射频拉远系统中的时钟同步技术

向 坤，吴 虹，赵迎新，田旭生，王琦琦(1. 南开大学信息技术科学学院，天津 300071；. 南开大学天津市信息光子材料与技术重点实验室，天津 300071)

射频拉远系统中的时钟同步技术

向 坤1,2，吴 虹1,2，赵迎新1,2，田旭生1,2，王琦琦1,2
(1. 南开大学信息技术科学学院，天津 300071；2. 南开大学天津市信息光子材料与技术重点实验室，天津 300071)

针对射频拉远系统中基带控制部分和射频拉远单元之间的时钟漂移问题，提出了一种利用锁相环进行时钟同步的技术．该技术利用锁相环的特点，通过跟踪时钟漂移并对时钟信号进行预补偿来达到抵消时钟漂移的目的．分析了漂移的产生和影响以及补偿方案的可行性，设计并制作了集成在一块4层印刷电路板中的时钟同步模块．测试结果表明：加入时钟同步模块的时钟信号频率稳定度可达到1×10-12，较之无同步模块提高了4个数量级；对于10,km和100,km单程光纤链路，该方案能达到同样的效果．可见，采用该技术可以在较大的动态范围内补偿时钟漂移，从而提高时钟信号的频率稳定度．

射频拉远；时钟漂移；锁相环；频率稳定度

射频拉远是将基带信号转换成光信号传送并在远端放大的一项技术．射频拉远系统中，基站被分成无线基带控制和射频拉远单元两部分，这样既节省基站空间，又降低设置成本，而且连接两者之间的接口采用光纤，其损耗小、稳定性高，可大幅度降低电力消耗．基带与射频拉远单元之间通过光纤传输数据和控制信息，而且基带并不独立传输数据和时钟．拉远单元从光纤传输的数据中恢复出系统时钟并用于数字信号的判决和恢复．

因为环境温度变化或者振动等会引起光纤传输特性发生变化，从而导致系统时钟产生漂移，使输入信号比特在判决电路中不能得到有效识别，进而产生误码．传统方法利用光纤延迟线调整光纤传输路径使传输时钟稳定[1-2]．将光信号转化为电信号并对时钟漂移进行跟踪测量，同时依据测量值对光纤延迟线进行调整，即可实现对漂移的补偿[3-5]．在光纤链路中加入一个双向光放大器，增大接收光信号信噪比，可提高时钟频率稳定度[6]．但是由于光纤延迟线自身的限制，当漂移较大或者频率较高时，很容易超出其调节范围而使调节失效．文献[7]介绍了一种主动补偿方法，跟踪时钟漂移并对本地压控晶振进行相位调整，从而补偿时钟漂移；但是该方法仅在短距离情况下有效，且容易由于漂移较大而失效．利用锁相环跟踪并补偿的方法也越来越多地用于远距离光纤传输系统[8]．笔者提出了一种改进的、利用锁相环进行时钟同步的技术，可在较大的动态范围内对时钟漂移进行快速跟踪和补偿，从而提高系统误码性能．

1 射频拉远系统

射频拉远系统结构如图1所示．在下行链路中，基带控制部分产生数字信号，经过电光转换后通过光纤传输到射频拉远单元，进行光电转换后进入数据和时钟恢复模块；完成D/A转换并经过滤波、上变频、功率放大器后，通过天线将射频信号发送出去．在上行链路中，射频拉远单元接收射频信号，经过滤波、低噪放、自动增益控制、下变频以及A/D转换后，进行电光转换并通过光纤传输到基带控制部分，然后经过光电转换并恢复出数字基带信号．

图1 射频拉远系统结构Fig.1 Structure of the remote radio system

2 基于锁相环的时钟同步

2.1 时钟漂移和补偿

漂移，可以简单地理解为信号传输延时的慢变化．它将引起传输信号比特偏离时间上的理想位置，结果使传输信号比特在判决电路中不能被正确识别，从而产生误码．系统中，时钟漂移可用相位误差来衡量．为实现高精度的光纤授时，需要使用主动补偿环路来克服光学频率源在光纤中传输时引入的时间抖动，高精度地测量该传输抖动是保证环路有效和稳定的关键．目前常用的抖动测量采用射频域的相位噪声测量方案，其基本原理是利用两个光电探测器将光频率源和传输后的光信号转换为电信号，然后通过混频器得到两者的相位误差[9]．基带控制部分的数字信号携带有高稳时钟信号，该时钟信号传输至射频拉远单元的过程中不可避免地会产生相位误差．为消除这一误差达到时钟同步，本文采取在基带控制部分进行预补偿的方案，抵消由光纤链路引入的相位误差．相位误差的补偿原理如图2所示．

