基于延迟自外差的单向光纤射频频率传递装置与方法

本发明涉及光纤链路上的射频频率传递，特别是一种基于延迟自外差的单向光纤射频频率传递装置与方法。

背景技术：

1、高精度时间频率传递技术在科学研究、重大基础设施建设、国防工业等方面起着至关重要的作用。如今，随着对传递系统噪声机理和精度提升限制因素的研究工作的不断深入，光纤射频频率传递技术已能满足绝大部分应用需求，并演化出长距离、高精度、分布式等三个技术发展方向。目前绝大部分光纤射频频率传递系统都是基于双向或环回结构，这样能较好地检测链路相位抖动，并进行有效抑制。但存在的问题是：(1)对于当下的通信网络(如sdh网络)，单根光纤里面数据都是单向传输的，基于双向或环回结构的射频频率传递系统难以与通信网络兼容。对于通信网络频率同步应用，如基站频率同步、综合定时设备频率同步、电网频率同步等，现有的频率同步技术较为耗费系统资源，而基于双向或环回结构的射频频率传递技术性能过剩、成本高。(2)基于双向或环回结构的射频频率传递系统结构复杂、难扩展、难以维护，在实际的长距离分布式应用中难以长期可靠的运行。因此，研究单向射频频率传递技术具有重要意义，一方面能与通信网络兼容，改善现有网络频率同步技术的不足。另一方面，为实际的长距离分布式应用提供可能的解决方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出了一种基于延迟自外差的单向光纤射频频率传递装置与方法。本发明通过在发送端和接收端分别设计延迟自外差结构，基于此结构进行相位差测量，根据测量结果在接收端进行传递链路相位抖动计算，随后进行相位抖动补偿。此方案结构简单，能与现有通信网络兼容，具有广阔的应用前景。

2、本发明的技术解决方案如下：

3、一种基于延迟自外差的单向光纤射频频率传递方法，其特点征在于，

4、在发射端：射频信号源输出的射频信号分为两路，一路对激光器进行调制，另一路作为射频参考信号输入鉴相器；所述激光器输出的光信号分为两路，一路作为射频调制光信号经光纤传递链路传递到接收端，另一路经光纤延迟线和光电转换恢复为射频信号，输入鉴相器进行鉴相后，进行延迟自外差相位测量，测得的相位差经数据链路传递到接收端，并输入至接收端的微处理器；

5、在接收端：对来自发送端的射频调制光信号进行分路，一路经光电转换恢复为射频信号，作为鉴相器的输入参考信号，另一路经光纤延迟线和光电转换后，进行延迟自外差相位测量，测得的相位差输入至微处理器；所述微处理器对两路相位差数据进行处理，解算出光纤传递链路引入的相位抖动或相位差信号，进而控制接收端的电移相器或光延迟线进行相位补偿，得到稳定的射频信号。

