張晉鉑,胡亮,李奇,陳建平,吳龜靈
(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200240)
時(shí)間和頻率作為基本物理量,是諸多應(yīng)用領(lǐng)域的研究基礎(chǔ),例如基礎(chǔ)物理學(xué)驗(yàn)證、基于時(shí)鐘的大地測(cè)量、定位和導(dǎo)航等領(lǐng)域[1-4]。光纖憑借其損耗低、帶寬大、抗電磁干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),成為了高穩(wěn)定時(shí)頻傳遞理想介質(zhì)的選擇。目前主流頻率傳遞方案可大致分為光學(xué)頻率、光頻梳以及射頻傳遞三種[5-9]。然而,絕大多數(shù)現(xiàn)有的時(shí)間頻率傳遞系統(tǒng)只能保證在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中相位差恒定,而忽略了當(dāng)系統(tǒng)重啟或改變了系統(tǒng)鏈路長度時(shí),在重新鎖定后有可能會(huì)發(fā)生的相位差變化。這種情況無法滿足某些相干應(yīng)用的需要,比如分布式相控陣?yán)走_(dá)、射電望遠(yuǎn)鏡陣列等。這些應(yīng)用不僅需要在運(yùn)行過程中具有穩(wěn)定的相位差,而且要求多次重啟后相位差的值不發(fā)生改變[10-13],可以在不同站點(diǎn)之間提供同頻同相的參考信號(hào),實(shí)現(xiàn)更有效的相干處理[14-16]。
2020 年SI Hongwei 等提出了一種光纖絕對(duì)相位傳遞方案[17]。該方案基于相位共軛的補(bǔ)償方法,多次重啟的情況下相位波動(dòng)占一個(gè)周期的2%。但是該方案采用多級(jí)電路混頻,會(huì)引入額外的噪聲。2021 年,WU Rui 提出了一種基于時(shí)間測(cè)量的絕對(duì)相位傳遞方案,使用往返的時(shí)間差對(duì)頻率信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn),從而消除相位周期模糊度,使得相位波動(dòng)占一個(gè)完整周期的1%[18]。但是其采用了波分復(fù)用的方案進(jìn)行傳遞,時(shí)間信號(hào)與頻率信號(hào)使用不同的光波長進(jìn)行傳輸,這會(huì)導(dǎo)致傳輸信號(hào)時(shí)延出現(xiàn)差異,使得時(shí)間信號(hào)測(cè)量得到的鏈路時(shí)延不能準(zhǔn)確反映出頻率信號(hào)通過的時(shí)延,需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)雜的標(biāo)定。
本文提出一種基于可調(diào)光延遲線的光纖微波頻率絕對(duì)相位傳遞方案。該方案充分利用時(shí)間信號(hào)的往返傳輸延時(shí)來確定頻率信號(hào)相位的整數(shù)個(gè)周期,結(jié)合對(duì)微波頻率的高精度相位測(cè)量,在系統(tǒng)多次關(guān)機(jī)重啟的情況下,能夠在遠(yuǎn)端獲得與本地端信號(hào)相位差固定的微波頻率信號(hào)。由于方案采用窄帶的聲表面波濾波器的輸出信號(hào)[19-20]作為時(shí)間測(cè)量信號(hào),可以通過頻分復(fù)用方式將時(shí)間信號(hào)與微波頻率信號(hào)耦合在同一個(gè)波長信道中進(jìn)行傳輸,從而避免了在不同波長傳輸引入的時(shí)延差等問題。相較于其它時(shí)間頻率同傳方式[21-23],該方案系統(tǒng)更加簡單,無需采用多種調(diào)制方式,也不直接對(duì)1PPS 信號(hào)進(jìn)行調(diào)制,采用窄帶濾波器即可將時(shí)間信號(hào)與微波頻率信號(hào)分離使其互不影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)系統(tǒng)經(jīng)歷多次重啟,相位差的波動(dòng)在0.008 rad 左右,約占一個(gè)周期的0.15%,可保證較高的相位一致性。
