基于环形光纤链路的光子毫米波/太赫兹传递系统和传递方法

1.本发明涉及光纤时间与频率传递，特别是一种基于环形光纤链路的光子毫米波/太赫兹传递系统和传递方法。


背景技术：

2.在射电天文学、深空网络、分布式相干孔径雷达等领域中，将本地的超稳毫米波/太赫兹信号远距离分配到远端是必不可少的。相比于传统的基于卫星的频率传递，光纤由于其具有高可靠、低损耗、大带宽、抗电磁干扰能力强、受外界扰动小等优点，被多次证明是突破现有技术限制、实现长距离传递的一种有效解决方案。因此，基于光纤的光子毫米波/太赫兹传递在国际上引起了高度关注和重视。美国、日本和欧盟等国家都先后展开了相关领域的研究。
3.现有的光网络为了提高网络的可靠性和兼容性主要采用环网的结构。因此，实现基于环形光纤链路的毫米波传递有助于拓展毫米波信号的应用范围，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。此外，众多的基于光纤毫米波的传递方案主要采用主动补偿的方式，这无疑增加了系统电路的设计难度，进而降低了系统的鲁棒性。


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，提供一种基于环形链路的毫米波/太赫兹传递系统和传递方法，采用被动相位噪声补偿方式，通过双外差检测的方式将毫米波引入的相位噪声转换到中频信号上处理，经简单地微波混频、微波滤波、微波分频以及光学移频处理，实现了基于环形光纤链路的分布式毫米波/太赫兹信号传递。可在环形光纤链路任意位置获取相位稳定的毫米波/太赫兹信号，具有系统结构简单，响应速度快，可靠性高的特点。
5.本发明的技术解决方案如下：
6.一种基于环形光纤链路的毫米波/太赫兹传递系统，其特点在于，包括本地端、环形光纤链路和用户端：
7.所述的本地端由第一光耦合器、第二光耦合器、第一法拉第旋转镜、第三光耦合器、第一光滤波器、第一声光移频器、第一微波功分器、第二光滤波器、第二声光移频器、第一微波源、第二微波功分器、第三微波功分器、第四光耦合器、第五光耦合器、第三光滤波器、第四光滤波器、第一光电转换单元、第二光电转换单元、第一电滤波器、第二电滤波器、第一混频器、第二混频器、第四微波功分器、第二微波源、第三电滤波器和第四电滤波器组成，所述的第一光耦合器的1端口为待传光载毫米波/太赫兹信号的输入端，所述的第一光耦合器的2，3端口分别与所述的环形光纤链路的一端、所述的第二光耦合器的1端口相连，所述的第二光耦合器的2、3、4端口分别与所述的第一法拉第旋转镜、所述的第三光耦合器
的1端口、所述的第五光耦合器的1端口相连，所述的第三光耦合器的2、3端口分别与所述的第一光滤波器的输入端、第二光滤波器的输入端相连，所述的第一声光移频器的1、2、3端口分别与所述的第一光滤波器的输出端、所述的第一微波功分器的输出端、所述的第四光耦合器的2端口相连，所述的第一微波功分器的第一、第二输入端口分别与所述的第二微波功分器的第一输出端口、所述的第三电滤波器的输出端相连，所述的第二声光移频器的1、2、3端口分别与所述的第二光滤波器的输出端、所述的第三微波功分器的输出端、所述的第四光耦合器的3端口相连，所述的第三微波功分器的第一、第二输入端口分别与所述的第二微波功分器的第二输出端口、所述的第四电滤波器的输出端相连，所述的第二微波功分器的输入端与所述的第一微波源的输出端相连，所述的第四光耦合器的1端口与所述的环形光纤链路的一端相连，所述的第五光耦合器的2、3端口分别与所述的第三光滤波器的输入端、所述的第四光滤波器的输入端相连，所述的第三光滤波器的输出端与所述的第一光电转换单元的输入端相连，所述的第一光电转换单元的输出端与所述的第一电滤波器的输入端相连，所述的第四光滤波器的输出端与所述的第二光电转换单元的输入端相连，所述的第二光电转换单元的输出端与所述的第二电滤波器的输入端相连，所述的第一混频器的第一、第二输入端口分别与所述的第一电滤波器的输出端、所述的第四微波功分器的第一输出端相连，所述的第一混频器的输出端与所述的第三电滤波器的输入端相连，所述的第二混频器的第一、第二输入端口分别与所述的第二电滤波器的输出端、所述的第四微波功分器的第二输出端相连，所述的第二混频器的输出端与所述的第四电滤波器的输入端相连，所述的第四微波功分器的输入端与所述的第二微波源的输出端相连；
