王正勇，王崇陽，魏海濤，尹繼凱，蔚保國

(衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點實驗室，河北 石家莊 050081)

0 引言

原子鐘技術(shù)的迅速發(fā)展，對高精度時間頻率信號的傳輸性能提出了更高的要求。相比傳統(tǒng)的衛(wèi)星雙向時間同步系統(tǒng)，光纖雙向時間同步系統(tǒng)具有帶寬高、損耗小、抗干擾以及高精度等優(yōu)點，引起國內(nèi)外研究小組的廣泛研究[1-4]。光纖雙向時間同步是一種單纖雙向雙波長高精度時間比對方法，采用不同波長在同一根光纖中進行雙向傳遞，可以認為環(huán)境變化引起的往、返鏈路時延變化相同[5-9]。該方法同步精度可以達到100 ps量級，相比衛(wèi)星傳輸中常見的ns量級精度，在同步精度上提高了一個數(shù)量級。利用光纖進行高精度時間同步具有損耗低、抗電磁干擾、價格低和結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢，使其成為遠距離高精度時間傳遞的主要方案之一[10-14]。德國物理技術(shù)研究所(PTB)在73 km光纖鏈路上進行了光纖雙向時間同步試驗，時間同步精度優(yōu)于100 ps[15]；國家計量院和北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心報道了109 km光纖雙向時間同步試驗，時間同步精度優(yōu)于200 ps[16]。

由于受到光功率損耗的影響，單段光纖傳遞距離在100 km內(nèi)，本文在基于雙向偽碼測距的光纖時間比對方法上，添加雙向摻鉺光纖放大器，設(shè)計了超越100 km光纖傳輸距離的試驗平臺，并進行了試驗驗證，試驗結(jié)果符合預(yù)期。

1 光纖雙向時間同步原理

光纖雙向時間同步的基本原理如圖1所示[17-18]。

圖1 光纖雙向時間同步原理

設(shè)tTA為主站發(fā)射測距信號時刻，tTB為從站發(fā)射測距信號時刻，tRA為主站接收測距信號時刻，tRB為從站接收測距信號時刻，主站和從站兩地鐘的瞬時鐘差為ΔTAB=tTB-tTA,則：

因此，主、從兩站鐘差為：

光纖雙向時間同步信號傳播時延τAB，τBA可進一步表示為：

2 180 km光纖雙向時間同步試驗

時間信號在光纖傳輸過程中，由于光纖色散的影響，單段光纖過長導(dǎo)致末端的接收信噪比惡化。在時間信號光纖傳輸鏈路中，單段光纖鏈路的最大距離由發(fā)射端激光器的色散容限指標給出，本系統(tǒng)中所使用的激光器的色散容限值為1 600 ps，考慮到G652型單模光纖的色散系數(shù)為D(λ)=17 ps/nm·km，因此光纖雙向時間同步中單段光纖最遠距離在100 km內(nèi)[19-20]。要進行百公里以上的光纖雙向時間同步，就需要引入光纖放大設(shè)備，因此設(shè)計了基于摻鉺光纖放大器的雙向放大設(shè)備(BEDFA)[21]。

基于光纖雙向放大設(shè)備BEDFA的光纖雙向時間同步方案如圖2所示。其中，A站傳輸?shù)紹站的光信號波長采用1 550.12 nm，B站傳輸?shù)紸站的光信號波長采用1 550.92 nm，碼速率為20 Mcps。雙向摻鉺光纖放大器實物如圖3所示。

圖2 180 km光纖雙向時間同步方案

圖3 雙向摻鉺光纖放大器實物

3 實驗結(jié)果分析

180 km光纖雙向時間同步時差測量結(jié)果如圖4所示。

圖4 180 km光纖雙向時間同步時差測量結(jié)果

圖4中，單向傳輸時延A→B與B→A曲線中的波動代表了晝夜環(huán)境溫度變化引起的時延波動，2條單向傳輸時延基本吻合，在7天連續(xù)實驗中，同步精度為863 ps，經(jīng)過平滑處理后的時間同步精度為153 ps。實驗結(jié)果表明光纖鏈路受環(huán)境變化(溫度、振動等)引起的時延波動幾乎被完全抵消。

因為A站與B站采用各自的原子鐘，原子鐘本身噪聲會引起相位波動，同時設(shè)備受溫度的影響也會引起相位波動，這些相位波動沒有被消除，仍然會影響時間同步精度。圖5為雙向時間同步時差測量值的時間穩(wěn)定度(用時間方差TDEV表示)，時延曲線表示單向光纖時間傳遞的時間穩(wěn)定度，該指標在105s時間內(nèi)低于3×10-9s(3 ns)。經(jīng)過光纖雙向時間同步系統(tǒng)消除時延波動后，在105s時間內(nèi)時間穩(wěn)定度低于5×10-11s(50 ps)。這些波動包含了由原子鐘及光纖雙向比對設(shè)備引起的剩余不穩(wěn)定度。因此采用光纖傳遞時間信號是一種具有潛力的時間傳遞方法。

圖5 雙向時間同步時差測量值的時間穩(wěn)定度

光纖雙向時間同步時差測量值的頻率穩(wěn)定度(用Allan方差表示)統(tǒng)計結(jié)果如圖6所示，單向光纖時間傳遞時延及雙向時間同步精度相對應(yīng)的頻率穩(wěn)定度，在105s時間內(nèi)，單向時延的頻率穩(wěn)定度為5×10-14/105s，雙向時間同步精度的頻率穩(wěn)定度為2×10-15/105s。

圖6 雙向時間同步時差測量值的頻率穩(wěn)定度

4 結(jié)束語

本文采用添加雙向摻鉺光纖放大器的方法實現(xiàn)了180 km的遠距離高精度光纖雙向時間同步，通過試驗驗證了光纖雙向時間同步精度可達100 ps，在105s時間內(nèi)時間穩(wěn)定度低于50 ps。但由于光纖色散特性引起的鏈路不對稱性、光器件處理引入的誤差及硬件電路時延的不對稱性等仍帶來較大誤差，可以通過模型修正及硬件時延標定等方法進一步提高時間同步精度。