本发明涉及一种相位抖动补偿方法及补偿系统，涉及无线电及光通信领域。
背景技术：
高质量的频率源是现代电子系统的核心，推动了许多领域的发展，比如导航、高速通信、天文观测、航天测控、相控阵雷达等。以雷达应用为例，雷达通过发射无线电碰撞目标并反射来测量目标的距离、速度和方向，如果无线电信号噪声过大，目标的一些微小移动或尺寸变化引起的电信号变化不足以从噪声中分辨出来，此时频率源的噪声将严重限制雷达探测的分辨率。同样，在航天测控应用中，由于航天器自身体积、能耗的限制，其发射信号的功率十分有限，因此地面测控天线所接收到的信号十分微弱，如果天线处的频率源信号噪声过大，将淹没航天器发回的下行信号，严重影响航天测控的灵敏度。上个世纪起，美国的喷气推进实验室给国家航空航天局(nasa)的深空探测网(dsn)设计稳定的时间和频率传输系统。dsn以经度120度为间隔分布在三个地方，每个地点与高稳频率源的产生都相距几十公里。若不进行时频同步，dsn网络中的天线将无法进行协调，从而失去对深空探测的能力。
近几十年来，我国在航空、航天等领域不断取得进步。嫦娥一号到三号的成功标志着我国已经开始向深空探测领域迈进，更遥远的小行星和其他行星的探测任务也在计划论证之中，这对我国的航天测控系统的探测分辨率和灵敏度提出了更高的要求。而随着原子频率标准的发展，频率源的产生质量越来越高，但是基于传统电学的传输和分配方法所能达到的稳定度己经远远低于原子钟的稳定度，这一矛盾使得通过光纤来传输频率信号成为了一种极具前景的解决方案。
具体来说，目前已经有很多方法可以基于光学手段实现信号相位抖动的补偿。美国国家标准技术研究所(nist)和科罗拉多大学的天体物理学联合研究所(jila)通过改变光程的补偿方式首次基于锁模激光器实现了高精度的频率信号传输系统短稳达到3×10-14，长稳为8×10-15。2007年，nist和jila再度合作，第一次提出使用光频率梳来同时传输射频频标和光频标，在32km光纤距离传输的飞秒光频梳稳定度达到了10-17(秒稳)和10-19(天稳)。同年，由美国、加拿大、欧洲和日本共同建立的阿塔卡玛大型毫米波阵列项目报道了类似的光纤频率稳相传输技术，通过往返传输信号与未传输信号比较得到误差信号，用该误差信号控制快变和慢变的两个光纤挤压器，来补偿链路的相位抖动，实现秒稳为2×10-12的稳定传输。2010年法国物理激光实验室通过将快变误差信号反馈到压电陶瓷(pzt)的技术手段，在86km的郊区通信网络光纤链路中实现了9.5ghz信号的高精度频率传输，得到了秒稳为1.5×10-15和日稳10-18的稳定度。2012年德国马克斯-普朗克研究所在两根反平行的通信光纤链路上实现了920km的光频率稳相传输，秒稳达到5×10-15。
以上方案各有优点，也各自使用与不同的应用领域，其中往返信号传输方案的补偿精度高而受到广泛的关注和研究。但是，现有技术方案大部分是以高延时、小带宽以及频率已知等限制为代价，并且难以支持波分复用系统和分布式系统。因此，适用于分布式系统的信号相位抖动补偿方法的研究在民用以及军民融合的电子信息系统中具有重大意义与应用价值。
技术实现要素：
本发明提供了一种相位抖动补偿方法，具有无需得到传输信号的频率信息，适用于分布式系统的相位误差补偿的特点。
根据本发明提供的一种相位抖动补偿方法，具体方法包括，引入导频信号进行往返传输来感知外界环境变化带来的相位抖动，利用光开关的切换来实现单个相位误差校正单元与分布式系统中各个通道的映射，再通过相位误差校正实现分布式系统的相位误差补偿；其中，所述相位误差校正的方法包括，利用鉴相单元提取相位误差，结合比例积分放大(pid)算法控制光可调延迟线；
采用比例积分放大算法的具体方法包括：初始化各个参数，包括当前采样周期ts、前一时刻t-1的相位误差、t-1时刻前一时刻t-2时刻的相位误差以及比例和系数；通过比例控制反映当前时刻的误差，向着误差减小的方向比例调节。