8.所述的接入端由第六光耦合器、第七光耦合器、第八光耦合器、第五光滤波器、第三光电转换单元、第五电滤波器、第一分频器单元、第六光滤波器、第四光电转换单元、第六电滤波器、第二分频器单元、第七光滤波器、第三声光移频器、第八光滤波器、第四声光移频器、第九光耦合器、第五光电转换单元和第七电滤波器组成，所述的第六光耦合器的1、2、3、4端口分别与所述的环形光纤链路的一端、所述的第七光耦合器的1端口、所述的第八耦合器的1端口、所述的环形光纤链路的另一端相连，所述的第八光耦合器的2、3、4端口分别与所述的第七光耦合器的2端口、所述的第五光滤波器的输入端、第六光滤波器的输入端相连，所述的第五光滤波器的输出端与所述的第三光电转换单元的输入端相连，所述的第三光电转换单元的输出端与所述的第五电滤波器的输入端相连，所述的第五电滤波器的输出端与所述的第一分频器单元的输入端相连，所述的第六光滤波器的输出端与所述的第四光电转换单元的输入端相连，所述的第四光电转换单元的输出端与所述的第六电滤波器的输入端相连，所述的第六电滤波器的输出端与所述的第二分频器单元的输入端相连，所述的第七光耦合器的3、4端口分别与所述的第七光滤波器的输入端、所述的第八光滤波器的输入端相连，所述的第三声光移频器的1、2、3端口分别与所述的第七光滤波器的输出端、所述的第一分频器单元的输出端、所述的第九光耦合器的2端口相连，所述的第四声光移频器的1、2、3端口分别与所述的第八光滤波器的输出端、所述的第二分频器单元的输出端、所述的第九光耦合器的3端口相连，所述的第九光耦合器的1端口与所述的第五光电转换单元的输入端相连，所述的第五光电转换单元的输出端与所述的第七电滤波器的输入端相连，所述的第七电滤波器的输出端与接入端用户相连；
9.所述的环形光纤链路由光纤、双向放大器组成。
10.利用上述的基于环形光纤链路的光学毫米波/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：
11.1)本地端待传递的光载毫米波信号为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
，光载毫米波信号e0经过所述的第一光耦合器后被分为两部分：一部分光载毫米波信号e0进入所述的环形光纤链路，沿着逆时针方向在所述的环形光纤链路中传递，另一部分光载毫米波信号e0经所述的第二光耦合后再次分为两路，一路经过所述的第一法拉第旋转镜反射，经所述的第二光耦合器后作为本地参考光输入到所述的第五光耦合器，另一路进入所述的第三光耦合器。
12.2)所述的光载毫米波信号e0经所述的第三光耦合器分束后，再次被分为两路，一路经过所述的第一光滤波器、第一声光移频器，另一路经过所述的第二光滤波器(17)、第二声光移频器，两路信号经所述的第四光耦合器合束后进入所述的环形光纤链路，沿着所述的环形光纤链路的顺时针传递。
13.3)逆时针方向传递的光信号经所述的环形光纤链路再次回到本地端，经可逆的路径回到所述的第三光耦合器上，其表达式为：
[0014][0015]
式中，ω
rf1
，分别为所述的第一声光移频器和所述的第二声光移频器射频工作的频率和初始相位，表示在ω1和ω2频率下长度为l的环形光纤链路引入的噪声；
[0016]
4)所述的e1信号与所述的e0信号经过所述的第二光耦合器合束后，经所述的第五光耦合器后被分为两部分，一部分经过第三光滤波器、第一光电转换单元、第一电滤波器后输出的信号记为e2，另一部分经过第四光滤波器、第二光电转换单元、第二电滤波器后输出的信号记为e3，所述的e2和e3信号表达式分别为：
