基于電子相位補(bǔ)償?shù)墓饫w頻率傳遞技術(shù)

謝 勇，趙大勇，尹繼凱，王崇陽(yáng)，王正勇

(1.中國(guó)人民解放軍93216部隊(duì)，北京 100085；2.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)

0 引言

雷達(dá)系統(tǒng)需要高穩(wěn)定度、低相位噪聲、相位一致的頻率源，而低相噪時(shí)鐘源往往只部署在中心站，需要將該頻率信號(hào)高質(zhì)量地傳輸?shù)椒止?jié)點(diǎn)，保證傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的頻率信號(hào)相位噪聲指標(biāo)滿足系統(tǒng)使用要求。

同軸電纜傳輸損耗大、體積大、成本高，很難實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，光纖頻率傳遞信號(hào)具有損耗低、抗電磁干擾、穩(wěn)定度高、傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，非常適合時(shí)頻信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，基于光纖鏈路的高質(zhì)量頻率信號(hào)傳輸技術(shù)將在中長(zhǎng)距離傳輸中代替以空間鏈路為傳輸路徑的時(shí)頻傳遞技術(shù)[1-5]。

目前，國(guó)內(nèi)外使用光纖傳遞頻率信號(hào)主要有3種技術(shù)手段：基于光學(xué)相位補(bǔ)償?shù)墓饫w頻率傳遞、基于數(shù)字相位補(bǔ)償?shù)墓饫w頻率傳遞和基于電子相位補(bǔ)償?shù)墓饫w頻率傳遞，光學(xué)相位補(bǔ)償器件光纖延遲線補(bǔ)償精度高，但在環(huán)境溫度應(yīng)力變化較大時(shí)，光纖等效長(zhǎng)度變化較大，體積大和可調(diào)范圍小成為光學(xué)相位補(bǔ)償?shù)南拗埔蛩?；?shù)字相位補(bǔ)償系統(tǒng)具有方便控制、體積小、可移植等優(yōu)點(diǎn)，但是受限于數(shù)字移相器調(diào)整精度低；電子相位補(bǔ)償方法補(bǔ)償器件為壓控晶振，穩(wěn)定度好、補(bǔ)償范圍大、體積小，但是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)高頻電路設(shè)計(jì)與制作要求高[6-9]。

本文開展了基于電子相位補(bǔ)償?shù)墓饫w頻率傳遞技術(shù)研究，解決遠(yuǎn)距離光纖頻率傳遞后輸出10 MHz頻率信號(hào)相位噪聲惡化問(wèn)題。

1 光纖頻率傳遞技術(shù)原理

使用光纖傳遞頻率信號(hào)時(shí)，由于光纖鏈路受所處環(huán)境溫度、應(yīng)力的影響，引入附加相位噪聲導(dǎo)致傳輸信號(hào)穩(wěn)定度惡化，添加電子相位補(bǔ)償措施后，可降低環(huán)境變化對(duì)穩(wěn)定度的影響，實(shí)現(xiàn)頻率信號(hào)高質(zhì)量傳輸。

1.1 機(jī)械應(yīng)力引起時(shí)延抖動(dòng)分析

溫度和應(yīng)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(gè)相對(duì)緩慢的過(guò)程，影響光纖頻率傳遞的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，而振動(dòng)等機(jī)械應(yīng)力為瞬時(shí)變化，影響光纖頻率傳遞的短期穩(wěn)定性，即相位噪聲。振動(dòng)導(dǎo)致時(shí)延抖動(dòng)是由應(yīng)力變化引起，應(yīng)力影響光纖傳輸時(shí)延主要有兩個(gè)方面[10-13]：

① 應(yīng)力引起光纖軸向變化，從而使光纖長(zhǎng)度變化，引起光纖頻率傳遞過(guò)程中相位變化的主要因素。 當(dāng)光纖受到軸向應(yīng)力時(shí)，引起光纖頻率傳遞相位變化關(guān)系為：

(1)

式中，L為光纖長(zhǎng)度，F(xiàn)為軸向應(yīng)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(yīng)力引起折射率變化，光纖受到多個(gè)方向的壓力導(dǎo)致光纖的長(zhǎng)度以及芯徑發(fā)生變化，引起光纖纖芯折射率發(fā)生變化。長(zhǎng)度和折射率發(fā)生變化都會(huì)引起傳輸信號(hào)時(shí)延變化。假設(shè)光纖的兩正交橫方向之間的應(yīng)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(bǔ)償原理

