一種短距離光纖頻率信號傳遞方法研究

張 磊,王正勇 ,姚志會

(1．衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室，河北 石家莊 050081；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

針對衛星導航系統，擁有相同本振頻率且時間同步的時鐘在導航上有著越來越重要的應用[1]。相比于衛星鏈路，盡管光纖鏈路的頻率傳輸穩定度更高，但基于衛星鏈路的時間頻率傳輸與同步技術處于發展初期[2-3]。其主要原因是傳統的衛星鏈路可以在其信號覆蓋范圍內的任意點進行時間頻率的傳輸與同步，而目前所有的光纖方案都是點對點式的傳輸，通過補償單一路徑中的相位噪聲，使接收端得到高穩定度的頻率信號，限制了光纖傳輸技術的使用范圍[4-6]。

針對該光纖頻率信號的傳遞技術，美國噴氣動力實驗室( JPL)提出發射端共軛相位補償的解決方案，但是上述工作在頻率信號輸出端存在短穩指標差的問題，不能直接應用到工程[7-8]。本文旨在針對光纖頻率信號傳輸穩定度指標提升，通過采用光纖共軛補償技術實現光纖頻率信號傳輸，同時給出了該領域技術的研究方向。

1 分析光纖頻率信號傳輸的瓶頸

由于光纖鏈路所處環境(溫度、振動)等的影響，隨著光纖傳輸鏈路的增加，對傳輸信號會不斷引入附加相位噪聲，惡化傳輸信號的頻率穩定性[9-10]。通過搭建試驗環境進行測試，需要傳輸的10 MHz信號噪底為：9.23×10-15/1 s，1.7×10-16/10000 s；接入1 m光纖后輸出端10 MHz頻率穩定度為：1.45×10-13/1 s，1.9×10-16/10000 s，光發射和光接收端的引入只對短期頻率穩定度有影響；接入2 km光纖后10 MHz頻率穩定度為：1.66×10-13/1 s，1.27×10-15/10000 s，長期頻率穩定度的惡化主要是由于光纖傳輸距離變大；接入35 km光纖后10 MHz頻率穩定度為：6.64×10-14/1 s，1.2×10-14/10000 s，隨著光纖傳輸距離變大，長期頻率穩定度惡化到10-14/10000 s量級。圖1為一般模式下光纖傳輸頻率信號的測試框圖。

圖1 一般模式下光纖傳輸頻率信號測試框圖

綜上述結論，光收發終端只影響短期頻率穩定度，可達10-13/1 s，在恢復端使用鎖相環可以提高短穩指標；隨著光纖傳輸距離的增加，長期頻率穩定度會惡化到10-14/10000 s量級，因此急需尋找一種利用光纖實現頻率信號高穩定度的傳輸，采取措施對傳輸過程中的附加相位進行修正及補償，采用基于電子相位共軛的傳輸補償技術，可以滿足頻率信號傳遞設計要求，同時能夠保證頻率穩定性不會惡化[11-12]。

2 光纖頻率信號傳遞方法研究

由第1節中分析可知，需要通過將基準信號移頻獲得兩個對稱的信號。在該方案中用兩個更高精度的混頻器和一個相位測量單元替換了光纖頻率信號傳遞系統的雙相位測量單元。通過使用壓控振蕩器提高了相位矯正的動態范圍和線性度，用壓控振蕩器做移相器在基準信號頻率上傳遞信號具有更穩定的幅度值[13-14]。壓控振蕩器的這些優點使得它能夠矯正相位補償器矯正帶寬范圍內的所有相位波動，而相位補償器的矯正帶寬是由光纖鏈路中Round-Trip傳輸時延決定的。圖2中100 MHz壓控振蕩器的輸出信號用于調制DFB激光二極管的偏置電流。在用戶端通過光電檢測裝置探測和再生后向傳輸信號。探測的單向傳輸過來的信號可以表示為VUSERend(t)∝cos(ωosct+φosc+φp)，經過一次光纖傳遞后在發射端探測到的信號可以表示為：

