基于矢量合波原理的微波稳相光传输研究

摘 要： 针对微波光子链路在实际应用中信号相位受光纤温度变化产生的波动，利用检波器矢量和原理检测微波信号的相位偏差量，并设计了信息处理模块控制可调谐电移相器进行精准的相位补偿，实现微波信号的相位稳定传送。在理论模型的基础上，实验测试了温度变化对微波光链路相位的影响，并构造了微波稳相光传输系统，使用25 km的标准单模光纤传输10 GHz微波信号，对系统输出信号进行了长时间测量，相位波动稳定控制在±2°以内，实验结果验证了该方案的可行性。

关键词： 微波光子学； 光纤链路； 相位稳定； 矢量和

中图分类号： TN911.74?34 文献标识码： A 文章编号： 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

近年来，微波光子技术凭借其轻便灵活，带宽高，抗电磁干扰和保密性强等优点，在相控阵雷达系统、空间技术、电子战以及天文测量等领域被大量应用。在模拟微波光子链路中，受不可控的环境温度及应力影响，光纤的折射率、长度将发生细微变化，从而导致信号的相位也不可避免的产生随机波动，严重的恶化了信号质量，影响了系统性能及长期稳定性。对于相控阵系统，精准的相位控制是形成准确波束扫描角度的关键；在现代测量学和物理学中，时钟评估、相对测试、基本常量测试等试验中都需要保证同步信号的相位稳定；在现代深空探测技术中，大型天线阵需要从中心站分配相干的低相位噪声及低相位漂移毫米波本振信号，以便将各个子天线外差接受的信号进行相干合成。所以信号相位的高稳定光传输是这些领域必须要解决的关键问题[1?4]。

目前稳相传输技术的研究大多来自欧美，主流技术是通过相位反馈形成闭环控制来实现光纤延时校准，从而达到稳相传输的目的，闭环控制与引起相位漂移的因素无关，因而可以用于任何传输系统的稳相控制。该技术的首要任务是对相位扰动信息进行精确检测，据此可归纳为非相干检测和相干检测两种检测方式[5?7]。

非相干检测方式是通过解调后测量返回微波信号的相位变化来提取相位扰动信息， 再反馈控制延迟器件对相位进行校准。与非相干检测不同，相干检测方式是直接在光域进行相位对比检测，由于光波频率极高，因而该技术理论上可获得高精度的相位信息，实现波长量级的补偿。但目前光域上的相位提取都是基于光学拍频的本振信号传输系统，且对器件要求高，实现难度较大。

本文将探讨利用基于检波器矢量和原理的非相干检测方式，设计强度调制?直接探测（IM?DD）微波光子链路的相位提取、相位补偿及信息处理模块，以实现系统的稳相传输[8?10]。

1 实验原理及方案

1.1 基于矢量和原理的高精度鉴相技术

如图1所示，稳相系统结构可分为相位检测、信息处理及相位补偿三个工作模块。通过相位检测模块探测并输出相位扰动信息变量，再由信息处理模块将其转换为驱动电压，控制相位补偿模块进行电域的相位校正，最终完成闭环反馈的相位补偿链路。其中精确的相位波动检测是实现相位准确补偿的基础，本文利用矢量合波原理来实现高精度相位扰动信息的提取。

图1 稳相光传输系统结构

假设携带不同相位信息的两路同频载波分别为：

[Sref=Arefcos（ωt+αref）]

[Sin=Aincos（ωt+αin）]

利用合波器将其合波后，输出信号可以表达为：

[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）

当光纤链路受到环境温度变化影响，信号[Sin]的相位就会发生波动，从式（1）中可以看出，只要测得两个子信号以及总信号的振幅[Aref，][Ain，][Aout，]就可以获得[Sin]信号相对参考信号的相位变化量[Δ?]。

由于信号增益及相位特性与光链路性能直接相关，假设两路信号的增益分别为[Gref、][Gin，]信号功率为[PRF，]并且微波网络都满足50 Ω匹配，则输出信号可表达为：

[Vref=ZoutGrefPRFcos（ωref+αref）]

[Vin=ZoutGinPRFcos（ωref+αin）]

将[Vref]与[Vin]在电域合波后：

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

式中：[k=GinGref]是两路信号的增益比，采用功率形式可表示为：

[Pout=GrefPRF[1+k+2kcosΔ?]2]

则检波器输出电压为：

[Vp=γPout=γ[GrefPRF（1+k+2kcosΔ?）2]]

其中[γ]是检波器检测信号功率的灵敏度。

当[Gref=Gin]时，链路增益比[k=GinGref=1，][Vp=2γGrefPRFcosΔ?2，][Vp∈0，2γZoutGrefPRF]

如图2所示，可以看出检波器输出电压随相位差[Δ?]成[2π]周期性变化，当系统增益越大或输入功率越高，相位波动引起的检波器输出变化范围也越大，其鉴相的灵敏度也越高。

