一種短距離光纖頻率信號傳遞方法研究

張 磊,王正勇 ,姚志會

(1．衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點實驗室，河北 石家莊 050081；2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

針對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，擁有相同本振頻率且時間同步的時鐘在導(dǎo)航上有著越來越重要的應(yīng)用[1]。相比于衛(wèi)星鏈路，盡管光纖鏈路的頻率傳輸穩(wěn)定度更高，但基于衛(wèi)星鏈路的時間頻率傳輸與同步技術(shù)處于發(fā)展初期[2-3]。其主要原因是傳統(tǒng)的衛(wèi)星鏈路可以在其信號覆蓋范圍內(nèi)的任意點進(jìn)行時間頻率的傳輸與同步，而目前所有的光纖方案都是點對點式的傳輸，通過補(bǔ)償單一路徑中的相位噪聲，使接收端得到高穩(wěn)定度的頻率信號，限制了光纖傳輸技術(shù)的使用范圍[4-6]。

針對該光纖頻率信號的傳遞技術(shù)，美國噴氣動力實驗室( JPL)提出發(fā)射端共軛相位補(bǔ)償?shù)慕鉀Q方案，但是上述工作在頻率信號輸出端存在短穩(wěn)指標(biāo)差的問題，不能直接應(yīng)用到工程[7-8]。本文旨在針對光纖頻率信號傳輸穩(wěn)定度指標(biāo)提升，通過采用光纖共軛補(bǔ)償技術(shù)實現(xiàn)光纖頻率信號傳輸，同時給出了該領(lǐng)域技術(shù)的研究方向。

1 分析光纖頻率信號傳輸?shù)钠款i

由于光纖鏈路所處環(huán)境(溫度、振動)等的影響，隨著光纖傳輸鏈路的增加，對傳輸信號會不斷引入附加相位噪聲，惡化傳輸信號的頻率穩(wěn)定性[9-10]。通過搭建試驗環(huán)境進(jìn)行測試，需要傳輸?shù)?0 MHz信號噪底為：9.23×10-15/1 s，1.7×10-16/10000 s；接入1 m光纖后輸出端10 MHz頻率穩(wěn)定度為：1.45×10-13/1 s，1.9×10-16/10000 s，光發(fā)射和光接收端的引入只對短期頻率穩(wěn)定度有影響；接入2 km光纖后10 MHz頻率穩(wěn)定度為：1.66×10-13/1 s，1.27×10-15/10000 s，長期頻率穩(wěn)定度的惡化主要是由于光纖傳輸距離變大；接入35 km光纖后10 MHz頻率穩(wěn)定度為：6.64×10-14/1 s，1.2×10-14/10000 s，隨著光纖傳輸距離變大，長期頻率穩(wěn)定度惡化到10-14/10000 s量級。圖1為一般模式下光纖傳輸頻率信號的測試框圖。

圖1 一般模式下光纖傳輸頻率信號測試框圖

綜上述結(jié)論，光收發(fā)終端只影響短期頻率穩(wěn)定度，可達(dá)10-13/1 s，在恢復(fù)端使用鎖相環(huán)可以提高短穩(wěn)指標(biāo)；隨著光纖傳輸距離的增加，長期頻率穩(wěn)定度會惡化到10-14/10000 s量級，因此急需尋找一種利用光纖實現(xiàn)頻率信號高穩(wěn)定度的傳輸，采取措施對傳輸過程中的附加相位進(jìn)行修正及補(bǔ)償，采用基于電子相位共軛的傳輸補(bǔ)償技術(shù)，可以滿足頻率信號傳遞設(shè)計要求，同時能夠保證頻率穩(wěn)定性不會惡化[11-12]。

2 光纖頻率信號傳遞方法研究

由第1節(jié)中分析可知，需要通過將基準(zhǔn)信號移頻獲得兩個對稱的信號。在該方案中用兩個更高精度的混頻器和一個相位測量單元替換了光纖頻率信號傳遞系統(tǒng)的雙相位測量單元。通過使用壓控振蕩器提高了相位矯正的動態(tài)范圍和線性度，用壓控振蕩器做移相器在基準(zhǔn)信號頻率上傳遞信號具有更穩(wěn)定的幅度值[13-14]。壓控振蕩器的這些優(yōu)點使得它能夠矯正相位補(bǔ)償器矯正帶寬范圍內(nèi)的所有相位波動，而相位補(bǔ)償器的矯正帶寬是由光纖鏈路中Round-Trip傳輸時延決定的。圖2中100 MHz壓控振蕩器的輸出信號用于調(diào)制DFB激光二極管的偏置電流。在用戶端通過光電檢測裝置探測和再生后向傳輸信號。探測的單向傳輸過來的信號可以表示為VUSERend(t)∝cos(ωosct+φosc+φp)，經(jīng)過一次光纖傳遞后在發(fā)射端探測到的信號可以表示為：

