级联光纤微波频率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，特别是一种级联光纤微波频率传递系统和传递方法。


背景技术：

2.高精度、长距离的微波频率传递在卫星导航、射电天文学、精密计量和高精度时钟比对等领域有着重要的应用。近些年来，随着原子频标的性能不断提升，其性能大约每7-10年提升一个量级。目前，最好的基于铯原子钟产生的微波频率基准，其长期不稳定性在10-16
量级，而基于卫星链路的频率传递由于受大气信道的影响已无法满足当前众多领域的需求。
3.光纤由于其低损耗、大带宽、不受电磁干扰等诸多优点，被人们认为是实现高精度、长距离微波频率传递的理想选择。美国、欧盟和日本等国家都先后开展了相关的研究。长距离光纤微波频率传递主要受限于光纤链路的传输时延，过大的传输时延会导致系统环路带宽减小，从而恶化了相位噪声补偿效果。针对以上问题，日本在2010年提出了一种系统级联的方案，使用了两套微波频率传系统，一套微波频率传递系统的输出端用作另一套系统的输入端[参见fujieda,miho,motohirokumagai,and shigeo nagano."coherent microwave transfer over a 204-km telecom fiber link by a cascaded system."ieee transactions on ultrasonics,ferroelectrics,and frequency control 57.1(2009):168-174.]。通过级联的方式很好的解决了环路带宽过小和链路容易受到干扰的问题。然而，该方案中继端通过增加一套收发设备，这大大增加了系统的复杂度，降低了系统的可靠性。


技术实现要素：

[0004]
本发明的目的在于针对现有技术以及工作的不足，提供一种级联光纤微波频率传递系统和传递方法。本发明通过中继站获取第一光纤链路和第二光纤链路引入的相位噪声，并通过中继站点的相位补偿单元同时补偿第一光纤链路由非同步源引入的相位噪声，以及第二光纤链路引入的相位噪声，使得相位稳定的微波信号能够在用户端和中继端获得，实现了长距离光纤微波频率传递。本发明有效简化了级联微波频率传递系统的结构，有效提升了系统的环路带宽，此外系统还具有底噪低、结构简单、可靠性高的优点。
[0005]
本发明的技术解决方案如下：
[0006]
一种级联光纤微波频率传递系统，其特点在于，包括本地端、第一光纤链路、中继站点、第二光纤链路和用户端：
[0007]
所述的本地端由倍频器、第一信号变换模块、第一电滤波器、第一电光调制器模块、第一光电接收模块和第一光波分复用器组成，所述的倍频器的输入端为待传微波频率信号的输入端，所述的第一光波分复用器的a2端口与所述的第一光电接收模块的输入端相连，所述的第一光电接收模块的的输出端与所述的第一电滤波器的的输入端相连，所述的
第一电滤波器的输出端与所述的第一信号变换模块的第二输入端口相连，所述的第一信号变换模块的第一输入端口与所述的倍频器的输出端相连，所述的第一信号变换模块的输出端与所述的第一电光调制器模块的输入端相连，所述的第一电光调制器模块的输出端与所述的第一光波分复用器的a1端口相连，所述的第一光波分复用器的a3端口与所述的第一光纤链路的一端相连；
[0008]
所述的中继站点由第二光波分复用器、第二光电接收模块、第二功率分配器、相位补偿单元、第三光电接收模块、第三光波分复用器、第二信号变换模块、第三功率分配器、第二电光调制器模块、光分路器和光隔离器组成，所述的相位补偿单元的输出端与所述的第三功率分配器的输入端相连，所述的第三功率分配器的第一输出端口、第二输出端口分别与所述的第二电光调制器模块的输入端，所述的第二信号变换模块的第二输入端口相连，所述的第二电光调制器模块的输出端与所述的光分路器的输入端相连，所述的光分路器的第一输出端口、第二输出端口分别与所述的第三光波分复用器的c1端口、所述的光隔离器的输入端相连，所述的第三光波分复