滤波器、所述的第四光电转换单元、所述的第四电滤波器、所述的第一分频器单元后，输出的信号记为e
12
,另一部分经过所述的第六光滤波器、所述的第五光电转换单元、所述的第五电滤波器、所述的第二分频器单元后，输出的信号记为e
13
,所述的e
12
和e
13
信号分别加载在所述的第四声光移频和第五声光移频器上，其表达式为：
[0045][0046][0047]
7)所述的e
10
信号另外两路分别经过所述的第七光滤波器，所述的第四声光移频器和所述的第八光滤波器，所述的第五声光移频器，两路信号经所述的第十一光耦合器合束后，其表达式为：
[0048][0049]
式中,链路引入的相位噪声存在如下关系所述的e
14
信号可以进一步改写为：
[0050][0051]
当锁相环进入锁定状态后，所述的e
14
经所述的第六光电转换单元和第六电滤波器，其输出信号表达式为：
[0052][0053]
用户端和任意接入端均可获得稳定的毫米波/太赫兹信号。
[0054]
本发明的技术效果如下：
[0055]
本发明在传递链路中通过光耦合器提取出前向和后向传递的光信号，经过光信号滤波、光电转换、微波滤波、分频以及光学移频处理，实现传递链路的任意位置获得相位稳定的毫米波/太赫兹信号。此外，该方案还具有可靠性高、结构简单、实现成本低的特点。
附图说明
[0056]
图1是本发明分布式光学毫米波/太赫兹传递系统实施例的结构示意图。
具体实施方式
[0057]
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，本实施例以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和和具体的工作流程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0058]
图1为本发明分布式光学毫米波传递系统实施例的结构示意图，由图可见，本发明高精度光学毫米波传递系统，包括本地端1、传递链路2、用户端3和接入端4：
[0059]
所述的本地端(1)包括光隔离器单元(10)、第一光耦合器(11)、第一法拉第旋转镜(12)、第二光耦合器(13)、第一光滤波器(14)、第二光滤波器(15)、第一声光移频器(16)、第一微波源(17)、第二声光移频器(18)、第三光耦合器(19)、第三光滤波器(20)、第四光滤波器(21)、第一光电转换单元(22)、第二光电转换单元(23)、第一电滤波器(24)、第二电滤波器(25)、第一混频器(26)、伺服控制单元(27)、压控振荡器(28)和第四光耦合器(29)；
[0060]
所述的用户端(3)包括第三声光移频器(30)、第二微波源(31)、第五光耦合器(32)、第二法拉第旋转镜(33)、第六光耦合器(34)、第三微波源(35)、第一光锁相单元(36)、微波功分器(37)、第二光锁相单元(38)、第七光耦合器(39)、第三光电转换单元(40)和第三电滤波器(41)；
[0061]
待传光载毫米波信号e0经依次经光隔离器(10)和第一光耦合器(11)后分为两路，其中一路经第一法拉第旋转镜(12)反射后，返回所述的第一光耦合器(11)作为本地参考光
信号e0输入到所述的第三光耦合器(19)；另一路经所述的第二光耦合(13)再次分为二路，分别经第一光滤波器(14)和第一声光移频器(16)，以及第二光滤波器(15)和第二声光移频器(18)输出，二路信号e1、e2经所述的第四光耦合器(29)合束后，经所述的传递链路(2)传递到达用户端(3)；
[0062]