6、实施上述方法的基于延迟自外差的单向光纤射频频率传递装置，其特点在于，包括发送端、光纤传递链路、数据链路和接收端；所述的发送端由射频信号源、激光器、第一光纤延迟线、第一光电探测器、第一带通滤波器、第一鉴相器、第一低通滤波器、第一数据采集模块、光发送器组成。所述的射频信号源分别与所述激光器的射频输入端和第一鉴相器的参考端相连。所述的激光器分别与所述第一光纤延迟线的输入端和传递链路相连。所述第一光纤延迟线的输出端与所述第一光电探测器的输入端口相连，所述第一光电探测器的输出端口与所述第一带通滤波器的输入端口相连，所述第一带通滤波器的输出端口与所述第一鉴相器的射频端相连。所述第一鉴相器的输出端口与所述第一低通滤波器的输入端口相连，所述第一低通滤波器的输出端口与所述第一数据采集模块的输入端口相连，所述第一数据采集模块的输出端口与所述光发送器的输入端口相连，所述光发送器的输出端口与数据链路相连。所述的接收端包括第二光纤延迟线、第二光电探测器、第三光电探测器、光接收器、第二带通滤波器、第三带通滤波器、第二鉴相器、第二低通滤波器、第二数据采集模块、微处理器、电压驱动器和电移相器。所述光接收器的输入端口与数据链路相连，所述光接收器的输出端口与所述微处理器的输入端口1相连。所述第二光电探测器的输入端口和第二光纤延迟线的输入端口与传递链路相连。所述第二光电探测器的输出端口与所述第三带通滤波器的输入端口相连，所述第三带通滤波器的输出端口分别与所述第二鉴相器的参考端口和所述电移相器的射频输入端口相连。所述第二光纤延迟线的输出端口与所述第三光电探测器的输入端口相连，所述第三光电探测器的输出端口与所述第二带通滤波器的输入端口相连，所述第二带通滤波器的输出端口与所述第二鉴相器的射频端口相连。所述第二鉴相器的输出端口与所述第二低通滤波器的输入端口相连，所述第二低通滤波器的输出端口与所述第二数据采集模块的输入端口相连，所述第二数据采集模块的输出端口与所述微处理器的输入端口2相连。所述微处理器的输出端口与所述电压驱动器的输入端口相连，所述电压驱动器的输出端口与所述电移相器的控制电压端口相连。所述电移相器的射频输出端口作为接收端获取所传递取射频信号的端口。

7、所述的接收端也可以包括第二光纤延迟线、第二光电探测器、第三光电探测器、光接收器、第二带通滤波器、第三带通滤波器、第二鉴相器、第二低通滤波器、第二数据采集模块、微处理器、pi控制器和光延迟线。

8、所述光接收器的输入端口与数据链路相连，所述光接收器的输出端口与所述微处理器的输入端口1相连。所述光延迟线的输入端口与传递链路相连，所述光延迟线的输出端口分别与所述第二光电探测器的输入端口和所述第二光纤延迟线的输入端口相连。所述第二光电探测器的输出端口与所述第三带通滤波器的输入端口相连，所述第三带通滤波器输出分为两路，一路与所述第二鉴相器的参考端口相连，另一路作为所传递射频信号的获取端口。所述第二光纤延迟线的输出端口与所述第三光电探测器的输入端口相连，所述第三光电探测器的输出端口与所述第二带通滤波器的输入端口相连，所述第二带通滤波器的输出端口与所述第二鉴相器的射频端口相连。所述第二鉴相器的输出端口与所述第二低通滤波器的输入端口相连，所述第二低通滤波器的输出端口与所述第二数据采集模块的输入端口相连，所述第二数据采集模块的输出端口与所述微处理器的输入端口2相连。所述微处理器的输出端口与所述pi控制器的输入端口相连，所述pi控制器的输出端口与所述光延迟线的控制电压端口相连。

9、进一步，利用上述基于延迟自外差的单向光纤射频频率传递装置，包括：

10、1)所述发送端的射频信号源输出的射频信号分为两路，一路对所述激光器进行调制，另一路作为射频参考输入所述的第一鉴相器。所述激光器输出的光信号分为两路，一路经所述的传递链路传递到接收端，另一路输入第一光纤延迟线进行延迟。延迟后的光信号经所述的第一光电探测器转换为电信号，再经所述的第一带通滤波器滤除噪声。获得的电信号输入到所述的第一鉴相器与射频参考进行鉴相，由此形成延迟自外差相位差测量结构。输出的相位差信号经所述的第一低通滤波器滤除噪声，由所述的第一数据采集模块进行相位差数据采集。获得的相位差数据输入到所述的光发送器，然后经所述的数据链路发送到接收端。

