光纖傳輸高精度時頻信號在長波授時中的應(yīng)用

魏孝鋒，車愛霞，喬建武，吳軍

（中國科學(xué)院 國家授時中心，西安 710600）

光纖傳輸高精度時頻信號在長波授時中的應(yīng)用

魏孝鋒，車愛霞，喬建武，吳軍

（中國科學(xué)院 國家授時中心，西安 710600）

為提高BPL長波授時系統(tǒng)時頻基準(zhǔn)信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性和抗干擾能力，采用了光纖鏈路替代了中同軸電纜傳遞時頻信號。介紹了該光纖鏈路的組成和工作原理，提供了該系統(tǒng)傳遞時頻信號的穩(wěn)定性實(shí)測結(jié)果。與中同軸電纜傳輸結(jié)果比較光纖傳輸有明顯的優(yōu)勢。

光纖傳輸；高精度時頻信號；相位抖動

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，時間頻率應(yīng)用日益廣泛，對時間頻率信號傳輸性能的要求越來越高。光纖因具有工作頻帶寬、損耗低、體積小、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)勢，已經(jīng)成為信息傳輸?shù)闹饕劫|(zhì)。隨著光纖通信技術(shù)的不斷進(jìn)步和大規(guī)模產(chǎn)業(yè)的形成，光纖通信的成本也越來越低，在通信網(wǎng)、廣電網(wǎng)、計算機(jī)網(wǎng)以及其他數(shù)據(jù)傳輸?shù)认到y(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。近年來利用光纖傳遞時間頻率信號在國內(nèi)外也得到廣泛研究[1]。

中國科學(xué)院國家授時中心（NTSC）BPL長波授時的標(biāo)準(zhǔn)時間頻率信號由相距1.2 km的時頻監(jiān)控室提供，早期的信號傳遞利用中同軸電纜。為了進(jìn)一步提高信號傳輸穩(wěn)定度和可靠性，在BPL授時系統(tǒng)現(xiàn)代化技術(shù)改造中，首次在該系統(tǒng)中采用了光纖傳遞時頻信號。本文主要論述利用光纖傳遞時間頻率信號的原理，在長波授時系統(tǒng)中的應(yīng)用及傳輸性能實(shí)測結(jié)果。

1 光纖通信系統(tǒng)基本組成原理

光纖可以傳輸數(shù)字信號，也可以傳輸模擬信號，其基本的系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1　光纖通信系統(tǒng)基本組成

基帶信號為原始電信號，需要進(jìn)行發(fā)射前的信號處理，如匹配放大、調(diào)制、模/數(shù)轉(zhuǎn)換等，然后調(diào)制光載波，完成電/光轉(zhuǎn)換并注入光纖線路。接收端通過光檢測器檢測經(jīng)光纖線路衰減的微弱光信號的強(qiáng)度，提取出電信號，實(shí)現(xiàn)光/電轉(zhuǎn)換，再經(jīng)放大、解調(diào)（必要時解復(fù)用）、解碼等處理（接收電信號處理）還原出有用信息。

對于單一信號的模擬通信系統(tǒng)，可以直接對基帶信號進(jìn)行電/光轉(zhuǎn)換。為提高傳輸質(zhì)量和帶寬利用率，也可將模擬基帶信號轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)制（FM）、脈沖頻率調(diào)制（PFM）或脈沖寬度調(diào)制（PWM）等已調(diào)信號。

由于數(shù)字通信系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)、傳輸質(zhì)量好、易于加密、易于集成等優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)科技發(fā)展對通信系統(tǒng)越來越高的要求，幾乎有取代模擬通信的趨勢。通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換可實(shí)現(xiàn)模擬信號的數(shù)字化傳遞。對于單一信號的數(shù)字系統(tǒng)，可直接進(jìn)行電/光轉(zhuǎn)換。對于需要傳輸大容量信息的系統(tǒng)，還可以采用副載波復(fù)用（SCM）技術(shù)，用不同信息源的基帶信號（模擬或數(shù)字）分別調(diào)制指定的不同頻率的電載波信號，然后將這些載有不同信息的射頻（RF）電信號組合在一起，進(jìn)行電/光轉(zhuǎn)換，并用耦合技術(shù)最大限度地注入光纖線路。

