郭肅麗,李 晶 *,劉友永,馬文起,王 飛

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,石家莊050081；2.三峽大學(xué)理學(xué)院,宜昌443002)

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基于光纖的高精度頻率相干傳輸技術(shù)研究

郭肅麗1,李 晶1 *,劉友永1,馬文起1,王 飛2

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,石家莊050081；2.三峽大學(xué)理學(xué)院,宜昌443002)

摘要：基于航天測控等領(lǐng)域?qū)Ω呔认喔蓚鬏敿案呔葧r(shí)延測量的需求，設(shè)計(jì)了一種基于光纖不同端站間的頻率相干傳輸系統(tǒng)，闡述了其基本原理并進(jìn)行初步試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，不同端站間的同步精度可以達(dá)到皮秒量級，頻率的短穩(wěn)達(dá)到2.8*10-14/ s，長期穩(wěn)定性可以達(dá)到6*10-17/10000 s，實(shí)現(xiàn)了不同端站間頻標(biāo)的高精度相干穩(wěn)相傳輸。

關(guān)鍵詞：相干傳輸；光纖；時(shí)延差；同步精度

1 引言

連接端站干涉測量(CEI)、上行天線組陣以及下行天線組陣等分布式測量系統(tǒng)中均包含時(shí)頻分發(fā)子系統(tǒng),用來將中心的頻率參考信號和時(shí)間參考信號分布到各個(gè)測量端站［1-3］。系統(tǒng)不僅要求各個(gè)測量端站的頻率標(biāo)準(zhǔn)具有相當(dāng)高的長期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度,而且要求各個(gè)測量端站之間的頻率標(biāo)準(zhǔn)和時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)高精度同步,保證系統(tǒng)能夠協(xié)調(diào)的工作。光纖問世后,由于其卓越的通信性能和穩(wěn)定性能,美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)局(NIST)和美國天體物理聯(lián)合研究所(JILA)率先用它來傳遞原子頻標(biāo),進(jìn)行高精度頻標(biāo)比對［4］,美國國家航空航天管理局(NASA)也利用光纖時(shí)頻傳遞構(gòu)建了著名的深空探測網(wǎng)絡(luò)( Deep-Space Network)［3］,DSN通過采用超穩(wěn)閉環(huán)穩(wěn)相系統(tǒng)同時(shí)提高傳輸頻標(biāo)信號的頻率進(jìn)一步降低系統(tǒng)噪聲, 在16 km光纖中進(jìn)行傳輸,得到光纖傳輸系統(tǒng)的短期穩(wěn)定性在1 s時(shí)接近10-14,在平均一天內(nèi)長期穩(wěn)定性約在10-17的量級。近年來,日本和法國等發(fā)達(dá)國家的相關(guān)機(jī)構(gòu)也加入了利用光纖傳遞時(shí)頻的研究行列［5-6］。天線組陣系統(tǒng)中,各天線射頻鏈路部分利用本振信號將射頻信號下變頻至中頻,接著利用采樣信號對射頻信號進(jìn)行中頻采樣。中心處理室的本陣信號及采樣鐘經(jīng)時(shí)間頻率光纖傳輸子系統(tǒng)傳輸至各天線端,傳輸子系統(tǒng)延時(shí)抖動(dòng)需要控制在皮秒量級來保證天線端的采樣鐘同步,時(shí)間頻率子系統(tǒng)產(chǎn)生的頻率信號經(jīng)時(shí)間頻率光纖傳輸子系統(tǒng)傳輸至各天線端,傳輸子系統(tǒng)秒穩(wěn)達(dá)到10-14量級,日穩(wěn)達(dá)到10-17量級可以保證傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的頻標(biāo)信號質(zhì)量。針對大規(guī)模天線組陣對時(shí)間頻率信號相干傳輸?shù)囊?本文對基于光纖進(jìn)行頻率信號穩(wěn)相傳輸進(jìn)行了理論分析,并設(shè)計(jì)了基于光纖的頻標(biāo)相干傳輸系統(tǒng),對頻率信號相干傳輸系統(tǒng)進(jìn)行高精度時(shí)延測量及穩(wěn)相相干試驗(yàn)測量及結(jié)果分析,同時(shí)對系統(tǒng)設(shè)計(jì)的頻率信號傳遞的穩(wěn)定性性能進(jìn)行分析,通過光纖相干傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及試驗(yàn),可以實(shí)現(xiàn)分發(fā)到不同端站間的頻率信號的皮秒級高精度同步,對分布式系統(tǒng)不同端站的協(xié)同工作提供有力支持。