用器的c3端口与第二光纤链路的一端相连，所述的光隔离的输出端与所述的第二光波分复用器的b1端口相连，所述的第二光波分复用器的b3端口与所述的第一光纤链路的另一端相连，所述的第二光波分复用器的b2端口与所述的第二光电接收模块的输入端相连，所述的第二光电接收模块的输出端与所述的相位补偿单元的第一输入端相连，所述的第三光波分复用器的c2端口与所述的第三光电接收模块的输入端相连，所述的第三光电接收模块的输出端与所述的第二功率分配器的输入端相连，所述的第二功率分配器的第一输出端口、第二输出端口分别与所述的相位补偿单元的第二输入端口、所述的第二信号变换模块的第一输入端口相连，所述的第二信号变换模块的输出端与中继端用户相连；
[0009]
所述的用户端由第四光波分复用器、第四光电接收模块、第十一电滤波器、第五功率分配器和第三电光调制器模块组成，所述的第四光波分复用器的d2端口与所述的第四光电接收模块的输入端相连，所述的第四光电接收模块的输出端与所述的第十一电滤波器的输入端相连，所述的第十一电滤波器的输出端与所述的第五功率分配的输入端相连，所述的第五功率分配器的第一输出端口与所述的第三电光调制器模块的输入端相连，所述的第三电光调制器模块的输出端与所述的第四光波分复用器的d1端口端相连，所述的第四光波分复用器的d3端口与所述的第二光纤链路的另一端相连，所述的第五功率分配器的第二输出端口提供给用户；
[0010]
所述的第一信号变换模块由第一混频器、第一功率分配器、第二混频器、第二电滤波器、第一本振、第三电滤波器、第三混频器和第四电滤波器组成，所述的第一混频器的第一输入端口、第二输入端口分别与所述的倍频器的输出端、所述的第一功率分配器的第一输出端口相连，所述的第二混频器的第一输入端口、第二输入端口分别与所述的第一电滤波器的的输出端、所述的第一功率分配器的第二输出端口相连，所述的第一本振的输出端与所述的第一功率分配器的输入端相连，所述的第一混频器的输出端与所述的第二电滤波器的输入端相连，所述的第二混频器的输出端与所述的第三电滤波器的输入端相连，所述的第三混频器的第一输入端口和第二输入端口分别与所述的第二电滤波器的输出端、第三电滤波器的输出端相连，所述的第三混频器的输出端与所述的第四电滤波器的输入端相连，所述的第四电滤波器的输出端与所述的第一电光调制器模块的输入端相连；
[0011]
所述的相位补偿单元由第五电滤波器、伺服控制器、第六电滤波器和压控振荡器组成，所述的第五电滤波器的输入端与所述的第二功率分配器的第一输出端口相连，所述的第六电滤波器的输入端与所述的第三光电接收模块的输出端相连，所述的伺服控制器的第一输入端口、第二输入端口分别与所述的第五电滤波器的输出端和所述的第六电滤波器的输出端相连，所述的伺服控制器的输出端与所述的压控振荡器的输入端相连，所述的压控振荡器的输出端与所述的第三功率分配器的输入端相连；
[0012]
所述的第二信号变换模块由第七电滤波器、第四混频器、第四功率分配器、第五混频器、第八电滤波器、第二本振、第九电滤波器、第六混频器、第十电滤波器和分频器组成，所述的第二功率分配器的第二输出端口与所述的第七电滤波器的输入端相连，所述的第三功率分配器的第二输出端口与所述的第五混频器的第一输入端口相连，所述的第四混频器的第一输入端口、第二输入端口分别与所述的第七滤波器的输出端、所述的第四功率分配器的第一输出端口相连，所述的第五混频器的第二输入端口与所述的第四功率分配器的第二输出端口相连，所述的第二本振的输出端与所述的第四功率分配器的输入端相连，所述的第四混频器的输出端与所述的第八电滤波器的输入端相连，所述的第五混频器的输出端与所述的第九电滤波器的输入端相连，所述的第六混频器的第一输入端口、第二输入端口分别与所述的第八电滤波器的输出端、所述的第九电滤波器的输出端相连，所述的第六混频器的输出端与所述的第十电滤波器的输入端相连，所述的第十电滤波器的输出端与所述的分频器的输入端相连，所述的分频器的输出端与中继端的用户相连。
[0013]