图2中，参考源为高稳铷钟，初始相位设为φRb；锁模激光器进行频率锁定后固定相位为φ0，相位误差补偿为φc，则基带控制部分输出时钟相位为

由光纤链路引入的相位误差设为φe(t)，则射频拉远单元的时钟相位为由光纤链路引入的相位误差设为φe(t)，则射频拉远单元的时钟相位为

光纤返回路径和传输路径相同，而光纤链路时钟漂移是一个缓慢变化的过程，因此可认为返回路径引入与传输路径相同的相位误差φe(t)，则返回信号相位为

图2 相位误差的补偿原理Fig.2 Schematic of the phase error compensation

对基带控制部分输出时钟和返回信号进行鉴相，容易得到2φe(t)，由相位补偿电路进行处理则可得到-φe(t)．相位误差补偿电路产生一个正比于-φe(t)的电压信号来控制锁模激光器，以抵消光纤链路引入的时钟漂移，从而提高射频拉远单元的时钟稳定度．

2.2 时钟同步方案

锁相环(phase-locked loop，PLL)包含3个必不可少的单元电路：鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)、压控振荡器(VCO)．鉴相器将周期性输入信号的相位与VCO输出信号的相位进行比较；PD的输出信号是这两个信号相位误差的度量．之后，该误差电压由LF进行滤波，而LF的输出被用作控制电压送入VCO．控制电压改变VCO的频率，以减小输入信号和VCO之间的相位误差[10]．

基于锁相环的时钟同步方法基本结构如图3所示，PZT为压电陶瓷(piezoelectric ceramic transducer). 本地激光锁相环路和相位误差主动补偿环路分别构成2个锁相环．光纤链路为1对10,km光纤．

图3 基于锁相环的时钟同步方法基本结构Fig.3 Structure of the clock synchronization based on PLL

在基带部分，一个1.55,μm的锁模激光器产生重复频率为10,MHz的激光脉冲，经过分光器分成3路，1路通过10,km光纤传送出去，其余2路分别通过2个光电转换器之后转换为电信号，并分别用于激光器的频率锁定以及基带和射频远端的时钟同步．光信号到达射频远端，经过1个分光器分成2路，其中1路经过光电转换器以及时钟和数据恢复模块后得到时钟信号和数据，另1路通过另1根10,km光纤返回基带部分，进行光电转换后，与基带部分的1路参考信号进行鉴相得到相位误差，即时钟漂移．此相位误差反馈到控制锁模激光器脉冲重复频率的PZT，调整激光器重复频率，以补偿由光纤链路引入的相位误差，从而使基带部分和射频远端的时钟达到同步．

接收信号的信噪比较大时，能得到较好的频率稳定度[11]，因此方案中所有器件均采用低噪声器件并尽量减小插入损耗．其中，分光器得到80∶10∶10的3路光信号，较强的1路用于传输，另外2路经过光电二极管得到电脉冲．带通滤波器采用声表面波滤波器，以减小插入损耗．为了与鉴相器输入端匹配，需要对滤波后的信号进行放大．滤波后信号功率约为-20,dBm，因此采用1个20,dB的低噪声放大器进行放大．用于对本地信号和返回信号进行鉴相的鉴相器，其鉴相范围为0°～180°，输出电压和相位差呈线性关系，电压精度达到1,mV，鉴相精度可达2,mrad．

时钟同步模块电路原理如图4和图5所示．

2.3 基准频率源

锁相环电路的关键之一即为高稳定度的基准频率源．铷原子钟具有非常好的长期频率稳定度，而晶振具有较好的短期稳定度，把两者优势结合起来，将恒温晶振通过锁相电路锁定到铷原子钟的频率上，实现了同时具有较高的短期和长期频率稳定度的10,MHz基准频率源．