采用比例积分放大算法的具体方法包括：初始化积分的系数，通过积分控制使系统误差不断积累，以消除系统的稳态误差。
采用比例积分放大算法的具体方法包括：初始化微分的系数，通过微分控制减小超调，克服振荡，提高系统的稳定性，同时加快系统的响应速度，从而抑制偏差向任一方向变化。
一种相位抖动补偿系统，适用于上述相位抖动补偿方法，其特征在于：包括依次相连的光导频信号输入单元101、第一光放大器102、1×n光功分器103、n个第一光环形器1041～104n、n个光可调延迟线1051～105n、n段光纤1061～106n、n个第二光环形器1071～107n、n个可调光衰减器1081～108n、n个第一光波分复用器1101～110n和n个第二光放大器1111～111n；所述1×n光功分器103分别与n个第一光环形器1041～104n相连；所述n个第一光环形器1041～104n、n个光可调延迟线1051～105n、n段光纤1061～106n、n个第二光环形器1071～107n、n个可调光衰减器1081～108n、n个第一光波分复用器1101～110n和n个第二光放大器1111～111n一一对应依次相连构成n个信号线路；所述n个第二光放大器1111～111n又与n个第二光环形器1071～107n一一对应相连；还包括n个第二波分解复用器1121～112n，信号输入端与n个第一光环形器1041～104n一一对应相连，信号输出端分别通过n×1光开关113与相位误差校正单元114相连；所述相位误差校正单元114又分别与n个光可调延迟线1051～105n相连；所述n个第一光波分复用器1101～110n又各对应相连有m个光信号输入单元10911～109mm；
光导频信号101经过第一光放大器102后由1×n的光功分器103平均功分n路信号，再通过相应n个第一光环形器1041～104n进入n个可调光衰减器1081～108n进行相位预补偿；预补偿后的导频信号进入各自的光纤中进行传输；传输后的信号经过第二光环形器和可调光衰减器后与位于不同地方的远端m个光信号一起进入光波分复用器中；复用后的光信号由相应的第二光放大器进行功率放大后再次进入光纤中传输；传输后的多通道信号和导频信号一起进入光可调延迟线进行相位补偿，接着通过第一光环形器和第二波分解复用器进行通道分离；最后将分离出的n个导频信号通过n×1的光开关113后进入相位误差校正单元114进行误差提取，并将此误差值反馈到相应的光可调延迟线中进行相位误差补偿，实现m个光信号的实时相位抖动补偿。
与现有技术相比，不仅仅可以适用于民用领域中的时频超稳传输，由于其宽带性和多通道分布式等优点也适用于解决大阵列电子信息系统中的时钟同步以及时变信号的稳定传输。
附图说明
图1为本发明其中一实施例的相位抖动补偿系统原理结构示意图。
图2为本发明其中一实施方式的相位误差校正单元的原理示意图。
图3为本发明其中一实施方式的比例积分放大算法原理示意图。
图4为本发明其中一实施方式的比例积分放大算法流程示意图。
图5为本发明其中一实施方式的典型一天气温变换趋势示意图。
图6为图5所示实施例中当频点为12ghz和18ghz时的信号传输相位抖动结果，其中(a)和(b)分别表示输入信号的波形图；(c)和(d)表示经过光纤传输后的波形图；(e)和(f)分别是图(c)和图(d)细节的放大。
图7为图5所示实施例中12ghz和18ghz信号相位抖动补偿结果，其中(a)和(b)分别表示相位抖动补偿后的波形图；(c)和(d)分别是图(a)和图(b)细节的放大；(e)和(f)表示相位稳定度。
图8为图5所示实施例中宽带信号光纤传输的相位抖动结果，(a)表示频率为10ghz和14ghz的双音信号输入波形，(b)表示频率为14ghz和18ghz的双音信号输入波形，(c)和(d)分别表示上述两种输入信号的光纤传输后波形，(e)和(f)分别是图(c)和图(d)细节的放大。