利用上述级联光纤微波频率传递系统的微波频率传递方法，其特点在于，该方法的具体步骤如下：
[0014]
1)在所述的中继端，所述的相位补偿单元输出的信号e1的表达式为：
[0015][0016]
式中，ω
vco
和分别为所述的相位补偿单元输出信号的角频率和初始相位，所述的e1信号经过所述的第三功率分配器分成两部分：一部分输入到第二信号变换模块的第二输入端口，另一部分输入到所述的第二电光调制器模块上，经调制后的信号经过所述的光分路器分成两路：所述的光分路器的第二输出端输出的一路信号经过所述的光隔离器、所述的第二波分复用器后，进入所述的第一光纤链路；所述的光分路器的第一输出端输出的另一路信号经所述的第三光波分复用器后进入所述的第二光纤链路；
[0017]
2)沿着所述的第一光纤链路传递到所述的本地端的e1信号，经过所述的第一光波分复用器的a3,a2端口后，依次经所述的第一光电接收模块、所述的第一电滤波器，所述的第一电滤波器输出e2信号，其表达式为：
[0018][0019]
式中,表示所述的第一光纤链路引入的相位噪声；
[0020]
3)待传递的微波信号e0经所述的倍频器输入端输入，经所述的倍频器输出的e3信号表达式为：
[0021][0022]
式中，ω
rf
和分别为待传递微波信号的角频率和初始相位；所述的e2和e3信号
输入到所述的第一信号变换模块，所述的第一信号变换模块输出的e4信号的表达式为：
[0023][0024]
4)所述的e4信号经所述的第一电光调制器模块调制，调制后经过所述的第一光波分复用器的a1,a3端口，进入到所述的第一光纤链路；
[0025]
5)沿着所述的第二光纤链路传递到所述的用户端的e1信号，经过所述的第四光波分复用器的d3,d2端口后，依次经所述的第四光电接收模块、所述的第十一电滤波器和所述的第五功率分配器后输出e5信号，e5的表达式写为：
[0026][0027]
式中,表示所述的第二光纤链路引入的相位噪声；所述的e5信号经所述的第五功率分配器分为两路输出：一路经第五功率分配器第二输出端输出给用户，另一路经第五功率分配器的第一输出端输出，通过所述的第三电光调制器模块调制后，经所述的第四光波分复用器的d1,d3端口进入到所述的第二光纤链路；
[0028]
6)沿着所述的第一光纤链路传递到所述的中继端的e4信号，经过所述的第二光波分复用器的b3,b2端口后,输入到所述的第二光电接收模块，该第二光电接收模块的输出信号e6的表达式为：
[0029][0030]
7)沿着所述的第二光纤链路传递到所述的中继端的e5信号，经过所述的第三光波分复用器的c3,c2端口后,输入到所述的第三光电接收模块，该第三光电接收模块的输出信号e7的表达式为：
[0031][0032]
8)所述的e7信号经过所述的第二功率分配器分成两路：一路输入到所述的相位补偿单元的第二输入端口，另一路经所述的第二信号变换模块的第一输入端口输入所述的第二信号变换模块；
[0033]
9)所述的第二信号变换模块对所述的e1和e7信号进行混频取上边带处理，获得的上边带信号经二分频输出，输出给中继端用户的e8信号的表达式为：
[0034][0035]
10)所述的e7信号通过所述的第六电滤波器滤波后经所述的伺服控制器的第二输入端口输入所述的伺服控制器，所述的e6信号通过所述的第五电滤波器滤波后经所述的伺服控制器的第一输入端口输入到所述的伺服控制器，所述的伺服控制器输出的直流控制信号ve表达式为：
[0036][0037]
11)当所述的相位补偿单元进入锁定状态时，即ve
→
0，上式可改写为：
[0038][0039]
12)将所述的分别代入到所述的e5，e8信号，表达式可进一步改写为：
[0040]
[0041][0042]
可见，中继站点和用户端均可获得相位稳定的微波信号。
[0043]
本发明技术效果如下：
[0044]
本发明通过将相位补偿单元放置在中继站点，同时补偿第一段光纤和第二段光纤链路引入的噪声，有效降提升了相位补偿带宽。此外，还具有结构简单、可靠性高的特点。
附图说明
[0045]
图1是本发明级联光纤微波传递系统的结构示意图；
