，， ，

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，石家莊 050081； 2.中國(guó)人民解放軍63771部隊(duì)，陜西 渭南 714000)

0 引言

基于光纖的高精度時(shí)頻同步在雷達(dá)、測(cè)控、通信、導(dǎo)航等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖時(shí)頻同步由于設(shè)備復(fù)雜、價(jià)格昂貴、復(fù)用性差等原因，已無(wú)法滿足分布式、網(wǎng)絡(luò)化的裝備發(fā)展需求，因此現(xiàn)階段需要開展網(wǎng)絡(luò)化、高精度、高抗毀的光纖時(shí)頻同步技術(shù)研究[1-2]。對(duì)于層次化多節(jié)點(diǎn)時(shí)頻同步系統(tǒng)，簇節(jié)點(diǎn)具有多輸入多輸出的特征，其接收到的信號(hào)來(lái)自同一個(gè)信號(hào)源，但是由于傳輸環(huán)境、傳輸距離、中繼節(jié)點(diǎn)等方面的差異，其不同路徑所接收到的時(shí)頻信號(hào)質(zhì)量不盡相同，而如何對(duì)其甄別、分析、融合，實(shí)現(xiàn)簇節(jié)點(diǎn)高精度時(shí)頻信號(hào)的相位同步和無(wú)損切換是系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

以往的研究集中于源端的信號(hào)無(wú)損切換[3-4]，相比源端，簇節(jié)點(diǎn)端信號(hào)不具有高精度時(shí)頻基準(zhǔn)，且由于信號(hào)來(lái)源的不確定性，其誤差因素更大更為復(fù)雜，本文提出了一種基于相位漂移的簇節(jié)點(diǎn)單源多路徑無(wú)損切換方法，在保證重要節(jié)點(diǎn)時(shí)頻同步精度的前提下提高了系統(tǒng)穩(wěn)健性，并最終通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。

1 簇節(jié)點(diǎn)端信號(hào)的分析甄別

相比源端，簇節(jié)點(diǎn)端多輸入信號(hào)的處理甄別以及切換的難度更大，這是由于簇節(jié)點(diǎn)端接收到的信號(hào)數(shù)目更多，信號(hào)質(zhì)量更加難以保證。如何在有限的條件下對(duì)簇節(jié)點(diǎn)端所有的輸入信號(hào)進(jìn)行分析甄別，從而選取主備路信號(hào)就變得尤為復(fù)雜。

1.1 節(jié)點(diǎn)端信號(hào)甄別限制因素

表1列出相應(yīng)簇節(jié)點(diǎn)端與源端信號(hào)分析甄別限制因素對(duì)比[5-7]。

信號(hào)的質(zhì)量通過其頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度來(lái)體現(xiàn)，信號(hào)頻率準(zhǔn)確度指的是信號(hào)輸出值偏離標(biāo)稱值的程度[2]，定義式為:

表1 限制因素對(duì)比

(1)

其中:f0表示信號(hào)頻率標(biāo)稱值，f表示信號(hào)頻率實(shí)際輸出值。

信號(hào)頻率穩(wěn)定度表示信號(hào)一定時(shí)間內(nèi)平均頻率隨時(shí)間的變化量[1]，與系統(tǒng)隨機(jī)噪聲及采樣時(shí)間相關(guān)，用阿倫方差表示，

(2)

其中:τ為采樣時(shí)間，M為采樣時(shí)間內(nèi)采集的數(shù)據(jù)數(shù)目，yi表示頻率測(cè)量值。

由以上分析可得：信號(hào)頻率準(zhǔn)確度的測(cè)量需要高精度時(shí)頻基準(zhǔn)提供頻率標(biāo)稱值，而簇節(jié)點(diǎn)端并沒有高精度時(shí)頻基準(zhǔn)，這也就導(dǎo)致了簇節(jié)點(diǎn)端信號(hào)準(zhǔn)確度無(wú)法直接測(cè)量；信號(hào)頻率穩(wěn)定度與系統(tǒng)隨機(jī)噪聲及采樣時(shí)間相關(guān)，相比源端，簇節(jié)點(diǎn)端由于信號(hào)傳輸?shù)脑驎?huì)引入隨機(jī)噪聲，這些因素的存在會(huì)導(dǎo)致相比源端簇節(jié)點(diǎn)端信號(hào)穩(wěn)定度偏差，同時(shí)采樣時(shí)間的存在會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定度測(cè)量無(wú)法實(shí)時(shí)達(dá)成，且穩(wěn)定度測(cè)量分短穩(wěn)和長(zhǎng)穩(wěn)，短穩(wěn)的采樣時(shí)間都是秒量級(jí)的，直接進(jìn)行穩(wěn)定度分析無(wú)法滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求。

