時(shí)鐘本振信號混合光纖傳輸?shù)南辔辉肼曆芯?/h1>
2020-07-01 01:56:00吳彭生王凱
科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào) 2020年13期
吳彭生 王凱
摘 ? 要：設(shè)計(jì)了一種時(shí)鐘、本振信號混合光纖傳輸系統(tǒng)，采用了半導(dǎo)體激光器外調(diào)制和波分復(fù)用/解復(fù)用技術(shù)，采用4個(gè)波長的光載波實(shí)現(xiàn)了2路時(shí)鐘信號和2路本振信號1000m距離的光纖傳輸。通過試驗(yàn)測量對比了光纖傳輸和電纜傳輸中射頻信號相位噪聲劣化程度的不同，同時(shí)驗(yàn)證了鏈路中增加多級光纖連接器帶來的影響，結(jié)果表明該系統(tǒng)可以為無人值守等新型雷達(dá)提供新的信號傳輸方案。
關(guān)鍵詞：時(shí)鐘信號 ?本振信號 ?光纖傳輸 ?相位噪聲
中圖分類號：TN929.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）05（a）-0155-03
現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，為了提高戰(zhàn)場裝備與人員的生存能力，遠(yuǎn)距離控制和多假目標(biāo)等是常用的手段之一。對于雷達(dá)等電子裝備而言，為了避免敵方的輻射源探測和打擊造成較大的損失，往往須將諸多設(shè)備與天線分開。更迫切的是在機(jī)載和天基平臺上，為了盡可能減小天線前端的負(fù)荷，數(shù)字陣列中諸如頻綜、A/D、D/A等設(shè)備逐漸從天線移至處理終端。如此，天線前端將簡化為天線、T/R以及變頻等功能，中頻信號承擔(dān)天線前端與處理終端的信息傳輸任務(wù)，極大地減輕了前端的各類負(fù)荷，即便前端設(shè)備在戰(zhàn)時(shí)被摧毀亦能將損失降到最低[1-2]。
由于設(shè)備與前端之間距離的增大，中頻信號、時(shí)鐘信號和本振信號的傳輸將不能依賴同軸電纜，可行的方案是采用光纖傳輸。1990年代建成的ALMA天線采用的就是光纖傳輸，將90～270GHz本振信號傳輸了數(shù)十公里[3]，而目前正在論證和實(shí)施的平方公里陣（SKA）亦采用的是這種方式[4]，近些年國內(nèi)諸多天文臺也采用了光纖傳輸時(shí)鐘進(jìn)行信號同步[5]。
通常一部雷達(dá)使用的本振和時(shí)鐘信號多達(dá)幾種甚至十幾種，在傳輸路徑受限的場景中可能會共用傳輸通道。本文設(shè)計(jì)了一種基于光學(xué)波分復(fù)用的本振、時(shí)鐘信號遠(yuǎn)距離光傳輸方案，通過射頻光學(xué)調(diào)制將2路時(shí)鐘信號和2路本振信號調(diào)制到不同的光波長上，再利用波分復(fù)用技術(shù)將4路信號通過一根光纖傳輸至1000m遠(yuǎn)的接收端，接收端的波分解復(fù)用、光電探測器和低噪聲放大器將4路信號分路并還原輸出，實(shí)現(xiàn)了時(shí)鐘、本振信號混合光纖傳輸?shù)墓δ堋?/p>
1 ?系統(tǒng)設(shè)計(jì)
我們針對某種X波段雷達(dá)的天線陣面需求，設(shè)計(jì)了一種可同時(shí)傳輸2路時(shí)鐘和2路本振的光纖傳輸系統(tǒng)。如圖1所示，4路信號分別由不同的激光調(diào)制加載到λ1→λ4光波長上，在通過波分復(fù)用合成至一根光纖傳輸至天線陣面。在陣面上，先由波分解復(fù)用將4個(gè)波長分開，分別進(jìn)行光解調(diào)放大，還原輸出初始的時(shí)鐘和本振信號。在此過程中，根據(jù)傳輸信號的頻率和實(shí)際工作的環(huán)境，可選擇不同的波長間隔和波分復(fù)用類型，以保證信號之間的隔離度和減小波長隨溫度漂移帶來的影響。同時(shí)，若傳輸路徑中由于波分復(fù)用/解復(fù)用或連接器節(jié)點(diǎn)導(dǎo)致光衰減過大，可在鏈路中適當(dāng)位置加入光纖放大器來進(jìn)行增益補(bǔ)償。
