高精度时间频率信号光纤传输和复原技术的研究

江贤峰,吴龟灵,郭芳,周明翔,3,赵赟

(1.上海交通大学电子工程系,上海 200240;2.中国科学院上海天文台,上海 200030;3.中国科学院大学,北京 100049;4.北京卫星导航中心,北京 100094)

高精度时间频率信号光纤传输和复原技术的研究

江贤峰1,2,吴龟灵1,郭芳2,周明翔2,3,赵赟4

(1.上海交通大学电子工程系,上海 200240;2.中国科学院上海天文台,上海 200030;3.中国科学院大学,北京 100049;4.北京卫星导航中心,北京 100094)

摘要：分析了高稳定时间频率信号光纤传输以及接收端复原技术的实现原理给出了针对时间频率信号光纤高精度传输和复原以及工程应用中遇到的难点而采用的关键技术和解决方法,并进行了实验验证。经测试:10 MHz频率信号经光纤传输并在接收端复原后的相位噪声为-118.1 dBc/Hz@1 Hz,频率稳定度指标3×10-13@1 s.时间信号经光纤传输和复原后,接收端的时间和发送端的时间信号在物理上无时延,各远程应用终端时间传输长期波动的均方根值好于200 ps

关键词：光纤传输;相位噪声;时间频率

0引言

卫星导航、深空探测和VLBI地面测控系统中,一般采用高稳定度、低相位噪声的氢原子钟作为本振频率源和时间源,而时间频率信号使用终端分布在站内各个不同的区域[1]。因此,需要把氢原子钟的频率信号和时间基准低插损、高质量地传输到各时间频率信号使用终端的端口上,保证传输到终端的频率信号稳定度和相位噪声指标不下降,时间信号无时延、低波动和无漂移。

实际情况下,地面测控系统的电磁环境复杂,时间频率信号使用终端地域分布不规则。长距离传输高稳定频率信号时,传统的同轴电缆传输损耗大,相位不稳定而无法满足用户要求。而光纤具有损耗小,不容易受电磁干扰,高带宽、可扩展等优点。因此,光纤传输成为实现长距离传输高稳定频率信号的一种有效方案。频率信号经光纤远距离传输时受温度波动、地面震动等环境因素影响,相位噪声、稳定度指标就会有插损。如果远程光纤接收端测控收发设备需要具备和光纤发端同样指标的频率基准源,就要在接收端研究频率信号的净化复原技术。同时,时间信号经光纤远距离传输后有固定时间延迟,温度波动等环境因素也会影响时间码的信号相位,远程光纤接收端和光纤发送端要实现时间上无相位差,需要用到时间相位同步复原技术和实时比对控制技术。

为了解决传输过程中频率信号的质量下降和时间信号的时延不一致性,本文设计了一种时间频率信号光纤传输、终端时间频率信号恢复和双向比对实时控制系统,有效解决了电磁干扰、频率信号质量下降、各使用终端时间信号时延不一致以及长期时间频率信号相位漂移问题。

1时间频率信号光纤传输、复原的设计原理

时间频率信号光纤传输原理如图1所示。时间传输采用光纤传输波分复用技术,一根光纤传输两个不同波长信号,实现发送端和接收端的时间信号传输以及双向时间比对;而氢原子钟频率信号的传输单独采用一根光纤传输,配置超低相位噪声的发送和接收适配器。这样可以防止信号间串扰影响频率信号指标,实现高稳定信号的远距离传输。同时,利用置于两端的时间间隔计数器实现双向时间比对,精确测量出光纤的传输时延以及时延变化。

再进一步利用实时双向时间比对测量数据和控制算法,对接收端的频率信号恢复设备和时间信号恢复设备进行实时闭环控制,精密微调接收端的频率信号和时间信号,从而实现发送端和接收端频率和时间信号的物理同步。

图1　时间频率信号光传输原理框图

图2示出了一个高稳频率信号净化复原的锁相环路,锁相环路滤波器采用有源二阶滤波器。二阶环路最大特点是有大的同步带和强的输入噪声滤除能力。通过优化、均衡环路带宽和锁定时间,使输出10 MHz相位噪声可以达到-118 dBc@1 Hz.

