基于光纖的高精度頻率相干傳輸技術研究

郭肅麗,李 晶 *,劉友永,馬文起,王 飛

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所,石家莊050081；2.三峽大學理學院,宜昌443002)

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基于光纖的高精度頻率相干傳輸技術研究

郭肅麗1,李 晶1 *,劉友永1,馬文起1,王 飛2

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所,石家莊050081；2.三峽大學理學院,宜昌443002)

摘要：基于航天測控等領域?qū)Ω呔认喔蓚鬏敿案呔葧r延測量的需求，設計了一種基于光纖不同端站間的頻率相干傳輸系統(tǒng)，闡述了其基本原理并進行初步試驗驗證。試驗結(jié)果表明，不同端站間的同步精度可以達到皮秒量級，頻率的短穩(wěn)達到2.8*10-14/ s，長期穩(wěn)定性可以達到6*10-17/10000 s，實現(xiàn)了不同端站間頻標的高精度相干穩(wěn)相傳輸。

關鍵詞：相干傳輸；光纖；時延差；同步精度

1 引言

連接端站干涉測量(CEI)、上行天線組陣以及下行天線組陣等分布式測量系統(tǒng)中均包含時頻分發(fā)子系統(tǒng),用來將中心的頻率參考信號和時間參考信號分布到各個測量端站［1-3］。系統(tǒng)不僅要求各個測量端站的頻率標準具有相當高的長期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度,而且要求各個測量端站之間的頻率標準和時間標準高精度同步,保證系統(tǒng)能夠協(xié)調(diào)的工作。光纖問世后,由于其卓越的通信性能和穩(wěn)定性能,美國國家標準技術局(NIST)和美國天體物理聯(lián)合研究所(JILA)率先用它來傳遞原子頻標,進行高精度頻標比對［4］,美國國家航空航天管理局(NASA)也利用光纖時頻傳遞構建了著名的深空探測網(wǎng)絡( Deep-Space Network)［3］,DSN通過采用超穩(wěn)閉環(huán)穩(wěn)相系統(tǒng)同時提高傳輸頻標信號的頻率進一步降低系統(tǒng)噪聲, 在16 km光纖中進行傳輸,得到光纖傳輸系統(tǒng)的短期穩(wěn)定性在1 s時接近10-14,在平均一天內(nèi)長期穩(wěn)定性約在10-17的量級。近年來,日本和法國等發(fā)達國家的相關機構也加入了利用光纖傳遞時頻的研究行列［5-6］。天線組陣系統(tǒng)中,各天線射頻鏈路部分利用本振信號將射頻信號下變頻至中頻,接著利用采樣信號對射頻信號進行中頻采樣。中心處理室的本陣信號及采樣鐘經(jīng)時間頻率光纖傳輸子系統(tǒng)傳輸至各天線端,傳輸子系統(tǒng)延時抖動需要控制在皮秒量級來保證天線端的采樣鐘同步,時間頻率子系統(tǒng)產(chǎn)生的頻率信號經(jīng)時間頻率光纖傳輸子系統(tǒng)傳輸至各天線端,傳輸子系統(tǒng)秒穩(wěn)達到10-14量級,日穩(wěn)達到10-17量級可以保證傳輸?shù)竭h端的頻標信號質(zhì)量。針對大規(guī)模天線組陣對時間頻率信號相干傳輸?shù)囊?本文對基于光纖進行頻率信號穩(wěn)相傳輸進行了理論分析,并設計了基于光纖的頻標相干傳輸系統(tǒng),對頻率信號相干傳輸系統(tǒng)進行高精度時延測量及穩(wěn)相相干試驗測量及結(jié)果分析,同時對系統(tǒng)設計的頻率信號傳遞的穩(wěn)定性性能進行分析,通過光纖相干傳輸系統(tǒng)的設計及試驗,可以實現(xiàn)分發(fā)到不同端站間的頻率信號的皮秒級高精度同步,對分布式系統(tǒng)不同端站的協(xié)同工作提供有力支持。

