馬文起，吳智斌，李　晶，李　娟

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所， 河北 石家莊 050081;

2.西安衛(wèi)星測控中心， 陜西 西安 710043;

3.中國人民解放軍第75770部隊，廣東 廣州 510010)

?

高穩(wěn)定度光纖時頻相干傳輸技術(shù)研究

馬文起1，吳智斌2，李晶1，李娟3

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所， 河北 石家莊 050081;

2.西安衛(wèi)星測控中心， 陜西 西安 710043;

3.中國人民解放軍第75770部隊，廣東 廣州 510010)

摘要針對上行天線組陣技術(shù)對高穩(wěn)定度時頻信號的需求，提出了一種適用于幾千米量級的高穩(wěn)定度光纖時頻傳輸方案。詳細介紹了該方案的原理和實現(xiàn)方法，并對該光纖時頻傳輸試驗系統(tǒng)進行了相關(guān)測試。初步試驗結(jié)果表明，系統(tǒng)實現(xiàn)了閉環(huán)鏈路延遲抖動小于10 ps，載波相位抖動為0.29°；在傳輸100 MHz頻標時，1 km閉環(huán)光纖時頻傳輸系統(tǒng)的阿倫方差指標為4×10-16/1 000 s，能夠使得頻率標準信號“無損”地分發(fā)至各節(jié)點，可用于千米區(qū)域內(nèi)分布式系統(tǒng)的高精度時頻同步場合。

關(guān)鍵詞高穩(wěn)定度；光纖延遲線；光學(xué)補償；波分復(fù)用

Research on High-stability Time and Frequency Coherent

Transmission with Optical Fiber

MA Wen-qi1,WU Zhi-bin2,LI Jing1,LI Juan3

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China;

2.Xi’anSatelliteControlCenter,Xi’anShaanxi710043,China;

3.Unit75770,PLA,GuangzhouGuangdong510010,China)

AbstractA method of high-stability time and frequency transmission with optical fiber is discussed in order to meet the urgency need of high-stability time and frequency in uplink arrays.The principle of this method is introduced in detail,and some experiments have been done on the platform of optical fiber time and frequency transmission system.The preliminary results show that the time jitter of optical fiber is less than 10 ps after the loop is closed,and phase jitter of the carrier is 0.29°.The system achieves an Allan deviation of 4×10-16/1000 s when transmission frequency is 100 MHz,and no deterioration of transmission to every situation is achieved,and it can be used in the situations that requires high-precision synchronization for distributed system in area of kilometers.

Key wordshigh stability;optical fiber delay line;optical compensation;wavelength division multiplexing

0引言

深空測控上行鏈路的根本需求是提高全向輻射功率(EIRP)，上行天線組陣可以在較低成本條件下獲得高EIRP值。NASA也將發(fā)展上行天線組陣技術(shù)作為未來20年進一步發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。上行天線組陣技術(shù)的關(guān)鍵在于使得在目標處的射頻信號能夠相干合成[1-3]，這就對各天線間的時頻同步提出了極高的要求。近些年來，美國、日本以及歐洲各國都對利用光纖進行時頻傳輸展開了一系列相關(guān)研究，并在系統(tǒng)穩(wěn)定度指標上取得了很好的試驗結(jié)果[4-6]，系統(tǒng)萬秒穩(wěn)定度達到10-17量級。國內(nèi)清華大學(xué)、中科院國家授時中心等研究結(jié)構(gòu)也在開展相關(guān)試驗，并取得了一些成果[7,8]，但也僅僅處于試驗階段，就調(diào)研所知，國內(nèi)還沒有將利用光纖進行高穩(wěn)定度時頻傳輸技術(shù)應(yīng)用于工程應(yīng)用。為此，本文提出了一種適用于幾千米區(qū)域上行組陣的光纖時頻相干傳輸?shù)姆椒ǎ⑦M行了測試驗證。

