光纤射频稳相传输技术试验研究

刘友永，马文起，陈少卿，李晶

（中国电子科技集团公司第54研究所，石家庄 050081）

0 引 言

深空测控上行链路的根本需求是提高全向辐射功率（Effective Isotropic Radiated Power，EIRP），一项重要措施就是利用地面上分布的多个发射天线组成天线阵列，这样可以有效提高上行链路的发射功率。上行天线组阵的目的是将多个发射天线的信号在目标位置处同相合成，从而增大上行信号功率，上行天线组阵被认为是一种不需要增大发射天线口径和高功放增益就能够在深空通信中提高地面EIRP的重要方法。美国航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）也将发展上行天线组阵技术作为未来20年进一步发展的关键技术之一。上行天线组阵技术的关键在于使得在目标处的射频信号能够相干合成[1-3]，这就对各天线端射频信号稳定度提出了极高的要求。以四天线合成为例，若要求合成效率损失小于2%，则要求在一个观测周期内设备链路引入的相位漂移不超过11°。NASA的卡西尼（Casinni）任务中包含了射电科学观测以及重力场探测，任务中对频标信号稳定性的要求千秒稳定度需达到1.5 × 10–16，GPS（Global Positioning System）时间频率同步方法将不能满足稳定度需求[4-5]。光纤作为时间、频率标准传输的介质具有损耗低、稳定度高、铺设广泛等诸多优势。近二三十年来，光纤时间频率传输技术正在被视为一种很具有发展前景的时间频率传递方式而被国内外的高校和科研院所广泛研究。

近些年来，美国、日本以及欧洲多国都对利用光纤进行频率稳相传输展开了一系列相关研究，并在系统稳定度指标上取得了很好的试验结果[6-10]，系统万秒稳定度达到10–18乃至10–20量级。国内清华大学、北京大学、解放军理工大学、中科院国家授时中心、中科院上海光机所等高校和科研院所也在开展相关理论和试验研究，并取得了一些比较不错的成果[11-16]。为了满足上行天线组阵技术对高稳定度射频信号的需求，本文提出了一种适用于几千米区域上行组阵的光纤射频稳相传输的方法，并进行了试验验证。

1 光纤射频稳相传输技术

基于光纤的高稳定度时频传输系统的研发工作已有30多年的历史。这其中的研究重点是如何实现更高效、更高精度的光纤相位抖动补偿技术。光信号在光纤中传输，由于温度、应力、色散等对光纤的影响等都会对输出信号相位稳定度造成恶化[17]，因此想要获得相位稳定的射频输出信号，需要采取适当的闭环补偿措施。由理论分析可知[17]，当光纤传输距离在几千米量级时，商用蝶形激光器波长漂移引起的色散对稳定度损失可以忽略。应力和温度变化对光纤影响造成的频率稳定度损失可以通过光纤延迟线来补偿，两者不同之处在于温度变化属于一种缓慢变化稳定度损失因素，而应力属于一种快变的稳定度损失因素，两者引起的稳定度损失均可以通过不同种类光纤延迟线闭环补偿（本文重点就温度变化对于光纤传输链路影响引起的稳定度损失进行分析和试验设计，应力影响需单独设计试验分析）。

频率标准传递过程中，线路上气温的周期变化会使光纤物理性质发生变化，导致传递距离和折射率发生变化，从而引发传递时间的波动，最终形成相位抖动。石英光纤的长短与温度改变在一定范围内可以看成是按比例变化的，由此得到光纤引入的传输时延表达式为

其中：x（t）为传输时延；n为光纤的折射率；L为光纤长度；α为光纤的温度系数；T（t）为温度变化的函数；c为光速。

由于温度变化引起的光纤时延的变化为

转化成相位的抖动为

其中：f0为标称频率。

从而得到相对频率偏差为

一般情况下，气温的变化可近似用正弦函数表达，即

其中：ν0为温度变化的频率。

将式（5）代入相对频率偏差的表达式（4）且根据阿伦方差的表达式，将采样次数取为无穷次，得到温度对传输频标的稳定性损失（阿伦方差）为

从式（6）可以看出，温度引起的频率稳定度损失与光纤长度L、光纤温度系数α、光纤折射率n以及温度变化幅度ΔT成正比，并且温度变化的周期也会影响频率稳定性损失，而与传输频率f0无关。因此，传输距离越远，气温变化幅度越大，频率稳定度损失也越高。

