田嘉逸+吳國(guó)成

摘 要： 針對(duì)微波光子鏈路在實(shí)際應(yīng)用中信號(hào)相位受光纖溫度變化產(chǎn)生的波動(dòng)，利用檢波器矢量和原理檢測(cè)微波信號(hào)的相位偏差量，并設(shè)計(jì)了信息處理模塊控制可調(diào)諧電移相器進(jìn)行精準(zhǔn)的相位補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)的相位穩(wěn)定傳送。在理論模型的基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)測(cè)試了溫度變化對(duì)微波光鏈路相位的影響，并構(gòu)造了微波穩(wěn)相光傳輸系統(tǒng)，使用25 km的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖傳輸10 GHz微波信號(hào)，對(duì)系統(tǒng)輸出信號(hào)進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量，相位波動(dòng)穩(wěn)定控制在±2°以內(nèi)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方案的可行性。

關(guān)鍵詞： 微波光子學(xué)； 光纖鏈路； 相位穩(wěn)定； 矢量和

中圖分類號(hào)： TN911.74?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）03?0042?03

Study on microwave phase stability optical transmission based on vector sum

TIAN Jia?yi1， WU Guo?cheng2

（1. College of Electroning Engineering， Chongqing University of Posts and Telecommunications， Chongqing 400065， China；

2. Chongqing Optoelectronics Research Institute， Chongqing 400060， China）

Abstract： Aiming at the fluctuation problem of the signals phase in microwave fiber?optic system affected by the temperature change of optical fiber， an information processing module is designed to control tunable phase shifter for precise phase compensation. Thus the phase?stable transmission of microwave signals is achieved by using the principles of vector sum to detect a phase deviation of the microwave signal. Based on the theoretical model， the influence of temperature variation on the phase information of microwave optical link is experimented and tested， and the microwave phase?stable optical transmission system is structured. 10GHz microwave signals are transmitted with 25km standard single?mode fiber for a long time， the test result show that the phase fluctuations is stable controlled within ± 2°， thus the feasibility of the scheme is demonstrated.

Keywords： microwave photonics； optical fiber link； phase stability； vector sum

0 引 言

近年來(lái)，微波光子技術(shù)憑借其輕便靈活，帶寬高，抗電磁干擾和保密性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)、空間技術(shù)、電子戰(zhàn)以及天文測(cè)量等領(lǐng)域被大量應(yīng)用。在模擬微波光子鏈路中，受不可控的環(huán)境溫度及應(yīng)力影響，光纖的折射率、長(zhǎng)度將發(fā)生細(xì)微變化，從而導(dǎo)致信號(hào)的相位也不可避免的產(chǎn)生隨機(jī)波動(dòng)，嚴(yán)重的惡化了信號(hào)質(zhì)量，影響了系統(tǒng)性能及長(zhǎng)期穩(wěn)定性。對(duì)于相控陣系統(tǒng)，精準(zhǔn)的相位控制是形成準(zhǔn)確波束掃描角度的關(guān)鍵；在現(xiàn)代測(cè)量學(xué)和物理學(xué)中，時(shí)鐘評(píng)估、相對(duì)測(cè)試、基本常量測(cè)試等試驗(yàn)中都需要保證同步信號(hào)的相位穩(wěn)定；在現(xiàn)代深空探測(cè)技術(shù)中，大型天線陣需要從中心站分配相干的低相位噪聲及低相位漂移毫米波本振信號(hào)，以便將各個(gè)子天線外差接受的信號(hào)進(jìn)行相干合成。所以信號(hào)相位的高穩(wěn)定光傳輸是這些領(lǐng)域必須要解決的關(guān)鍵問(wèn)題[1?4]。

目前穩(wěn)相傳輸技術(shù)的研究大多來(lái)自歐美，主流技術(shù)是通過(guò)相位反饋形成閉環(huán)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)光纖延時(shí)校準(zhǔn)，從而達(dá)到穩(wěn)相傳輸?shù)哪康模]環(huán)控制與引起相位漂移的因素?zé)o關(guān)，因而可以用于任何傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)相控制。該技術(shù)的首要任務(wù)是對(duì)相位擾動(dòng)信息進(jìn)行精確檢測(cè)，據(jù)此可歸納為非相干檢測(cè)和相干檢測(cè)兩種檢測(cè)方式[5?7]。

