基于電子相位補償的光纖頻率傳遞技術

謝 勇，趙大勇，尹繼凱，王崇陽，王正勇

(1.中國人民解放軍93216部隊，北京 100085；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

雷達系統需要高穩定度、低相位噪聲、相位一致的頻率源，而低相噪時鐘源往往只部署在中心站，需要將該頻率信號高質量地傳輸到分節點，保證傳輸到遠端的頻率信號相位噪聲指標滿足系統使用要求。

同軸電纜傳輸損耗大、體積大、成本高，很難實現遠距離傳輸，光纖頻率傳遞信號具有損耗低、抗電磁干擾、穩定度高、傳輸距離遠的特點，非常適合時頻信號的遠距離傳輸，基于光纖鏈路的高質量頻率信號傳輸技術將在中長距離傳輸中代替以空間鏈路為傳輸路徑的時頻傳遞技術[1-5]。

目前，國內外使用光纖傳遞頻率信號主要有3種技術手段：基于光學相位補償的光纖頻率傳遞、基于數字相位補償的光纖頻率傳遞和基于電子相位補償的光纖頻率傳遞，光學相位補償器件光纖延遲線補償精度高，但在環境溫度應力變化較大時，光纖等效長度變化較大，體積大和可調范圍小成為光學相位補償的限制因素；數字相位補償系統具有方便控制、體積小、可移植等優點，但是受限于數字移相器調整精度低；電子相位補償方法補償器件為壓控晶振，穩定度好、補償范圍大、體積小，但是系統結構復雜，對高頻電路設計與制作要求高[6-9]。

本文開展了基于電子相位補償的光纖頻率傳遞技術研究，解決遠距離光纖頻率傳遞后輸出10 MHz頻率信號相位噪聲惡化問題。

1 光纖頻率傳遞技術原理

使用光纖傳遞頻率信號時，由于光纖鏈路受所處環境溫度、應力的影響，引入附加相位噪聲導致傳輸信號穩定度惡化，添加電子相位補償措施后，可降低環境變化對穩定度的影響，實現頻率信號高質量傳輸。

1.1 機械應力引起時延抖動分析

溫度和應力是引起光纖頻率傳遞相位變化的主要因素，溫度變化是一個相對緩慢的過程，影響光纖頻率傳遞的長期穩定性，而振動等機械應力為瞬時變化，影響光纖頻率傳遞的短期穩定性，即相位噪聲。振動導致時延抖動是由應力變化引起，應力影響光纖傳輸時延主要有兩個方面[10-13]：

① 應力引起光纖軸向變化，從而使光纖長度變化，引起光纖頻率傳遞過程中相位變化的主要因素。 當光纖受到軸向應力時，引起光纖頻率傳遞相位變化關系為：

(1)

式中，L為光纖長度，F為軸向應力，S為光纖橫截面積，E為楊氏模量，n為光纖折射率，μ為泊松比，p11、p12為光彈張量。

② 應力引起折射率變化，光纖受到多個方向的壓力導致光纖的長度以及芯徑發生變化，引起光纖纖芯折射率發生變化。長度和折射率發生變化都會引起傳輸信號時延變化。假設光纖的兩正交橫方向之間的應力差為Δσ，則同向的折射率差為：

(2)

式中，E為楊氏模量，n為光纖折射率，μ為泊松比，p11、p12為光彈張量。

1.2 電子相位補償原理

電子相位補償通過雙向傳輸頻率信號，調整兩端相位保證參考點輸入輸出信號相位間的共軛關系[14]，如圖1所示。

圖1 相位共軛關系示意圖Fig.1 Schematic diagram of the phase conjugation relationship

經過光纖傳遞后的遠端相位φ0表示為：

(3)

式中，φ0為參考相位，φp為時延相位，若相位滿足上述關系，光纖傳遞后遠端相位與參考信號相位相同。

基于電子相位補償的光纖頻率信號傳遞原理如圖2所示。

為了測量出信號在光纖鏈路傳輸過程中引入的相位變化，增加了兩個信號分別由標準頻率源混頻產生的兩個信號E3、E4：

E3=A3cos(ω3t+φ3)，

(4)

E4=A4cos(ω4t+φ4)，

(5)

電子相位補償系統通過執行單元壓控晶振來完成實時補償，控制單元使用PID控制調整環路濾波器參數，控制壓控晶振輸出頻率信號的相位變化，補償光纖鏈路傳輸中引入的相位變化，執行單元壓控晶振輸出的頻率信號為：

E0=A0sin(ωlocalt+φv)，

(6)

式中，ωlocal為壓控晶振輸出信號的頻率，φv為執行單元補償相位值。

壓控晶振輸出頻率信號經過激光器調制到光信號上，經光分路器，一路進入光纖傳遞至遠端；另一路返回本地探測器經過解調后輸出電信號，這樣做是為了補償傳輸系統中環外器件(激光器、探測器等)引入的相位變化，記為：