信號的電/光轉(zhuǎn)換是通過電信號對光的調(diào)制實(shí)現(xiàn)的，調(diào)制方法有直接調(diào)制和間接調(diào)制（或稱外調(diào)制）兩種。直接調(diào)制是用電信號直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極管的驅(qū)動電流，使輸出光強(qiáng)度隨電信號變化而變化。該方法技術(shù)簡單、成本較低、易于實(shí)現(xiàn)，但調(diào)制速率受激光器的頻率特性限制。外調(diào)制是把激光的產(chǎn)生和調(diào)制分開，將光載波和電信號同時輸入調(diào)制器，最終輸出已調(diào)光波信號。外調(diào)制技術(shù)復(fù)雜、成本高，但調(diào)制速率高，一般用在大容量復(fù)用系統(tǒng)或相干光通信系統(tǒng)。

光源是實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件，光源特性是決定光發(fā)射機(jī)性能的主要因素。目前廣泛使用的光源有半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）和半導(dǎo)體激光二極管（或稱激光器LD）。LED光源電路簡單，成本低，溫度特性和線性度較好，但發(fā)光譜線寬，與光纖的耦合效率低。與LED相比，LD光源的發(fā)光譜線窄，與光纖的耦合效率高，但溫度特性和線性度稍差。

接收端光信號到電信號的轉(zhuǎn)換通過光檢測器實(shí)現(xiàn)，目前廣泛使用的光檢測器是光電二極管。檢測方式有直接檢測和外插檢測兩種，直接檢測技術(shù)簡單，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，被普遍采用[2]。

2 BPL授時時頻基準(zhǔn)的光纖傳輸

時間頻率信號傳遞中，系統(tǒng)可靠性和傳輸時延穩(wěn)定性無疑是最重要的。光纖由于損耗低、抗電磁干擾能力強(qiáng)，又易于中繼，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高穩(wěn)定度時間頻率信號傳遞。時間頻率信號可通過專用線路傳遞，已經(jīng)建成并將不斷完善的通信系統(tǒng)光纖網(wǎng)絡(luò)也是可以利用的有效資源。近年來，利用光纖傳遞高精度時間頻率信號受到業(yè)界廣泛研究。

中國科學(xué)院國家授時中心（NTSC）于2006年啟動了BPL長波授時系統(tǒng)現(xiàn)代化技術(shù)改造項目（以下簡稱“BPL改造”），直接控制發(fā)射機(jī)工作的標(biāo)準(zhǔn)時間頻率信號由相距1.2 km的時頻監(jiān)控室提供。早期的信號傳遞采用中同軸電纜。BPL屬于大功率發(fā)射臺，電纜傳輸?shù)臅r頻信號易受本地電臺信號干擾。在BPL改造中，鋪設(shè)了單模光纜線路，利用光纖傳遞BPL時間頻率基準(zhǔn)信號。本文主要討論本地守時鐘產(chǎn)生的高穩(wěn)定度標(biāo)準(zhǔn)正弦頻率信號和秒脈沖信號的傳遞。

BPL長波授時時間頻率基準(zhǔn)信號傳遞的信息量較少，無需采用復(fù)雜的復(fù)用技術(shù)，每個信號各用一根光纖單獨(dú)傳遞，這樣可防止互調(diào)失真和差拍失真對信號相位穩(wěn)定度的影響。秒脈沖信號（1 PPS）和標(biāo)準(zhǔn)正弦頻率信號都屬模擬信號，若采用直接光強(qiáng)調(diào)制，光源P-I曲線的非線性可能會導(dǎo)致信號畸變、相位穩(wěn)定性變差。雖然預(yù)失真補(bǔ)償電路能在一定程度上改善非線性，但增加了電路的復(fù)雜性和調(diào)試難度。實(shí)際上，秒脈沖可以認(rèn)為是碼元周期為1 s的特殊低速數(shù)字信號，可以直接進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制完成電/光轉(zhuǎn)換。標(biāo)準(zhǔn)正弦頻率信號屬幅度恒定的點(diǎn)頻信號，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，只要用2倍于該正弦信號頻率f的采樣頻率（2 f）對其采樣，采用簡單的一位增量脈碼調(diào)制（DM），即可實(shí)現(xiàn)模擬正弦信號的數(shù)字化，再進(jìn)行直接光強(qiáng)調(diào)制，實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換。

