相差信号光纤实时传输装置和方法

1.本发明涉及双路信号远距离光纤传输技术领域，具体涉及一种相差信号光纤实时传输装置和方法。


背景技术：

2.随着雷达、卫星信号接收技术的发展，越来越多的产品需要信号传输后依旧保证信号的相位的一致性。在双路信号光纤远距离相位一致传输系统中，由于光纤的热胀冷缩的效应明显，实际应用中光纤的长度是随温度变化而不断变化的，因此经光纤远距离传输的两路信号在光纤中的相位会因为不同光纤的色散和器件相位漂移，而出现相位不一致的情况，造成系统指标恶化。根据信号传输过程中频率、相位、传输距离的相互关系可知：信号频率越低，传输距离的变化引起的相位变化越小，频率越高传输距离的变化引起的相位变化越大。随着目前使用的信号频率越来越高，双路信号光纤远距离相位一致传输系统的相位一致性越来越难保证，此时需要在传输系统中加入相位调节技术来保证信号的相位一致性。
3.双路信号光纤远距离相位一致传输系统的相位调节的常用方式是先在光纤传输系统的接收端检测出双路信号的相位差，再将相位差回传至光纤传输系统的发送端，并通过改变系统输入端的激光器的波长来实现传输后双路信号的相位一致性。然而，传统的相差信号的传输是利用法拉第反射镜将相差信号从光纤传输系统的接收端通过信号光纤反射回光纤传输系统的发送端，这样当光纤传输系统的信号光纤中有单向器件如光放大器(edfa)或者隔离器时，由于光信号只能单向传输，因此相差信号便无法再通过光纤传输系统的信号光纤实现回传。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的是现有相差信号便无法再通过光纤传输系统的信号光纤实现回传的问题，提供一种相差信号光纤实时传输装置和方法。
5.为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
6.相差信号光纤实时传输装置，包括鉴相器、2个基准电压源、2个射频信号源、3个压控衰减器、3个功分器、4个检波器、3个反馈控制器、2个滤波器、3个减法器、合路器、模拟激光器、放大器和模拟探测器；第一射频信号源的输出端连接第一压控衰减器的输入端，第一压控衰减器的输出端连接第一功分器的输入端；第一功分器的一路输出端经由第一检波器连接第一减法器的一路输入端；鉴相器的两路输入端与双路信号光纤远距离相位一致传输系统接收端的信号探测器的输出端相连，鉴相器的输出端连接第一减法器的另一路输入端；第一减法器的输出端经由第一反馈控制器连接第一压控衰减器的控制端；第一功分器的另一路输出端连接合路器的一路输入端；第二射频信号源的输出端连接第二压控衰减器的输入端，第二压控衰减器的输出端连接第二功分器的输入端；第二功分器的一路输出端经由第二检波器连接第二减法器的一路输入端；第一基准电压源的输出端连接第二减法器
的另一路输入端；第二减法器的输出端经由第二反馈控制器连接第二压控衰减器的控制端；第二功分器的另一路输出端连接合路器的另一路输入端；合路器的输出端连接模拟激光器的输入端；模拟激光器的输出端通过光纤与模拟探测器的输入端连接；模拟探测器的输出端连接放大器的输入端；放大器的输出端连接第三压控衰减器的输入端，第三压控衰减器的输出端连接第三功分器的输入端；第三功分器的一路输出端经由第二滤波器连接第四检波器的输入端，第四检波器的输出端连接第三减法器的一路输入端相连；第二基准电压源的输出端连接第三减法器的另一路输入端；第三减法器的输出端经由第三反馈控制器连接第三压控衰减器的控制端；第三功分器的另一路输出端经由第一滤波器连接第三检波器的输入端，第三检波器的输出端与双路信号光纤远距离相位一致传输系统发送端激光器控制端相连。
7.上述方案中，第一滤波器的滤波频率与第一射频信号源所产生的射频信号的频率相对应；第二滤波器的滤波频率与第二射频信号源所产生的射频信号的频率相对应。
8.上述方案中，2个射频信号源所产生的射频信号的频率不同；相应地，2个滤波器的滤波频率也不相同。
9.上述方案中，第一射频信号源所产生的射频信号的频率为200mhz的射频信号，第二射频信号源所产生的射频信号的频率为300mhz的射频信号；相应地，第一滤波器的滤波频率为200mhz，第二滤波器的滤波频率为300mhz。
10.上述方案中，2个基准电压源发出的基准电压相同。