對于時(shí)鐘和本振信號傳輸，關(guān)注的指標(biāo)主要是增益、相位噪聲、諧波和雜散等。增益可以通過放大器進(jìn)行補(bǔ)償，而對于激光調(diào)制諧波主要表現(xiàn)為三次諧波，雜散在信號處理過程中亦有辦法進(jìn)行抑制。相位噪聲則直接影響到雷達(dá)的探測距離等戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)，在實(shí)際使用中尤為重要，因此本文主要關(guān)注該系統(tǒng)對于時(shí)鐘和本振信號的相位噪聲的影響。
2 ?實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及測試結(jié)果
根據(jù)圖1，我們建立了一個(gè)時(shí)鐘、本振信號混合光傳輸?shù)南到y(tǒng)。根據(jù)某雷達(dá)實(shí)際需求，選取所傳輸?shù)臅r(shí)鐘信號分別為100MHz和1GHz，本振信號分別為5GHz和15GHz，本振源用安捷倫8257D信號源代替，射頻輸出功率統(tǒng)一設(shè)定為9dBm，相位噪聲測量使用安捷倫5052B信號源分析儀。系統(tǒng)采用激光外調(diào)制方式，激光器（Emcore-1782）輸出功率為60mW，光波長為ITU通道CH52～CH46，通道間隔為200GHz，光纖傳輸通道總長度為1000m。在解調(diào)接收端，光電探測器（U2t-2140R）后加入了射頻低噪聲放大器，用來補(bǔ)償光傳輸鏈路的射頻損耗，最終整個(gè)系統(tǒng)的射頻增益控制在±2dB左右。
我們首先測試了信號源輸出的信號相位噪聲，然后將光傳輸系統(tǒng)接入，通過二者之間的比較，進(jìn)而獲得光傳輸系統(tǒng)對于相位噪聲的影響。我們進(jìn)行了三種情況下的對比試驗(yàn)，分別是光纖傳輸與電纜傳輸對比，傳輸鏈路中光纖連接器數(shù)量多少的對比，以及不同調(diào)制偏置控制方法的對比。
2.1 光纖傳輸與電纜傳輸
電纜傳輸有別于光纖傳輸?shù)牡胤皆谟谄洳粫砀郊酉嘣?但其缺點(diǎn)是傳輸距離較長時(shí)傳輸損耗較大，同時(shí)傳輸線會占用很大的體積和重量。我們通過比較試驗(yàn)，能夠看到低頻和高頻情況下兩種傳輸方式的相位噪聲變化情況，對系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。圖2顯示的是四種信號分別通過光纖傳輸（1000m）和電纜傳輸（10m）的相位噪聲比較，同時(shí)也與信號源輸出相位噪聲做了對比。
可以看到，由于光鏈路附加噪聲的存在，光鏈路傳輸所帶來的相位噪聲惡化要大于電纜傳輸，在低頻信號傳輸表現(xiàn)得尤為明顯。對于高頻信號，近端相位噪聲惡化幾乎可以忽略，遠(yuǎn)端（≥1MHz）惡化逐漸顯現(xiàn)。通常來說，近端相位噪聲性能對系統(tǒng)的影響要遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)端，因此設(shè)計(jì)者認(rèn)為這些結(jié)果可以滿足絕大部分系統(tǒng)需求。
2.2 多級光纖連接器的影響
在真實(shí)的傳輸鏈路中，設(shè)備或機(jī)柜之間的連接不可避免光纖連接器的存在，由于連接點(diǎn)帶來的回波同樣是影響相位噪聲的因素之一。我們通過多段光纜的連接來模擬實(shí)際的傳輸鏈路，以此來判斷該因素的影響。試驗(yàn)中采用了8段多芯光纜（每段光纜長度大約5m），連接器采用J599型8芯連接器（回波損耗≤-40dB，每對連接器的損耗約為0.4dB），這也是常見的機(jī)柜間連接方式。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，隨著光纜段數(shù)即光纖連接器的增加，傳輸鏈路的相位噪聲并沒有明顯劣化，幾乎不會對光傳輸鏈路性能造成實(shí)質(zhì)性的影響。
2.3 調(diào)制偏置方式的選擇