通過使用聲表面波濾波器的輸出信號(hào)作為時(shí)間信號(hào)計(jì)算得到鏈路時(shí)延,其原理如圖1。首先在預(yù)處理階段使用雪崩三極管將1PPS 信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào),其電路如圖2。
圖1 時(shí)間信號(hào)產(chǎn)生及測(cè)量原理Fig. 1 Time signal generation and measurement principle
圖2 雪崩三極管脈沖產(chǎn)生電路圖Fig. 2 Circuit diagram of pulse generation using avalanche triode
在輸入端,電容C1與電阻R1構(gòu)成了一個(gè)RC 微分電路。在沒有觸發(fā)脈沖時(shí),雪崩三極管沒有正向偏壓同時(shí)保持截止?fàn)顟B(tài),此時(shí)電源VCC 通過集電極電阻RC對(duì)電容CL進(jìn)行充電使CL的電壓等于VCC 的電壓,達(dá)到雪崩臨界狀態(tài)。當(dāng)輸入端輸入一個(gè)方波信號(hào),經(jīng)過RC 電路后觸發(fā)的電流到達(dá)基極,使三極管基極電流發(fā)生改變,三極管發(fā)生雪崩擊穿效應(yīng)產(chǎn)生突然增加的雪崩電流,儲(chǔ)能電容CL通過負(fù)載電阻RL進(jìn)行放電。CL儲(chǔ)存的電荷有限,在大的雪崩電流的作用下會(huì)形成一個(gè)峰值較大,寬度較小的窄脈沖信號(hào)。由于雪崩三極管內(nèi)部電感作用,放大電流逐漸提高到峰值形成窄脈沖前端,電容上電荷逐漸放電,電流由峰值逐漸減小形成窄脈沖的后端,這樣負(fù)載電阻RL則會(huì)在每一次觸發(fā)脈沖作用下形成窄脈沖信號(hào)[24]。
得到脈沖信號(hào)后使用聲表面帶通濾波器后的信號(hào)作為時(shí)間參考信號(hào)。聲表面波濾波器的主要作用是將輸入的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為窄頻帶外高度抑制的信號(hào)。理想的帶通濾波器沖激響應(yīng)在頻域上表現(xiàn)為通帶內(nèi)為常數(shù)而通帶外為0,忽略幅值可以表示為
式中,B為濾波器的帶寬,rect()為矩形窗函數(shù)。根據(jù)傅里葉變換可得其在時(shí)域上為
最終得到的時(shí)間信號(hào)時(shí)域和頻域如圖3。由圖可知經(jīng)過聲表面波濾波器得到了一個(gè)時(shí)域上類似抽樣函數(shù)的包絡(luò)信號(hào),在頻域上表現(xiàn)為窄帶信號(hào),中心頻率為70.5 MHz,3 dB 帶寬為4 MHz。
圖3 時(shí)間信號(hào)時(shí)域及頻域結(jié)果Fig.3 Frequency domain results and time domain results of time signal
采用廣義互相關(guān)法計(jì)算時(shí)間差,將用于測(cè)量時(shí)延的兩路時(shí)間信號(hào)分別使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter, ADC)進(jìn)行采集,采集后的信號(hào)發(fā)送到現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)中進(jìn)行插值重構(gòu)以提高時(shí)間測(cè)量的精度。使用重構(gòu)后的時(shí)間信號(hào)做互相關(guān)可得
兩路信號(hào)的附加噪聲與重構(gòu)信號(hào)不相關(guān),而附加噪聲之間只有當(dāng)τ較小時(shí)才部分相關(guān),隨著τ的增大,附加噪聲的相關(guān)函數(shù)會(huì)減小,當(dāng)其值趨于0 時(shí)?(τ)取得最大值,此時(shí)對(duì)應(yīng)的τ值記為待測(cè)時(shí)延,即
由于互相關(guān)的平均效果,可以消除兩路信號(hào)中的附加噪聲成分,降低系統(tǒng)本底噪聲,提高時(shí)間測(cè)量的精度[20]。
