齊苗苗, 林平衛(wèi), 潘家榮, 蔣志遠(yuǎn)

(1. 中國計(jì)量大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,浙江 杭州 310018； 2. 中國計(jì)量科學(xué)研究院, 北京 100029)

1 引 言

時(shí)間頻率是當(dāng)代人類測(cè)量精度最高的物理量,其直接測(cè)量精度相比其它物理量要高4個(gè)數(shù)量級(jí)以上。因此,在一些前沿物理測(cè)量實(shí)驗(yàn)中會(huì)盡可能將其他物理量轉(zhuǎn)化成時(shí)間頻率進(jìn)行測(cè)量[1]。時(shí)間頻率技術(shù)現(xiàn)已在多個(gè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用,例如交通運(yùn)輸、農(nóng)林漁業(yè)、水文監(jiān)測(cè)、氣象測(cè)報(bào)、通信授時(shí)、公共安全等[2,3],極大地方便了人們生活、促進(jìn)了社會(huì)發(fā)展。目前，已經(jīng)有美國的全球定位系統(tǒng)GPS、俄羅斯GLONASS以及歐盟的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等。我國則在今年全面建成了北斗三號(hào)系統(tǒng)，為全球用戶提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)。對(duì)于現(xiàn)代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)而言,時(shí)間頻率是其核心基礎(chǔ)之一。發(fā)展獨(dú)立自主的時(shí)間頻率系統(tǒng)不僅僅是滿足人們?nèi)粘Ｐ枰?更是我國建設(shè)獨(dú)立強(qiáng)國的抉擇,有無時(shí)間頻率系統(tǒng)及其性能高低,是國家科技綜合實(shí)力的體現(xiàn),是一種大國地位的競(jìng)爭(zhēng),更是一種戰(zhàn)略制高點(diǎn)的爭(zhēng)奪[4]。

隨著高精度原子鐘的飛速發(fā)展,頻率穩(wěn)定度在10-16/s量級(jí)的頻率振蕩器及頻率不確定度在10-18量級(jí)的光鐘相繼出現(xiàn),現(xiàn)有的時(shí)間頻率傳輸和同步技術(shù)已無法滿足此類高精度原子鐘時(shí)間頻率比對(duì)的需求,亟需發(fā)展具有更高精度的時(shí)間頻率傳輸與同步方法[5,6]。光纖憑借其高可靠性、高穩(wěn)定性、高精度以及低損耗等優(yōu)點(diǎn)脫穎而出,逐漸發(fā)展成為一種新型的時(shí)頻傳遞介質(zhì)[7]。

目前現(xiàn)有的光纖時(shí)頻傳輸技術(shù)主要有3種：一是精度最高的光纖光頻傳遞,可以滿足高精度光鐘的頻率傳遞需求,由于電子學(xué)設(shè)備無法直接解調(diào)使用光頻段信號(hào),因此實(shí)際操作有困難；二是基于飛秒光纖光學(xué)頻率梳的光纖時(shí)頻傳遞,由于該技術(shù)發(fā)展時(shí)間短,目前主要處在實(shí)驗(yàn)測(cè)試階段；三是光纖微波時(shí)頻傳遞,其傳遞精度沒有光頻傳遞高,但完全可以滿足現(xiàn)有的微波原子頻標(biāo)信號(hào)的傳遞需求,并且微波傳遞發(fā)展時(shí)間長，易長距離傳輸，成本較低且應(yīng)用范圍廣[8]。本文主要綜述光纖微波時(shí)頻傳遞,其基本原理是將光波作為載波,通過電光調(diào)制技術(shù)將時(shí)間頻率信號(hào)調(diào)制到激光上,通過光纖進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。

近年來,國內(nèi)外研究人員在光纖微波時(shí)頻傳遞方面做了大量的理論及應(yīng)用研究,例如法國巴黎天文臺(tái)[9]、澳大利亞國家計(jì)量研究院[10,11],國內(nèi)中國計(jì)量科學(xué)研究院[12]、上海光機(jī)所[13]、清華大學(xué)[14]、北京大學(xué)[15]、上海交通大學(xué)[16]、北京郵電大學(xué)[17,18]等多家科研機(jī)構(gòu)和學(xué)校都進(jìn)行了光纖微波時(shí)頻傳遞研究。