[0046]
图2是本发明第一信号变换模块实施例的结构示意图；
[0047]
图3是本发明相位补偿单元实施例的结构示意图；
[0048]
图4是本发明第二信号变换模块实施例的结构示意图；
具体实施方式
[0049]
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。
[0050]
请先参见图1，图1是本发明级联光纤微波频率传递系统，包括本地端1、第一光纤链路2、中继站点3、第二光纤链路4和用户端5：
[0051]
所述的本地端1由倍频器1-1、第一信号变换模块1-2、第一电滤波器1-3、第一电光调制器模块1-4、第一光电接收模块1-5和第一光波分复用器1-6组成，所述的倍频器1-1的输入端为待传微波频率信号的输入端，所述的第一光波分复用器1-6的a2端口与所述的第一光电接收模块1-5的输入端相连，所述的第一光电接收模块1-5的输出端与所述的第一电滤波器的1-3的输入端相连，所述的第一电滤波器1-3的输出端与所述的第一信号变换模块1-2的第二输入端口相连，所述的第一信号变换模块1-2的第一输入端口与所述的倍频器1-1的输出端相连，所述的第一信号变换模块1-2的输出端与所述的第一电光调制器模块1-4的输入端相连，所述的第一电光调制器模块1-4的输出端与所述的第一光波分复用器1-6的a1端口相连，所述的第一光波分复用器1-6的a3端口与所述的第一光纤链路2的一端相连；
[0052]
所述的中继站点3由第二光波分复用器3-1、第二光电接收模块3-2、第二功率分配器3-3、相位补偿单元3-4、第三光电接收模块3-5、第三光波分复用器3-6、第二信号变换模块3-7、第三功率分配器3-8、第二电光调制器模块3-9、光分路器3-10和光隔离器3-11组成，所述的相位补偿单元3-4的输出端与所述的第三功率分配器3-8的输入端相连，所述的第三功率分配器3-8的第一输出端口、第二输出端口分别与所述的第二电光调制器模块3-9的输入端，所述的第二信号变换模块3-7的第二输入端口相连，所述的第二电光调制器模块3-9的输出端与所述的光分路器3-10的输入端相连，所述的光分路器3-10的第一输出端口、第二输出端口分别与所述的第三光波分复用器3-6的c1端口、所述的光隔离器3-11的输入端相连，所述的第三光波分复用器3-6的c3端口与第二光纤链路4的一端相连，所述的光隔离3-11的输出端与所述的第二光波分复用器3-1的b1端口相连，所述的第二光波分复用器3-1的b3端口与所述的第一光纤链路2的另一端相连，所述的第二光波分复用器3-1的b2端口与所述的第二光电接收模块3-2的输入端相连，所述的第二光电接收模块3-2的输出端与所述
的相位补偿单元3-4的第一输入端相连，所述的第三光波分复用器3-6的c2端口与所述的第三光电接收模块3-5的输入端相连，所述的第三光电接收模块3-5的输出端与所述的第二功率分配器3-3的输入端相连，所述的第二功率分配器3-3的第一输出端口、第二输出端口分别与所述的相位补偿单元3-4的第二输入端口、所述的第二信号变换模块3-7的第一输入端口相连，所述的第二信号变换模块3-7的输出端与中继端用户相连；
[0053]
所述的用户端5由第四光波分复用器5-1、第四光电接收模块5-2、第十一电滤波器5-3、第五功率分配器5-4和第三电光调制器模块5-5组成，所述的第四光波分复用器5-1的d2端口与所述的第四光电接收模块5-2的输入端相连，所述的第四光电接收模块5-2的输出端与所述的第十一电滤波器5-3的输入端相连，所述的第十一电滤波器5-3的输出端与所述的第五功率分配5-4的输入端相连，所述的第五功率分配器5-4的第一输出端口与所述的第三电光调制器模块5-5的输入端相连，所述的第三电光调制器模块5-5的输出端与所述的第四光波分复用器5-1的d1端口端相连，所述的第四光波分复用器5-1的d3端口与所述的第二光纤链路4的另一端相连，所述的第五功率分配器5-4的第二输出端口提供给用户；
[0054]
