高穩(wěn)定度光纖時(shí)頻相干傳輸技術(shù)研究

馬文起，吳智斌，李　晶，李　娟

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所， 河北 石家莊 050081;

2.西安衛(wèi)星測(cè)控中心， 陜西 西安 710043;

3.中國(guó)人民解放軍第75770部隊(duì)，廣東 廣州 510010)

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高穩(wěn)定度光纖時(shí)頻相干傳輸技術(shù)研究

馬文起1，吳智斌2，李晶1，李娟3

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所， 河北 石家莊 050081;

2.西安衛(wèi)星測(cè)控中心， 陜西 西安 710043;

3.中國(guó)人民解放軍第75770部隊(duì)，廣東 廣州 510010)

摘要針對(duì)上行天線組陣技術(shù)對(duì)高穩(wěn)定度時(shí)頻信號(hào)的需求，提出了一種適用于幾千米量級(jí)的高穩(wěn)定度光纖時(shí)頻傳輸方案。詳細(xì)介紹了該方案的原理和實(shí)現(xiàn)方法，并對(duì)該光纖時(shí)頻傳輸試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試。初步試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)鏈路延遲抖動(dòng)小于10 ps，載波相位抖動(dòng)為0.29°；在傳輸100 MHz頻標(biāo)時(shí)，1 km閉環(huán)光纖時(shí)頻傳輸系統(tǒng)的阿倫方差指標(biāo)為4×10-16/1 000 s，能夠使得頻率標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)“無(wú)損”地分發(fā)至各節(jié)點(diǎn)，可用于千米區(qū)域內(nèi)分布式系統(tǒng)的高精度時(shí)頻同步場(chǎng)合。

關(guān)鍵詞高穩(wěn)定度；光纖延遲線；光學(xué)補(bǔ)償；波分復(fù)用

Research on High-stability Time and Frequency Coherent

Transmission with Optical Fiber

MA Wen-qi1,WU Zhi-bin2,LI Jing1,LI Juan3

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China;

2.Xi’anSatelliteControlCenter,Xi’anShaanxi710043,China;

3.Unit75770,PLA,GuangzhouGuangdong510010,China)

AbstractA method of high-stability time and frequency transmission with optical fiber is discussed in order to meet the urgency need of high-stability time and frequency in uplink arrays.The principle of this method is introduced in detail,and some experiments have been done on the platform of optical fiber time and frequency transmission system.The preliminary results show that the time jitter of optical fiber is less than 10 ps after the loop is closed,and phase jitter of the carrier is 0.29°.The system achieves an Allan deviation of 4×10-16/1000 s when transmission frequency is 100 MHz,and no deterioration of transmission to every situation is achieved,and it can be used in the situations that requires high-precision synchronization for distributed system in area of kilometers.

Key wordshigh stability;optical fiber delay line;optical compensation;wavelength division multiplexing

0引言

深空測(cè)控上行鏈路的根本需求是提高全向輻射功率(EIRP)，上行天線組陣可以在較低成本條件下獲得高EIRP值。NASA也將發(fā)展上行天線組陣技術(shù)作為未來(lái)20年進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。上行天線組陣技術(shù)的關(guān)鍵在于使得在目標(biāo)處的射頻信號(hào)能夠相干合成[1-3]，這就對(duì)各天線間的時(shí)頻同步提出了極高的要求。近些年來(lái)，美國(guó)、日本以及歐洲各國(guó)都對(duì)利用光纖進(jìn)行時(shí)頻傳輸展開(kāi)了一系列相關(guān)研究，并在系統(tǒng)穩(wěn)定度指標(biāo)上取得了很好的試驗(yàn)結(jié)果[4-6]，系統(tǒng)萬(wàn)秒穩(wěn)定度達(dá)到10-17量級(jí)。國(guó)內(nèi)清華大學(xué)、中科院國(guó)家授時(shí)中心等研究結(jié)構(gòu)也在開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)，并取得了一些成果[7,8]，但也僅僅處于試驗(yàn)階段，就調(diào)研所知，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有將利用光纖進(jìn)行高穩(wěn)定度時(shí)頻傳輸技術(shù)應(yīng)用于工程應(yīng)用。為此，本文提出了一種適用于幾千米區(qū)域上行組陣的光纖時(shí)頻相干傳輸?shù)姆椒?，并進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證。

