高精度光纖微波時頻傳遞技術

齊苗苗, 林平衛(wèi), 潘家榮, 蔣志遠

(1. 中國計量大學 生命科學學院,浙江 杭州 310018； 2. 中國計量科學研究院, 北京 100029)

1 引 言

時間頻率是當代人類測量精度最高的物理量,其直接測量精度相比其它物理量要高4個數(shù)量級以上。因此,在一些前沿物理測量實驗中會盡可能將其他物理量轉(zhuǎn)化成時間頻率進行測量[1]。時間頻率技術現(xiàn)已在多個領域被廣泛應用,例如交通運輸、農(nóng)林漁業(yè)、水文監(jiān)測、氣象測報、通信授時、公共安全等[2,3],極大地方便了人們生活、促進了社會發(fā)展。目前，已經(jīng)有美國的全球定位系統(tǒng)GPS、俄羅斯GLONASS以及歐盟的伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)等。我國則在今年全面建成了北斗三號系統(tǒng)，為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務。對于現(xiàn)代衛(wèi)星導航系統(tǒng)而言,時間頻率是其核心基礎之一。發(fā)展獨立自主的時間頻率系統(tǒng)不僅僅是滿足人們?nèi)粘Ｐ枰?更是我國建設獨立強國的抉擇,有無時間頻率系統(tǒng)及其性能高低,是國家科技綜合實力的體現(xiàn),是一種大國地位的競爭,更是一種戰(zhàn)略制高點的爭奪[4]。

隨著高精度原子鐘的飛速發(fā)展,頻率穩(wěn)定度在10-16/s量級的頻率振蕩器及頻率不確定度在10-18量級的光鐘相繼出現(xiàn),現(xiàn)有的時間頻率傳輸和同步技術已無法滿足此類高精度原子鐘時間頻率比對的需求,亟需發(fā)展具有更高精度的時間頻率傳輸與同步方法[5,6]。光纖憑借其高可靠性、高穩(wěn)定性、高精度以及低損耗等優(yōu)點脫穎而出,逐漸發(fā)展成為一種新型的時頻傳遞介質(zhì)[7]。

目前現(xiàn)有的光纖時頻傳輸技術主要有3種：一是精度最高的光纖光頻傳遞,可以滿足高精度光鐘的頻率傳遞需求,由于電子學設備無法直接解調(diào)使用光頻段信號,因此實際操作有困難；二是基于飛秒光纖光學頻率梳的光纖時頻傳遞,由于該技術發(fā)展時間短,目前主要處在實驗測試階段；三是光纖微波時頻傳遞,其傳遞精度沒有光頻傳遞高,但完全可以滿足現(xiàn)有的微波原子頻標信號的傳遞需求,并且微波傳遞發(fā)展時間長，易長距離傳輸，成本較低且應用范圍廣[8]。本文主要綜述光纖微波時頻傳遞,其基本原理是將光波作為載波,通過電光調(diào)制技術將時間頻率信號調(diào)制到激光上,通過光纖進行遠距離傳輸。

近年來,國內(nèi)外研究人員在光纖微波時頻傳遞方面做了大量的理論及應用研究,例如法國巴黎天文臺[9]、澳大利亞國家計量研究院[10,11],國內(nèi)中國計量科學研究院[12]、上海光機所[13]、清華大學[14]、北京大學[15]、上海交通大學[16]、北京郵電大學[17,18]等多家科研機構(gòu)和學校都進行了光纖微波時頻傳遞研究。

本文從實際工程可行性應用的角度,綜述了光纖微波在時間傳遞、頻率傳遞、時頻一體化傳遞3個方面國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀,分析現(xiàn)階段存在的問題以及未來的發(fā)展趨勢。

2 基本原理

2.1 時間同步技術原理

光纖微波時間同步技術原理：主站參考標準秒脈沖(pulse per second, PPS)時間信號產(chǎn)生編碼信號,通過電光調(diào)制器(EOM,electro-optic modulator)將編碼信號加載到光載波上,經(jīng)光纖鏈路傳遞至從站,從站接收到激光信號后,通過光電探測器(PD,photoelectric detector)恢復出編碼信號,解碼恢復得到1 PPS信號；再測量主站與從站之間的光纖傳輸時延,通過時延補償實現(xiàn)時間同步。目前微波時間同步技術主要通過環(huán)回和雙向比對兩種方式來實現(xiàn)。