1光纖時頻相干傳輸?shù)脑?/p>

通常情況下，可以直接利用光纖將頻率源輸出頻率標準傳輸至遠端，在傳輸?shù)倪^程中，傳輸信號會受到如環(huán)境溫度、機械振動等光纖自身因素的影響，從而導(dǎo)致遠端頻率標準信號不再“純凈”，頻率穩(wěn)定度也會受到惡化[9]。為了滿足上行天線組陣對時間同步精度和頻率穩(wěn)定度的要求，選擇了一種基于光學(xué)補償?shù)臅r頻傳輸方法[10]。

1.1溫度對光纖時頻傳輸?shù)挠绊?/p>

為了保證頻率標準信號可以“無損”地傳輸?shù)竭h端，首先分析溫度對光纖時頻傳輸系統(tǒng)的影響。標準通信光纖的典型溫度系數(shù)k=7ppm/oC(1 m光纖對應(yīng)5 ns左右的時延)，設(shè)溫度帶來的時延變化為D，

(1)

式中，ΔTSF為地面溫度的變化范圍；LSF為暴露光纖長度，包括光纜進出口以及天線光纜卷繞部分；ΔTUG為地下1 m深處的溫度變化范圍；LUG為深埋光纜的長度。

假設(shè)取ΔTSF=50oC，ΔTUG=2.5oC，LSF=100m，LUG=1 000m，根據(jù)式(1)計算可得時延的變化量D約為262 ps。以S波段2.2 GHz為例，若要求時間同步精度要求在10 ps以內(nèi)，該時頻傳輸系統(tǒng)需要采取一些措施來進行補償。

溫度變化引起的相位抖動會引起遠端頻率標準的穩(wěn)定度損失，相關(guān)分析工作已在一些參考文獻中做了論述[11,12]。由相關(guān)分析結(jié)果可知，溫度引起的頻率穩(wěn)定度損失與光纖長度L、光纖溫度系數(shù)α、光纖折射率n以及溫度變化幅度ΔT成正比，并且溫度變化的周期也會影響頻率穩(wěn)定性損失，而與傳輸頻率f0無關(guān)。對本文的應(yīng)用場景進行分析可知，傳輸高穩(wěn)定度的原子頻標，溫度變化引起光纖物理性質(zhì)的變化，由此帶來的頻率穩(wěn)定度損失對短期穩(wěn)定度幾無影響。但是，從長期穩(wěn)定度來說，溫度帶來的穩(wěn)定度損失對于長期穩(wěn)定度好原子鐘(如氫鐘)穩(wěn)定性還是會造成惡化(氫鐘萬秒穩(wěn)定度約為1×10-15,溫度引入的穩(wěn)定度損失約為10-14量級)。如果傳輸距離進一步增加，溫度變化對長期穩(wěn)定度影響也會隨之進一步加大。綜上所述，對于長期穩(wěn)定度比較好的原子頻標，溫度帶來的光纖鏈路的時間抖動是不可忽略的，要想保證光纖傳輸頻標穩(wěn)定度不受損失，對于時間抖動的測量[13]和補償就必不可少了。

1.2基于光纖延遲線的光學(xué)補償原理

由上述分析可知，在光纖時頻傳輸系統(tǒng)中，溫度變化是引起系統(tǒng)穩(wěn)定度損失的一個重要的因素。為了滿足高穩(wěn)定度傳輸，目前國內(nèi)外主要的試驗方法有3種[14]，本文選擇了基于光纖延遲線的光學(xué)補償方法。3種不同種類的光纖延遲線的原理以及特點如表1所示。

表1　3種光纖延遲線方案原理特點對比

根據(jù)上節(jié)分析，溫度引入的系統(tǒng)穩(wěn)定度損失主要體現(xiàn)在長期穩(wěn)定度上，由于平均時間比較長，因此對于光纖延遲線的響應(yīng)速度并沒有過高的要求。由于上節(jié)計算得到的溫度引起的該系統(tǒng)的時間抖動約為262 ps，這要求光纖延遲線的補償范圍需要>300 ps。針對這種應(yīng)用需求，選擇了General Photonics公司的”MOTORIZED DELAY LINE MDL-002”，工作時由RS232串口輸入以ps為單位的控制信號以完成相應(yīng)光程變化。光纖延遲線(Optical Delay Line)內(nèi)部由平移軌道、反射鏡片和步進電機構(gòu)成，輸入控制信號后步進電機推動鏡片在平移軌道上精確移動位置，以達到控制光程變化的目的。其發(fā)生一次光程變化時由內(nèi)部工作的機械裝置完成，因此響應(yīng)速度較慢，工作頻率僅能達到Hz量級。實際的時延抖動補償試驗中，選取其工作在560 ps(約17 cm)，工作頻率為0.5~1 Hz。