1光纖時(shí)頻相干傳輸?shù)脑?/p>

通常情況下，可以直接利用光纖將頻率源輸出頻率標(biāo)準(zhǔn)傳輸至遠(yuǎn)端，在傳輸?shù)倪^(guò)程中，傳輸信號(hào)會(huì)受到如環(huán)境溫度、機(jī)械振動(dòng)等光纖自身因素的影響，從而導(dǎo)致遠(yuǎn)端頻率標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)不再“純凈”，頻率穩(wěn)定度也會(huì)受到惡化[9]。為了滿足上行天線組陣對(duì)時(shí)間同步精度和頻率穩(wěn)定度的要求，選擇了一種基于光學(xué)補(bǔ)償?shù)臅r(shí)頻傳輸方法[10]。

1.1溫度對(duì)光纖時(shí)頻傳輸?shù)挠绊?/p>

為了保證頻率標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)可以“無(wú)損”地傳輸?shù)竭h(yuǎn)端，首先分析溫度對(duì)光纖時(shí)頻傳輸系統(tǒng)的影響。標(biāo)準(zhǔn)通信光纖的典型溫度系數(shù)k=7ppm/oC(1 m光纖對(duì)應(yīng)5 ns左右的時(shí)延)，設(shè)溫度帶來(lái)的時(shí)延變化為D，

(1)

式中，ΔTSF為地面溫度的變化范圍；LSF為暴露光纖長(zhǎng)度，包括光纜進(jìn)出口以及天線光纜卷繞部分；ΔTUG為地下1 m深處的溫度變化范圍；LUG為深埋光纜的長(zhǎng)度。

假設(shè)取ΔTSF=50oC，ΔTUG=2.5oC，LSF=100m，LUG=1 000m，根據(jù)式(1)計(jì)算可得時(shí)延的變化量D約為262 ps。以S波段2.2 GHz為例，若要求時(shí)間同步精度要求在10 ps以內(nèi)，該時(shí)頻傳輸系統(tǒng)需要采取一些措施來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。

溫度變化引起的相位抖動(dòng)會(huì)引起遠(yuǎn)端頻率標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定度損失，相關(guān)分析工作已在一些參考文獻(xiàn)中做了論述[11,12]。由相關(guān)分析結(jié)果可知，溫度引起的頻率穩(wěn)定度損失與光纖長(zhǎng)度L、光纖溫度系數(shù)α、光纖折射率n以及溫度變化幅度ΔT成正比，并且溫度變化的周期也會(huì)影響頻率穩(wěn)定性損失，而與傳輸頻率f0無(wú)關(guān)。對(duì)本文的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析可知，傳輸高穩(wěn)定度的原子頻標(biāo)，溫度變化引起光纖物理性質(zhì)的變化，由此帶來(lái)的頻率穩(wěn)定度損失對(duì)短期穩(wěn)定度幾無(wú)影響。但是，從長(zhǎng)期穩(wěn)定度來(lái)說(shuō)，溫度帶來(lái)的穩(wěn)定度損失對(duì)于長(zhǎng)期穩(wěn)定度好原子鐘(如氫鐘)穩(wěn)定性還是會(huì)造成惡化(氫鐘萬(wàn)秒穩(wěn)定度約為1×10-15,溫度引入的穩(wěn)定度損失約為10-14量級(jí))。如果傳輸距離進(jìn)一步增加，溫度變化對(duì)長(zhǎng)期穩(wěn)定度影響也會(huì)隨之進(jìn)一步加大。綜上所述，對(duì)于長(zhǎng)期穩(wěn)定度比較好的原子頻標(biāo)，溫度帶來(lái)的光纖鏈路的時(shí)間抖動(dòng)是不可忽略的，要想保證光纖傳輸頻標(biāo)穩(wěn)定度不受損失，對(duì)于時(shí)間抖動(dòng)的測(cè)量[13]和補(bǔ)償就必不可少了。

