高精度時(shí)間頻率信號(hào)光纖傳輸和復(fù)原技術(shù)的研究

江賢峰,吳龜靈,郭芳,周明翔,3,趙赟

(1.上海交通大學(xué)電子工程系,上海 200240;2.中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái),上海 200030;3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049;4.北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心,北京 100094)

高精度時(shí)間頻率信號(hào)光纖傳輸和復(fù)原技術(shù)的研究

江賢峰1,2,吳龜靈1,郭芳2,周明翔2,3,趙赟4

(1.上海交通大學(xué)電子工程系,上海 200240;2.中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái),上海 200030;3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049;4.北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心,北京 100094)

摘要：分析了高穩(wěn)定時(shí)間頻率信號(hào)光纖傳輸以及接收端復(fù)原技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理給出了針對(duì)時(shí)間頻率信號(hào)光纖高精度傳輸和復(fù)原以及工程應(yīng)用中遇到的難點(diǎn)而采用的關(guān)鍵技術(shù)和解決方法,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。經(jīng)測(cè)試:10 MHz頻率信號(hào)經(jīng)光纖傳輸并在接收端復(fù)原后的相位噪聲為-118.1 dBc/Hz@1 Hz,頻率穩(wěn)定度指標(biāo)3×10-13@1 s.時(shí)間信號(hào)經(jīng)光纖傳輸和復(fù)原后,接收端的時(shí)間和發(fā)送端的時(shí)間信號(hào)在物理上無(wú)時(shí)延,各遠(yuǎn)程應(yīng)用終端時(shí)間傳輸長(zhǎng)期波動(dòng)的均方根值好于200 ps

關(guān)鍵詞：光纖傳輸;相位噪聲;時(shí)間頻率

0引言

衛(wèi)星導(dǎo)航、深空探測(cè)和VLBI地面測(cè)控系統(tǒng)中,一般采用高穩(wěn)定度、低相位噪聲的氫原子鐘作為本振頻率源和時(shí)間源,而時(shí)間頻率信號(hào)使用終端分布在站內(nèi)各個(gè)不同的區(qū)域[1]。因此,需要把氫原子鐘的頻率信號(hào)和時(shí)間基準(zhǔn)低插損、高質(zhì)量地傳輸?shù)礁鲿r(shí)間頻率信號(hào)使用終端的端口上,保證傳輸?shù)浇K端的頻率信號(hào)穩(wěn)定度和相位噪聲指標(biāo)不下降,時(shí)間信號(hào)無(wú)時(shí)延、低波動(dòng)和無(wú)漂移。

實(shí)際情況下,地面測(cè)控系統(tǒng)的電磁環(huán)境復(fù)雜,時(shí)間頻率信號(hào)使用終端地域分布不規(guī)則。長(zhǎng)距離傳輸高穩(wěn)定頻率信號(hào)時(shí),傳統(tǒng)的同軸電纜傳輸損耗大,相位不穩(wěn)定而無(wú)法滿足用戶要求。而光纖具有損耗小,不容易受電磁干擾,高帶寬、可擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。因此,光纖傳輸成為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離傳輸高穩(wěn)定頻率信號(hào)的一種有效方案。頻率信號(hào)經(jīng)光纖遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)受溫度波動(dòng)、地面震動(dòng)等環(huán)境因素影響,相位噪聲、穩(wěn)定度指標(biāo)就會(huì)有插損。如果遠(yuǎn)程光纖接收端測(cè)控收發(fā)設(shè)備需要具備和光纖發(fā)端同樣指標(biāo)的頻率基準(zhǔn)源,就要在接收端研究頻率信號(hào)的凈化復(fù)原技術(shù)。同時(shí),時(shí)間信號(hào)經(jīng)光纖遠(yuǎn)距離傳輸后有固定時(shí)間延遲,溫度波動(dòng)等環(huán)境因素也會(huì)影響時(shí)間碼的信號(hào)相位,遠(yuǎn)程光纖接收端和光纖發(fā)送端要實(shí)現(xiàn)時(shí)間上無(wú)相位差,需要用到時(shí)間相位同步復(fù)原技術(shù)和實(shí)時(shí)比對(duì)控制技術(shù)。