本文從實(shí)際工程可行性應(yīng)用的角度,綜述了光纖微波在時(shí)間傳遞、頻率傳遞、時(shí)頻一體化傳遞3個(gè)方面國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀,分析現(xiàn)階段存在的問題以及未來的發(fā)展趨勢(shì)。

2 基本原理

2.1 時(shí)間同步技術(shù)原理

光纖微波時(shí)間同步技術(shù)原理：主站參考標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖(pulse per second, PPS)時(shí)間信號(hào)產(chǎn)生編碼信號(hào),通過電光調(diào)制器(EOM,electro-optic modulator)將編碼信號(hào)加載到光載波上,經(jīng)光纖鏈路傳遞至從站,從站接收到激光信號(hào)后,通過光電探測(cè)器(PD,photoelectric detector)恢復(fù)出編碼信號(hào),解碼恢復(fù)得到1 PPS信號(hào)；再測(cè)量主站與從站之間的光纖傳輸時(shí)延,通過時(shí)延補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。目前微波時(shí)間同步技術(shù)主要通過環(huán)回和雙向比對(duì)兩種方式來實(shí)現(xiàn)。

2.1.1 環(huán)回法

環(huán)回法(round-trip)是完成主站與從站之間時(shí)間傳遞的常用方法,通過測(cè)量主站A到從站B再到主站A的往返時(shí)延,取環(huán)路延時(shí)的一半作為主從站間的單程時(shí)延,通過補(bǔ)償從站B時(shí)鐘使得與主站A時(shí)間同步。環(huán)回法原理如圖1所示[19,20]。

圖1 環(huán)回法原理圖Fig.1 Principle block diagram of round-trip

圖中TA、TB分別表示主站和從站原子鐘輸出時(shí)間,TAEO、TBEO分別為主站和從站的電光延時(shí),TAOE、TBOE分別為主站和從站的光電延時(shí),TASO、TBSO分別為主站和從站的發(fā)送光處理延時(shí),TARO、TBRO分別為主站和從站的接收光路產(chǎn)生的延時(shí),TAB表示主站到從站的光纖傳輸時(shí)延,TBA表示從站到主站的光纖傳輸時(shí)延,TC表示主站時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器所測(cè)得的時(shí)間。

則:

TC=TAEO+TASO+TAB+TBRO+TBOE+

TAOE+TARO+TBA+TBSO+TBEO

(1)

基于環(huán)回法鏈路時(shí)延對(duì)稱的思想,可得主站與從站間的單程時(shí)延τ為時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器的一半,即：

τ=TC/2

(2)

但實(shí)際系統(tǒng)時(shí)延并不完全對(duì)稱,尤其當(dāng)往返波長間隔較大時(shí),系統(tǒng)相對(duì)誤差會(huì)隨著光纖的長度而累積,從而導(dǎo)致時(shí)間信號(hào)傳遞比對(duì)精度降低。如在G.625光纖中傳輸1 000 km,工作波長λ1為 1 550.12 nm,λ2為1 550.52 nm,來回光纖鏈路所產(chǎn)生的授時(shí)誤差約為3.3 ns；當(dāng)波長λ1取1 310 nm,λ2取1 550 ns時(shí),誤差增加到1 070 nm[21]。因此,通常選用間隔較小的波長進(jìn)行傳輸實(shí)驗(yàn)。近年來,隨著環(huán)回法技術(shù)的不斷革新,為保證系統(tǒng)時(shí)延對(duì)稱性,利用時(shí)分復(fù)用技術(shù)進(jìn)行單纖雙向同波長信號(hào)傳輸?shù)耐郊夹g(shù)漸漸發(fā)展起來。

