本发明属于光纤稳相分配技术领域，具体涉及一种基于相位共轭的四倍频信号光纤任意点稳相分配系统。
背景技术：
在高能粒子加速器，甚长基线干涉(vlbi)天线阵列等对时频精度要求较高的应用系统中，超稳定射频信号光纤分配系统因更低的传输损耗、更大的带宽、更高的可靠性和抗电磁干扰等优点而逐渐成为一种更有竞争力的射频信号分配系统。然而，由于光纤所处周围环境的温度变化和机械扰动，会引起光纤时延的波动，进而导致所分配射频信号的相位抖动，恶化远端接收信号的质量。光纤稳相分配系统主要研究如何消除、补偿因光纤时延抖动导致的相位抖动。目前，光纤稳相分配系统主要的补偿技术包括：主动相位补偿技术和被动相位补偿技术。主动相位补偿技术利用反馈环路控制补偿器来实现相位稳定。这种技术可以实现很高的补偿精度，但其响应速度较慢且相位恢复时间较长。另一种补偿技术——基于频率混频的被动相位补偿技术，可以实现快速和大动态范围的相位波动补偿，同时可以避免复杂的相位误差检测和反馈电路。
被动相位补偿技术已经被广泛地研究，其中在点到多点的分支型或环形拓扑时频分配系统中得到了应用。在分支型系统中，普遍采用多波长技术来区分不同的接入站，但随着接入站数量的增加，本地站和接入站之间的波长间隔将增大，这样温度变化引起的群延时波动将不可避免地影响系统的稳定性能。而利用环形光纤分配系统可以避免因温度导致的群延时波动。如图1所示，为一个已有的环形光纤稳相分配系统，该分配系统主要包括由1个本地端、n个远端站、n+1段光纤链路和n个2x2型光纤耦合器105构成的环形光纤链路结构，现以本地站将倍频信号分配至远端站n为例对该分配系统进行说明。微波源112产生的微波信号分两路，一路进入三倍频器110产生三倍频信号，另一路经电耦合器111被调制器102调制在激光器101产生的光载波上；调制后产生的光信号进入光纤耦合器103被分为两分支：一个分支经第一段光纤104逆时针传输到远端站，并沿第二段光纤106返回到本地站。返回到本地站的光信号经光纤环形器107进入光电探测器108，得到的电信号与三倍频器110产生的三倍频信号通过电混频器109进行混频得到二倍频信号，该二倍频信号被调制器102调制到光载波上经光纤104传输到远端站，在远端站被探测器113探测和电滤波器115滤波后得到相位共轭二倍频信号；而另一个分支的光信号经光纤环形器107后沿顺时针方向通过光纤106、第一光纤耦合器119到达远端站1，再经光纤120、第二光纤耦合器105到达远端站n，在远端站n经探测器114和电滤波器116后得到前向传输的二倍频电信号。该二倍频信号与相位共轭二倍频信号经电混频器117混频后进入四分频器118得到稳定传输的射频信号。
在上述的环形光纤任意点分配系统中，为了实现频率混频，需要使用电混频器110、117以及电倍频器110，这些器件在实际使用中会产生本振泄露、谐波以及镜像干扰，降低了相位稳定的精度。
技术实现要素：
针对目前基于被动相位补偿的光纤射频稳相分配系统中电混频器引入的本振泄露和谐波干扰会降低相位稳定精度的问题，本发明提出一种基于相位共轭的四倍频信号光纤任意点稳相分配系统。
为实现本发明目的，采用如下技术方案：
一种基于相位共轭的四倍频信号光纤任意点稳相分配系统，包括主要由1个本地端、n个远端站、n+1段光纤链路和n个2x2型光纤耦合器(218)构成的环形光纤链路结构；其特征在于，所述本地站包括微波源(206)、双载波光信号产生模块(201)、相位共轭光信号产生模块(209)、1x2型光纤耦合器(207)、第一光电探测器(208)和光纤环形器(216)；各远端站均分别包括电光混频模块(223)、第一光放大器(221)、第二光电探测器(222)、第一电放大器(231)和第一电滤波器(232)；其中，