2.1.1 環(huán)回法

環(huán)回法(round-trip)是完成主站與從站之間時間傳遞的常用方法,通過測量主站A到從站B再到主站A的往返時延,取環(huán)路延時的一半作為主從站間的單程時延,通過補償從站B時鐘使得與主站A時間同步。環(huán)回法原理如圖1所示[19,20]。

圖1 環(huán)回法原理圖Fig.1 Principle block diagram of round-trip

圖中TA、TB分別表示主站和從站原子鐘輸出時間,TAEO、TBEO分別為主站和從站的電光延時,TAOE、TBOE分別為主站和從站的光電延時,TASO、TBSO分別為主站和從站的發(fā)送光處理延時,TARO、TBRO分別為主站和從站的接收光路產(chǎn)生的延時,TAB表示主站到從站的光纖傳輸時延,TBA表示從站到主站的光纖傳輸時延,TC表示主站時間間隔計數(shù)器所測得的時間。

則:

TC=TAEO+TASO+TAB+TBRO+TBOE+

TAOE+TARO+TBA+TBSO+TBEO

(1)

基于環(huán)回法鏈路時延對稱的思想,可得主站與從站間的單程時延τ為時間間隔計數(shù)器的一半,即：

τ=TC/2

(2)

但實際系統(tǒng)時延并不完全對稱,尤其當往返波長間隔較大時,系統(tǒng)相對誤差會隨著光纖的長度而累積,從而導致時間信號傳遞比對精度降低。如在G.625光纖中傳輸1 000 km,工作波長λ1為 1 550.12 nm,λ2為1 550.52 nm,來回光纖鏈路所產(chǎn)生的授時誤差約為3.3 ns；當波長λ1取1 310 nm,λ2取1 550 ns時,誤差增加到1 070 nm[21]。因此,通常選用間隔較小的波長進行傳輸實驗。近年來,隨著環(huán)回法技術的不斷革新,為保證系統(tǒng)時延對稱性,利用時分復用技術進行單纖雙向同波長信號傳輸?shù)耐郊夹g漸漸發(fā)展起來。

2.1.2 雙向比對法

與環(huán)回法不同的是,雙向比對法是利用時間間隔計數(shù)器來直接測量本地端時間與接收到的另一端發(fā)送時間的時間差,根據(jù)該值可以計算出兩地的鐘差,再以其中一端鐘源為基準對另一端鐘源進行調(diào)整,實現(xiàn)兩地的時間同步。雙向比對法分為雙纖雙向時間同步和單纖雙向時間同步,由于雙纖雙向傳輸實驗同步精度很低,實際工程應用較少,因此主要討論單纖雙向時間同步技術,根據(jù)工作波長是否相同又將單纖雙向時間同步技術分為雙向波分復用技術(wavelength division multiplexing,WDM)和雙向時分復用技術(time division multiplexing,TDM)。

雙向波分復用技術同步原理如圖2所示[22]。主站A向從站B發(fā)送波長λ1的時間信號,時間間隔計數(shù)器1開始計時；同時,從站B向主站A發(fā)送波長λ2的時間信號,時間間隔計數(shù)器2開始計時。當主站A時間間隔計數(shù)器1接收到從站B傳來的信號時停止計時；同樣地當從站B時間間隔計數(shù)器2接收到主站A傳來的信號時停止計時。

圖2 雙向波分復用時間同步原理圖Fig.2 Principle diagram of time synchronization for WDM

此時,主站A時間間隔計數(shù)器1的計算結(jié)果為：

T1=TAOE+TARO+TBA+TBSO+TBEO+(TA-TB)

(3)

從站B時間間隔計數(shù)器2的計算結(jié)果為：

T2=TBOE+TBRO+TAB+TASO+TAEO-(TA-TB)

(4)

式中：T1、T2分別表示主站A、從站B兩站的時間間隔計數(shù)器所測得的時間時間間隔。則兩地鐘差為:

ΔT=TA-TB

(5)

全程雖采用一根光纖進行傳輸,但由于往返波長不同因此光纖鏈路并不完全對稱。假設TAB=TBA,式(5)可以簡化為：

(TASO-TBSO)+(TAEO-TBEO)]

(6)

由式(6)可以得到主站與從站之間的鐘差,對從站進行時延補償,從而實現(xiàn)兩地時間同步。

時分復用技術使用相同波長的光信號進行傳輸,此時光纖鏈路完全對稱,傳輸精度相對波分復用要高,其原理如圖3所示[23]。主站A和從站B輪流交替的向光纖鏈路傳輸相同波長的光信號,為了避免光波沖突,在從站B處加入時延調(diào)整裝置,從站B在發(fā)送信號前先進行時延調(diào)整,從而保證在任意時刻光纖鏈路中只有單路光信號。