2.1.2 雙向比對(duì)法

與環(huán)回法不同的是,雙向比對(duì)法是利用時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器來直接測(cè)量本地端時(shí)間與接收到的另一端發(fā)送時(shí)間的時(shí)間差,根據(jù)該值可以計(jì)算出兩地的鐘差,再以其中一端鐘源為基準(zhǔn)對(duì)另一端鐘源進(jìn)行調(diào)整,實(shí)現(xiàn)兩地的時(shí)間同步。雙向比對(duì)法分為雙纖雙向時(shí)間同步和單纖雙向時(shí)間同步,由于雙纖雙向傳輸實(shí)驗(yàn)同步精度很低,實(shí)際工程應(yīng)用較少,因此主要討論單纖雙向時(shí)間同步技術(shù),根據(jù)工作波長是否相同又將單纖雙向時(shí)間同步技術(shù)分為雙向波分復(fù)用技術(shù)(wavelength division multiplexing,WDM)和雙向時(shí)分復(fù)用技術(shù)(time division multiplexing,TDM)。

雙向波分復(fù)用技術(shù)同步原理如圖2所示[22]。主站A向從站B發(fā)送波長λ1的時(shí)間信號(hào),時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器1開始計(jì)時(shí)；同時(shí),從站B向主站A發(fā)送波長λ2的時(shí)間信號(hào),時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器2開始計(jì)時(shí)。當(dāng)主站A時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器1接收到從站B傳來的信號(hào)時(shí)停止計(jì)時(shí)；同樣地當(dāng)從站B時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器2接收到主站A傳來的信號(hào)時(shí)停止計(jì)時(shí)。

圖2 雙向波分復(fù)用時(shí)間同步原理圖Fig.2 Principle diagram of time synchronization for WDM

此時(shí),主站A時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器1的計(jì)算結(jié)果為：

T1=TAOE+TARO+TBA+TBSO+TBEO+(TA-TB)

(3)

從站B時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器2的計(jì)算結(jié)果為：

T2=TBOE+TBRO+TAB+TASO+TAEO-(TA-TB)

(4)

式中：T1、T2分別表示主站A、從站B兩站的時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器所測(cè)得的時(shí)間時(shí)間間隔。則兩地鐘差為:

ΔT=TA-TB

(5)

全程雖采用一根光纖進(jìn)行傳輸,但由于往返波長不同因此光纖鏈路并不完全對(duì)稱。假設(shè)TAB=TBA,式(5)可以簡(jiǎn)化為：

(TASO-TBSO)+(TAEO-TBEO)]

(6)

由式(6)可以得到主站與從站之間的鐘差,對(duì)從站進(jìn)行時(shí)延補(bǔ)償,從而實(shí)現(xiàn)兩地時(shí)間同步。

時(shí)分復(fù)用技術(shù)使用相同波長的光信號(hào)進(jìn)行傳輸,此時(shí)光纖鏈路完全對(duì)稱,傳輸精度相對(duì)波分復(fù)用要高,其原理如圖3所示[23]。主站A和從站B輪流交替的向光纖鏈路傳輸相同波長的光信號(hào),為了避免光波沖突,在從站B處加入時(shí)延調(diào)整裝置,從站B在發(fā)送信號(hào)前先進(jìn)行時(shí)延調(diào)整,從而保證在任意時(shí)刻光纖鏈路中只有單路光信號(hào)。

圖3 雙向時(shí)分復(fù)用時(shí)間同步原理圖Fig.3 Principle diagram of time synchronization for TDM

主站A時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器1的計(jì)算結(jié)果為：

T1=ΔT+τREA+τBA+τTXB+τd

(7)

從站B時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器2的計(jì)算結(jié)果為：

T2=-ΔT+τREB+τAB+τTXA

(8)

式中：τAB、τBA分別為從A到B和從B到A的光纖傳輸時(shí)延；τTXA、τTXB分別為主站和從站的發(fā)射時(shí)延；τREA、τREB分別為主站和從站的接收時(shí)延；τd表示時(shí)間間隔計(jì)時(shí)器3測(cè)量的從站B傳輸信號(hào)前的時(shí)延值；ΔT表示主站A與從站B之間的鐘差。

由式(7)、式(8)得：

(τTXA-τTXB)+(τREB-τREA)]

(9)