圖2和圖3中，光鏈路傳輸?shù)南辔辉肼暻€在1kHz附近出現(xiàn)了多個(gè)峰值，這是由于目前普遍采用的電光調(diào)制器偏置點(diǎn)控制方式引入了1kHz的引導(dǎo)頻率。我們隨后改進(jìn)了電光調(diào)制器的偏置點(diǎn)控制方式，用功率控制代替了導(dǎo)頻控制，從而消除了相位噪聲曲線上的多個(gè)峰值。以1GHz的信號為例，功率控制方式獲得的相位噪聲曲線如圖4所示，與圖2（b）相比，這種方法有效的消除了1GHz附近的諸多峰值。
3 ?結(jié)語
本文提出了一種基于微波光傳輸?shù)臅r(shí)鐘、本振信號混合傳輸系統(tǒng)，解決了遠(yuǎn)距離、高頻微波信號的傳輸損耗問題。通過試驗(yàn)驗(yàn)證了光纖傳輸系統(tǒng)的性能，模擬了實(shí)際裝備中多級連接器的情況，所獲得的結(jié)果滿足當(dāng)前絕大多數(shù)系統(tǒng)的需求，為當(dāng)前需要信號遠(yuǎn)距離傳輸?shù)难b備研制提供了一種可行的解決方案。
參考文獻(xiàn)
[1] 吳曼青.數(shù)字陣列雷達(dá)的發(fā)展與構(gòu)想[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2008，6（6）：401-405.
[2] 孫國強(qiáng).無人值守雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2018，39（1）：34-36.
[3] J.-F. CLICHE， B. SHILLUE. Precision timing control for radioastronomy： Maintaining femtosecond synchronization in the Atacama Large Millimeter Array[J]. Control Systems IEEE，2006，26（1）：19-26.
[4] 吳曼青，曹銳，陶小輝，等.世界最大綜合孔徑望遠(yuǎn)鏡SKA低頻數(shù)字陣列系統(tǒng)研究[J].中國科學(xué)：信息科學(xué)，2015，45（12）：1600-1614.
[5] 商建明.光纖鎖模激光器及其在光纖頻率傳遞中的應(yīng)用研究[D].北京郵電大學(xué)，2019.
吳彭生 王凱
摘 ? 要：設(shè)計(jì)了一種時(shí)鐘、本振信號混合光纖傳輸系統(tǒng)，采用了半導(dǎo)體激光器外調(diào)制和波分復(fù)用/解復(fù)用技術(shù)，采用4個(gè)波長的光載波實(shí)現(xiàn)了2路時(shí)鐘信號和2路本振信號1000m距離的光纖傳輸。通過試驗(yàn)測量對比了光纖傳輸和電纜傳輸中射頻信號相位噪聲劣化程度的不同，同時(shí)驗(yàn)證了鏈路中增加多級光纖連接器帶來的影響，結(jié)果表明該系統(tǒng)可以為無人值守等新型雷達(dá)提供新的信號傳輸方案。
關(guān)鍵詞：時(shí)鐘信號 ?本振信號 ?光纖傳輸 ?相位噪聲
中圖分類號：TN929.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）05（a）-0155-03
現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，為了提高戰(zhàn)場裝備與人員的生存能力，遠(yuǎn)距離控制和多假目標(biāo)等是常用的手段之一。對于雷達(dá)等電子裝備而言，為了避免敵方的輻射源探測和打擊造成較大的損失，往往須將諸多設(shè)備與天線分開。更迫切的是在機(jī)載和天基平臺上，為了盡可能減小天線前端的負(fù)荷，數(shù)字陣列中諸如頻綜、A/D、D/A等設(shè)備逐漸從天線移至處理終端。如此，天線前端將簡化為天線、T/R以及變頻等功能，中頻信號承擔(dān)天線前端與處理終端的信息傳輸任務(wù)，極大地減輕了前端的各類負(fù)荷，即便前端設(shè)備在戰(zhàn)時(shí)被摧毀亦能將損失降到最低[1-2]。