所述微波源(206)的输出端与双载波光信号产生模块(201)的电信号输入端相连；所述双载波光信号产生模块(201)用于产生中心波长和双载波频率间隔可调的光信号，该双载波光信号产生模块(201)的输出端经1x2型光纤耦合器(207)形成2个分支，第一分支输出端通过第一光电探测器(208)与相位共轭光信号产生模块(209)的电信号输入端连接，第二分支输出端经过相应的光纤链路形成环形光纤链路结构后与所述光纤环形器(216)的2端口连接，该光纤环形器的1端口和3端口分别与相位共轭光信号产生模块(209)的相位共轭光信号输出端和光信号输入端相连；所述相位共轭光信号产生模块(209)的输入二倍频电信号的频率等于经第一光电探测器(208)探测光信号的两个光载波的频率间隔，用于产生相位共轭光信号；
各远端站分别通过1个2x2型光纤耦合器接入到环形光纤链路中的任意点；各远端站中，与其相连的2x2型光纤耦合器的a端口与该远端站内电光混频模块(223)的光信号输入端连接，2x2型光纤耦合器的b端口与第一光放大器(221)的输入端连接；该光放大器(221)输出端经第二光电探测器(222)与电光混频模块(223)的电信号输入端相连，该电光混频模块(223)的电信号输出端通过第一电放大器(231)与第一电滤波器(232)相连，该电滤波器(232)输出稳定的四倍频信号。
优选地，所述双载波光信号产生模块(201)包括激光器(202)、第一偏置控制器(203)，第一电光调制器(204)和第一可调光滤波器(205)；其中，所述激光器(202)的输出端经第一偏振控制器(203)与第一电光调制器(204)的输入端连接，该第一电光调制器(204)的输出端与第一可调光滤波器(205)的输入端相连，第一可调光滤波器(205)输出双频光载波信号。
优选地，所述相位共轭光信号产生模块(209)包括第二电放大器(210)、第二电滤波器(211)、第二光放大器(212)、第二偏振控制器(213)，第二电光调制器(214)和第二可调光滤波器(215)；其中，该相位共轭光信号产生模块(209)的电信号输入端依次经第二电放大器(210)和第二电滤波器(211)与第二电光调制器(214)的电信号输入端相连；该相位共轭光信号产生模块(209)的光信号输入端依次经第二光放大器(212)和第二偏振控制器(213)与第二电光调制器(214)的光信号输入端相连；该电光调制器(214)的光信号输出端与第二可调光滤波器(215)的输入端相连，该可调光滤波器(215)的输出端输出相位共轭光信号。
优选地，所述电光混频模块(223)包括第三电放大器(224)、第三电滤波器(225)、第三光放大器(226)、第三偏振控制器(227)、第三电光调制器(228)、光滤波器(229)和第三光电探测器(230)；其中，该电光混频模块(223)的电信号输入端依次经第三电放大器(224)和第三电滤波器(225)与第三电光调制器(228)的电信号输入端相连；该电光混频模块(223)的光信号输入端依次经第三光放大器(226)和第三偏振控制器(227)与第三电光调制器(228)的光信号输入端相连；该电光调制器(228)的光信号输出端经光滤波器(229)和第三光电探测器(230)后输出混频后的电信号。
优选地，所述第一电光调制器(204)采用偏置在最小传输点的马赫增德尔调制器。
优选地，所述第二电光调制器(214)采用偏置在最小传输点的双平行调制器。
优选地，所述第三电光调制器(228)采用偏置在线性工作点的马赫增德尔调制器。
本发明特点及有益效果：