图9为图5所示实施例中宽带信号相位抖动补偿结果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本说明书(包括摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
根据本发明提供的一种相位抖动补偿方法，具体方法包括，引入导频信号进行往返传输来感知外界环境变化带来的相位抖动，利用光开关的切换来实现单个相位误差校正单元与分布式系统中各个通道的映射，再通过相位误差校正实现分布式系统的相位误差补偿；其中，所述相位误差校正的方法包括，利用鉴相单元提取相位误差，结合比例积分放大(pid)算法控制光可调延迟线；
采用比例积分放大算法的具体方法包括：初始化各个参数，包括当前采样周期ts、前一时刻t-1的相位误差、t-1时刻前一时刻t-2时刻的相位误差以及比例和系数；通过比例控制反映当前时刻的误差，向着误差减小的方向比例调节。
多路波长不同的光信号在光纤中传输会受到外界环境的变化而引入相位变化。若相位变化量为某一固定的值，那么对光学相干接收的性能不会产生影响。但是，由于材料缺陷、温度变化、应力改变等各种不确定因素的存在，信号相位的变化量呈起伏、且不可预测的趋势。这不仅导致相位噪声的增加，还会破坏通道之间原始相对相位差。本发明引入导频信号进行往返传输，通过提取导频信号的相位抖动变化量为参考，利用鉴相器和pid算法提取相位误差，并将此信息转换成模拟信号送入光可调延迟线，实现对传输信号相位抖动的实时补偿。
采用本发明的方法，包括以下几个特征：1)不需要获取传输信号的频率即可实现相位抖动的精确补偿；2)可以实现极高的时间、频率传输稳定度；3)适用于分布式系统和波分复用系统；4)可实现宽带实时的相位抖动补偿。一般来讲，宽带信号的长距离分布式传输在若干领域和多种电子信息系统尤为重要，因此本发明既适用于解决民用领域中的时频超稳传输，又适用于以大阵列为基础的深空探测、引力波探测等应用中的信号同步和时变信号的稳定传输，同时在军民融合的应用领域具有重大意义与应用价值。
由于比例控制并不能彻底消除稳态误差，作为本发明的一种实施方式，采用比例积分放大算法的具体方法包括：初始化积分的系数，通过积分控制使系统误差不断积累，以消除系统的稳态误差。
作为本发明的一种实施方式，采用比例积分放大算法的具体方法包括：初始化微分的系数，通过微分控制减小超调，克服振荡，提高系统的稳定性，同时加快系统的响应速度，从而抑制偏差向任一方向变化。
一种相位抖动补偿系统，如图1所示，适用于上述相位抖动补偿方法，包括依次相连的光导频信号输入单元101、第一光放大器102、1×n光功分器103、n个第一光环形器1041～104n、n个光可调延迟线1051～105n、n段光纤1061～106n、n个第二光环形器1071～107n、n个可调光衰减器1081～108n、n个第一光波分复用器1101～110n和n个第二光放大器1111～111n；所述1×n光功分器103分别与n个第一光环形器1041～104n相连；所述n个第一光环形器1041～104n、n个光可调延迟线1051～105n、n段光纤1061～106n、n个第二光环形器1071～107n、n个可调光衰减器1081～108n、n个第一光波分复用器1101～110n和n个第二光放大器1111～111n一一对应依次相连构成n个信号线路；所述n个第二光放大器1111～111n又与n个第二光环形器1071～107n一一对应相连；还包括n个第二波分解复用器1121～112n，信号输入端与n个第一光环形器1041～104n一一对应相连，信号输出端分别通过n×1光开关113与相位误差校正单元114相连；所述相位误差校正单元114又分别与n个光可调延迟线1051～105n相连；所述n个第一光波分复用器1101～110n又各对应相连有m个光信号输入单元10911～109nm；所述n和m均为大于等于2的自然数；
