基于光纖鏈路的180 km高精度時(shí)間同步系統(tǒng)

王正勇，王崇陽(yáng)，魏海濤，尹繼凱，蔚保國(guó)

(衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081)

0 引言

原子鐘技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)高精度時(shí)間頻率信號(hào)的傳輸性能提出了更高的要求。相比傳統(tǒng)的衛(wèi)星雙向時(shí)間同步系統(tǒng)，光纖雙向時(shí)間同步系統(tǒng)具有帶寬高、損耗小、抗干擾以及高精度等優(yōu)點(diǎn)，引起國(guó)內(nèi)外研究小組的廣泛研究[1-4]。光纖雙向時(shí)間同步是一種單纖雙向雙波長(zhǎng)高精度時(shí)間比對(duì)方法，采用不同波長(zhǎng)在同一根光纖中進(jìn)行雙向傳遞，可以認(rèn)為環(huán)境變化引起的往、返鏈路時(shí)延變化相同[5-9]。該方法同步精度可以達(dá)到100 ps量級(jí)，相比衛(wèi)星傳輸中常見(jiàn)的ns量級(jí)精度，在同步精度上提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。利用光纖進(jìn)行高精度時(shí)間同步具有損耗低、抗電磁干擾、價(jià)格低和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，使其成為遠(yuǎn)距離高精度時(shí)間傳遞的主要方案之一[10-14]。德國(guó)物理技術(shù)研究所(PTB)在73 km光纖鏈路上進(jìn)行了光纖雙向時(shí)間同步試驗(yàn)，時(shí)間同步精度優(yōu)于100 ps[15]；國(guó)家計(jì)量院和北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心報(bào)道了109 km光纖雙向時(shí)間同步試驗(yàn)，時(shí)間同步精度優(yōu)于200 ps[16]。

由于受到光功率損耗的影響，單段光纖傳遞距離在100 km內(nèi)，本文在基于雙向偽碼測(cè)距的光纖時(shí)間比對(duì)方法上，添加雙向摻鉺光纖放大器，設(shè)計(jì)了超越100 km光纖傳輸距離的試驗(yàn)平臺(tái)，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果符合預(yù)期。

1 光纖雙向時(shí)間同步原理

光纖雙向時(shí)間同步的基本原理如圖1所示[17-18]。

圖1 光纖雙向時(shí)間同步原理

設(shè)tTA為主站發(fā)射測(cè)距信號(hào)時(shí)刻，tTB為從站發(fā)射測(cè)距信號(hào)時(shí)刻，tRA為主站接收測(cè)距信號(hào)時(shí)刻，tRB為從站接收測(cè)距信號(hào)時(shí)刻，主站和從站兩地鐘的瞬時(shí)鐘差為ΔTAB=tTB-tTA,則：

因此，主、從兩站鐘差為：

光纖雙向時(shí)間同步信號(hào)傳播時(shí)延τAB，τBA可進(jìn)一步表示為：

2 180 km光纖雙向時(shí)間同步試驗(yàn)

時(shí)間信號(hào)在光纖傳輸過(guò)程中，由于光纖色散的影響，單段光纖過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致末端的接收信噪比惡化。在時(shí)間信號(hào)光纖傳輸鏈路中，單段光纖鏈路的最大距離由發(fā)射端激光器的色散容限指標(biāo)給出，本系統(tǒng)中所使用的激光器的色散容限值為1 600 ps，考慮到G652型單模光纖的色散系數(shù)為D(λ)=17 ps/nm·km，因此光纖雙向時(shí)間同步中單段光纖最遠(yuǎn)距離在100 km內(nèi)[19-20]。要進(jìn)行百公里以上的光纖雙向時(shí)間同步，就需要引入光纖放大設(shè)備，因此設(shè)計(jì)了基于摻鉺光纖放大器的雙向放大設(shè)備(BEDFA)[21]。

