一种相位抖动补偿方法及补偿系统技术方案

本发明专利技术提供了一种相位抖动补偿方法及补偿系统，引入导频信号进行往返传输来感知外界环境变化带来的相位抖动，利用光开关的切换来实现单个相位误差校正单元与分布式系统中各个通道的映射，再通过相位误差校正实现分布式系统的相位误差补偿；其中，所述相位误差校正的方法包括，利用鉴相单元提取相位误差，结合比例积分放大算法控制光可调延迟线。与现有技术相比，不仅仅可以适用于民用领域中的时频超稳传输，由于其宽带性和多通道分布式等优点也适用于解决大阵列电子信息系统中的时钟同步以及时变信号的稳定传输。

【技术实现步骤摘要】
一种相位抖动补偿方法及补偿系统
本专利技术涉及一种相位抖动补偿方法及补偿系统，涉及无线电及光通信领域。
技术介绍
高质量的频率源是现代电子系统的核心，推动了许多领域的发展，比如导航、高速通信、天文观测、航天测控、相控阵雷达等。以雷达应用为例，雷达通过发射无线电碰撞目标并反射来测量目标的距离、速度和方向，如果无线电信号噪声过大，目标的一些微小移动或尺寸变化引起的电信号变化不足以从噪声中分辨出来，此时频率源的噪声将严重限制雷达探测的分辨率。同样，在航天测控应用中，由于航天器自身体积、能耗的限制，其发射信号的功率十分有限，因此地面测控天线所接收到的信号十分微弱，如果天线处的频率源信号噪声过大，将淹没航天器发回的下行信号，严重影响航天测控的灵敏度。上个世纪起，美国的喷气推进实验室给国家航空航天局(NASA)的深空探测网(DSN)设计稳定的时间和频率传输系统。DSN以经度120度为间隔分布在三个地方，每个地点与高稳频率源的产生都相距几十公里。若不进行时频同步，DSN网络中的天线将无法进行协调，从而失去对深空探测的能力。近几十年来，我国在航空、航天等领域不断取得进步。嫦娥一号到三号的成功标志着我国已经开始向深空探测领域迈进，更遥远的小行星和其他行星的探测任务也在计划论证之中，这对我国的航天测控系统的探测分辨率和灵敏度提出了更高的要求。而随着原子频率标准的发展，频率源的产生质量越来越高，但是基于传统电学的传输和分配方法所能达到的稳定度己经远远低于原子钟的稳定度，这一矛盾使得通过光纤来传输频率信号成为了一种极具前景的解决方案。具体来说，目前已经有很多方法可以基于光学手段实现信号相位抖动的补偿。美国国家标准技术研究所(NIST)和科罗拉多大学的天体物理学联合研究所(JILA)通过改变光程的补偿方式首次基于锁模激光器实现了高精度的频率信号传输系统短稳达到3×10-14，长稳为8×10-15。2007年，NIST和JILA再度合作，第一次提出使用光频率梳来同时传输射频频标和光频标，在32km光纤距离传输的飞秒光频梳稳定度达到了10-17(秒稳)和10-19(天稳)。同年，由美国、加拿大、欧洲和日本共同建立的阿塔卡玛大型毫米波阵列项目报道了类似的光纤频率稳相传输技术，通过往返传输信号与未传输信号比较得到误差信号，用该误差信号控制快变和慢变的两个光纤挤压器，来补偿链路的相位抖动，实现秒稳为2×10-12的稳定传输。2010年法国物理激光实验室通过将快变误差信号反馈到压电陶瓷(PZT)的技术手段，在86km的郊区通信网络光纤链路中实现了9.5GHz信号的高精度频率传输，得到了秒稳为1.5×10-15和日稳10-18的稳定度。2012年德国马克斯-普朗克研究所在两根反平行的通信光纤链路上实现了920km的光频率稳相传输，秒稳达到5×10-15。以上方案各有优点，也各自使用与不同的应用领域，其中往返信号传输方案的补偿精度高而受到广泛的关注和研究。但是，现有技术方案大部分是以高延时、小带宽以及频率已知等限制为代价，并且难以支持波分复用系统和分布式系统。因此，适用于分布式系统的信号相位抖动补偿方法的研究在民用以及军民融合的电子信息系统中具有重大意义与应用价值。
技术实现思路
本专利技术提供了一种相位抖动补偿方法，具有无需得到传输信号的频率信息，适用于分布式系统的相位误差补偿的特点。根据本专利技术提供的一种相位抖动补偿方法，具体方法包括，引入导频信号进行往返传输来感知外界环境变化带来的相位抖动，利用光开关的切换来实现单个相位误差校正单元与分布式系统中各个通道的映射，再通过相位误差校正实现分布式系统的相位误差补偿；其中，所述相位误差校正的方法包括，利用鉴相单元提取相位误差，结合比例积分放大(PID)算法控制光可调延迟线；采用比例积分放大算法的具体方法包括：初始化各个参数，包括当前采样周期Ts、前一时刻T-1的相位误差、T-1时刻前一时刻T-2时刻的相位误差以及比例和系数；通过比例控制反映当前时刻的误差，向着误差减小的方向比例调节。采用比例积分放大算法的具体方法包括：初始化积分的系数，通过积分控制使系统误差不断积累，以消除系统的稳态误差。采用比例积分放大算法的具体方法包括：初始化微分的系数，通过微分控制减小超调，克服振荡，提高系统的稳定性，同时加快系统的响应速度，从而抑制偏差向任一方向变化。一种相位抖动补偿系统，适用于上述相位抖动补偿方法，其特征在于：包括依次相连的光导频信号输入单元101、第一光放大器102、1×N光功分器103、N个第一光环形器1041～104N、N个光可调延迟线1051～105N、N段光纤1061～106N、N个第二光环形器1071～107N、N个可调光衰减器1081～108N、N个第一光波分复用器1101～110N和N个第二光放大器1111～111N；所述1×N光功分器103分别与N个第一光环形器1041～104N相连；所述N个第一光环形器1041～104N、N个光可调延迟线1051～105N、N段光纤1061～106N、N个第二光环形器1071～107N、N个可调光衰减器1081～108N、N个第一光波分复用器1101～110N和N个第二光放大器1111～111N一一对应依次相连构成N个信号线路；所述N个第二光放大器1111～111N又与N个第二光环形器1071～107N一一对应相连；还包括N个第二波分解复用器1121～112N，信号输入端与N个第一光环形器1041～104N一一对应相连，信号输出端分别通过N×1光开关113与相位误差校正单元114相连；所述相位误差校正单元114又分别与N个光可调延迟线1051～105N相连；所述N个第一光波分复用器1101～110N又各对应相连有M个光信号输入单元10911～109MM；光导频信号101经过第一光放大器102后由1×N的光功分器103平均功分N路信号，再通过相应N个第一光环形器1041～104N进入N个可调光衰减器1081～108N进行相位预补偿；预补偿后的导频信号进入各自的光纤中进行传输；传输后的信号经过第二光环形器和可调光衰减器后与位于不同地方的远端M个光信号一起进入光波分复用器中；复用后的光信号由相应的第二光放大器进行功率放大后再次进入光纤中传输；传输后的多通道信号和导频信号一起进入光可调延迟线进行相位补偿，接着通过第一光环形器和第二波分解复用器进行通道分离；最后将分离出的N个导频信号通过N×1的光开关113后进入相位误差校正单元114进行误差提取，并将此误差值反馈到相应的光可调延迟线中进行相位误差补偿，实现M个光信号的实时相位抖动补偿。与现有技术相比，不仅仅可以适用于民用领域中的时频超稳传输，由于其宽带性和多通道分布式等优点也适用于解决大阵列电子信息系统中的时钟同步以及时变信号的稳定传输。附图说明图1为本专利技术其中一实施例的相位抖动补偿系统原理结构示意图。图2为本专利技术其中一实施方式的相位误差校正单元的原理示意图。图3为本专利技术其中一实施方式的比例积分放大算法原理示意图。图4为本专利技术其中一实施方式的比例积分放大算法流程示意图。图5为本专利技术其中一实施方式的典型一天气温变换趋势示意图。图6为图5所示实施例中当频点为12GHz和18GHz时的信号传输相位抖动结果，其中(a本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种相位抖动补偿方法，具体方法包括，引入导频信号进行往返传输来感知外界环境变化带来的相位抖动，利用光开关的切换来实现单个相位误差校正单元与分布式系统中各个通道的映射，再通过相位误差校正实现分布式系统的相位误差补偿；其中，所述相位误差校正的方法包括，利用鉴相单元提取相位误差，结合比例积分放大算法控制光可调延迟线；采用比例积分放大算法的具体方法包括：初始化各个参数，包括当前采样周期Ts、前一时刻T‑1的相位误差、T‑1时刻前一时刻T‑2时刻的相位误差以及比例和系数；通过比例控制反映当前时刻的误差，向着误差减小的方向比例调节。

