一种短距离光纤频率信号传递方法研究

张 磊,王正勇 ,姚志会

(1．卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，河北 石家庄 050081；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

针对卫星导航系统，拥有相同本振频率且时间同步的时钟在导航上有着越来越重要的应用[1]。相比于卫星链路，尽管光纤链路的频率传输稳定度更高，但基于卫星链路的时间频率传输与同步技术处于发展初期[2-3]。其主要原因是传统的卫星链路可以在其信号覆盖范围内的任意点进行时间频率的传输与同步，而目前所有的光纤方案都是点对点式的传输，通过补偿单一路径中的相位噪声，使接收端得到高稳定度的频率信号，限制了光纤传输技术的使用范围[4-6]。

针对该光纤频率信号的传递技术，美国喷气动力实验室( JPL)提出发射端共轭相位补偿的解决方案，但是上述工作在频率信号输出端存在短稳指标差的问题，不能直接应用到工程[7-8]。本文旨在针对光纤频率信号传输稳定度指标提升，通过采用光纤共轭补偿技术实现光纤频率信号传输，同时给出了该领域技术的研究方向。

1 分析光纤频率信号传输的瓶颈

由于光纤链路所处环境(温度、振动)等的影响，随着光纤传输链路的增加，对传输信号会不断引入附加相位噪声，恶化传输信号的频率稳定性[9-10]。通过搭建试验环境进行测试，需要传输的10 MHz信号噪底为：9.23×10-15/1 s，1.7×10-16/10000 s；接入1 m光纤后输出端10 MHz频率稳定度为：1.45×10-13/1 s，1.9×10-16/10000 s，光发射和光接收端的引入只对短期频率稳定度有影响；接入2 km光纤后10 MHz频率稳定度为：1.66×10-13/1 s，1.27×10-15/10000 s，长期频率稳定度的恶化主要是由于光纤传输距离变大；接入35 km光纤后10 MHz频率稳定度为：6.64×10-14/1 s，1.2×10-14/10000 s，随着光纤传输距离变大，长期频率稳定度恶化到10-14/10000 s量级。图1为一般模式下光纤传输频率信号的测试框图。

图1 一般模式下光纤传输频率信号测试框图

综上述结论，光收发终端只影响短期频率稳定度，可达10-13/1 s，在恢复端使用锁相环可以提高短稳指标；随着光纤传输距离的增加，长期频率稳定度会恶化到10-14/10000 s量级，因此急需寻找一种利用光纤实现频率信号高稳定度的传输，采取措施对传输过程中的附加相位进行修正及补偿，采用基于电子相位共轭的传输补偿技术，可以满足频率信号传递设计要求，同时能够保证频率稳定性不会恶化[11-12]。

2 光纤频率信号传递方法研究

由第1节中分析可知，需要通过将基准信号移频获得两个对称的信号。在该方案中用两个更高精度的混频器和一个相位测量单元替换了光纤频率信号传递系统的双相位测量单元。通过使用压控振荡器提高了相位矫正的动态范围和线性度，用压控振荡器做移相器在基准信号频率上传递信号具有更稳定的幅度值[13-14]。压控振荡器的这些优点使得它能够矫正相位补偿器矫正带宽范围内的所有相位波动，而相位补偿器的矫正带宽是由光纤链路中Round-Trip传输时延决定的。图2中100 MHz压控振荡器的输出信号用于调制DFB激光二极管的偏置电流。在用户端通过光电检测装置探测和再生后向传输信号。探测的单向传输过来的信号可以表示为VUSERend(t)∝cos(ωosct+φosc+φp)，经过一次光纤传递后在发射端探测到的信号可以表示为：

VRound-Trip(t)∝cos(ωosct+φosc+2φp)。

(1)

伺服控制环路迫使压控振荡器VCXO输出的100 MHz信号既和基准信号相位正交，又能将基准信号产生的附加相位补偿掉[15-17]。为了实现相位共轭，首先利用混频器将基准信号分成90 MHz和110 MHz，两个信号都经过锁相环PLL滤波。下变频产生的90 MHz信号和VCXO传递过来的100 MHz调制信号进行混频获得的10 MHz信号为：

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

(2)

同时，由混频产生的110 MHz信号和一次Round-Trip后的信号进行混频获得另一个10 MHz信号：

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

(3)

将两个10 MHz进行比较获得的基带信号将包含三方面的相位，即：

Verror(t)∝φosc+φp-φref。

(4)

这个相位将通过正常操作将其补偿掉。则VCXO中的相位就变为φosc=φref-φp。经过这样一个过程，基准信号就能精确稳定地传输到用户端[18]。图2为简化的电子相位共轭补偿方案框图。

图2 简化的电子相位共轭补偿方案

3 实验验证与分析

按照图3所示框图搭建验证平台。通过时频基准源产生所需100 MHz频率信号，同时通过频率信号分配单元分配给光纤传递系统使用，光纤长度为1 km，设计为短距离试验。由图中可以看出，通过搭建两个锁相环路公用100 MHz频率综合器的方式，实现光纤双向补偿，这样就能够实现本文的双环锁相结构设计，以实现电子相位共轭补偿。并由此开展实验，同时通过拷机测试得出短距离光纤频率信号传递的阿伦方差结果[11]。100 MHz频率信号光纤传递设计方案如图3所示。

图3 100 MHz频率信号光纤传递设计方案

为了测试光纤频率信号传递系统闭环后的稳定度指标，在完成系统的搭建后，测试了系统的阿伦方差。测试方法是将经过该电-光-电转换系统和1 km光纤的100 MHz频标信号送入阿伦方差测试仪( Symmetricom 5125A)，参考信号选择为氢钟输出的另外100 MHz信号。因此，该阿伦方差测量结果是该系统以及光纤链路对传输频标带来的相对频率稳定性损失。测试框图如图4所示，图中测试仪器即为Symmetricom 5125A。

图4 100 MHz频率信号光纤传递测试

100 MHz频率信号光纤传递阿伦方差的测试曲线如图5所示，此测试数据为1 km长度光纤传递结果。

图5 100 MHz频率信号光纤传递阿伦方差

从测试结果看出，开环时，光纤传输系统秒稳约为2×10-13，千秒稳约为5×10-15。这样，开环情况下的千秒稳定度对于原子频标的长期稳定度会造成损失。在闭环补偿后，秒稳阿伦方差达到2．49×10-13，千秒稳达到3．5×10-16量级，相对于开环时测量结果，闭环时千秒稳测量结果约提高了一个数量级，这样经过补偿后的系统就不会对频标的长期稳定度造成损失，从而满足光纤频率信号传递的频率稳定度需求。从实验室环境进行验证此方法是可行的，适合光纤频率信号进行短距离传输，能够实现频率信号的恢复，稳定度可达标，可进一步推广至工程验证和工程应用[19-20]。

4 结束语

随着卫星导航系统的快速发展，用户对基于卫星导航系统的时间需求会朝着更高精度、更高稳定度的方向发展。从卫星导航系统时间同步的原理出发，分析了光纤频率信号传输的瓶颈，进一步分析得出光纤共轭补偿相位的思路，由此提出了一种用于提升短距离光纤频率的信号传递方法，并通过设计、实验验证了这一方法的可行性和有效性，为相关行业应用提供了可借鉴的设计方案，具有良好的应用前景。

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