根據(jù)時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器的結(jié)果計(jì)算得出鐘差,再以一端鐘源為基準(zhǔn)對(duì)另一端鐘源進(jìn)行調(diào)整,實(shí)現(xiàn)兩地時(shí)間同步。

以上4種方法,環(huán)回法傳遞系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單,由于全程只有主站一個(gè)鐘源,主站與從站相互之間不需要通信,基于環(huán)回法的時(shí)分復(fù)用技術(shù)波道占用少,傳遞精度高。雙向波分復(fù)用技術(shù)擴(kuò)容性強(qiáng),可以在同一根光纖中傳輸特性完全不同的信號(hào)。時(shí)分復(fù)用同步技術(shù)則有效避免了色散效應(yīng)引起的鏈路不對(duì)稱問題,同時(shí)抑制了后向散射噪聲的影響,從長期發(fā)展來看,時(shí)分復(fù)用的工程應(yīng)用前景更廣。

2.2 頻率同步技術(shù)原理

光纖微波頻率傳遞指發(fā)射端用直接調(diào)制或者間接調(diào)制的方式將需要傳遞的微波信號(hào)調(diào)制到光載波上,通過單模光纖將其進(jìn)行傳輸,在接收端利用PD解調(diào)出所需要的微波信號(hào)[24]。其中直接調(diào)制指的是對(duì)激光器的調(diào)制,間接調(diào)制指對(duì)外部EOM的調(diào)制。當(dāng)信號(hào)在光纖鏈路傳輸時(shí)難免受到外界環(huán)境的干擾而導(dǎo)致相位抖動(dòng),因此頻率同步最核心的任務(wù)是補(bǔ)償鏈路相位噪聲。其中最基本的方法是往返傳輸補(bǔ)償法,原理圖如圖4所示[25]。

圖4 往返傳輸補(bǔ)償法Fig.4 Round-trip transmission method

其中信號(hào)源的原始相位為φ0,經(jīng)過光纖鏈路往返傳遞后,通過相位比對(duì)得到相位的變化量為2Δφ。由于往返鏈路是同一根光纖,假設(shè)往返相位變化量相同,在傳輸之前先對(duì)本地端傳遞信號(hào)進(jìn)行-Δφ的預(yù)補(bǔ)償,使得在遠(yuǎn)地端接收到的信號(hào)相位φremote與原始相位φ0相同,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖頻率傳遞過程相位噪聲的實(shí)時(shí)補(bǔ)償。在往返傳輸補(bǔ)償法的基礎(chǔ)上,按補(bǔ)償方式分類,可以分為被動(dòng)相位噪聲補(bǔ)償法和主動(dòng)相位噪聲補(bǔ)償法。

2.2.1 被動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)

被動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)基本原理是首先將參考信號(hào)進(jìn)行倍頻處理,再將回傳信號(hào)與之進(jìn)行多次混頻,使其與鏈路相位噪聲發(fā)生理論上的共軛關(guān)系,混頻后再傳入光纖補(bǔ)償鏈路中的擾動(dòng)。圖5為利用被動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)補(bǔ)償光纖鏈路相位噪聲的典型原理圖[26]。

圖5 被動(dòng)補(bǔ)償法Fig.5 Passive compensation

近地端初始標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)V1為：

V1∝cos(ωst+φs)

(10)

式中：ωs、φs分別表示初始信號(hào)的角頻率和相位。標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)功分器一分為二,一部分經(jīng)過EOM將信號(hào)調(diào)制到光載波上通過光纖傳輸,遠(yuǎn)地端接收到的信號(hào)為：

V2∝cos(ωst+φs+φp)

(11)

式中：φp是經(jīng)光纖傳輸引入的相位擾動(dòng)。由于是同一根光纖,因此由遠(yuǎn)地端回傳到本地端的信號(hào)為：

V3∝cos(ωst+φs+2φp)

(12)

本地端的另一部分信號(hào)經(jīng)過三倍頻器后：

V4∝cos(3ωst+3φs)

(13)

將V3和V4混頻得到：

V5∝cos(2ωst+2φs-2φp)

(14)

