基于电子相位补偿的光纤频率传递技术

谢 勇，赵大勇，尹继凯，王崇阳，王正勇

(1.中国人民解放军93216部队，北京 100085；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

雷达系统需要高稳定度、低相位噪声、相位一致的频率源，而低相噪时钟源往往只部署在中心站，需要将该频率信号高质量地传输到分节点，保证传输到远端的频率信号相位噪声指标满足系统使用要求。

同轴电缆传输损耗大、体积大、成本高，很难实现远距离传输，光纤频率传递信号具有损耗低、抗电磁干扰、稳定度高、传输距离远的特点，非常适合时频信号的远距离传输，基于光纤链路的高质量频率信号传输技术将在中长距离传输中代替以空间链路为传输路径的时频传递技术[1-5]。

目前，国内外使用光纤传递频率信号主要有3种技术手段：基于光学相位补偿的光纤频率传递、基于数字相位补偿的光纤频率传递和基于电子相位补偿的光纤频率传递，光学相位补偿器件光纤延迟线补偿精度高，但在环境温度应力变化较大时，光纤等效长度变化较大，体积大和可调范围小成为光学相位补偿的限制因素；数字相位补偿系统具有方便控制、体积小、可移植等优点，但是受限于数字移相器调整精度低；电子相位补偿方法补偿器件为压控晶振，稳定度好、补偿范围大、体积小，但是系统结构复杂，对高频电路设计与制作要求高[6-9]。

本文开展了基于电子相位补偿的光纤频率传递技术研究，解决远距离光纤频率传递后输出10 MHz频率信号相位噪声恶化问题。

1 光纤频率传递技术原理

使用光纤传递频率信号时，由于光纤链路受所处环境温度、应力的影响，引入附加相位噪声导致传输信号稳定度恶化，添加电子相位补偿措施后，可降低环境变化对稳定度的影响，实现频率信号高质量传输。

1.1 机械应力引起时延抖动分析

温度和应力是引起光纤频率传递相位变化的主要因素，温度变化是一个相对缓慢的过程，影响光纤频率传递的长期稳定性，而振动等机械应力为瞬时变化，影响光纤频率传递的短期稳定性，即相位噪声。振动导致时延抖动是由应力变化引起，应力影响光纤传输时延主要有两个方面[10-13]：

① 应力引起光纤轴向变化，从而使光纤长度变化，引起光纤频率传递过程中相位变化的主要因素。 当光纤受到轴向应力时，引起光纤频率传递相位变化关系为：

(1)

式中，L为光纤长度，F为轴向应力，S为光纤横截面积，E为杨氏模量，n为光纤折射率，μ为泊松比，p11、p12为光弹张量。

② 应力引起折射率变化，光纤受到多个方向的压力导致光纤的长度以及芯径发生变化，引起光纤纤芯折射率发生变化。长度和折射率发生变化都会引起传输信号时延变化。假设光纤的两正交横方向之间的应力差为Δσ，则同向的折射率差为：

(2)

式中，E为杨氏模量，n为光纤折射率，μ为泊松比，p11、p12为光弹张量。

1.2 电子相位补偿原理

电子相位补偿通过双向传输频率信号，调整两端相位保证参考点输入输出信号相位间的共轭关系[14]，如图1所示。

图1 相位共轭关系示意图Fig.1 Schematic diagram of the phase conjugation relationship

经过光纤传递后的远端相位φ0表示为：

(3)

式中，φ0为参考相位，φp为时延相位，若相位满足上述关系，光纤传递后远端相位与参考信号相位相同。

基于电子相位补偿的光纤频率信号传递原理如图2所示。

为了测量出信号在光纤链路传输过程中引入的相位变化，增加了两个信号分别由标准频率源混频产生的两个信号E3、E4：

E3=A3cos(ω3t+φ3)，

(4)

E4=A4cos(ω4t+φ4)，

(5)

电子相位补偿系统通过执行单元压控晶振来完成实时补偿，控制单元使用PID控制调整环路滤波器参数，控制压控晶振输出频率信号的相位变化，补偿光纤链路传输中引入的相位变化，执行单元压控晶振输出的频率信号为：

E0=A0sin(ωlocalt+φv)，

(6)

式中，ωlocal为压控晶振输出信号的频率，φv为执行单元补偿相位值。

压控晶振输出频率信号经过激光器调制到光信号上，经光分路器，一路进入光纤传递至远端；另一路返回本地探测器经过解调后输出电信号，这样做是为了补偿传输系统中环外器件(激光器、探测器等)引入的相位变化，记为：

E5=A5sin(ωlocalt+φ′v)，

(7)

式中，φ′v包含压控晶振和环外器件的相位信息。

经过单向光纤传递至远端探测器解调后输出频率信号记为：

E10=A10sin(ωlocalt+φ′v+φp)，

(8)

式中，φp表示单向传递光纤链路附加相位；则经过同一根光纤双向传输后的返回信号包含2倍光纤链路附加相位，记为：

E6=A6sin(ωlocalt+φ′v+2φp)，

(9)

将E3和E5混频得到：

E7=A7cos((ωlocal-ω3)t-φ3+φ′v)，

(10)

将E4和E6混频得到：

E8=A8cos((ω4-ωlocal)t+φ4-2φp-φ′v)，

(11)

E7和E8经过相位检测单元得到：

E9=cos((2ωlocal-ω3-ω4)t+(2φ′v+2φp-φ3-φ4))。

(12)

当E9=cos((2ωlocal-ω3-ω4)t+(2φ′v+2φp-φ3-φ4))=0时，加载到执行元件上的电压为0，本地发射信号E5与返回信号E6相位共轭并且远端信号的相位与信号传输路径是不相关的。于是满足式(13)和(14)即可得：