相位自校準(zhǔn)的光纖頻率絕對(duì)相位傳遞的原理如圖4。本地端信號(hào)源用于輸出時(shí)間參考信號(hào)(Ts)和頻率基準(zhǔn)信號(hào)(Fs)。不考慮其幅度,頻率基準(zhǔn)信號(hào)可以表示為余弦函數(shù),記為
圖4 相位自校準(zhǔn)的光纖頻率絕對(duì)相位傳遞原理Fig.4 Schematic of absolute phase of radio frequency transfer on fiber with phase self-calibration
式中,ω0和φ0為待傳遞頻率信號(hào)的角頻率和初始相位。使用功分器將時(shí)間參考信號(hào)與頻率基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行合束后調(diào)制到光上,輸入到波分復(fù)用器(Wavelength Division Multiplexer, WDM)和可調(diào)光延遲線(Optical Delay Line, ODL)后經(jīng)光纖傳輸?shù)竭h(yuǎn)端。在遠(yuǎn)端經(jīng)過另一個(gè)WDM 與光電探測(cè)器后通過帶通濾波器恢復(fù)出時(shí)間信號(hào)(Tr)和頻率信號(hào)(Fr)。Fr可以表示為
式中,tf正向傳輸引入的總延時(shí),φf為鏈路正向傳輸引入總相位,根據(jù)相位與時(shí)延的關(guān)系有φf=ω0tf。tdf和tlf為光延遲線引入延時(shí)和鏈路正向傳輸引入延時(shí)。在遠(yuǎn)端將恢復(fù)的時(shí)間和頻率信號(hào)合束后調(diào)制到另一波長上,沿相同光纖鏈路發(fā)送回本地端,在本地端恢復(fù)出往返時(shí)間信號(hào)(Trt)和頻率信號(hào)(Frt)。攜帶有鏈路噪聲信息的Frt可以表示為
式中,tb為鏈路中反向傳輸引入的總延時(shí),φb是鏈路中反向傳輸引入的總相位,φb=ω0tb。tdb和tlb是鏈路中反向傳輸引入的延時(shí)和反向信號(hào)通過光延遲線引入的延時(shí),這里假設(shè)往返鏈路的正向傳輸時(shí)延等于反向傳輸時(shí)延,即tb=tf,φb=φf。因此往返的時(shí)延(ttrt)和相位(φtrt)可以表示為
在本地端,通過混頻獲得Frt和Fs之間的相位差φtrt。利用Trt和Ts得到往返的鏈路時(shí)延ttrt。由于有相位周期模糊的存在,所以得到的φtrt只是在一個(gè)周期之內(nèi)的相位差。使用所得的相位差作為誤差信號(hào)對(duì)光延遲線進(jìn)行比例-積分-微分(Proportion-Integration-Differentiation, PID)控制,當(dāng)相位補(bǔ)償裝置工作在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),有如下關(guān)系
將式(12)代入式(6)可知在遠(yuǎn)端恢復(fù)出了相位穩(wěn)定的頻率信號(hào)。
若想重啟之后保證遠(yuǎn)端微波信號(hào)相位保持不變,首先需要選取未重啟時(shí)的往返相位差為基準(zhǔn),記為φre,在系統(tǒng)多次重啟之后,期望每一次重啟有如下關(guān)系成立
此時(shí),φf可表示為
要實(shí)現(xiàn)上述功能,首先需要選擇未重啟時(shí)的往返時(shí)延作為參考基準(zhǔn),記為tre,當(dāng)ttrt=tre時(shí),φtrt=φre,此時(shí)。當(dāng)系統(tǒng)多次重啟后,若是往返時(shí)延和基準(zhǔn)時(shí)延的差(Δtrt)為偶數(shù)個(gè)頻率信號(hào)周期,即滿足
式中,T0為頻率信號(hào)的周期,m為整數(shù),且,此時(shí),意味著在一個(gè)相對(duì)周期內(nèi),無需調(diào)整。若是往返時(shí)延與基準(zhǔn)時(shí)延的差是奇數(shù)個(gè)頻率信號(hào)的周期,即Δtrt滿足
式中,m仍為整數(shù)。此時(shí)需要控制光延遲線改變鏈路時(shí)延直到Δtrt滿足式(15),可以得到
