基于光纤的高精度频率相干传输技术研究

郭肃丽,李 晶 *,刘友永,马文起,王 飞

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所,石家庄050081；2.三峡大学理学院,宜昌443002)



基于光纤的高精度频率相干传输技术研究

郭肃丽1,李 晶1 *,刘友永1,马文起1,王 飞2

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所,石家庄050081；2.三峡大学理学院,宜昌443002)

摘要：基于航天测控等领域对高精度相干传输及高精度时延测量的需求，设计了一种基于光纤不同端站间的频率相干传输系统，阐述了其基本原理并进行初步试验验证。试验结果表明，不同端站间的同步精度可以达到皮秒量级，频率的短稳达到2.8*10-14/ s，长期稳定性可以达到6*10-17/10000 s，实现了不同端站间频标的高精度相干稳相传输。

关键词：相干传输；光纤；时延差；同步精度

1 引言

连接端站干涉测量(CEI)、上行天线组阵以及下行天线组阵等分布式测量系统中均包含时频分发子系统,用来将中心的频率参考信号和时间参考信号分布到各个测量端站［1-3］。系统不仅要求各个测量端站的频率标准具有相当高的长期稳定度和短期稳定度,而且要求各个测量端站之间的频率标准和时间标准高精度同步,保证系统能够协调的工作。光纤问世后,由于其卓越的通信性能和稳定性能,美国国家标准技术局(NIST)和美国天体物理联合研究所(JILA)率先用它来传递原子频标,进行高精度频标比对［4］,美国国家航空航天管理局(NASA)也利用光纤时频传递构建了著名的深空探测网络( Deep-Space Network)［3］,DSN通过采用超稳闭环稳相系统同时提高传输频标信号的频率进一步降低系统噪声, 在16 km光纤中进行传输,得到光纤传输系统的短期稳定性在1 s时接近10-14,在平均一天内长期稳定性约在10-17的量级。近年来,日本和法国等发达国家的相关机构也加入了利用光纤传递时频的研究行列［5-6］。天线组阵系统中,各天线射频链路部分利用本振信号将射频信号下变频至中频,接着利用采样信号对射频信号进行中频采样。中心处理室的本阵信号及采样钟经时间频率光纤传输子系统传输至各天线端,传输子系统延时抖动需要控制在皮秒量级来保证天线端的采样钟同步,时间频率子系统产生的频率信号经时间频率光纤传输子系统传输至各天线端,传输子系统秒稳达到10-14量级,日稳达到10-17量级可以保证传输到远端的频标信号质量。针对大规模天线组阵对时间频率信号相干传输的要求,本文对基于光纤进行频率信号稳相传输进行了理论分析,并设计了基于光纤的频标相干传输系统,对频率信号相干传输系统进行高精度时延测量及稳相相干试验测量及结果分析,同时对系统设计的频率信号传递的稳定性性能进行分析,通过光纤相干传输系统的设计及试验,可以实现分发到不同端站间的频率信号的皮秒级高精度同步,对分布式系统不同端站的协同工作提供有力支持。

2 基本原理

相干传输方案的基本原理如下：检测环境变化对光纤延迟的影响,并反馈调控光纤延伸器,调整光纤链路的绝对长度,控制远端输出的信号相位稳定及时延稳定。其原理架构如图1所示。

图1 光纤链路补偿结构框图Fig.1 Block diagram of the compensation of the fiber link

假设中心处理基站发出的射频参考信号的初始相位为ϕref(0),经过光纤延迟线引入固定相移ϕa(0),经过光纤传输,产生的相移为ϕf(0),在远端天线探测器信号部分反射,经光纤传输产生ϕf(Trt)的相移,再次经过光纤延迟线,引入ϕa(Ttr)的相移。由于信号通过双向延迟线和光纤的时间非常短,可以认为信号两次经过它们分别引入的相移是相同的。比较返回的信号相位ϕrt(Ttr)和返回时刻参考信号的相位ϕref(Ttr),可以得到链路传输引入的瞬时相移如式(1)。

通过调节光纤延迟线,改变光纤长度以补偿环境变化引入的光纤长度抖动,使得(1)式左端为一常数,即2(ϕa＋ϕf)为一常数,即环境变化引入的光纤长度抖动得到补偿,此时在远端天线接收到的信号的相位ϕref(0)＋ϕa(0)＋ϕf稳定,从而实现了光纤链路的补偿,实现了稳定的相位相干传输。