1.3光學(xué)波分復(fù)用技術(shù)

由于光纖延遲線是通過接收以ps為單位的控制信號以完成相應(yīng)光程變化從而實現(xiàn)補償鏈路時間抖動的目的。為了補償鏈路的時間抖動，首先需要鏈路的時間抖動進行精確測量。在該試驗中，時間抖動的測量方法是通過測量載波相位抖動來實現(xiàn)的。為了提高測量精度，在本方案中選擇一個頻率較高的精測音來對鏈路時間(相位)抖動進行監(jiān)測，通過一系列運算、處理得到延遲線的控制量，實現(xiàn)對鏈路時間抖動的補償。由于在本試驗中傳輸?shù)念l率標準為100 MHz，測量時間抖動使用的精測音頻率為1 GHz。為了使二者互不干擾的傳輸，在該試驗方案中還利用了波分復(fù)用技術(shù)[15]。將頻率標準信號和精測音信號分別利用波分復(fù)用的2個波長進行傳輸，再通過解復(fù)用技術(shù)實現(xiàn)二者的分離，從而實現(xiàn)二者互無干擾的傳輸。

2系統(tǒng)實現(xiàn)的原理

本文提出的一種光纖穩(wěn)相時頻傳輸方案的原理圖如圖1所示。

圖1　光纖時頻傳輸?shù)脑?/p>

系統(tǒng)主要由發(fā)射模塊、接收模塊、波分復(fù)用器、光纖延遲線、鑒相模塊、控制模塊、監(jiān)控模塊和頻綜等幾部分構(gòu)成。其時頻相干傳輸原理是：在近端，分別將100 MHz頻率標準信號以及頻綜輸出的1 GHz精測音信號分別經(jīng)過電光轉(zhuǎn)換調(diào)制到2個不同的光載波上，通過波分復(fù)用的方式通過一根光纖傳遞到遠端。在遠端通過一個解復(fù)用器再將2個不同波長的光信號分離，然后通過環(huán)形器和一個耦合器可以將載有1 GHz信號的光波返回到近端。近端的接收模塊將返回的攜帶有1 GHz信號光波解調(diào)輸出帶有光纖鏈路相位抖動的1 GHz精測音信號，然后將該信號與近端的參考精測音信號進行鑒相，得到鏈路相位抖動信息。鑒相模塊將相位抖動信息送給控制器，控制器經(jīng)過采樣、PID(比例積分微分)運算得到控制量，并將該控制量發(fā)送給光纖延遲線。光纖延遲線接收到控制器發(fā)送的命令，根據(jù)命令調(diào)整傳輸鏈路的光程，從而達到補償鏈路相位抖動(時間抖動)的目的。

3試驗結(jié)果分析

3.1時間抖動測量結(jié)果

由于在實際的閉環(huán)補償?shù)姆桨钢行枰诠饫w中將頻綜輸出的1 GHz精測音信號進行雙向傳輸，為了測試在雙向傳輸時光纖鏈路延遲的測試結(jié)果，在該實驗中將載有1 GHz精測音信號的光波經(jīng)過1 km光纖傳輸?shù)竭h端后再利用耦合器和環(huán)形器將部分光信號返回進行雙向光纖鏈路延遲的測量。在測量時間內(nèi)，閉環(huán)條件下鏈路延遲抖動測試的結(jié)果如圖2所示，由圖2(b)可以看出在測試時間內(nèi)，光纖延遲線補償量的變化已超過130 ps，從而間接說明了在測試時間內(nèi)溫度變化引入的鏈路延遲的變化量也超過了130 ps。經(jīng)過閉環(huán)補償后鏈路延遲抖動的變化如圖2(a)所示，由圖2(a)看出，在測試時間內(nèi)，時延抖動由原來的超過130 ps減小至10 ps以內(nèi)，鏈路延遲抖動得到了很好的補償。