1.2基于光纖延遲線的光學(xué)補(bǔ)償原理

由上述分析可知，在光纖時(shí)頻傳輸系統(tǒng)中，溫度變化是引起系統(tǒng)穩(wěn)定度損失的一個(gè)重要的因素。為了滿足高穩(wěn)定度傳輸，目前國(guó)內(nèi)外主要的試驗(yàn)方法有3種[14]，本文選擇了基于光纖延遲線的光學(xué)補(bǔ)償方法。3種不同種類的光纖延遲線的原理以及特點(diǎn)如表1所示。

表1　3種光纖延遲線方案原理特點(diǎn)對(duì)比

根據(jù)上節(jié)分析，溫度引入的系統(tǒng)穩(wěn)定度損失主要體現(xiàn)在長(zhǎng)期穩(wěn)定度上，由于平均時(shí)間比較長(zhǎng)，因此對(duì)于光纖延遲線的響應(yīng)速度并沒(méi)有過(guò)高的要求。由于上節(jié)計(jì)算得到的溫度引起的該系統(tǒng)的時(shí)間抖動(dòng)約為262 ps，這要求光纖延遲線的補(bǔ)償范圍需要>300 ps。針對(duì)這種應(yīng)用需求，選擇了General Photonics公司的”MOTORIZED DELAY LINE MDL-002”，工作時(shí)由RS232串口輸入以ps為單位的控制信號(hào)以完成相應(yīng)光程變化。光纖延遲線(Optical Delay Line)內(nèi)部由平移軌道、反射鏡片和步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成，輸入控制信號(hào)后步進(jìn)電機(jī)推動(dòng)鏡片在平移軌道上精確移動(dòng)位置，以達(dá)到控制光程變化的目的。其發(fā)生一次光程變化時(shí)由內(nèi)部工作的機(jī)械裝置完成，因此響應(yīng)速度較慢，工作頻率僅能達(dá)到Hz量級(jí)。實(shí)際的時(shí)延抖動(dòng)補(bǔ)償試驗(yàn)中，選取其工作在560 ps(約17 cm)，工作頻率為0.5~1 Hz。

1.3光學(xué)波分復(fù)用技術(shù)

由于光纖延遲線是通過(guò)接收以ps為單位的控制信號(hào)以完成相應(yīng)光程變化從而實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償鏈路時(shí)間抖動(dòng)的目的。為了補(bǔ)償鏈路的時(shí)間抖動(dòng)，首先需要鏈路的時(shí)間抖動(dòng)進(jìn)行精確測(cè)量。在該試驗(yàn)中，時(shí)間抖動(dòng)的測(cè)量方法是通過(guò)測(cè)量載波相位抖動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。為了提高測(cè)量精度，在本方案中選擇一個(gè)頻率較高的精測(cè)音來(lái)對(duì)鏈路時(shí)間(相位)抖動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)一系列運(yùn)算、處理得到延遲線的控制量，實(shí)現(xiàn)對(duì)鏈路時(shí)間抖動(dòng)的補(bǔ)償。由于在本試驗(yàn)中傳輸?shù)念l率標(biāo)準(zhǔn)為100 MHz，測(cè)量時(shí)間抖動(dòng)使用的精測(cè)音頻率為1 GHz。為了使二者互不干擾的傳輸，在該試驗(yàn)方案中還利用了波分復(fù)用技術(shù)[15]。將頻率標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)和精測(cè)音信號(hào)分別利用波分復(fù)用的2個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)行傳輸，再通過(guò)解復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)二者的分離，從而實(shí)現(xiàn)二者互無(wú)干擾的傳輸。