【技术特征摘要】
1.一种相位抖动补偿方法，具体方法包括，引入导频信号进行往返传输来感知外界环境变化带来的相位抖动，利用光开关的切换来实现单个相位误差校正单元与分布式系统中各个通道的映射，再通过相位误差校正实现分布式系统的相位误差补偿；其中，所述相位误差校正的方法包括，利用鉴相单元提取相位误差，结合比例积分放大算法控制光可调延迟线；采用比例积分放大算法的具体方法包括：初始化各个参数，包括当前采样周期Ts、前一时刻T-1的相位误差、T-1时刻前一时刻T-2时刻的相位误差以及比例和系数；通过比例控制反映当前时刻的误差，向着误差减小的方向比例调节。2.根据权利要求1所述的相位抖动补偿方法，采用比例积分放大算法的具体方法还包括：初始化积分的系数，通过积分控制使系统误差不断积累，以消除系统的稳态误差。3.根据权利要求2所述的相位抖动补偿方法，采用比例积分放大算法的具体方法还包括：初始化微分的系数，通过微分控制减小超调，克服振荡，提高系统的稳定性，同时加快系统的响应速度，从而抑制偏差向任一方向变化。4.一种相位抖动补偿系统，适用于上述相位抖动补偿方法，其特征在于：包括依次相连的光导频信号输入单元(101)、第一光放大器(102)、1×N光功分器(103)、N个第一光环形器(1041～104N)、N个光可调延迟线(1051～105N)、N段光纤(1061～106N)、N个第二光环形器(1071～107N)、N个可调光衰减器(1081～108N)、N个第一光波分复用器(1101～110N)和N个第二光放大器(1111～111N)；所述1×N光功分器(103)分别与N个第一光环形器(1041～104N)相连；所述N个第一光环形器(1041～104N)、N个光...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈智宇，周涛，钟欣，刘静娴，王茂汶，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第二十九研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51