基于相关机延迟测量法的VLBI时频信号光纤传输试验*

裴 鑫，陈卯蒸，李 健，闫 浩

(中国科学院新疆天文台，新疆 乌鲁木齐 830011)

CN 53-1189/P ISSN 1672-7673

基于相关机延迟测量法的VLBI时频信号光纤传输试验*

裴 鑫，陈卯蒸，李 健，闫 浩

(中国科学院新疆天文台，新疆 乌鲁木齐 830011)

时频参考信号的传输距离远，环境温度变化造成信号延迟波动较大，精度要求极高的毫米波段VLBI观测需要对传输延迟进行精确的测量与补偿。根据相关机延迟测量法对VLBI时频信号光纤传输中的信号延迟进行了测量试验，采用高性能相关机直接测量往返信号的相位差获得信号的传输延迟，测试结果表明该方法能达到亚皮秒级传输延迟测量精度，系统稳定、可靠。

时频传输；相位测量；相关机；传输延迟；VLBI

VLBI观测需要极为精确的时间基准为微波接收机和望远镜其他子系统提供时频参考，一般采用日稳定度可达10-15s的氢原子钟。为了尽可能地避免电磁干扰的影响，大口径射电望远镜在设计时往往把集合钟房、终端、控制系统的实验室与望远镜保持一定的距离，一般在几百米至几千米之间，对于天线阵来说其距离可达几十千米以上(如EVLA、 ALMA等)。这样，氢钟房到望远镜各子系统的距离较远，由于传输介质和设备受环境温度的影响较大，时频参考信号在传输的过程中带来较大的时间延迟波动。

光纤较电缆具有抗电磁干扰能力强、传输带宽宽、环境稳定性好、信号衰减小、噪声系数低等诸多优势，国内外新建立的大口径射电望远镜都采用了光纤传输时频参考信号的方案。虽然光纤具有一定的优势，但在实际传输中，光纤受环境温度变化等因素仍会引起光纤物理尺寸的膨缩从而导致时延变化，系统链路其他元器件也会受环境因素影响。为了适应深空探测的需求，下一代中国VLBI网计划工作于Ka波段，其频率范围为26.5～40 GHz，达到了毫米波段，对时间精度要求达到了皮秒量级。因此，为了保障毫米波段的VLBI观测，需要对时频信号链路传输延迟进行精确的测量与补偿。

1 美国国家射电天文台时频传输系统介绍

当前采用的时频参考信号传输技术是基于美国国家射电天文台(National Radio Astronomy Observatory, NRAO)20世纪90年代提出的方案[1]，采用低损耗、低噪声的单模光纤可传输长达数千米的距离，采用相位测量仪对光纤传输并被反射的返程信号与氢钟输出参考信号的相位差进行测量，并将该相位差转换为时间延迟进行记录，在后处理时读取相应的数据进行校准。美国绿岸射电望远镜(Green Bank Telescope, GBT)[2]和美国甚大阵(Expanded Very Large Array, EVLA)[3-4]均采用了该方案，国内一些台站也对该方案进行了考虑与分析[5-6]。

传输系统的架构如图1。氢钟时频系统输出100 MHz和10 MHz两路信号，其中100 MHz信号经过5倍频后功分为两路，一路经合路器与10 MHz信号合成后传输至光发射机，另一路被用作锁相环参考(后面叙述)；10 MHz信号功分为三路，一路经合路器与500 MHz信号合成后传输至光发射机，一路作为相位测量的参考时钟，另一路用作测相参考信号。10 MHz和500 MHz信号合成一路由光发射机进行电光转换并通过光纤传输到远程高频仓。

图1 美国国家射电天文台时频传输系统

Fig.1 A block diagram of the NRAO clock-signal distribution system

高频仓端可利用分光器将光信号分为两路(美国甚大阵采用的分光比为95/05，95%功率的信号返回，5%功率的信号传至光接收机)，一路信号返回钟房作为传输延迟测量的返程信号，另一路传输至光接收机，并进行光电转换后送至时频分配单元，供接收机和其他设备作为时频参考。