2 基本原理

相干傳輸方案的基本原理如下：檢測環(huán)境變化對光纖延遲的影響,并反饋調(diào)控光纖延伸器,調(diào)整光纖鏈路的絕對長度,控制遠(yuǎn)端輸出的信號相位穩(wěn)定及時(shí)延穩(wěn)定。其原理架構(gòu)如圖1所示。

圖1 光纖鏈路補(bǔ)償結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of the compensation of the fiber link

假設(shè)中心處理基站發(fā)出的射頻參考信號的初始相位為?ref(0),經(jīng)過光纖延遲線引入固定相移?a(0),經(jīng)過光纖傳輸,產(chǎn)生的相移為?f(0),在遠(yuǎn)端天線探測器信號部分反射,經(jīng)光纖傳輸產(chǎn)生?f(Trt)的相移,再次經(jīng)過光纖延遲線,引入?a(Ttr)的相移。由于信號通過雙向延遲線和光纖的時(shí)間非常短,可以認(rèn)為信號兩次經(jīng)過它們分別引入的相移是相同的。比較返回的信號相位?rt(Ttr)和返回時(shí)刻參考信號的相位?ref(Ttr),可以得到鏈路傳輸引入的瞬時(shí)相移如式(1)。

通過調(diào)節(jié)光纖延遲線,改變光纖長度以補(bǔ)償環(huán)境變化引入的光纖長度抖動(dòng),使得(1)式左端為一常數(shù),即2(?a＋?f)為一常數(shù),即環(huán)境變化引入的光纖長度抖動(dòng)得到補(bǔ)償,此時(shí)在遠(yuǎn)端天線接收到的信號的相位?ref(0)＋?a(0)＋?f穩(wěn)定,從而實(shí)現(xiàn)了光纖鏈路的補(bǔ)償,實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的相位相干傳輸。

經(jīng)過光纖延伸器補(bǔ)償后遠(yuǎn)端輸出的頻標(biāo)相位穩(wěn)定到某一范圍Δ?內(nèi),結(jié)合傳輸信號頻率折算至延遲量補(bǔ)償精度,如式(2)：

根據(jù)(2)式可得出遠(yuǎn)端輸出的頻標(biāo)信號的時(shí)延抖動(dòng)精度。補(bǔ)償后的相位穩(wěn)定精度約0.1°,根據(jù)上式可以得出時(shí)延定標(biāo)的精度約為幾皮秒量級,這決定了時(shí)頻相干傳輸?shù)木取?/p>

根據(jù)上述推導(dǎo)可以看出,光纖延遲線只能補(bǔ)償光纖鏈路的環(huán)境溫度導(dǎo)致的長度抖動(dòng),而對于時(shí)頻信號分發(fā)到不同端站時(shí),由于不同端站的實(shí)際距離不同或由于鏈路的連接誤差導(dǎo)致的實(shí)際距離不一定相同,如果要實(shí)現(xiàn)不同鏈路的相干傳輸,僅靠光纖延遲線只能補(bǔ)償部分時(shí)延變化,無法補(bǔ)償鏈路的實(shí)際長度,需要提前標(biāo)定不同鏈路的時(shí)延差,再在后續(xù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中補(bǔ)償鏈路的絕對時(shí)延差,而光纖延遲線可以保證每個(gè)鏈路輸出的相位穩(wěn)定,從而保證不同鏈路的相干傳輸,所以本系統(tǒng)還需要精密的時(shí)延測量系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于光纖具有卓越的通信性能和穩(wěn)定性能,利用光纖傳遞頻率參考與時(shí)鐘信號可以將本地的頻率或時(shí)鐘參考信號忠實(shí)地(相位相干)在遠(yuǎn)端輸出,將此系統(tǒng)用于天線組陣的時(shí)頻傳輸系統(tǒng)也是工程中一項(xiàng)新的技術(shù)。天線組陣系統(tǒng)中由于不同天線所處的位置不同,中心處理室到不同端站處的時(shí)延絕對值不一定相同,同時(shí)由于外界環(huán)境的溫度和振動(dòng)等因素對鏈路穩(wěn)定性的影響,到達(dá)不同端站的時(shí)延和相位值都是時(shí)刻變化的。因此要實(shí)現(xiàn)不同天線間即不同端站間頻率信號的高精度相干傳輸,需要對天線組陣的時(shí)頻傳輸系統(tǒng)進(jìn)行相位或時(shí)延補(bǔ)償以及時(shí)延值的高精度測量。由于光纖傳輸距離大概1 ～20 km左右,通過光纖延遲線進(jìn)行穩(wěn)相閉環(huán)控制,通過多側(cè)音載波調(diào)制技術(shù),調(diào)制幾個(gè)單側(cè)音到光載波上,利用多側(cè)音進(jìn)行解模糊求出系統(tǒng)的準(zhǔn)確時(shí)延值,根據(jù)載波相位實(shí)時(shí)檢測環(huán)境變化對光纖時(shí)延的影響,并反饋調(diào)控光纖延遲線,調(diào)整光纖的絕對長度,使遠(yuǎn)端輸出的相位穩(wěn)定,同時(shí)通過測量的延時(shí)值反饋給系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理進(jìn)行處理,從而保證不同天線端實(shí)現(xiàn)相干,圖2為時(shí)頻分發(fā)系統(tǒng)相干傳輸示意圖。