基于光纖雙向放大設(shè)備BEDFA的光纖雙向時(shí)間同步方案如圖2所示。其中，A站傳輸?shù)紹站的光信號(hào)波長(zhǎng)采用1 550.12 nm，B站傳輸?shù)紸站的光信號(hào)波長(zhǎng)采用1 550.92 nm，碼速率為20 Mcps。雙向摻鉺光纖放大器實(shí)物如圖3所示。

圖2 180 km光纖雙向時(shí)間同步方案

圖3 雙向摻鉺光纖放大器實(shí)物

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

180 km光纖雙向時(shí)間同步時(shí)差測(cè)量結(jié)果如圖4所示。

圖4 180 km光纖雙向時(shí)間同步時(shí)差測(cè)量結(jié)果

圖4中，單向傳輸時(shí)延A→B與B→A曲線中的波動(dòng)代表了晝夜環(huán)境溫度變化引起的時(shí)延波動(dòng)，2條單向傳輸時(shí)延基本吻合，在7天連續(xù)實(shí)驗(yàn)中，同步精度為863 ps，經(jīng)過(guò)平滑處理后的時(shí)間同步精度為153 ps。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明光纖鏈路受環(huán)境變化(溫度、振動(dòng)等)引起的時(shí)延波動(dòng)幾乎被完全抵消。

因?yàn)锳站與B站采用各自的原子鐘，原子鐘本身噪聲會(huì)引起相位波動(dòng)，同時(shí)設(shè)備受溫度的影響也會(huì)引起相位波動(dòng)，這些相位波動(dòng)沒(méi)有被消除，仍然會(huì)影響時(shí)間同步精度。圖5為雙向時(shí)間同步時(shí)差測(cè)量值的時(shí)間穩(wěn)定度(用時(shí)間方差TDEV表示)，時(shí)延曲線表示單向光纖時(shí)間傳遞的時(shí)間穩(wěn)定度，該指標(biāo)在105s時(shí)間內(nèi)低于3×10-9s(3 ns)。經(jīng)過(guò)光纖雙向時(shí)間同步系統(tǒng)消除時(shí)延波動(dòng)后，在105s時(shí)間內(nèi)時(shí)間穩(wěn)定度低于5×10-11s(50 ps)。這些波動(dòng)包含了由原子鐘及光纖雙向比對(duì)設(shè)備引起的剩余不穩(wěn)定度。因此采用光纖傳遞時(shí)間信號(hào)是一種具有潛力的時(shí)間傳遞方法。

圖5 雙向時(shí)間同步時(shí)差測(cè)量值的時(shí)間穩(wěn)定度

光纖雙向時(shí)間同步時(shí)差測(cè)量值的頻率穩(wěn)定度(用Allan方差表示)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6所示，單向光纖時(shí)間傳遞時(shí)延及雙向時(shí)間同步精度相對(duì)應(yīng)的頻率穩(wěn)定度，在105s時(shí)間內(nèi)，單向時(shí)延的頻率穩(wěn)定度為5×10-14/105s，雙向時(shí)間同步精度的頻率穩(wěn)定度為2×10-15/105s。

圖6 雙向時(shí)間同步時(shí)差測(cè)量值的頻率穩(wěn)定度

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用添加雙向摻鉺光纖放大器的方法實(shí)現(xiàn)了180 km的遠(yuǎn)距離高精度光纖雙向時(shí)間同步，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了光纖雙向時(shí)間同步精度可達(dá)100 ps，在105s時(shí)間內(nèi)時(shí)間穩(wěn)定度低于50 ps。但由于光纖色散特性引起的鏈路不對(duì)稱性、光器件處理引入的誤差及硬件電路時(shí)延的不對(duì)稱性等仍帶來(lái)較大誤差，可以通過(guò)模型修正及硬件時(shí)延標(biāo)定等方法進(jìn)一步提高時(shí)間同步精度。