一种基于对称错频往返校正的频率标准信号稳相传输系统
阅读说明：本技术 一种基于对称错频往返校正的频率标准信号稳相传输系统 (Frequency standard signal phase-stabilizing transmission system based on symmetric error frequency round-trip correction ) 是由 常捷 王锦清 江永琛 舒逢春 虞林峰 于 2020-12-28 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于对称错频往返校正的频率标准信号稳相传输系统,包括彼此相连的发射装置和接收装置,发射装置包括沿信号走向依次相连的输入端、错频混频器、预漂移混频器和第一带通滤波器,错频混频器与错频振荡器相连,预漂移混频器和第一带通滤波器均与第一环形器相连；接收装置包括两两相连的第二环形器、回程信号振荡器和校正混频器,第二环形器与第一环形器相连,校正混频器与第二带通滤波器和第三带通滤波器分别相连,第二带通滤波器和第三带通滤波器均与一恢复混频器相连,恢复混频器与第四带通滤波器相连,第四带通滤波器与输出端相连。本发明能够完全消除传输介质对频率标准信号的相位的影响,同时兼容性好且抗干扰能力强。(The invention relates to a frequency standard signal phase-stabilizing transmission system based on symmetrical cross-frequency back-and-forth correction, which comprises a transmitting device and a receiving device which are connected with each other, wherein the transmitting device comprises an input end, a cross-frequency mixer, a pre-drift mixer and a first band-pass filter which are sequentially connected along the direction of a signal; the receiving device comprises a second circulator, a return signal oscillator and a correction mixer which are connected in pairs, wherein the second circulator is connected with the first circulator, the correction mixer is respectively connected with the second band-pass filter and the third band-pass filter, the second band-pass filter and the third band-pass filter are both connected with a recovery mixer, the recovery mixer is connected with the fourth band-pass filter, and the fourth band-pass filter is connected with the output end. The invention can completely eliminate the influence of the transmission medium on the phase of the frequency standard signal, and has good compatibility and strong anti-interference capability.)
技术领域
本发明涉及甚长基线干涉测量技术领域，更具体地涉及一种基于对称错频往返校正的频率标准信号稳相传输系统。
背景技术
要实现甚长基线干涉测量(VLBI)，时间同步和相位同步是基础和前提。随着VLBI向更高频率、更高精度发展，对时间频率稳定性有更高的要求。目前的观测一般采用高稳定度的氢原子钟作为频率基准，但频率标准信号经过长距离传输，会受到温度等干扰因素，使传输介质发生变化，从而导致频率标准信号的相位漂移。
为消除频率标准信号的相位漂移，现有技术中主要采用两种方法：同频往返校正和直接错频往返校正。但同频往返校正的兼容性较差，无法在电缆中实现，并且在光纤中传输时也难以适应恶劣的使用环境。直接错频往返校正能在电缆中实现，但其中的去程信号和回程信号存在大约10MHz的频率差，仅能降低相位漂移的倍数，而无法完全消除传输介质改变对相位的影响，难以适应长距离或恶劣温差的条件。
发明内容
为解决上述现有技术中的问题，本发明提供一种基于对称错频往返校正的频率标准信号稳相传输系统，能完全消除传输介质对频率标准信号的相位的影响，且抗干扰能力强。