回到氢钟房端，由分光器返回的一部分500 MHz返程信号经光接收机转换为电信号，为了防止发射与返回两反方向信号产生定向串扰，需要采用两根分离的光纤传输，从而提高信号的隔离度，还需保证两根光纤的长度相同，因此可采用多芯光纤。

500 MHz信号长距离传输后将引起不同程度的时间延迟，理想情况下，这个时间延迟的平均绝对量可以在VLBI相关处理后用拟合的方法求出，但是，由于环境温度等因素会导致该延迟随时间变化，因此，需要获得这个时延变化的相对值，即时延波动。为了测量信号的传输时延波动，可采用测量往返信号相位差的方法，将远程接收端的信号返回本地发射端，并将返回信号与本地信号的相位进行比较，测量出相位差，并将该相位差转换为单个周期内的所占时间比，即可得到时间延迟的相对波动。如果直接对500 MHz信号的相位差进行测量，考虑到20世纪90年代的电子技术水平还不高，信号采样误差较大，测量精度不高，因此当时采用了先将高频信号混至低频再进行测量的方法，这相当于将信号的时间周期进行了成倍扩展。对应至图1中，10 MHz与100 MHz的信号均为氢钟输出，其相位相同，可将10 MHz信号进行38 400分频得到260 Hz同相位的低频信号，并经由功分器分为两路，一路作为相位测量的参考信号，一路作为锁相环的输入参考。采用晶体振荡器产生500.000 26 MHz信号(GBT采用了美国Wenzel公司的500 MHz-SC黄水晶振动隔离振荡器，通过调节电压调整旋钮即可获得精确的500.000 26 MHz频率信号)，该信号由倍频后的500 MHz信号进行锁相，并与返回的500 MHz信号进行混频，低通滤波可得到260 Hz的低频信号，由于之前做了锁相处理，因此该260 Hz信号的相位与500 MHz返程信号的相位相同，最后参考260 Hz信号与被测260 Hz信号同时进入相位测量仪，通过测量即可获得两路信号的相位差。

2 基于相关机延迟测量法的时频传输系统

美国绿岸射电望远镜采用上述方案研制了一套完备的时频参考信号分配与传输系统[2]，并沿用至今，该方案的优点是测量精度高，能达到飞秒量级，因此美国甚大阵的升级改造依然延用了这一设计[4]。但该方案系统过于复杂，整体成本较高，根据美国甚大阵公布的系统架构图，整个系统包含十多个模块，由于采用了降频测量的方法，除了需要采用价格不菲的黄水晶振动隔离振荡器和锁相环电路，还需要较多高性能的混频器、滤波器、分频器和功分器等，增加了系统的复杂性与设计难度，价格也比较昂贵。

随着数字集成电路与微波技术的飞速发展，当前的A/D模块采样频率能达到10 Gbps以上，采样精度达到了24 bit以上，微波器件的性能也有了较大幅度的提升。本文根据20世纪80年代提出的相关机(反射法)测量相位延迟的方法[7]，简称相关机延迟测量法，尝试采用A/D模块对500 MHz传输和返回信号直接进行采样、相关得到其相位差，并将相位差转换为对应波长信号的时延，最终获得信号传输的相对延迟变化。新疆天文台近来成功研制了一台基于ROACH的微波全息法相关机[8]，其相位测量精度达到了0.01°以上，据此测算如采用该相关机对500 MHz传输信号进行测量的延迟变化分辨率为：0.01°/360°×(1/500 000 000)≈5×10-14s，达到了亚皮秒量级，足够满足毫米波段的VLBI观测要求，为了验证该方案的可行性，本文基于相关机法传输延迟测量方案进行了一些尝试性试验。

基于相关机延迟测量法的时频传输系统架构如图2。

图2 基于相关机延迟测量法的时频传输系统

Fig.2 A block diagram of a clock-signal distribution system based on signal-delay measurement using a correlator