11、2)在所述接收端，来自发送端的相位差数据由所述的光接收器接收，然后输入到所述的微处理器参与后续的数据处理过程。来自发送端的射频调制激光信号分为两路，一路由所述的第二光电探测器转化为电信号，并由所述的第三带通滤波器滤除噪声，然后分别输入到所述电移相器的射频输入端和所述第二鉴相器的参考端口。另一路激光信号输入到所述的第二光纤延迟线进行延迟，延迟后的激光信号经所述的第三光电探测器转化为电信号，并由所述的第二带通滤波器滤除噪声，然后输入到所述第二鉴相器的射频端口，由此便形成延迟自外差相位差测量结构。输出的相位差信号经所述的第二低通滤波器滤除噪声，由所述的第二数据采集模块进行相位差数据采集，获得的相位差数据输入到所述的微处理器。利用发送端相位差数据和接收端相位差数据，在所述微处理器中经运算后解算出光纤链路相位抖动。根据计算出的光纤链路相位抖动，所述微处理器输出控制电压去控制所述电压驱动器，所述电压驱动器输出电压连接到所述电移相器的控制电压端口，所述电移相器对输入的射频信号进行移相以实现相位补偿。在所述电移相器的射频输出端口便可获得频率稳定的射频信号输出。

12、3)在所述发送端中，忽略光电器件、短光纤和电缆引入的相位延迟，所述射频源输出信号和所述激光器输出激光的电场包络信号可表示为：

13、

14、其中为初始相位，ω为角频率。设所述第一光纤延迟线引入的时间延迟为τl，则所述第一带通滤波器输出信号可表示为：

15、

16、所述第一鉴相器为乘法鉴相器，滤除噪声和高频分量后，所述第一低通滤波器输出信号为：

17、

18、于是所述第一数据采集模块采集到的相位差为：

19、

20、4)在所述接收端，所述传递链路输出的光信号电场包络可表示为：

21、

22、式中为光纤传递链路的固定相位延迟，为光纤传递链路的相位抖动。此信号也为所述第三带通滤波器输出信号。设所述第二光纤延迟线引入的时间延迟为τr，则所述第二带通滤波器输出信号可表示为：

23、

24、所述第二鉴相器为乘法鉴相器，滤除噪声和高频分量后，所述第二低通滤波器输出信号为：

25、

26、于是所述第二数据采集模块采集到的相位差为：

27、

28、假设所述第一光纤延迟线与所述第二光纤延迟线引入的时间延迟相等，即τl＝τr＝τ，于是所述微处理器解算的光纤传递链路的相位抖动增量可表示为：

29、

30、5)在所述接收端，所述微处理器根据解算的光纤传递链路的相位抖动增量，可近似计算出传递链路的相位抖动。一般情况下光纤传递链路的相位抖动是缓慢变化的，光纤延迟线的时间延迟一般设置在亚毫秒量级，传递链路相位抖动的增量与测量时间间隔之比可近似为传递链路相位抖动的导数，于是有：

31、

32、两边同时积分可得：

33、

34、其中c为常数，可通过设置所述电压驱动器输出偏置电压来实现其作用。所述微处理器解算的光纤传递链路的相位抖动增量实际为数字量，即因此在计算积分时需要近似计算，即

35、

36、其中k为常数，可通过设置所述电压驱动器输出偏置电压来实现其作用；δt为数据采集间隔，tc为采集时长，n＝tc/δt。由于采集时间连续可变，故可计算传递链路的实时相位抖动。

37、6)在所述接收端，所述微处理器根据计算得到的传递链路相位抖动并结合所述电移相器的电压-相位转换系数s，输出电压信号给所述电压驱动器。所述电移相器的控制电压uc(t)由所述电压驱动器提供，所述电移相器移动的相位与传递链路的相位抖动数值相等符号相反，即这样便可在所述电移相器的射频输出端口获得稳定的射频信号。

