基于电学补偿的频率光纤传输系统设计

李东瑾，梅进杰，胡登鹏，周文婵，任天鹏（.空军预警学院，武汉43009；.航天飞行动力学技术重点实验室，北京00094）



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基于电学补偿的频率光纤传输系统设计

李东瑾1，2，梅进杰1，胡登鹏1，2，周文婵1，任天鹏2
（1.空军预警学院，武汉430019；2.航天飞行动力学技术重点实验室，北京100094）

摘要：针对高精度频率光纤传输的相位波动问题，分析了常规电学补偿传输方式存在的不稳定性因素，提出了可行的解决方案。首先着重分析了电学补偿及光纤频率传递流程。然后实验验证了光纤反射信号对补偿系统的干扰，定量分析了链路相位波动情况，最后设计了单模光纤单波长双频传输方案，提出了提高同步精度的可行方法。

关键词：电学补偿；双频传输；相位波动；链路对称

0　引言

目前，高精度频率远距离光纤传输已成为主流趋势，但随着传输距离增加，对应的环境不确定因素越大，造成的时延抖动及相位波动更加难以预测。针对这一情况，各国竞相开展了深入研究，提出了反馈补偿机制，即通过信号回传获取误差信息，进而在传送端进行预补偿。反馈控制主要存在电学补偿、光学补偿和光电联合补偿三种技术路线［1］。相比而言，电学补偿方式不仅能够有效提高传输稳定性，且具有实现简便、成本低廉和补偿速度快等优点，因此得到广泛应用。电学补偿精度受许多因素限制，要进一步提高其同步精度，除了选用高精度器件外，必须依赖于：更高精度的反馈信号；双向传输链路的高度对称；尽可能避免不必要的稳定度损失。

光纤频率传输过程包含电、光两类信号，要提高同步精度，必须同时保证高精度的电、光信号传输。本文从提高电学补偿的同步精度角度出发，设计了单模光纤单波长双频传输方案来提高同步精度，并对不必要稳定度损失的补偿方案进行了讨论。

1　基于电学补偿的光纤频率传输系统

电学补偿系统的设计实现一般是基于共轭相位补偿原理［2］，要实现高精度的信号同步，需首先满足双向链路对称性，即前向、后向传输时延抖动（τ1和τ2）及相位波动必须保持一致。图1所示为基于电学补偿的光纤频率传输示意图，图中标注了整个传输流程。光信号传输主要集中在光学器件和光纤链路部分，光纤链路引入的时延抖动是造成传输不稳定的主要因素，频域分析时时延抖动对应相位波动为φp。通常电子器件和光器件会固定引入微量相位偏移，激光器、光环形器和光电探测器引入的相位偏移分别为 φ1、φ2和φ3。考虑到光纤传输时可能存在反射，图1标注了前向反射信号s5和后向反射信号s6。

图1　基于电学补偿的光纤频率传输示意图

1.1电学补偿信号分析

光纤远距离频率传输一般选用高精度原子频标，设频标s1=sin（2πf0t+φref），其中，f0为基准频率，φref为初始相位。相位补偿系统一般通过锁相环电路实现，包含混频、滤波、鉴相和压控振荡器（VCO）模块，实现时通过混频、滤波和鉴相提取相位误差信息，并实时调整VCO实现相位预补偿，其输出信号s2为sin（2πf0t+ φref+φc），φc为预补偿相位。信号经光纤传输后，链路引入相位波动为φp，可通过时延表示为-2πf0τ。传输至用户端的信号s3为sin（2πf0（t-τ）+φref+φ1+2φ2+φ3+φc）。用户端参考信号经激光器调制后，先后经过环形器、光纤和光电探测器回传至补偿系统，得到反馈信号s4为sin（2πf0（t-2τ）+φref+2φ1+4φ2+2φ3+φc）。不含反射信号干扰时，补偿系统通过内部鉴相信号s0和反馈信号s4处理得到精确的误差相位信号，用于调整φc进行预补偿。

当基准信号与用户端信号存在固定相位差Δ时，实现信号同步 （s3=s1），即当φc-（2πf0τ-φ1-2φ2-φ3）=Δ时，远端信号与基准频率源同步传输，相位差Δ一般取值±kπ2（k=0，±1，±3）。基于该同步条件，补偿系统的内部鉴相源s0可设计为sin（2πf0t+φref+2φc），s0与s4混频、鉴相、低通滤波后得到的误差相位电压信号为：

若考虑光纤反射信号干扰，则反馈端电信号s4中包含前向反射信号s5，其表达式为：

其中，Δφp1为前向反射信号的不确定相位偏移。此时，补偿系统通过内部鉴相信号s0与反馈信号s4混频、鉴相、低通滤波后，提取的相位误差包含了反射信号干扰，虽然反射信号一般较小，但在高精度传输时，其引入的相位锁定误差不容忽略。