電子相位補(bǔ)償通過(guò)雙向傳輸頻率信號(hào)，調(diào)整兩端相位保證參考點(diǎn)輸入輸出信號(hào)相位間的共軛關(guān)系[14]，如圖1所示。

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

經(jīng)過(guò)光纖傳遞后的遠(yuǎn)端相位φ0表示為：

(3)

式中，φ0為參考相位，φp為時(shí)延相位，若相位滿足上述關(guān)系，光纖傳遞后遠(yuǎn)端相位與參考信號(hào)相位相同。

基于電子相位補(bǔ)償?shù)墓饫w頻率信號(hào)傳遞原理如圖2所示。

為了測(cè)量出信號(hào)在光纖鏈路傳輸過(guò)程中引入的相位變化，增加了兩個(gè)信號(hào)分別由標(biāo)準(zhǔn)頻率源混頻產(chǎn)生的兩個(gè)信號(hào)E3、E4：

E3=A3cos(ω3t+φ3)，

(4)

E4=A4cos(ω4t+φ4)，

(5)

電子相位補(bǔ)償系統(tǒng)通過(guò)執(zhí)行單元壓控晶振來(lái)完成實(shí)時(shí)補(bǔ)償，控制單元使用PID控制調(diào)整環(huán)路濾波器參數(shù)，控制壓控晶振輸出頻率信號(hào)的相位變化，補(bǔ)償光纖鏈路傳輸中引入的相位變化，執(zhí)行單元壓控晶振輸出的頻率信號(hào)為：

E0=A0sin(ωlocalt+φv)，

(6)

式中，ωlocal為壓控晶振輸出信號(hào)的頻率，φv為執(zhí)行單元補(bǔ)償相位值。

壓控晶振輸出頻率信號(hào)經(jīng)過(guò)激光器調(diào)制到光信號(hào)上，經(jīng)光分路器，一路進(jìn)入光纖傳遞至遠(yuǎn)端；另一路返回本地探測(cè)器經(jīng)過(guò)解調(diào)后輸出電信號(hào)，這樣做是為了補(bǔ)償傳輸系統(tǒng)中環(huán)外器件(激光器、探測(cè)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(huán)外器件的相位信息。

經(jīng)過(guò)單向光纖傳遞至遠(yuǎn)端探測(cè)器解調(diào)后輸出頻率信號(hào)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(jīng)過(guò)同一根光纖雙向傳輸后的返回信號(hào)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(jīng)過(guò)相位檢測(cè)單元得到：

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

(12)

當(dāng)E9=cos((2ωlocal-ω3-ω4)t+(2φ′v+2φp-φ3-φ4))=0時(shí)，加載到執(zhí)行元件上的電壓為0，本地發(fā)射信號(hào)E5與返回信號(hào)E6相位共軛并且遠(yuǎn)端信號(hào)的相位與信號(hào)傳輸路徑是不相關(guān)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(guān)系，則遠(yuǎn)端信號(hào)可表示為：

(18)

可見，此時(shí)遠(yuǎn)端輸出信號(hào)與本地端標(biāo)準(zhǔn)頻率源輸出信號(hào)相位差為固定值，相位差與信號(hào)傳輸路徑無(wú)關(guān)，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)穩(wěn)相傳輸。

2 基于電子相位補(bǔ)償?shù)墓饫w頻率傳遞方案

根據(jù)基于電子相位補(bǔ)償?shù)墓饫w頻率傳遞技術(shù)設(shè)計(jì)1 GHz光纖頻率傳遞方案，如圖3所示，包括微波信號(hào)生成單元、共軛信號(hào)生成單元、綜合比相單元、反饋控制單元、近端光信號(hào)收發(fā)單元、遠(yuǎn)端光信號(hào)收發(fā)單元和測(cè)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(cè)器；OC為光纖環(huán)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(hào)生成單元包含產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)頻率源的原子鐘、100 MHz頻率綜合器、1 GHz頻率綜合器和一個(gè)功率分配器。頻率綜合器負(fù)責(zé)產(chǎn)生相位鎖定于標(biāo)準(zhǔn)頻率源的頻率信號(hào)。

共軛信號(hào)生成單元由一個(gè)混頻器、一個(gè)功分器、一個(gè)900 MHz帶通濾波器以及一個(gè)1 100 MHz帶通濾波器組成。主要功能是通過(guò)微波信號(hào)生成單元產(chǎn)生的1 GHz與100 MHz參考信號(hào)混頻，經(jīng)帶通濾波器產(chǎn)生一路900 MHz頻率信號(hào)，一路1 100 MHz頻率信號(hào)。

