基于可调光延时线的射频信号长距离光纤稳相传输技术研究

赵明峰，杨 康

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所,江苏 扬州 225101)

0 引 言

射频信号的稳相传输在光相控阵系统、分布式相参雷达以及无线通信中有着重要的应用[1-5]，而在长距离射频信号的稳相传输中，光纤具有传输损耗小、传输带宽宽等优点，从而被广泛应用于长距离射频信号的稳相传输。但是，由于外界环境主要是温度，震动以及外界应力的作用下，光纤的传输特性会发生变化，射频信号在光纤传输的时延也会发生变化，从而导致射频信号经过长距离光纤传输后，信号相位的稳定度下降，从而影响了射频信号的传输质量[6-7]。

目前，射频信号稳相传输的相位补偿方法主要包括电域补偿法和光域补偿法2种[8-11]。电域补偿法主要通过检测射频信号被传输至远端的相位变化，控制电移相器等调节器件补偿相位。该方法系统结构较为简单，但是由于类似电移相器等电域调节器件的参数限制，该方法补偿范围较小且相位调节精度低；光域补偿法一般采用混频相消的原理，通过设计有效的光纤链路系统，对整个光纤链路的相位抖动进行消除，理论上该方法具有无限的补偿范围，且不依赖电域上的相位补偿模块，但是该方法系统较为复杂，不利于工程应用。

本文采用了基于可调光延时线的相位补偿方案，首先通过高精度的远端射频信号与本地信号的相位差检测，控制高精度的可调光延时线，改变射频信号在光纤传输的时延，从而实现射频信号的相位有效补偿。

1 基于可调光延时线的射频信号长距离光纤稳相传输原理

射频信号在光纤传输的时延为：

(1)

式中：c为光速；n为光纤的折射率；L为光纤的长度。

由式(1)可得，射频信号经过L距离的光纤传输引起的相位变化为：

φ=2πfnL

(2)

当外界温度发生改变，或者光纤受到外界环境的应力作用时，信号经过光纤传输的时延就会发生改变，从而传输相位也会发生变化。研究表明，外界环境温度和外界环境对光纤应力的变化导致信号在光纤传输的时延改变都是在几十皮秒量级[12-14]，并且由公式(2)可知，光纤越长，延迟变化就越大。假设10 GHz的射频信号经过10 km光纤进行传输，外界温度和环境应力对光纤的时延改变为50 ps，那么由公式(2)可得，其相位漂移了270°。另外，由于外界环境和应力变化的实时性，对射频信号经过光纤传输后的时延也需要实时补偿。

本文采用了基于可调光延时线的稳相传输方法，如图1所示。以1 GHz射频信号为参考信号，通过合路器，参考信号与射频传输信号同时进入长距离光纤和可调光延时线中，并通过探测器将2路信号解调出来。当长距离光纤发生温度变化或在外界应力作用下，信号经过长距离光纤的传输时延发生变化后，通过对被传输后的参考信号与未被传输的参考信号进行高精度相位检测，然后对高精度的可调光延时线进行实时补偿，从而保证参考信号经过长距离光纤传输后的相位稳定性。当参考信号保持高精度的相位稳定性或者高精度的相位误差补偿后，射频信号按照一定的关系也可以保持相位的稳定性。

图1 基于可调光延时线的射频信号长距离光纤稳相传输系统

基于可调光延时线的射频信号长距离光纤稳相传输原理如下：

(3)

(4)

可调光延时线的时延为τ1，假设因外界环境和应力变化，射频信号和参考信号在光纤传输的时延发生改变，为τ，其对应的相位改变分别为：

φ1B=2πfSτ

(5)

φ′1B=2πfCτ

(6)

则在外界环境和应力变化的条件下，射频传输信号与参考信号从进入到长距离光纤到被解调出来，其相位分别为：

φS=φ0+φ1+2πfSτ1+φ1B

(7)

φC=φ′0+φ′1+2πfCτ1+φ′1B

(8)

由上述公式可知，通过控制可调光延时线的时延τ和τ′尽量使得2πfSτ1+φ1B=0，2πfCτ1+φ′1B=0，这样就可以实现信号的稳相传输。为满足实际应用的需求，本文引入一路参考信号，通过检测参考信号的相位变化，利用可调光延时线实现对参考信号的相位实时高精度补偿，这样就可以保证射频传输信号的相位误差满足实际应用需求。其原理如下：

Δφ′=2πfCτ1′+φ′1B=2πfCτ1+2πfCτ

(9)

Δφ=2πfSτ1+φ1B=2πfSτ1+2πfSτ

(10)

由式(9)与(10)可得：

(11)

