基于矢量合波原理的微波穩相光傳輸研究

田嘉逸+吳國成

摘 要： 針對微波光子鏈路在實際應用中信號相位受光纖溫度變化產生的波動，利用檢波器矢量和原理檢測微波信號的相位偏差量，并設計了信息處理模塊控制可調諧電移相器進行精準的相位補償，實現微波信號的相位穩定傳送。在理論模型的基礎上，實驗測試了溫度變化對微波光鏈路相位的影響，并構造了微波穩相光傳輸系統，使用25 km的標準單模光纖傳輸10 GHz微波信號，對系統輸出信號進行了長時間測量，相位波動穩定控制在±2°以內，實驗結果驗證了該方案的可行性。

關鍵詞： 微波光子學； 光纖鏈路； 相位穩定； 矢量和

中圖分類號： TN911.74?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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，微波光子技術憑借其輕便靈活，帶寬高，抗電磁干擾和保密性強等優點，在相控陣雷達系統、空間技術、電子戰以及天文測量等領域被大量應用。在模擬微波光子鏈路中，受不可控的環境溫度及應力影響，光纖的折射率、長度將發生細微變化，從而導致信號的相位也不可避免的產生隨機波動，嚴重的惡化了信號質量，影響了系統性能及長期穩定性。對于相控陣系統，精準的相位控制是形成準確波束掃描角度的關鍵；在現代測量學和物理學中，時鐘評估、相對測試、基本常量測試等試驗中都需要保證同步信號的相位穩定；在現代深空探測技術中，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，以便將各個子天線外差接受的信號進行相干合成。所以信號相位的高穩定光傳輸是這些領域必須要解決的關鍵問題[1?4]。

目前穩相傳輸技術的研究大多來自歐美，主流技術是通過相位反饋形成閉環控制來實現光纖延時校準，從而達到穩相傳輸的目的，閉環控制與引起相位漂移的因素無關，因而可以用于任何傳輸系統的穩相控制。該技術的首要任務是對相位擾動信息進行精確檢測，據此可歸納為非相干檢測和相干檢測兩種檢測方式[5?7]。

非相干檢測方式是通過解調后測量返回微波信號的相位變化來提取相位擾動信息， 再反饋控制延遲器件對相位進行校準。與非相干檢測不同，相干檢測方式是直接在光域進行相位對比檢測，由于光波頻率極高，因而該技術理論上可獲得高精度的相位信息，實現波長量級的補償。但目前光域上的相位提取都是基于光學拍頻的本振信號傳輸系統，且對器件要求高，實現難度較大。

本文將探討利用基于檢波器矢量和原理的非相干檢測方式，設計強度調制?直接探測（IM?DD）微波光子鏈路的相位提取、相位補償及信息處理模塊，以實現系統的穩相傳輸[8?10]。

1 實驗原理及方案

1.1 基于矢量和原理的高精度鑒相技術

如圖1所示，穩相系統結構可分為相位檢測、信息處理及相位補償三個工作模塊。通過相位檢測模塊探測并輸出相位擾動信息變量，再由信息處理模塊將其轉換為驅動電壓，控制相位補償模塊進行電域的相位校正，最終完成閉環反饋的相位補償鏈路。其中精確的相位波動檢測是實現相位準確補償的基礎，本文利用矢量合波原理來實現高精度相位擾動信息的提取。

圖1 穩相光傳輸系統結構

假設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，輸出信號可以表達為：

[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）

當光纖鏈路受到環境溫度變化影響，信號[Sin]的相位就會發生波動，從式（1）中可以看出，只要測得兩個子信號以及總信號的振幅[Aref，][Ain，][Aout，]就可以獲得[Sin]信號相對參考信號的相位變化量[Δ?]。

由于信號增益及相位特性與光鏈路性能直接相關，假設兩路信號的增益分別為[Gref、][Gin，]信號功率為[PRF，]并且微波網絡都滿足50 Ω匹配，則輸出信號可表達為：

[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]是檢波器檢測信號功率的靈敏度。

當[Gref=Gin]時，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，當系統增益越大或輸入功率越高，相位波動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 閉環反饋系統結構

