裴 鑫，陳卯蒸，李 健，閆 浩

(中國科學院新疆天文臺，新疆 烏魯木齊 830011)

CN 53-1189/P ISSN 1672-7673

基于相關(guān)機延遲測量法的VLBI時頻信號光纖傳輸試驗*

裴 鑫，陳卯蒸，李 健，閆 浩

(中國科學院新疆天文臺，新疆 烏魯木齊 830011)

時頻參考信號的傳輸距離遠，環(huán)境溫度變化造成信號延遲波動較大，精度要求極高的毫米波段VLBI觀測需要對傳輸延遲進行精確的測量與補償。根據(jù)相關(guān)機延遲測量法對VLBI時頻信號光纖傳輸中的信號延遲進行了測量試驗，采用高性能相關(guān)機直接測量往返信號的相位差獲得信號的傳輸延遲，測試結(jié)果表明該方法能達到亞皮秒級傳輸延遲測量精度，系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠。

時頻傳輸；相位測量；相關(guān)機；傳輸延遲；VLBI

VLBI觀測需要極為精確的時間基準為微波接收機和望遠鏡其他子系統(tǒng)提供時頻參考，一般采用日穩(wěn)定度可達10-15s的氫原子鐘。為了盡可能地避免電磁干擾的影響，大口徑射電望遠鏡在設計時往往把集合鐘房、終端、控制系統(tǒng)的實驗室與望遠鏡保持一定的距離，一般在幾百米至幾千米之間，對于天線陣來說其距離可達幾十千米以上(如EVLA、 ALMA等)。這樣，氫鐘房到望遠鏡各子系統(tǒng)的距離較遠，由于傳輸介質(zhì)和設備受環(huán)境溫度的影響較大，時頻參考信號在傳輸?shù)倪^程中帶來較大的時間延遲波動。

光纖較電纜具有抗電磁干擾能力強、傳輸帶寬寬、環(huán)境穩(wěn)定性好、信號衰減小、噪聲系數(shù)低等諸多優(yōu)勢，國內(nèi)外新建立的大口徑射電望遠鏡都采用了光纖傳輸時頻參考信號的方案。雖然光纖具有一定的優(yōu)勢，但在實際傳輸中，光纖受環(huán)境溫度變化等因素仍會引起光纖物理尺寸的膨縮從而導致時延變化，系統(tǒng)鏈路其他元器件也會受環(huán)境因素影響。為了適應深空探測的需求，下一代中國VLBI網(wǎng)計劃工作于Ka波段，其頻率范圍為26.5～40 GHz，達到了毫米波段，對時間精度要求達到了皮秒量級。因此，為了保障毫米波段的VLBI觀測，需要對時頻信號鏈路傳輸延遲進行精確的測量與補償。

1 美國國家射電天文臺時頻傳輸系統(tǒng)介紹

當前采用的時頻參考信號傳輸技術(shù)是基于美國國家射電天文臺(National Radio Astronomy Observatory, NRAO)20世紀90年代提出的方案[1]，采用低損耗、低噪聲的單模光纖可傳輸長達數(shù)千米的距離，采用相位測量儀對光纖傳輸并被反射的返程信號與氫鐘輸出參考信號的相位差進行測量，并將該相位差轉(zhuǎn)換為時間延遲進行記錄，在后處理時讀取相應的數(shù)據(jù)進行校準。美國綠岸射電望遠鏡(Green Bank Telescope, GBT)[2]和美國甚大陣(Expanded Very Large Array, EVLA)[3-4]均采用了該方案，國內(nèi)一些臺站也對該方案進行了考慮與分析[5-6]。

