高精度時間頻率信號光纖傳輸和復原技術的研究

江賢峰,吳龜靈,郭芳,周明翔,3,趙赟

(1.上海交通大學電子工程系,上海 200240;2.中國科學院上海天文臺,上海 200030;3.中國科學院大學,北京 100049;4.北京衛星導航中心,北京 100094)

高精度時間頻率信號光纖傳輸和復原技術的研究

江賢峰1,2,吳龜靈1,郭芳2,周明翔2,3,趙赟4

(1.上海交通大學電子工程系,上海 200240;2.中國科學院上海天文臺,上海 200030;3.中國科學院大學,北京 100049;4.北京衛星導航中心,北京 100094)

摘要：分析了高穩定時間頻率信號光纖傳輸以及接收端復原技術的實現原理給出了針對時間頻率信號光纖高精度傳輸和復原以及工程應用中遇到的難點而采用的關鍵技術和解決方法,并進行了實驗驗證。經測試:10 MHz頻率信號經光纖傳輸并在接收端復原后的相位噪聲為-118.1 dBc/Hz@1 Hz,頻率穩定度指標3×10-13@1 s.時間信號經光纖傳輸和復原后,接收端的時間和發送端的時間信號在物理上無時延,各遠程應用終端時間傳輸長期波動的均方根值好于200 ps

關鍵詞：光纖傳輸;相位噪聲;時間頻率

0引言

衛星導航、深空探測和VLBI地面測控系統中,一般采用高穩定度、低相位噪聲的氫原子鐘作為本振頻率源和時間源,而時間頻率信號使用終端分布在站內各個不同的區域[1]。因此,需要把氫原子鐘的頻率信號和時間基準低插損、高質量地傳輸到各時間頻率信號使用終端的端口上,保證傳輸到終端的頻率信號穩定度和相位噪聲指標不下降,時間信號無時延、低波動和無漂移。

實際情況下,地面測控系統的電磁環境復雜,時間頻率信號使用終端地域分布不規則。長距離傳輸高穩定頻率信號時,傳統的同軸電纜傳輸損耗大,相位不穩定而無法滿足用戶要求。而光纖具有損耗小,不容易受電磁干擾,高帶寬、可擴展等優點。因此,光纖傳輸成為實現長距離傳輸高穩定頻率信號的一種有效方案。頻率信號經光纖遠距離傳輸時受溫度波動、地面震動等環境因素影響,相位噪聲、穩定度指標就會有插損。如果遠程光纖接收端測控收發設備需要具備和光纖發端同樣指標的頻率基準源,就要在接收端研究頻率信號的凈化復原技術。同時,時間信號經光纖遠距離傳輸后有固定時間延遲,溫度波動等環境因素也會影響時間碼的信號相位,遠程光纖接收端和光纖發送端要實現時間上無相位差,需要用到時間相位同步復原技術和實時比對控制技術。

為了解決傳輸過程中頻率信號的質量下降和時間信號的時延不一致性,本文設計了一種時間頻率信號光纖傳輸、終端時間頻率信號恢復和雙向比對實時控制系統,有效解決了電磁干擾、頻率信號質量下降、各使用終端時間信號時延不一致以及長期時間頻率信號相位漂移問題。

1時間頻率信號光纖傳輸、復原的設計原理

時間頻率信號光纖傳輸原理如圖1所示。時間傳輸采用光纖傳輸波分復用技術,一根光纖傳輸兩個不同波長信號,實現發送端和接收端的時間信號傳輸以及雙向時間比對;而氫原子鐘頻率信號的傳輸單獨采用一根光纖傳輸,配置超低相位噪聲的發送和接收適配器。這樣可以防止信號間串擾影響頻率信號指標,實現高穩定信號的遠距離傳輸。同時,利用置于兩端的時間間隔計數器實現雙向時間比對,精確測量出光纖的傳輸時延以及時延變化。

再進一步利用實時雙向時間比對測量數據和控制算法,對接收端的頻率信號恢復設備和時間信號恢復設備進行實時閉環控制,精密微調接收端的頻率信號和時間信號,從而實現發送端和接收端頻率和時間信號的物理同步。

圖1　時間頻率信號光傳輸原理框圖

圖2示出了一個高穩頻率信號凈化復原的鎖相環路,鎖相環路濾波器采用有源二階濾波器。二階環路最大特點是有大的同步帶和強的輸入噪聲濾除能力。通過優化、均衡環路帶寬和鎖定時間,使輸出10 MHz相位噪聲可以達到-118 dBc@1 Hz.