為了解決傳輸過(guò)程中頻率信號(hào)的質(zhì)量下降和時(shí)間信號(hào)的時(shí)延不一致性,本文設(shè)計(jì)了一種時(shí)間頻率信號(hào)光纖傳輸、終端時(shí)間頻率信號(hào)恢復(fù)和雙向比對(duì)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng),有效解決了電磁干擾、頻率信號(hào)質(zhì)量下降、各使用終端時(shí)間信號(hào)時(shí)延不一致以及長(zhǎng)期時(shí)間頻率信號(hào)相位漂移問(wèn)題。

1時(shí)間頻率信號(hào)光纖傳輸、復(fù)原的設(shè)計(jì)原理

時(shí)間頻率信號(hào)光纖傳輸原理如圖1所示。時(shí)間傳輸采用光纖傳輸波分復(fù)用技術(shù),一根光纖傳輸兩個(gè)不同波長(zhǎng)信號(hào),實(shí)現(xiàn)發(fā)送端和接收端的時(shí)間信號(hào)傳輸以及雙向時(shí)間比對(duì);而氫原子鐘頻率信號(hào)的傳輸單獨(dú)采用一根光纖傳輸,配置超低相位噪聲的發(fā)送和接收適配器。這樣可以防止信號(hào)間串?dāng)_影響頻率信號(hào)指標(biāo),實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸。同時(shí),利用置于兩端的時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)雙向時(shí)間比對(duì),精確測(cè)量出光纖的傳輸時(shí)延以及時(shí)延變化。

再進(jìn)一步利用實(shí)時(shí)雙向時(shí)間比對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)和控制算法,對(duì)接收端的頻率信號(hào)恢復(fù)設(shè)備和時(shí)間信號(hào)恢復(fù)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)閉環(huán)控制,精密微調(diào)接收端的頻率信號(hào)和時(shí)間信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)發(fā)送端和接收端頻率和時(shí)間信號(hào)的物理同步。

圖1　時(shí)間頻率信號(hào)光傳輸原理框圖

圖2示出了一個(gè)高穩(wěn)頻率信號(hào)凈化復(fù)原的鎖相環(huán)路,鎖相環(huán)路濾波器采用有源二階濾波器。二階環(huán)路最大特點(diǎn)是有大的同步帶和強(qiáng)的輸入噪聲濾除能力。通過(guò)優(yōu)化、均衡環(huán)路帶寬和鎖定時(shí)間,使輸出10 MHz相位噪聲可以達(dá)到-118 dBc@1 Hz.

圖2　高穩(wěn)頻率信號(hào)復(fù)原原理框圖

2時(shí)間頻率信號(hào)光纖傳輸和復(fù)原難點(diǎn)分析及關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

圖3是高穩(wěn)定頻率信號(hào)的光纖傳輸和復(fù)原電路實(shí)現(xiàn)框圖,圖4是時(shí)間信號(hào)光纖傳輸和復(fù)原電路實(shí)現(xiàn)框圖。

2.1超低相位噪聲電光、光電的轉(zhuǎn)換

在選用鎧裝單模光纖傳輸優(yōu)質(zhì)頻率信號(hào)時(shí),超低相位噪聲電光、光電的轉(zhuǎn)換是信號(hào)傳輸?shù)闹匾h(huán)節(jié)[2]。對(duì)傳輸信號(hào)的相位噪聲、穩(wěn)定度的插損尤為關(guān)鍵,它直接影響光纖接收端復(fù)原信號(hào)的指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明該環(huán)節(jié)處理不好,整個(gè)鏈路的相位噪聲指標(biāo)就無(wú)法達(dá)到。

2.2超低相位噪聲、高隔離度的頻率區(qū)分放大技術(shù)

超低相位噪聲、高隔離度的頻率區(qū)分放大技術(shù)

是一個(gè)關(guān)鍵的環(huán)節(jié),電路處理不當(dāng),輸出信號(hào)的優(yōu)質(zhì)指標(biāo)就會(huì)損失在傳輸途徑中。本文通過(guò)優(yōu)化放大電路的阻抗匹配、增大反向和路間隔離度等技術(shù),10 MHz頻率信號(hào)經(jīng)區(qū)分放大后相位噪聲、穩(wěn)定度指標(biāo)插損很小。阻抗匹配的目的一是達(dá)到最大功率的傳輸,盡力做到無(wú)信號(hào)反射,二是在功率傳輸中無(wú)信號(hào)相位的移動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)無(wú)相移的最大功率傳輸,電路的阻抗匹配特別重要。放大電路輸入、輸出阻抗不匹配會(huì)導(dǎo)致信號(hào)在源和負(fù)載之間來(lái)回反射,造成源信號(hào)的相位擾動(dòng),相當(dāng)于給電路加進(jìn)了‘噪聲’,影響了信號(hào)的頻率穩(wěn)定度指標(biāo)。