非相干檢測(cè)方式是通過(guò)解調(diào)后測(cè)量返回微波信號(hào)的相位變化來(lái)提取相位擾動(dòng)信息， 再反饋控制延遲器件對(duì)相位進(jìn)行校準(zhǔn)。與非相干檢測(cè)不同，相干檢測(cè)方式是直接在光域進(jìn)行相位對(duì)比檢測(cè)，由于光波頻率極高，因而該技術(shù)理論上可獲得高精度的相位信息，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)量級(jí)的補(bǔ)償。但目前光域上的相位提取都是基于光學(xué)拍頻的本振信號(hào)傳輸系統(tǒng)，且對(duì)器件要求高，實(shí)現(xiàn)難度較大。

本文將探討利用基于檢波器矢量和原理的非相干檢測(cè)方式，設(shè)計(jì)強(qiáng)度調(diào)制?直接探測(cè)（IM?DD）微波光子鏈路的相位提取、相位補(bǔ)償及信息處理模塊，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)相傳輸[8?10]。

1 實(shí)驗(yàn)原理及方案

1.1 基于矢量和原理的高精度鑒相技術(shù)

如圖1所示，穩(wěn)相系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為相位檢測(cè)、信息處理及相位補(bǔ)償三個(gè)工作模塊。通過(guò)相位檢測(cè)模塊探測(cè)并輸出相位擾動(dòng)信息變量，再由信息處理模塊將其轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)電壓，控制相位補(bǔ)償模塊進(jìn)行電域的相位校正，最終完成閉環(huán)反饋的相位補(bǔ)償鏈路。其中精確的相位波動(dòng)檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)相位準(zhǔn)確補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)，本文利用矢量合波原理來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度相位擾動(dòng)信息的提取。

圖1 穩(wěn)相光傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

假設(shè)攜帶不同相位信息的兩路同頻載波分別為：

[Sref=Arefcos（ωt+αref）]

[Sin=Aincos（ωt+αin）]

利用合波器將其合波后，輸出信號(hào)可以表達(dá)為：

[Sout=Sref+Sin=Arefcos（ωt+αref）+Aincos（ωt+αin）=Aoutcos（ωt+αref+β）]

其中：

[Aout=A2ref+A2in+2ArefAincosΔ?，β=tan-1AinsinΔ?1+ArefcosΔ?， Δ?=αin-αref] （1）

當(dāng)光纖鏈路受到環(huán)境溫度變化影響，信號(hào)[Sin]的相位就會(huì)發(fā)生波動(dòng)，從式（1）中可以看出，只要測(cè)得兩個(gè)子信號(hào)以及總信號(hào)的振幅[Aref，][Ain，][Aout，]就可以獲得[Sin]信號(hào)相對(duì)參考信號(hào)的相位變化量[Δ?]。

由于信號(hào)增益及相位特性與光鏈路性能直接相關(guān)，假設(shè)兩路信號(hào)的增益分別為[Gref、][Gin，]信號(hào)功率為[PRF，]并且微波網(wǎng)絡(luò)都滿足50 Ω匹配，則輸出信號(hào)可表達(dá)為：

[Vref=ZoutGrefPRFcos（ωref+αref）]

[Vin=ZoutGinPRFcos（ωref+αin）]

將[Vref]與[Vin]在電域合波后：

[Vout=Vref+Vin=1+k+2kcosΔ?cos（ωref+Φ）]

式中：[k=GinGref]是兩路信號(hào)的增益比，采用功率形式可表示為：

[Pout=GrefPRF[1+k+2kcosΔ?]2]

則檢波器輸出電壓為：

[Vp=γPout=γ[GrefPRF（1+k+2kcosΔ?）2]]

其中[γ]是檢波器檢測(cè)信號(hào)功率的靈敏度。

當(dāng)[Gref=Gin]時(shí)，鏈路增益比[k=GinGref=1，][Vp=2γGrefPRFcosΔ?2，][Vp∈0，2γZoutGrefPRF]

如圖2所示，可以看出檢波器輸出電壓隨相位差[Δ?]成[2π]周期性變化，當(dāng)系統(tǒng)增益越大或輸入功率越高，相位波動(dòng)引起的檢波器輸出變化范圍也越大，其鑒相的靈敏度也越高。