2 基本原理

相干傳輸方案的基本原理如下：檢測環(huán)境變化對光纖延遲的影響,并反饋調(diào)控光纖延伸器,調(diào)整光纖鏈路的絕對長度,控制遠端輸出的信號相位穩(wěn)定及時延穩(wěn)定。其原理架構如圖1所示。

圖1 光纖鏈路補償結(jié)構框圖Fig.1 Block diagram of the compensation of the fiber link

假設中心處理基站發(fā)出的射頻參考信號的初始相位為?ref(0),經(jīng)過光纖延遲線引入固定相移?a(0),經(jīng)過光纖傳輸,產(chǎn)生的相移為?f(0),在遠端天線探測器信號部分反射,經(jīng)光纖傳輸產(chǎn)生?f(Trt)的相移,再次經(jīng)過光纖延遲線,引入?a(Ttr)的相移。由于信號通過雙向延遲線和光纖的時間非常短,可以認為信號兩次經(jīng)過它們分別引入的相移是相同的。比較返回的信號相位?rt(Ttr)和返回時刻參考信號的相位?ref(Ttr),可以得到鏈路傳輸引入的瞬時相移如式(1)。

通過調(diào)節(jié)光纖延遲線,改變光纖長度以補償環(huán)境變化引入的光纖長度抖動,使得(1)式左端為一常數(shù),即2(?a＋?f)為一常數(shù),即環(huán)境變化引入的光纖長度抖動得到補償,此時在遠端天線接收到的信號的相位?ref(0)＋?a(0)＋?f穩(wěn)定,從而實現(xiàn)了光纖鏈路的補償,實現(xiàn)了穩(wěn)定的相位相干傳輸。

經(jīng)過光纖延伸器補償后遠端輸出的頻標相位穩(wěn)定到某一范圍Δ?內(nèi),結(jié)合傳輸信號頻率折算至延遲量補償精度,如式(2)：

根據(jù)(2)式可得出遠端輸出的頻標信號的時延抖動精度。補償后的相位穩(wěn)定精度約0.1°,根據(jù)上式可以得出時延定標的精度約為幾皮秒量級,這決定了時頻相干傳輸?shù)木取?/p>

根據(jù)上述推導可以看出,光纖延遲線只能補償光纖鏈路的環(huán)境溫度導致的長度抖動,而對于時頻信號分發(fā)到不同端站時,由于不同端站的實際距離不同或由于鏈路的連接誤差導致的實際距離不一定相同,如果要實現(xiàn)不同鏈路的相干傳輸,僅靠光纖延遲線只能補償部分時延變化,無法補償鏈路的實際長度,需要提前標定不同鏈路的時延差,再在后續(xù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中補償鏈路的絕對時延差,而光纖延遲線可以保證每個鏈路輸出的相位穩(wěn)定,從而保證不同鏈路的相干傳輸,所以本系統(tǒng)還需要精密的時延測量系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)設計

由于光纖具有卓越的通信性能和穩(wěn)定性能,利用光纖傳遞頻率參考與時鐘信號可以將本地的頻率或時鐘參考信號忠實地(相位相干)在遠端輸出,將此系統(tǒng)用于天線組陣的時頻傳輸系統(tǒng)也是工程中一項新的技術。天線組陣系統(tǒng)中由于不同天線所處的位置不同,中心處理室到不同端站處的時延絕對值不一定相同,同時由于外界環(huán)境的溫度和振動等因素對鏈路穩(wěn)定性的影響,到達不同端站的時延和相位值都是時刻變化的。因此要實現(xiàn)不同天線間即不同端站間頻率信號的高精度相干傳輸,需要對天線組陣的時頻傳輸系統(tǒng)進行相位或時延補償以及時延值的高精度測量。由于光纖傳輸距離大概1 ～20 km左右,通過光纖延遲線進行穩(wěn)相閉環(huán)控制,通過多側(cè)音載波調(diào)制技術,調(diào)制幾個單側(cè)音到光載波上,利用多側(cè)音進行解模糊求出系統(tǒng)的準確時延值,根據(jù)載波相位實時檢測環(huán)境變化對光纖時延的影響,并反饋調(diào)控光纖延遲線,調(diào)整光纖的絕對長度,使遠端輸出的相位穩(wěn)定,同時通過測量的延時值反饋給系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理進行處理,從而保證不同天線端實現(xiàn)相干,圖2為時頻分發(fā)系統(tǒng)相干傳輸示意圖。