图2 检波器输出电压变化

1.2 闭环反馈系统结构

在本方案中，系统结构如图1所示，将10 GHz微波信号源分为两路，一路信号作为本地参考信号，另一路经可调电移相器，通过MZM载波调制后送入25 km标准单模光纤中传输，光信号解调后，经功分器分为两路，一路作为主信号送至用户端，另一路与本地的参考信号合波后送入检波器，并输出带有相位扰动信息的电压变量，再由信息处理模块计算并将其转换为合适的驱动电压反馈至电移相器。实验采用HMC931LP4E可调电移相芯片作为相位补偿模块。考虑到系统输出信号的增益存在波动，会导致检波器输入端两路信号强度不相同，合波后鉴相器的输出不能具有较大的动态范围，影响鉴相的精度，所以在链路中增设了电放大器，并使其工作在饱和状态以减少信号增益波动对相位检测的影响。

方案中采用MCU8051设计信号处理模块，以实现检波器输出电压[Vi]到移相器驱动电压[Vdrive]的转换。预先设定检波器的参考电压[Vref，]参考相位差为[Δ?ref=f1（Vref）]。

对于移相芯片，假定驱动电压[Vdrive]与其产生的相位变化量[Δ?]之间的关系为：[Δ?=f2（Vdrive）]，当[±2°]时，即图3中虚线以上部分1、3点所示，补偿单元需增加相位量[Δ?1ref-in，]使之回到参考电压值上，此时应产生驱动电压[Vdrive=f-12（Δ?1ref-in）]；

当[Vin

图3 信息处理模块工作原理

据此，依靠电压的不断反馈调节，使输出电压快速逼近参考值，当检波器的输出电压维持恒定不变时，即可达到稳相传输状态。

2 实验结果及分析

对于基本模拟微波光链路，由于环境温度及应力变化的影响，会使光纤的折射率有轻微的变化，导致微波信号的相位在传输过程中发生波动，因此在长距离高频光传输中必须考虑到温度对光纤的影响。在标准单模光纤中，光纤的折射率与温度成正比，温度系数一般约为：[α=ΔnΔT=1.1×10-5 ℃-1。]据此，对于长度为[L，]温度变化为[ΔT]的光纤中，微波信号的相位波动可以表示为：

[Δφ=2π?f?ΔT?α?Lc] （2）

本文在实验上测试了标准微波光链路在室温下运行的信号相位变化情况，其中10 GHz微波信号经电光调制后在25 km标准单模光纤中传输，从图4所示实验结果，可以看出在600 s内信号相位波动超过三个信号周期，约1 100°。根据式（2），可得温度变化约为0.3 ℃，符合实际测试环境。

图4 温度影响相位波动

为改善相位不稳定导致的系统性能恶化，实验按照图1所示的系统结构搭建了高稳相微波光传输系统。其中采用EMCORE 1772激光器，波长1 550 nm，输出功率40 mW；调制器为OCLARO AM?20 20G模拟强度调制器；使用Agilent公司矢量网络分析仪提供10 GHz信号源并对输出信号相位响应特性进行了测量记录，测试结果如图5所示。

图5 稳相光传输系统传输工作情况

[T1]区间为断开信息处理模块与移相器连接的状态下，系统自由运行的相位波形，可以看出光纤受环境影响发生明显的相位起落波动。[T2]区间为接通信息处理模块与移相器，形成闭环反馈后系统初始化的过程，系统为选取参考相位值对整个鉴相区间进行两个周期的扫描。[T3]区间为系统的相位锁定阶段，可以看出在选定参考值后，系统形成闭环反馈并控制信号相位迅速地向参考值处收敛，最终保持稳定运行，在测试时间内微波信号相位波动控制在±2°以内，验证了该方案的可行性。

该系统的相位调节能力主要受合波后检波器鉴相精度的限制。在合适的微波频率范围内，通过提高信号增益，检波器可以获得更大的输出动态范围，提高检测精度；通过选择具有更好线性度的检波器，当合波后信号相位偏差量较小而输出大信号时，检波器也能具有较高的灵敏度。另外通过优化信息处理模块的算法，使反馈电压更加快速准确，控制可调谐电移相器及时的进行补偿缩小相位误差，最终使输出信号相位能够稳定在参考值处，达到稳相目的。因此利用检波器矢量合波及可调谐电移相器实现微波光链路稳定相位传输的方案是可行的。

3 结 论

本文针对基于矢量合波原理的微波信号高稳相传输系统进行了理论分析，测试了光传输过程中微波信号相位的抖动情况，得到了矢量合波后检波器的输出电压随相位偏差量变化的关系，并利用闭环反馈系统对微波相位进行有效控制，实现了微波光链路中信号的稳定传输，验证了该方案的可行性。

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