圖2 檢波器輸出電壓變化

1.2 閉環(huán)反饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在本方案中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，將10 GHz微波信號(hào)源分為兩路，一路信號(hào)作為本地參考信號(hào)，另一路經(jīng)可調(diào)電移相器，通過(guò)MZM載波調(diào)制后送入25 km標(biāo)準(zhǔn)單模光纖中傳輸，光信號(hào)解調(diào)后，經(jīng)功分器分為兩路，一路作為主信號(hào)送至用戶端，另一路與本地的參考信號(hào)合波后送入檢波器，并輸出帶有相位擾動(dòng)信息的電壓變量，再由信息處理模塊計(jì)算并將其轉(zhuǎn)換為合適的驅(qū)動(dòng)電壓反饋至電移相器。實(shí)驗(yàn)采用HMC931LP4E可調(diào)電移相芯片作為相位補(bǔ)償模塊。考慮到系統(tǒng)輸出信號(hào)的增益存在波動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致檢波器輸入端兩路信號(hào)強(qiáng)度不相同，合波后鑒相器的輸出不能具有較大的動(dòng)態(tài)范圍，影響鑒相的精度，所以在鏈路中增設(shè)了電放大器，并使其工作在飽和狀態(tài)以減少信號(hào)增益波動(dòng)對(duì)相位檢測(cè)的影響。

方案中采用MCU8051設(shè)計(jì)信號(hào)處理模塊，以實(shí)現(xiàn)檢波器輸出電壓[Vi]到移相器驅(qū)動(dòng)電壓[Vdrive]的轉(zhuǎn)換。預(yù)先設(shè)定檢波器的參考電壓[Vref，]參考相位差為[Δ?ref=f1（Vref）]。

對(duì)于移相芯片，假定驅(qū)動(dòng)電壓[Vdrive]與其產(chǎn)生的相位變化量[Δ?]之間的關(guān)系為：[Δ?=f2（Vdrive）]，當(dāng)[±2°]時(shí)，即圖3中虛線以上部分1、3點(diǎn)所示，補(bǔ)償單元需增加相位量[Δ?1ref-in，]使之回到參考電壓值上，此時(shí)應(yīng)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電壓[Vdrive=f-12（Δ?1ref-in）]；

當(dāng)[Vin

圖3 信息處理模塊工作原理

據(jù)此，依靠電壓的不斷反饋調(diào)節(jié)，使輸出電壓快速逼近參考值，當(dāng)檢波器的輸出電壓維持恒定不變時(shí)，即可達(dá)到穩(wěn)相傳輸狀態(tài)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)于基本模擬微波光鏈路，由于環(huán)境溫度及應(yīng)力變化的影響，會(huì)使光纖的折射率有輕微的變化，導(dǎo)致微波信號(hào)的相位在傳輸過(guò)程中發(fā)生波動(dòng)，因此在長(zhǎng)距離高頻光傳輸中必須考慮到溫度對(duì)光纖的影響。在標(biāo)準(zhǔn)單模光纖中，光纖的折射率與溫度成正比，溫度系數(shù)一般約為：[α=ΔnΔT=1.1×10-5 ℃-1。]據(jù)此，對(duì)于長(zhǎng)度為[L，]溫度變化為[ΔT]的光纖中，微波信號(hào)的相位波動(dòng)可以表示為：

[Δφ=2π?f?ΔT?α?Lc] （2）

本文在實(shí)驗(yàn)上測(cè)試了標(biāo)準(zhǔn)微波光鏈路在室溫下運(yùn)行的信號(hào)相位變化情況，其中10 GHz微波信號(hào)經(jīng)電光調(diào)制后在25 km標(biāo)準(zhǔn)單模光纖中傳輸，從圖4所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出在600 s內(nèi)信號(hào)相位波動(dòng)超過(guò)三個(gè)信號(hào)周期，約1 100°。根據(jù)式（2），可得溫度變化約為0.3 ℃，符合實(shí)際測(cè)試環(huán)境。

圖4 溫度影響相位波動(dòng)