圖2 相干傳輸系統(tǒng)示意圖Fig.2 Diagram of the coherent transmission system

4 試驗及仿真結(jié)果

根據(jù)圖2的系統(tǒng)設計,首先測試了閉環(huán)穩(wěn)相系統(tǒng)的指標。試驗中用于補償鏈路的信號頻率為2.4 GHz,光纖傳輸距離20 km,測試信號經(jīng)過長距離光纖傳輸后輸出端相位的穩(wěn)定性,經(jīng)過光纖延遲線閉環(huán)補償光纖鏈路的相位抖動,測試時間長度為3000 s時的相位輸出。如圖3所示,其中橫軸為測量時間,縱軸表示相位變化,可以看出閉環(huán)鎖定情況下相位誤差在0.1°之內(nèi),根據(jù)公式(2)得出遠端輸出的頻標信號的時延抖動精度可以達到1 ps內(nèi)。圖4為同時記錄的光纖延遲線補償量的變化曲線,表明在這段時間內(nèi)光纖鏈路出現(xiàn)了最大18 ps的時延飄移。

圖3 2.4 GHz信號經(jīng)閉環(huán)系統(tǒng)的相位穩(wěn)定性Fig.3 The phase stability of the 2.4 GHz signal after transmission through the fiber system

對于氫鐘輸出的100 MHz頻標信號經(jīng)過穩(wěn)相光纖時頻傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)竭h端,測試遠端頻標信號的頻率穩(wěn)定性,判斷時頻傳輸系統(tǒng)對頻標信號的影響。頻標信號一分為二,一路輸入到TSC 5125A的參考信號端作為參考信號,另一路調(diào)制到光纖時頻分系統(tǒng)的電光調(diào)制器上經(jīng)過系統(tǒng)傳輸?shù)竭h端,遠端輸出的100 MHz輸入到TSC 5125A信號輸入端,測試輸入的頻標信號相對于入射到時頻傳輸系統(tǒng)的頻標信號的頻率穩(wěn)定性。經(jīng)過開環(huán)時頻傳輸系統(tǒng),測試的阿倫方差結(jié)果如圖5(a)所示,經(jīng)過閉環(huán)時頻傳輸系統(tǒng),測試的阿倫方差結(jié)果如圖5(b)所示。測量結(jié)果可以看出,開環(huán)系統(tǒng)由于受溫度變化對頻率穩(wěn)定度的影響,阿倫方差在1000 s穩(wěn)后會逐步上揚,也就是穩(wěn)定性會變差,而閉環(huán)系統(tǒng)已經(jīng)補償了外界溫度等因素對光鏈路的影響,其傳遞到遠端100 MHz的頻率標準信號的長穩(wěn)會達到6*10-17/10000 s,同時秒穩(wěn)結(jié)果為2.8*10-14。即氫鐘100 MHz頻標經(jīng)圖2的時頻相干傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)竭h端A站或B站的頻標基本無惡化。。

圖4 光纖延遲線時延補償量Fig.4 The compensation quantity of the fiber stretcher

圖2中時延測量需要實時測量傳輸?shù)紸端站和B端站的時延絕對值并進行數(shù)據(jù)處理補償和光纖延遲線補償,保證輸出A端站和B端站的頻標實現(xiàn)相位相干。試驗中,時延的測量方法是通過FPGA和Matlab結(jié)合,通過數(shù)字信號處理實現(xiàn)的。FPGA對送入的兩路ADC信號進行預處理,然后將預處理后的四路基帶正交信號再通過Matlab進行后續(xù)處理得到兩路信號的相位差。然后,改變傳輸單側(cè)音的頻率,計算得到傳輸多個側(cè)音的相位差。利用多側(cè)音相位差進行解模糊,最終可以計算得到最高側(cè)音對應的時延差。

