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)。