VRound-Trip(t)∝cos(ωosct+φosc+2φp)。

(1)

伺服控制環路迫使壓控振蕩器VCXO輸出的100 MHz信號既和基準信號相位正交，又能將基準信號產生的附加相位補償掉[15-17]。為了實現相位共軛，首先利用混頻器將基準信號分成90 MHz和110 MHz，兩個信號都經過鎖相環PLL濾波。下變頻產生的90 MHz信號和VCXO傳遞過來的100 MHz調制信號進行混頻獲得的10 MHz信號為：

V1(t)∝cos((ωosc-2π·90 MHz)·t+φosc-0.9·φref)。

(2)

同時，由混頻產生的110 MHz信號和一次Round-Trip后的信號進行混頻獲得另一個10 MHz信號：

V2(t)∝cos((2π·110 MHz-ωosc)·t-
φosc+1.1·φref-2·φp)。

(3)

將兩個10 MHz進行比較獲得的基帶信號將包含三方面的相位，即：

Verror(t)∝φosc+φp-φref。

(4)

這個相位將通過正常操作將其補償掉。則VCXO中的相位就變為φosc=φref-φp。經過這樣一個過程，基準信號就能精確穩定地傳輸到用戶端[18]。圖2為簡化的電子相位共軛補償方案框圖。

圖2 簡化的電子相位共軛補償方案

3 實驗驗證與分析

按照圖3所示框圖搭建驗證平臺。通過時頻基準源產生所需100 MHz頻率信號，同時通過頻率信號分配單元分配給光纖傳遞系統使用，光纖長度為1 km，設計為短距離試驗。由圖中可以看出，通過搭建兩個鎖相環路公用100 MHz頻率綜合器的方式，實現光纖雙向補償，這樣就能夠實現本文的雙環鎖相結構設計，以實現電子相位共軛補償。并由此開展實驗，同時通過拷機測試得出短距離光纖頻率信號傳遞的阿倫方差結果[11]。100 MHz頻率信號光纖傳遞設計方案如圖3所示。

圖3 100 MHz頻率信號光纖傳遞設計方案

為了測試光纖頻率信號傳遞系統閉環后的穩定度指標，在完成系統的搭建后，測試了系統的阿倫方差。測試方法是將經過該電-光-電轉換系統和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，該阿倫方差測量結果是該系統以及光纖鏈路對傳輸頻標帶來的相對頻率穩定性損失。測試框圖如圖4所示，圖中測試儀器即為Symmetricom 5125A。

圖4 100 MHz頻率信號光纖傳遞測試

100 MHz頻率信號光纖傳遞阿倫方差的測試曲線如圖5所示，此測試數據為1 km長度光纖傳遞結果。

圖5 100 MHz頻率信號光纖傳遞阿倫方差

從測試結果看出，開環時，光纖傳輸系統秒穩約為2×10-13，千秒穩約為5×10-15。這樣，開環情況下的千秒穩定度對于原子頻標的長期穩定度會造成損失。在閉環補償后，秒穩阿倫方差達到2．49×10-13，千秒穩達到3．5×10-16量級，相對于開環時測量結果，閉環時千秒穩測量結果約提高了一個數量級，這樣經過補償后的系統就不會對頻標的長期穩定度造成損失，從而滿足光纖頻率信號傳遞的頻率穩定度需求。從實驗室環境進行驗證此方法是可行的，適合光纖頻率信號進行短距離傳輸，能夠實現頻率信號的恢復，穩定度可達標，可進一步推廣至工程驗證和工程應用[19-20]。

4 結束語

隨著衛星導航系統的快速發展，用戶對基于衛星導航系統的時間需求會朝著更高精度、更高穩定度的方向發展。從衛星導航系統時間同步的原理出發，分析了光纖頻率信號傳輸的瓶頸，進一步分析得出光纖共軛補償相位的思路，由此提出了一種用于提升短距離光纖頻率的信號傳遞方法，并通過設計、實驗驗證了這一方法的可行性和有效性，為相關行業應用提供了可借鑒的設計方案，具有良好的應用前景。

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