一种基于STM32处理器的长距离光纤微波稳相传输系统设计

赵明峰，郝 汀

(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

射频信号的稳定传输是分布式电子对抗系统工作过程中的关键环节，射频信号传输的准确性直接决定了整个电子对抗系统工作的有效性。传统的射频信号传输方式主要包括无线传输和电缆传输这2种方式，无线传输方式原理简单，但是传输带宽受限，容易受到天气和环境的影响；通过电缆进行有线的信号传输技术成熟度较高，但是体积大，信号衰减较大。近年来，随着光纤通信技术的发展，利用长距离光纤进行微波信号的传输成为可能。光纤传输具有传输带宽宽、损耗低、抗电磁干扰能力强等优点，然而长距离光纤链路容易受到外界温度或者外界的机械抖动等影响，从而导致长距离光纤的有效长度以及折射率发生变化，进而使得微波信号通过长距离光纤传输后的相位发生抖动，最终令传输信号的准确性下降。因此，基于长距离光纤的微波信号的稳相传输成为研究的热点[1-15]。

目前，长距离微波稳相传输方式主要有基于光相干混频方式和基于微波混频的稳相传输2种方式。基于光相干混频方式的稳相传输采用传输信号与参考信号进行混频从而获得相位误差，通过反馈补偿光延时实现稳相传输，该方法受限于光源的相干长度，对系统的稳定度要求高；基于微波混频的稳相传输方式是通过直接测量调制到光载波上的微波信号的相位变化，通过反馈补偿控制相位，从而实现稳相传输，该方法原理简单，但系统架构复杂[16-17]。

本文采用电域补偿的稳相传输方案，即通过获取本地信号与远端返回的微波传输信号的相位差信息，利用高精度的可调延时线实现光纤链路的稳相传输。

1 基于STM32处理器的长距离微波稳相传输系统架构

1.1 基本原理

实现长距离微波信号的稳相传输，需要检测外界温度、环境应力等变化对光纤链路的影响，通过反馈控制光链路中的可调延时线，从而调整整个光纤链路的绝对长度，可以实现远端输出信号相位的稳定。本文采用的系统原理结构如图1所示。

图1 系统原理结构框图

如图1所示，本地射频信号通过可调延时线与长距离光纤传输至远端，此时通过耦合器将远端的信号反馈进光链路中去，时间间隔测量是获取反馈信号与初始信号传输的时间差，数据处理部分通过计算补偿值，从而控制可调延时线，最终实现远端信号的稳相传输。

假设参考信号的初始相位[18]为φ(0)，可调延时线的总长度为L(ps)，该信号通过长距离光纤传输引入的相位变化为φ(f)，该信号通过耦合器返回进入光链路中，该返回信号经过长距离光纤与可调延时线后的相位为φ(T)，时间为T，此时的参考信号的相位为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，通过控制可调延时线，从而改变光链路的绝对长度，使得式(3)中的2πfL+φ(f)为一常数，从而可以保证远端输出的信号的相位φ(0)+2πfL+φ(f)为一常数，从而保证远端输出信号的相位稳定。

1.2 系统设计

基于STM32处理器的长距离微波稳相传输系统主要包括激光器模块、调制器模块、时间间隔测量模块、长距离光纤模块、相位控制模块等组成。其中，激光器模块采用Emcore公司的1782DWDM激光器，输出1 550 nm的光源，调制器模块采用Oclaro公司的PowerBit SD-20型号，用于微波射频信号的调制，时间间隔模块采用TDC-GP1芯片，用于时间间隔测量，相位控制模块主要包括STM32处理器模块、通用异步接收传送器(UART)通信模块、相位补偿模块、带通滤波模块以及探测器等组成。具体框图如图2所示。

图2 基于STM32处理器的长距离微波稳相传输系统架构

由图2所示，通过激光器产生1 550 nm的光信号，将微波射频信号通过马赫曾德尔调制器调制到光信号进行传输，通过长距离光纤传输后，经过光电探测器转化成微波射频信号，在整个传输链路中，耦合器1和耦合器2分出的信号分别通过光电探测器和带通滤波模块进入TDC模块，STM32处理器通过模数转换器(ADC)对TDC模块的数据进行转化，从而得到微波射频信号经过长距离传输后的相位差，STM32处理器通过控制高精度的可调延时线实现对传输链路的相位补偿，最终实现微波射频信号的稳相传输。

2 试验验证

激光器模块采用Emcore公司的1782DWDM激光器，调制器采用Oclaro公司的PowerBit SD-20，单模光纤长度为50 km，射频信号的加载与检测通过矢量网络分析仪设置。射频信号加载20 GHz的单点频信号。为了验证长距离光纤微波稳相传输系统的有效性，分别测量未加载该稳相传输系统条件下的射频信号相位变化与加载该稳相传输系统条件下的射频信号相位变化，通过比较判断该系统是否有效。

未加载该稳相传输系统，测量20 GHz的射频信号经过50 km单模光纤传输后的相位变化，得到曲线如图3所示。

图3 未加载系统，20G Hz射频信号经过50 km传输后相位变化

加载该稳相传输系统后，测量20 GHz的射频信号经过50km光纤传输后的相位变化，得到曲线如图4所示。

图4 加载系统，20 GHz射频信号经过50 km传输后相位变化

由图3与图4可知，当未加载长距离光纤微波稳相传输系统时，没有实时对链路进行补偿，20 GHz射频信号经过50 km传输后相位发生了明显的漂移，相位差最大值约为-432°；当加载该系统后，对链路进行相位补偿，射频信号经过50 km传输后相位漂移量明显变小。

3 结束语

本文研究了长距离光纤微波稳相传输系统，分析了稳相传输的原理，然后提出了一种基于STM32处理器的长距离微波稳相传输系统架构，通过实验对比验证了该系统的有效性。本研究对于微波信号稳相传输技术的工程应用具有一定的指导意义。