参见图2，图2是本发明第一信号变换模块实施例的结构示意图，由图可见，所述的第一信号变换模块1-2由第一混频器1-7、第一功率分配器1-8、第二混频器1-9、第二电滤波器1-10、第一本振1-11、第三电滤波器1-12、第三混频器1-13和第四电滤波器1-14组成，所述的第一混频器1-7的第一输入端口、第二输入端口分别与所述的倍频器1-1的输出端、所述的第一功率分配器1-8的第一输出端口相连，所述的第二混频器1-9的第一输入端口、第二输入端口分别与所述的第一电滤波器的1-3的输出端、所述的第一功率分配器1-8的第二输出端口相连，所述的第一本振1-11的输出端与所述的第一功率分配器1-8的输入端相连，所述的第一混频器1-7的输出端与所述的第二电滤波器1-10的输入端相连，所述的第二混频器1-9的输出端与所述的第三电滤波器1-12的输入端相连，所述的第三混频器1-13的第一输入端口和第二输入端口分别与所述的第二电滤波器1-10的输出端、第三电滤波器1-12的输出端相连，所述的第三混频器1-13的输出端与所述的第四电滤波器1-14的输入端相连，所述的第四电滤波器1-14的输出端与所述的第一电光调制器模块1-4的输入端相连；
[0055]
参见图3，图3是本发明相位补偿单元实施例的结构示意图，由图可见，所述的相位补偿单元3-4由第五电滤波器3-12、伺服控制器3-13、第六电滤波器3-14和压控振荡器3-15组成，所述的第五电滤波器3-12的输入端与所述的第二功率分配器3-3的第一输出端口相连，所述的第六电滤波器3-11的输入端与所述的第三光电接收模块3-5的输出端相连，所述的伺服控制器3-13的第一输入端口、第二输入端口分别与所述的第五电滤波器3-12的输出端、所述的第六电滤波器3-14的输出端相连，所述的伺服控制器3-13的输出端与所述的压控振荡器3-15的输入端相连，所述的压控振荡器3-15的输出端与所述的第三功率分配器3-8的输入端相连；
[0056]
参见图4，图4是本发明第二信号变换模块实施例的结构示意图，由图可见所述的第二信号变换模块3-7由第七电滤波器3-16、第四混频器3-17、第四功率分配器3-18、第五混频器3-19、第八电滤波器3-20、第二本振3-21、第九电滤波器3-22、第六混频器3-23、第十电滤波器3-24和分频器3-25组成，所述的第二功率分配器3-3的第二输出端口与所述的第七电滤波器3-16的输入端相连，所述的第三功率分配器3-8的第二输出端口与所述的第五混频器3-19的第一输入端口相连，所述的第四混频器3-17的第一输入端口、第二输入端口
分别与所述的第七滤波器3-16的输出端、所述的第四功率分配器3-18的第一输出端口相连，所述的第五混频器3-19的第二输入端口与所述的第四功率分配器3-18的第二输出端口相连，所述的第二本振3-21的输出端与所述的第四功率分配器3-18的输入端相连，所述的第四混频器3-17的输出端与所述的第八电滤波器3-20的输入端相连，所述的第五混频器3-19的输出端与所述的第九电滤波器3-22的输入端相连，所述的第六混频器3-23的第一输入端口、第二输入端口分别与所述的第八电滤波器3-20的输出端、所述的第九电滤波器3-22的输出端相连，所述的第六混频器3-23的输出端与所述的第十电滤波器3-24的输入端相连，所述的第十电滤波器3-24的输出端与所述的分频器3-25的输入端相连，所述的分频器3-25的输出端与中继端的用户相连。
[0057]
利用上述级联光纤微波频率传递系统的微波频率传递方法，具体步骤如下：
[0058]
1)在所述的中继端3，所述的相位补偿单元3-4输出的信号e1的表达式为：
[0059][0060]
式中，ω
vco
和分别为所述的相位补偿单元3-4输出信号的角频率和初始相位，所述的e1信号经过所述的第三功率分配器3-8分成两部分：一部分输入到第二信号变换模块3-7的第二输入端口，另一部分输入到所述的第二电光调制器模块3-9上，经调制后的信号经过所述的光分路器3-10分成两路：所述的光分路器3-10的第二输出端输出的一路信号经过所述的光隔离器3-11、所述的第二波分复用器3-1后，进入所述的第一光纤链路2；所述的光分路器3-10的第一输出端输出的另一路信号经所述的第三光波分复用器3-6后进入所述的第二光纤链路4；