在所述的用户端(3)依次经所述的第三声光移频器(30)和所述的第五光耦合器(32)后信号e3被分为两部分，其中一部分经所述的第二法拉第旋转镜(33)反射后，经所述的传递链路(2)传递到本地端(1)，再次经第四光耦合器(29)分束后，沿原路返回，经所述的第二光耦合器(13)合束后，经第一光耦合器(11)的3端口输入，4端口输出后，与本地参考光一起输入所述的第三光耦合器(19)，经第三光耦合器(19)再次分为二路，一路依次经所述的第三光滤波器(20)、第一光电转换单元(22)和所述的第一电滤波器(24)后进入所述的第一混频器(26)，另一路依次经所述的第四光滤波器(21)、第二光电转换单元(23)和所述的第二电滤波器(25)后进入所述的第一混频器(26)，二路信号经该第一混频器(26)混频取下边带后，输出直流误差信号进入所述的伺服控制单元(27)，驱动所述的压控振荡器(28)实现相位噪声补偿；
[0063]
另一部分经信号e3过所述的第六光耦合器(34)后被分为两路，分别进入第一光锁相单元(36)和第二光锁相单元(38)，所述的第三微波源(35)输出射频信号经微波功分器(37)分为二路分别进入第一光锁相单元(36)和第二光锁相单元(38)
[0064]
将两束光互拍频的信号转换成两束直流信号分别进入所述的第七光耦合器(39)合束后，经所述的第三光电转换单元(40)以及所述的第三电滤波器(41)滤波后即可得到稳定的毫米波信号。
[0065]
所述的接入端4包括第八光耦合器42、第九光耦合器43、第十光耦合器44、第五光滤波器45、第四光电转换单元46、第四电滤波器47、第一分频器单元48、第六光滤波器49、第五光电转换单元50、第五电滤波器51、第二分频器单元52、第七光滤波器53、第四声光移频器54、第八光滤波器55、第五声光移频器56、第十一光耦合器57、第六光电转换单元58和第六电滤波器59；
[0066]
所述的第八光耦合器42位于所述的传递链路2的任意节点，用于获取前向传递的光信号和后向传递的光信号；所述的前向传递的光信号经所述的第九光耦合器43分成三路，第一路通过所述的第十光耦合器44与所述的后向传递的光信号合束后分为两部分，一部分依次经所述的第五光滤波器45、第四光电转换单元46、第四电滤波器47和第一分频器单元48后加载在所述的第四声光移频51；另一部分依次经所述的第六光滤波器49、第五光电转换单元50、第五电滤波器51和第二分频器单元52后加载在所述的第五声光移频器56；第二路依次经所述的第七光滤波器53和第四声光移频器54后进入所述的第十一光耦合器57，第三路依次经所述的第八光滤波器55和所述的第五声光移频器56后所述的第十一光耦合器57，两路信号经所述的第十一光耦合器57合束后，经所述的第六光电转换单元58和第六电滤波器59后输出稳定的毫米波信号。
[0067]
实施例中，所述的传递链路2由光纤链路构成，本地端1位于传递链路2的一端，接入端位于传递链路的任意位置，用户端4位于传递链路2的另一端。
[0068]
利用上述的分布式光学毫米波/太赫兹传递系统的毫米波/太赫兹传递方法，其特征在于，该方法具体步骤如下：
[0069]
1)本地端待传递的光载毫米波信号其中两个角频率和相位的差值分别与毫米波的频率和相位相匹配，即ω
2-ω1＝ω
mmw
，所述的光载毫米波信号e0经过所述的光隔离器10、所述的第一光耦合器11后分成两路：一路经过所述的第一法拉第旋转镜12反射，再经所述的第一光耦合器11后作为本地参考光输入到所述的第三光耦合器19上，另一路经所述的第二光耦合13后被分为两部分，一部分所述的e0光信号过所述的第一光滤波器14和所述的第一声光移频器16后输出的信号记为e1,另一部分所述的e0光信号经过所述的第二光滤波器15和所述的第二声光移频器18后输出的信号记为e2,所述的e1和e2信号表达式为：
[0070][0071][0072]
式中，ω
rf1
，分别为所述的第一声光移频器16射频工作的频率和初始相位，ω
vco
，分别为所述的第二声光移频器18射频工作的频率和初始相位；
[0073]
2)所述的e1、e2信号经过所述的第四光耦合器29合束后进入所述的传递链路2，在所述的用户端3经过所述的第三声光移频器30后，输出信号e3的表达式为：
[0074][0075]