傳輸系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1。氫鐘時頻系統(tǒng)輸出100 MHz和10 MHz兩路信號，其中100 MHz信號經(jīng)過5倍頻后功分為兩路，一路經(jīng)合路器與10 MHz信號合成后傳輸至光發(fā)射機，另一路被用作鎖相環(huán)參考(后面敘述)；10 MHz信號功分為三路，一路經(jīng)合路器與500 MHz信號合成后傳輸至光發(fā)射機，一路作為相位測量的參考時鐘，另一路用作測相參考信號。10 MHz和500 MHz信號合成一路由光發(fā)射機進行電光轉(zhuǎn)換并通過光纖傳輸?shù)竭h程高頻倉。

圖1 美國國家射電天文臺時頻傳輸系統(tǒng)

Fig.1 A block diagram of the NRAO clock-signal distribution system

高頻倉端可利用分光器將光信號分為兩路(美國甚大陣采用的分光比為95/05，95%功率的信號返回，5%功率的信號傳至光接收機)，一路信號返回鐘房作為傳輸延遲測量的返程信號，另一路傳輸至光接收機，并進行光電轉(zhuǎn)換后送至時頻分配單元，供接收機和其他設備作為時頻參考。

回到氫鐘房端，由分光器返回的一部分500 MHz返程信號經(jīng)光接收機轉(zhuǎn)換為電信號，為了防止發(fā)射與返回兩反方向信號產(chǎn)生定向串擾，需要采用兩根分離的光纖傳輸，從而提高信號的隔離度，還需保證兩根光纖的長度相同，因此可采用多芯光纖。

500 MHz信號長距離傳輸后將引起不同程度的時間延遲，理想情況下，這個時間延遲的平均絕對量可以在VLBI相關(guān)處理后用擬合的方法求出，但是，由于環(huán)境溫度等因素會導致該延遲隨時間變化，因此，需要獲得這個時延變化的相對值，即時延波動。為了測量信號的傳輸時延波動，可采用測量往返信號相位差的方法，將遠程接收端的信號返回本地發(fā)射端，并將返回信號與本地信號的相位進行比較，測量出相位差，并將該相位差轉(zhuǎn)換為單個周期內(nèi)的所占時間比，即可得到時間延遲的相對波動。如果直接對500 MHz信號的相位差進行測量，考慮到20世紀90年代的電子技術(shù)水平還不高，信號采樣誤差較大，測量精度不高，因此當時采用了先將高頻信號混至低頻再進行測量的方法，這相當于將信號的時間周期進行了成倍擴展。對應至圖1中，10 MHz與100 MHz的信號均為氫鐘輸出，其相位相同，可將10 MHz信號進行38 400分頻得到260 Hz同相位的低頻信號，并經(jīng)由功分器分為兩路，一路作為相位測量的參考信號，一路作為鎖相環(huán)的輸入?yún)⒖?。采用晶體振蕩器產(chǎn)生500.000 26 MHz信號(GBT采用了美國Wenzel公司的500 MHz-SC黃水晶振動隔離振蕩器，通過調(diào)節(jié)電壓調(diào)整旋鈕即可獲得精確的500.000 26 MHz頻率信號)，該信號由倍頻后的500 MHz信號進行鎖相，并與返回的500 MHz信號進行混頻，低通濾波可得到260 Hz的低頻信號，由于之前做了鎖相處理，因此該260 Hz信號的相位與500 MHz返程信號的相位相同，最后參考260 Hz信號與被測260 Hz信號同時進入相位測量儀，通過測量即可獲得兩路信號的相位差。

2 基于相關(guān)機延遲測量法的時頻傳輸系統(tǒng)

美國綠岸射電望遠鏡采用上述方案研制了一套完備的時頻參考信號分配與傳輸系統(tǒng)[2]，并沿用至今，該方案的優(yōu)點是測量精度高，能達到飛秒量級，因此美國甚大陣的升級改造依然延用了這一設計[4]。但該方案系統(tǒng)過于復雜，整體成本較高，根據(jù)美國甚大陣公布的系統(tǒng)架構(gòu)圖，整個系統(tǒng)包含十多個模塊，由于采用了降頻測量的方法，除了需要采用價格不菲的黃水晶振動隔離振蕩器和鎖相環(huán)電路，還需要較多高性能的混頻器、濾波器、分頻器和功分器等，增加了系統(tǒng)的復雜性與設計難度，價格也比較昂貴。