為改善相位不穩(wěn)定導(dǎo)致的系統(tǒng)性能惡化，實(shí)驗(yàn)按照?qǐng)D1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)搭建了高穩(wěn)相微波光傳輸系統(tǒng)。其中采用EMCORE 1772激光器，波長(zhǎng)1 550 nm，輸出功率40 mW；調(diào)制器為OCLARO AM?20 20G模擬強(qiáng)度調(diào)制器；使用Agilent公司矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀提供10 GHz信號(hào)源并對(duì)輸出信號(hào)相位響應(yīng)特性進(jìn)行了測(cè)量記錄，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 穩(wěn)相光傳輸系統(tǒng)傳輸工作情況

[T1]區(qū)間為斷開(kāi)信息處理模塊與移相器連接的狀態(tài)下，系統(tǒng)自由運(yùn)行的相位波形，可以看出光纖受環(huán)境影響發(fā)生明顯的相位起落波動(dòng)。[T2]區(qū)間為接通信息處理模塊與移相器，形成閉環(huán)反饋后系統(tǒng)初始化的過(guò)程，系統(tǒng)為選取參考相位值對(duì)整個(gè)鑒相區(qū)間進(jìn)行兩個(gè)周期的掃描。[T3]區(qū)間為系統(tǒng)的相位鎖定階段，可以看出在選定參考值后，系統(tǒng)形成閉環(huán)反饋并控制信號(hào)相位迅速地向參考值處收斂，最終保持穩(wěn)定運(yùn)行，在測(cè)試時(shí)間內(nèi)微波信號(hào)相位波動(dòng)控制在±2°以內(nèi)，驗(yàn)證了該方案的可行性。

該系統(tǒng)的相位調(diào)節(jié)能力主要受合波后檢波器鑒相精度的限制。在合適的微波頻率范圍內(nèi)，通過(guò)提高信號(hào)增益，檢波器可以獲得更大的輸出動(dòng)態(tài)范圍，提高檢測(cè)精度；通過(guò)選擇具有更好線性度的檢波器，當(dāng)合波后信號(hào)相位偏差量較小而輸出大信號(hào)時(shí)，檢波器也能具有較高的靈敏度。另外通過(guò)優(yōu)化信息處理模塊的算法，使反饋電壓更加快速準(zhǔn)確，控制可調(diào)諧電移相器及時(shí)的進(jìn)行補(bǔ)償縮小相位誤差，最終使輸出信號(hào)相位能夠穩(wěn)定在參考值處，達(dá)到穩(wěn)相目的。因此利用檢波器矢量合波及可調(diào)諧電移相器實(shí)現(xiàn)微波光鏈路穩(wěn)定相位傳輸?shù)姆桨甘强尚械摹?/p>

3 結(jié) 論

本文針對(duì)基于矢量合波原理的微波信號(hào)高穩(wěn)相傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析，測(cè)試了光傳輸過(guò)程中微波信號(hào)相位的抖動(dòng)情況，得到了矢量合波后檢波器的輸出電壓隨相位偏差量變化的關(guān)系，并利用閉環(huán)反饋系統(tǒng)對(duì)微波相位進(jìn)行有效控制，實(shí)現(xiàn)了微波光鏈路中信號(hào)的穩(wěn)定傳輸，驗(yàn)證了該方案的可行性。

參考文獻(xiàn)

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圖5 穩(wěn)相光傳輸系統(tǒng)傳輸工作情況

[T1]區(qū)間為斷開(kāi)信息處理模塊與移相器連接的狀態(tài)下，系統(tǒng)自由運(yùn)行的相位波形，可以看出光纖受環(huán)境影響發(fā)生明顯的相位起落波動(dòng)。[T2]區(qū)間為接通信息處理模塊與移相器，形成閉環(huán)反饋后系統(tǒng)初始化的過(guò)程，系統(tǒng)為選取參考相位值對(duì)整個(gè)鑒相區(qū)間進(jìn)行兩個(gè)周期的掃描。[T3]區(qū)間為系統(tǒng)的相位鎖定階段，可以看出在選定參考值后，系統(tǒng)形成閉環(huán)反饋并控制信號(hào)相位迅速地向參考值處收斂，最終保持穩(wěn)定運(yùn)行，在測(cè)試時(shí)間內(nèi)微波信號(hào)相位波動(dòng)控制在±2°以內(nèi)，驗(yàn)證了該方案的可行性。