由于設(shè)備與前端之間距離的增大，中頻信號、時(shí)鐘信號和本振信號的傳輸將不能依賴同軸電纜，可行的方案是采用光纖傳輸。1990年代建成的ALMA天線采用的就是光纖傳輸，將90～270GHz本振信號傳輸了數(shù)十公里[3]，而目前正在論證和實(shí)施的平方公里陣（SKA）亦采用的是這種方式[4]，近些年國內(nèi)諸多天文臺也采用了光纖傳輸時(shí)鐘進(jìn)行信號同步[5]。
通常一部雷達(dá)使用的本振和時(shí)鐘信號多達(dá)幾種甚至十幾種，在傳輸路徑受限的場景中可能會共用傳輸通道。本文設(shè)計(jì)了一種基于光學(xué)波分復(fù)用的本振、時(shí)鐘信號遠(yuǎn)距離光傳輸方案，通過射頻光學(xué)調(diào)制將2路時(shí)鐘信號和2路本振信號調(diào)制到不同的光波長上，再利用波分復(fù)用技術(shù)將4路信號通過一根光纖傳輸至1000m遠(yuǎn)的接收端，接收端的波分解復(fù)用、光電探測器和低噪聲放大器將4路信號分路并還原輸出，實(shí)現(xiàn)了時(shí)鐘、本振信號混合光纖傳輸?shù)墓δ堋?/p>
1 ?系統(tǒng)設(shè)計(jì)
我們針對某種X波段雷達(dá)的天線陣面需求，設(shè)計(jì)了一種可同時(shí)傳輸2路時(shí)鐘和2路本振的光纖傳輸系統(tǒng)。如圖1所示，4路信號分別由不同的激光調(diào)制加載到λ1→λ4光波長上，在通過波分復(fù)用合成至一根光纖傳輸至天線陣面。在陣面上，先由波分解復(fù)用將4個(gè)波長分開，分別進(jìn)行光解調(diào)放大，還原輸出初始的時(shí)鐘和本振信號。在此過程中，根據(jù)傳輸信號的頻率和實(shí)際工作的環(huán)境，可選擇不同的波長間隔和波分復(fù)用類型，以保證信號之間的隔離度和減小波長隨溫度漂移帶來的影響。同時(shí)，若傳輸路徑中由于波分復(fù)用/解復(fù)用或連接器節(jié)點(diǎn)導(dǎo)致光衰減過大，可在鏈路中適當(dāng)位置加入光纖放大器來進(jìn)行增益補(bǔ)償。
對于時(shí)鐘和本振信號傳輸，關(guān)注的指標(biāo)主要是增益、相位噪聲、諧波和雜散等。增益可以通過放大器進(jìn)行補(bǔ)償，而對于激光調(diào)制諧波主要表現(xiàn)為三次諧波，雜散在信號處理過程中亦有辦法進(jìn)行抑制。相位噪聲則直接影響到雷達(dá)的探測距離等戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)，在實(shí)際使用中尤為重要，因此本文主要關(guān)注該系統(tǒng)對于時(shí)鐘和本振信號的相位噪聲的影響。
2 ?實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及測試結(jié)果
根據(jù)圖1，我們建立了一個(gè)時(shí)鐘、本振信號混合光傳輸?shù)南到y(tǒng)。根據(jù)某雷達(dá)實(shí)際需求，選取所傳輸?shù)臅r(shí)鐘信號分別為100MHz和1GHz，本振信號分別為5GHz和15GHz，本振源用安捷倫8257D信號源代替，射頻輸出功率統(tǒng)一設(shè)定為9dBm，相位噪聲測量使用安捷倫5052B信號源分析儀。系統(tǒng)采用激光外調(diào)制方式，激光器（Emcore-1782）輸出功率為60mW，光波長為ITU通道CH52～CH46，通道間隔為200GHz，光纖傳輸通道總長度為1000m。在解調(diào)接收端，光電探測器（U2t-2140R）后加入了射頻低噪聲放大器，用來補(bǔ)償光傳輸鏈路的射頻損耗，最終整個(gè)系統(tǒng)的射頻增益控制在±2dB左右。
我們首先測試了信號源輸出的信號相位噪聲，然后將光傳輸系統(tǒng)接入，通過二者之間的比較，進(jìn)而獲得光傳輸系統(tǒng)對于相位噪聲的影響。我們進(jìn)行了三種情況下的對比試驗(yàn)，分別是光纖傳輸與電纜傳輸對比，傳輸鏈路中光纖連接器數(shù)量多少的對比，以及不同調(diào)制偏置控制方法的對比。
2.1 光纖傳輸與電纜傳輸