圖2　高穩頻率信號復原原理框圖

2時間頻率信號光纖傳輸和復原難點分析及關鍵技術實現

圖3是高穩定頻率信號的光纖傳輸和復原電路實現框圖,圖4是時間信號光纖傳輸和復原電路實現框圖。

2.1超低相位噪聲電光、光電的轉換

在選用鎧裝單模光纖傳輸優質頻率信號時,超低相位噪聲電光、光電的轉換是信號傳輸的重要環節[2]。對傳輸信號的相位噪聲、穩定度的插損尤為關鍵,它直接影響光纖接收端復原信號的指標。實驗測試證明該環節處理不好,整個鏈路的相位噪聲指標就無法達到。

2.2超低相位噪聲、高隔離度的頻率區分放大技術

超低相位噪聲、高隔離度的頻率區分放大技術

是一個關鍵的環節,電路處理不當,輸出信號的優質指標就會損失在傳輸途徑中。本文通過優化放大電路的阻抗匹配、增大反向和路間隔離度等技術,10 MHz頻率信號經區分放大后相位噪聲、穩定度指標插損很小。阻抗匹配的目的一是達到最大功率的傳輸,盡力做到無信號反射,二是在功率傳輸中無信號相位的移動。為實現無相移的最大功率傳輸,電路的阻抗匹配特別重要。放大電路輸入、輸出阻抗不匹配會導致信號在源和負載之間來回反射,造成源信號的相位擾動,相當于給電路加進了‘噪聲’,影響了信號的頻率穩定度指標。

放大電路阻抗失配造成信號相位變化量的計算為

(1)

圖3　10 MHz頻率信號光纖傳輸和接收端復原框圖

圖4　時間信號光纖傳輸、同步和復原框圖

放大電路阻抗失配對信號頻率穩定度的最壞影響量[3]。

(2)

式1)和式2)中: Φ為信號相位波動； η為反射信號的衰減; φ為信號在負載兩次反射的角度； σy(τ)為頻率信號頻率穩定度的表示,無量綱; ρi為信號在輸入端的反射系數; ρo為信號在負載端的反射系數; ψ為信號相位的變化率; υo為電路經過的頻率; τ為信號穩定度計算采樣間隔。

以傳輸10MHz頻率信號為例,若信號頻率穩定度計算采樣間隔為1s,η=1,sinφ=1,ρi=0.1,ρo=0.1,信號相位的變化率為0.0001,則由式(2)可得,σy(τ)≈1.6×10-14.

0.000 1(100ns變化了10ps),對頻率信號1s穩定度的最大影響為1.6×10-14.如果要使影響更小,輸入、輸出要匹配的回波損耗在20dB以上。

電路中高的反向隔離能阻止負載動態變化對輸入信號的沖擊,高的輸出路與路之間的隔離能防止一路負載動態變化對其他路輸出信號的影響。反向隔離度和路間隔離度太差都會導致信號相位的波動,引起頻率的偏移,惡化信號的穩定度指標[3]。隔離度對信號相位的影響計算如式(3),對信號穩定度最大影響計算如式(4)。

(3)

(4)

式中: θ為信號相位的變化量; Λ為隔離度; σy(τ)頻率穩定度; v0為傳輸的頻率; τ為穩定度采樣間隔。

通過上述計算看出可以通過進一步提高隔離度來減小對信號穩定度指標的影響。

采取上述技術后,本文采用的低噪聲放大器實際電路測試10 MHz相位噪聲本征指標可達到-140 dBc/Hz@1 Hz,傳輸-118 dBc/Hz@1 Hz指標的10 MHz頻率信號可認為無插損傳輸,表1示出了本文采用區分放大器的本征指標。