11.上述方案中，2个基准电压源发出的基准电压均为1v。
12.上述装置所实现的相差信号光纤实时传输方法，包括步骤如下：
13.步骤1、第一射频信号源所产生的第一射频信号依次经第一压控衰减器和第一功分器后被分成两路第一子射频信号：一路第一子射频信号进第一检波器，另一路第一子射频信号进合路器；
14.步骤2、第一检波器检出第一子射频信号的电压，并利用第一减法器将第一子射频信号的电压与鉴相器所检出的双路信号光纤远距离相位一致传输系统接收端的两路信号的相差信号电压做差值计算，同时将该差值转换成第一压控衰减器的控制电压来控制进入第一功分器的信号的大小，直至第一检波器检出的电压等于相差信号电压；
15.步骤3、第一射频信号源所产生的第二射频信号依次经第二压控衰减器和第二功分器后被分成两路第二子射频信号：一路第二子射频信号进第二检波器，另一路第二子射频信号进合路器；
16.步骤4、第二检波器检出第二子射频信号电压，并利用第二减法器将第二子射频信号电压与第一基准电压源所产生的第一基准电压做差值计算，同时将该差值转换成第二压控衰减器的控制电压来控制进入第二功分器的信号的大小，直至第二检波器检出的电压等于第一基准电压；
17.步骤5、合路器将第一子射频信号与第二子射频信号合成一路合路射频信号，并通过模拟激光器将合路射频信号调制到光信号上后，利用光纤传输至模拟探测器；
18.步骤6、模拟探测器将合路射频信号从光信号上解调下来后，利用放大器对合路射频信号进行放大，并将放大后的合路射频信号依次送入第三压控衰减器和第三功分器，第三功分器将放大后的合路射频信号分成两路；
19.步7、一路放大后的合路射频信号先经第二滤波器滤波后得到第二子射频信号，再通过第四检波器检测出第二子射频信号中所携带的基准电压信号后，利用第三减法器将该基准电压信号与第二基准电压源所产生的第二基准电压做差值计算，并将该差值转换成第三压控衰减器的控制信号来控制进入第三功分器的信号的大小，直至第三检波器检出的电压等于第二基准电压；
20.步骤8、另一路放大后的合路射频信号先经第一滤波器滤出第一子射频信号，再通过第三检波器检测出第一子射频信号中所携带的相差信号后，将该相差信号送入到双路信号光纤远距离相位一致传输系统发送端激光器控制端，进行相差补偿。
21.上述方法中，第一滤波器的滤波频率与第一射频信号源所产生的第一射频信号的频率相对应；第二滤波器的滤波频率与第二射频信号源所产生的第二射频信号的频率相对应。
22.上述方法中，第一射频信号的频率与第二射频信号的频率不同；相应地，2个滤波器的滤波频率也不相同。
23.上述方法中，2个基准电压源发出的基准电压均为1v。
24.与现有技术相比，本发明具有如下特点：
25.1、在主信号光接收端采集相差信号，并通过其他光通道回传，解决了光路中有单向器件，相差信号无法在同一根信号光纤中回传的问题，且利用光纤回传相差信号，具备高精度，低时延，体积小，重量轻等特点；
26.2、采用模拟器件组成模拟模拟控制电路，与传统的数字控制电路相比，由于模拟控制电路对余弦波信号比数字控制电路对脉冲信号的频谱单一，更容易滤除，因此可以有效解决控制电路频率干扰的问题，且无需无a/d和d/a的过程，因此传输时延更小。
附图说明
27.图1为双路信号光纤远距离相位一致传输系统的原理图。
28.图2为相差信号光纤实时传输装置的原理图。
29.图3为信号功率与电压的转换关系示意图。
30.图4为余弦信号时域与频域图(a)余弦信号，(b)余弦信号频谱分布。
31.图5为脉冲信号时域与频域图，(a)脉冲信号，(b)脉冲信号频谱分布。
具体实施方式
32.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，对本发明进一步详细说明。
33.考虑到当前相位一致性传输系统中的相位相差信号回传的三个问题：1)相位相差信号传输需要先经过a/d转换，再传输至远端，最后经过d/a转换还原，a/d和d/a过程增加了时延，造成了系统对相位一致性变化时响应时间增加；2)a/d与d/a过程中，晶振产生的周期性脉冲信号，频谱较宽，并且频谱主要集中在低频段，滤除困难；3)光路中有单向器件时，例如edfa或者光隔离器时，单根光纤无法回传光信号。本发明双路信号光纤远距离相位一致传输系统基础上，提出一种相差信号光纤实时传输装置，如图1和2所示，该相差信号光纤实时传输装置由鉴相器、2个基准电压源、2个射频信号源、3个压控衰减器、3个功分器、4个检