電纜傳輸有別于光纖傳輸?shù)牡胤皆谟谄洳粫砀郊酉嘣?但其缺點(diǎn)是傳輸距離較長時(shí)傳輸損耗較大，同時(shí)傳輸線會占用很大的體積和重量。我們通過比較試驗(yàn)，能夠看到低頻和高頻情況下兩種傳輸方式的相位噪聲變化情況，對系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。圖2顯示的是四種信號分別通過光纖傳輸（1000m）和電纜傳輸（10m）的相位噪聲比較，同時(shí)也與信號源輸出相位噪聲做了對比。
可以看到，由于光鏈路附加噪聲的存在，光鏈路傳輸所帶來的相位噪聲惡化要大于電纜傳輸，在低頻信號傳輸表現(xiàn)得尤為明顯。對于高頻信號，近端相位噪聲惡化幾乎可以忽略，遠(yuǎn)端（≥1MHz）惡化逐漸顯現(xiàn)。通常來說，近端相位噪聲性能對系統(tǒng)的影響要遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)端，因此設(shè)計(jì)者認(rèn)為這些結(jié)果可以滿足絕大部分系統(tǒng)需求。
2.2 多級光纖連接器的影響
在真實(shí)的傳輸鏈路中，設(shè)備或機(jī)柜之間的連接不可避免光纖連接器的存在，由于連接點(diǎn)帶來的回波同樣是影響相位噪聲的因素之一。我們通過多段光纜的連接來模擬實(shí)際的傳輸鏈路，以此來判斷該因素的影響。試驗(yàn)中采用了8段多芯光纜（每段光纜長度大約5m），連接器采用J599型8芯連接器（回波損耗≤-40dB，每對連接器的損耗約為0.4dB），這也是常見的機(jī)柜間連接方式。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，隨著光纜段數(shù)即光纖連接器的增加，傳輸鏈路的相位噪聲并沒有明顯劣化，幾乎不會對光傳輸鏈路性能造成實(shí)質(zhì)性的影響。
2.3 調(diào)制偏置方式的選擇
圖2和圖3中，光鏈路傳輸?shù)南辔辉肼暻€在1kHz附近出現(xiàn)了多個(gè)峰值，這是由于目前普遍采用的電光調(diào)制器偏置點(diǎn)控制方式引入了1kHz的引導(dǎo)頻率。我們隨后改進(jìn)了電光調(diào)制器的偏置點(diǎn)控制方式，用功率控制代替了導(dǎo)頻控制，從而消除了相位噪聲曲線上的多個(gè)峰值。以1GHz的信號為例，功率控制方式獲得的相位噪聲曲線如圖4所示，與圖2（b）相比，這種方法有效的消除了1GHz附近的諸多峰值。
3 ?結(jié)語
本文提出了一種基于微波光傳輸?shù)臅r(shí)鐘、本振信號混合傳輸系統(tǒng)，解決了遠(yuǎn)距離、高頻微波信號的傳輸損耗問題。通過試驗(yàn)驗(yàn)證了光纖傳輸系統(tǒng)的性能，模擬了實(shí)際裝備中多級連接器的情況，所獲得的結(jié)果滿足當(dāng)前絕大多數(shù)系統(tǒng)的需求，為當(dāng)前需要信號遠(yuǎn)距離傳輸?shù)难b備研制提供了一種可行的解決方案。
參考文獻(xiàn)
[1] 吳曼青.數(shù)字陣列雷達(dá)的發(fā)展與構(gòu)想[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2008，6（6）：401-405.
[2] 孫國強(qiáng).無人值守雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2018，39（1）：34-36.
[3] J.-F. CLICHE， B. SHILLUE. Precision timing control for radioastronomy： Maintaining femtosecond synchronization in the Atacama Large Millimeter Array[J]. Control Systems IEEE，2006，26（1）：19-26.
[4] 吳曼青，曹銳，陶小輝，等.世界最大綜合孔徑望遠(yuǎn)鏡SKA低頻數(shù)字陣列系統(tǒng)研究[J].中國科學(xué)：信息科學(xué)，2015，45（12）：1600-1614.
[5] 商建明.光纖鎖模激光器及其在光纖頻率傳遞中的應(yīng)用研究[D].北京郵電大學(xué)，2019.