式中,φre是選定的參考基準(zhǔn),與鏈路無關(guān)且不會(huì)發(fā)生改變。這樣就實(shí)現(xiàn)了絕對(duì)相位傳遞。
根據(jù)圖4 實(shí)驗(yàn)原理圖搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。待傳遞的頻率信號(hào)為使用微波源(Rigol Inc, DSG830)產(chǎn)生的1 GHz 的信號(hào),同時(shí)將微波源的參考10 MHz 信號(hào)作為整個(gè)系統(tǒng)的頻率參考。聲表面波濾波器輸出的窄帶信號(hào)作為時(shí)間信號(hào)。將頻率基準(zhǔn)信號(hào)和時(shí)間參考信號(hào)使用功分器耦合之后,由調(diào)制到電吸收調(diào)制器的分布式反饋(Distributed-feedback, DFB)激光器(波長為λ1=1 551.72 nm,線寬為10 kHz,一天內(nèi)波長漂移小于2 pm)進(jìn)行光纖鏈路傳輸。光信號(hào)通過WDM 以及 ODL 后進(jìn)入光纖鏈路傳輸?shù)竭h(yuǎn)端,在遠(yuǎn)端通過另一個(gè)WDM 后由光電探測(cè)器(Photodetector, PD)將時(shí)間信號(hào)和頻率信號(hào)解調(diào)出來,然后分別使用中心頻率為1 GHz、帶寬為70 MHz 和中心頻率為70 MHz、帶寬為10 MHz 的兩個(gè)帶通濾波器進(jìn)行濾波,分別得到所接收的時(shí)間信號(hào)和頻率信號(hào)。同樣地,將恢復(fù)出的時(shí)間信號(hào)和頻率信號(hào)使用功分器耦合后加載到另一個(gè)內(nèi)調(diào)制的DFB 激光器(波長為λ2=1 550.12 nm)上進(jìn)行光纖反向傳輸。在本地端使用同樣的方式將時(shí)間信號(hào)以及頻率信號(hào)恢復(fù)后,使用ADC 采集回傳的時(shí)間信號(hào)和本地時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算得到鏈路往返時(shí)延。同時(shí)利用回傳的頻率信號(hào)和本地頻率基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行混頻低通濾波后得到誤差信號(hào),根據(jù)得到的誤差信號(hào)驅(qū)動(dòng)單片機(jī)控制光延遲線(補(bǔ)償速度)對(duì)鏈路進(jìn)行補(bǔ)償。
由圖3 可得,時(shí)間信號(hào)是一個(gè)中心頻率為70.5 MHz,3 dB 帶寬為4 MHz 的窄帶信號(hào),其中心頻率與頻率信號(hào)的頻率并無倍數(shù)關(guān)系,所以理論上不會(huì)影響頻率信號(hào)的傳遞。為了對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證,在10 km 鏈路上對(duì)有無時(shí)間信號(hào)的情況進(jìn)行頻率傳輸性能測(cè)試,所得結(jié)果如圖5。有時(shí)間信號(hào)時(shí),頻率穩(wěn)定度為4.95×10-14@1 s,3.21×10-17@10 000 s,之后使本地端產(chǎn)生時(shí)間信號(hào)的源停止工作,測(cè)得無時(shí)間信號(hào)時(shí)頻率穩(wěn)定度為4.01×10-14@1 s,2.16×10-17@10 000 s??梢钥闯鰰r(shí)間信號(hào)并不會(huì)影響微波頻率信號(hào)傳遞的性能。
圖5 有無時(shí)間信號(hào)時(shí)頻率傳遞性能測(cè)試結(jié)果Fig.5 Frequency transmission performance test results with or without time signal