綜合比相單元包含兩個(gè)混頻器和兩個(gè)低通濾波器。主要功能是通過(guò)雙混頻電路將900 MHz參考信號(hào)與1 GHz預(yù)補(bǔ)償傳遞信號(hào)混頻、1 100 MHz參考信號(hào)與1 GHz返回信號(hào)混頻，兩個(gè)混頻之后產(chǎn)生的100 MHz頻率信號(hào)再進(jìn)入鑒相器鑒相，給出與光纖鏈路傳輸時(shí)延波動(dòng)相關(guān)的誤差信號(hào)。

反饋控制單元包含PID控制單元、一個(gè)壓控晶體振蕩器和1 GHz頻率綜合器，是光纖頻率傳遞的關(guān)鍵所在。主要功能是為了消除傳遞過(guò)程引入的相位誤差，將遠(yuǎn)端接收信號(hào)的相位誤差反饋在近端通過(guò)壓控晶體振蕩器進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)頻率信號(hào)的穩(wěn)相傳輸。

近端光信號(hào)收發(fā)單元主要由直調(diào)分布反饋式(DFB)激光器、光環(huán)形器和光纖鏈路組成，主要功能是實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換以及光信號(hào)的雙向傳遞。

遠(yuǎn)端光信號(hào)收發(fā)單元由直調(diào)分布反饋式(DFB)激光器、光電探測(cè)器、光環(huán)形器、功分器和分頻器組成,主要功能是1 GHz傳遞信號(hào)下變頻到10 MHz，為遠(yuǎn)端用戶提供10 MHz頻率源，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端虛擬原子鐘作用。

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

本文光纖頻率傳遞方案的工作原理為：

近端標(biāo)準(zhǔn)頻率源產(chǎn)生10 MHz參考信號(hào)，進(jìn)入頻率綜合器產(chǎn)生100 MHz頻率信號(hào)和1 GHz頻率信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)在混頻器M1混頻，經(jīng)過(guò)功分器分成兩路，一路經(jīng)過(guò)900 MHz帶通濾波器BPF1，與壓控晶振VCXO輸出100 MHz信號(hào)倍頻后的1 GHz信號(hào)混頻濾波之后進(jìn)入PID；另一路經(jīng)過(guò)1 100 MHz帶通濾波器BPF2，與遠(yuǎn)端返回信號(hào)混頻濾波之后進(jìn)入PID。PID控制單元輸出與光纖鏈路傳輸時(shí)延波動(dòng)相關(guān)的誤差信號(hào)，控制電壓改變VCXO的輸出頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)穩(wěn)相傳輸。壓控晶振輸出信號(hào)進(jìn)入分布反饋式激光器DFB1(波長(zhǎng)為λ1)，光信號(hào)注入光纖環(huán)形器OC1進(jìn)入光纖，傳遞到遠(yuǎn)端。

在遠(yuǎn)端，近端來(lái)的光信號(hào)進(jìn)入光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，電信號(hào)進(jìn)入功分器，一路經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)端分布反饋式激光器DFB2(波長(zhǎng)為λ2)經(jīng)光纖鏈路返回近端，返回信號(hào)進(jìn)入綜合比相單元與近端1 100 MHz頻率信號(hào)混頻，之后進(jìn)行相位補(bǔ)償，至此整個(gè)傳遞系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán);另一路用做系統(tǒng)輸出，實(shí)驗(yàn)中輸出端分頻之后的10 MHz頻率信號(hào)與近端10 MHz參考信號(hào)進(jìn)入穩(wěn)定度測(cè)量單元相噪儀，得出穩(wěn)定度測(cè)試結(jié)果。評(píng)估方法使用頻率穩(wěn)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(jī)波動(dòng)。

3 光纖頻率傳遞試驗(yàn)

在實(shí)際光纖鏈路中，應(yīng)該考慮到光纜所處環(huán)境變化(溫度、應(yīng)力等因素)對(duì)傳輸頻率信號(hào)相噪的影響，且由于地理位置等因素的限制，部分光纜會(huì)采用架空形式進(jìn)行鋪設(shè)，這種情況下受風(fēng)力、振動(dòng)等應(yīng)力影響引起光纜晃動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致頻率信號(hào)在光纖傳遞中產(chǎn)生的瞬時(shí)相位變化進(jìn)一步放大，為了保證傳輸至光纜遠(yuǎn)端10 MHz相位噪聲指標(biāo)，應(yīng)采用具有相位噪聲補(bǔ)償功能的光纖頻率傳遞技術(shù)[15-18]。

