基于光纖波分復(fù)用的時(shí)頻信號(hào)分發(fā)傳輸技術(shù)

陳 凌

(中國西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036)

0 引言

數(shù)字相控陣廣泛應(yīng)用在通信、射電天文、雷達(dá)、聲納、航天測控領(lǐng)域。多個(gè)天線子陣和多通道組成數(shù)字相控陣系統(tǒng)的射頻前端部分，每個(gè)通道接收的信號(hào)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后在數(shù)字域進(jìn)行信號(hào)合成，形成波束。信號(hào)合成時(shí)需要在同一時(shí)刻進(jìn)行多通道信號(hào)幅相加權(quán)，從而獲得高質(zhì)量的合成信號(hào)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)在天線遠(yuǎn)端波束形成精確指向功能[1-4]。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，系統(tǒng)必須為多通道提供統(tǒng)一的工作時(shí)鐘，同時(shí)由于多通道信號(hào)之間的幅度相位存在不一致性[5-9]，系統(tǒng)必須進(jìn)行多通道的幅相精確標(biāo)校。其中時(shí)頻及標(biāo)校信號(hào)的傳輸質(zhì)量直接影響信號(hào)合成效率。另外，系統(tǒng)還需要將本振信號(hào)分發(fā)傳輸?shù)较嗫仃囎雨囃瓿墒瞻l(fā)信號(hào)變頻功能。

傳統(tǒng)電纜分發(fā)傳輸設(shè)計(jì)時(shí)把時(shí)頻信號(hào)、標(biāo)校信號(hào)和本振信號(hào)分別用不同的傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸：傳輸時(shí)頻信號(hào)時(shí)需要大量功分器和傳輸電纜，根據(jù)通道數(shù)不同，功分器和傳輸電纜數(shù)量不同，其設(shè)備數(shù)量多且復(fù)雜，線纜數(shù)量多重量大，天線子陣空間狹小不便于安裝，多通道時(shí)頻信號(hào)相位一致性較差；傳輸標(biāo)校信號(hào)和本振信號(hào)時(shí)根據(jù)通道數(shù)需要大量選擇開關(guān)，與傳輸時(shí)頻信號(hào)一樣，其設(shè)備組成復(fù)雜，難安裝，難維護(hù)，多通道標(biāo)校信號(hào)相位一致性較差。為了獲得更大的天線增益和傳輸距離，數(shù)字相控陣系統(tǒng)信號(hào)通道規(guī)模越來越大，會(huì)達(dá)到成千上萬個(gè)，且數(shù)字相控陣系統(tǒng)集成度也越來越高，迫切需要設(shè)計(jì)高效穩(wěn)定的時(shí)頻、標(biāo)校和本振信號(hào)分發(fā)傳輸網(wǎng)絡(luò)。

本文通過對(duì)時(shí)頻、標(biāo)校和本振信號(hào)在光纖通信中傳輸技術(shù)的分析研究，提出了基于光纖波分復(fù)用[9-12]的高穩(wěn)定時(shí)頻、標(biāo)校和本振信號(hào)的分發(fā)傳輸技術(shù)，該分發(fā)傳輸技術(shù)把時(shí)頻信號(hào)、標(biāo)校信號(hào)和本振信號(hào)集成在一起分發(fā)傳輸，解決電纜直接傳輸時(shí)設(shè)備組成復(fù)雜、安裝不便、難維護(hù)以及多通道信號(hào)相位一致性較差等問題。該分發(fā)傳輸技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于某數(shù)字相控陣多目標(biāo)統(tǒng)一測控系統(tǒng)中。為簡便起見，將時(shí)頻信號(hào)、標(biāo)校信號(hào)和本振信號(hào)統(tǒng)稱為時(shí)頻信號(hào)。

1 波分復(fù)用光纖傳輸技術(shù)