经过光纤延伸器补偿后远端输出的频标相位稳定到某一范围Δϕ内,结合传输信号频率折算至延迟量补偿精度,如式(2)：

根据(2)式可得出远端输出的频标信号的时延抖动精度。补偿后的相位稳定精度约0.1°,根据上式可以得出时延定标的精度约为几皮秒量级,这决定了时频相干传输的精度。

根据上述推导可以看出,光纤延迟线只能补偿光纤链路的环境温度导致的长度抖动,而对于时频信号分发到不同端站时,由于不同端站的实际距离不同或由于链路的连接误差导致的实际距离不一定相同,如果要实现不同链路的相干传输,仅靠光纤延迟线只能补偿部分时延变化,无法补偿链路的实际长度,需要提前标定不同链路的时延差,再在后续系统的数据处理中补偿链路的绝对时延差,而光纤延迟线可以保证每个链路输出的相位稳定,从而保证不同链路的相干传输,所以本系统还需要精密的时延测量系统。

3 系统设计

由于光纤具有卓越的通信性能和稳定性能,利用光纤传递频率参考与时钟信号可以将本地的频率或时钟参考信号忠实地(相位相干)在远端输出,将此系统用于天线组阵的时频传输系统也是工程中一项新的技术。天线组阵系统中由于不同天线所处的位置不同,中心处理室到不同端站处的时延绝对值不一定相同,同时由于外界环境的温度和振动等因素对链路稳定性的影响,到达不同端站的时延和相位值都是时刻变化的。因此要实现不同天线间即不同端站间频率信号的高精度相干传输,需要对天线组阵的时频传输系统进行相位或时延补偿以及时延值的高精度测量。由于光纤传输距离大概1 ～20 km左右,通过光纤延迟线进行稳相闭环控制,通过多侧音载波调制技术,调制几个单侧音到光载波上,利用多侧音进行解模糊求出系统的准确时延值,根据载波相位实时检测环境变化对光纤时延的影响,并反馈调控光纤延迟线,调整光纤的绝对长度,使远端输出的相位稳定,同时通过测量的延时值反馈给系统数据处理进行处理,从而保证不同天线端实现相干,图2为时频分发系统相干传输示意图。

图2 相干传输系统示意图Fig.2 Diagram of the coherent transmission system

4 试验及仿真结果

根据图2的系统设计,首先测试了闭环稳相系统的指标。试验中用于补偿链路的信号频率为2.4 GHz,光纤传输距离20 km,测试信号经过长距离光纤传输后输出端相位的稳定性,经过光纤延迟线闭环补偿光纤链路的相位抖动,测试时间长度为3000 s时的相位输出。如图3所示,其中横轴为测量时间,纵轴表示相位变化,可以看出闭环锁定情况下相位误差在0.1°之内,根据公式(2)得出远端输出的频标信号的时延抖动精度可以达到1 ps内。图4为同时记录的光纤延迟线补偿量的变化曲线,表明在这段时间内光纤链路出现了最大18 ps的时延飘移。

图3 2.4 GHz信号经闭环系统的相位稳定性Fig.3 The phase stability of the 2.4 GHz signal after transmission through the fiber system

对于氢钟输出的100 MHz频标信号经过稳相光纤时频传输系统传输到远端,测试远端频标信号的频率稳定性,判断时频传输系统对频标信号的影响。频标信号一分为二,一路输入到TSC 5125A的参考信号端作为参考信号,另一路调制到光纤时频分系统的电光调制器上经过系统传输到远端,远端输出的100 MHz输入到TSC 5125A信号输入端,测试输入的频标信号相对于入射到时频传输系统的频标信号的频率稳定性。经过开环时频传输系统,测试的阿伦方差结果如图5(a)所示,经过闭环时频传输系统,测试的阿伦方差结果如图5(b)所示。测量结果可以看出,开环系统由于受温度变化对频率稳定度的影响,阿伦方差在1000 s稳后会逐步上扬,也就是稳定性会变差,而闭环系统已经补偿了外界温度等因素对光链路的影响,其传递到远端100 MHz的频率标准信号的长稳会达到6*10-17/10000 s,同时秒稳结果为2.8*10-14。即氢钟100 MHz频标经图2的时频相干传输系统传输到远端A站或B站的频标基本无恶化。。