2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的原理

本文提出的一種光纖穩(wěn)相時(shí)頻傳輸方案的原理圖如圖1所示。

圖1　光纖時(shí)頻傳輸?shù)脑?/p>

系統(tǒng)主要由發(fā)射模塊、接收模塊、波分復(fù)用器、光纖延遲線、鑒相模塊、控制模塊、監(jiān)控模塊和頻綜等幾部分構(gòu)成。其時(shí)頻相干傳輸原理是：在近端，分別將100 MHz頻率標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)以及頻綜輸出的1 GHz精測(cè)音信號(hào)分別經(jīng)過(guò)電光轉(zhuǎn)換調(diào)制到2個(gè)不同的光載波上，通過(guò)波分復(fù)用的方式通過(guò)一根光纖傳遞到遠(yuǎn)端。在遠(yuǎn)端通過(guò)一個(gè)解復(fù)用器再將2個(gè)不同波長(zhǎng)的光信號(hào)分離，然后通過(guò)環(huán)形器和一個(gè)耦合器可以將載有1 GHz信號(hào)的光波返回到近端。近端的接收模塊將返回的攜帶有1 GHz信號(hào)光波解調(diào)輸出帶有光纖鏈路相位抖動(dòng)的1 GHz精測(cè)音信號(hào)，然后將該信號(hào)與近端的參考精測(cè)音信號(hào)進(jìn)行鑒相，得到鏈路相位抖動(dòng)信息。鑒相模塊將相位抖動(dòng)信息送給控制器，控制器經(jīng)過(guò)采樣、PID(比例積分微分)運(yùn)算得到控制量，并將該控制量發(fā)送給光纖延遲線。光纖延遲線接收到控制器發(fā)送的命令，根據(jù)命令調(diào)整傳輸鏈路的光程，從而達(dá)到補(bǔ)償鏈路相位抖動(dòng)(時(shí)間抖動(dòng))的目的。

3試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1時(shí)間抖動(dòng)測(cè)量結(jié)果

由于在實(shí)際的閉環(huán)補(bǔ)償?shù)姆桨钢行枰诠饫w中將頻綜輸出的1 GHz精測(cè)音信號(hào)進(jìn)行雙向傳輸，為了測(cè)試在雙向傳輸時(shí)光纖鏈路延遲的測(cè)試結(jié)果，在該實(shí)驗(yàn)中將載有1 GHz精測(cè)音信號(hào)的光波經(jīng)過(guò)1 km光纖傳輸?shù)竭h(yuǎn)端后再利用耦合器和環(huán)形器將部分光信號(hào)返回進(jìn)行雙向光纖鏈路延遲的測(cè)量。在測(cè)量時(shí)間內(nèi)，閉環(huán)條件下鏈路延遲抖動(dòng)測(cè)試的結(jié)果如圖2所示，由圖2(b)可以看出在測(cè)試時(shí)間內(nèi)，光纖延遲線補(bǔ)償量的變化已超過(guò)130 ps，從而間接說(shuō)明了在測(cè)試時(shí)間內(nèi)溫度變化引入的鏈路延遲的變化量也超過(guò)了130 ps。經(jīng)過(guò)閉環(huán)補(bǔ)償后鏈路延遲抖動(dòng)的變化如圖2(a)所示，由圖2(a)看出，在測(cè)試時(shí)間內(nèi)，時(shí)延抖動(dòng)由原來(lái)的超過(guò)130 ps減小至10 ps以內(nèi)，鏈路延遲抖動(dòng)得到了很好的補(bǔ)償。