[0017][0018][0019]
5)所述的e2和e3信号均与所述的第二微波源输出的信号进行混频、滤波处理，其输出信号的表达式分别为：
[0020][0021][0022]
式中，ω
rf2
，分别为所述的第二微波源输出信号的频率和初始相位。所述的e4和e5信号与所述的第一微波源共同作为第一声光移频器和第二声光移频器的射频工作源。
[0023]
6)在所述的环形光纤链路的任意节点，通过所述的第六光耦合器获取顺时针和逆时针传递的光信号，其表达式为分别为：
[0024][0025][0026]
式中，和分别为在ω1和ω2频率下本地端到接入端顺时针传递链路引入的相位噪声，和分别为在ω1和ω2频率下本地端到接入端逆时针传递链路引入的相位噪声，链路引入的相位噪声存在如下关系
[0027]
7)所述的e7信号经所述的第七光耦合器后分成三路，一路通过所述的第八光耦合器与所述的e6信号合束后分为两部分，一部分经过所述的第五光滤波器，所述的第三光电转换单元，所述的第五电滤波器，所述的第一分频器单元后输出的信号记为e8，另一部分经过所述的第六光滤波器，所述的第四光电转换单元，所述的第六电滤波器，所述的第二分频器单元后输出的信号记为e9，所述的e8和e9信号分别加载在所述的第三声光移频和第四声光移频器上，其表达式为：
[0028][0029][0030]
8)所述的e7信号另外两路信号分别经过所述的第七光滤波器、所述的第三声光移频器和所述的第八光滤波器、所述的第四声光移频器，两路信号经所述的第九光耦合器合束后，其表达式为：
[0031][0032]
所述的e
10
经所述的第五光电转换单元和第七电滤波器，其输出信号表达式为：
[0033][0034]
可见，环形光纤链路的任意接入端均可获得稳定的毫米波/太赫兹信号。
[0035]
本发明的技术效果如下：
[0036]
本发明采用被动相位噪声补偿方式，通过外差探测的方式将毫米波引入的相位噪声转换到中频信号上处理，经简单地微波混频、微波滤波、微波分频以及光学移频处理，实现了基于环形光纤链路的分布式毫米波/太赫兹信号传递。本发明可在环形光纤链路任意位置获取相位稳定的毫米波/太赫兹信号，具有系统结构简单，响应速度快，可靠性高的特点。
附图说明
[0037]
图1是本发明基于环形光纤链路的毫米波/太赫兹传递系统实施例的结构示意图。
具体实施方式
[0038]
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。
[0039]
图1为本发明基于环形光纤链路的毫米波传递系统的实施例的结构示意图，由图可见，本发明基于环形光纤链路的毫米波传递系统，包括本地端1、环形光纤链路2和接入端3：
[0040]
所述的本地端1由第一光耦合器10、第二光耦合器11、第一法拉第旋转镜12、第三光耦合器13、第一光滤波器14、第一声光移频器15、第一微波功分器16、第二光滤波器17、第二声光移频器18、第一微波源19、第二微波功分器20、第三微波功分器21、第四光耦合器22、第五光耦合器23、第三光滤波器24、第四光滤波器25、第一光电转换单元26、第二光电转换单元27、第一电滤波器28、第二电滤波器29、第一混频器30、第二混频器31、第四微波功分器32、第二微波源33、第三电滤波器34和第四电滤波器35组成，所述的第一光耦合器10的1端口为待传光载毫米波/太赫兹信号的输入端，所述的第一光耦合器10的2，3端口分别与所述的环形光纤链路2的一端、所述的第二光耦合器11的1端口相连，所述的第二光耦合器11的2、3、4端口分别与所述的第一法拉第旋转镜12、所述的第三光耦合器13的1端口、所述的第五光耦合器23的1端口相连，所述的第三光耦合器13的2、3端口分别与所述的第一光滤波器14的输入端、第二光滤波器17的输入端相连，所述的第一声光移频器15的1、2、3端口分别与所述的第一光滤波器14的输出端、所述的第一微波功分器16的输出端、所述的第四