1.2 節(jié)點(diǎn)端光路徑誤差分析

分析信號(hào)的傳輸過程，光纖傳輸鏈路中引入的光路時(shí)延可以表示為:

(3)

其中:n為光纖材料折射率，c為真空光速，L為光纖長(zhǎng)度，可以看出，光纖長(zhǎng)度確定的情況下，不考慮其他誤差因素，光纖傳輸鏈路中引入的光路時(shí)延為一個(gè)確定值。信號(hào)傳輸過程中誤差因素的存在會(huì)使光路時(shí)延產(chǎn)生抖動(dòng)，引入時(shí)延誤差Δt0，以相位誤差Δφ0的形式體現(xiàn)在傳輸信號(hào)上。

Δφ0=2πf0Δt0

(4)

1)溫度

溫度主要是對(duì)光纖長(zhǎng)度和折射率產(chǎn)生影響，這種影響是近似線性的，故而這里引入光纖溫度系數(shù)的概念，它是指溫度變化1℃的情況下，光線折射率與其長(zhǎng)度乘積的線性變化率，具體到石英單模光纖，其溫度系數(shù)為7×10-6左右[8]，故而溫度因素對(duì)于系統(tǒng)相位的影響可以表示為:

(5)

其中:T(t)表示溫度變化，Q表示溫度系數(shù)。

2)激光器和色散因素

激光器的作用是產(chǎn)生載波光信號(hào)，受環(huán)境因素影響，激光器產(chǎn)生的光信號(hào)會(huì)有微小的隨機(jī)抖動(dòng)，產(chǎn)生相位噪聲；色散的存在導(dǎo)致光纖中不同頻率光信號(hào)傳播速度不同，產(chǎn)生時(shí)延抖動(dòng)，進(jìn)而發(fā)展成為相位噪聲。

激光器產(chǎn)生的載波光信號(hào)瞬時(shí)時(shí)延抖動(dòng)[9]可以表示為:

dX(t)=HLdλ

(6)

其中:H指光纖色散系數(shù)，L指信號(hào)傳輸?shù)木嚯x，λ指的是載波光信號(hào)的波長(zhǎng)。

由于:

φ(t)=2πf0X(t)

(7)

c=f0λ0

(8)

可得相位抖動(dòng):

(9)

其他比如由于遠(yuǎn)距離光纖傳輸引入的摻鉺光纖放大器(EDFA)中繼、外部強(qiáng)度噪聲等因素[10-11]的影響不再一一論述，通過分析上述因素的影響，可以看到無(wú)論是溫度還是激光器和色散等因素，都與傳輸?shù)木嚯x相關(guān)。在不考慮中繼節(jié)點(diǎn)的情況下，本文進(jìn)行了10 m，20 m和50 m光纖的光載微波信號(hào)傳輸實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示相同條件下傳輸穩(wěn)定度與傳輸距離正相關(guān)。故而本文采取的主備路選取方式是首先選取傳輸距離短，中繼節(jié)點(diǎn)少的傳輸路徑作為主路信號(hào)，傳輸過程中不斷對(duì)主備路信號(hào)積累的傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整合，計(jì)算其相應(yīng)的阿倫方差，當(dāng)數(shù)據(jù)數(shù)量增多之后，根據(jù)其阿倫方差的大小判斷主備路信號(hào)實(shí)時(shí)性能，作為無(wú)損切換的依據(jù)。

2 無(wú)損切換原理

H0=hcos(2πf0t+φ0)

(10)

經(jīng)過不同鏈路傳輸，其最終輸入該節(jié)點(diǎn)的信號(hào)為:

Hn=(h+Δhn)cos(2πf0t+φ0+φn(t))

(11)