图2　高稳频率信号复原原理框图

2时间频率信号光纤传输和复原难点分析及关键技术实现

图3是高稳定频率信号的光纤传输和复原电路实现框图,图4是时间信号光纤传输和复原电路实现框图。

2.1超低相位噪声电光、光电的转换

在选用铠装单模光纤传输优质频率信号时,超低相位噪声电光、光电的转换是信号传输的重要环节[2]。对传输信号的相位噪声、稳定度的插损尤为关键,它直接影响光纤接收端复原信号的指标。实验测试证明该环节处理不好,整个链路的相位噪声指标就无法达到。

2.2超低相位噪声、高隔离度的频率区分放大技术

超低相位噪声、高隔离度的频率区分放大技术

是一个关键的环节,电路处理不当,输出信号的优质指标就会损失在传输途径中。本文通过优化放大电路的阻抗匹配、增大反向和路间隔离度等技术,10 MHz频率信号经区分放大后相位噪声、稳定度指标插损很小。阻抗匹配的目的一是达到最大功率的传输,尽力做到无信号反射,二是在功率传输中无信号相位的移动。为实现无相移的最大功率传输,电路的阻抗匹配特别重要。放大电路输入、输出阻抗不匹配会导致信号在源和负载之间来回反射,造成源信号的相位扰动,相当于给电路加进了‘噪声’,影响了信号的频率稳定度指标。

放大电路阻抗失配造成信号相位变化量的计算为

(1)

图3　10 MHz频率信号光纤传输和接收端复原框图

图4　时间信号光纤传输、同步和复原框图

放大电路阻抗失配对信号频率稳定度的最坏影响量[3]。

(2)

式1)和式2)中: Φ为信号相位波动； η为反射信号的衰减; φ为信号在负载两次反射的角度； σy(τ)为频率信号频率稳定度的表示,无量纲; ρi为信号在输入端的反射系数; ρo为信号在负载端的反射系数; ψ为信号相位的变化率; υo为电路经过的频率; τ为信号稳定度计算采样间隔。

以传输10MHz频率信号为例,若信号频率稳定度计算采样间隔为1s,η=1,sinφ=1,ρi=0.1,ρo=0.1,信号相位的变化率为0.0001,则由式(2)可得,σy(τ)≈1.6×10-14.

0.000 1(100ns变化了10ps),对频率信号1s稳定度的最大影响为1.6×10-14.如果要使影响更小,输入、输出要匹配的回波损耗在20dB以上。

电路中高的反向隔离能阻止负载动态变化对输入信号的冲击,高的输出路与路之间的隔离能防止一路负载动态变化对其他路输出信号的影响。反向隔离度和路间隔离度太差都会导致信号相位的波动,引起频率的偏移,恶化信号的稳定度指标[3]。隔离度对信号相位的影响计算如式(3),对信号稳定度最大影响计算如式(4)。

(3)

(4)

式中: θ为信号相位的变化量; Λ为隔离度; σy(τ)频率稳定度; v0为传输的频率; τ为稳定度采样间隔。

通过上述计算看出可以通过进一步提高隔离度来减小对信号稳定度指标的影响。

采取上述技术后,本文采用的低噪声放大器实际电路测试10 MHz相位噪声本征指标可达到-140 dBc/Hz@1 Hz,传输-118 dBc/Hz@1 Hz指标的10 MHz频率信号可认为无插损传输,表1示出了本文采用区分放大器的本征指标。

表1　区分放大器的本征指标

2.3超低相位噪声锁相环路技术

超低相位噪声锁相环路技术是最关键的一个环节。频率信号在长距离光纤传输中,受外界环境因素的影响,相噪、稳定度指标必定会有插损,接收端的用户系统要用到和发送端同样指标的频率基准源,就要用到超低相位噪声锁相技术。