實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下,在60 km 光纖鏈路上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。首先控制ODL 使系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài),根據(jù)本地端和遠(yuǎn)端的數(shù)據(jù)計(jì)算相對(duì)頻率穩(wěn)定度,結(jié)果如圖6。實(shí)驗(yàn)采用1 GHz 的微波信號(hào),經(jīng)過測(cè)試相位的均值為0.793 rad,在10 000 s 的時(shí)間內(nèi)測(cè)得的相位變化為0.005 rad,系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定度優(yōu)于4×10-14@1 s,5×10-17@10 000 s。與未補(bǔ)償時(shí)的鏈路相比,萬秒穩(wěn)提升了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。以上結(jié)果證明系統(tǒng)具有較好的補(bǔ)償效果。
圖6 60 km 光纖鏈路頻率穩(wěn)定度測(cè)試結(jié)果Fig. 6 Frequency stability test results of 60 km optical fiber links
同時(shí),當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定工作時(shí)也可以在遠(yuǎn)端恢復(fù)出穩(wěn)定的時(shí)間信號(hào),圖7 給出了穩(wěn)定前后時(shí)間測(cè)量的結(jié)果。相較鏈路未穩(wěn)定時(shí),穩(wěn)定后的鏈路測(cè)量所得時(shí)間穩(wěn)定度在長穩(wěn)方面有著明顯改善,可達(dá)10 ps@1 s,0.3 ps@10 000 s。
圖7 60 km 光纖鏈路時(shí)延測(cè)量結(jié)果Fig.7 Delay measurement results of 60 km optical links
接著測(cè)試了在系統(tǒng)多次關(guān)機(jī)重啟的情況下,光纖絕對(duì)相位傳遞系統(tǒng)能否得到可重復(fù)的相位差。首先,采用往返時(shí)延來判斷是否需要進(jìn)行校準(zhǔn),并將第一次測(cè)量得到的鏈路時(shí)延作為參考基準(zhǔn)。由于直接測(cè)量的鏈路時(shí)延包含了系統(tǒng)本身的時(shí)延,所以要先進(jìn)行背靠背標(biāo)定,即使用一段短光纖連接主從兩端測(cè)量往返時(shí)延,在之后的計(jì)算中將其扣除以得到鏈路帶來的往返時(shí)延。經(jīng)過多次測(cè)量取平均值可獲得系統(tǒng)本身時(shí)延為671.483 ns。接下來,多次進(jìn)行重啟,每次重啟等待鏈路穩(wěn)定后重新測(cè)量此時(shí)的往返時(shí)延并與基準(zhǔn)進(jìn)行比較,若是結(jié)果相差1 000 ps,則由第一節(jié)的原理可知遠(yuǎn)端與本地端信號(hào)相位相差半個(gè)周期,此時(shí)需要控制光延遲線延遲半個(gè)周期即500 ps;若是相差偶數(shù)個(gè)周期則無需進(jìn)行操作。經(jīng)過多次重啟后的結(jié)果如圖8。
圖8 60 km 鏈路時(shí)延測(cè)試結(jié)果以及絕對(duì)相位傳輸結(jié)果Fig. 8 Delay test results and absolute phase transmission results of 60 km link
由于本文采用波分復(fù)用的方式進(jìn)行雙向傳輸,前后傳輸?shù)牟ㄩL不一致導(dǎo)致雙向傳輸不對(duì)稱性,需要對(duì)波長不一致性進(jìn)行校準(zhǔn)。不對(duì)稱性帶來的雙向時(shí)延差可表示為
式中,D是色散系數(shù),其值為17 ps/(km·nm),L為光纖長度,Δλ為前后向傳輸光信號(hào)波長差,利用波長計(jì)測(cè)得前后向傳輸?shù)墓獠ㄩL差為1.556 nm,從而計(jì)算出鏈路前后向時(shí)延差值為1 587.12 ps。
相比于時(shí)間的測(cè)量,微波頻率相位的測(cè)量更為精確,所以可以通過頻率及式(19)對(duì)時(shí)間測(cè)量進(jìn)行更精確的標(biāo)定,可表示為