VRound-Trip(t)∝cos(ωosct+φosc+2φp)。

(1)

伺服控制環(huán)路迫使壓控振蕩器VCXO輸出的100 MHz信號既和基準(zhǔn)信號相位正交，又能將基準(zhǔn)信號產(chǎn)生的附加相位補(bǔ)償?shù)鬧15-17]。為了實現(xiàn)相位共軛，首先利用混頻器將基準(zhǔn)信號分成90 MHz和110 MHz，兩個信號都經(jīng)過鎖相環(huán)PLL濾波。下變頻產(chǎn)生的90 MHz信號和VCXO傳遞過來的100 MHz調(diào)制信號進(jìn)行混頻獲得的10 MHz信號為：

V1(t)∝cos((ωosc-2π·90 MHz)·t+φosc-0.9·φref)。

(2)

同時，由混頻產(chǎn)生的110 MHz信號和一次Round-Trip后的信號進(jìn)行混頻獲得另一個10 MHz信號：

V2(t)∝cos((2π·110 MHz-ωosc)·t-
φosc+1.1·φref-2·φp)。

(3)

將兩個10 MHz進(jìn)行比較獲得的基帶信號將包含三方面的相位，即：

Verror(t)∝φosc+φp-φref。

(4)

這個相位將通過正常操作將其補(bǔ)償?shù)?。則VCXO中的相位就變?yōu)棣誳sc=φref-φp。經(jīng)過這樣一個過程，基準(zhǔn)信號就能精確穩(wěn)定地傳輸?shù)接脩舳薣18]。圖2為簡化的電子相位共軛補(bǔ)償方案框圖。

圖2 簡化的電子相位共軛補(bǔ)償方案

3 實驗驗證與分析

按照圖3所示框圖搭建驗證平臺。通過時頻基準(zhǔn)源產(chǎn)生所需100 MHz頻率信號，同時通過頻率信號分配單元分配給光纖傳遞系統(tǒng)使用，光纖長度為1 km，設(shè)計為短距離試驗。由圖中可以看出，通過搭建兩個鎖相環(huán)路公用100 MHz頻率綜合器的方式，實現(xiàn)光纖雙向補(bǔ)償，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)本文的雙環(huán)鎖相結(jié)構(gòu)設(shè)計，以實現(xiàn)電子相位共軛補(bǔ)償。并由此開展實驗，同時通過拷機(jī)測試得出短距離光纖頻率信號傳遞的阿倫方差結(jié)果[11]。100 MHz頻率信號光纖傳遞設(shè)計方案如圖3所示。

圖3 100 MHz頻率信號光纖傳遞設(shè)計方案

為了測試光纖頻率信號傳遞系統(tǒng)閉環(huán)后的穩(wěn)定度指標(biāo)，在完成系統(tǒng)的搭建后，測試了系統(tǒng)的阿倫方差。測試方法是將經(jīng)過該電-光-電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和1 km光纖的100 MHz頻標(biāo)信號送入阿倫方差測試儀( Symmetricom 5125A)，參考信號選擇為氫鐘輸出的另外100 MHz信號。因此，該阿倫方差測量結(jié)果是該系統(tǒng)以及光纖鏈路對傳輸頻標(biāo)帶來的相對頻率穩(wěn)定性損失。測試框圖如圖4所示，圖中測試儀器即為Symmetricom 5125A。

圖4 100 MHz頻率信號光纖傳遞測試

100 MHz頻率信號光纖傳遞阿倫方差的測試曲線如圖5所示，此測試數(shù)據(jù)為1 km長度光纖傳遞結(jié)果。

圖5 100 MHz頻率信號光纖傳遞阿倫方差

從測試結(jié)果看出，開環(huán)時，光纖傳輸系統(tǒng)秒穩(wěn)約為2×10-13，千秒穩(wěn)約為5×10-15。這樣，開環(huán)情況下的千秒穩(wěn)定度對于原子頻標(biāo)的長期穩(wěn)定度會造成損失。在閉環(huán)補(bǔ)償后，秒穩(wěn)阿倫方差達(dá)到2．49×10-13，千秒穩(wěn)達(dá)到3．5×10-16量級，相對于開環(huán)時測量結(jié)果，閉環(huán)時千秒穩(wěn)測量結(jié)果約提高了一個數(shù)量級，這樣經(jīng)過補(bǔ)償后的系統(tǒng)就不會對頻標(biāo)的長期穩(wěn)定度造成損失，從而滿足光纖頻率信號傳遞的頻率穩(wěn)定度需求。從實驗室環(huán)境進(jìn)行驗證此方法是可行的，適合光纖頻率信號進(jìn)行短距離傳輸，能夠?qū)崿F(xiàn)頻率信號的恢復(fù)，穩(wěn)定度可達(dá)標(biāo)，可進(jìn)一步推廣至工程驗證和工程應(yīng)用[19-20]。