为解决超低相噪、超高稳定度的难点,关键要降低锁相环路可能受到的各种干扰。噪声对环路干扰如图5所示。

图5　等效噪声环路图

噪声1主要由参数源产生和振荡器产生,要求噪声1小,必须有优良的频率参考源和优良的振荡器。

噪声2主要由鉴相器产生,经理论分析表明,其边带抑止比为[4]

(5)

式中:ΔV为鉴频器输出纹波振幅; Υ为纹波的衰度; ξ为环路阻尼系数; ωn为环路自然角频率； Kd为鉴相器增益; N为环路分频系数。

由式(5)可知,要减小噪声的干扰,就要使用小的分频系数N,尽可能减小鉴相器输出纹波的振幅,选用高的鉴相频率和高的鉴相增益,选择合适的环路参数ξ,ωn.

噪声3主要由加到振荡器电压控线上的50Hz,100Hz电源纹波电压引起。有理论分析表明,其边带抑止比为[4]:

(6)

式中: Va为电源纹波电压的振幅; ωa为电源纹波的角频率; Kv为振荡器电压控制灵敏度。由式(6)可看出,要减小噪声3的影响,就要降低电源的纹波电压和角频率,另外要选用电压控增益小的振荡器和增大环路自然角频率。

本文采取了如下技术措施来完成频率指标的复原:鉴相器输出加辅助低通滤波器,降低鉴相器输出波纹的振幅;选用双平衡模拟鉴相器,超低相位噪声高稳定晶体振荡器;选用线性电源,设计二次稳压供电和优良的旁路去耦合电路;以及为锁相环路选择合适的环路参数[5]。

经过上述一系列措施后,经实际测试10 MHz频率信号相位噪声测试值可以达到-118 dBc/Hz@1 Hz.

2.4频率信号相位的超精细调节控制技术

对频率信号的频率相位的超精细调节控制的一个目的是补偿长距离光纤延迟和外界环境因素对光纤的时延影响,另一个目的是实现光纤接收端时间和发送端时间精确同步,以实现两地时间的复原。在具体的设计应用中,关键要采用巧妙的技术方法消除控制字小数位舍掉产生的频率误差和信号漂移。同时还要尽量抑制相位截断产生的杂散和数字电路引入的噪声。

3时间频率信号光纤传输的设计验证结果

3.1光纤传输频率信号相位噪声、频率稳定度的测试

频率信号相位噪声、稳定度指标测试连接图如图6所示。把接收端设备通过2 km光纤锁定在主动型氢原子钟上,以原子钟输出10 MHz为参考输入测试基准信号(其10 MHz相位噪声优于或等于-118 dBc@1Hz)。

图6　10 MHz复原频率信号测试框图

用TSC5125A 相位噪声测试仪对设计的系统指标进行了测试。图7和图8示出了相位噪声、频率稳定度的测试结果。

图7　光纤接收端复原10 MHz频率信号　　　相位噪声测试结果

图8　光纤接收端复原10 MHz频率信号　　　频率稳定度测试结果

图7中横轴为距离中心频率的偏移量,单位Hz,纵轴为相位噪声,单位dBC/Hz.Input为被测量的频率信号,reference为参考基准频率信号。

图8中,横轴为时间采样间隔,单位s,纵轴为频率稳定度。BW为相位噪声测试仪器带宽,Input为被测量的频率信号,reference为参考基准频率信号。

由图8和图9可以看出,光纤接收端10 MHz频率信号的相位噪声为-118.1 dBC/Hz@1 Hz,稳定度为3×10-13@1 s.