圖2　雙向1 km光纖鏈路延遲測(cè)量結(jié)果

遠(yuǎn)端返回信號(hào)和近端參考信號(hào)進(jìn)行鑒相得到的相位測(cè)試結(jié)果如圖3所示。由相位測(cè)量結(jié)果看出，在測(cè)試時(shí)間內(nèi)，鑒相結(jié)果都基本可以收斂到參考相位附近，閉環(huán)穩(wěn)定時(shí)相位值的抖動(dòng)(鑒相結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差)為0.29°。

圖3　近端參考信號(hào)與遠(yuǎn)端返回信號(hào)的鑒相結(jié)果

3.2阿倫方差測(cè)試結(jié)果

為了測(cè)試系統(tǒng)閉環(huán)后的穩(wěn)定度指標(biāo)，在完成系統(tǒng)的搭建后，測(cè)試了系統(tǒng)的阿倫方差。測(cè)試方法是將經(jīng)過(guò)該電-光-電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和1 km光纖的100 MHz頻標(biāo)信號(hào)送入阿倫方差測(cè)試儀(Symmetricom 5125A)，參考信號(hào)選擇為氫鐘輸出的另外100 MHz信號(hào)。因此，該阿倫方差測(cè)量結(jié)果是該系統(tǒng)以及光纖鏈路對(duì)傳輸頻標(biāo)帶來(lái)的相對(duì)頻率穩(wěn)定性損失。分別測(cè)試系統(tǒng)在開(kāi)環(huán)和閉環(huán)條件下的阿倫方差測(cè)試結(jié)果，測(cè)試結(jié)果分別如圖4和圖5所示。

圖4　開(kāi)環(huán)條件下系統(tǒng)阿倫方差測(cè)試結(jié)果

圖5　閉環(huán)條件下系統(tǒng)阿倫方差測(cè)試結(jié)果

從測(cè)試結(jié)果看出，開(kāi)環(huán)時(shí)，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(kāi)環(huán)情況下的千秒穩(wěn)定度對(duì)于原子頻標(biāo)的長(zhǎng)期穩(wěn)定度會(huì)造成損失[13]。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(jí)，相對(duì)于開(kāi)環(huán)時(shí)測(cè)量結(jié)果，閉環(huán)時(shí)千秒穩(wěn)測(cè)量結(jié)果約提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，這樣經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后的系統(tǒng)就不會(huì)對(duì)頻標(biāo)的長(zhǎng)期穩(wěn)定度造成損失，從而滿足上行天線組陣技術(shù)的頻率穩(wěn)定度需求。

4結(jié)束語(yǔ)

理論分析表明，溫度對(duì)光纖時(shí)頻傳輸系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定度會(huì)造成一定損失，利用光纖延遲線進(jìn)行光學(xué)補(bǔ)償是一種有效的提高系統(tǒng)傳輸穩(wěn)定度的方法。閉環(huán)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明，該種補(bǔ)償方案可以很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)時(shí)間抖動(dòng)的補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了ps級(jí)光纖鏈路延遲抖動(dòng)的測(cè)量和補(bǔ)償，系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。該系統(tǒng)能夠滿足上行天線組陣技術(shù)對(duì)時(shí)頻信號(hào)的穩(wěn)定度需求，對(duì)高穩(wěn)定度光纖時(shí)頻傳輸技術(shù)研究一定的參考價(jià)值。

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馬文起男，(1989—)，工學(xué)碩士。主要研究方向：航天測(cè)控技術(shù)、信號(hào)與信息處理。

吳智斌男，(1969—)，工學(xué)學(xué)士，高級(jí)工程師。主要研究方向：深空測(cè)控。

作者簡(jiǎn)介

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61308061)。

收稿日期：2015-09-21

中圖分類號(hào)TN929

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1003-3106(2015)12-0044-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.12.12

引用格式：馬文起，吳智斌，李晶，等.高穩(wěn)定度光纖時(shí)頻相干傳輸技術(shù)研究[J].無(wú)線電工程,2015,45(12):44-47.