光纤传输高精度时频信号在长波授时中的应用

魏孝锋，车爱霞，乔建武，吴军

（中国科学院 国家授时中心，西安 710600）

光纤传输高精度时频信号在长波授时中的应用

魏孝锋，车爱霞，乔建武，吴军

（中国科学院 国家授时中心，西安 710600）

为提高BPL长波授时系统时频基准信号传输的稳定性和抗干扰能力，采用了光纤链路替代了中同轴电缆传递时频信号。介绍了该光纤链路的组成和工作原理，提供了该系统传递时频信号的稳定性实测结果。与中同轴电缆传输结果比较光纤传输有明显的优势。

光纤传输；高精度时频信号；相位抖动

0 引言

随着科学技术的迅猛发展，时间频率应用日益广泛，对时间频率信号传输性能的要求越来越高。光纤因具有工作频带宽、损耗低、体积小、重量轻、抗干扰能力强等诸多优势，已经成为信息传输的主要媒质。随着光纤通信技术的不断进步和大规模产业的形成，光纤通信的成本也越来越低，在通信网、广电网、计算机网以及其他数据传输等系统得到广泛应用。近年来利用光纤传递时间频率信号在国内外也得到广泛研究[1]。

中国科学院国家授时中心（NTSC）BPL长波授时的标准时间频率信号由相距1.2 km的时频监控室提供，早期的信号传递利用中同轴电缆。为了进一步提高信号传输稳定度和可靠性，在BPL授时系统现代化技术改造中，首次在该系统中采用了光纤传递时频信号。本文主要论述利用光纤传递时间频率信号的原理，在长波授时系统中的应用及传输性能实测结果。

1 光纤通信系统基本组成原理

光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号，其基本的系统组成如图1所示。

图1　光纤通信系统基本组成

基带信号为原始电信号，需要进行发射前的信号处理，如匹配放大、调制、模/数转换等，然后调制光载波，完成电/光转换并注入光纤线路。接收端通过光检测器检测经光纤线路衰减的微弱光信号的强度，提取出电信号，实现光/电转换，再经放大、解调（必要时解复用）、解码等处理（接收电信号处理）还原出有用信息。

对于单一信号的模拟通信系统，可以直接对基带信号进行电/光转换。为提高传输质量和带宽利用率，也可将模拟基带信号转换为频率调制（FM）、脉冲频率调制（PFM）或脉冲宽度调制（PWM）等已调信号。

由于数字通信系统具有抗干扰能力强、传输质量好、易于加密、易于集成等优点，适应科技发展对通信系统越来越高的要求，几乎有取代模拟通信的趋势。通过模/数转换可实现模拟信号的数字化传递。对于单一信号的数字系统，可直接进行电/光转换。对于需要传输大容量信息的系统，还可以采用副载波复用（SCM）技术，用不同信息源的基带信号（模拟或数字）分别调制指定的不同频率的电载波信号，然后将这些载有不同信息的射频（RF）电信号组合在一起，进行电/光转换，并用耦合技术最大限度地注入光纤线路。

信号的电/光转换是通过电信号对光的调制实现的，调制方法有直接调制和间接调制（或称外调制）两种。直接调制是用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出光强度随电信号变化而变化。该方法技术简单、成本较低、易于实现，但调制速率受激光器的频率特性限制。外调制是把激光的产生和调制分开，将光载波和电信号同时输入调制器，最终输出已调光波信号。外调制技术复杂、成本高，但调制速率高，一般用在大容量复用系统或相干光通信系统。

光源是实现电/光转换的关键器件，光源特性是决定光发射机性能的主要因素。目前广泛使用的光源有半导体发光二极管（LED）和半导体激光二极管（或称激光器LD）。LED光源电路简单，成本低，温度特性和线性度较好，但发光谱线宽，与光纤的耦合效率低。与LED相比，LD光源的发光谱线窄，与光纤的耦合效率高，但温度特性和线性度稍差。