光耦合器22的2端口相连，所述的第一微波功分器16的第一、第二输入端口分别与所述的第二微波功分器20的第一输出端口、所述的第三电滤波器34的输出端相连，所述的第二声光移频器18的1、2、3端口分别与所述的第二光滤波器17的输出端、所述的第三微波功分器21的输出端、所述的第四光耦合器22的3端口相连，所述的第三微波功分器21的第一、第二输入端口分别与所述的第二微波功分器20的第二输出端口、所述的第四电滤波器35的输出端相连，所述的第二微波功分器20的输入端与所述的第一微波源19的输出端相连，所述的第四光耦合器22的1端口与所述的环形光纤链路2的一端相连，所述的第五光耦合器23的2、3端口分别与所述的第三光滤波器24的输入端、所述的第四光滤波器25的输入端相连，所述的第三光滤波器24的输出端与所述的第一光电转换单元26的输入端相连，所述的第一光电转换单元26的输出端与所述的第一电滤波器28的输入端相连，所述的第四光滤波器25的输出端与所述的第二光电转换单元27的输入端相连，所述的第二光电转换单元27的输出端与所述的第二电滤波器29的输入端相连，所述的第一混频器30的第一、第二输入端口分别与所述的第一电滤波器28的输出端、所述的第四微波功分器32的第一输出端相连，所述的第一混频器30的输出端与所述的第三电滤波器34的输入端相连，所述的第二混频器31的第一、第二输入端口分别与所述的第二电滤波器29的输出端、所述的第四微波功分器32的第二输出端相连，所述的第二混频器31的输出端与所述的第四电滤波器35的输入端相连，所述的第四微波功分器32的输入端与所述的第二微波源33的输出端相连；
[0041]
所述的接入端3由第六光耦合器36、第七光耦合器37、第八光耦合器38、第五光滤波器39、第三光电转换单元40、第五电滤波器41、第一分频器单元42、第六光滤波器43、第四光电转换单元44、第六电滤波器45、第二分频器单元46、第七光滤波器47、第三声光移频器48、第八光滤波器49、第四声光移频器50、第九光耦合器51、第五光电转换单元52和第七电滤波器53组成，所述的第六光耦合器36的1、2、3、4端口分别与所述的环形光纤链路2的一端、所述的第七光耦合器37的1端口、所述的第八耦合器38的1端口、所述的环形光纤链路2的另一端相连，所述的第八光耦合器38的2、3、4端口分别与所述的第七光耦合器37的2端口、所述的第五光滤波器39的输入端、第六光滤波器43的输入端相连，所述的第五光滤波器39的输出端与所述的第三光电转换单元40的输入端相连，所述的第三光电转换单元40的输出端与所述的第五电滤波器41的输入端相连，所述的第五电滤波器41的输出端与所述的第一分频器单元42的输入端相连，所述的第六光滤波器43的输出端与所述的第四光电转换单元44的输入端相连，所述的第四光电转换单元44的输出端与所述的第六电滤波器45的输入端相连，所述的第六电滤波器45的输出端与所述的第二分频器单元46的输入端相连，所述的第七光耦合器37的3、4端口分别与所述的第七光滤波器47的输入端、所述的第八光滤波器49的输入端相连，所述的第三声光移频器48的1、2、3端口分别与所述的第七光滤波器47的输出端、所述的第一分频器单元42的输出端、所述的第九光耦合器51的2端口相连，所述的第四声光移频器50的1、2、3端口分别与所述的第八光滤波器49的输出端、所述的第二分频器单元46的输出端、所述的第九光耦合器51的3端口相连，所述的第九光耦合器51的1端口与所述的第五光电转换单元52的输入端相连，所述的第五光电转换单元52的输出端与所述的第七电滤波器53的输入端相连，所述的第七电滤波器53的输出端与接入端用户相连。
[0042]
所述的环形光纤链路由光纤、双向放大器组成。
[0043]
利用上述的基于环形光纤链路的毫米波/太赫兹传递系统的传递方法，具体步骤如下：
[0044]
1)本地端待传递的光载毫米波信号为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
