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        基于可調(diào)光延時(shí)線的射頻信號(hào)長(zhǎng)距離光纖穩(wěn)相傳輸技術(shù)研究

        2021-11-09 11:50:34趙明峰
        艦船電子對(duì)抗 2021年5期
        關(guān)鍵詞:長(zhǎng)距離信號(hào)

        趙明峰,楊 康

        (中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所,江蘇 揚(yáng)州 225101)

        0 引 言

        射頻信號(hào)的穩(wěn)相傳輸在光相控陣系統(tǒng)、分布式相參雷達(dá)以及無(wú)線通信中有著重要的應(yīng)用[1-5],而在長(zhǎng)距離射頻信號(hào)的穩(wěn)相傳輸中,光纖具有傳輸損耗小、傳輸帶寬寬等優(yōu)點(diǎn),從而被廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)距離射頻信號(hào)的穩(wěn)相傳輸。但是,由于外界環(huán)境主要是溫度,震動(dòng)以及外界應(yīng)力的作用下,光纖的傳輸特性會(huì)發(fā)生變化,射頻信號(hào)在光纖傳輸?shù)臅r(shí)延也會(huì)發(fā)生變化,從而導(dǎo)致射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離光纖傳輸后,信號(hào)相位的穩(wěn)定度下降,從而影響了射頻信號(hào)的傳輸質(zhì)量[6-7]。

        目前,射頻信號(hào)穩(wěn)相傳輸?shù)南辔谎a(bǔ)償方法主要包括電域補(bǔ)償法和光域補(bǔ)償法2種[8-11]。電域補(bǔ)償法主要通過(guò)檢測(cè)射頻信號(hào)被傳輸至遠(yuǎn)端的相位變化,控制電移相器等調(diào)節(jié)器件補(bǔ)償相位。該方法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單,但是由于類似電移相器等電域調(diào)節(jié)器件的參數(shù)限制,該方法補(bǔ)償范圍較小且相位調(diào)節(jié)精度低;光域補(bǔ)償法一般采用混頻相消的原理,通過(guò)設(shè)計(jì)有效的光纖鏈路系統(tǒng),對(duì)整個(gè)光纖鏈路的相位抖動(dòng)進(jìn)行消除,理論上該方法具有無(wú)限的補(bǔ)償范圍,且不依賴電域上的相位補(bǔ)償模塊,但是該方法系統(tǒng)較為復(fù)雜,不利于工程應(yīng)用。

        本文采用了基于可調(diào)光延時(shí)線的相位補(bǔ)償方案,首先通過(guò)高精度的遠(yuǎn)端射頻信號(hào)與本地信號(hào)的相位差檢測(cè),控制高精度的可調(diào)光延時(shí)線,改變射頻信號(hào)在光纖傳輸?shù)臅r(shí)延,從而實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的相位有效補(bǔ)償。

        1 基于可調(diào)光延時(shí)線的射頻信號(hào)長(zhǎng)距離光纖穩(wěn)相傳輸原理

        射頻信號(hào)在光纖傳輸?shù)臅r(shí)延為:

        (1)

        式中:c為光速;n為光纖的折射率;L為光纖的長(zhǎng)度。

        由式(1)可得,射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)L距離的光纖傳輸引起的相位變化為:

        φ=2πfnL

        (2)

        當(dāng)外界溫度發(fā)生改變,或者光纖受到外界環(huán)境的應(yīng)力作用時(shí),信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖傳輸?shù)臅r(shí)延就會(huì)發(fā)生改變,從而傳輸相位也會(huì)發(fā)生變化。研究表明,外界環(huán)境溫度和外界環(huán)境對(duì)光纖應(yīng)力的變化導(dǎo)致信號(hào)在光纖傳輸?shù)臅r(shí)延改變都是在幾十皮秒量級(jí)[12-14],并且由公式(2)可知,光纖越長(zhǎng),延遲變化就越大。假設(shè)10 GHz的射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)10 km光纖進(jìn)行傳輸,外界溫度和環(huán)境應(yīng)力對(duì)光纖的時(shí)延改變?yōu)?0 ps,那么由公式(2)可得,其相位漂移了270°。另外,由于外界環(huán)境和應(yīng)力變化的實(shí)時(shí)性,對(duì)射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖傳輸后的時(shí)延也需要實(shí)時(shí)補(bǔ)償。

        本文采用了基于可調(diào)光延時(shí)線的穩(wěn)相傳輸方法,如圖1所示。以1 GHz射頻信號(hào)為參考信號(hào),通過(guò)合路器,參考信號(hào)與射頻傳輸信號(hào)同時(shí)進(jìn)入長(zhǎng)距離光纖和可調(diào)光延時(shí)線中,并通過(guò)探測(cè)器將2路信號(hào)解調(diào)出來(lái)。當(dāng)長(zhǎng)距離光纖發(fā)生溫度變化或在外界應(yīng)力作用下,信號(hào)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離光纖的傳輸時(shí)延發(fā)生變化后,通過(guò)對(duì)被傳輸后的參考信號(hào)與未被傳輸?shù)膮⒖夹盘?hào)進(jìn)行高精度相位檢測(cè),然后對(duì)高精度的可調(diào)光延時(shí)線進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償,從而保證參考信號(hào)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離光纖傳輸后的相位穩(wěn)定性。當(dāng)參考信號(hào)保持高精度的相位穩(wěn)定性或者高精度的相位誤差補(bǔ)償后,射頻信號(hào)按照一定的關(guān)系也可以保持相位的穩(wěn)定性。