圖2 相干傳輸系統(tǒng)示意圖Fig.2 Diagram of the coherent transmission system

4 試驗(yàn)及仿真結(jié)果

根據(jù)圖2的系統(tǒng)設(shè)計(jì),首先測試了閉環(huán)穩(wěn)相系統(tǒng)的指標(biāo)。試驗(yàn)中用于補(bǔ)償鏈路的信號頻率為2.4 GHz,光纖傳輸距離20 km,測試信號經(jīng)過長距離光纖傳輸后輸出端相位的穩(wěn)定性,經(jīng)過光纖延遲線閉環(huán)補(bǔ)償光纖鏈路的相位抖動(dòng),測試時(shí)間長度為3000 s時(shí)的相位輸出。如圖3所示,其中橫軸為測量時(shí)間,縱軸表示相位變化,可以看出閉環(huán)鎖定情況下相位誤差在0.1°之內(nèi),根據(jù)公式(2)得出遠(yuǎn)端輸出的頻標(biāo)信號的時(shí)延抖動(dòng)精度可以達(dá)到1 ps內(nèi)。圖4為同時(shí)記錄的光纖延遲線補(bǔ)償量的變化曲線,表明在這段時(shí)間內(nèi)光纖鏈路出現(xiàn)了最大18 ps的時(shí)延飄移。

圖3 2.4 GHz信號經(jīng)閉環(huán)系統(tǒng)的相位穩(wěn)定性Fig.3 The phase stability of the 2.4 GHz signal after transmission through the fiber system

對于氫鐘輸出的100 MHz頻標(biāo)信號經(jīng)過穩(wěn)相光纖時(shí)頻傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端,測試遠(yuǎn)端頻標(biāo)信號的頻率穩(wěn)定性,判斷時(shí)頻傳輸系統(tǒng)對頻標(biāo)信號的影響。頻標(biāo)信號一分為二,一路輸入到TSC 5125A的參考信號端作為參考信號,另一路調(diào)制到光纖時(shí)頻分系統(tǒng)的電光調(diào)制器上經(jīng)過系統(tǒng)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端,遠(yuǎn)端輸出的100 MHz輸入到TSC 5125A信號輸入端,測試輸入的頻標(biāo)信號相對于入射到時(shí)頻傳輸系統(tǒng)的頻標(biāo)信號的頻率穩(wěn)定性。經(jīng)過開環(huán)時(shí)頻傳輸系統(tǒng),測試的阿倫方差結(jié)果如圖5(a)所示,經(jīng)過閉環(huán)時(shí)頻傳輸系統(tǒng),測試的阿倫方差結(jié)果如圖5(b)所示。測量結(jié)果可以看出,開環(huán)系統(tǒng)由于受溫度變化對頻率穩(wěn)定度的影響,阿倫方差在1000 s穩(wěn)后會逐步上揚(yáng),也就是穩(wěn)定性會變差,而閉環(huán)系統(tǒng)已經(jīng)補(bǔ)償了外界溫度等因素對光鏈路的影響,其傳遞到遠(yuǎn)端100 MHz的頻率標(biāo)準(zhǔn)信號的長穩(wěn)會達(dá)到6*10-17/10000 s,同時(shí)秒穩(wěn)結(jié)果為2.8*10-14。即氫鐘100 MHz頻標(biāo)經(jīng)圖2的時(shí)頻相干傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端A站或B站的頻標(biāo)基本無惡化。。