式中，Δhn表示第n條傳輸鏈路引入的幅度變化，由于幅度改變并不影響時(shí)頻傳輸特性，故而可以忽略不計(jì)。φn(t)表示第n條傳輸鏈路引入的相位變化。傳輸鏈路φn(t)的引入會(huì)導(dǎo)致信號(hào)頻率發(fā)生一定的改變。

(12)

由于其相頻變化是時(shí)間的函數(shù)，所以當(dāng)時(shí)間確定時(shí)，第n條傳輸鏈路引入的相位變化φn(t)就會(huì)是一個(gè)確定值，而其相位變化率同樣也是一個(gè)確定值。時(shí)間確定時(shí)，兩條傳輸鏈路會(huì)有一個(gè)確定的相位差和一個(gè)確定的相位變化率差。而在這個(gè)確定的時(shí)間進(jìn)行信號(hào)切換，相位和相位變化率會(huì)產(chǎn)生跳變，進(jìn)而引入相應(yīng)的頻率、相位跳變誤差，影響傳輸信號(hào)性能。不同于一般系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)化高精度時(shí)頻同步系統(tǒng)的傳輸精度較高，對(duì)于頻率、相位跳變指標(biāo)要求較高，其要求切換前后相位跳變維持在皮秒量級(jí)，相應(yīng)的頻率跳變應(yīng)維持在10-13量級(jí)。以10 M傳輸信號(hào)為例，若相位跳為1°，則兩者相應(yīng)的時(shí)間差維持在:

(13)

可以看出，即使兩者的相位差只有1°，其相應(yīng)的時(shí)間差也有接近300 ps的差距。為了保證系統(tǒng)較高的精度要求，必須保證切換時(shí)主備路相頻差足夠小，也就是說(shuō)，必須保證主備路相位頻率的同步精度。

3 無(wú)損切換技術(shù)基礎(chǔ)

3.1 主備路相頻精確同步

由上述分析可知，對(duì)于同源傳輸信號(hào)，其源端可以用公式(10)表示，經(jīng)過不同傳輸鏈路，受到不同的干擾，其主備路信號(hào)可以用下式表示：

H1=(h+Δh1)cos(2πf0t+φ0+φ1(t))

(14)

H2=(h+Δh2)cos(2πf0t+φ0+φ2(t))

(15)

式中，H1表示主路信號(hào)，H2表示備份路信號(hào)。主備路信號(hào)之間的差別集中體現(xiàn)在引入的相位噪聲φ1(t)和φ2(t)的差別，也就是主備路信號(hào)的相差和頻差上。

此外，設(shè)計(jì)人員還要加強(qiáng)室內(nèi)通風(fēng)，提升建筑通風(fēng)效果。在實(shí)際設(shè)計(jì)工作當(dāng)中，設(shè)計(jì)人員要加強(qiáng)對(duì)衛(wèi)生間與廚房的通風(fēng)設(shè)計(jì)，保證廚房與衛(wèi)生間的通風(fēng)效果得到全面提高。在建筑室內(nèi)通風(fēng)設(shè)計(jì)過程之中，設(shè)計(jì)人員還要綜合考慮到室內(nèi)通風(fēng)效果，盡可能的減少室內(nèi)裝飾對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)產(chǎn)生的遮擋，在保證建筑室內(nèi)通風(fēng)效果的基礎(chǔ)之上，保證建筑室內(nèi)通風(fēng)結(jié)構(gòu)得到全面優(yōu)化，保證建筑室內(nèi)通風(fēng)能夠滿足通風(fēng)換氣要求。

由于主備路信號(hào)同源，其初始頻率相同，忽略幅度影響，將上式主備路信號(hào)混頻，得到混頻信號(hào)：

T=cos(2πf0t+φ0+φ1(t))×

cos(2πf0t+φ0+φ2(t))

(16)

積化和差處理以上混頻信號(hào)，整理得:

(17)

觀察上式，混頻信號(hào)可以整理為一個(gè)高頻信號(hào)和一個(gè)低頻信號(hào)之和的形式，而低頻信號(hào)的相位，即為要測(cè)量的相差，其頻率即為要測(cè)量的頻差，可以表示為:

(18)

換言之，混頻信號(hào)中的高頻項(xiàng)是無(wú)用的，將該混頻信號(hào)通過一個(gè)低通濾波器，濾去混頻信號(hào)中的高頻分量，得到只含有cos(φ1(t)-φ2(t))項(xiàng)的信號(hào)量，也就可以得到相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻差相差。