该系统与美国国家射电天文台时频传输思路相同，只是在信号传输延迟的测量方法上有区别，美国国家射电天文台是将500 MHz高频信号通过一定的方式降到携带同相位的260 Hz低频信号再进行测量，相当于把时间扩展了1.9×106倍，从而提高了分辨率，测量时采用异或门比较两信号的异同获得相位差，并通过计数器对10 MHz参考信号进行脉冲计数以反映占空比的变化并得到相位差。本方案同样采用500 MHz和10 MHz信号进行合路传输，并在高频仓未进入光接收机之前采用分光器将光信号分为两路，一路至光接收机，另一路返回至钟房作为时延测量的被测信号，在钟房采用相同型号的光接收机对该信号进行光电转换，但返回的500 MHz信号无需降频便直接进入相关机，与参考的500 MHz信号进行相位比较，同时氢钟输出的10 MHz信号为相关机提供时钟参考。这样，利用相关机对返程和参考两路500 MHz信号进行相关即可获得两路信号的相位差，同样达到通过测量相对相位波动获得延迟变化的目的，系统相对简单。

3 基于相关机的传输延迟测量试验

3.1 测量试验准备

利用实验室现有的ROACH相关机和ViaLite高性能光纤收发设备，基于图2的系统方案即可对信号的传输延迟进行测量。ROACH相关机的原理如图3，它首先利用A/D板卡对A、B两路时域信号进行高速采样，然后在ROACH开发板内部实现信号的数字混频、滤波和快速傅里叶变换，最后对两路频域信号进行相关、积分并输出至计算机。当前配备的A/D采样模块为双通道1 Gbps、8 bit采样板卡，可以完成两路500 MHz信号的采样，由于相关机直接输出两信号互相关的实部ABre和虚部ABim，因此只要进行简单的计算(Phase=arctan(ABim/ABre))便可得到两信号的相位差。

图3 数字相关机原理图

Fig.3 A block diagram of the digital correlator used by us

对相关机的稳定性进行了测试，如图4，由频率综合器产生500 MHz的信号，并经由功分器功分两路，直接输入相关机进行测量，进行了4 h的测量，结果如图5，利用Allen方差法得到该相关机4 h的稳定度为0.010 9°，据此推断该相关机足够满足皮秒级延迟精度测量的要求。

图4 稳定性测试系统框图

Fig.4 A block diagram of the system for testing stability of the digital correlator

采用的ViaLite光收发机性能参数如表1。

表1 光收发机关键指标

图5 稳定性测试结果

Fig.5 Results of the stability test of the digital correlator

3.2 测量试验

测试系统如图6，由于实验室未配备氢原子钟，暂以高性能的频率综合器Agilent E8257D替代，虽然频率综合器的稳定性远不如氢钟，但试验仅利用频率综合器输出一定频率和功率的信号，经高性能的功分器功分两路后用作测量，两路信号的相对稳定性足够满足试验的需求。相关机与光收发机(钟房部分)等设备放置于恒温、恒湿的钟房内，高频仓也做了恒温处理，因此设备性能较为稳定。而光纤一部分位于地沟中，环境温度变化较小，一部分位于架空的线槽中(从天线基座传输至高频仓)，该部分环境温度变化较大。为模拟实际环境，可将相关机和光收发设备置于装有空调的实验室内，测试时采用100 m长度的光纤，并将光纤置于室外，来模拟实际传输环境，这里给出了从0时至18时(24 h时间制)共18 h的测试结果，如图7。测试时开启了空调模拟恒温环境，可能由于实验室空间太大以致恒温效果不好(24 h室内环境温度变化在3.5 ℃左右)，因此环境温度对光收发机的影响较大，可以看出从0时至8时的测试结果最为稳定，由于室内环境温度变化较小，这部分相位变化极大值(最大值减最小值)仅为0.35°，传输延迟波动量为：0.35°/360°/(1/5×108Hz)=2 ps。上午8时至14时，太阳升起致室内温度升高(实验室窗户朝南)，从而导致相位差增大；14时至18时，太阳绕过窗户，室内温度下降，相位差减小。18 h内相位变化极大值在3°左右，初步推断为环境温度对光收发设备的影响所致。