圖4 光纖延遲線時(shí)延補(bǔ)償量Fig.4 The compensation quantity of the fiber stretcher

圖2中時(shí)延測量需要實(shí)時(shí)測量傳輸?shù)紸端站和B端站的時(shí)延絕對值并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理補(bǔ)償和光纖延遲線補(bǔ)償,保證輸出A端站和B端站的頻標(biāo)實(shí)現(xiàn)相位相干。試驗(yàn)中,時(shí)延的測量方法是通過FPGA和Matlab結(jié)合,通過數(shù)字信號處理實(shí)現(xiàn)的。FPGA對送入的兩路ADC信號進(jìn)行預(yù)處理,然后將預(yù)處理后的四路基帶正交信號再通過Matlab進(jìn)行后續(xù)處理得到兩路信號的相位差。然后,改變傳輸單側(cè)音的頻率,計(jì)算得到傳輸多個(gè)側(cè)音的相位差。利用多側(cè)音相位差進(jìn)行解模糊,最終可以計(jì)算得到最高側(cè)音對應(yīng)的時(shí)延差。

時(shí)延的測量精度是由相位差的測量精度決定的。試驗(yàn)中,12次測量相位差(每次均求得多個(gè)相位差值)所得的標(biāo)準(zhǔn)差變化曲線如圖6所示。可以看出,標(biāo)準(zhǔn)差的大小約為0.1°,由此計(jì)算所得時(shí)延值的測量精度(按照傳輸800 M單音計(jì)算)為0.3 ps左右。

圖5 100 MHz頻標(biāo)經(jīng)過光纖時(shí)頻傳輸系統(tǒng)后頻率穩(wěn)定性的測試結(jié)果Fig.5 The frequency stability of the 100 MHz signal after transmission through the fiber system

圖6 測量相位差的標(biāo)準(zhǔn)差變化曲線Fig.6 The variety of the standard deviation of the phase

當(dāng)傳輸光纖長度為1 km時(shí),測量1 km光纖時(shí)延隨頻率的變化曲線,由于光纖長度較長,在800～900 MHz頻率范圍,需要0.1 MHz、1 MHz、20 MHz信號的相位和一個(gè)射頻頻率的相位就可以解模糊求出時(shí)延的變化,其求得時(shí)延測量結(jié)果如圖7所示。可以看出,在800～880 MHz范圍內(nèi)時(shí)延變化小于1 ps,可以采用多側(cè)音方式進(jìn)行高精度時(shí)延測量,從而根據(jù)圖2中相干傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理部分及光纖延遲線進(jìn)行時(shí)延補(bǔ)償,保證輸出到遠(yuǎn)端A、B端站實(shí)現(xiàn)相干。圖中縱坐標(biāo)把測量的時(shí)延值的整數(shù)部分(5006 ns)去掉了,只給出了時(shí)延值的小數(shù)部分。

圖7 1 km光纖時(shí)延隨頻率的變化曲線Fig.7 The time delay of 1 km fiber over the signal frequency

5 結(jié)論

高精度相干傳輸技術(shù)及時(shí)延測量技術(shù)在航天測控領(lǐng)域是關(guān)鍵的技術(shù)之一。本文提出了不同端站間實(shí)現(xiàn)相干傳輸?shù)南到y(tǒng)方案。經(jīng)過理論分析及試驗(yàn)測量得出每條鏈路的相位穩(wěn)定性可以控制在0.1°內(nèi),時(shí)延抖動(dòng)控制在1 ps內(nèi),而對于不同鏈路的絕對時(shí)延差值可以通過高精度的時(shí)延測量技術(shù)進(jìn)行精確測量,在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中進(jìn)行補(bǔ)償,試驗(yàn)結(jié)果顯示時(shí)延差的測量精度可以控制在1 ps 內(nèi),從而針對本文提出的不同端站間的同步精度可以達(dá)到皮秒量級,從而實(shí)現(xiàn)了不同端站間頻標(biāo)的高精度相干穩(wěn)相傳輸。

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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

*通訊作者：李晶(1981-),女,博士,高級工程師,研究方向?yàn)楹教鞙y控信號處理技術(shù),E-mail：lijing090326＠126.com

作者簡介：郭肅麗(1972-),女,碩士,高級工程師,研究方向?yàn)楹教鞙y控信號處理技術(shù)。E-mail：guosuli1026＠163.com。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61308061)

收稿日期：2015-06-15；修回日期：2016-02-23

中圖分類號：TN929.11

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-5825（2016）02-0241-05