本发明提供的一种基于对称错频往返校正的频率标准信号稳相传输系统，包括彼此相连的发射装置和接收装置，所述发射装置包括沿信号走向依次相连的输入端、错频混频器、预漂移混频器和第一带通滤波器，所述错频混频器与一错频振荡器相连，所述预漂移混频器和所述第一带通滤波器均与第一环形器相连；所述接收装置包括两两相连的第二环形器、回程信号振荡器和校正混频器，所述第二环形器与所述第一环形器相连，所述校正混频器与第二带通滤波器和第三带通滤波器分别相连，所述第二带通滤波器和所述第三带通滤波器均与一恢复混频器相连，所述恢复混频器与第四带通滤波器相连，所述第四带通滤波器与一输出端相连。
进一步地，所述错频振荡器设置为产生频率对称错开的错频信号，所述错频信号的频率小于所述第一环形器带宽的一半。
进一步地，所述输入端设置为接收一输入信号，所述回程信号振荡器生成一回程信号，所述回程信号的频率为所述输入信号的一半。
进一步地，所述错频混频器设置为将所述输入信号与所述错频信号进行混频，生成第一上变频信号和第一下变频信号；所述预漂移混频器设置为将所述第一上变频信号和所述第一下变频信号分别与所述回程信号进行混频，生成相位预漂移的第一变频信号组；所述第一带通滤波器设置为从相位预漂移的第一变频信号组筛选出第二下变频信号和第三下变频信号，构成去程信号；所述第一环形器设置为提取所述去程信号和所述回程信号，将所述去程信号传输至所述第二环形器，并将所述回程信号传输至预漂移混频器；所述校正混频器设置为将所述去程信号和所述回程信号进行混频，生成用于校正的第二变频信号组；所述第二带通滤波器设置为从用于校正的变频信号筛选出第四下变频信号；所述第三带通滤波器设置为从用于校正的变频信号筛选出第五下变频信号；所述恢复混频器设置为将所述第四下变频信号和所述第五下变频信号进行混频，得到两倍频的混合信号；所述第四带通滤波器设置为从两倍频的混合信号中筛选出待输出的信号。
进一步地，所述第一带通滤波器的通带频率在f1-(f0-f2)至f1-(f0+f2)之间，f0为输入信号的频率，f1为回程信号的频率，f2为错频信号的频率。
进一步地，所述第二带通滤波器的通带频率为输入信号的频率减去错频信号的频率。
进一步地，所述第三带通滤波器的通带频率为输入信号的频率减加上错频信号的频率。
进一步地，所述第四带通滤波器的通带频率为输入信号的频率的2倍。
可选地，所述发射装置和所述接收装置通过电缆连接。
可选地，所述发射装置和所述接收装置通过光缆连接。
本发明的频率标准信号稳相传输系统，由错频振荡器产生频率对称错开的错频信号，由回程信号振荡器产生频率为输入信号频率的一半的回程信号，利用往返校正的思想，将输入的频率标准信号经过混频、滤波，最终输出与传输介质无关的信号，能够完全消除传输介质对频率标准信号的相位的影响。同时，本发明利用了对称错频信号，兼容性好且抗干扰能力强。
附图说明
图1是按照本发明的一种基于对称错频往返校正的频率标准信号稳相传输系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
如图1所示，本发明的一较佳实施例的一种基于对称错频往返校正的频率标准信号稳相传输系统，包括彼此相连的发射装置10和接收装置20，发射装置10和接收装置20可通过传输电缆连接，也可通过传输光缆连接。
发射装置10包括输入端11、错频振荡器12、错频混频器13、预漂移混频器14、第一带通滤波器15以及第一环形器16，其中，输入端11、错频混频器13、预漂移混频器14和第一带通滤波器15沿信号走向依次连接，错频振荡器12与错频混频器13连接，预漂移混频器14和第一带通滤波器15均与第一环形器16连接。
接收装置20包括回程信号振荡器21、校正混频器22、第二带通滤波器23、第三带通滤波器24、恢复混频器25、第四带通滤波器26、输出端27以及第二环形器28，其中，所述第二环形器21与所述第一环形器16相连，第二环形器28与回程信号振荡器21和校正混频器22连接，且回程信号振荡器21与校正混频器22连接，校正混频器22分别与第二带通滤波器23和第三带通滤波器24连接，第二带通滤波器23和第三带通滤波器24均与恢复混频器25连接，恢复混频器25、第四带通滤波器26和输出端27沿信号走向依次连接。
上述各器件之间的连接方式均为电连接，以下对上述各器件进行详细描述。
输入端11接收来自氢原子钟的频率标准信号作为输入信号，该频率标准信号的频率记为f0。
错频振荡器12产生一个频率对称错开的错频信号，该错频信号的频率f2小于第一环形器16带宽的一半。
错频混频器13接收频率标准信号与错频信号，以使频率标准信号与错频信号进行混频，产生第一上变频信号和第一下变频信号。第一上变频信号的频率和第一下变频信号的频率以频率标准信号的频率为中心，上下对称，具体地第一上变频信号的频率为f0+f2，第一下变频信号的频率为f0-f2。
预漂移混频器14接收第一上变频信号、第一下变频信号以及来自第一环形器16的回程信号，使得第一上变频信号和第一下变频信号分别与回程信号进行混频，以使频率标准信号的相位预漂移。混频后会产生相位预漂移的第一变频信号组，其中包括四个信号，这四个信号的频率分别为：f1+(f0+f2)、f1-(f0+f2)、f1+(f0-f2)、f1-(f0-f2)。