1、相比于之前的被动相位补偿系统，本发明系统所使用的主要器件为光子器件，未使用电混频器、倍频器等电子器件，至于电放大器和电滤波器则为辅助器件，是为达到相应的效果，因此本系统是一种全光的射频信号光纤稳相分配系统。由于光子器件的高频宽带特性，本系统可以实现更高频率信号的光纤远距离稳定相位分配，且可以避免使用电混频器时引入的本振泄露和谐波干扰对相位稳定精度的恶化。
2、本发明系统在光纤环形链路的任意点接入远端站，通过本发明提出的基于全光子器件的远端站即可接收到稳定的四倍频信号。
3、该系统是一种全光稳定相位分配系统，只需要一个激光器和简单的光电器件，具有结构简单、紧凑和成本低等优点。
4、该系统同时实现了射频信号的四倍频和相位稳定分配，所采用的光子倍频技术可以不受器件带宽频率限制，因此该系统可以利用价格较低、性能更好的低频微波器件实现高频毫米波信号稳定传输。
5、该系统在光纤环形链路中只使用了一个光波长，使得双向传输具有很好的对称性，避免了温度变化引起的群延时波动对相位稳定的影响。
附图说明
图1是现有环形光纤稳相分配系统的结构框图；
图2是本发明基于相位共轭的四倍频信号光纤任意点稳相分配系统的结构框图；
图3是本发明稳相分配系统的相位共轭光信号产生模块中调制前后的双频光信号相位变化示意图；
图4是本发明实施例的结构框图；
图5是图4所示实施例的测试结果图，其中图(a)是未进行相位稳定补偿的二倍频信号的眼图测试结果，图(b)是进行补偿的四倍频信号的眼图测试结果；
图6是图4所示实施例进行信号时延波动测试的结果图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明技术方案进一步详细说明如下：
本发明提出一种基于相位共轭的四倍频信号光纤任意点稳相分配系统，其结构如图2所示。该分配系统主要包括1个本地端、n(n的取值范围可以根据具体应用需求而定，理论上无上限)个远端站、n+1段光纤链路和n个2x2型光纤耦合器218构成的环形光纤链路结构，本地站包括微波源206、双载波光信号产生模块201、相位共轭光信号产生模块209、1x2型光纤耦合器207、第一光电探测器208和光纤环形器216；各远端站均分别包括电光混频模块223、光放大器221、第二光电探测器222、电放大器231和电滤波器232。各器件的连接关系如下：
微波源206输出端与双载波光信号产生模块201的电信号输入端相连。双载波光信号产生模块201用于产生中心波长和双载波频率间隔可调的光信号，该双载波光信号产生模块201输出端经1x2型光纤耦合器207形成2个分支，第一分支输出端通过第一光电探测器208与相位共轭光信号产生模块209的电信号输入端连接，第二分支输出端经过相应的光纤链路217、219、233(以两个远端站为例)形成环形光纤链路结构后与光纤环形器216的端口2连接，该光纤环形器216的端口1和端口3分别与相位共轭光信号产生模块209的相位共轭光信号输出端和光信号输入端相连；相位共轭光信号产生模块209输入的二倍频电信号的频率等于经第一光电探测器208探测光信号的两个光载波的频率间隔，用于产生相位共轭光信号。各远端站分别通过1个2x2型光纤耦合器218、220(以两个远端站为例)接入到环形光纤链路中的任意点。以远端站1为例，与其相连的2x2型光纤耦合器218的a端口与远端站1的电光混频模块223的光信号输入端连接，b端口与光放大器221输入端连接；该光放大器221输出端经第二光电探测器222与电光混频模块223的电信号输入端相连，电光混频模块223的电信号输出端通过电放大器231与电滤波器232相连，输出稳定的四倍频信号。
本发明的本地站1利用双频光载波模块201产生的双频光载波信号，通过第一光电探测器208可以产生二倍频信号，经光纤链路往返传输和相位共轭信号产生模块209后，在远端站可以得到相位共轭的二倍频信号，将相位共轭二倍频信号与前向传输的二倍频信号经混频模块(电混频或光混频)后可以得到相位稳定四倍频信号。具体的信号分配过程如下：