E5=A5sin(ωlocalt+φ′v)，

(7)

式中，φ′v包含壓控晶振和環外器件的相位信息。

經過單向光纖傳遞至遠端探測器解調后輸出頻率信號記為：

E10=A10sin(ωlocalt+φ′v+φp)，

(8)

式中，φp表示單向傳遞光纖鏈路附加相位；則經過同一根光纖雙向傳輸后的返回信號包含2倍光纖鏈路附加相位，記為：

E6=A6sin(ωlocalt+φ′v+2φp)，

(9)

將E3和E5混頻得到：

E7=A7cos((ωlocal-ω3)t-φ3+φ′v)，

(10)

將E4和E6混頻得到：

E8=A8cos((ω4-ωlocal)t+φ4-2φp-φ′v)，

(11)

E7和E8經過相位檢測單元得到：

E9=cos((2ωlocal-ω3-ω4)t+(2φ′v+2φp-φ3-φ4))。

(12)

當E9=cos((2ωlocal-ω3-ω4)t+(2φ′v+2φp-φ3-φ4))=0時，加載到執行元件上的電壓為0，本地發射信號E5與返回信號E6相位共軛并且遠端信號的相位與信號傳輸路徑是不相關的。于是滿足式(13)和(14)即可得：

2ωlocal-ω3-ω4=0，

(13)

(14)

(15)

于是有：

(16)

(17)

E5、E6滿足共軛關系，則遠端信號可表示為：

(18)

可見，此時遠端輸出信號與本地端標準頻率源輸出信號相位差為固定值，相位差與信號傳輸路徑無關，實現了信號穩相傳輸。

2 基于電子相位補償的光纖頻率傳遞方案

根據基于電子相位補償的光纖頻率傳遞技術設計1 GHz光纖頻率傳遞方案，如圖3所示，包括微波信號生成單元、共軛信號生成單元、綜合比相單元、反饋控制單元、近端光信號收發單元、遠端光信號收發單元和測試單元。圖中，VCXO為壓控晶振；PC為功分器；M為混頻器；BPF為帶通濾波器；LPF為低通濾波器； PD為光電探測器；OC為光纖環形器；DFB為分布反饋式激光器。

圖3 光纖頻率傳遞方案Fig.3 Optical fiber frequency transmission scheme

微波信號生成單元包含產生標準頻率源的原子鐘、100 MHz頻率綜合器、1 GHz頻率綜合器和一個功率分配器。頻率綜合器負責產生相位鎖定于標準頻率源的頻率信號。

共軛信號生成單元由一個混頻器、一個功分器、一個900 MHz帶通濾波器以及一個1 100 MHz帶通濾波器組成。主要功能是通過微波信號生成單元產生的1 GHz與100 MHz參考信號混頻，經帶通濾波器產生一路900 MHz頻率信號，一路1 100 MHz頻率信號。

綜合比相單元包含兩個混頻器和兩個低通濾波器。主要功能是通過雙混頻電路將900 MHz參考信號與1 GHz預補償傳遞信號混頻、1 100 MHz參考信號與1 GHz返回信號混頻，兩個混頻之后產生的100 MHz頻率信號再進入鑒相器鑒相，給出與光纖鏈路傳輸時延波動相關的誤差信號。

反饋控制單元包含PID控制單元、一個壓控晶體振蕩器和1 GHz頻率綜合器，是光纖頻率傳遞的關鍵所在。主要功能是為了消除傳遞過程引入的相位誤差，將遠端接收信號的相位誤差反饋在近端通過壓控晶體振蕩器進行預補償，實現頻率信號的穩相傳輸。

近端光信號收發單元主要由直調分布反饋式(DFB)激光器、光環形器和光纖鏈路組成，主要功能是實現電光轉換、光電轉換以及光信號的雙向傳遞。

遠端光信號收發單元由直調分布反饋式(DFB)激光器、光電探測器、光環形器、功分器和分頻器組成,主要功能是1 GHz傳遞信號下變頻到10 MHz，為遠端用戶提供10 MHz頻率源，實現遠端虛擬原子鐘作用。

測試單元采用的是相位噪聲測試儀FSWP，可以測試頻率的相位噪聲、Allan方差、相位波動以及頻率波動。

本文光纖頻率傳遞方案的工作原理為：

近端標準頻率源產生10 MHz參考信號，進入頻率綜合器產生100 MHz頻率信號和1 GHz頻率信號，這兩個信號在混頻器M1混頻，經過功分器分成兩路，一路經過900 MHz帶通濾波器BPF1，與壓控晶振VCXO輸出100 MHz信號倍頻后的1 GHz信號混頻濾波之后進入PID；另一路經過1 100 MHz帶通濾波器BPF2，與遠端返回信號混頻濾波之后進入PID。PID控制單元輸出與光纖鏈路傳輸時延波動相關的誤差信號，控制電壓改變VCXO的輸出頻率來實現信號穩相傳輸。壓控晶振輸出信號進入分布反饋式激光器DFB1(波長為λ1)，光信號注入光纖環形器OC1進入光纖，傳遞到遠端。