3.2光纤发送端和接收端时间相位差测试

图9为光纤发送端和接收端时间相位差测试图,其中TA为发送端时间,TB为光纤接收端时间,XA为光纤发送端计数器测量数值,XB为光纤接收端计数器测量数值,SA,RA分别为光纤发送端的发送、接收模块时延值,SB,RB分别为光纤接收端的发送、接收模块时延值,τAB为发送端到接收端光纤延迟值,τBA为接收端到发送端光纤延迟值。在实际的工程应用中受温度波动、波长等不同因素影响,τAB和τBA并不相同,需要实际测量。

XA=TA-TB+SB+RA+τBA

(7)

XB=TB-TA+SA+RB+τAB

(8)

由式(7)与式(8)相减即可得到光纤发送端和接收端时间相位差的值。

(9)

图9　光纤发送端和接收端时间相位差测试图

图10示出了光纤接收端输出时间和光纤发送端时间相位比对测试结果,测试时间为54天,相位比对测试峰峰值约为500 ps,实际测量的均方根值好于200 ps.

图10　光纤接收端输出时间和光纤发送端时间相位　　　比对测试值

4结束语

本文对时间频率光纤传输和复原技术进行了研究,对氢原子钟基准信号经长距离光纤传输后在远程接收终端复原。复原的10 MHz频率相位噪声恢复到-118 dBc/Hz@1 Hz,频率稳定度指标3×10-13@1 s.具有精细的频率、相位调整功能,实现光纤接收端和发送端时间同步,同步的均方根值好于200 ps.

参考文献

[1]周兵,龚航. 高精度时频信号的远距离传输技术[J].全球定位系统,2014,39(6):38-41.

[2]谭桂隽. 基准信号的低相噪声长距离光纤传输设计[J].光通信技术,2015(6):34-36.

[3]WALLS W F, WALLS F L. Apractical guide to isolation amplifier selection[C].//IEEE International Frequency Control Symposium, 2007:557-562.

[4]庄卉,黄苏华,袁国春. 锁相与频率合成技术[M].北京:气象出版社,1996.

[5]BEST R E. 锁相环设计、仿真与应用[M]. 北京: 清华大学出版社, 2007.

江贤峰(1971-),男,山东青岛人,高级工程师,主要从事高精度时间频率系统技术研究。

吴龟灵(1971-),男,安徽芜湖人,教授,主要从事光子信息处理与传输等方面的研究。

郭芳(1980-),女,湖南长沙人,高级工程师,主要从事高精度时间频率系统技术研究。

周明翔(1982-),男,上海人,工程师,主要从事原子时算法技术的研究。

赵赟(1978-),女,江苏仪征人,工程师,主要从事时间同步,时间频率技术研究。

High Precision Time and Frequency Signal Optical Fiber Transmission and Restoration

JIANG Xianfeng1,2, WU Guiling1, GUO Fang2, ZHOU Mingxiang2,3,ZHAO Yun4

(1.ElectronicEngineeringDepartment,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240,China;2.ShanghaiAstronomicalObservatory,ChineseAcademyofSciences,Shanghai200030,China;3.UniversityoftheChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China;4.SatelliteNavigationCenterofBeijing,Beijing100094,China)

Abstract: The paper analyzes the principle to implement high stability time and frequency signal optical fiber transmission and reception.The key technologies and solutions are investigated and presented for the issues in the process of optical fiber high precision time and frequency transmission and recovery.Experiments are carried out to verify the proposed technique The results shows that the phase noise and frequency stability of recovered 10 MHz after optical fiber transmissioncan reach -118.1 dBc/Hz@1Hz and 3×10-13@1s, respectively. After optical fiber time transmissionand restoration,there is no time delay between the time at the transmitting end and the one at the receiving end.The RMS of the long time fluctuation is less than 200 ps between different remote terminals.

Keywords:Optical fiber transmission; phase noise; time and frequency

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.02.004

收稿日期：2015-01-20

中图分类号：P228.4

文献标志码：A

文章编号：1008-9268(2016)02-0020-07

作者简介

联系人： 江贤峰 E-mail: jxf@shao.ac.cn