隨著數(shù)字集成電路與微波技術(shù)的飛速發(fā)展，當前的A/D模塊采樣頻率能達到10 Gbps以上，采樣精度達到了24 bit以上，微波器件的性能也有了較大幅度的提升。本文根據(jù)20世紀80年代提出的相關(guān)機(反射法)測量相位延遲的方法[7]，簡稱相關(guān)機延遲測量法，嘗試采用A/D模塊對500 MHz傳輸和返回信號直接進行采樣、相關(guān)得到其相位差，并將相位差轉(zhuǎn)換為對應波長信號的時延，最終獲得信號傳輸?shù)南鄬ρ舆t變化。新疆天文臺近來成功研制了一臺基于ROACH的微波全息法相關(guān)機[8]，其相位測量精度達到了0.01°以上，據(jù)此測算如采用該相關(guān)機對500 MHz傳輸信號進行測量的延遲變化分辨率為：0.01°/360°×(1/500 000 000)≈5×10-14s，達到了亞皮秒量級，足夠滿足毫米波段的VLBI觀測要求，為了驗證該方案的可行性，本文基于相關(guān)機法傳輸延遲測量方案進行了一些嘗試性試驗。

基于相關(guān)機延遲測量法的時頻傳輸系統(tǒng)架構(gòu)如圖2。

圖2 基于相關(guān)機延遲測量法的時頻傳輸系統(tǒng)

Fig.2 A block diagram of a clock-signal distribution system based on signal-delay measurement using a correlator

該系統(tǒng)與美國國家射電天文臺時頻傳輸思路相同，只是在信號傳輸延遲的測量方法上有區(qū)別，美國國家射電天文臺是將500 MHz高頻信號通過一定的方式降到攜帶同相位的260 Hz低頻信號再進行測量，相當于把時間擴展了1.9×106倍，從而提高了分辨率，測量時采用異或門比較兩信號的異同獲得相位差，并通過計數(shù)器對10 MHz參考信號進行脈沖計數(shù)以反映占空比的變化并得到相位差。本方案同樣采用500 MHz和10 MHz信號進行合路傳輸，并在高頻倉未進入光接收機之前采用分光器將光信號分為兩路，一路至光接收機，另一路返回至鐘房作為時延測量的被測信號，在鐘房采用相同型號的光接收機對該信號進行光電轉(zhuǎn)換，但返回的500 MHz信號無需降頻便直接進入相關(guān)機，與參考的500 MHz信號進行相位比較，同時氫鐘輸出的10 MHz信號為相關(guān)機提供時鐘參考。這樣，利用相關(guān)機對返程和參考兩路500 MHz信號進行相關(guān)即可獲得兩路信號的相位差，同樣達到通過測量相對相位波動獲得延遲變化的目的，系統(tǒng)相對簡單。

3 基于相關(guān)機的傳輸延遲測量試驗

3.1 測量試驗準備

利用實驗室現(xiàn)有的ROACH相關(guān)機和ViaLite高性能光纖收發(fā)設備，基于圖2的系統(tǒng)方案即可對信號的傳輸延遲進行測量。ROACH相關(guān)機的原理如圖3，它首先利用A/D板卡對A、B兩路時域信號進行高速采樣，然后在ROACH開發(fā)板內(nèi)部實現(xiàn)信號的數(shù)字混頻、濾波和快速傅里葉變換，最后對兩路頻域信號進行相關(guān)、積分并輸出至計算機。當前配備的A/D采樣模塊為雙通道1 Gbps、8 bit采樣板卡，可以完成兩路500 MHz信號的采樣，由于相關(guān)機直接輸出兩信號互相關(guān)的實部ABre和虛部ABim，因此只要進行簡單的計算(Phase=arctan(ABim/ABre))便可得到兩信號的相位差。

