一種基于STM32處理器的長距離光纖微波穩(wěn)相傳輸系統(tǒng)設(shè)計

趙明峰，郝 汀

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所,江蘇 揚州 225101)

0 引 言

射頻信號的穩(wěn)定傳輸是分布式電子對抗系統(tǒng)工作過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，射頻信號傳輸?shù)臏蚀_性直接決定了整個電子對抗系統(tǒng)工作的有效性。傳統(tǒng)的射頻信號傳輸方式主要包括無線傳輸和電纜傳輸這2種方式，無線傳輸方式原理簡單，但是傳輸帶寬受限，容易受到天氣和環(huán)境的影響；通過電纜進行有線的信號傳輸技術(shù)成熟度較高，但是體積大，信號衰減較大。近年來，隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展，利用長距離光纖進行微波信號的傳輸成為可能。光纖傳輸具有傳輸帶寬寬、損耗低、抗電磁干擾能力強等優(yōu)點，然而長距離光纖鏈路容易受到外界溫度或者外界的機械抖動等影響，從而導(dǎo)致長距離光纖的有效長度以及折射率發(fā)生變化，進而使得微波信號通過長距離光纖傳輸后的相位發(fā)生抖動，最終令傳輸信號的準確性下降。因此，基于長距離光纖的微波信號的穩(wěn)相傳輸成為研究的熱點[1-15]。

目前，長距離微波穩(wěn)相傳輸方式主要有基于光相干混頻方式和基于微波混頻的穩(wěn)相傳輸2種方式?；诠庀喔苫祛l方式的穩(wěn)相傳輸采用傳輸信號與參考信號進行混頻從而獲得相位誤差，通過反饋補償光延時實現(xiàn)穩(wěn)相傳輸，該方法受限于光源的相干長度，對系統(tǒng)的穩(wěn)定度要求高；基于微波混頻的穩(wěn)相傳輸方式是通過直接測量調(diào)制到光載波上的微波信號的相位變化，通過反饋補償控制相位，從而實現(xiàn)穩(wěn)相傳輸，該方法原理簡單，但系統(tǒng)架構(gòu)復(fù)雜[16-17]。

本文采用電域補償?shù)姆€(wěn)相傳輸方案，即通過獲取本地信號與遠端返回的微波傳輸信號的相位差信息，利用高精度的可調(diào)延時線實現(xiàn)光纖鏈路的穩(wěn)相傳輸。

1 基于STM32處理器的長距離微波穩(wěn)相傳輸系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 基本原理

實現(xiàn)長距離微波信號的穩(wěn)相傳輸，需要檢測外界溫度、環(huán)境應(yīng)力等變化對光纖鏈路的影響，通過反饋控制光鏈路中的可調(diào)延時線，從而調(diào)整整個光纖鏈路的絕對長度，可以實現(xiàn)遠端輸出信號相位的穩(wěn)定。本文采用的系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖

如圖1所示，本地射頻信號通過可調(diào)延時線與長距離光纖傳輸至遠端，此時通過耦合器將遠端的信號反饋進光鏈路中去，時間間隔測量是獲取反饋信號與初始信號傳輸?shù)臅r間差，數(shù)據(jù)處理部分通過計算補償值，從而控制可調(diào)延時線，最終實現(xiàn)遠端信號的穩(wěn)相傳輸。

假設(shè)參考信號的初始相位[18]為φ(0)，可調(diào)延時線的總長度為L(ps)，該信號通過長距離光纖傳輸引入的相位變化為φ(f)，該信號通過耦合器返回進入光鏈路中，該返回信號經(jīng)過長距離光纖與可調(diào)延時線后的相位為φ(T)，時間為T，此時的參考信號的相位為φ′(T)，那么可以得到：

φ(T)-φ′(T)=φ(0)-φ′(T)+2(2πfL+φ(f))

(1)

φ(0)-φ′(T)=2πfT

(2)

因此:

φ(T)-φ′(T)=2πfT+2(2πfL+φ(f))

(3)