波器、3个反馈控制器、2个滤波器、3个减法器、合路器、模拟激光器、放大器和模拟探测器组成。
34.第一滤波器的滤波频率与第一射频信号源所产生的射频信号的频率相对应；第二滤波器的滤波频率与第二射频信号源所产生的射频信号的频率相对应。2个射频信号源所产生的射频信号的频率不同；相应地，2个滤波器的滤波频率也不相同。在本实施中，第一射频信号源发出的射频信号为200mhz的射频信号，第二射频信号源发出的射频信号为300mhz的射频信号。第一滤波器的滤波频率为200mhz，第二滤波器的滤波频率为300mhz。基准电压源发出的基准电压为1v。
35.在双路信号光纤远距离相位一致传输系统接收端的接收端：第一射频信号源的输出端连接第一压控衰减器的输入端，第一压控衰减器的输出端连接第一功分器的输入端。第一功分器的一路输出端经由第一检波器连接第一减法器的一路输入端。鉴相器的两路输入端与双路信号光纤远距离相位一致传输系统接收端的信号探测器的输出端相连，鉴相器的输出端连接第一减法器的另一路输入端。第一减法器的输出端经由第一反馈控制器连接第一压控衰减器的控制端。第一功分器的另一路输出端连接合路器的一路输入端。
36.第二射频信号源的输出端连接第二压控衰减器的输入端，第二压控衰减器的输出端连接第二功分器的输入端。第二功分器的一路输出端经由第二检波器连接第二减法器的一路输入端。第一基准电压源的输出端连接第二减法器的另一路输入端。第二减法器的输出端经由第二反馈控制器连接第二压控衰减器的控制端。第二功分器的另一路输出端连接合路器的另一路输入端。合路器的输出端连接模拟激光器的输入端。
37.在双路信号光纤远距离相位一致传输系统接收端的接收端与发送端之间：模拟激光器的输出端通过光纤与模拟探测器的输入端连接。
38.在双路信号光纤远距离相位一致传输系统接收端的发送端：模拟探测器的输出端连接放大器的输入端。放大器的输出端连接第三压控衰减器的输入端，第三压控衰减器的输出端连接第三功分器的输入端。第三功分器的一路输出端经由第二滤波器连接第四检波器的输入端，第四检波器的输出端连接第三减法器的一路输入端相连。第二基准电压源的输出端连接第三减法器的另一路输入端。第三减法器的输出端经由第三反馈控制器连接第三压控衰减器的控制端。第三功分器的另一路输出端经由第一滤波器连接第三检波器的输入端，第三检波器的输出端与双路信号光纤远距离相位一致传输系统发送端激光器控制端相连。
39.上述装置所实现的相差信号光纤实时传输方法，包括步骤如下：
40.步骤1、第一射频信号源所产生的频率为200mhz的第一射频信号依次经第一压控衰减器和第一功分器后被分成两路第一子射频信号：一路第一子射频信号进第一检波器，另一路第一子射频信号进合路器；
41.步骤2、第一检波器检出第一子射频信号的电压，并利用第一减法器将第一子射频信号的电压与鉴相器所检出的双路信号光纤远距离相位一致传输系统接收端的两路信号的相差信号电压做差值计算，同时将该差值转换成第一压控衰减器的控制电压来控制进入第一功分器的信号的大小，直至第一检波器检出的电压等于相差信号电压；
42.步骤3、第一射频信号源所产生的频率为300mhz的第二射频信号依次经第二压控衰减器和第二功分器后被分成两路第二子射频信号：一路第二子射频信号进第二检波器，
另一路第二子射频信号进合路器；
43.步骤4、第二检波器检出第二子射频信号电压，并利用第二减法器将第二子射频信号电压与第一基准电压源所产生的1v的第一基准电压做差值计算，同时将该差值转换成第二压控衰减器的控制电压来控制进入第二功分器的信号的大小，直至第二检波器检出的电压等于第一基准电压；
44.步骤5、合路器将第一子射频信号与第二子射频信号合成一路合路射频信号，并通过模拟激光器将合路射频信号调制到光信号上后，利用光纤传输至模拟探测器；
45.步骤6、模拟探测器将合路射频信号从光信号上解调下来后，利用放大器对合路射频信号进行放大，并将放大后的合路射频信号依次送入第三压控衰减器和第三功分器，第三功分器将放大后的合路射频信号分成两路；