在本地站，微波源206产生要分配的微波信号v1并作为双载波光信号模块201的输入电信号。双载波光信号产生模块201产生双频光载波信号e1。该信号经1x2型光纤耦合器207分为两个分支，一个分支经第一光电探测器208产生二倍频射频信号v2，其作为相位共轭光信号产生模块209的输入电信号；另一个分支的前向传输光信号e1经光纤链路217作为2x2型光纤耦合器218的d端口输入信号，2x2型光纤耦合器218的输出分为两个部分，输出端口a输出含有光纤时延波动的光信号e2，输出端口c输出信号经光纤链路219以及其他远端站、光纤链路后作为本地站光纤环形器216的端口2输入信号。该信号经光纤环形器216的端口3后作为相位共轭光信号产生模块的输入光信号。相位共轭光信号产生模块产生的相位共轭光信号e4经光纤环形器216的1端口沿光纤链路221、219后向传回到远端站1，并由2x2型光纤耦合器218的b端口得到光信号e5，该信号经光放大器221和第二光电探测器222后得到相位共轭电信号v3并作为电光混频模块的输入电信号。v3和e2经电光混频模块223、电放大器231、电滤波器232后得到稳定的四倍频信号v4。
结合附图2，对本发明中各组成模块的具体实现方式及其功能说明如下：
双载波光信号产生模块201包括：激光器202，偏置控制器203，电光调制器204和可调光滤波器205。其中，激光器202输出端经偏振控制器203与电光调制器204的输入端连接，电光调制器204的输出端与可调光滤波器205的输入端相连。可调光滤波器205的输出端输出双频光载波信号e1。该模块用于产生双频光载波信号，产生的光信号具有中心波长和双载波频率间隔可调的特点。该模块可以利用其它电光器件实现。
相位共轭光信号产生模块209包括：相连的电放大器210和电滤波器211，以及依次相连的光放大器212、偏振控制器213，电光调制器214和可调光滤波器215；其中，该模块209的电信号输入端依次经电放大器210和电滤波器211与电光调制器214的电信号输入端相连；该模块209的光信号输入端依次经光放大器212和偏振控制器213与电光调制器214的光信号输入端相连；电光调制器214的光信号输出端与可调光滤波器215的输入端相连，可调光滤波器215的输出端输出的相位共轭光信号e4。经过光纤耦合器207的第一分支经第一光电探测器208产生二倍频射频信号v2，第二分支经光纤环型链路传输后返回到本地站，作为偏置在最小传输点的调制器214的输入光信号，该光信号被经电滤波器211输出的二倍频电信号调制，调制前后的双频光信号相位变化如图3所示，由于光载波信号e3的两个光载波的频率间隔等于二倍频信号v2频率，因此调制后的探测光信号e4与未调制的探测光信号e3所携带的射频信号相位
电光混频模块223包括：相连的电放大器224和电滤波器225，以及依次连接的光放大器226、偏振控制器227、电光调制器228、光滤波器229和光电探测器230；其中，该模块223的电信号输入端依次经电放大器224和电滤波器225与电光调制器228的电信号输入端相连；该模块223的光信号输入端依次经光放大器226和偏振控制器227与电光调制器228的光信号输入端相连；电光调制器228的光信号输出端经光滤波器229和光电探测器230后产生混频后的电信号。通过该模块实现相位共轭电信号v3与光信号e2混频，并探测混频后的光信号得到电信号。
实施例及其有效应验证：
本发明的具体实施例如附图4所示。本发明系统示例性地展示了20ghz射频信号的稳相分配，但该系统可以应用于更高的频段，只需换用更高频率的器件和测试仪器即可。为了测试本发明系统的性能，在实施例中加入了测试模块示波器334，可调光纤延时线308，光隔离器310。此外，为了稳定电光调制器304、319、327的偏置电压，在实施例中加入了偏置电压控制模块305、321、330。本实施例以一个任意的远端站为例，具体实施方式如下：