波分復(fù)用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)技術(shù)是指用光耦合器把不同波長的多個(gè)光源產(chǎn)生的多個(gè)光波長集中在一根光纖通道上傳輸，其中每個(gè)波長上調(diào)制一個(gè)信息。在接收端可以用光濾波器分別解出多個(gè)光波長。整個(gè)發(fā)射接收實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用功能。WDM 本質(zhì)上是光域的頻分復(fù)用，它具有超大傳輸容量、節(jié)約光纖資源、各信道傳輸透明升級(jí)擴(kuò)容平滑、可實(shí)現(xiàn)超長距離傳輸?shù)?。WDM 可分為稀疏波分復(fù)用(Coarse Wavelength Division Multiplexing，CWDM)和密集波分復(fù)用(Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM)。二者的區(qū)別在于信道間隔和通帶寬度不同。DWDM 的信道間隔窄，一般為0.2 nm、0.4 nm、0.8 nm、1.6 nm，CWDM 為20 nm 和13 nm。根據(jù)現(xiàn)有模擬激光器、光放大器、波分復(fù)用器特性，在實(shí)際應(yīng)用中一般采用CWDM 和DWDM 結(jié)合。

圖1 描述了上行3 路下行1 路的CWDM 和DWDM相結(jié)合的單根雙向波分復(fù)用光纖傳輸系統(tǒng)。其中上行光信號(hào)包含經(jīng)DWDM 復(fù)用的5 路信號(hào)。DWDM 波長為1 540～1 565 nm 最 佳，在1 540～1 565 nm 波長內(nèi)復(fù)用3路光信號(hào)符合ITU-T G.692 DWDM 標(biāo)準(zhǔn)(間隔0.8 nm 100 GHz)。

圖1 波分復(fù)用原理框圖

2 基于WDM 的時(shí)頻信號(hào)光傳輸架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文研究的數(shù)字相控陣系統(tǒng)規(guī)模為n 個(gè)子陣，傳輸?shù)臅r(shí)頻、本振信號(hào)和標(biāo)校信號(hào)包括：CLK、SYNC、收發(fā)RF信號(hào)。

為簡便起見，將需要傳輸?shù)腃LK、SYNC、收發(fā)RF 信號(hào)統(tǒng)稱為時(shí)頻信號(hào)。待傳輸?shù)臅r(shí)頻信號(hào)為電信號(hào)，在進(jìn)行光傳輸之前需要進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換，在接收處理端需要進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后提供給子陣設(shè)備使用。其中，時(shí)頻光分發(fā)傳輸采用波分復(fù)用單芯光纖傳輸技術(shù)。

時(shí)頻信號(hào)基于相同的10 MHz 標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)產(chǎn)生，實(shí)踐中要求各頻率信號(hào)的相位變化一致性與穩(wěn)定性≤±3°，其產(chǎn)生傳輸原理框圖如圖2 所示。

圖2 時(shí)頻信號(hào)在數(shù)字相控陣系統(tǒng)中的傳輸

時(shí)頻信號(hào)源接收10 MHz 標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)作為參考信號(hào)，以10 MHz 頻標(biāo)信號(hào)為基準(zhǔn)產(chǎn)生數(shù)字相控陣系統(tǒng)所需的待分發(fā)傳輸?shù)臅r(shí)頻信號(hào)。時(shí)頻信號(hào)需要分發(fā)傳輸?shù)礁鱾€(gè)子陣，理論上各子陣在同一時(shí)頻信號(hào)下進(jìn)行信號(hào)收發(fā)、采樣、模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換及多通道信號(hào)合成。

系統(tǒng)時(shí)頻信號(hào)光分發(fā)傳輸包括上行多路和下行1路信號(hào)。采用穩(wěn)相光纖把時(shí)頻信號(hào)從時(shí)頻信號(hào)源分發(fā)傳輸?shù)絥 個(gè)相控陣子陣。其分發(fā)傳輸原理如圖3 所示。時(shí)頻光發(fā)射分發(fā)設(shè)備完成信號(hào)電光轉(zhuǎn)換、波分復(fù)用、光分發(fā)及配相功能，主要由射頻光發(fā)射模塊、數(shù)字光發(fā)射模塊、射頻光接收模塊、光放大器、波分復(fù)用器、光分路器、監(jiān)控模塊、AC/DC 電源模塊、電源濾波器等組成。