表1　區分放大器的本征指標

2.3超低相位噪聲鎖相環路技術

超低相位噪聲鎖相環路技術是最關鍵的一個環節。頻率信號在長距離光纖傳輸中,受外界環境因素的影響,相噪、穩定度指標必定會有插損,接收端的用戶系統要用到和發送端同樣指標的頻率基準源,就要用到超低相位噪聲鎖相技術。

為解決超低相噪、超高穩定度的難點,關鍵要降低鎖相環路可能受到的各種干擾。噪聲對環路干擾如圖5所示。

圖5　等效噪聲環路圖

噪聲1主要由參數源產生和振蕩器產生,要求噪聲1小,必須有優良的頻率參考源和優良的振蕩器。

噪聲2主要由鑒相器產生,經理論分析表明,其邊帶抑止比為[4]

(5)

式中:ΔV為鑒頻器輸出紋波振幅; Υ為紋波的衰度; ξ為環路阻尼系數; ωn為環路自然角頻率； Kd為鑒相器增益; N為環路分頻系數。

由式(5)可知,要減小噪聲的干擾,就要使用小的分頻系數N,盡可能減小鑒相器輸出紋波的振幅,選用高的鑒相頻率和高的鑒相增益,選擇合適的環路參數ξ,ωn.

噪聲3主要由加到振蕩器電壓控線上的50Hz,100Hz電源紋波電壓引起。有理論分析表明,其邊帶抑止比為[4]:

(6)

式中: Va為電源紋波電壓的振幅; ωa為電源紋波的角頻率; Kv為振蕩器電壓控制靈敏度。由式(6)可看出,要減小噪聲3的影響,就要降低電源的紋波電壓和角頻率,另外要選用電壓控增益小的振蕩器和增大環路自然角頻率。

本文采取了如下技術措施來完成頻率指標的復原:鑒相器輸出加輔助低通濾波器,降低鑒相器輸出波紋的振幅;選用雙平衡模擬鑒相器,超低相位噪聲高穩定晶體振蕩器;選用線性電源,設計二次穩壓供電和優良的旁路去耦合電路;以及為鎖相環路選擇合適的環路參數[5]。

經過上述一系列措施后,經實際測試10 MHz頻率信號相位噪聲測試值可以達到-118 dBc/Hz@1 Hz.

2.4頻率信號相位的超精細調節控制技術

對頻率信號的頻率相位的超精細調節控制的一個目的是補償長距離光纖延遲和外界環境因素對光纖的時延影響,另一個目的是實現光纖接收端時間和發送端時間精確同步,以實現兩地時間的復原。在具體的設計應用中,關鍵要采用巧妙的技術方法消除控制字小數位舍掉產生的頻率誤差和信號漂移。同時還要盡量抑制相位截斷產生的雜散和數字電路引入的噪聲。

3時間頻率信號光纖傳輸的設計驗證結果

3.1光纖傳輸頻率信號相位噪聲、頻率穩定度的測試

頻率信號相位噪聲、穩定度指標測試連接圖如圖6所示。把接收端設備通過2 km光纖鎖定在主動型氫原子鐘上,以原子鐘輸出10 MHz為參考輸入測試基準信號(其10 MHz相位噪聲優于或等于-118 dBc@1Hz)。

圖6　10 MHz復原頻率信號測試框圖

用TSC5125A 相位噪聲測試儀對設計的系統指標進行了測試。圖7和圖8示出了相位噪聲、頻率穩定度的測試結果。

圖7　光纖接收端復原10 MHz頻率信號　　　相位噪聲測試結果

圖8　光纖接收端復原10 MHz頻率信號　　　頻率穩定度測試結果

圖7中橫軸為距離中心頻率的偏移量,單位Hz,縱軸為相位噪聲,單位dBC/Hz.Input為被測量的頻率信號,reference為參考基準頻率信號。

圖8中,橫軸為時間采樣間隔,單位s,縱軸為頻率穩定度。BW為相位噪聲測試儀器帶寬,Input為被測量的頻率信號,reference為參考基準頻率信號。

由圖8和圖9可以看出,光纖接收端10 MHz頻率信號的相位噪聲為-118.1 dBC/Hz@1 Hz,穩定度為3×10-13@1 s.