取n= 1.502，α= 7 × 10–6/℃，ΔT= 10 K，c= 3 ×108m/s2，L= 1 km，考虑到光纤采取光缆封装和埋地措施处理，光纤受温度影响降低100倍，得到不同光纤传输距离情况下，日温变化10℃时，理论上频率稳定性损失曲线如图 1所示。由图 1可以看出，对于1 km长的光纤，在日温变化10 ℃条件下，秒稳损失在10–18量级，万秒稳损失约在10–14量级。传输距离增加1个量级，频率稳定度损失也提高一个量级。如果对于远距离光纤传输而言，温度变化对长期稳定度影响就更大了。综上所述，对于长距离光纤频标传输，温度带来的光纤链路的时延波动是不能忽略的，要想保证长距离光纤传输频标不受损失，对于时延抖动的测量和补偿就是必不可少的了。

图1 不同传输距离光纤在温度变化10 ℃条件下稳定度损失Fig.1 Stability loss of different length of optical fiber transmission at the condition of a temperature change of 10 ℃

在目前光纤射频稳相传输技术的基本原理都是利用某种信号在光纤中双向传递，获得传输信号的相位信息，然后通过某种闭环补偿的方法来补偿。利用光纤进行的稳相传输技术根据光纤中传输光信号形式不同可以分为：传输射频信号强度调制激光，传输光学频率和传输光学频率梳等几种方式。其中传输相干光学频率或者光学频率梳可以实现更高的传输稳定度，但是从目前传输商用原子钟（商用铯钟或者氢钟）稳定度需求来说，传输强度调制激光可以提供一种可靠性较高、成本较低的可行传输方案。在传输强度调制激光的方案中，根据闭环补偿的原理不同又可以分为：基于光纤延迟线的闭环补偿方案、基于波长可调谐激光器的闭环补偿方案、基于压控振荡器的闭环补偿方案等。根据前期技术调研与项目需求分析，如表 1所示，分析了总结几种的技术途径的原理、特点以及指标等。

表1 光纤射频稳相传输方案总结与对比Table 1 Conclusions and comparisons of three kinds of methods of phase-stabilized transfer over optical fiber

2 基于光纤延迟线的光纤射频稳相传输技术

2.1 光纤射频稳相传输原理

国内外多家科研院所对于将光纤延迟线用于光纤传输链路闭环相位补偿已开展了多年的研究，该技术的原理是：通过往返传输射频信号检测环境变化对光纤链路延迟的影响，并反馈控制光纤延迟线，调整光纤链路的绝对长度补偿光纤传输链路的相位抖动。技术总体架构如图 2所示[18]。在中心站，将激光器输出的连续光源注入到电光强度调制器中，并利用电光强度调制器将射频信号调制到光载波上。被调制的光信号经过长距离光纤传输到远端单元。其中一部分进行光电转换还原射频信号，另一部分反射回传到中心站并利用环形器、光电探测器还原。回传信号和原始信号经过鉴相器后输出一个随相位抖动变化的电压值。该电压值经过PID（Proportion Integration Differentiation）控制可改变光纤延迟线长度，并跟踪外界环境因素对光信号传输过程中引入的延时抖动。

图2 基于光纤延迟线主动补偿方案Fig.2 Design of active compensation based on optical delay line

光纤延迟线方案的优点在于，不涉及对任何振荡器的操作、不影响其它变量、不需要频标和时标分离传输。但这一方案需要通过调整光纤绝对长度来补偿光纤链路抖动，在长距离传输应用中，特别是温度变化很大的环境中，存在环境引入的光纤长度变化超过补偿器件的补偿范围的风险，会导致系统失效。通常这种情况下需要增加光纤延迟线长度来进行补偿，这使得光纤传输链路的距离大大增加。

这一方案实现的技术难点还在于光纤延迟线的制作与控制，常见控制方式为：①压电陶瓷PZT方式，利用压电陶瓷材料在电压的控制下伸长量变化的效应，优点为响应速度快，对动态误差补偿效果好，缺点是需要高压驱动，控制输出功率曲线为平方形式；②温控方式，优点为补偿范围大，缺点是响应速度较慢；③电机驱动方式，优点是控制输出功率曲线为线性形式，驱动相对容易，缺点为响应速度较慢，对动态误差的补偿效果不佳。

2.2 上行天线组阵中光纤稳相传输技术验证试验

在上行天线组阵试验中，中心机房产生基带信号经过上变频后再经过电缆传输至天线端高功放单元，高功放输出信号通过天线辐射出去。为了对射频传输链路进行标校，高功放单元耦合一部分射频信号再经约100 m光纤链路返回至中心机房，中心机房基带设备通过处理各天线耦合回信号得到各天线间返回信号相位差，记录相位数据，并观察其变化。为了满足试验需求，设计了如图 3所示的试验方案。为了稳定光纤传输链路和精确标定返回光纤链路的延迟和相位，需要传输一个侧音信号。另外，试验中需要将天线端高功放单元耦合输出的射频信号通过光纤链路稳定传输到中心机房。为了实现多路信号在一根光纤中同时传输的目的，该试验系统中利用了波分复用的技术。基于光纤延迟线的光纤稳相传输技术可以实现光纤传输链路的延迟恒定，从而可以实现利用该光纤传输的所有信号的稳定传输。