將混頻后的信號(hào)由EOM調(diào)制到光載波上再次進(jìn)入光纖鏈路,此時(shí)遠(yuǎn)地端接收到的信號(hào)相位誤差已經(jīng)抵消,頻率是原來的一倍,經(jīng)過二分頻器得到：

V6∝cos(ωst+φs)

(15)

最后,遠(yuǎn)地端接收到的信號(hào)將會(huì)和原始信號(hào)一致,實(shí)現(xiàn)近地端與遠(yuǎn)地端頻率同步。因被動(dòng)補(bǔ)償法全程不涉及任何主動(dòng)補(bǔ)償器件,沒有反饋控制等復(fù)雜的電子線路,因此具有補(bǔ)償速度快、補(bǔ)償范圍大的優(yōu)勢(shì)。

被動(dòng)補(bǔ)償法系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,不需要對(duì)鏈路進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償,基于相位共軛法自動(dòng)補(bǔ)償鏈路相位擾動(dòng)。缺點(diǎn)在于隨著光纖鏈路的加長,被動(dòng)系統(tǒng)中的漂移會(huì)慢慢累積,導(dǎo)致無法及時(shí)被動(dòng)補(bǔ)償。因此精度較低,長期穩(wěn)定度差,只適用于短距離傳輸。

2.2.2 主動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)

主動(dòng)相位噪聲補(bǔ)償技術(shù)是一種通過主動(dòng)補(bǔ)償器件補(bǔ)償光纖內(nèi)信號(hào)相位抖動(dòng)的技術(shù),由往返傳輸信號(hào)和發(fā)送信號(hào)鑒相提取出來的相位誤差信號(hào)反饋給主動(dòng)補(bǔ)償器件,控制補(bǔ)償器件的某個(gè)參數(shù),形成反饋環(huán)路,從而補(bǔ)償由于外界擾動(dòng)導(dǎo)致的信號(hào)相位抖動(dòng)[27]。根據(jù)補(bǔ)償執(zhí)行元件的位置不同可以分為光學(xué)相位補(bǔ)償法和電學(xué)相位補(bǔ)償法。

光學(xué)相位補(bǔ)償,其補(bǔ)償執(zhí)行機(jī)構(gòu)是光纖,光控過程如圖6所示,本地信號(hào)與往返信號(hào)經(jīng)過鑒相器得到誤差信號(hào),誤差信號(hào)進(jìn)入光學(xué)控制單元,進(jìn)而控制光學(xué)執(zhí)行單元,形成反饋環(huán)路來補(bǔ)償光纖鏈路中信號(hào)的相位抖動(dòng),常用的方法有溫控光纖卷軸、壓電陶瓷光纖延遲線和電控可調(diào)光延時(shí)線等。

圖6 光學(xué)補(bǔ)償法Fig.6 Optical compensation

采用該方法進(jìn)行相位補(bǔ)償具有一個(gè)很明顯的缺陷,溫控光纖的長度會(huì)隨著傳輸距離的增加而延長,這樣不僅使補(bǔ)償速度更慢,同時(shí)增加了光功率損失,惡化了信號(hào)的信噪比。因此不適合長距離傳輸。

另一種是電學(xué)相位補(bǔ)償,原理圖如圖7所示。該方法依靠電路系統(tǒng)完成本地端發(fā)射信號(hào)的相對(duì)原子鐘信號(hào)鎖定后的相位預(yù)補(bǔ)償,同樣由鑒相器得到誤差信號(hào),誤差信號(hào)通過相位噪聲補(bǔ)償單元,控制壓控振蕩器(voltage controlled oscillator, VCO)形成反饋環(huán)路補(bǔ)償由于外界擾動(dòng)導(dǎo)致的信號(hào)相位抖動(dòng)。由于整個(gè)過程不涉及任何光學(xué)元件,因此電學(xué)相位補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本相對(duì)較低。常用的方法有PID控制電路、鎖相環(huán)等。