時延的測量精度是由相位差的測量精度決定的。試驗中,12次測量相位差(每次均求得多個相位差值)所得的標準差變化曲線如圖6所示?？梢钥闯?標準差的大小約為0.1°,由此計算所得時延值的測量精度(按照傳輸800 M單音計算)為0.3 ps左右。

圖5 100 MHz頻標經(jīng)過光纖時頻傳輸系統(tǒng)后頻率穩(wěn)定性的測試結(jié)果Fig.5 The frequency stability of the 100 MHz signal after transmission through the fiber system

圖6 測量相位差的標準差變化曲線Fig.6 The variety of the standard deviation of the phase

當傳輸光纖長度為1 km時,測量1 km光纖時延隨頻率的變化曲線,由于光纖長度較長,在800～900 MHz頻率范圍,需要0.1 MHz、1 MHz、20 MHz信號的相位和一個射頻頻率的相位就可以解模糊求出時延的變化,其求得時延測量結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯?在800～880 MHz范圍內(nèi)時延變化小于1 ps,可以采用多側(cè)音方式進行高精度時延測量,從而根據(jù)圖2中相干傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理部分及光纖延遲線進行時延補償,保證輸出到遠端A、B端站實現(xiàn)相干。圖中縱坐標把測量的時延值的整數(shù)部分(5006 ns)去掉了,只給出了時延值的小數(shù)部分。

圖7 1 km光纖時延隨頻率的變化曲線Fig.7 The time delay of 1 km fiber over the signal frequency

5 結(jié)論

高精度相干傳輸技術及時延測量技術在航天測控領域是關鍵的技術之一。本文提出了不同端站間實現(xiàn)相干傳輸?shù)南到y(tǒng)方案。經(jīng)過理論分析及試驗測量得出每條鏈路的相位穩(wěn)定性可以控制在0.1°內(nèi),時延抖動控制在1 ps內(nèi),而對于不同鏈路的絕對時延差值可以通過高精度的時延測量技術進行精確測量,在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中進行補償,試驗結(jié)果顯示時延差的測量精度可以控制在1 ps 內(nèi),從而針對本文提出的不同端站間的同步精度可以達到皮秒量級,從而實現(xiàn)了不同端站間頻標的高精度相干穩(wěn)相傳輸。

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Study on High-precision Frequency Coherent Transmission Technology over Fiber

GUO Suli1，LI Jing1*，LIU Youyong1，MA Wenqi1，WANG Fei2
（1.The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang 050081，China；2.College of Science，China Three Gorges University，Yichang 443002，China）

Abstract：Based on the demands of the high-precision coherent transmission technology and the high-precision delay measurement in aerospace measurement and control field，a system of the frequency standards coherent transmission over fiber for two different remote ends was designed.The fundamentals of the system were introduced and the system was validated with the primary experimental results.The experimental results showed that the synchronization precision reached 1ps，the short-term stability was 2.8*10-14/ s and the long-term stability reached 6*10-17/10000s.Thus the high-precision coherent transmission between the two different remote ends was realized.

Key words：coherent transmission；fiber；time delay difference；synchronization precision

*通訊作者：李晶(1981-),女,博士,高級工程師,研究方向為航天測控信號處理技術,E-mail：lijing090326＠126.com

作者簡介：郭肅麗(1972-),女,碩士,高級工程師,研究方向為航天測控信號處理技術。E-mail：guosuli1026＠163.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(61308061)

收稿日期：2015-06-15；修回日期：2016-02-23

中圖分類號：TN929.11

文獻標識碼：A

文章編號：1674-5825（2016）02-0241-05