圖2和3分別是秒脈沖信號和標(biāo)準(zhǔn)正弦頻率信號的光纖傳遞原理框圖。為了提高傳輸性能，光發(fā)射和接收都選用了集成光模塊，秒脈沖模塊速率為2 Mb/s，正弦信號（10 MHz和5 MHz）模塊速率為 622 Mb/s。發(fā)射模塊中集成了差分電流開關(guān)驅(qū)動電路、自動光功率控制（APC）電路和自動溫度控制（ATC）電路，并最大限度地將光信號注入光纖線路。接收模塊中，集成了光檢測器（PD），放大器和信號處理電路、自動增益控制（AGC）電路和差分變換電路，使微弱的光信號經(jīng)過放大后，還原成原來的電信號。

圖2　秒脈沖信號光纖傳輸原理框圖

圖3　標(biāo)準(zhǔn)正弦頻率信號光纖傳輸原理框圖

標(biāo)準(zhǔn)正弦信號的增量調(diào)制AD轉(zhuǎn)換通過一電壓比較器實(shí)現(xiàn)，參考電壓為0。正半周時，信號幅度大于0，電壓比較器輸出高電位“1”，負(fù)半周時；信號幅度小于0，電壓比較器輸出低電位“0”，每個信號周期取樣2次，完成信號的一位增量脈碼調(diào)制，如圖4所示[3]。

圖4　增量脈碼調(diào)制實(shí)現(xiàn)正弦信號數(shù)字化示意圖

可以看出，這種定幅點(diǎn)頻信號的增量脈碼調(diào)制實(shí)際是將正弦信號變換為占空比為50%的f PPS（每秒f個脈沖）的單極性脈沖信號，這種特殊的“編碼”信號包含了原信號所有信息。對光載波進(jìn)行直接光強(qiáng)調(diào)制并經(jīng)光纖線路傳遞到接收端后，“譯碼”也是非常簡單的。

差分變換的目的是使正弦信號參考電位為0。

接收端的微弱光信號經(jīng)光/電轉(zhuǎn)換、前置放大、整形放大得到單極性脈沖信號。對于秒脈沖信號，通過阻抗匹配即刻恢復(fù)。對標(biāo)準(zhǔn)頻率信號，還需通過差分變換將單極性脈沖變?yōu)殡p極性，完成“譯碼”，再通過窄帶濾波、阻抗匹配恢復(fù)出標(biāo)準(zhǔn)正弦頻率信號。

3 BPL時頻信號光傳輸系統(tǒng)實(shí)測結(jié)果

3.1 光傳輸設(shè)備實(shí)驗室測試結(jié)果

圖5和6分別是實(shí)驗室1.5 km光纖線路上傳遞1 PPS和5 MHz信號時系統(tǒng)引入的相位抖動曲線。

圖5　實(shí)驗室1.5 km光纖傳輸秒脈沖信號的相位抖動曲線

圖6　實(shí)驗室1.5 km光纖傳輸5 MHz頻率信號的相位抖動曲線

由圖5和6可以看出，1 PPS傳輸系統(tǒng)引入的相位抖動峰峰值在±200 ps之內(nèi)，5 MHz傳輸系統(tǒng)引入的相位抖動峰峰值在±100 ps之內(nèi)。因為5 MHz傳輸系統(tǒng)使用的模塊速率更高，所以傳輸性能更好一些。應(yīng)該說，選取高速模塊能夠進(jìn)一步提高傳輸穩(wěn)定性。