图5 相位误差补偿电路Fig.5 Phase error compensation circuit

图6 时钟同步测试框图Fig.6 Block diagram of clock synchronization test

图7 时钟频率稳定度的测试结果Fig.7 Measurement result of the clock frequency stability

3 实验结果

对无同步模块和加入同步模块的时钟传输链路，在实验室环境下分别进行了系统性能测试．测试框图如图6所示．测试结果如图7所示．图中横坐标为测量持续时间τ，纵坐标为艾伦方差值σy(τ)．

针对文献[7]中所提方案适用距离较短的问题，本文分别对单程光纤长度为10,km和100,km的链路进行了测试．光纤置于实验室外，其他模块及仪器置于室内．用频率计数器测量，得到时钟信号的艾伦方差，以此表征时钟的频率稳定度．分别测量10,MHz基准频率源以及开环时钟、闭环时钟的频率稳定度．

整个系统以10,MHz基准频率源为参考，因此该基准源的频率稳定度为补偿后时钟频率稳定度的理论最大值．从图7可以看出，基准源的频率稳定度为1×10-13，对于单程10,km和100,km的光纤链路，加入同步模块的时钟信号频率稳定度均达到1×10-12，且与理论最大值接近，无同步模块的时钟信号频率稳定度为1×10-8．

随着光纤长度的增加，链路引入的相位误差也将增大．当最大相位误差超出同步模块可补偿范围时，同步功能将会失效．光纤延迟线方案由于延迟线响应时间长，可伸缩长度短，极大地限制了其补偿范围．实验测得100,km光纤链路引入的最大相位误差约为40°，而本文所述方法理论上可在-90°～90°范围内实现误差补偿．

4 结 语

射频拉远系统中，由于传输线路受外界环境变化的影响，基带控制部分和射频拉远单元之间存在时钟漂移问题，从而影响系统误码性能．本文提出了一种利用锁相环进行时钟同步的技术，提取由光纤链路引入的相位误差，并对基带控制部分的传输信号进行预补偿，以抵消时钟漂移．本文在分析了该方法可行性的同时，设计并制作了时钟同步电路并在实验室环境下进行了测试．测试结果表明，加入时钟同步模块的时钟信号频率稳定度可达到1×10-12，较之无同步模块提高了4个数量级，从而实现了大幅提高系统误码性能的目标．该同步技术也可用于其他光纤传输系统，以提高时钟稳定度．

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（责任编辑：金顺爱）

Clock Synchronization Technology in Remote Radio System

Xiang Kun1,2，Wu Hong1,2，Zhao Yingxin1,2，Tian Xusheng1,2，Wang Qiqi1,2(1. College of Information Technical Science，Nankai University，Tianjin 300071，China；2. Tianjin Key Laboratory of Photonics Materials and Technology for Information Science，Nankai University，Tianjin 300071，China)

A clock synchronization technology based on phase-locked loop was proposed to deal with the clock drift problem that occurs between the radio server and the remote radio unit in remote radio system. The technology takes advantage of the features of phase-locked loop and achieves the goal of cancelling out the clock drift by tracking the clock drift and pre-compensating the clock signal. The research into the generation and impact of the drift was followed by an analysis on the feasibility of the compensation plan. Meanwhile, the clock synchronization module integrated in a four-layer printed circuit board was fabricated. And it was proved in the experiment that the clock frequency stability could reach 1×10-12with the functioning of synchronization module, achieving improvement of 4 orders of magnitude. And the result was about the same for 10 km and 100 km one-way fiber link. Therefore, this technology is able to eliminate the clock drift in a large dynamic range, and enhance the clock frequency stability.

remote radio；clock drift；phase-locked loop；frequency stability

TN924.2

A

0493-2137(2014)06-0546-05

10.11784/tdxbz201302011

2013-02-16；

2013-06-06.

国家自然科学基金资助项目(60872026)；教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20110031110028)；天津市应用基础与前沿技术研究计划重点资助项目(13JCZDJC26000)；天津市应用基础与前沿技术研究计划青年基金资助项目(13JCQNJC01000).

向 坤（1988— ），男，博士研究生，xiang_kun@live.cn.

吴 虹，wuhong@nankai.edu.cn.

时间：2013-06-28.

http：//www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20130628.1532.002.html．