光导频信号经过第一光放大器102后由1×n的光功分器103平均功分n路信号，再通过相应n个第一光环形器1041～104n进入n个可调光衰减器1081～108n进行相位预补偿；预补偿后的导频信号进入各自的光纤中进行传输；传输后的信号经过第二光环形器和可调光衰减器后与位于不同地方的远端多通道m个光信号一起进入光波分复用器中；复用后的光信号由相应的第二光放大器进行功率放大后再次进入光纤中传输；传输后的多通道信号和导频信号一起进入光可调延迟线进行相位补偿，接着通过第一光环形器和第二波分解复用器进行通道分离；最后将分离出的n个导频信号通过n×1的光开关113后进入相位误差校正单元114进行误差提取，并将此误差值反馈到相应的光可调延迟线中进行相位误差补偿，实现多通道m个光信号的实时相位抖动补偿。
本发明针对民用以及军民融合的电子信息系统，即可解决民用超稳时频传输(如授时中心)，又可以与波分复用手段相结合解决大阵列电子信息系统中的同步问题。与传统相位抖动补偿技术相比，本发明方法通过采用导频往返传输技术具备实时相位抖动补偿的优势，通过采用光可调延时技术具备宽带相位抖动补偿的优势，通过光开关的切换实现单个相位校正单元与分布式系统中多个通道间的映射，具备低成本的优势，结合波分复用技术具备与现有系统高度兼容的优势。
所述多通道m个信号可以是同一波长以及波分复用形式，输入的m个光信号包括强度调制、相位调制、偏振调制、正交幅度调制等格式，形式包括数字信号、窄带模拟信号和宽带模拟信号，频率可以是已知和未知。
为做进一步地相似说明，以两个分布式节点，每个节点两个光输入信号为例，即n＝m＝2。首先，1ghz的导频信号通过调制器(这里以强度调制器为例)加载到激光器上，其波长为194.4thz。假设光导频信号的相位为φref(t)，那么光导频信号通过第一光放大器102、功分器103和第一光环形器1041～1042进入电控可调光延迟线1051～1052后，相位变为：
φdi(t)＝φref(t)+φcori(t)(1)
其中i＝1,2；φcori(t)＝-ωref·τcori，为光延迟线引入的相位；ωref为导频信号角频率；τcori为光延迟线延时。
经过初步相位校正的导频信号进入光纤1061～1062向远端节点方向传输，并且经过第二光环形器1071～1072、可调衰减器1081～1082后，与远端多路光信号进行波分复用。假设两段光纤长度相同，但是受外界环境扰动其长度变化量为δti，那么两个光纤通道中的导频信号相位变为
φfiberi(t)＝φref(t)+φcori(t)+φτ(t)+φδi(t)(2)
其中τf是光纤的固定延时，φτ(t)＝-ωref·τf，是光纤相对于导频信号的固定相位差；φδi(t)＝-ωref·δti，是导频信号受光纤扰动引起的相位抖动，光衰减器调节导频信号的功率与传输信号功率相同。
复用后的信号仍然保持各自的相位信息，在进行功率预补偿后通过第二光环形器1071～1072再次进入光纤1061～1062中传输。当信号再次回到导频端时，传输通道中各自信号的相位变化如表1所示，其中φij(t)是i个分布式远端节点中的第j个通道的信号初始相位，φτij(t)＝-ωij·τf，是光纤相对于各频率信号的固定相位差，φδij(t)＝-ωij·δti，是各波长通道经过光纤后产生的相位抖动。
表1信号光纤传输后的相位变化
接着，两路复用信号经过各自的可调光延迟线进行相位校正，各波长通道的相位如表2所示。
表2各波长通道相位校正后的相位
将φcori(t)、φτij(t)和φδij(t)的表达式分别代入上表，可以得到4个通道的相位关系：
φfij＝φij(t)+φτij(t)+ωi(-τcori-δti)(3)
其中i＝1,2，j＝1,2，表示第i个分布式节点中的第j个通道，φfij表示光纤传输后的信号相位。上式中φij(t)+φτij(t)是固定量，不随外界环境的改变而变化，因此只需要满足