第一带通滤波器15的通带频率设为f1-(f0-f2)至f1-(f0+f2)之间，从而将预漂移混频器14产生的频率为f1+(f0+f2)和f1+(f0-f2)的信号滤除，筛选出频率为f1-(f0+f2)的第二下变频信号和频率为f1-(f0-f2)的第三下变频信号。第二下变频信号和第三下变频信号共同构成去程信号。
第一环形器16实现去程信号和回程信号的合并与提取，将去程信号传输至第二环形器28，将回程信号传输至预漂移混频器14。
接收装置20中的回程信号振荡器21产生上文所述的回程信号，并通过第二环形器28传输至第一环形器16，并且回程信号的频率f1设为频率f0的一半。
校正混频器22接收来自第二环形器28的去程信号和来自回程信号振荡器21的回程信号，使得去程信号和回程信号进行混频，生成用于校正的第二变频信号组，以实现频率标准信号相位的往返校正。用于校正的第二变频信号组中包含四个信号，这四个信号的频率分别为：f1+[f1-(f0+f2)]、f1-[f1-(f0+f2)]、f1+[f1-(f0-f2)]、f1-[f1-(f0-f2)]。
第二带通滤波器23和第三带通滤波器24均接收来自校正混频器22的四个信号，其中，第二带通滤波器23的通带频率设为f0-f2，从而筛选出频率为f0-f2的第四下变频信号。第三带通滤波器24的通带频率设为f0+f2，从而筛选出频率为f0+f2的第五下变频信号。
恢复混频器25接收第四下变频信号和第五下变频信号，使第四下变频信号和第五下变频信号进行混频，得到频率为2f2的信号和频率为2f0的信号。
第四带通滤波器26的通带频率设为2f0，从而将频率为2f0的信号筛选出来，输出端27将该信号传输至用户。该频率为2f0的信号的相位与传输介质无关，不受传输介质的改变而漂移。
以下通过公式来验证本发明的稳相传输系统能产生不受传输介质影响的频率标准信号。
首先，将上述频率标准信号的频率f0设为750MHz，回程信号的频率f1设为375MHz，错频信号的频率f2设为34MHz，图1中各节点产生的信号如下：
节点S1为氢原子钟输入的频率标准信号，频率为750MHz，解析式为：
cos(2πf0t+φ0)
式中，φ0为频率标准信号的初始相位。
节点S2为错频振荡器12产生的错频信号，频率为34MHz，解析式为：
cos(2πf2t+φ2)
式中，φ2为错频信号的初始相位。
节点S3为S1与S2混频后的信号，包括频率分别为784MHz和716MHz的两种信号，解析式为：
cos[2π(f0+f2)t+φ0+φ2]+cos[2π(f0-f2)t+φ0-φ2]
节点S4为节点S7经过传输介质回到发射装置中的回程信号，比节点S7的信号多了传输延迟时间τ。节点S7即为回程信号，频率为375MHz，解析式为：
cos(2πf1t+φ1)
式中，φ1为回程信号的初始相位。
则节点S4的信号频率为375MHz，解析式为：
coS(2πf1t-2πf1τ+φ1)
节点S5为S3与S4混频后，经过第一带通滤波器15选频保留的下变频信号，该下变频信号中包括上述第二下变频信号和第三下变频信号，第二下变频信号和第三下变频信号频率为341MHz和409MHz，节点S5的信号解析式为：
cos[2π(f0-f1+f2)t+2πf1τ+φ0-φ1+φ2]
+cos[2π(f0-f1-f2)t+2πf1τ+φ0-φ1-φ2]
节点S6为节点S5经过传输介质到达接收装置中的去程信号，比节点S5的信号多了传输延迟时间τ。该去程信号包括频率为341MHz的第二下变频信号和频率为409MHz的第三下变频信号，解析式为：
cos[2π(f0-f1+f2)t+2π(2f1-f0-f2)τ+φ0-φ1+φ2]
+cos[2π(f0-f1-f2)t+2π(2f1-f0+f2)τ+φ0-φ1-φ2]
节点S8为节点S6与节点S7混频后的信号，该信号中包括多种频率不同的信号，其中有两个频率分别为716MHz和784MHz的信号。
节点S9为节点S8经第二带通滤波器23选频后保留的第四下变频信号，频率为716MH，解析式为：
cos[2π(f0-f2)t+2π(2f1-f0+f2)τ+φ0-φ2]
节点S10为节点S8经第三带通滤波器24选频后保留的第四下变频信号，频率为784MH，解析式为：
cos[2π(f0+f2)t+2π(2f1-f0-f2)τ+φ0+φ2]
节点S11为S9与S10混频，并经第四带通滤波器26选频后保留的待输出的信号，频率为1500MHz，解析式为：
cos[4πf0t+4π(2f1-f0)τ+2φ0]
由于回程信号的频率f1为f0的一半，因此上式中的2f1-f0为0，4π(2f1-f0)项消除，最终解析式为：
cos(4πf0t+2φ0)
由此可见，输出信号解析式不含与延迟时间τ有关的项，因此其相位与传输介质无关，不受传输介质的改变而漂移。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。
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