放大電路阻抗失配造成信號(hào)相位變化量的計(jì)算為

(1)

圖3　10 MHz頻率信號(hào)光纖傳輸和接收端復(fù)原框圖

圖4　時(shí)間信號(hào)光纖傳輸、同步和復(fù)原框圖

放大電路阻抗失配對(duì)信號(hào)頻率穩(wěn)定度的最壞影響量[3]。

(2)

式1)和式2)中: Φ為信號(hào)相位波動(dòng)； η為反射信號(hào)的衰減; φ為信號(hào)在負(fù)載兩次反射的角度； σy(τ)為頻率信號(hào)頻率穩(wěn)定度的表示,無(wú)量綱; ρi為信號(hào)在輸入端的反射系數(shù); ρo為信號(hào)在負(fù)載端的反射系數(shù); ψ為信號(hào)相位的變化率; υo為電路經(jīng)過(guò)的頻率; τ為信號(hào)穩(wěn)定度計(jì)算采樣間隔。

以傳輸10MHz頻率信號(hào)為例,若信號(hào)頻率穩(wěn)定度計(jì)算采樣間隔為1s,η=1,sinφ=1,ρi=0.1,ρo=0.1,信號(hào)相位的變化率為0.0001,則由式(2)可得,σy(τ)≈1.6×10-14.

0.000 1(100ns變化了10ps),對(duì)頻率信號(hào)1s穩(wěn)定度的最大影響為1.6×10-14.如果要使影響更小,輸入、輸出要匹配的回波損耗在20dB以上。

電路中高的反向隔離能阻止負(fù)載動(dòng)態(tài)變化對(duì)輸入信號(hào)的沖擊,高的輸出路與路之間的隔離能防止一路負(fù)載動(dòng)態(tài)變化對(duì)其他路輸出信號(hào)的影響。反向隔離度和路間隔離度太差都會(huì)導(dǎo)致信號(hào)相位的波動(dòng),引起頻率的偏移,惡化信號(hào)的穩(wěn)定度指標(biāo)[3]。隔離度對(duì)信號(hào)相位的影響計(jì)算如式(3),對(duì)信號(hào)穩(wěn)定度最大影響計(jì)算如式(4)。

(3)

(4)

式中: θ為信號(hào)相位的變化量; Λ為隔離度; σy(τ)頻率穩(wěn)定度; v0為傳輸?shù)念l率; τ為穩(wěn)定度采樣間隔。

通過(guò)上述計(jì)算看出可以通過(guò)進(jìn)一步提高隔離度來(lái)減小對(duì)信號(hào)穩(wěn)定度指標(biāo)的影響。

采取上述技術(shù)后,本文采用的低噪聲放大器實(shí)際電路測(cè)試10 MHz相位噪聲本征指標(biāo)可達(dá)到-140 dBc/Hz@1 Hz,傳輸-118 dBc/Hz@1 Hz指標(biāo)的10 MHz頻率信號(hào)可認(rèn)為無(wú)插損傳輸,表1示出了本文采用區(qū)分放大器的本征指標(biāo)。

表1　區(qū)分放大器的本征指標(biāo)

2.3超低相位噪聲鎖相環(huán)路技術(shù)

超低相位噪聲鎖相環(huán)路技術(shù)是最關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。頻率信號(hào)在長(zhǎng)距離光纖傳輸中,受外界環(huán)境因素的影響,相噪、穩(wěn)定度指標(biāo)必定會(huì)有插損,接收端的用戶系統(tǒng)要用到和發(fā)送端同樣指標(biāo)的頻率基準(zhǔn)源,就要用到超低相位噪聲鎖相技術(shù)。

為解決超低相噪、超高穩(wěn)定度的難點(diǎn),關(guān)鍵要降低鎖相環(huán)路可能受到的各種干擾。噪聲對(duì)環(huán)路干擾如圖5所示。

圖5　等效噪聲環(huán)路圖

噪聲1主要由參數(shù)源產(chǎn)生和振蕩器產(chǎn)生,要求噪聲1小,必須有優(yōu)良的頻率參考源和優(yōu)良的振蕩器。

噪聲2主要由鑒相器產(chǎn)生,經(jīng)理論分析表明,其邊帶抑止比為[4]

(5)

式中:ΔV為鑒頻器輸出紋波振幅; Υ為紋波的衰度; ξ為環(huán)路阻尼系數(shù); ωn為環(huán)路自然角頻率； Kd為鑒相器增益; N為環(huán)路分頻系數(shù)。

由式(5)可知,要減小噪聲的干擾,就要使用小的分頻系數(shù)N,盡可能減小鑒相器輸出紋波的振幅,選用高的鑒相頻率和高的鑒相增益,選擇合適的環(huán)路參數(shù)ξ,ωn.