圖3 時(shí)頻信號(hào)光分發(fā)傳輸原理框圖

光發(fā)射/接收模塊負(fù)責(zé)時(shí)頻電信號(hào)的阻抗匹配、電信號(hào)放大、電/光轉(zhuǎn)換，即將這3路信號(hào)轉(zhuǎn)變成3 個(gè)不同光波長的光信號(hào)進(jìn)行光傳輸，上行3 個(gè)不同波長的光信號(hào)經(jīng)DWDM復(fù)用一根光纖輸出。同時(shí)光發(fā)射/接收模塊負(fù)責(zé)將下行的1 路時(shí)頻電信號(hào)先解復(fù)用，后經(jīng)放大進(jìn)行光/電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)經(jīng)阻抗匹配再輸出。上行的經(jīng)DWDM 的單根光纖信號(hào)進(jìn)行光放大并與下行的1 路光信號(hào)經(jīng)CWDM 復(fù)用為一根光纖，再經(jīng)n 路光功分和適配器陣列分發(fā)為n 個(gè)光信號(hào)，通過n 根穩(wěn)相光纖分發(fā)傳輸至各路子陣，通過子陣上的時(shí)頻處理模塊完成波分復(fù)用和光電轉(zhuǎn)換功能，并把各時(shí)頻信號(hào)送相控陣子陣上供其他設(shè)備使用。n 個(gè)時(shí)頻光處理模塊接收各自的一根光纖后進(jìn)行CWDM 解復(fù)用，分解出上行和下行光信號(hào)。上行光信號(hào)經(jīng)DWDM 分解復(fù)用出3 個(gè)光載波，再分別由3 個(gè)探測器對(duì)3 路光載波信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換、放大濾波后恢復(fù)出上行時(shí)頻信號(hào)經(jīng)電信號(hào)接口輸出。下行電信號(hào)電光直調(diào)進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換，經(jīng)光放大濾波后送入CWDM 和上行光信號(hào)波分復(fù)用同一根光纖，通過使能信號(hào)控制上下行光信號(hào)的傳輸。

本文方案使用的復(fù)用信號(hào)波長如表1 所示。

表1 復(fù)用信號(hào)參數(shù) (nm)

3 指標(biāo)測試

時(shí)頻信號(hào)經(jīng)波分復(fù)用光纖分發(fā)傳輸系統(tǒng)處理后，信號(hào)質(zhì)量方面，關(guān)注其相位噪聲、相位一致性及同步信號(hào)相位一致性等技術(shù)指標(biāo)。

3.1 相位噪聲測試

本文測試了系統(tǒng)分發(fā)傳輸?shù)淖畲箢l率信號(hào)2 580 MHz的相位噪聲，同時(shí)與信號(hào)源的相位噪聲進(jìn)行對(duì)比，得到如圖4 所示的二者的對(duì)比圖。剔除掉測試儀器自身的測試不確定度后，發(fā)現(xiàn)偏離主頻≤100 kHz 時(shí)，波分復(fù)用光傳輸后的信號(hào)相位噪聲與源的信號(hào)噪聲保持一致，基本上沒有大的惡化；在偏離主頻≥1 MHz 時(shí)，波分復(fù)用光傳輸后的信號(hào)相位噪聲與源的信號(hào)噪聲相比要差些，這是因?yàn)檫h(yuǎn)端相位噪聲受噪聲系數(shù)影響大，在接收光功率較小時(shí)光分發(fā)傳輸系統(tǒng)噪聲系數(shù)大，因此底噪較高，不過測試出來的相位噪聲還是滿足實(shí)踐系統(tǒng)的指標(biāo)要求的。