圖7 電學(xué)補(bǔ)償法Fig.7 Electrical compensation

3 研究進(jìn)展

在光纖頻率傳遞方面,2008年法國物理激光實(shí)驗(yàn)室(LPL)利用城市光纖進(jìn)行了1 GHz射頻信號(hào)的遠(yuǎn)端分配實(shí)驗(yàn),傳輸距離為86 km,通過采用壓電陶瓷和光纖溫控聯(lián)合的光延遲控制方式來補(bǔ)償,其中納秒量級(jí)的大動(dòng)態(tài)范圍由溫控光纖卷進(jìn)行慢速補(bǔ)償,皮秒量級(jí)的小動(dòng)態(tài)范圍由光纖拉伸器進(jìn)行快速補(bǔ)償[28]。補(bǔ)償后的系統(tǒng)頻率穩(wěn)定度為5×10-15@1s和2×10-18@day。2009年,日本信息與通信研究所(NICT)提出了采用壓控振蕩器的電域相位補(bǔ)償方法[29]。在114 km的城市光纖進(jìn)行了1 GHz射頻信號(hào)傳輸實(shí)驗(yàn),補(bǔ)償后系統(tǒng)的天穩(wěn)定度達(dá)到了10-18量級(jí)[30]。國內(nèi),2019年北京郵電大學(xué)胡帆、喬耀軍等[31]設(shè)計(jì)的頻率傳輸系統(tǒng)采用主動(dòng)補(bǔ)償和被動(dòng)補(bǔ)償相結(jié)合的方法實(shí)時(shí)補(bǔ)償信號(hào)在光纖傳輸中引入的相位抖動(dòng),本地端是無源的被動(dòng)補(bǔ)償結(jié)構(gòu),遠(yuǎn)地端采用的是基于鎖相環(huán)的主動(dòng)補(bǔ)償結(jié)構(gòu),在2.4 GHz微波直接強(qiáng)度調(diào)制光載波傳輸1 007 km光纖鏈路,短期穩(wěn)定度為8.2×10-14@1 s,長期穩(wěn)定度為 7.88×1 0-17@104s,比同期研究結(jié)果提升了半個(gè)數(shù)量級(jí),并且更適合長距離頻率傳遞。

在光纖時(shí)間傳遞方面,2016年吳龜靈等[32]利用自主改進(jìn)的IRIG-B 時(shí)間碼、編碼器和解碼器,采用雙向時(shí)分復(fù)用技術(shù),進(jìn)行同纖同波傳輸實(shí)驗(yàn),在2 000 km的光纖鏈路上,實(shí)現(xiàn)了時(shí)間傳遞穩(wěn)定度優(yōu)于89 ps@1s和23 ps@105s超長距離高精度雙向傳輸。此外,中國科學(xué)院國家授時(shí)中心陳法喜團(tuán)隊(duì)做了大量研究,2017年周旭等[33]在環(huán)回法的基礎(chǔ)上,采用時(shí)分復(fù)用和光中繼的方案,實(shí)現(xiàn)了單纖同波長信號(hào)的長距離高精度時(shí)間同步。其中光纖時(shí)延采用兩段式調(diào)節(jié)技術(shù),即現(xiàn)場(chǎng)可編輯門陣列(field programmable gate array,FPGA)時(shí)鐘整周期倍的時(shí)延通過FPGA進(jìn)行粗調(diào),非整周期倍的時(shí)延通過鎖相環(huán)進(jìn)行細(xì)調(diào)。在112 km的實(shí)地光纖測(cè)得時(shí)間同步精度為100 ps@1 s,穩(wěn)定度為5 ps@103s。

不論是時(shí)間傳遞系統(tǒng)還是頻率傳遞系統(tǒng),都只能滿足某方面的單一需求,系統(tǒng)的應(yīng)用范圍局限性較大。隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、深空探測(cè)的快速發(fā)展,要求系統(tǒng)需要同時(shí)滿足頻率同步和時(shí)間同步,因此研究高精度的時(shí)間和頻率同時(shí)傳遞系統(tǒng)具有重要的科研價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。