噪聲3主要由加到振蕩器電壓控線上的50Hz,100Hz電源紋波電壓引起。有理論分析表明,其邊帶抑止比為[4]:

(6)

式中: Va為電源紋波電壓的振幅; ωa為電源紋波的角頻率; Kv為振蕩器電壓控制靈敏度。由式(6)可看出,要減小噪聲3的影響,就要降低電源的紋波電壓和角頻率,另外要選用電壓控增益小的振蕩器和增大環(huán)路自然角頻率。

本文采取了如下技術(shù)措施來(lái)完成頻率指標(biāo)的復(fù)原:鑒相器輸出加輔助低通濾波器,降低鑒相器輸出波紋的振幅;選用雙平衡模擬鑒相器,超低相位噪聲高穩(wěn)定晶體振蕩器;選用線性電源,設(shè)計(jì)二次穩(wěn)壓供電和優(yōu)良的旁路去耦合電路;以及為鎖相環(huán)路選擇合適的環(huán)路參數(shù)[5]。

經(jīng)過(guò)上述一系列措施后,經(jīng)實(shí)際測(cè)試10 MHz頻率信號(hào)相位噪聲測(cè)試值可以達(dá)到-118 dBc/Hz@1 Hz.

2.4頻率信號(hào)相位的超精細(xì)調(diào)節(jié)控制技術(shù)

對(duì)頻率信號(hào)的頻率相位的超精細(xì)調(diào)節(jié)控制的一個(gè)目的是補(bǔ)償長(zhǎng)距離光纖延遲和外界環(huán)境因素對(duì)光纖的時(shí)延影響,另一個(gè)目的是實(shí)現(xiàn)光纖接收端時(shí)間和發(fā)送端時(shí)間精確同步,以實(shí)現(xiàn)兩地時(shí)間的復(fù)原。在具體的設(shè)計(jì)應(yīng)用中,關(guān)鍵要采用巧妙的技術(shù)方法消除控制字小數(shù)位舍掉產(chǎn)生的頻率誤差和信號(hào)漂移。同時(shí)還要盡量抑制相位截?cái)喈a(chǎn)生的雜散和數(shù)字電路引入的噪聲。

3時(shí)間頻率信號(hào)光纖傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)驗(yàn)證結(jié)果

3.1光纖傳輸頻率信號(hào)相位噪聲、頻率穩(wěn)定度的測(cè)試

頻率信號(hào)相位噪聲、穩(wěn)定度指標(biāo)測(cè)試連接圖如圖6所示。把接收端設(shè)備通過(guò)2 km光纖鎖定在主動(dòng)型氫原子鐘上,以原子鐘輸出10 MHz為參考輸入測(cè)試基準(zhǔn)信號(hào)(其10 MHz相位噪聲優(yōu)于或等于-118 dBc@1Hz)。

圖6　10 MHz復(fù)原頻率信號(hào)測(cè)試框圖

用TSC5125A 相位噪聲測(cè)試儀對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試。圖7和圖8示出了相位噪聲、頻率穩(wěn)定度的測(cè)試結(jié)果。

圖7　光纖接收端復(fù)原10 MHz頻率信號(hào)　　　相位噪聲測(cè)試結(jié)果

圖8　光纖接收端復(fù)原10 MHz頻率信號(hào)　　　頻率穩(wěn)定度測(cè)試結(jié)果

圖7中橫軸為距離中心頻率的偏移量,單位Hz,縱軸為相位噪聲,單位dBC/Hz.Input為被測(cè)量的頻率信號(hào),reference為參考基準(zhǔn)頻率信號(hào)。

圖8中,橫軸為時(shí)間采樣間隔,單位s,縱軸為頻率穩(wěn)定度。BW為相位噪聲測(cè)試儀器帶寬,Input為被測(cè)量的頻率信號(hào),reference為參考基準(zhǔn)頻率信號(hào)。

由圖8和圖9可以看出,光纖接收端10 MHz頻率信號(hào)的相位噪聲為-118.1 dBC/Hz@1 Hz,穩(wěn)定度為3×10-13@1 s.