3.2 實(shí)際線路傳輸結(jié)果

受實(shí)驗條件限制，實(shí)際線路測試中，將傳輸?shù)?.2 km處的發(fā)射機(jī)房的信號用短跳線連接再回傳到時頻監(jiān)控室完成測試，且只對秒脈沖系統(tǒng)進(jìn)行測試。圖7是在BPL大功率發(fā)射機(jī)工作的情況下2.4 km實(shí)際光纖線路傳遞1 PPS信號時系統(tǒng)引入的相位抖動曲線。

圖7　2.4 km實(shí)際光纖線路傳輸秒脈沖信號的相位抖動曲線

由圖7可見，利用2.4 km實(shí)際光纖線路傳輸1 PPS信號時引入的相位抖動峰峰值在±300 ps之內(nèi)，與實(shí)驗室結(jié)果吻合，實(shí)際線路在大功率輻射場中沒有引入干擾，而同軸電纜達(dá)不到這種效果。

3.3原中同軸電纜傳輸時頻信號的測試結(jié)果

由圖8和9分別是2.4 km中同軸電纜在非在線狀態(tài)（未與發(fā)射機(jī)連接且發(fā)射機(jī)處于關(guān)機(jī)狀態(tài)）下傳遞1 PPS和5 MHz信號時引入的相位抖動曲線。

圖8　2.4 km中同軸電纜傳輸秒脈沖信號的相位抖動曲線

圖9　2.4 km中同軸電纜傳輸頻率信號的相位抖動曲線

由圖8和圖9中曲線顯示，采用中同軸電纜傳輸1 PPS信號時相位抖動峰峰值達(dá)到了±600 ps，傳輸5 MHz信號時相位抖動峰峰值超過了±600 ps?？梢韵胂?，若發(fā)射機(jī)處于工作狀態(tài)，信號相位抖動會更大。

以上實(shí)測數(shù)據(jù)表明，采用光纖鏈路傳輸時頻信號，系統(tǒng)引入的相位波動明顯減小，抗干擾能力強(qiáng)，進(jìn)一步提高了BPL時號精度。

4 結(jié)語

BPL長波授時系統(tǒng)現(xiàn)代化技術(shù)改造首次使用光纜傳輸高精度時頻信號[4]，傳輸性能明顯優(yōu)于中同軸電纜。采用光纖傳遞高精度時間頻率信號具有穩(wěn)定度高和抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)越性，值得應(yīng)用推廣。

[1]張帆, 候冬, 郭海鵬, 等.光纖時間頻率傳輸?shù)臅r延抖動主動補(bǔ)償[J].光學(xué)學(xué)報, 2010, 30(3): 671-675.

[2]鄧大鵬.光纖通信原理[M].北京: 人民郵電出版社, 2009.

[3]覃宗厚, 高進(jìn), 魏孝鋒.一種恒幅點(diǎn)頻信號的光傳輸方法[J].光通信技術(shù), 2013, (6): 46-47.

[4]車愛霞, 段建文, 魏孝鋒, 等.升級改造后的BPL時頻監(jiān)控系統(tǒng)[J].時間頻率學(xué)報, 2010, 33(2): 134-139.

Application of transmitting high-accuracy time-frequency signal via optical fiber to long wave time service

WEI Xiao-feng，CHE Ai-xia，QIAO Jian-wu，WU Jun

（National Time Service Center，Chinese Academy of Sciences，Xi′an 710600，China）

With the purpose of improving the stability and anti-interference ability of time-frequency signal transmission for BPL long wave time service system，the optical-fiber link is adopted instead of the coaxial cable to transfer time-frequency signals.In this paper，the composition and principle of the optical fiber link are introduced and the measurements of the stability of time-frequency signal transmission for this system are presented.The time-frequency signal transmission via optical fiber has obvious advantages compared with that via coaxial cable.

optical fiber communication； high-accuracy time-frequency signal； phase jitter

P127.1

A

1674-0637（2015）02-0095-06

10.13875/j.issn.1674-0637.2015-02-0095-06

2014-11-20

中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程青年人才領(lǐng)域前沿項目資助

魏孝鋒，男，工程師，主要從事時間頻率發(fā)播控制及相關(guān)技術(shù)研究。