38、进一步，利用上述基于延迟自外差的单向光纤射频频率传递装置，包括：

39、1)所述发送端的射频信号源输出的射频信号分为两路，一路对所述激光器进行调制，另一路作为射频参考输入所述的第一鉴相器。所述激光器输出的光信号分为两路，一路经所述的传递链路传递到接收端，另一路输入第一光纤延迟线进行延迟。延迟后的光信号经所述的第一光电探测器转换为电信号，再经所述的第一带通滤波器滤除噪声。获得的电信号输入到所述的第一鉴相器与射频参考进行鉴相，由此形成延迟自外差相位差测量结构。输出的相位差信号经所述的第一低通滤波器滤除噪声，由所述的第一数据采集模块进行相位差数据采集。获得的相位差数据输入到所述的光发送器，然后经所述的数据链路发送到接收端。

40、2)在所述接收端，来自发送端的相位差数据由所述的光接收器接收，然后输入到所述的微处理器参与后续的数据处理过程。来自发送端的射频调制激光信号经过所述光延迟线进行相位补偿后分为两路，一路由所述的第二光电探测器转化为电信号，并由所述的第三带通滤波器滤除噪声，然后分别输入所述第二鉴相器的参考端口。另一路激光信号输入到所述的第二光纤延迟线进行延迟，延迟后的激光信号经所述的第三光电探测器转化为电信号，并由所述的第二带通滤波器滤除噪声，然后输入到所述第二鉴相器的射频端口，由此便形成延迟自外差相位差测量结构。输出的相位差信号经所述的第二低通滤波器滤除噪声，由所述的第二数据采集模块进行相位差数据采集，获得的相位差数据输入到所述的微处理器。利用发送端相位差数据和接收端相位差数据，在所述微处理器中经运算后获得相位差信号，并由此产生误差信号，然后将该误差信号输入到所述pi控制器，所述pi控制器输出控制电压到所述光延迟线，后者对输入的光载射频信号进行光学移相以实现相位补偿。最终在所述第三带通滤波器的输出端口获得频率稳定的射频信号输出。

41、3)在所述发送端中，忽略光电器件、短光纤和电缆引入的相位延迟，所述射频源输出信号和所述激光器输出激光的电场包络信号可表示为：

42、

43、其中为初始相位，ω为角频率。设所述第一光纤延迟线引入的时间延迟为τl，则所述第一带通滤波器输出信号可表示为：

44、

45、所述第一鉴相器为乘法鉴相器，滤除噪声和高频分量后，所述第一低通滤波器输出信号为：

46、

47、于是所述第一数据采集模块采集到的相位差为：

48、

49、4)在所述接收端，所述光延迟线输出光信号的电场包络可表示为：

50、

51、式中为光纤传递链路的固定相位延迟，为光纤传递链路的相位抖动,为所述光延迟线补偿的相位。设所述第二光纤延迟线引入的时间延迟为τr，则所述第二带通滤波器输出信号可表示为：

52、

53、所述第二鉴相器为乘法鉴相器，滤除噪声和高频分量后，所述第二低通滤波器输出信号为：

54、

55、于是所述第二数据采集模块采集到的相位差为：

56、

57、假设所述第一光纤延迟线与所述第二光纤延迟线引入的时间延迟相等，即τl＝τr＝τ，于是所述微处理器解算的相位差信号可表示为：

58、

59、5)在所述接收端，所述微处理器根据解算的相位差信号产生误差信号k为常数。于是所述pi控制器输出控制电压可表示为

60、uc(t)＝kpe(t)+ki∫e(t)dt，

61、其中kp和ki分别为比例系数和积分时间常数。所述光延迟线在控制电压uc(t)的作用下，对光载射频信号补偿的相位为其中s为电压-相位转换系数。当所述光延迟线能对传递链路引入的相位抖动完全补偿时，有于是相位差信号和误差信号均为零，即e(t)＝0，此时系统趋于稳态，在所述第三带通滤波器输出端即可获得稳定的射频信号。

62、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

63、本发明通过延迟自外差进行相位差测量并结算传递链路相位抖动的方法，实现了在光纤链路上的单向射频频率传递，结构简单，易于扩展，数据链路与传递链路分离，能与当前单纤单向传输的光通信网络有效兼容。