图6 基于相关机的传输延迟测量试验框图

Fig.6 A block diagram showing our experiment of signal-delay measurement based on the digital correlator

图7 传输延迟测试结果

Fig.7 Results of the experiment of signal-delay measurement

为了更清楚地了解环境温度对光收发机的影响，在测试的同时对环境温度进行了监测，在上午6时至10时、下午14时至18时左右又进行了两次测试，图8(a)为上午6时至10时的测试结果，温度变化约1.6 ℃，相位变化约1.4°；图8(b)为下午14时至18时的测试结果，温度变化约0.8 ℃，相位变化约0.7°。由此可见光收发机受温度影响而导致的相位变化较大，虽然该响应较为稳定，可以测量其温度系数进行校准，但在实际传输延迟测量中，该设备引起的测量相位波动要远远大于传输线缆物理尺寸膨缩带来的相位变化，所幸光收发机可置于恒温的氢钟房和高频仓内，根据图7的测量结果，温度波动较小的情况下，光收发机带来的传输延迟变化应小于2 ps。

图8 温度响应测试结果

Fig.8 Results of the test of temperature response of the experimental system

4 分析与总结

本文对美国国家射电天文台时频信号传输系统进行了详细的分析，虽然传输延迟测量精度达到了飞秒量级，但保障超高精度的降频测量方法导致系统过于复杂，而对于常用的毫米波段以内的VLBI观测要求来说，皮秒量级精度已足够满足时频传输的要求。为了简化系统结构，本文基于相关机对传输延迟测量的方法进行了尝试性试验，采用了新疆天文台自主研制的高性能双通道实时相关机，根据试验结果，该相关机能对微小的相位波动变化进行精确的测量，实测精度为0.01°，可对17 μm的光纤长度变化进行辨别，光纤传输延迟测量精度达到了6×10-14s，重复测量精度与系统稳定性都较好。测试发现光纤传输链路设备受环境温度变化而导致的相位变化要远大于光纤本身物理膨缩而导致的相位变化，即光纤传输设备对时频系统精度的影响要大于光纤介质本身，因此在实际使用中应将所有链路设备置于恒温的环境中。与美国国家射电天文台传输延迟测量方法相比，相关机传输延迟测量法系统简单，由设备或器件引起的测量误差小，系统研制周期短，工作量小，对于毫米波段VLBI观测要求的皮秒级延迟精度来说，可以作为优先考虑的时频参考信号传输方案。

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An Experiment of VLBI Clock-Signal Distribution throughOptical Fibers Based on Signal-Delay MeasurementUsing a Digital Correlator

Pei Xin, Chen Maozheng, Li Jian, Yan Hao

(Xinjiang Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Urumqi 830011, China, Email: peixin@xao.ac.cn)

In a VLBI observation delays of clock signals used as timing and frequency standards fluctuate severely after long-distance propagation from a maser to a radio receiver. The fluctuations are worsened by variations of environmental temperatures. There is a need of a system to measure and compensate clock-signal delays with high precisions for a VLBI observation in the millimeter wavelength band. In this paper we present a system for the purpose. In the system clock signals are distributed through optical fibers and the system is based on signal-delay measurement using a digital correlator. With the high-performance digital correlator high-precision results of signal delay can be obtained by directly measuring phase differences between signals transmitted to and back from the optical receiver. Our test results show that the system can achieve measurement precisions better than the level of a picosecond, and the system is highly stable. Our test thus verifies the overall reliability of the system.

Clock-signal distribution; Phase measurement; Correlator; Signal delay (during transmission); VLBI

国家自然科学基金 (11253001, 11103056) 资助.

2014-08-01；修定日期：2014-08-24 作者简介：裴 鑫，男，硕士. 研究方向：射电天文技术与方法. Email: peixin@xao.ac.cn

P111.44

A

1672-7673(2015)03-0270-07