-τcori-δti＝c(4)
其中c为常量，整个链路的延时就可以达到稳定。由于δti会因环境因素随机变化，因此在系统中通过第一光环形器1041～1042和第二解波分复用器1121～1122进行导频提取，并将其通过光开关(113)送入相位误差校正单元114来估算光纤延时抖动的变化量，并以此为依据通过pid算法实现光可调延迟线104的同步调节，最终实现多通道宽带信号相位抖动的实时补偿。由于外界温度的变化速度远远小于光开关的切换速度，因此对于每一个通道都可以认为此刻相位抖动的补偿值与下一刻是相同的，从而实现单个相位校正单元与分布式系统中多个光纤通道的映射。
在系统中，导频信号保持持续工作状态，无论通道中有无信号传输，系统可以通过对导频信号的分析来实时地感知外界环境的变化，从而可以不间断地获取相关参数。一旦通道中出现待传信号，信号通过光纤传输到导频单元端时，可以通过当前获取的抖动参数实时地对传输的信号进行相位校正。
图2为本发明中相位误差校正单元的原理示意图，是适用于分布式系统的多通道相位抖动补偿方案的核心部分。由于该系统的构架是通过波分复用将不同波长信号复用在一起进入光纤中传输，因此光纤引起的延时变化对每一个通道的作用近似相等，同时稳相模块系统中不包含波长敏感器件，因此该方案可以很好地与多通道传输系统相结合。相位误差校正单元的输入是波分解复用器中的导频信号(以1ghz为例)，该信号经过往返光纤传输后携带了2倍的光纤抖动。其补偿思想为：首先通过光电探测器将光导频信号转变为微波导频信号，该信号与一个300mhz的参考本振(lo)进行混频，假设lo的相位为0，则通过滤波器获得下变频信号：
a1＝sin[(ωref-ωlo)t+φref(t)+2φτ(t)+2φcor(t)+2φδ(t)](5)
其中ωref和ωlo分别是导频信号频率和参考本振信号频率，φref、φτ、φcor和φδ分别表示原始导频信号相位、光纤相对于导频信号的固定相位差、延迟补偿单元引入的相位和导频信号受光纤扰动引起的相位抖动。
接着，该下变频信号与原始导频信号进行上变频使导频信号相位的系数与光纤引起抖动的系数相同，混频后信号为：
a2＝sin[(2ωref-ωlo)t+2φref(t)+2φτ(t)+2φcor(t)+2φδ(t)](6)
参考本振的引入是为了减小导频与返回信号混频的谐波分量，因此该信号需要再次与参考本振进行混频消除本振频率分量：
a3＝sin[2ωref+2φref(t)+2φτ(t)+2φcor(t)+2φδ(t)](7)
值得注意的是，式(7)中所有的系数都为2，因此为了补偿远端接收信号传输的相位抖动，需要将系数消除，即利用分频器得：
a4＝sin[ωref+φref(t)+φτ(t)+φcor(t)+φδ(t)](8)
很显然，上式与原始导频信号进行鉴相，既可获得相位误差变化量：
a5＝φτ(t)+φcor(t)+φδ(t)(9)
通过这一分量来控制比例积分放大器(pid)，然后通过一个数/模转换模块，将其转换为模拟信号。这个模拟信号被用来控制光纤延迟线的驱动，从而实现延时和相位的稳定。
图3和图4所示，pid算法模块的输入输出分别是鉴相器和光可调延迟线，其工作原理为：频率稳定的参考源r(t)与实际输出信号流c(t)进行鉴相提取相位偏差e(t)。其中，参考源频率为1ghz，输出信号流和相位偏差满足式(8)和式(9)所示。接着，将偏差的比例(p)、积分(i)和微分(d)通过线性组合构成控制量，对光可调延迟线进行控制，其控制规律为
其中，kp为比例系数，ti为积分时间常数，td为微分时间常数，u(t)为控制器的输出。pid算法的原理就是通过调节kp、ti和td三个参数使系统达到稳定。
