時鐘本振信號混合光纖傳輸的相位噪聲研究

吳彭生 王凱

摘 ? 要：設計了一種時鐘、本振信號混合光纖傳輸系統，采用了半導體激光器外調制和波分復用/解復用技術，采用4個波長的光載波實現了2路時鐘信號和2路本振信號1000m距離的光纖傳輸。通過試驗測量對比了光纖傳輸和電纜傳輸中射頻信號相位噪聲劣化程度的不同，同時驗證了鏈路中增加多級光纖連接器帶來的影響，結果表明該系統可以為無人值守等新型雷達提供新的信號傳輸方案。

關鍵詞：時鐘信號 ?本振信號 ?光纖傳輸 ?相位噪聲

中圖分類號：TN929.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）05（a）-0155-03

現代戰爭中，為了提高戰場裝備與人員的生存能力，遠距離控制和多假目標等是常用的手段之一。對于雷達等電子裝備而言，為了避免敵方的輻射源探測和打擊造成較大的損失，往往須將諸多設備與天線分開。更迫切的是在機載和天基平臺上，為了盡可能減小天線前端的負荷，數字陣列中諸如頻綜、A/D、D/A等設備逐漸從天線移至處理終端。如此，天線前端將簡化為天線、T/R以及變頻等功能，中頻信號承擔天線前端與處理終端的信息傳輸任務，極大地減輕了前端的各類負荷，即便前端設備在戰時被摧毀亦能將損失降到最低[1-2]。

由于設備與前端之間距離的增大，中頻信號、時鐘信號和本振信號的傳輸將不能依賴同軸電纜，可行的方案是采用光纖傳輸。1990年代建成的ALMA天線采用的就是光纖傳輸，將90～270GHz本振信號傳輸了數十公里[3]，而目前正在論證和實施的平方公里陣（SKA）亦采用的是這種方式[4]，近些年國內諸多天文臺也采用了光纖傳輸時鐘進行信號同步[5]。

通常一部雷達使用的本振和時鐘信號多達幾種甚至十幾種，在傳輸路徑受限的場景中可能會共用傳輸通道。本文設計了一種基于光學波分復用的本振、時鐘信號遠距離光傳輸方案，通過射頻光學調制將2路時鐘信號和2路本振信號調制到不同的光波長上，再利用波分復用技術將4路信號通過一根光纖傳輸至1000m遠的接收端，接收端的波分解復用、光電探測器和低噪聲放大器將4路信號分路并還原輸出，實現了時鐘、本振信號混合光纖傳輸的功能。

1 ?系統設計

我們針對某種X波段雷達的天線陣面需求，設計了一種可同時傳輸2路時鐘和2路本振的光纖傳輸系統。如圖1所示，4路信號分別由不同的激光調制加載到λ1→λ4光波長上，在通過波分復用合成至一根光纖傳輸至天線陣面。在陣面上，先由波分解復用將4個波長分開，分別進行光解調放大，還原輸出初始的時鐘和本振信號。在此過程中，根據傳輸信號的頻率和實際工作的環境，可選擇不同的波長間隔和波分復用類型，以保證信號之間的隔離度和減小波長隨溫度漂移帶來的影響。同時，若傳輸路徑中由于波分復用/解復用或連接器節點導致光衰減過大，可在鏈路中適當位置加入光纖放大器來進行增益補償。

對于時鐘和本振信號傳輸，關注的指標主要是增益、相位噪聲、諧波和雜散等。增益可以通過放大器進行補償，而對于激光調制諧波主要表現為三次諧波，雜散在信號處理過程中亦有辦法進行抑制。相位噪聲則直接影響到雷達的探測距離等戰術指標，在實際使用中尤為重要，因此本文主要關注該系統對于時鐘和本振信號的相位噪聲的影響。

2 ?實驗系統及測試結果

根據圖1，我們建立了一個時鐘、本振信號混合光傳輸的系統。根據某雷達實際需求，選取所傳輸的時鐘信號分別為100MHz和1GHz，本振信號分別為5GHz和15GHz，本振源用安捷倫8257D信號源代替，射頻輸出功率統一設定為9dBm，相位噪聲測量使用安捷倫5052B信號源分析儀。系統采用激光外調制方式，激光器（Emcore-1782）輸出功率為60mW，光波長為ITU通道CH52～CH46，通道間隔為200GHz，光纖傳輸通道總長度為1000m。在解調接收端，光電探測器（U2t-2140R）后加入了射頻低噪聲放大器，用來補償光傳輸鏈路的射頻損耗，最終整個系統的射頻增益控制在±2dB左右。