46.步7、一路放大后的合路射频信号先经频率为300mhz的第二滤波器滤波后得到第二子射频信号，再通过第四检波器检测出第二子射频信号中所携带的基准电压信号后，利用第三减法器将该基准电压信号与第二基准电压源所产生的1v的第二基准电压做差值计算，并将该差值转换成第三压控衰减器的控制信号来控制进入第三功分器的信号的大小，直至第三检波器检出的电压等于第二基准电压；
47.步骤8、另一路放大后的合路射频信号先经频率为200mhz的第一滤波器滤出第一子射频信号，再通过第三检波器检测出第一子射频信号中所携带的相差信号后，将该相差信号送入到双路信号光纤远距离相位一致传输系统发送端激光器控制端，进行相差补偿。
48.参见图3所示的信号功率与电压的转换关系示意图，本发明对信号提取的思想为：
49.设置基准电压1v，输入两个幅度足够大的射频信号(200mhz信号和300mhz信号)，利用射频检波器的特性将射频功率转换成电压值：1)200mhz信号的射频信号源、第一压控衰减器、第一功分器、第一检波器、鉴相器、第一减法器、第一反馈控制器形成一个相差电压转换成200mhz信号功率幅度的功能电路。当鉴相器输出的相差信号电压值v
△
与第一检波器检测200mhz信号的功率对应的电压值v1相等时，第一反馈控制器不工作；当v
△
＞v1时，第一反馈控制器控制第一压控衰减器增大200mhz的信号幅度使v
△
＝v1；当v
△
＜v1时，第一反馈控制器控制第一压控衰减器减小200mhz的信号幅度使v
△
＝v1；这样最终相差电压映射到200mhz信号幅度上。2)300mhz信号的射频信号源、第二压控衰减器、第二功分器、第二检波器、基准电压vs(1v)、第二减法器、第二反馈控制器形成一个基准电压转换成300mhz信号功率幅度v2的功能电路。当基准电压源输出的基准电压值与第二检波器检测300mhz信号的功率对应的电压值vs相等时，第二反馈控制器不工作，当vs＞v2时，第二反馈控制器控制第二压控衰减器增大300mhz的信号幅度使vs＝v2；当vs＜v2时，第二反馈控制器控制第二压控衰减器减小300mhz的信号幅度使vs＝v2；这样最终基准电压映射到300mhz信号幅度上。
50.携带相差电压和基准电压信息的200mhz和300mhz射频信号经合路器合成一路信号，再经过模拟激光器将两路射频信号调制上光，经光纤远距离传输至远端，远端模拟探测器将射频信号解调下来，经微波放大，最后将射频信号功率转换成电压值，转换原理如下：1)放大后射频信号与第三压控衰减器、第三功分器、300mhz的第二滤波器、第三检波器、基准电压vs(1v)、第三减法器、第三反馈控制器形成一个传输后的300mhz信号功率幅度v3校正的功能电路。当基准电压值与第四检波器检测300mhz信号的功率对应的电压值vs相等时，第三反馈控制器不工作；当vs＞v3时，第三反馈控制器控制第三压控衰减器增大300mhz
的信号幅度使vs＝v3；当vs＜v3时，第三反馈控制器控制第三压控衰减器减小300mhz的信号幅度使vs＝v3。此时vs＝v2＝v3。2)200mhz经200mhz的第一滤波器和第三检波器可得到相差信号电压值v
△
＇。由于200mhz和300mhz信号传输经过的器件类型相同，并且在电路中调节三个功分器两个输出端口功率比为1:1、调节四个检波器检波性能相同、调节两个滤波器幅频响应相同，可知vs＝v2＝v3
→v△
＇＝v
△
，相差信号电压v
△
远距离传输后复原为相差信号电压，此时相差信号的延时量为光在光纤中传播的延时量，以10km光纤为例，时延量为50ns左右，因此本发明可以实现相差信号的实时传输。
51.本发明在主信号光接收端采集相差信号，并通过其他光通道回传，解决了光路中有单向器件，相差信号无法在同一根信号光纤中回传的问题，且利用光纤回传相差信号，具备高精度，低时延，体积小，重量轻等特点。此外，本发明采用模拟器件组成模拟模拟控制电路，与传统的数字控制电路相比，由于模拟控制电路的余弦波信号(图4)比数字控制电路对脉冲信号(图5)的频谱单一，更容易滤除，因此可以有效解决控制电路频率干扰的问题，且无需无a/d和d/a的过程，因此传输时延更小。
52.需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。