一種基于STM32處理器的長距離光纖微波穩相傳輸系統設計

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

射頻信號的穩定傳輸是分布式電子對抗系統工作過程中的關鍵環節，射頻信號傳輸的準確性直接決定了整個電子對抗系統工作的有效性。傳統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，容易受到天氣和環境的影響；通過電纜進行有線的信號傳輸技術成熟度較高，但是體積大，信號衰減較大。近年來，隨著光纖通信技術的發展，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，從而導致長距離光纖的有效長度以及折射率發生變化，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相傳輸成為研究的熱點[1-15]。

目前，長距離微波穩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相傳輸2種方式。基于光相干混頻方式的穩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穩相傳輸，該方法受限于光源的相干長度，對系統的穩定度要求高；基于微波混頻的穩相傳輸方式是通過直接測量調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，從而實現穩相傳輸，該方法原理簡單，但系統架構復雜[16-17]。

本文采用電域補償的穩相傳輸方案，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，利用高精度的可調延時線實現光纖鏈路的穩相傳輸。

1 基于STM32處理器的長距離微波穩相傳輸系統架構

1.1 基本原理

實現長距離微波信號的穩相傳輸，需要檢測外界溫度、環境應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延時線，從而調整整個光纖鏈路的絕對長度，可以實現遠端輸出信號相位的穩定。本文采用的系統原理結構如圖1所示。

圖1 系統原理結構框圖

如圖1所示，本地射頻信號通過可調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的時間差，數據處理部分通過計算補償值，從而控制可調延時線，最終實現遠端信號的穩相傳輸。

假設參考信號的初始相位[18]為φ(0)，可調延時線的總長度為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，該返回信號經過長距離光纖與可調延時線后的相位為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，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，從而保證遠端輸出信號的相位穩定。

1.2 系統設計

基于STM32處理器的長距離微波穩相傳輸系統主要包括激光器模塊、調制器模塊、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相傳輸系統架構

由圖2所示，通過激光器產生1 550 nm的光信號，將微波射頻信號通過馬赫曾德爾調制器調制到光信號進行傳輸，通過長距離光纖傳輸后，經過光電探測器轉化成微波射頻信號，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處理器通過模數轉換器(ADC)對TDC模塊的數據進行轉化，從而得到微波射頻信號經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延時線實現對傳輸鏈路的相位補償，最終實現微波射頻信號的穩相傳輸。

2 試驗驗證

激光器模塊采用Emcore公司的1782DWDM激光器，調制器采用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絡分析儀設置。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相傳輸系統的有效性，分別測量未加載該穩相傳輸系統條件下的射頻信號相位變化與加載該穩相傳輸系統條件下的射頻信號相位變化，通過比較判斷該系統是否有效。

未加載該穩相傳輸系統，測量20 GHz的射頻信號經過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，20G Hz射頻信號經過50 km傳輸后相位變化

加載該穩相傳輸系統后，測量20 GHz的射頻信號經過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，20 GHz射頻信號經過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相傳輸系統時，沒有實時對鏈路進行補償，20 GHz射頻信號經過50 km傳輸后相位發生了明顯的漂移，相位差最大值約為-432°；當加載該系統后，對鏈路進行相位補償，射頻信號經過50 km傳輸后相位漂移量明顯變小。

3 結束語

本文研究了長距離光纖微波穩相傳輸系統，分析了穩相傳輸的原理，然后提出了一種基于STM32處理器的長距離微波穩相傳輸系統架構，通過實驗對比驗證了該系統的有效性。本研究對于微波信號穩相傳輸技術的工程應用具有一定的指導意義。