4 結(jié)束語

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的快速發(fā)展，用戶對基于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的時間需求會朝著更高精度、更高穩(wěn)定度的方向發(fā)展。從衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時間同步的原理出發(fā)，分析了光纖頻率信號傳輸?shù)钠款i，進(jìn)一步分析得出光纖共軛補(bǔ)償相位的思路，由此提出了一種用于提升短距離光纖頻率的信號傳遞方法，并通過設(shè)計、實驗驗證了這一方法的可行性和有效性，為相關(guān)行業(yè)應(yīng)用提供了可借鑒的設(shè)計方案，具有良好的應(yīng)用前景。

[1] 李孝峰.光纖時間頻率傳遞數(shù)字相位補(bǔ)償方法[D].北京:中國科學(xué)院研究生院，2009.

[2] 梁雙有，張健康，李立中.光纖時間傳輸及相位補(bǔ)償[J]．時間頻率學(xué)報，2008，31(2)：147-156.

[3] 代玉峰，盧麟，王榮，等．光纖頻標(biāo)傳遞的穩(wěn)定性分析[J]．宇航計量技術(shù)，2010，30(1)：47-52．

[4] 盧麟，吳傳信，經(jīng)繼松，等．原子頻標(biāo)光纖長距離傳遞的穩(wěn)定度損失分析[J]．解放軍理工大學(xué)學(xué)報( 自然科學(xué)版),2013,14(2):120-123．

[5] 馬文起，耿虎軍，郭肅麗，等．一種基于FPGA 和Matlab的時延測量方法[J].無線電工程，2014，44 (11):38-40．

[6] 李孝輝,楊旭海,劉婭,等.時間頻率信號的精密測量[M].北京：科學(xué)出版社,2010.

[7] Calhoun M，Huang S，Robert L T．Stable Photonic Links for Frequency and Time Transfer in the Deep-space Network and Antenna Arrays [J]． Proceedings of the IEEE， 2007， 95(10) :556-563．

[8] Amemiya M，Imae M，F(xiàn)ujii Y，et al．Simple Time and Frequency Dissemination Method Using ptical Fiber Network[J].IEEE,2008,57(5):878-883．

[9] 李麗君，徐文云．光纖通信[M].北京:北京大學(xué)出版社，2010．

[10] 漆貫榮.時間科學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社,2006.

[11] 梁雙有,李立中,樊戰(zhàn)友.光纖時間頻率傳遞方法[C]∥2007 年全國時間頻率學(xué)術(shù)會議,2007:357-362.

[12] Keiser G.光纖通信[M].李玉權(quán),譯.北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[13] 楊飛,蔡海文,桂有珍.60 km 商用光纖鏈路高精度時頻傳遞實驗研究[C]∥2013 全國時頻會議,2013.

[14] 周渭,偶曉娟,周暉,等.時頻測控技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006.

[15] 沈建國,吳龜靈,吳雷,等.基于雙混頻時域差分技術(shù)的光纖頻率傳輸研究[J].宇航計測技術(shù),2011,31(5):56-59.

[16] 張安旭.基于光纖的穩(wěn)相傳輸技術(shù)研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2015.

[17] 江賢峰.高穩(wěn)定時間頻率信號光纖傳遞和復(fù)原技術(shù)研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2016.

[18] 仇應(yīng)華.光纖傳輸系統(tǒng)用超高速時鐘恢復(fù)集成電路研究[D].南京：東南大學(xué)，2006.

[19] Fujieda M,Kumagai M,Gotoh T,et al.Ultrastable Frequency Dissemination Via Optical Fiber an NICT[J].IEEE Transactions on Instruments Measurement,2009,58(4):1223-1228.

[20] Musha M,Hong F L,Nakagawa K,et al.Coherent Optical Frequency Transfer over 50 km Physical Distance Using a 120 km Long Installed Telecom Fiber Network[J].Optics Express,2008,16(21):16459-16466.