1.2光纤频率传递分析

高精度电学补偿传输系统必须保证双向链路对称，而实际应用中链路传输时延τ受传输波长和环境影响，并不一定满足该条件。光纤链路时延常表示为：τ=nLc，其中，n为光纤折射率，L为光纤物理长度，c为真空光速度。标准单模光纤的Sellmeier折射率公式为［3］：

其中，λ为光信号波长，A、B、C、D均为温度T的一次线性函数，对应一次项系数分别为 6.90754×10-6、2.35835×10-5、5.84758×10-7、5.43868×10-7，常数项分别为1.31552、0.788404、0.0110199、0.91326，E=100。

激光器的不稳定性和色散效应也会导致时延变化，对应引入色散时延为ΔλDL，其中，激光器谱宽Δλ一般取2nm，D为色散系数。色散通常包括材料色散Dm、波导色散和偏振色散D。由于材料色散影响相对较大，通常用材料色散系数Dm近似表示色散系数D，且Dm=-λ（∂2n∂λ2）c［4］。综合得出色散时延τdisp为：

由式（5）得出，传输波长λ和环境温度T改变均会导致传输时延发生变化，引起相位波动。本文仅考虑环境温度变化带来的影响，实际应用中还存在压力、振动等其它环境因素影响。

图2　功率测试示意图

2　测试及分析

2.1反射测试

如图2所示为功率测试示意图，测试设备为AgilentE3631A型频谱仪和ZCTT型光功率计，光端机实现电信号和1550nm光信号的相互转换。DH1001铷原子钟输出功率为3.72dB的10MHz电信号，经过25km光纤前向传输后，功分器将电信号一分为二，一路作为用户端参考信号，信号功率为-10.53dB；一路作为反馈信号回传，检测点a处测得的电信号功率为-16dB。

为了测试前向传输反射信号的大小，断开环形器2，在检测点b处测得光功率为-28.3dB，在检测点a处测得电信号功率值为-32.03dB。测试结果表明光纤传输存在反射信号，对近端反馈信号存在干扰，相位补偿系统得到的相位误差信息会存在一定偏差。因此，要提高补偿精度，必须对反射信号引入的相位误差进行合理控制。

2.2链路时延及相位波动分析

图3（a）所示为1550nm光信号传输折射率随温度变化曲线，在0℃～150℃的温度变化范围内，∂n∂λ约为1.0651×10-5/℃。图3（b）所示为不同温度下的折射率随波长变化曲线，26℃时，折射率在800～2000nm通信窗口内的变化范围为1.454～1.438，当近似线性变化时取∂n∂λ≈-1.225×10-5/nm。此时常用通信窗口1310nm 和1550nm传输折射率差异约为 （1550-1310）×1.225× 10-5=2.94×10-3，100km传输带来的时延差 ΔnLc= 980ns，引起的相位波动为-19.6πf0×10-7。

1310nm和1550nm通信窗口在不同温度下的材料色散系数如表1所示。26℃时，常用通信窗口1310nm和1550nm的材料色散系数Dm分别为3.81ps（nm·km）和22.76ps（nm·km）。综合分析得出：约74℃的温度变化范围内，1310nm和1550nm光信号传输的材料色散系数变化率分别为0.0025ps（nm·km·℃）、0.0011ps（nm·km·℃）；当传输100km且温度变化50℃时，对应引入的时延变化Δτdisp为25ps和11ps，相位波动Δφp分别为-50πf0×10-12、-22πf0×10-12。随着传输距离增加，Δτdisp进一步增大，相位波动加剧。

图3　光纤折射率变化

表1　不同温度下的材料色散系数对比

设前向、后向传输波长分别为λ1和λ2，光谱宽度Δλ 为2nm，传输距离100km，环境温度为26℃。综合仿真结果得出，当波长差异=1nm时，色散和折射率差异导致双向传输链路不对称，传输时延差4.0833ns，相位差≈8.1666πf0×10-9；由于波长差异，当环境温度变化时，前向和后向传输时延及相位波动不能保持一致变化。因此，为了保证双向传输链路对称和相位波动一致，必须满足条件：①双向传输采用同一波长信号；②选取高精度激光器，减小光谱展宽带来的色散时延波动。