圖3 數(shù)字相關(guān)機原理圖

Fig.3 A block diagram of the digital correlator used by us

對相關(guān)機的穩(wěn)定性進行了測試，如圖4，由頻率綜合器產(chǎn)生500 MHz的信號，并經(jīng)由功分器功分兩路，直接輸入相關(guān)機進行測量，進行了4 h的測量，結(jié)果如圖5，利用Allen方差法得到該相關(guān)機4 h的穩(wěn)定度為0.010 9°，據(jù)此推斷該相關(guān)機足夠滿足皮秒級延遲精度測量的要求。

圖4 穩(wěn)定性測試系統(tǒng)框圖

Fig.4 A block diagram of the system for testing stability of the digital correlator

采用的ViaLite光收發(fā)機性能參數(shù)如表1。

表1 光收發(fā)機關(guān)鍵指標

圖5 穩(wěn)定性測試結(jié)果

Fig.5 Results of the stability test of the digital correlator

3.2 測量試驗

測試系統(tǒng)如圖6，由于實驗室未配備氫原子鐘，暫以高性能的頻率綜合器Agilent E8257D替代，雖然頻率綜合器的穩(wěn)定性遠不如氫鐘，但試驗僅利用頻率綜合器輸出一定頻率和功率的信號，經(jīng)高性能的功分器功分兩路后用作測量，兩路信號的相對穩(wěn)定性足夠滿足試驗的需求。相關(guān)機與光收發(fā)機(鐘房部分)等設備放置于恒溫、恒濕的鐘房內(nèi)，高頻倉也做了恒溫處理，因此設備性能較為穩(wěn)定。而光纖一部分位于地溝中，環(huán)境溫度變化較小，一部分位于架空的線槽中(從天線基座傳輸至高頻倉)，該部分環(huán)境溫度變化較大。為模擬實際環(huán)境，可將相關(guān)機和光收發(fā)設備置于裝有空調(diào)的實驗室內(nèi)，測試時采用100 m長度的光纖，并將光纖置于室外，來模擬實際傳輸環(huán)境，這里給出了從0時至18時(24 h時間制)共18 h的測試結(jié)果，如圖7。測試時開啟了空調(diào)模擬恒溫環(huán)境，可能由于實驗室空間太大以致恒溫效果不好(24 h室內(nèi)環(huán)境溫度變化在3.5 ℃左右)，因此環(huán)境溫度對光收發(fā)機的影響較大，可以看出從0時至8時的測試結(jié)果最為穩(wěn)定，由于室內(nèi)環(huán)境溫度變化較小，這部分相位變化極大值(最大值減最小值)僅為0.35°，傳輸延遲波動量為：0.35°/360°/(1/5×108Hz)=2 ps。上午8時至14時，太陽升起致室內(nèi)溫度升高(實驗室窗戶朝南)，從而導致相位差增大；14時至18時，太陽繞過窗戶，室內(nèi)溫度下降，相位差減小。18 h內(nèi)相位變化極大值在3°左右，初步推斷為環(huán)境溫度對光收發(fā)設備的影響所致。

圖6 基于相關(guān)機的傳輸延遲測量試驗框圖

Fig.6 A block diagram showing our experiment of signal-delay measurement based on the digital correlator