該系統(tǒng)的相位調(diào)節(jié)能力主要受合波后檢波器鑒相精度的限制。在合適的微波頻率范圍內(nèi)，通過(guò)提高信號(hào)增益，檢波器可以獲得更大的輸出動(dòng)態(tài)范圍，提高檢測(cè)精度；通過(guò)選擇具有更好線性度的檢波器，當(dāng)合波后信號(hào)相位偏差量較小而輸出大信號(hào)時(shí)，檢波器也能具有較高的靈敏度。另外通過(guò)優(yōu)化信息處理模塊的算法，使反饋電壓更加快速準(zhǔn)確，控制可調(diào)諧電移相器及時(shí)的進(jìn)行補(bǔ)償縮小相位誤差，最終使輸出信號(hào)相位能夠穩(wěn)定在參考值處，達(dá)到穩(wěn)相目的。因此利用檢波器矢量合波及可調(diào)諧電移相器實(shí)現(xiàn)微波光鏈路穩(wěn)定相位傳輸?shù)姆桨甘强尚械摹?/p>

3 結(jié) 論

本文針對(duì)基于矢量合波原理的微波信號(hào)高穩(wěn)相傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析，測(cè)試了光傳輸過(guò)程中微波信號(hào)相位的抖動(dòng)情況，得到了矢量合波后檢波器的輸出電壓隨相位偏差量變化的關(guān)系，并利用閉環(huán)反饋系統(tǒng)對(duì)微波相位進(jìn)行有效控制，實(shí)現(xiàn)了微波光鏈路中信號(hào)的穩(wěn)定傳輸，驗(yàn)證了該方案的可行性。

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圖5 穩(wěn)相光傳輸系統(tǒng)傳輸工作情況

[T1]區(qū)間為斷開(kāi)信息處理模塊與移相器連接的狀態(tài)下，系統(tǒng)自由運(yùn)行的相位波形，可以看出光纖受環(huán)境影響發(fā)生明顯的相位起落波動(dòng)。[T2]區(qū)間為接通信息處理模塊與移相器，形成閉環(huán)反饋后系統(tǒng)初始化的過(guò)程，系統(tǒng)為選取參考相位值對(duì)整個(gè)鑒相區(qū)間進(jìn)行兩個(gè)周期的掃描。[T3]區(qū)間為系統(tǒng)的相位鎖定階段，可以看出在選定參考值后，系統(tǒng)形成閉環(huán)反饋并控制信號(hào)相位迅速地向參考值處收斂，最終保持穩(wěn)定運(yùn)行，在測(cè)試時(shí)間內(nèi)微波信號(hào)相位波動(dòng)控制在±2°以內(nèi)，驗(yàn)證了該方案的可行性。

該系統(tǒng)的相位調(diào)節(jié)能力主要受合波后檢波器鑒相精度的限制。在合適的微波頻率范圍內(nèi)，通過(guò)提高信號(hào)增益，檢波器可以獲得更大的輸出動(dòng)態(tài)范圍，提高檢測(cè)精度；通過(guò)選擇具有更好線性度的檢波器，當(dāng)合波后信號(hào)相位偏差量較小而輸出大信號(hào)時(shí)，檢波器也能具有較高的靈敏度。另外通過(guò)優(yōu)化信息處理模塊的算法，使反饋電壓更加快速準(zhǔn)確，控制可調(diào)諧電移相器及時(shí)的進(jìn)行補(bǔ)償縮小相位誤差，最終使輸出信號(hào)相位能夠穩(wěn)定在參考值處，達(dá)到穩(wěn)相目的。因此利用檢波器矢量合波及可調(diào)諧電移相器實(shí)現(xiàn)微波光鏈路穩(wěn)定相位傳輸?shù)姆桨甘强尚械摹?/p>

3 結(jié) 論

本文針對(duì)基于矢量合波原理的微波信號(hào)高穩(wěn)相傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析，測(cè)試了光傳輸過(guò)程中微波信號(hào)相位的抖動(dòng)情況，得到了矢量合波后檢波器的輸出電壓隨相位偏差量變化的關(guān)系，并利用閉環(huán)反饋系統(tǒng)對(duì)微波相位進(jìn)行有效控制，實(shí)現(xiàn)了微波光鏈路中信號(hào)的穩(wěn)定傳輸，驗(yàn)證了該方案的可行性。

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