图3 适用于上行天线组阵技术的光纤射频稳相传输试验方案Fig.3 Experimental design of phase-stabilized transfer of RF signal over optical fiber for uplink array

在该方案中，中心机房将频率综合器输出的侧音信号通过波分复用技术调制到某一可进行波分复用激光波长λ2，经过光纤延迟线后，通过光纤链路传输至天线端。在天线端，高功放单元耦合输出的射频信号再调制到另一 λ1波长激光，利用环形器和耦合器将侧音信号和射频信号返回至中心机房。返回至中心机房的λ1和λ2激光，经过波分复用器进行分离。其中λ1激光经过光电探测器输出射频信号，λ2激光再经过环形器后经过光电探测器输出得到经过双向传输的侧音信号，该侧音信号和中心机房的未经过光纤传输的侧音信号进行鉴相。鉴相结果经过PID控制算法，得到光纤延迟线的控制信号，通过对光纤延迟线进行控制实现对光纤链路闭环稳定。另外，控制器控制频综输出多侧音信号，鉴相器得到多侧音的鉴相结果，通过解模糊可以得到双向传输延时值，这样该系统便可以实现光纤链路射频稳相传输和延时标定。

在试验中将侧音信号和待传递射频信号通过不同光载波进行传递，由于λ1和λ2之间波长差仅相差0.4 nm，由于波长不一致性引起的群延迟的不一致性属于系统偏差，有理论公式和经验数据可以进行修正。当传输距离为1 km，波长差为0.4 nm时，其群延迟不一致性估算为：16.6 ps/（km × nm） × 0.4 nm ×1 km = 6.64 ps，其在C波段（6 GHz）引起的相位误差约2 °，并且其相位差为系统差，对传输射频信号稳定度没有影响。

2.3 试验内容及其结果

为了验证光纤射频稳相传输的可行性，搭建了一个桌面演示试验系统，该系统基本与上面图 3所示基本相同，使用的光纤为1 km G.652单模光纤。不同的地方是在天线端高功放耦合输出射频信号利用矢量网络分析仪的1端口产生，将返回至中心机房的射频输出信号输入至矢量网络分析仪的2端口，从而可以利用矢量网络分析仪判断该系统能否实现射频信号的稳相传输。

在室温条件下，记录闭环后侧音信号的相位变化数据如下图 4所示，在该段时间内光纤延迟线的调整量如图 5所示。由图 4～5可以看出，在测试时间段内光纤延迟线的调整量峰峰值超过110 ps，在闭环后侧音信号（1 GHz）相位在观测时间内始终在设置相位值–93°上下波动，无明显相位漂移趋势。

图4 闭环后监测侧音信号的相位变化数据Fig.4 Phase data of the detected tone signal at closed loop condition

图5 光纤延迟线延迟补偿量变化曲线Fig.5 Compensation delay of optical delay line at closed loop condition

将光纤放入温箱内，不断改变温箱内环境温度，待温箱内环境温度稳定半小时后，在不同温度条件下，利用矢量网络分析仪记录光纤传输系统的相位变化。如表 2所示，记录得到5.99 GHz、6.00 GHz以及6.01 GHz三个频点在不同温度下的相位结果，表 3为多次记录得到相位差变化的标准差。可以看出，在不同温度条件下，矢量网络分析仪测量得到的光纤射频传输系统在3个频点的相位变化均未超过1 °，不同温度下相位变化标准差约为0.29 °，从而表明这种闭环补偿方案可以实现射频信号的稳相传输。

表2 不同温度条件下相位记录结果Table 2 Phase results at different temperature conditions

表3 不同温度条件下相位标准差Table 3 Standard deviation of phase results at different temperature conditions

3 结 论

对于上行天线组阵试验系统对射频稳相传输的需求，本文设计了一种基于光纤延迟线的闭环光纤射频稳相传输试验方案。室温条件下侧音信号补偿结果表明，未经过补偿的系统单向相位漂移超过55 ps，折算C波段（6 GHz）相位漂移达到118.8 °，不能满足信号上行组阵信号合成需求。经过闭环补偿后，不同温度条件下，传输射频信号相位标准差为0.29 °，优于10 °信号合成需求。桌面演示试验系统表明，该系统可以实现射频信号稳相传输，能够满足上行天线组阵试验对于高稳定度射频信号的需求。目前，光纤稳相传输技术正在实际上行组阵试验系统中正开展试验测试与验证。

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