目前時(shí)頻同時(shí)傳遞的方法有兩種,一種是將時(shí)間信號(hào)和頻率信號(hào)分別調(diào)制到不同信道,然后再利用波分復(fù)用技術(shù)進(jìn)行時(shí)間信號(hào)和頻率信號(hào)的同時(shí)傳輸[34]。2014年清華大學(xué)和中國計(jì)量科學(xué)研究院在兩地往返80 km的商用光纖鏈路上用這種方法實(shí)現(xiàn)了時(shí)間和頻率同時(shí)傳輸與同步實(shí)驗(yàn)[35,36],在本地端主動(dòng)探測(cè)光纖傳輸過程中引起的的相位噪聲和時(shí)間延遲,并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償,獲得了7×10-15@1 s和 5×10-19@day的頻率傳輸穩(wěn)定度結(jié)果,實(shí)現(xiàn)±50 ps的時(shí)間同步穩(wěn)定度指標(biāo)。該系統(tǒng)完成了可多點(diǎn)下載的頻率接收系統(tǒng),為時(shí)頻一體化傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)化建設(shè)提供了有利保障。

另一種方法是將時(shí)間信號(hào)嵌入到頻率信號(hào)中在同一信道進(jìn)行一體化傳輸。2013年波蘭Krehlik等[37]提出一種改變頻率信號(hào)波形占空比的嵌入方法,并研發(fā)了專用的1 PPS嵌入器和檢測(cè)器,利用壓控電延遲芯片同時(shí)對(duì)時(shí)間信號(hào)和頻率信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)整。在60 km的光纖測(cè)試中,頻率傳輸穩(wěn)定度達(dá)到1.2×10-17@105s；時(shí)間傳遞穩(wěn)定度達(dá)到了4.5 ps@100 s和0.3 ps@105s。

2019年中國計(jì)量科學(xué)研究院林平衛(wèi)結(jié)合雙混頻時(shí)差測(cè)量技術(shù)[38]提出了一種高精度時(shí)頻一體化傳輸方案,采用同纖同波分時(shí)傳輸?shù)姆椒▽?shí)現(xiàn)頻率傳輸和時(shí)間同步。整個(gè)一體化傳輸方案分為3個(gè)過程:首先采用電學(xué)相位補(bǔ)償法補(bǔ)償光纖鏈路相位噪聲,實(shí)現(xiàn)本地端和遠(yuǎn)地端的正弦波相位一致；其次采用環(huán)回法與時(shí)分復(fù)用相結(jié)合的方法,實(shí)現(xiàn)時(shí)間信號(hào)的初步同步,同時(shí)獲得初步同步秒脈沖信號(hào)；最后遠(yuǎn)地端在接收的正弦波信號(hào)過零點(diǎn)處生成一系列脈沖信號(hào),找出與初步同步秒脈沖信號(hào)最接近的作為遠(yuǎn)地端標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào),實(shí)現(xiàn)兩地時(shí)刻精準(zhǔn)同步[39],從而完成高精度時(shí)頻一體化傳輸。該方法比現(xiàn)有同步技術(shù)精度要提高1個(gè)量級(jí),尤其在時(shí)刻同步方面,同時(shí)解決了長距離傳輸時(shí)系統(tǒng)精度顯著下降的問題,具有廣泛的應(yīng)用前景。

4 結(jié) 論

本文討論了光纖微波時(shí)頻傳遞在時(shí)間傳遞、頻率傳遞的各種方法,介紹了時(shí)頻一體化傳遞新技術(shù)。實(shí)踐證明了光纖在高精度時(shí)頻傳輸方面的優(yōu)勢(shì),其中應(yīng)用范圍最廣的微波時(shí)頻傳遞中頻率傳遞技術(shù)發(fā)展相對(duì)成熟,而高精度時(shí)間同步技術(shù)目前同步水平與實(shí)際應(yīng)用還有一定差距。社會(huì)的快速發(fā)展對(duì)光纖時(shí)頻一體化同步技術(shù)提出更高的要求以及更高的標(biāo)準(zhǔn),需要不斷創(chuàng)新。從長期來看,點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳遞、單一時(shí)間傳遞和單一頻率傳遞局限性較大,無法滿足各種工程應(yīng)用需要,而網(wǎng)絡(luò)化、實(shí)用化、一體化的時(shí)頻傳遞技術(shù)將是領(lǐng)域未來發(fā)展的必然趨勢(shì)。