式中,τ為根據(jù)頻率計(jì)算得到的時(shí)延,Δφ為測(cè)量得到的相位差,f0為待傳輸頻率信號(hào)的頻率,本文中信號(hào)頻率為1 GHz。以時(shí)間信號(hào)測(cè)量所得結(jié)果確定整數(shù)周期,同時(shí)以頻率測(cè)量結(jié)果確定更精確的時(shí)間記為τ,結(jié)果如表1。
表1 測(cè)量得到的往返時(shí)延以及標(biāo)定后結(jié)果Table 1 The measured round-trip time delay and the calibration results
如表1 所示,未重啟時(shí)測(cè)得的鏈路往返時(shí)延均值為595 054 101 ps,扣除系統(tǒng)本身時(shí)延以及消除波長不對(duì)稱性所帶來的影響后,可以得到單向的鏈路時(shí)延為297 190 515 ps,第一次重啟后測(cè)得的往返時(shí)延均值為595 056 107 ps,與基準(zhǔn)相比相差2 006 ps。同時(shí)計(jì)算得到的單向時(shí)延與基準(zhǔn)相比相差1 003 s。若時(shí)間只考慮整數(shù)周期,則第一次重啟后往返時(shí)延與基準(zhǔn)之間相差兩個(gè)周期,遠(yuǎn)端得到的信號(hào)與基準(zhǔn)相差一個(gè)周期,這種情況下可認(rèn)為第一次重啟得到的相位差與基準(zhǔn)是相同的。同理,第二次重啟后所得往返時(shí)延為595 055 103 ps,與基準(zhǔn)相差一個(gè)周期,同時(shí)在遠(yuǎn)端得到的信號(hào)與基準(zhǔn)相差半個(gè)周期,故此時(shí)需要控制光延遲線使得延時(shí)增大或者減小500 ps。之后再次測(cè)量往返時(shí)延,直到與基準(zhǔn)相差偶數(shù)個(gè)周期,此時(shí)調(diào)整完畢。最終調(diào)整后結(jié)果如圖9。圖9(a)和(b)展示了第一次和第五次重啟調(diào)整后的結(jié)果,圖9(c)展示了經(jīng)過多次重啟之后最終穩(wěn)定時(shí)相位均值的情況。最終多次重啟后相位差鎖定在0.792 rad 附近,抖動(dòng)為0.008 rad,而文獻(xiàn)[14]中方案以及文獻(xiàn)[17]中方案在多次關(guān)機(jī)重啟后相位差抖動(dòng)分別為0.006 6 rad 以及0.006 rad,與本文結(jié)果相差不大,充分說明絕對(duì)相位傳遞系統(tǒng)的良好穩(wěn)定效果。
圖9 調(diào)整后的時(shí)延以及最終得到的多次重啟后的相位差Fig.9 The adjusted delay and the final phase difference after multiple restarts
本文提出了一種光纖絕對(duì)相位傳遞技術(shù),利用往返與本地的頻率信號(hào)混頻濾波后作為誤差信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償,同時(shí)將時(shí)間信號(hào)與頻率信號(hào)使用同一波長進(jìn)行傳輸,避免了因波長不同而導(dǎo)致傳輸時(shí)延不同的問題。此外,利用測(cè)量精度較高的微波頻率相位來對(duì)時(shí)間測(cè)量結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn),提高了測(cè)量精度,實(shí)現(xiàn)了光纖鏈路上本地端與遠(yuǎn)端可重復(fù)的相位差,經(jīng)60 km 光纖鏈路傳遞后系統(tǒng)獲得了優(yōu)于4×10-14@1 s,5×10-17@10 000 s 的頻率穩(wěn)定度。鏈路穩(wěn)定后,測(cè)得時(shí)間傳遞的穩(wěn)定度為10 ps@1 s,0.3 ps@10 000 s,表明該方案具有較好的鏈路補(bǔ)償效果。當(dāng)系統(tǒng)多次重啟后,遠(yuǎn)端與本地端的相位差均值的波動(dòng)在0.008 rad 之內(nèi),約占一個(gè)周期的0.15%。