式中，和分别表示传递链路引入的相位噪声，ω
rf2
和分别为所述的第三声光移频器30射频工作的频率和初始相位；
[0076]
所述的e3信号经过所述的第五光耦合器32被分为两部分：一部分经过所述的第二法拉第旋转镜33后反射进入到所述的传递链路2，传递到本地端所述的第四光耦合器29后，依次经历了与所述的e1和e2信号互逆的路径后，经过所述的第一光耦合器11的3,4端口，传递到所述的第三光耦合器19的1端口，其表达式为：
[0077][0078]
3)这里假设前向传递和后向传递的链路噪声相等，所述的e4信号与所述的本地参考光信号e0经过所述的第三光耦合器19合束后分为两路：一路依次经过所述的第三光滤波器20、第一光电转换单元22和所述的第一电滤波器24后，输出的信号记为e5，另一路依次经过所述的第四光滤波器21、所述的第二光电转换单元23和所述的第二电滤波器25后，输出的信号记为e6，所述的e5和e6的表达式分别为：
[0079][0080][0081]
所述的e5和e6信号通过所述的第一混频器26混频取下边带后，输出的直流误差信号ve进入所述的伺服控制单元27，其表达式为：
[0082]
[0083]
当所述的伺服控制单元27工作在锁定状态时ve
→
0,表达式进一步可以写为：
[0084][0085]
4)在所述的用户端3，另一部分所述的e3信号经过所述的第六光耦合器34后被分为两路：一路经过所述的第一光锁相单元36后，输出的信号记为e7，另一路经过所述的第二光锁相单元38，输出的信号记为e8，所述的e7和e8信号的表达式为：
[0086][0087][0088]
式中，ω
rf3
和分别表示所述的第三微波源35输出射频信号的角频率和初始相位，所述的e7和e8信号经所述的第七光耦合器39合束后，经所述的第三光电转换单元40以及所述的第三电滤波器41滤波后输出信号的表达式为：
[0089][0090]
将的表达式代入到上式，所述的e9表达式可以进一步改写为：
[0091][0092]
5)在所述的传递链路2的任意节点，通过所述的第八光耦合器42获取前向和后向传递的光信号，其表达式为：
[0093][0094][0095]
式中，和分别为在ω1和ω2频率下本地端1到接入端4传递链路引入的相位噪声，和分别为在ω1和ω2频率下用户端3到接入端4传递链路引入的相位噪声。
[0096]
6)所述的e
10
信号经所述的第九光耦合器43后分成三路，一路通过所述的第十光耦合器44与所述的e
11
信号合束后分为两部分，一部分经过所述的第五光滤波器45、所述的第四光电转换单元46、所述的第四电滤波器47、所述的第一分频器单元48后，输出的信号记为e
12
,另一部分经过所述的第六光滤波器49、所述的第五光电转换单元50、所述的第五电滤波器51、所述的第二分频器单元52后，输出的信号记为e
13
,所述的e
12
和e
13
信号分别加载在所述的第四声光移频54和第五声光移频器56上，其表达式为：
[0097][0098][0099]
7)所述的e
10
信号另外两路分别经过所述的第七光滤波器53，所述的第四声光移频器54和所述的第八光滤波器55，所述的第五声光移频器56，两路信号经所述的第十一光耦
合器57合束后，其表达式为：
[0100][0101]
式中,链路引入的相位噪声存在如下关系所述的e
14
信号可以进一步改写为：
[0102][0103]
当锁相环进入锁定状态后，所述的e
14
经所述的第六光电转换单元58和第六电滤波器59，其输出信号表达式为：
[0104][0105]
用户端和任意接入端均可获得稳定的毫米波/太赫兹信号。
[0106]
实验表明，本发明在传递链路中通过光耦合器提取出前向和后向传递的光信号，经过光信号滤波、光电转换、微波滤波、分频以及光学移频处理，实现传递链路的任意位置获得相位稳定的毫米波/太赫兹信号。此外，该方案还具有可靠性高、结构简单、实现成本低的特点。