        圖1 基于可調(diào)光延時(shí)線的射頻信號(hào)長(zhǎng)距離光纖穩(wěn)相傳輸系統(tǒng)

        基于可調(diào)光延時(shí)線的射頻信號(hào)長(zhǎng)距離光纖穩(wěn)相傳輸原理如下:

        (3)

        (4)

        可調(diào)光延時(shí)線的時(shí)延為τ1,假設(shè)因外界環(huán)境和應(yīng)力變化,射頻信號(hào)和參考信號(hào)在光纖傳輸?shù)臅r(shí)延發(fā)生改變,為τ,其對(duì)應(yīng)的相位改變分別為:

        φ1B=2πfSτ

        (5)

        φ′1B=2πfCτ

        (6)

        則在外界環(huán)境和應(yīng)力變化的條件下,射頻傳輸信號(hào)與參考信號(hào)從進(jìn)入到長(zhǎng)距離光纖到被解調(diào)出來(lái),其相位分別為:

        φS=φ0+φ1+2πfSτ1+φ1B

        (7)

        φC=φ′0+φ′1+2πfCτ1+φ′1B

        (8)

        由上述公式可知,通過(guò)控制可調(diào)光延時(shí)線的時(shí)延τ和τ′盡量使得2πfSτ1+φ1B=0,2πfCτ1+φ′1B=0,這樣就可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的穩(wěn)相傳輸。為滿足實(shí)際應(yīng)用的需求,本文引入一路參考信號(hào),通過(guò)檢測(cè)參考信號(hào)的相位變化,利用可調(diào)光延時(shí)線實(shí)現(xiàn)對(duì)參考信號(hào)的相位實(shí)時(shí)高精度補(bǔ)償,這樣就可以保證射頻傳輸信號(hào)的相位誤差滿足實(shí)際應(yīng)用需求。其原理如下:

        Δφ′=2πfCτ1′+φ′1B=2πfCτ1+2πfCτ

        (9)

        Δφ=2πfSτ1+φ1B=2πfSτ1+2πfSτ

        (10)

        由式(9)與(10)可得:

        (11)

        由式(11)可知,因外界溫度和應(yīng)力變化噪聲的參考信號(hào)傳輸相位誤差保持在一定范圍之內(nèi),那么在一定頻率范圍內(nèi)的射頻傳輸信號(hào)的相位誤差也在要求范圍之內(nèi),這樣就可以保證射頻傳輸信號(hào)的高精度穩(wěn)相傳輸。假設(shè)1 GHz參考信號(hào)的穩(wěn)相傳輸相位誤差為0.1°,那么10 GHz信號(hào)的穩(wěn)相傳輸相位誤差為1°。

        2 基于可調(diào)光延時(shí)線的射頻信號(hào)長(zhǎng)距離光纖穩(wěn)相傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

        如圖1所示,基于可調(diào)光延時(shí)線的射頻信號(hào)長(zhǎng)距離光纖穩(wěn)相傳輸系統(tǒng)主要包括2路激光器和電光調(diào)制器模塊、1 GHz參考信號(hào)源、放大器、功分器、長(zhǎng)距離光纖、合路器、探測(cè)器、可調(diào)光延時(shí)線(VODL)以及高精度鑒相及相位補(bǔ)償控制模塊等。激光器與調(diào)制器模塊用于將信號(hào)調(diào)制至光信號(hào)上并通過(guò)長(zhǎng)距離光纖進(jìn)行傳輸,探測(cè)器模塊用于解調(diào)出射頻信號(hào),可調(diào)光延時(shí)線(VODL)用于調(diào)節(jié)信號(hào)在長(zhǎng)距離光纖傳輸?shù)难訒r(shí),高精度鑒相及相位補(bǔ)償控制模塊主要用于對(duì)參考信號(hào)傳輸遠(yuǎn)端后通過(guò)功分器反饋的信號(hào)與本地參考信號(hào)進(jìn)行高精度鑒相,并通過(guò)控制VODL實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)相位補(bǔ)償,從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的穩(wěn)相傳輸。

        2.1 基于STM32處理的高精度鑒相與相位補(bǔ)償模塊設(shè)計(jì)

        基于STM32處理器的高精度鑒相與相位補(bǔ)償系統(tǒng)主要包括STM32處理器、模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)模塊、高精度鑒相模塊、加法器模塊、濾波放大模塊及相位補(bǔ)償控制模塊等,其系統(tǒng)框圖如圖2所示。

        圖2 基于STM32處理器的高精度鑒相與相位補(bǔ)償系統(tǒng)