圖3 雙向時分復用時間同步原理圖Fig.3 Principle diagram of time synchronization for TDM

主站A時間間隔計數(shù)器1的計算結(jié)果為：

T1=ΔT+τREA+τBA+τTXB+τd

(7)

從站B時間間隔計數(shù)器2的計算結(jié)果為：

T2=-ΔT+τREB+τAB+τTXA

(8)

式中：τAB、τBA分別為從A到B和從B到A的光纖傳輸時延；τTXA、τTXB分別為主站和從站的發(fā)射時延；τREA、τREB分別為主站和從站的接收時延；τd表示時間間隔計時器3測量的從站B傳輸信號前的時延值；ΔT表示主站A與從站B之間的鐘差。

由式(7)、式(8)得：

(τTXA-τTXB)+(τREB-τREA)]

(9)

根據(jù)時間間隔計數(shù)器的結(jié)果計算得出鐘差,再以一端鐘源為基準對另一端鐘源進行調(diào)整,實現(xiàn)兩地時間同步。

以上4種方法,環(huán)回法傳遞系統(tǒng)相對簡單,由于全程只有主站一個鐘源,主站與從站相互之間不需要通信,基于環(huán)回法的時分復用技術波道占用少,傳遞精度高。雙向波分復用技術擴容性強,可以在同一根光纖中傳輸特性完全不同的信號。時分復用同步技術則有效避免了色散效應引起的鏈路不對稱問題,同時抑制了后向散射噪聲的影響,從長期發(fā)展來看,時分復用的工程應用前景更廣。

2.2 頻率同步技術原理

光纖微波頻率傳遞指發(fā)射端用直接調(diào)制或者間接調(diào)制的方式將需要傳遞的微波信號調(diào)制到光載波上,通過單模光纖將其進行傳輸,在接收端利用PD解調(diào)出所需要的微波信號[24]。其中直接調(diào)制指的是對激光器的調(diào)制,間接調(diào)制指對外部EOM的調(diào)制。當信號在光纖鏈路傳輸時難免受到外界環(huán)境的干擾而導致相位抖動,因此頻率同步最核心的任務是補償鏈路相位噪聲。其中最基本的方法是往返傳輸補償法,原理圖如圖4所示[25]。

圖4 往返傳輸補償法Fig.4 Round-trip transmission method

其中信號源的原始相位為φ0,經(jīng)過光纖鏈路往返傳遞后,通過相位比對得到相位的變化量為2Δφ。由于往返鏈路是同一根光纖,假設往返相位變化量相同,在傳輸之前先對本地端傳遞信號進行-Δφ的預補償,使得在遠地端接收到的信號相位φremote與原始相位φ0相同,從而實現(xiàn)對光纖頻率傳遞過程相位噪聲的實時補償。在往返傳輸補償法的基礎上,按補償方式分類,可以分為被動相位噪聲補償法和主動相位噪聲補償法。

2.2.1 被動補償技術

被動補償技術基本原理是首先將參考信號進行倍頻處理,再將回傳信號與之進行多次混頻,使其與鏈路相位噪聲發(fā)生理論上的共軛關系,混頻后再傳入光纖補償鏈路中的擾動。圖5為利用被動補償技術補償光纖鏈路相位噪聲的典型原理圖[26]。

圖5 被動補償法Fig.5 Passive compensation

近地端初始標準信號V1為：

V1∝cos(ωst+φs)

(10)

式中：ωs、φs分別表示初始信號的角頻率和相位。標準信號經(jīng)功分器一分為二,一部分經(jīng)過EOM將信號調(diào)制到光載波上通過光纖傳輸,遠地端接收到的信號為：

V2∝cos(ωst+φs+φp)

(11)

式中：φp是經(jīng)光纖傳輸引入的相位擾動。由于是同一根光纖,因此由遠地端回傳到本地端的信號為：

V3∝cos(ωst+φs+2φp)

(12)

本地端的另一部分信號經(jīng)過三倍頻器后：

V4∝cos(3ωst+3φs)

(13)

將V3和V4混頻得到：

V5∝cos(2ωst+2φs-2φp)

(14)

將混頻后的信號由EOM調(diào)制到光載波上再次進入光纖鏈路,此時遠地端接收到的信號相位誤差已經(jīng)抵消,頻率是原來的一倍,經(jīng)過二分頻器得到：