可调谐激光器302产生波长1550.240nm的光载波，经偏振控制器303控制其偏振态，进入偏置在最小传输点的马赫增德尔调制器304。马赫增德尔调制器304的偏置电压由控制模块305控制。光载波被微波源301产生的5ghz微波信号调制，调制后的光信号进入第一可调光滤波器306。调节该可调光滤波器的中心波长和带宽，对输入光信号滤波后得到双频光载波信号e1。该双频光载波信号e1被1x2型光纤耦合器307分为两个分支：一个分支经带宽为12ghz的第一光电探测器313、增益40db的电放大器314和中心频率10ghz的电滤波器315后得到10ghz的电信号；另一个分支经可调光纤延时线308进入第一段10km单模光纤309。单模光纤309的输出端经光隔离器310与2x2型光纤耦合器311相连。该光纤耦合器311耦合出一部分光信号作为前向传输光信号进入到远端站；另一部分光信号经第二段10km单模光纤312回到本地站。该另一部分光信号经光纤环形器316后进入光放大器317放大，再经偏振控制器318控制其偏振态后进入双平行调制器319，并被经1x2型光纤耦合器307后第一分支产生的10ghz电信号调制，且双平行调制器319通过偏置点控制模块321偏置在最小传输点。该双平行调制器319输出光信号进入第二可调光滤波器320，调节该滤波器的中心频率和带宽得到相位共轭光信号e4。该相位共轭光信号经光纤环形器316、第二段10km单模光纤312和2x2型光纤耦合器311反向传送到远端站。返回到远端站的相位共轭光信号进入光放大器322放大，经带宽12ghz的第二光电探测器325、增益40db的电放大器326和中心频率10ghz的电滤波器328后产生相位共轭10ghz电信号。该10ghz电信号与经光放大器323、偏振控制器324后的前向传输光信号通过马赫增德尔调制器327进行电光混频。马赫增德尔调制器327通过偏置电压控制模块330偏置在线性工作点。混频后的光信号经光带通滤波器331、光电探测器332、30db增益电放大器333和中心频率20ghz的电滤波器329后得到稳定分配的20ghz信号。
利用测试示波器334对电滤波器328输出的二倍频信号和电滤波器329输出的四倍频信号进行测试，示波器334的触发信号由微波源301产生的5ghz信号提供。
实施例中对未进行相位稳定补偿的二倍频信号和进行补偿的四倍频信号进行了眼图测试，测试结果如图5的(a)和(b)所示。可以看到，未经过补偿的信号遭受了严重的相位漂移，即叠加后的眼图波形较宽；而经过基于光微波相位共轭的相位波动补偿后，四倍频信号的眼图并未恶化，未受到光纤时延波动的影响。按照图4所示的相位稳定分配系统进行信号的时延波动测试。测试时间为1小时，分别测试未经相位补偿的信号和经补偿的四倍频信号在一小时内的时延变化。测试时，将微波源输出的5ghz信号作为采样示波器的触发信号，利用采样示波器记录信号在不同时刻的时延变化，结果如图6所示。图6中左侧的纵坐标轴对于10ghz未补偿信号，右侧纵坐标轴对应20ghz的补偿信号。可以看到，未经补偿信号在一小时内的时延变化大约为180ps。而经过相位波动补偿后，四倍频信号的时延波动在±2ps以内，对应于均方根时延0.86ps，说明该发明方法具有明显的补偿效果，能够稳定由于温度变化引起的光纤时延抖动。
应当理解的是，在以上叙述和说明中对本发明所进行的描述只是说明而非限定性的，且在不脱离如所附权利要求书所限定的本发明的前提下，可以对上述实施例进行各种改变、变形、和/或修正。