，光载毫米波信号e0经过所述的第一光耦合器10后被分为两部分：一部分光载毫米波信号e0进入所述的环形光纤链路2，沿着逆时针方向在所述的环形光纤链路中传递，另一部分光载毫米波信号e0经所述的第二光耦合11后再次分为两路，一路经过所述的第一法拉第旋转镜12反射，经所述的第二光耦合器11后作为本地参考光输入到所述的第五光耦合器23，另一路进入所述的第三光耦合器13。
[0045]
2)所述的光载毫米波信号e0经所述的第三光耦合器13分束后，再次被分为两路，一路经过所述的第一光滤波器14、第一声光移频器15，另一路经过所述的第二光滤波器17、第二声光移频器18，两路信号经所述的第四光耦合器22合束后进入所述的环形光纤链路2，沿着所述的环形光纤链路2的顺时针传递。
[0046]
3)逆时针方向传递的光信号经所述的环形光纤链路2再次回到本地端1，经可逆的路径回到所述的第三光耦合器13上，其表达式为：
[0047]
[0048]
式中，ω
rf1
，分别为所述的第一声光移频器15和所述的第二声光移频器18射频工作的频率和初始相位，表示在ω1和ω2频率下长度为l的环形光纤链路引入的噪声；
[0049]
4)所述的e1信号与所述的e0信号经过所述的第二光耦合器11合束后，经所述的第五光耦合器23后被分为两部分，一部分经过第三光滤波器24、第一光电转换单元26、第一电滤波器28后输出的信号记为e2，另一部分经过第四光滤波器25、第二光电转换单元27、第二电滤波器29后输出的信号记为e3，所述的e2和e3信号表达式分别为：
[0050][0051][0052]
5)所述的e2和e3信号均与所述的第二微波源33输出的信号进行混频、滤波处理，其输出信号的表达式分别为：
[0053][0054][0055]
式中，ω
rf2
，分别为所述的第二微波源33输出信号的频率和初始相位。所述的e4和e5信号与所述的第一微波源19共同作为第一声光移频器15和第二声光移频器18的射频工作源。
[0056]
6)在所述的环形光纤链路2的任意节点，通过所述的第六光耦合器36获取顺时针和逆时针传递的光信号，其表达式为分别为：
[0057][0058][0059]
式中，和分别为在ω1和ω2频率下本地端1到接入端3顺时针传递链路引入的相位噪声，和分别为在ω1和ω2频率下本地端1到接入端3逆时针传递链路引入的相位噪声，链路引入的相位噪声存在如下关系如下关系
[0060]
7)所述的e7信号经所述的第七光耦合器37后分成三路，一路通过所述的第八光耦合器38与所述的e6信号合束后分为两部分，一部分经过所述的第五光滤波器39，所述的第三光电转换单元40，所述的第五电滤波器41，所述的第一分频器单元42后输出的信号记为e8，另一部分经过所述的第六光滤波器43，所述的第四光电转换单元44，所述的第六电滤波器45，所述的第二分频器单元46后输出的信号记为e9，所述的e8和e9信号分别加载在所述的第三声光移频48和第四声光移频器50上，其表达式为：
[0061]
[0062][0063]
8)所述的e7信号另外两路信号分别经过所述的第七光滤波器47、所述的第三声光移频器48和所述的第八光滤波器49、所述的第四声光移频器50，两路信号经所述的第九光耦合器51合束后，其表达式为：
[0064][0065]
所述的e
10
经所述的第五光电转换单元52和第七电滤波器53，其输出信号表达式为：
[0066][0067]
可见，环形光纤链路的任意接入端均可获得稳定的毫米波/太赫兹信号。
[0068]
实验表明，本发明采用被动相位噪声补偿方式，通过外差探测的方式将毫米波引入的相位噪声转换到中频信号上处理，经简单地微波混频、微波滤波、微波分频以及光学移频处理，实现了基于环形光纤链路的分布式毫米波/太赫兹信号传递。本发明可在环形光纤链路任意位置获取相位稳定的毫米波/太赫兹信号，具有系统结构简单，响应速度快，可靠性高的特点。