V6∝cos(ωst+φs)

(15)

最后,遠地端接收到的信號將會和原始信號一致,實現(xiàn)近地端與遠地端頻率同步。因被動補償法全程不涉及任何主動補償器件,沒有反饋控制等復雜的電子線路,因此具有補償速度快、補償范圍大的優(yōu)勢。

被動補償法系統(tǒng)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,不需要對鏈路進行預補償,基于相位共軛法自動補償鏈路相位擾動。缺點在于隨著光纖鏈路的加長,被動系統(tǒng)中的漂移會慢慢累積,導致無法及時被動補償。因此精度較低,長期穩(wěn)定度差,只適用于短距離傳輸。

2.2.2 主動補償技術

主動相位噪聲補償技術是一種通過主動補償器件補償光纖內(nèi)信號相位抖動的技術,由往返傳輸信號和發(fā)送信號鑒相提取出來的相位誤差信號反饋給主動補償器件,控制補償器件的某個參數(shù),形成反饋環(huán)路,從而補償由于外界擾動導致的信號相位抖動[27]。根據(jù)補償執(zhí)行元件的位置不同可以分為光學相位補償法和電學相位補償法。

光學相位補償,其補償執(zhí)行機構(gòu)是光纖,光控過程如圖6所示,本地信號與往返信號經(jīng)過鑒相器得到誤差信號,誤差信號進入光學控制單元,進而控制光學執(zhí)行單元,形成反饋環(huán)路來補償光纖鏈路中信號的相位抖動,常用的方法有溫控光纖卷軸、壓電陶瓷光纖延遲線和電控可調(diào)光延時線等。

圖6 光學補償法Fig.6 Optical compensation

采用該方法進行相位補償具有一個很明顯的缺陷,溫控光纖的長度會隨著傳輸距離的增加而延長,這樣不僅使補償速度更慢,同時增加了光功率損失,惡化了信號的信噪比。因此不適合長距離傳輸。

另一種是電學相位補償,原理圖如圖7所示。該方法依靠電路系統(tǒng)完成本地端發(fā)射信號的相對原子鐘信號鎖定后的相位預補償,同樣由鑒相器得到誤差信號,誤差信號通過相位噪聲補償單元,控制壓控振蕩器(voltage controlled oscillator, VCO)形成反饋環(huán)路補償由于外界擾動導致的信號相位抖動。由于整個過程不涉及任何光學元件,因此電學相位補償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,成本相對較低。常用的方法有PID控制電路、鎖相環(huán)等。

圖7 電學補償法Fig.7 Electrical compensation

3 研究進展

在光纖頻率傳遞方面,2008年法國物理激光實驗室(LPL)利用城市光纖進行了1 GHz射頻信號的遠端分配實驗,傳輸距離為86 km,通過采用壓電陶瓷和光纖溫控聯(lián)合的光延遲控制方式來補償,其中納秒量級的大動態(tài)范圍由溫控光纖卷進行慢速補償,皮秒量級的小動態(tài)范圍由光纖拉伸器進行快速補償[28]。補償后的系統(tǒng)頻率穩(wěn)定度為5×10-15@1s和2×10-18@day。2009年,日本信息與通信研究所(NICT)提出了采用壓控振蕩器的電域相位補償方法[29]。在114 km的城市光纖進行了1 GHz射頻信號傳輸實驗,補償后系統(tǒng)的天穩(wěn)定度達到了10-18量級[30]。國內(nèi),2019年北京郵電大學胡帆、喬耀軍等[31]設計的頻率傳輸系統(tǒng)采用主動補償和被動補償相結(jié)合的方法實時補償信號在光纖傳輸中引入的相位抖動,本地端是無源的被動補償結(jié)構(gòu),遠地端采用的是基于鎖相環(huán)的主動補償結(jié)構(gòu),在2.4 GHz微波直接強度調(diào)制光載波傳輸1 007 km光纖鏈路,短期穩(wěn)定度為8.2×10-14@1 s,長期穩(wěn)定度為 7.88×1 0-17@104s,比同期研究結(jié)果提升了半個數(shù)量級,并且更適合長距離頻率傳遞。