3.2光纖發(fā)送端和接收端時(shí)間相位差測(cè)試

圖9為光纖發(fā)送端和接收端時(shí)間相位差測(cè)試圖,其中TA為發(fā)送端時(shí)間,TB為光纖接收端時(shí)間,XA為光纖發(fā)送端計(jì)數(shù)器測(cè)量數(shù)值,XB為光纖接收端計(jì)數(shù)器測(cè)量數(shù)值,SA,RA分別為光纖發(fā)送端的發(fā)送、接收模塊時(shí)延值,SB,RB分別為光纖接收端的發(fā)送、接收模塊時(shí)延值,τAB為發(fā)送端到接收端光纖延遲值,τBA為接收端到發(fā)送端光纖延遲值。在實(shí)際的工程應(yīng)用中受溫度波動(dòng)、波長(zhǎng)等不同因素影響,τAB和τBA并不相同,需要實(shí)際測(cè)量。

XA=TA-TB+SB+RA+τBA

(7)

XB=TB-TA+SA+RB+τAB

(8)

由式(7)與式(8)相減即可得到光纖發(fā)送端和接收端時(shí)間相位差的值。

(9)

圖9　光纖發(fā)送端和接收端時(shí)間相位差測(cè)試圖

圖10示出了光纖接收端輸出時(shí)間和光纖發(fā)送端時(shí)間相位比對(duì)測(cè)試結(jié)果,測(cè)試時(shí)間為54天,相位比對(duì)測(cè)試峰峰值約為500 ps,實(shí)際測(cè)量的均方根值好于200 ps.

圖10　光纖接收端輸出時(shí)間和光纖發(fā)送端時(shí)間相位　　　比對(duì)測(cè)試值

4結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)時(shí)間頻率光纖傳輸和復(fù)原技術(shù)進(jìn)行了研究,對(duì)氫原子鐘基準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)長(zhǎng)距離光纖傳輸后在遠(yuǎn)程接收終端復(fù)原。復(fù)原的10 MHz頻率相位噪聲恢復(fù)到-118 dBc/Hz@1 Hz,頻率穩(wěn)定度指標(biāo)3×10-13@1 s.具有精細(xì)的頻率、相位調(diào)整功能,實(shí)現(xiàn)光纖接收端和發(fā)送端時(shí)間同步,同步的均方根值好于200 ps.

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江賢峰(1971-),男,山東青島人,高級(jí)工程師,主要從事高精度時(shí)間頻率系統(tǒng)技術(shù)研究。

吳龜靈(1971-),男,安徽蕪湖人,教授,主要從事光子信息處理與傳輸?shù)确矫娴难芯俊?/p>

郭芳(1980-),女,湖南長(zhǎng)沙人,高級(jí)工程師,主要從事高精度時(shí)間頻率系統(tǒng)技術(shù)研究。

周明翔(1982-),男,上海人,工程師,主要從事原子時(shí)算法技術(shù)的研究。

趙赟(1978-),女,江蘇儀征人,工程師,主要從事時(shí)間同步,時(shí)間頻率技術(shù)研究。

High Precision Time and Frequency Signal Optical Fiber Transmission and Restoration

JIANG Xianfeng1,2, WU Guiling1, GUO Fang2, ZHOU Mingxiang2,3,ZHAO Yun4

(1.ElectronicEngineeringDepartment,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240,China;2.ShanghaiAstronomicalObservatory,ChineseAcademyofSciences,Shanghai200030,China;3.UniversityoftheChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China;4.SatelliteNavigationCenterofBeijing,Beijing100094,China)

Abstract: The paper analyzes the principle to implement high stability time and frequency signal optical fiber transmission and reception.The key technologies and solutions are investigated and presented for the issues in the process of optical fiber high precision time and frequency transmission and recovery.Experiments are carried out to verify the proposed technique The results shows that the phase noise and frequency stability of recovered 10 MHz after optical fiber transmissioncan reach -118.1 dBc/Hz@1Hz and 3×10-13@1s, respectively. After optical fiber time transmissionand restoration,there is no time delay between the time at the transmitting end and the one at the receiving end.The RMS of the long time fluctuation is less than 200 ps between different remote terminals.

Keywords:Optical fiber transmission; phase noise; time and frequency

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.02.004

收稿日期：2015-01-20

中圖分類號(hào)：P228.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-9268(2016)02-0020-07

作者簡(jiǎn)介

聯(lián)系人： 江賢峰 E-mail: jxf@shao.ac.cn