3.1 光纜應(yīng)力變化試驗(yàn)

對(duì)架空光纜情況進(jìn)行應(yīng)力變化仿真試驗(yàn)，晃動(dòng)部分光纜，模擬風(fēng)力引起的光纜形變，對(duì)比晃動(dòng)前后遠(yuǎn)端恢復(fù)的頻率信號(hào)相位噪聲。標(biāo)準(zhǔn)頻率源選擇低相噪高穩(wěn)晶振，輸出10 MHz頻率信號(hào)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(lián)，光纖不晃動(dòng)時(shí)遠(yuǎn)端恢復(fù)10 MHz頻率信號(hào)1 Hz處相位噪聲為-123 dBc/Hz@1 Hz，測(cè)試儀器為相噪測(cè)試儀FSWP，經(jīng)過(guò)電子相位補(bǔ)償?shù)墓饫w頻率傳遞系統(tǒng)，輸出10 MHz頻率信號(hào)相位噪聲基本無(wú)惡化，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。對(duì)30 m光纜進(jìn)行水平和垂直擺動(dòng),擺動(dòng)幅度1 m，模擬風(fēng)力引起光纜晃動(dòng)，遠(yuǎn)端恢復(fù)10 MHz頻率信號(hào)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(dòng)相位噪聲結(jié)果Fig.4 Phase noise results of 100 km+30 m fiber without shaking

圖5 30 m光纖晃動(dòng)相位噪聲結(jié)果Fig.5 30 m fiber sway phase noise results

由以上試驗(yàn)結(jié)果可知，光纜受晃動(dòng)對(duì)傳遞的頻率信號(hào)相位噪聲有影響，但基于電子相位補(bǔ)償?shù)母叻€(wěn)定光纖頻率信號(hào)傳遞方案補(bǔ)償了大部分晃動(dòng)光纜引入的相位噪聲。

3.2 實(shí)地鏈路光纖頻率傳遞試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)仿真試驗(yàn)后，開展實(shí)地鏈路光纖頻率傳遞試驗(yàn)，130 km的光纖鏈路中有30 km光纜采用架空鋪設(shè)方式，100 km光纜采用埋地鋪設(shè)方式，測(cè)試時(shí)間段試驗(yàn)地點(diǎn)風(fēng)力為2～3級(jí)，近端標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源為高穩(wěn)晶振，1 Hz處相位噪聲為-120 dBc/Hz@1 Hz。測(cè)試儀器使用Symmetricom 3120A。

圖6為光纖頻率傳遞相位噪聲測(cè)試結(jié)果。未采用電子相位補(bǔ)償?shù)墓饫w頻率傳遞多次測(cè)試遠(yuǎn)端恢復(fù)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(bǔ)償?shù)墓饫w頻率傳遞多次測(cè)試遠(yuǎn)端恢復(fù)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(jìn)行電子相位補(bǔ)償系統(tǒng)相位噪聲提高12 dB，分別如表1和表2所示。

圖6 130 km實(shí)地光纖鏈路頻率傳遞穩(wěn)定度結(jié)果Fig.6 Frequency transfer stability results of 130 km field optical fiber link

表1 實(shí)地鏈路光纖頻率傳遞相位噪聲測(cè)試結(jié)果(未進(jìn)行電子相位補(bǔ)償)Tab.1 Field link fiber frequency transfer phase noise test results(without electronic phase compensation)

表2 實(shí)地鏈路光纖頻率傳遞相位噪聲測(cè)試結(jié)果(電子相位補(bǔ)償)Tab.2 Field link fiber frequency transfer phase noise test results(electronic phase compensation)

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)基于電子相位補(bǔ)償光纖頻率傳遞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，完成了在架空光纜上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離低相噪光纖頻率傳遞，噪聲劣化優(yōu)于10 dB，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該技術(shù)補(bǔ)償了光纖頻率傳遞過(guò)程中引入的相位噪聲，滿足系統(tǒng)對(duì)頻率信號(hào)傳遞要求。該技術(shù)未來(lái)可以應(yīng)用在架空光纜上，為雷達(dá)系統(tǒng)、陣列天線、時(shí)鐘比對(duì)等提供高精度頻率傳遞服務(wù)，具有廣泛的應(yīng)用前景。