在光纖時間傳遞方面,2016年吳龜靈等[32]利用自主改進的IRIG-B 時間碼、編碼器和解碼器,采用雙向時分復用技術,進行同纖同波傳輸實驗,在2 000 km的光纖鏈路上,實現(xiàn)了時間傳遞穩(wěn)定度優(yōu)于89 ps@1s和23 ps@105s超長距離高精度雙向傳輸。此外,中國科學院國家授時中心陳法喜團隊做了大量研究,2017年周旭等[33]在環(huán)回法的基礎上,采用時分復用和光中繼的方案,實現(xiàn)了單纖同波長信號的長距離高精度時間同步。其中光纖時延采用兩段式調(diào)節(jié)技術,即現(xiàn)場可編輯門陣列(field programmable gate array,FPGA)時鐘整周期倍的時延通過FPGA進行粗調(diào),非整周期倍的時延通過鎖相環(huán)進行細調(diào)。在112 km的實地光纖測得時間同步精度為100 ps@1 s,穩(wěn)定度為5 ps@103s。

不論是時間傳遞系統(tǒng)還是頻率傳遞系統(tǒng),都只能滿足某方面的單一需求,系統(tǒng)的應用范圍局限性較大。隨著全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)、深空探測的快速發(fā)展,要求系統(tǒng)需要同時滿足頻率同步和時間同步,因此研究高精度的時間和頻率同時傳遞系統(tǒng)具有重要的科研價值和廣泛的應用前景。

目前時頻同時傳遞的方法有兩種,一種是將時間信號和頻率信號分別調(diào)制到不同信道,然后再利用波分復用技術進行時間信號和頻率信號的同時傳輸[34]。2014年清華大學和中國計量科學研究院在兩地往返80 km的商用光纖鏈路上用這種方法實現(xiàn)了時間和頻率同時傳輸與同步實驗[35,36],在本地端主動探測光纖傳輸過程中引起的的相位噪聲和時間延遲,并根據(jù)結(jié)果進行補償,獲得了7×10-15@1 s和 5×10-19@day的頻率傳輸穩(wěn)定度結(jié)果,實現(xiàn)±50 ps的時間同步穩(wěn)定度指標。該系統(tǒng)完成了可多點下載的頻率接收系統(tǒng),為時頻一體化傳輸?shù)木W(wǎng)絡化建設提供了有利保障。

另一種方法是將時間信號嵌入到頻率信號中在同一信道進行一體化傳輸。2013年波蘭Krehlik等[37]提出一種改變頻率信號波形占空比的嵌入方法,并研發(fā)了專用的1 PPS嵌入器和檢測器,利用壓控電延遲芯片同時對時間信號和頻率信號進行相位調(diào)整。在60 km的光纖測試中,頻率傳輸穩(wěn)定度達到1.2×10-17@105s；時間傳遞穩(wěn)定度達到了4.5 ps@100 s和0.3 ps@105s。

2019年中國計量科學研究院林平衛(wèi)結(jié)合雙混頻時差測量技術[38]提出了一種高精度時頻一體化傳輸方案,采用同纖同波分時傳輸?shù)姆椒▽崿F(xiàn)頻率傳輸和時間同步。整個一體化傳輸方案分為3個過程:首先采用電學相位補償法補償光纖鏈路相位噪聲,實現(xiàn)本地端和遠地端的正弦波相位一致；其次采用環(huán)回法與時分復用相結(jié)合的方法,實現(xiàn)時間信號的初步同步,同時獲得初步同步秒脈沖信號；最后遠地端在接收的正弦波信號過零點處生成一系列脈沖信號,找出與初步同步秒脈沖信號最接近的作為遠地端標準秒脈沖信號,實現(xiàn)兩地時刻精準同步[39],從而完成高精度時頻一體化傳輸。該方法比現(xiàn)有同步技術精度要提高1個量級,尤其在時刻同步方面,同時解決了長距離傳輸時系統(tǒng)精度顯著下降的問題,具有廣泛的應用前景。

4 結(jié) 論

本文討論了光纖微波時頻傳遞在時間傳遞、頻率傳遞的各種方法,介紹了時頻一體化傳遞新技術。實踐證明了光纖在高精度時頻傳輸方面的優(yōu)勢,其中應用范圍最廣的微波時頻傳遞中頻率傳遞技術發(fā)展相對成熟,而高精度時間同步技術目前同步水平與實際應用還有一定差距。社會的快速發(fā)展對光纖時頻一體化同步技術提出更高的要求以及更高的標準,需要不斷創(chuàng)新。從長期來看,點對點傳遞、單一時間傳遞和單一頻率傳遞局限性較大,無法滿足各種工程應用需要,而網(wǎng)絡化、實用化、一體化的時頻傳遞技術將是領域未來發(fā)展的必然趨勢。