接收端光信号到电信号的转换通过光检测器实现，目前广泛使用的光检测器是光电二极管。检测方式有直接检测和外插检测两种，直接检测技术简单，经济实用，被普遍采用[2]。

2 BPL授时时频基准的光纤传输

时间频率信号传递中，系统可靠性和传输时延稳定性无疑是最重要的。光纤由于损耗低、抗电磁干扰能力强，又易于中继，可实现远距离、高稳定度时间频率信号传递。时间频率信号可通过专用线路传递，已经建成并将不断完善的通信系统光纤网络也是可以利用的有效资源。近年来，利用光纤传递高精度时间频率信号受到业界广泛研究。

中国科学院国家授时中心（NTSC）于2006年启动了BPL长波授时系统现代化技术改造项目（以下简称“BPL改造”），直接控制发射机工作的标准时间频率信号由相距1.2 km的时频监控室提供。早期的信号传递采用中同轴电缆。BPL属于大功率发射台，电缆传输的时频信号易受本地电台信号干扰。在BPL改造中，铺设了单模光缆线路，利用光纤传递BPL时间频率基准信号。本文主要讨论本地守时钟产生的高稳定度标准正弦频率信号和秒脉冲信号的传递。

BPL长波授时时间频率基准信号传递的信息量较少，无需采用复杂的复用技术，每个信号各用一根光纤单独传递，这样可防止互调失真和差拍失真对信号相位稳定度的影响。秒脉冲信号（1 PPS）和标准正弦频率信号都属模拟信号，若采用直接光强调制，光源P-I曲线的非线性可能会导致信号畸变、相位稳定性变差。虽然预失真补偿电路能在一定程度上改善非线性，但增加了电路的复杂性和调试难度。实际上，秒脉冲可以认为是码元周期为1 s的特殊低速数字信号，可以直接进行光强调制完成电/光转换。标准正弦频率信号属幅度恒定的点频信号，根据奈奎斯特采样定理，只要用2倍于该正弦信号频率f的采样频率（2 f）对其采样，采用简单的一位增量脉码调制（DM），即可实现模拟正弦信号的数字化，再进行直接光强调制，实现电/光转换。

图2和3分别是秒脉冲信号和标准正弦频率信号的光纤传递原理框图。为了提高传输性能，光发射和接收都选用了集成光模块，秒脉冲模块速率为2 Mb/s，正弦信号（10 MHz和5 MHz）模块速率为 622 Mb/s。发射模块中集成了差分电流开关驱动电路、自动光功率控制（APC）电路和自动温度控制（ATC）电路，并最大限度地将光信号注入光纤线路。接收模块中，集成了光检测器（PD），放大器和信号处理电路、自动增益控制（AGC）电路和差分变换电路，使微弱的光信号经过放大后，还原成原来的电信号。

图2　秒脉冲信号光纤传输原理框图

图3　标准正弦频率信号光纤传输原理框图

标准正弦信号的增量调制AD转换通过一电压比较器实现，参考电压为0。正半周时，信号幅度大于0，电压比较器输出高电位“1”，负半周时；信号幅度小于0，电压比较器输出低电位“0”，每个信号周期取样2次，完成信号的一位增量脉码调制，如图4所示[3]。

图4　增量脉码调制实现正弦信号数字化示意图

可以看出，这种定幅点频信号的增量脉码调制实际是将正弦信号变换为占空比为50%的f PPS（每秒f个脉冲）的单极性脉冲信号，这种特殊的“编码”信号包含了原信号所有信息。对光载波进行直接光强调制并经光纤线路传递到接收端后，“译码”也是非常简单的。

差分变换的目的是使正弦信号参考电位为0。

接收端的微弱光信号经光/电转换、前置放大、整形放大得到单极性脉冲信号。对于秒脉冲信号，通过阻抗匹配即刻恢复。对标准频率信号，还需通过差分变换将单极性脉冲变为双极性，完成“译码”，再通过窄带滤波、阻抗匹配恢复出标准正弦频率信号。