在本方案中，系統結構如圖1所示，將10 GHz微波信號源分為兩路，一路信號作為本地參考信號，另一路經可調電移相器，通過MZM載波調制后送入25 km標準單模光纖中傳輸，光信號解調后，經功分器分為兩路，一路作為主信號送至用戶端，另一路與本地的參考信號合波后送入檢波器，并輸出帶有相位擾動信息的電壓變量，再由信息處理模塊計算并將其轉換為合適的驅動電壓反饋至電移相器。實驗采用HMC931LP4E可調電移相芯片作為相位補償模塊。考慮到系統輸出信號的增益存在波動，會導致檢波器輸入端兩路信號強度不相同，合波后鑒相器的輸出不能具有較大的動態范圍，影響鑒相的精度，所以在鏈路中增設了電放大器，并使其工作在飽和狀態以減少信號增益波動對相位檢測的影響。

方案中采用MCU8051設計信號處理模塊，以實現檢波器輸出電壓[Vi]到移相器驅動電壓[Vdrive]的轉換。預先設定檢波器的參考電壓[Vref，]參考相位差為[Δ?ref=f1（Vref）]。

對于移相芯片，假定驅動電壓[Vdrive]與其產生的相位變化量[Δ?]之間的關系為：[Δ?=f2（Vdrive）]，當[±2°]時，即圖3中虛線以上部分1、3點所示，補償單元需增加相位量[Δ?1ref-in，]使之回到參考電壓值上，此時應產生驅動電壓[Vdrive=f-12（Δ?1ref-in）]；

當[Vin

圖3 信息處理模塊工作原理

據此，依靠電壓的不斷反饋調節，使輸出電壓快速逼近參考值，當檢波器的輸出電壓維持恒定不變時，即可達到穩相傳輸狀態。

2 實驗結果及分析

對于基本模擬微波光鏈路，由于環境溫度及應力變化的影響，會使光纖的折射率有輕微的變化，導致微波信號的相位在傳輸過程中發生波動，因此在長距離高頻光傳輸中必須考慮到溫度對光纖的影響。在標準單模光纖中，光纖的折射率與溫度成正比，溫度系數一般約為：[α=ΔnΔT=1.1×10-5 ℃-1。]據此，對于長度為[L，]溫度變化為[ΔT]的光纖中，微波信號的相位波動可以表示為：

[Δφ=2π?f?ΔT?α?Lc] （2）

本文在實驗上測試了標準微波光鏈路在室溫下運行的信號相位變化情況，其中10 GHz微波信號經電光調制后在25 km標準單模光纖中傳輸，從圖4所示實驗結果，可以看出在600 s內信號相位波動超過三個信號周期，約1 100°。根據式（2），可得溫度變化約為0.3 ℃，符合實際測試環境。

圖4 溫度影響相位波動

為改善相位不穩定導致的系統性能惡化，實驗按照圖1所示的系統結構搭建了高穩相微波光傳輸系統。其中采用EMCORE 1772激光器，波長1 550 nm，輸出功率40 mW；調制器為OCLARO AM?20 20G模擬強度調制器；使用Agilent公司矢量網絡分析儀提供10 GHz信號源并對輸出信號相位響應特性進行了測量記錄，測試結果如圖5所示。

圖5 穩相光傳輸系統傳輸工作情況

[T1]區間為斷開信息處理模塊與移相器連接的狀態下，系統自由運行的相位波形，可以看出光纖受環境影響發生明顯的相位起落波動。[T2]區間為接通信息處理模塊與移相器，形成閉環反饋后系統初始化的過程，系統為選取參考相位值對整個鑒相區間進行兩個周期的掃描。[T3]區間為系統的相位鎖定階段，可以看出在選定參考值后，系統形成閉環反饋并控制信號相位迅速地向參考值處收斂，最終保持穩定運行，在測試時間內微波信號相位波動控制在±2°以內，驗證了該方案的可行性。