图4 光纤延迟线时延补偿量Fig.4 The compensation quantity of the fiber stretcher

图2中时延测量需要实时测量传输到A端站和B端站的时延绝对值并进行数据处理补偿和光纤延迟线补偿,保证输出A端站和B端站的频标实现相位相干。试验中,时延的测量方法是通过FPGA和Matlab结合,通过数字信号处理实现的。FPGA对送入的两路ADC信号进行预处理,然后将预处理后的四路基带正交信号再通过Matlab进行后续处理得到两路信号的相位差。然后,改变传输单侧音的频率,计算得到传输多个侧音的相位差。利用多侧音相位差进行解模糊,最终可以计算得到最高侧音对应的时延差。

时延的测量精度是由相位差的测量精度决定的。试验中,12次测量相位差(每次均求得多个相位差值)所得的标准差变化曲线如图6所示。可以看出,标准差的大小约为0.1°,由此计算所得时延值的测量精度(按照传输800 M单音计算)为0.3 ps左右。

图5 100 MHz频标经过光纤时频传输系统后频率稳定性的测试结果Fig.5 The frequency stability of the 100 MHz signal after transmission through the fiber system

图6 测量相位差的标准差变化曲线Fig.6 The variety of the standard deviation of the phase

当传输光纤长度为1 km时,测量1 km光纤时延随频率的变化曲线,由于光纤长度较长,在800～900 MHz频率范围,需要0.1 MHz、1 MHz、20 MHz信号的相位和一个射频频率的相位就可以解模糊求出时延的变化,其求得时延测量结果如图7所示。可以看出,在800～880 MHz范围内时延变化小于1 ps,可以采用多侧音方式进行高精度时延测量,从而根据图2中相干传输系统的数据处理部分及光纤延迟线进行时延补偿,保证输出到远端A、B端站实现相干。图中纵坐标把测量的时延值的整数部分(5006 ns)去掉了,只给出了时延值的小数部分。

图7 1 km光纤时延随频率的变化曲线Fig.7 The time delay of 1 km fiber over the signal frequency

5 结论

高精度相干传输技术及时延测量技术在航天测控领域是关键的技术之一。本文提出了不同端站间实现相干传输的系统方案。经过理论分析及试验测量得出每条链路的相位稳定性可以控制在0.1°内,时延抖动控制在1 ps内,而对于不同链路的绝对时延差值可以通过高精度的时延测量技术进行精确测量,在系统的数据处理中进行补偿,试验结果显示时延差的测量精度可以控制在1 ps 内,从而针对本文提出的不同端站间的同步精度可以达到皮秒量级,从而实现了不同端站间频标的高精度相干稳相传输。

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Study on High-precision Frequency Coherent Transmission Technology over Fiber

GUO Suli1，LI Jing1*，LIU Youyong1，MA Wenqi1，WANG Fei2
（1.The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang 050081，China；2.College of Science，China Three Gorges University，Yichang 443002，China）

Abstract：Based on the demands of the high-precision coherent transmission technology and the high-precision delay measurement in aerospace measurement and control field，a system of the frequency standards coherent transmission over fiber for two different remote ends was designed.The fundamentals of the system were introduced and the system was validated with the primary experimental results.The experimental results showed that the synchronization precision reached 1ps，the short-term stability was 2.8*10-14/ s and the long-term stability reached 6*10-17/10000s.Thus the high-precision coherent transmission between the two different remote ends was realized.

Key words：coherent transmission；fiber；time delay difference；synchronization precision

*通讯作者：李晶(1981-),女,博士,高级工程师,研究方向为航天测控信号处理技术,E-mail：lijing090326＠126.com

作者简介：郭肃丽(1972-),女,硕士,高级工程师,研究方向为航天测控信号处理技术。E-mail：guosuli1026＠163.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(61308061)

收稿日期：2015-06-15；修回日期：2016-02-23

中图分类号：TN929.11

文献标识码：A

文章编号：1674-5825（2016）02-0241-05