精確測(cè)量主備路信號(hào)相位誤差的目的就是以主路信號(hào)為參考，將備份路信號(hào)進(jìn)行相位同步，有效減小切換過程中產(chǎn)生的跳變。主備路相位同步簡(jiǎn)單框圖如圖1所示。

圖1 主備路相位同步原理圖

很明顯，控制信號(hào)控制的是備份路信號(hào)，目的是改變備份路信號(hào)的相位信息，使其頻率相位最大程度上與主路信號(hào)保持一致。本文中，備份路相位信息的調(diào)制通過引入壓控移相器來(lái)完成，其控制電壓與相差信息成正比。理論上這種方法可以將備份路信號(hào)相位與主路信號(hào)相位頻率精確同步，然而包括測(cè)量誤差、系統(tǒng)誤差等各種因素的存在難免會(huì)影響同步結(jié)果。本文通過調(diào)節(jié)壓控移相器參數(shù)、預(yù)留誤差余量、加入恒溫壓控振蕩器(VCXO)等方式有效減小了誤差因素的影響，提升了系統(tǒng)整體性能。

3.2 切換開關(guān)的設(shè)置

主備路相位的精確測(cè)量與同步的目的是減小切換過程中相位跳變產(chǎn)生的沖擊，然而這只是在信號(hào)處理層面的處理，操作層面的誤差并沒有得到有效地抑制。

具體到操作層面，無(wú)損切換的具體操作是由開關(guān)完成的，而切換時(shí)間和隔離度是開關(guān)的兩個(gè)重要指標(biāo)，顯而易見，為了減小由于切換引入的誤差，開關(guān)的切換時(shí)間越短越符合系統(tǒng)對(duì)精度的要求；隔離度越高越能滿足系統(tǒng)穩(wěn)健性的需求。然而在實(shí)際應(yīng)用中，以高速電子開關(guān)為代表的開關(guān)切換速度快隔離度差，而以繼電器為代表的開關(guān)隔離度高切換速度慢，這直接導(dǎo)致了無(wú)損切換開關(guān)的隔離度與切換時(shí)間無(wú)法兼顧。而如何權(quán)衡切換時(shí)間和隔離度設(shè)計(jì)切換開關(guān)，也是信號(hào)無(wú)損切換需要考慮的問題。

本文以前的源端無(wú)損切換研究多是犧牲系統(tǒng)隔離度選擇切換速度高的高速電子開關(guān)[3-4]，這種選擇優(yōu)勢(shì)明顯：減小了開關(guān)的響應(yīng)時(shí)間，保證了系統(tǒng)的切換精度。然而這種選擇依然存在無(wú)法忽視的缺陷，那就是其隔離度較低，并不適合切換后系統(tǒng)的傳輸保持。為了解決這一問題，本文采用高速電子開關(guān)與繼電器開關(guān)并聯(lián)的方式保證開關(guān)系統(tǒng)的切換速度與隔離度。具體切換時(shí)，高速電子開關(guān)率先進(jìn)行切換保證切換系統(tǒng)的切換速度，高速電子開關(guān)切換完成后，與之并聯(lián)的繼電器開關(guān)開始切換，在其切換完成后作為高速電子開關(guān)的備份保證整個(gè)系統(tǒng)的隔離度。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

基于上文原理分析，本文設(shè)計(jì)的簇節(jié)點(diǎn)端單源多路徑系統(tǒng)無(wú)損切換簡(jiǎn)單原理如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體原理簡(jiǎn)圖

4.1 仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)上文原理簡(jiǎn)圖設(shè)計(jì)相應(yīng)的仿真方案，不同于以往理論性單一研究，本文充分考慮光纖時(shí)頻傳輸特性，做了不同條件下的簇節(jié)點(diǎn)無(wú)損切換仿真。以傳輸信號(hào)信噪比為例，由于本文時(shí)頻信號(hào)的傳輸介質(zhì)是光纖，誤差因素較小，故而仿真所選取的信號(hào)信噪比都較高。固定條件方面，選取源信號(hào)頻率為10 MHz，高速電子開關(guān)響應(yīng)時(shí)間在ns量級(jí)，為了更加直觀地觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)于主備路頻率相位同步的精確度，這里選取的主備路初始頻差相差較大，如選取的主備路信號(hào)初始頻差在量級(jí)，初始相差不小于pi/6。綜上，本文設(shè)計(jì)了以下四組仿真實(shí)驗(yàn)。