圖2　雙向1 km光纖鏈路延遲測量結(jié)果

遠端返回信號和近端參考信號進行鑒相得到的相位測試結(jié)果如圖3所示。由相位測量結(jié)果看出，在測試時間內(nèi)，鑒相結(jié)果都基本可以收斂到參考相位附近，閉環(huán)穩(wěn)定時相位值的抖動(鑒相結(jié)果的標準差)為0.29°。

圖3　近端參考信號與遠端返回信號的鑒相結(jié)果

3.2阿倫方差測試結(jié)果

為了測試系統(tǒng)閉環(huán)后的穩(wěn)定度指標，在完成系統(tǒng)的搭建后，測試了系統(tǒng)的阿倫方差。測試方法是將經(jīng)過該電-光-電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和1 km光纖的100 MHz頻標信號送入阿倫方差測試儀(Symmetricom 5125A)，參考信號選擇為氫鐘輸出的另外100 MHz信號。因此，該阿倫方差測量結(jié)果是該系統(tǒng)以及光纖鏈路對傳輸頻標帶來的相對頻率穩(wěn)定性損失。分別測試系統(tǒng)在開環(huán)和閉環(huán)條件下的阿倫方差測試結(jié)果，測試結(jié)果分別如圖4和圖5所示。

圖4　開環(huán)條件下系統(tǒng)阿倫方差測試結(jié)果

圖5　閉環(huán)條件下系統(tǒng)阿倫方差測試結(jié)果

從測試結(jié)果看出，開環(huán)時，光纖傳輸系統(tǒng)秒穩(wěn)約為2×10-13，千秒穩(wěn)約為5×10-15。這樣，開環(huán)情況下的千秒穩(wěn)定度對于原子頻標的長期穩(wěn)定度會造成損失[13]。在閉環(huán)補償后，秒穩(wěn)阿倫方差達到2.49×10-13，千秒穩(wěn)達到3.5×10-16量級，相對于開環(huán)時測量結(jié)果，閉環(huán)時千秒穩(wěn)測量結(jié)果約提高了一個數(shù)量級，這樣經(jīng)過補償后的系統(tǒng)就不會對頻標的長期穩(wěn)定度造成損失，從而滿足上行天線組陣技術(shù)的頻率穩(wěn)定度需求。

4結(jié)束語

理論分析表明，溫度對光纖時頻傳輸系統(tǒng)的長期穩(wěn)定度會造成一定損失，利用光纖延遲線進行光學(xué)補償是一種有效的提高系統(tǒng)傳輸穩(wěn)定度的方法。閉環(huán)系統(tǒng)測試結(jié)果表明，該種補償方案可以很好地實現(xiàn)對系統(tǒng)時間抖動的補償，實現(xiàn)了ps級光纖鏈路延遲抖動的測量和補償，系統(tǒng)的長期穩(wěn)定度提高了一個數(shù)量級。該系統(tǒng)能夠滿足上行天線組陣技術(shù)對時頻信號的穩(wěn)定度需求，對高穩(wěn)定度光纖時頻傳輸技術(shù)研究一定的參考價值。

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馬文起男，(1989—)，工學(xué)碩士。主要研究方向：航天測控技術(shù)、信號與信息處理。

吳智斌男，(1969—)，工學(xué)學(xué)士，高級工程師。主要研究方向：深空測控。

作者簡介

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(61308061)。

收稿日期：2015-09-21

中圖分類號TN929

文獻標識碼A

文章編號1003-3106(2015)12-0044-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.12.12

引用格式：馬文起，吳智斌，李晶，等.高穩(wěn)定度光纖時頻相干傳輸技術(shù)研究[J].無線電工程,2015,45(12):44-47.