        圖2中,本地參考信號(hào)與經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離光纖傳輸后反饋的信號(hào)分別通過(guò)濾波放大后,進(jìn)入高精度的相位差測(cè)量模塊,ADC模塊將相位差模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)入STM32處理器模塊,STM32處理模塊通過(guò)相位差數(shù)值,計(jì)算出VODL的補(bǔ)償數(shù)值,通過(guò)串口將補(bǔ)償數(shù)值發(fā)送至VODL,最終實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)穩(wěn)相控制。

        高精度相位差測(cè)量模塊主要由鑒相模塊、濾波模塊以及加法器模塊組成。鑒相模塊主要是將2路信號(hào)的相位差轉(zhuǎn)化為2路模擬信號(hào),通過(guò)濾波處理,進(jìn)入加法器模塊,最終得到與2路信號(hào)的相位差有線性關(guān)系的模擬電壓信號(hào)。鑒相模塊采用ADI公司的HMC439數(shù)字鑒相芯片,該模塊的鑒相輸入頻率范圍為10 MHz~1 300 MHz,鑒相范圍為4π,輸入信號(hào)功率范圍為-10 dBm~10 dBm,且響應(yīng)速度快。

        2.2 可調(diào)光延時(shí)線VODL

        與射頻延時(shí)線、電移相器相比,本文采用的可調(diào)光延時(shí)線VODL具有延時(shí)范圍大、延時(shí)調(diào)節(jié)精度高等特點(diǎn),且可調(diào)光延時(shí)線傳輸帶寬寬,最高可傳輸上百GHz的信號(hào)。本文采用單通道步進(jìn)可調(diào)的光延時(shí)線,其延時(shí)最大值為1 650 ps,延時(shí)精度為0.05 ps,控制方式為串口控制。

        3 試驗(yàn)測(cè)試

        按照?qǐng)D1搭建基于可調(diào)光延時(shí)線的射頻信號(hào)長(zhǎng)距離光纖穩(wěn)相傳輸系統(tǒng),2路半導(dǎo)體激光器波長(zhǎng)選為1 550.012 nm、1 550.785 nm,調(diào)制器選用20 GHz的馬赫-曾德爾調(diào)制器,參考信號(hào)選用1 GHz的單點(diǎn)頻源,功率為5 dBm,射頻傳輸信號(hào)選用10 GHz功率為0 dBm的連續(xù)波信號(hào),光纖選用1 km的單模光纖。

        首先將可調(diào)光延時(shí)線置于中間點(diǎn),并將10 km光纖放置于高低溫箱中。為了驗(yàn)證外界溫度變化對(duì)信號(hào)在光纖傳輸中的相位影響,將高低溫箱從0°到50°設(shè)置,關(guān)閉高精度鑒相與相位補(bǔ)償模塊,利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)置10 GHz的信號(hào),并測(cè)量遠(yuǎn)端處的相位變化,得到溫度與相位的相應(yīng)曲線如圖3所示。

        圖3 關(guān)閉高精度鑒相與補(bǔ)償模塊

        為了驗(yàn)證基于可調(diào)光延時(shí)線的射頻信號(hào)長(zhǎng)距離光纖穩(wěn)相傳輸系統(tǒng)的有效性,打開高精度鑒相與相位補(bǔ)償模塊,將1 km光纖放置于高低溫箱中,設(shè)置溫度0°~50°,同樣用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)置10 GHz信號(hào),并測(cè)量遠(yuǎn)端處的相位變化情況,如圖4所示。

        圖4 運(yùn)行高精度鑒相與補(bǔ)償模塊

        由圖3可知,若沒有高精度鑒相與相位補(bǔ)償,10 GHz的連續(xù)波信號(hào)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離光纖傳輸后,在溫度變化的條件下,系統(tǒng)遠(yuǎn)端處的相位發(fā)生了明顯的跳變。由圖4可知,加載高精度鑒相與相位補(bǔ)償后,10 GHz的射頻信號(hào)相位保持了穩(wěn)定性,基本穩(wěn)定在±10°。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        針對(duì)外界環(huán)境溫度或者外界應(yīng)力的變化會(huì)對(duì)光纖的折射率等參數(shù)造成影響,從而使信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖傳輸后發(fā)生相位不穩(wěn)定的現(xiàn)象,本文提出了一種基于可調(diào)光延時(shí)線的射頻信號(hào)長(zhǎng)距離光纖穩(wěn)相傳輸方法。通過(guò)高精度鑒相與相位補(bǔ)償模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),利用高精度的可調(diào)光延時(shí)線對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行相位補(bǔ)償,從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的長(zhǎng)距離光纖穩(wěn)相傳輸,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了基于可調(diào)光延時(shí)線的射頻信號(hào)長(zhǎng)距離光纖的穩(wěn)相傳輸系統(tǒng)的有效性。本文的研究可為射頻信號(hào)穩(wěn)相傳輸?shù)墓こ虘?yīng)用提供一定的基礎(chǔ)。

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