圖7 傳輸延遲測試結(jié)果

Fig.7 Results of the experiment of signal-delay measurement

為了更清楚地了解環(huán)境溫度對光收發(fā)機的影響，在測試的同時對環(huán)境溫度進行了監(jiān)測，在上午6時至10時、下午14時至18時左右又進行了兩次測試，圖8(a)為上午6時至10時的測試結(jié)果，溫度變化約1.6 ℃，相位變化約1.4°；圖8(b)為下午14時至18時的測試結(jié)果，溫度變化約0.8 ℃，相位變化約0.7°。由此可見光收發(fā)機受溫度影響而導致的相位變化較大，雖然該響應較為穩(wěn)定，可以測量其溫度系數(shù)進行校準，但在實際傳輸延遲測量中，該設備引起的測量相位波動要遠遠大于傳輸線纜物理尺寸膨縮帶來的相位變化，所幸光收發(fā)機可置于恒溫的氫鐘房和高頻倉內(nèi)，根據(jù)圖7的測量結(jié)果，溫度波動較小的情況下，光收發(fā)機帶來的傳輸延遲變化應小于2 ps。

圖8 溫度響應測試結(jié)果

Fig.8 Results of the test of temperature response of the experimental system

4 分析與總結(jié)

本文對美國國家射電天文臺時頻信號傳輸系統(tǒng)進行了詳細的分析，雖然傳輸延遲測量精度達到了飛秒量級，但保障超高精度的降頻測量方法導致系統(tǒng)過于復雜，而對于常用的毫米波段以內(nèi)的VLBI觀測要求來說，皮秒量級精度已足夠滿足時頻傳輸?shù)囊?。為了簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，本文基于相關(guān)機對傳輸延遲測量的方法進行了嘗試性試驗，采用了新疆天文臺自主研制的高性能雙通道實時相關(guān)機，根據(jù)試驗結(jié)果，該相關(guān)機能對微小的相位波動變化進行精確的測量，實測精度為0.01°，可對17 μm的光纖長度變化進行辨別，光纖傳輸延遲測量精度達到了6×10-14s，重復測量精度與系統(tǒng)穩(wěn)定性都較好。測試發(fā)現(xiàn)光纖傳輸鏈路設備受環(huán)境溫度變化而導致的相位變化要遠大于光纖本身物理膨縮而導致的相位變化，即光纖傳輸設備對時頻系統(tǒng)精度的影響要大于光纖介質(zhì)本身，因此在實際使用中應將所有鏈路設備置于恒溫的環(huán)境中。與美國國家射電天文臺傳輸延遲測量方法相比，相關(guān)機傳輸延遲測量法系統(tǒng)簡單，由設備或器件引起的測量誤差小，系統(tǒng)研制周期短，工作量小，對于毫米波段VLBI觀測要求的皮秒級延遲精度來說，可以作為優(yōu)先考慮的時頻參考信號傳輸方案。

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An Experiment of VLBI Clock-Signal Distribution throughOptical Fibers Based on Signal-Delay MeasurementUsing a Digital Correlator

Pei Xin, Chen Maozheng, Li Jian, Yan Hao

(Xinjiang Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Urumqi 830011, China, Email: peixin@xao.ac.cn)

In a VLBI observation delays of clock signals used as timing and frequency standards fluctuate severely after long-distance propagation from a maser to a radio receiver. The fluctuations are worsened by variations of environmental temperatures. There is a need of a system to measure and compensate clock-signal delays with high precisions for a VLBI observation in the millimeter wavelength band. In this paper we present a system for the purpose. In the system clock signals are distributed through optical fibers and the system is based on signal-delay measurement using a digital correlator. With the high-performance digital correlator high-precision results of signal delay can be obtained by directly measuring phase differences between signals transmitted to and back from the optical receiver. Our test results show that the system can achieve measurement precisions better than the level of a picosecond, and the system is highly stable. Our test thus verifies the overall reliability of the system.

Clock-signal distribution; Phase measurement; Correlator; Signal delay (during transmission); VLBI

國家自然科學基金 (11253001, 11103056) 資助.

2014-08-01；修定日期：2014-08-24 作者簡介：裴 鑫，男，碩士. 研究方向：射電天文技術(shù)與方法. Email: peixin@xao.ac.cn

P111.44

A

1672-7673(2015)03-0270-07