图4是pid算法的详细流程图。首先对算法中所用到的参数进行初始化设置，包括采样周期ts和前一时刻t-1的相位误差(一般为0)；接着调节合适的比例系数，积分时间常数和微分时间常数使pid工作在最佳状态；其次，根据当前输入的相位误差信号e(t)，计算从开始时间到当前时刻的误差积累量ei来模拟积分的功能，如式(11)所示。
ei＝et0+et-1+…e(t)(11)
再次，同样根据当前输入的相位误差信号计算与前一时刻的相位抖动差值ed来模拟微分功能，如式(12)所示。
ed＝e(t)-et-1(12)
最后，将上述计算量代入式(13)中可以得到pid的控制量u(t)，通过该值控制光可调延迟线即可实现对输入信号(1081～108n)的相位抖动补偿。
u(t)＝kp×[e(t)+(ts/ti)×ei+(td/ts)×ed](13)
由于pid的算法速度远大于环境引起的信号相位抖动变化，因此经过式(13)校正过的光信号又进入鉴相器中进行相位误差提取，新的误差值作为当前时刻的误差进入pid算法模块中进行积分、微分和比例运算，不断修正控制量，从而实现相位抖动的实时校正和补偿。
进一步地，以一天温度变化为例进行阐述，其温度变化趋势如图5所示。白天的温度变化函数为一条余弦曲线，而晚上则为一条直线，昼夜温差大约10℃。典型单模光纤的温度系数为6.7392x10-4/℃，因此光纤引起的最大延时抖动高达35ps(相对于频率为10ghz的信号的相位抖动为126.1°)。由此可见，一天内的温度变化就可以极大地破坏原信号的相位关系，但图4表明这种相位变化相对于信号传输频率属于一种慢变过程。
如图6所示，在实验中，温度变化引入的光信号相位变化量由图5所决定，其时间参量在实验中以仿真次数来模拟，取值为100。当不做稳相处理时，无论传输的信号频率是12ghz还是18ghz，信号相位都会随着外界环境的变化产生明显的抖动。当经历相同的环境变化(如图5所示)，12ghz和18ghz信号经过光纤传输后所引入的相位抖动分别是86.4°和129.6°。但是其延时抖动相同，都为20ps。
如图7所示，当相位抖动校正单元正常工作时，无论外界环境如何变化，各频率信号经过光纤传输后信号相位都保持同一个数值。以光载频为193.2thz的通道为例，在同样长的仿真时间里，相位抖动补偿前的链路信号延时变化峰峰值为20ps(如6所示)，而当链路的延时抖动被稳定后，各频率信号的波形图如图7(a)～(d)所示，延时抖动得到了很好的抑制。同时，由图(e)和(f)可以看出，补偿后延时抖动的峰峰值被抑制在了5ps以内(12ghz和18ghz信号补偿后的相位抖动分别为21.6°和32.4°)。在实际应用中，即使补偿光纤链路的延时抖动后，信号会依然存在残余的延时抖动，这部分抖动是补偿环路外部的光和电子器件受环境温度变化和振动等因素引起的。而在本次仿真中，残余的相位抖动主要是由于滤波器相位设计不完善导致的。
如图8所示，拟采用两个频率叠加的方式来模拟宽带信号的稳相传输，输入信号频率组合如表3所示，其它仿真参数与单频点信号传输类似。
由图7可知宽带信号并不是一个标准的正玄波或者余玄波，难以用某一个相位抖动值来描述一定时间内的相位变化，因此本申请采用时延抖动代替相位抖动更加准确。稳相前，信号相位依然出现较为严重的抖动，延时抖动的峰峰值高达20ps。
如图9所示，利用同样的算法，相位抖动补偿后，抖动的峰峰值由20ps降低到4ps以内，成功实现了宽带(多频)信号的相位稳定传输。考虑相位抖动最大的情况(传输频率为18ghz)，经过补偿，相位抖动由130°降到26°。
由以上实验结果中可以观察到，本发明利用导频信号进行往返传输来感知外界环境引入的相位抖动，通过光开关实现单个相位校正单元与分布式系统中多个光纤通道的映射，最后基于鉴相器和pid算法成功实现宽带信号的相位抖动实时补偿方案。该方案不仅仅可以适用于民用领域中的时频超稳传输，由于其宽带性和多通道分布式等优点也适用于解决大阵列电子信息系统中的时钟同步以及时变信号的稳定传输。