在遠端，近端來的光信號進入光電探測器轉換成電信號，電信號進入功分器，一路經過遠端分布反饋式激光器DFB2(波長為λ2)經光纖鏈路返回近端，返回信號進入綜合比相單元與近端1 100 MHz頻率信號混頻，之后進行相位補償，至此整個傳遞系統實現閉環;另一路用做系統輸出，實驗中輸出端分頻之后的10 MHz頻率信號與近端10 MHz參考信號進入穩定度測量單元相噪儀，得出穩定度測試結果。評估方法使用頻率穩定度的頻域表征——相位噪聲，可以反映由噪聲引起的相位隨機波動。

3 光纖頻率傳遞試驗

在實際光纖鏈路中，應該考慮到光纜所處環境變化(溫度、應力等因素)對傳輸頻率信號相噪的影響，且由于地理位置等因素的限制，部分光纜會采用架空形式進行鋪設，這種情況下受風力、振動等應力影響引起光纜晃動，會導致頻率信號在光纖傳遞中產生的瞬時相位變化進一步放大，為了保證傳輸至光纜遠端10 MHz相位噪聲指標，應采用具有相位噪聲補償功能的光纖頻率傳遞技術[15-18]。

3.1 光纜應力變化試驗

對架空光纜情況進行應力變化仿真試驗，晃動部分光纜，模擬風力引起的光纜形變，對比晃動前后遠端恢復的頻率信號相位噪聲。標準頻率源選擇低相噪高穩晶振，輸出10 MHz頻率信號1 Hz處相位噪聲為-125 dBc/Hz@1 Hz，光纖頻率傳遞光纜使用100 km光纖盤與30 m光纜組件串聯，光纖不晃動時遠端恢復10 MHz頻率信號1 Hz處相位噪聲為-123 dBc/Hz@1 Hz，測試儀器為相噪測試儀FSWP，經過電子相位補償的光纖頻率傳遞系統，輸出10 MHz頻率信號相位噪聲基本無惡化，測試結果如圖4所示。對30 m光纜進行水平和垂直擺動,擺動幅度1 m，模擬風力引起光纜晃動，遠端恢復10 MHz頻率信號1 Hz處相位噪聲為-117 dBc/Hz@1 Hz，相位噪聲惡化6 dB，如圖5所示。

圖4 100 km+30 m光纖不晃動相位噪聲結果Fig.4 Phase noise results of 100 km+30 m fiber without shaking

圖5 30 m光纖晃動相位噪聲結果Fig.5 30 m fiber sway phase noise results

由以上試驗結果可知，光纜受晃動對傳遞的頻率信號相位噪聲有影響，但基于電子相位補償的高穩定光纖頻率信號傳遞方案補償了大部分晃動光纜引入的相位噪聲。

3.2 實地鏈路光纖頻率傳遞試驗

經過仿真試驗后，開展實地鏈路光纖頻率傳遞試驗，130 km的光纖鏈路中有30 km光纜采用架空鋪設方式，100 km光纜采用埋地鋪設方式，測試時間段試驗地點風力為2～3級，近端標準信號源為高穩晶振，1 Hz處相位噪聲為-120 dBc/Hz@1 Hz。測試儀器使用Symmetricom 3120A。

圖6為光纖頻率傳遞相位噪聲測試結果。未采用電子相位補償的光纖頻率傳遞多次測試遠端恢復10 MHz在1 Hz的處相位噪聲在-100～-95 dBc/Hz@1 Hz之間，均值為-99 dBc/Hz@1Hz；采用電子相位補償的光纖頻率傳遞多次測試遠端恢復10 MHz在1 Hz處相位噪聲在-114～-110 dBc/Hz@1 Hz，均值為-111 dBc/Hz@1 Hz，相比未進行電子相位補償系統相位噪聲提高12 dB，分別如表1和表2所示。

圖6 130 km實地光纖鏈路頻率傳遞穩定度結果Fig.6 Frequency transfer stability results of 130 km field optical fiber link

表1 實地鏈路光纖頻率傳遞相位噪聲測試結果(未進行電子相位補償)Tab.1 Field link fiber frequency transfer phase noise test results(without electronic phase compensation)

表2 實地鏈路光纖頻率傳遞相位噪聲測試結果(電子相位補償)Tab.2 Field link fiber frequency transfer phase noise test results(electronic phase compensation)

4 結束語

通過基于電子相位補償光纖頻率傳遞系統的設計與實現，完成了在架空光纜上實現遠距離低相噪光纖頻率傳遞，噪聲劣化優于10 dB，實驗結果表明該技術補償了光纖頻率傳遞過程中引入的相位噪聲，滿足系統對頻率信號傳遞要求。該技術未來可以應用在架空光纜上，為雷達系統、陣列天線、時鐘比對等提供高精度頻率傳遞服務，具有廣泛的應用前景。