1)信噪比為70 db，主備路初始頻差+10 μHz，初始相差pi/6。

2)信噪比為50 db，主備路初始頻差+10 μHz，初始相差pi/6。

3)信噪比為70 db，主備路初始頻差-10 μHz，初始相差pi/6。

4)信噪比為70 db，主備路初始頻差+10 μHz，初始相差pi/3。

以上設(shè)計(jì)的四組仿真實(shí)驗(yàn)中，明顯可以看出，第一組是整體實(shí)驗(yàn)的標(biāo)尺，后三組仿真實(shí)驗(yàn)是參照第一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用控制變量的方法設(shè)計(jì)的，其與第一組實(shí)驗(yàn)對(duì)比，分別觀察信噪比、主備路初始頻差、初始相位差對(duì)無(wú)損切換系統(tǒng)的影響。

4.2 仿真結(jié)果分析

根據(jù)上文4組仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)仿真，得到仿真實(shí)驗(yàn)如圖3所示。

圖3 仿真結(jié)果圖

圖3中的仿真圖的切換時(shí)刻均為100。由于本次試驗(yàn)?zāi)康氖怯^測(cè)信噪比、主備路初始頻差、初始相位差對(duì)無(wú)損切換系統(tǒng)的影響，故而4組實(shí)驗(yàn)初始時(shí)刻主備路相位已基本同步，備份路信號(hào)基本穩(wěn)定。從仿真結(jié)果圖可以看出4組仿真主備路相位同步精度均在0.11～0.15°左右，折合到時(shí)間兩者時(shí)差約在30～40 ps之間，考慮到本文為了更好地觀測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，人為選取了較大的主備路初始相差和初始頻差，對(duì)相位同步精度造成了一定的影響，30 ps的同步精度是可以接受的。

觀察以上仿真結(jié)果，運(yùn)用控制變量法可以得出以下實(shí)驗(yàn)結(jié)論：

1)比較條件1和條件2的仿真圖，可得在主備路初始頻差相差相同的情況下，信噪比不同并不能明顯影響相位同步精度，但總體來(lái)說(shuō)信噪比高的條件1同步精度略高于條件2。信噪比主要影響系統(tǒng)的相位穩(wěn)定度，從圖中可以明顯看出，信噪比較低的條件2信號(hào)穩(wěn)定度低，產(chǎn)生沖擊信號(hào)后恢復(fù)較困難。

2)比較條件1和條件3仿真圖，可以看出主備路初始頻差對(duì)相位同步精度影響不大，這是因?yàn)轭l率偏差量經(jīng)過時(shí)間的積累會(huì)以相位差的形式顯現(xiàn)，而系統(tǒng)鑒相、調(diào)相功能時(shí)刻進(jìn)行，加之主備路頻差本身只在量級(jí)，有限時(shí)間內(nèi)積累的相差有限，并不會(huì)對(duì)主備路相位同步造成明顯影響，也就不會(huì)對(duì)切換過程造成明顯誤差。

3)比較條件1和條件4仿真圖，可以看出初始相差加大對(duì)系統(tǒng)同步精度影響較大，從數(shù)據(jù)即可看出，條件1的相位同步精度為左右，而條件4的相位同步精度卻只有左右，相位同步精度的降低一定程度上也影響了無(wú)損切換的性能，比較兩圖的切換過程，條件4切換過程產(chǎn)生的沖擊誤差較大，恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種簇節(jié)點(diǎn)端單源多路徑無(wú)損切換方案并進(jìn)行了相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)比不同條件下的仿真數(shù)據(jù)得出了不同條件對(duì)單源多路徑無(wú)損切換的影響。主備路相位同步方面，傳輸信號(hào)頻率選取10 MHz，初始相差頻差選取較大的前提下，相位同步精度達(dá)到以下，達(dá)到ps量級(jí)的要求，有效抑制了無(wú)損切換過程中產(chǎn)生的相位躍變，對(duì)節(jié)點(diǎn)端無(wú)損切換乃至信號(hào)融合方面具有很大的借鑒意義。