[0061]
2)沿着所述的第一光纤链路2传递到所述的本地端1的e1信号，经过所述的第一光波分复用器1-6的a3,a2端口后，依次经所述的第一光电接收模块1-5、所述的第一电滤波器1-3，输出e2信号，其表达式为：
[0062][0063]
式中,表示所述的第一光纤链路2引入的相位噪声；
[0064]
3)待传递的微波信号e0经所述的倍频器1-1输入端输入，经所述的倍频器1-1输出的e3信号表达式为：
[0065][0066]
式中，ω
rf
和分别为待传递微波信号的角频率和初始相位；所述的e2和e3信号输入到所述的第一信号变换模块1-2，所述的第一信号变换模块1-2输出的e4信号的表达式为：
[0067][0068]
4)所述的e4信号经所述的第一电光调制器模块1-4调制，调制后经过所述的第一光波分复用器1-6的a1,a3端口，进入到所述的第一光纤链路2；
[0069]
5)沿着所述的第二光纤链路4传递到所述的用户端5的e1信号，经过所述的第四光波分复用器5-1的d3,d2端口后，依次经所述的第四光电接收模块5-2、所述的第十一电滤波器5-3和所述的第五功率分配器5-4后输出e5信号，e5的表达式写为：
[0070][0071]
式中,表示所述的第二光纤链路4引入的相位噪声；所述的e5信号经所述的第五功率分配器5-4分为两路输出：一路经第五功率分配器5-4第二输出端输出给用户，另一路经第五功率分配器5-4的第一输出端输出，通过所述的第三电光调制器模块5-5调制后，经所述的第四光波分复用器5-1的d1,d3端口进入到所述的第二光纤链路4；
[0072]
6)沿着所述的第一光纤链路2传递到所述的中继端3的e4信号，经过所述的第二光波分复用器3-1的b3,b2端口后,输入到所述的第二光电接收模块3-2，该第二光电接收模块3-2的输出信号e6的表达式为：
[0073][0074]
7)沿着所述的第二光纤链路4传递到所述的中继端3的e5信号，经过所述的第三光波分复用器3-6的c3,c2端口后,输入到所述的第三光电接收模块3-5，该第三光电接收模块3-5的输出信号e7的表达式为：
[0075][0076]
8)所述的e7信号经过所述的第二功率分配器3-3分成两路：一路输入到所述的相位补偿单元3-4的第二输入端口，另一路经所述的第二信号变换模块3-7的第一输入端口输入所述的第二信号变换模块3-7；
[0077]
9)所述的第二信号变换模块3-7对所述的e1和e7信号进行混频取上边带处理，获得的上边带信号经二分频输出，输出给中继端用户的e8信号的表达式为：
[0078][0079]
10)所述的e7信号通过所述的第六电滤波器3-14滤波后经所述的伺服控制器3-13的第二输入端口输入所述的伺服控制器3-13，所述的e6信号通过所述的第五电滤波器3-12滤波后经所述的伺服控制器3-13的第一输入端口输入到所述的伺服控制器3-13，所述的伺服控制器3-13输出的直流控制信号ve表达式为：
[0080][0081]
11)当所述的相位补偿单元3-4进入锁定状态时，即ve
→
0，上式可改写为：
[0082][0083]
12)将所述的分别代入到所述的e5，e8信号，表达式可进一步改写为：
[0084][0085][0086]
可见，中继站点和用户端均可获得相位稳定的微波信号。
[0087]
经试验表明，本发明通过在中继站点获取第一光纤链路和第二光纤链路引入的相位噪声，并通过中继站点的相位补偿单元同时补偿第一光纤链路下非同步源引入的相位噪声，以及第二光纤链路引入的相位噪声，使得相位稳定的微波信号能够在用户端和中继端获得，实现了长距离光纤微波频率传递。本发明有效简化级联微波频率传递系统的结构，有效提升了系统的环路带宽，此外系统还具有底噪低、结构简单、可靠性高的优点。