該系統的相位調節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，通過提高信號增益，檢波器可以獲得更大的輸出動態范圍，提高檢測精度；通過選擇具有更好線性度的檢波器，當合波后信號相位偏差量較小而輸出大信號時，檢波器也能具有較高的靈敏度。另外通過優化信息處理模塊的算法，使反饋電壓更加快速準確，控制可調諧電移相器及時的進行補償縮小相位誤差，最終使輸出信號相位能夠穩定在參考值處，達到穩相目的。因此利用檢波器矢量合波及可調諧電移相器實現微波光鏈路穩定相位傳輸的方案是可行的。

3 結 論

本文針對基于矢量合波原理的微波信號高穩相傳輸系統進行了理論分析，測試了光傳輸過程中微波信號相位的抖動情況，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系，并利用閉環反饋系統對微波相位進行有效控制，實現了微波光鏈路中信號的穩定傳輸，驗證了該方案的可行性。

參考文獻

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圖5 穩相光傳輸系統傳輸工作情況

[T1]區間為斷開信息處理模塊與移相器連接的狀態下，系統自由運行的相位波形，可以看出光纖受環境影響發生明顯的相位起落波動。[T2]區間為接通信息處理模塊與移相器，形成閉環反饋后系統初始化的過程，系統為選取參考相位值對整個鑒相區間進行兩個周期的掃描。[T3]區間為系統的相位鎖定階段，可以看出在選定參考值后，系統形成閉環反饋并控制信號相位迅速地向參考值處收斂，最終保持穩定運行，在測試時間內微波信號相位波動控制在±2°以內，驗證了該方案的可行性。

該系統的相位調節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，通過提高信號增益，檢波器可以獲得更大的輸出動態范圍，提高檢測精度；通過選擇具有更好線性度的檢波器，當合波后信號相位偏差量較小而輸出大信號時，檢波器也能具有較高的靈敏度。另外通過優化信息處理模塊的算法，使反饋電壓更加快速準確，控制可調諧電移相器及時的進行補償縮小相位誤差，最終使輸出信號相位能夠穩定在參考值處，達到穩相目的。因此利用檢波器矢量合波及可調諧電移相器實現微波光鏈路穩定相位傳輸的方案是可行的。

3 結 論

本文針對基于矢量合波原理的微波信號高穩相傳輸系統進行了理論分析，測試了光傳輸過程中微波信號相位的抖動情況，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系，并利用閉環反饋系統對微波相位進行有效控制，實現了微波光鏈路中信號的穩定傳輸，驗證了該方案的可行性。

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圖5 穩相光傳輸系統傳輸工作情況

[T1]區間為斷開信息處理模塊與移相器連接的狀態下，系統自由運行的相位波形，可以看出光纖受環境影響發生明顯的相位起落波動。[T2]區間為接通信息處理模塊與移相器，形成閉環反饋后系統初始化的過程，系統為選取參考相位值對整個鑒相區間進行兩個周期的掃描。[T3]區間為系統的相位鎖定階段，可以看出在選定參考值后，系統形成閉環反饋并控制信號相位迅速地向參考值處收斂，最終保持穩定運行，在測試時間內微波信號相位波動控制在±2°以內，驗證了該方案的可行性。

該系統的相位調節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，通過提高信號增益，檢波器可以獲得更大的輸出動態范圍，提高檢測精度；通過選擇具有更好線性度的檢波器，當合波后信號相位偏差量較小而輸出大信號時，檢波器也能具有較高的靈敏度。另外通過優化信息處理模塊的算法，使反饋電壓更加快速準確，控制可調諧電移相器及時的進行補償縮小相位誤差，最終使輸出信號相位能夠穩定在參考值處，達到穩相目的。因此利用檢波器矢量合波及可調諧電移相器實現微波光鏈路穩定相位傳輸的方案是可行的。

3 結 論

本文針對基于矢量合波原理的微波信號高穩相傳輸系統進行了理論分析，測試了光傳輸過程中微波信號相位的抖動情況，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系，并利用閉環反饋系統對微波相位進行有效控制，實現了微波光鏈路中信號的穩定傳輸，驗證了該方案的可行性。

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