3.2光纖發送端和接收端時間相位差測試

圖9為光纖發送端和接收端時間相位差測試圖,其中TA為發送端時間,TB為光纖接收端時間,XA為光纖發送端計數器測量數值,XB為光纖接收端計數器測量數值,SA,RA分別為光纖發送端的發送、接收模塊時延值,SB,RB分別為光纖接收端的發送、接收模塊時延值,τAB為發送端到接收端光纖延遲值,τBA為接收端到發送端光纖延遲值。在實際的工程應用中受溫度波動、波長等不同因素影響,τAB和τBA并不相同,需要實際測量。

XA=TA-TB+SB+RA+τBA

(7)

XB=TB-TA+SA+RB+τAB

(8)

由式(7)與式(8)相減即可得到光纖發送端和接收端時間相位差的值。

(9)

圖9　光纖發送端和接收端時間相位差測試圖

圖10示出了光纖接收端輸出時間和光纖發送端時間相位比對測試結果,測試時間為54天,相位比對測試峰峰值約為500 ps,實際測量的均方根值好于200 ps.

圖10　光纖接收端輸出時間和光纖發送端時間相位　　　比對測試值

4結束語

本文對時間頻率光纖傳輸和復原技術進行了研究,對氫原子鐘基準信號經長距離光纖傳輸后在遠程接收終端復原。復原的10 MHz頻率相位噪聲恢復到-118 dBc/Hz@1 Hz,頻率穩定度指標3×10-13@1 s.具有精細的頻率、相位調整功能,實現光纖接收端和發送端時間同步,同步的均方根值好于200 ps.

參考文獻

[1]周兵,龔航. 高精度時頻信號的遠距離傳輸技術[J].全球定位系統,2014,39(6):38-41.

[2]譚桂雋. 基準信號的低相噪聲長距離光纖傳輸設計[J].光通信技術,2015(6):34-36.

[3]WALLS W F, WALLS F L. Apractical guide to isolation amplifier selection[C].//IEEE International Frequency Control Symposium, 2007:557-562.

[4]莊卉,黃蘇華,袁國春. 鎖相與頻率合成技術[M].北京:氣象出版社,1996.

[5]BEST R E. 鎖相環設計、仿真與應用[M]. 北京: 清華大學出版社, 2007.

江賢峰(1971-),男,山東青島人,高級工程師,主要從事高精度時間頻率系統技術研究。

吳龜靈(1971-),男,安徽蕪湖人,教授,主要從事光子信息處理與傳輸等方面的研究。

郭芳(1980-),女,湖南長沙人,高級工程師,主要從事高精度時間頻率系統技術研究。

周明翔(1982-),男,上海人,工程師,主要從事原子時算法技術的研究。

趙赟(1978-),女,江蘇儀征人,工程師,主要從事時間同步,時間頻率技術研究。

High Precision Time and Frequency Signal Optical Fiber Transmission and Restoration

JIANG Xianfeng1,2, WU Guiling1, GUO Fang2, ZHOU Mingxiang2,3,ZHAO Yun4

(1.ElectronicEngineeringDepartment,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240,China;2.ShanghaiAstronomicalObservatory,ChineseAcademyofSciences,Shanghai200030,China;3.UniversityoftheChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China;4.SatelliteNavigationCenterofBeijing,Beijing100094,China)

Abstract: The paper analyzes the principle to implement high stability time and frequency signal optical fiber transmission and reception.The key technologies and solutions are investigated and presented for the issues in the process of optical fiber high precision time and frequency transmission and recovery.Experiments are carried out to verify the proposed technique The results shows that the phase noise and frequency stability of recovered 10 MHz after optical fiber transmissioncan reach -118.1 dBc/Hz@1Hz and 3×10-13@1s, respectively. After optical fiber time transmissionand restoration,there is no time delay between the time at the transmitting end and the one at the receiving end.The RMS of the long time fluctuation is less than 200 ps between different remote terminals.

Keywords:Optical fiber transmission; phase noise; time and frequency

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.02.004

收稿日期：2015-01-20

中圖分類號：P228.4

文獻標志碼：A

文章編號：1008-9268(2016)02-0020-07

作者簡介

聯系人： 江賢峰 E-mail: jxf@shao.ac.cn