3 BPL时频信号光传输系统实测结果

3.1 光传输设备实验室测试结果

图5和6分别是实验室1.5 km光纤线路上传递1 PPS和5 MHz信号时系统引入的相位抖动曲线。

图5　实验室1.5 km光纤传输秒脉冲信号的相位抖动曲线

图6　实验室1.5 km光纤传输5 MHz频率信号的相位抖动曲线

由图5和6可以看出，1 PPS传输系统引入的相位抖动峰峰值在±200 ps之内，5 MHz传输系统引入的相位抖动峰峰值在±100 ps之内。因为5 MHz传输系统使用的模块速率更高，所以传输性能更好一些。应该说，选取高速模块能够进一步提高传输稳定性。

3.2 实际线路传输结果

受实验条件限制，实际线路测试中，将传输到1.2 km处的发射机房的信号用短跳线连接再回传到时频监控室完成测试，且只对秒脉冲系统进行测试。图7是在BPL大功率发射机工作的情况下2.4 km实际光纤线路传递1 PPS信号时系统引入的相位抖动曲线。

图7　2.4 km实际光纤线路传输秒脉冲信号的相位抖动曲线

由图7可见，利用2.4 km实际光纤线路传输1 PPS信号时引入的相位抖动峰峰值在±300 ps之内，与实验室结果吻合，实际线路在大功率辐射场中没有引入干扰，而同轴电缆达不到这种效果。

3.3原中同轴电缆传输时频信号的测试结果

由图8和9分别是2.4 km中同轴电缆在非在线状态（未与发射机连接且发射机处于关机状态）下传递1 PPS和5 MHz信号时引入的相位抖动曲线。

图8　2.4 km中同轴电缆传输秒脉冲信号的相位抖动曲线

图9　2.4 km中同轴电缆传输频率信号的相位抖动曲线

由图8和图9中曲线显示，采用中同轴电缆传输1 PPS信号时相位抖动峰峰值达到了±600 ps，传输5 MHz信号时相位抖动峰峰值超过了±600 ps。可以想象，若发射机处于工作状态，信号相位抖动会更大。

以上实测数据表明，采用光纤链路传输时频信号，系统引入的相位波动明显减小，抗干扰能力强，进一步提高了BPL时号精度。

4 结语

BPL长波授时系统现代化技术改造首次使用光缆传输高精度时频信号[4]，传输性能明显优于中同轴电缆。采用光纤传递高精度时间频率信号具有稳定度高和抗干扰性强等优越性，值得应用推广。

[1]张帆, 候冬, 郭海鹏, 等.光纤时间频率传输的时延抖动主动补偿[J].光学学报, 2010, 30(3): 671-675.

[2]邓大鹏.光纤通信原理[M].北京: 人民邮电出版社, 2009.

[3]覃宗厚, 高进, 魏孝锋.一种恒幅点频信号的光传输方法[J].光通信技术, 2013, (6): 46-47.

[4]车爱霞, 段建文, 魏孝锋, 等.升级改造后的BPL时频监控系统[J].时间频率学报, 2010, 33(2): 134-139.

Application of transmitting high-accuracy time-frequency signal via optical fiber to long wave time service

WEI Xiao-feng，CHE Ai-xia，QIAO Jian-wu，WU Jun

（National Time Service Center，Chinese Academy of Sciences，Xi′an 710600，China）

With the purpose of improving the stability and anti-interference ability of time-frequency signal transmission for BPL long wave time service system，the optical-fiber link is adopted instead of the coaxial cable to transfer time-frequency signals.In this paper，the composition and principle of the optical fiber link are introduced and the measurements of the stability of time-frequency signal transmission for this system are presented.The time-frequency signal transmission via optical fiber has obvious advantages compared with that via coaxial cable.

optical fiber communication； high-accuracy time-frequency signal； phase jitter

P127.1

A

1674-0637（2015）02-0095-06

10.13875/j.issn.1674-0637.2015-02-0095-06

2014-11-20

中国科学院知识创新工程青年人才领域前沿项目资助

魏孝锋，男，工程师，主要从事时间频率发播控制及相关技术研究。