图4　单模光纤单波长双频传输方案

3　进一步提高同步精度的方案

3.1高精度电学补偿方案设计

常用的双光纤传输方式和多模光纤的波分复用传输方式不能满足链路对称性，降低了电学补偿系统的补偿精度。因此综合考虑，我们设计了图4所示单模光纤单波长双频传输方案。该方案前向传输信号频率为f0，后向传输信号频率为f1，通过频域滤波消除反射信号引入的干扰，得到了高精度的反馈信号；用同一型号高精度激光器实现双向传输同一波长信号λ0，满足了双向传输链路对称，双向传输相位波动始终保持一致。具体流程为：①前向传输信号经过光电探测器转换为电信号后，包含的频率成分有f0和f1，通过频域滤波得到不含反射信号的f0信号后，一路传递给用户端，另一路高精度倍频为f1后进行后向传输。目前已有的A/D器件可以做到很高的采样精度，能够满足实际倍频精度需求。②后向传输信号在基准端通过滤波设计得到理想反馈信号f1，在此基础上通过补偿系统实现高精度相位预补偿。

该方案保证了链路的高度对称，有效避免了反射信号的干扰，提高了相位误差测量精度，相位补偿系统能够更好地补偿链路传输带来的相位波动，实现用户端信号的高精度同步。

3.2传输稳定性补偿方案

在保证高精度的补偿前提下，光纤链路传输稳定度损失主要由器件和环境影响造成。环境影响始终是造成稳定度损失的首要因素，为降低环境干扰强度，可选取较为稳定的传输环境。实际应用中常采用封装和地下深埋等方式来降低地表温度剧烈变化、振动和高压带来的影响；实验时也可采用环境控制装置来提高传输环境稳定性。激光器输出谱展宽和光纤色散引入的时延对高精度频率传输的稳定性影响不可忽略，因此有必要采取一定的色散补偿措施。除了选用高精度的激光器降低输出光谱宽度外，常用的色散补偿方式有：色散补偿光纤、啁啾光纤光栅、频谱反转和色散位移光纤等［5］。

4　结束语

本文对电学补偿方式下频率远距离传输不稳定性进行了研究，并就进一步提升同步精度进行了分析讨论。综合反射测试及分析结果得出，常规电学补偿方案中的反馈信号包含反射信号的干扰，且前、后向传输波长的不一致引起传输链路不对称，限制了补偿精度的提高。为综合提高光信号和电信号传输精度，我们设计了单模光纤单波长双频传输方案。单模单光纤传输保证了链路高度对称，双向不同频率传输消除了反射信号干扰，总体实现了电学补偿精度的进一步提高；通过光纤传输稳定度损失的分析得出，提高光信号传输精度的关键在于稳定的传输环境和合理的色散补偿。

参考文献：

［1］侯冬.高精度时频传输技术及其在雷达信号处理中的应用研究［D］.北京：北京大学，2012.

［2］胡登鹏，任天鹏，朱淑梅，等.基于FPGA的频率远距离稳定传输方案及实现［J］.重庆邮电大学（自然科学版），2015，27（5）：614-619.

［3］GHOSH G，ENDO M，IWASALU T.Temperature-dependent sellmeier coefficients and chromatic dispersionsfor some optical fiber glasses［J］. Journal of Lightwave Technology，1994，12（8）：1338-1342.

［4］ANDRE P S，PINTO A N，PINTO J L.Effect of temperature on the single mode fibers chromatic dispersion［J］.Journal of Microwaves and Optoelectronics，2004，3（5）：64-70.

［5］彭承柱.克服光纤色散影响的技术 ［J］.重庆邮电学院学报，1999，11 （2）：12-19.

中图分类号：TN911

文献标识码：A

文章编号：1002-5561（2016）06-0028-04

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.06.008

收稿日期：2016-01-07。

基金项目：航天飞行动力学技术重点实验室开放基金（No.2013afdl009）资助；国家自然科学基金（No.11403001）资助。

作者简介：李东瑾（1992-），男，硕士研究生，主要从事时间频率传递技术方面的研究。

System design of frequency transmission via optical fiber based on electrical compensation

LI Dong-jin1，2，MEI Jin-jie1，HU Deng-peng1，2，ZHOU Wen-chan1，REN Tian-peng2
（1.Air Force Early Warning Academy，Wuhan 430019，China；2.Science and Technology on Aerospace Flight Dynamics Laboratory，Beijing 100094，China）

Abstract：Aiming at the problem of phase fluctuations in frequency transmission via optical fiber，the paper analyzed the instability factor of conventional electrical compensation，and put forward a feasible solution. Firstly，the process ofelectrical compensation and the frequency transmission over optical fiber was analyzed. Secondly，the experiment verified the interaction between reflection signals of fiber and the compensation system，and quantitatively analyzed the phase fluctuations.Finally，a dual-band transmission scheme over SMF and single wavelength was designed，a feasible solution to improve the precise synchronization was put forward as well.

Key words：electrical compensation，dual-band transmission，phase fluctuations，link symmetry