由上式可以看出，通過控制可調(diào)延時線，從而改變光鏈路的絕對長度，使得式(3)中的2πfL+φ(f)為一常數(shù)，從而可以保證遠端輸出的信號的相位φ(0)+2πfL+φ(f)為一常數(shù)，從而保證遠端輸出信號的相位穩(wěn)定。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計

基于STM32處理器的長距離微波穩(wěn)相傳輸系統(tǒng)主要包括激光器模塊、調(diào)制器模塊、時間間隔測量模塊、長距離光纖模塊、相位控制模塊等組成。其中，激光器模塊采用Emcore公司的1782DWDM激光器，輸出1 550 nm的光源，調(diào)制器模塊采用Oclaro公司的PowerBit SD-20型號，用于微波射頻信號的調(diào)制，時間間隔模塊采用TDC-GP1芯片，用于時間間隔測量，相位控制模塊主要包括STM32處理器模塊、通用異步接收傳送器(UART)通信模塊、相位補償模塊、帶通濾波模塊以及探測器等組成。具體框圖如圖2所示。

圖2 基于STM32處理器的長距離微波穩(wěn)相傳輸系統(tǒng)架構(gòu)

由圖2所示，通過激光器產(chǎn)生1 550 nm的光信號，將微波射頻信號通過馬赫曾德爾調(diào)制器調(diào)制到光信號進行傳輸，通過長距離光纖傳輸后，經(jīng)過光電探測器轉(zhuǎn)化成微波射頻信號，在整個傳輸鏈路中，耦合器1和耦合器2分出的信號分別通過光電探測器和帶通濾波模塊進入TDC模塊，STM32處理器通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)對TDC模塊的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)化，從而得到微波射頻信號經(jīng)過長距離傳輸后的相位差，STM32處理器通過控制高精度的可調(diào)延時線實現(xiàn)對傳輸鏈路的相位補償，最終實現(xiàn)微波射頻信號的穩(wěn)相傳輸。

2 試驗驗證

激光器模塊采用Emcore公司的1782DWDM激光器，調(diào)制器采用Oclaro公司的PowerBit SD-20，單模光纖長度為50 km，射頻信號的加載與檢測通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)置。射頻信號加載20 GHz的單點頻信號。為了驗證長距離光纖微波穩(wěn)相傳輸系統(tǒng)的有效性，分別測量未加載該穩(wěn)相傳輸系統(tǒng)條件下的射頻信號相位變化與加載該穩(wěn)相傳輸系統(tǒng)條件下的射頻信號相位變化，通過比較判斷該系統(tǒng)是否有效。

未加載該穩(wěn)相傳輸系統(tǒng)，測量20 GHz的射頻信號經(jīng)過50 km單模光纖傳輸后的相位變化，得到曲線如圖3所示。

圖3 未加載系統(tǒng)，20G Hz射頻信號經(jīng)過50 km傳輸后相位變化

加載該穩(wěn)相傳輸系統(tǒng)后，測量20 GHz的射頻信號經(jīng)過50km光纖傳輸后的相位變化，得到曲線如圖4所示。

圖4 加載系統(tǒng)，20 GHz射頻信號經(jīng)過50 km傳輸后相位變化

由圖3與圖4可知，當未加載長距離光纖微波穩(wěn)相傳輸系統(tǒng)時，沒有實時對鏈路進行補償，20 GHz射頻信號經(jīng)過50 km傳輸后相位發(fā)生了明顯的漂移，相位差最大值約為-432°；當加載該系統(tǒng)后，對鏈路進行相位補償，射頻信號經(jīng)過50 km傳輸后相位漂移量明顯變小。

3 結(jié)束語

本文研究了長距離光纖微波穩(wěn)相傳輸系統(tǒng)，分析了穩(wěn)相傳輸?shù)脑?，然后提出了一種基于STM32處理器的長距離微波穩(wěn)相傳輸系統(tǒng)架構(gòu)，通過實驗對比驗證了該系統(tǒng)的有效性。本研究對于微波信號穩(wěn)相傳輸技術(shù)的工程應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。