圖4 2 580 MHz 頻點(diǎn)測試相噪與源的對(duì)比圖

3.2 溫度幅相一致性測試

由于電光轉(zhuǎn)換器是半導(dǎo)體熱敏器件，其對(duì)溫度環(huán)境變化很敏感，而相控陣系統(tǒng)規(guī)模越大其子陣間溫度會(huì)有一定溫差，這時(shí)候受溫度影響，經(jīng)波分復(fù)用光分發(fā)傳輸系統(tǒng)分發(fā)傳輸?shù)臅r(shí)頻信號(hào)其幅相一致性會(huì)隨溫度變化。選取了3 個(gè)支路用溫箱測試，表2 記錄了各支路隨溫度變化的幅相一致性變化。

由表2 可見，各支路幅度隨溫度變化在±0.5 dBm 之內(nèi)，相位隨溫度變化在±3°之內(nèi)，滿足實(shí)踐系統(tǒng)的指標(biāo)要求。

表2 溫度幅相一致性變化

3.3 同步信號(hào)指標(biāo)測試

本時(shí)頻信號(hào)光分發(fā)傳輸系統(tǒng)還分發(fā)傳輸了同步信號(hào)，因而也對(duì)同步信號(hào)進(jìn)行了相位一致性測試以及抖動(dòng)與上升沿測試。

(1)PPS 相位一致性測試

通過示波器測試傳輸后的PPS 信號(hào)與源的PPS 信號(hào)的相位一致性，其結(jié)果如圖5 所示，兩路同步信號(hào)間的一致性指標(biāo)約為100 ps。

圖5 PPS 相位一致性結(jié)果

(2)PPS 脈沖抖動(dòng)測試

由圖6 可知，傳輸前信號(hào)源PPS 抖動(dòng)值為80 ps；由圖7 可知經(jīng)傳輸后PPS 信號(hào)抖動(dòng)值為85 ps 左右，可見經(jīng)過波分復(fù)用光分發(fā)傳輸?shù)腜PS 信號(hào)抖動(dòng)惡化很小，滿足指標(biāo)要求。

圖6 源PPS 信號(hào)抖動(dòng)

圖7 傳輸后PPS 信號(hào)抖動(dòng)

(3)PPS 上升沿測試

PPS 信號(hào)上升時(shí)間測試結(jié)果如圖8 和圖9 所示。

圖8 信號(hào)源PPS 信號(hào)上升時(shí)間

圖9 傳輸后PPS 信號(hào)上升時(shí)間

圖8 是傳輸前信號(hào)源PPS 上升時(shí)間，測試值為1.028 ns，圖9 是經(jīng)傳輸后PPS 信號(hào)上升時(shí)間，測試值為1.085 ns，經(jīng)過波分復(fù)用光分發(fā)傳輸?shù)腜PS 信號(hào)上升時(shí)間僅惡化0.02 ns，且在提高源質(zhì)量的情況下，傳輸后PPS 上升時(shí)間還能進(jìn)一步減少。

4 結(jié)論

本文針對(duì)數(shù)字相控陣中系統(tǒng)需要為相控陣多個(gè)子陣提供高穩(wěn)定的時(shí)頻信號(hào)的需求，提出了一種基于光纖波分復(fù)用的時(shí)頻信號(hào)分發(fā)傳輸技術(shù)。實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)和工程實(shí)踐表明，基于WDM(波分復(fù)用)的單根光纖進(jìn)行時(shí)頻信號(hào)的光分發(fā)傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字相控陣高效穩(wěn)定的分發(fā)傳輸系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)、標(biāo)校信號(hào)和本振信號(hào)的功能。該分發(fā)傳輸技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于某數(shù)字相控陣多目標(biāo)統(tǒng)一測控系統(tǒng)，未來會(huì)更多應(yīng)用在航天測控系統(tǒng)、車載測控系統(tǒng)等各類相控陣測控系統(tǒng)中。