我們首先測試了信號源輸出的信號相位噪聲，然后將光傳輸系統接入，通過二者之間的比較，進而獲得光傳輸系統對于相位噪聲的影響。我們進行了三種情況下的對比試驗，分別是光纖傳輸與電纜傳輸對比，傳輸鏈路中光纖連接器數量多少的對比，以及不同調制偏置控制方法的對比。

2.1 光纖傳輸與電纜傳輸

電纜傳輸有別于光纖傳輸的地方在于其不會帶來附加相噪;但其缺點是傳輸距離較長時傳輸損耗較大，同時傳輸線會占用很大的體積和重量。我們通過比較試驗，能夠看到低頻和高頻情況下兩種傳輸方式的相位噪聲變化情況，對系統設計提供參考。圖2顯示的是四種信號分別通過光纖傳輸（1000m）和電纜傳輸（10m）的相位噪聲比較，同時也與信號源輸出相位噪聲做了對比。

可以看到，由于光鏈路附加噪聲的存在，光鏈路傳輸所帶來的相位噪聲惡化要大于電纜傳輸，在低頻信號傳輸表現得尤為明顯。對于高頻信號，近端相位噪聲惡化幾乎可以忽略，遠端（≥1MHz）惡化逐漸顯現。通常來說，近端相位噪聲性能對系統的影響要遠大于遠端，因此設計者認為這些結果可以滿足絕大部分系統需求。

2.2 多級光纖連接器的影響

在真實的傳輸鏈路中，設備或機柜之間的連接不可避免光纖連接器的存在，由于連接點帶來的回波同樣是影響相位噪聲的因素之一。我們通過多段光纜的連接來模擬實際的傳輸鏈路，以此來判斷該因素的影響。試驗中采用了8段多芯光纜（每段光纜長度大約5m），連接器采用J599型8芯連接器（回波損耗≤-40dB，每對連接器的損耗約為0.4dB），這也是常見的機柜間連接方式。試驗結果如圖3所示，隨著光纜段數即光纖連接器的增加，傳輸鏈路的相位噪聲并沒有明顯劣化，幾乎不會對光傳輸鏈路性能造成實質性的影響。

2.3 調制偏置方式的選擇

圖2和圖3中，光鏈路傳輸的相位噪聲曲線在1kHz附近出現了多個峰值，這是由于目前普遍采用的電光調制器偏置點控制方式引入了1kHz的引導頻率。我們隨后改進了電光調制器的偏置點控制方式，用功率控制代替了導頻控制，從而消除了相位噪聲曲線上的多個峰值。以1GHz的信號為例，功率控制方式獲得的相位噪聲曲線如圖4所示，與圖2（b）相比，這種方法有效的消除了1GHz附近的諸多峰值。

3 ?結語

本文提出了一種基于微波光傳輸的時鐘、本振信號混合傳輸系統，解決了遠距離、高頻微波信號的傳輸損耗問題。通過試驗驗證了光纖傳輸系統的性能，模擬了實際裝備中多級連接器的情況，所獲得的結果滿足當前絕大多數系統的需求，為當前需要信號遠距離傳輸的裝備研制提供了一種可行的解決方案。

參考文獻

[1] 吳曼青.數字陣列雷達的發展與構想[J].雷達科學與技術，2008，6（6）：401-405.

[2] 孫國強.無人值守雷達系統設計[J].兵器裝備工程學報，2018，39（1）：34-36.

[3] J.-F. CLICHE， B. SHILLUE. Precision timing control for radioastronomy： Maintaining femtosecond synchronization in the Atacama Large Millimeter Array[J]. Control Systems IEEE，2006，26（1）：19-26.

[4] 吳曼青，曹銳，陶小輝，等.世界最大綜合孔徑望遠鏡SKA低頻數字陣列系統研究[J].中國科學：信息科學，2015，45（12）：1600-1614.

[5] 商建明.光纖鎖模激光器及其在光纖頻率傳遞中的應用研究[D].北京郵電大學，2019.