由式(11)可知，因外界温度和应力变化噪声的参考信号传输相位误差保持在一定范围之内，那么在一定频率范围内的射频传输信号的相位误差也在要求范围之内，这样就可以保证射频传输信号的高精度稳相传输。假设1 GHz参考信号的稳相传输相位误差为0.1°，那么10 GHz信号的稳相传输相位误差为1°。

2 基于可调光延时线的射频信号长距离光纤稳相传输系统设计实现

如图1所示，基于可调光延时线的射频信号长距离光纤稳相传输系统主要包括2路激光器和电光调制器模块、1 GHz参考信号源、放大器、功分器、长距离光纤、合路器、探测器、可调光延时线(VODL)以及高精度鉴相及相位补偿控制模块等。激光器与调制器模块用于将信号调制至光信号上并通过长距离光纤进行传输，探测器模块用于解调出射频信号，可调光延时线(VODL)用于调节信号在长距离光纤传输的延时，高精度鉴相及相位补偿控制模块主要用于对参考信号传输远端后通过功分器反馈的信号与本地参考信号进行高精度鉴相，并通过控制VODL实现实时动态相位补偿，从而实现信号的稳相传输。

2.1 基于STM32处理的高精度鉴相与相位补偿模块设计

基于STM32处理器的高精度鉴相与相位补偿系统主要包括STM32处理器、模数转换(ADC)模块、高精度鉴相模块、加法器模块、滤波放大模块及相位补偿控制模块等，其系统框图如图2所示。

图2 基于STM32处理器的高精度鉴相与相位补偿系统

图2中，本地参考信号与经过长距离光纤传输后反馈的信号分别通过滤波放大后，进入高精度的相位差测量模块，ADC模块将相位差模拟信号转换为数字信号进入STM32处理器模块，STM32处理模块通过相位差数值，计算出VODL的补偿数值，通过串口将补偿数值发送至VODL，最终实现实时动态稳相控制。

高精度相位差测量模块主要由鉴相模块、滤波模块以及加法器模块组成。鉴相模块主要是将2路信号的相位差转化为2路模拟信号，通过滤波处理，进入加法器模块，最终得到与2路信号的相位差有线性关系的模拟电压信号。鉴相模块采用ADI公司的HMC439数字鉴相芯片，该模块的鉴相输入频率范围为10 MHz～1 300 MHz，鉴相范围为4π，输入信号功率范围为-10 dBm～10 dBm,且响应速度快。

2.2 可调光延时线VODL

与射频延时线、电移相器相比，本文采用的可调光延时线VODL具有延时范围大、延时调节精度高等特点，且可调光延时线传输带宽宽，最高可传输上百GHz的信号。本文采用单通道步进可调的光延时线，其延时最大值为1 650 ps，延时精度为0.05 ps，控制方式为串口控制。

3 试验测试

按照图1搭建基于可调光延时线的射频信号长距离光纤稳相传输系统，2路半导体激光器波长选为1 550.012 nm、1 550.785 nm，调制器选用20 GHz的马赫-曾德尔调制器，参考信号选用1 GHz的单点频源，功率为5 dBm，射频传输信号选用10 GHz功率为0 dBm的连续波信号，光纤选用1 km的单模光纤。

首先将可调光延时线置于中间点，并将10 km光纤放置于高低温箱中。为了验证外界温度变化对信号在光纤传输中的相位影响，将高低温箱从0°到50°设置，关闭高精度鉴相与相位补偿模块，利用矢量网络分析仪设置10 GHz的信号，并测量远端处的相位变化，得到温度与相位的相应曲线如图3所示。

图3 关闭高精度鉴相与补偿模块

为了验证基于可调光延时线的射频信号长距离光纤稳相传输系统的有效性，打开高精度鉴相与相位补偿模块，将1 km光纤放置于高低温箱中，设置温度0°～50°，同样用矢量网络分析仪设置10 GHz信号，并测量远端处的相位变化情况，如图4所示。

图4 运行高精度鉴相与补偿模块

由图3可知，若没有高精度鉴相与相位补偿，10 GHz的连续波信号经过长距离光纤传输后，在温度变化的条件下，系统远端处的相位发生了明显的跳变。由图4可知，加载高精度鉴相与相位补偿后，10 GHz的射频信号相位保持了稳定性，基本稳定在±10°。

4 结束语

针对外界环境温度或者外界应力的变化会对光纤的折射率等参数造成影响，从而使信号经过光纤传输后发生相位不稳定的现象，本文提出了一种基于可调光延时线的射频信号长距离光纤稳相传输方法。通过高精度鉴相与相位补偿模块的设计与实现，利用高精度的可调光延时线对整个系统进行相位补偿，从而实现信号的长距离光纤稳相传输，实验结果表明了基于可调光延时线的射频信号长距离光纤的稳相传输系统的有效性。本文的研究可为射频信号稳相传输的工程应用提供一定的基础。