2ωlocal-ω3-ω4=0，

(13)

(14)

(15)

于是有：

(16)

(17)

E5、E6满足共轭关系，则远端信号可表示为：

(18)

可见，此时远端输出信号与本地端标准频率源输出信号相位差为固定值，相位差与信号传输路径无关，实现了信号稳相传输。

2 基于电子相位补偿的光纤频率传递方案

根据基于电子相位补偿的光纤频率传递技术设计1 GHz光纤频率传递方案，如图3所示，包括微波信号生成单元、共轭信号生成单元、综合比相单元、反馈控制单元、近端光信号收发单元、远端光信号收发单元和测试单元。图中，VCXO为压控晶振；PC为功分器；M为混频器；BPF为带通滤波器；LPF为低通滤波器； PD为光电探测器；OC为光纤环形器；DFB为分布反馈式激光器。

图3 光纤频率传递方案Fig.3 Optical fiber frequency transmission scheme

微波信号生成单元包含产生标准频率源的原子钟、100 MHz频率综合器、1 GHz频率综合器和一个功率分配器。频率综合器负责产生相位锁定于标准频率源的频率信号。

共轭信号生成单元由一个混频器、一个功分器、一个900 MHz带通滤波器以及一个1 100 MHz带通滤波器组成。主要功能是通过微波信号生成单元产生的1 GHz与100 MHz参考信号混频，经带通滤波器产生一路900 MHz频率信号，一路1 100 MHz频率信号。

综合比相单元包含两个混频器和两个低通滤波器。主要功能是通过双混频电路将900 MHz参考信号与1 GHz预补偿传递信号混频、1 100 MHz参考信号与1 GHz返回信号混频，两个混频之后产生的100 MHz频率信号再进入鉴相器鉴相，给出与光纤链路传输时延波动相关的误差信号。

反馈控制单元包含PID控制单元、一个压控晶体振荡器和1 GHz频率综合器，是光纤频率传递的关键所在。主要功能是为了消除传递过程引入的相位误差，将远端接收信号的相位误差反馈在近端通过压控晶体振荡器进行预补偿，实现频率信号的稳相传输。

近端光信号收发单元主要由直调分布反馈式(DFB)激光器、光环形器和光纤链路组成，主要功能是实现电光转换、光电转换以及光信号的双向传递。

远端光信号收发单元由直调分布反馈式(DFB)激光器、光电探测器、光环形器、功分器和分频器组成,主要功能是1 GHz传递信号下变频到10 MHz，为远端用户提供10 MHz频率源，实现远端虚拟原子钟作用。

测试单元采用的是相位噪声测试仪FSWP，可以测试频率的相位噪声、Allan方差、相位波动以及频率波动。

本文光纤频率传递方案的工作原理为：

近端标准频率源产生10 MHz参考信号，进入频率综合器产生100 MHz频率信号和1 GHz频率信号，这两个信号在混频器M1混频，经过功分器分成两路，一路经过900 MHz带通滤波器BPF1，与压控晶振VCXO输出100 MHz信号倍频后的1 GHz信号混频滤波之后进入PID；另一路经过1 100 MHz带通滤波器BPF2，与远端返回信号混频滤波之后进入PID。PID控制单元输出与光纤链路传输时延波动相关的误差信号，控制电压改变VCXO的输出频率来实现信号稳相传输。压控晶振输出信号进入分布反馈式激光器DFB1(波长为λ1)，光信号注入光纤环形器OC1进入光纤，传递到远端。

在远端，近端来的光信号进入光电探测器转换成电信号，电信号进入功分器，一路经过远端分布反馈式激光器DFB2(波长为λ2)经光纤链路返回近端，返回信号进入综合比相单元与近端1 100 MHz频率信号混频，之后进行相位补偿，至此整个传递系统实现闭环;另一路用做系统输出，实验中输出端分频之后的10 MHz频率信号与近端10 MHz参考信号进入稳定度测量单元相噪仪，得出稳定度测试结果。评估方法使用频率稳定度的频域表征——相位噪声，可以反映由噪声引起的相位随机波动。

3 光纤频率传递试验

在实际光纤链路中，应该考虑到光缆所处环境变化(温度、应力等因素)对传输频率信号相噪的影响，且由于地理位置等因素的限制，部分光缆会采用架空形式进行铺设，这种情况下受风力、振动等应力影响引起光缆晃动，会导致频率信号在光纤传递中产生的瞬时相位变化进一步放大，为了保证传输至光缆远端10 MHz相位噪声指标，应采用具有相位噪声补偿功能的光纤频率传递技术[15-18]。

3.1 光缆应力变化试验

对架空光缆情况进行应力变化仿真试验，晃动部分光缆，模拟风力引起的光缆形变，对比晃动前后远端恢复的频率信号相位噪声。标准频率源选择低相噪高稳晶振，输出10 MHz频率信号1 Hz处相位噪声为-125 dBc/Hz@1 Hz，光纤频率传递光缆使用100 km光纤盘与30 m光缆组件串联，光纤不晃动时远端恢复10 MHz频率信号1 Hz处相位噪声为-123 dBc/Hz@1 Hz，测试仪器为相噪测试仪FSWP，经过电子相位补偿的光纤频率传递系统，输出10 MHz频率信号相位噪声基本无恶化，测试结果如图4所示。对30 m光缆进行水平和垂直摆动,摆动幅度1 m，模拟风力引起光缆晃动，远端恢复10 MHz频率信号1 Hz处相位噪声为-117 dBc/Hz@1 Hz，相位噪声恶化6 dB，如图5所示。

图4 100 km+30 m光纤不晃动相位噪声结果Fig.4 Phase noise results of 100 km+30 m fiber without shaking

图5 30 m光纤晃动相位噪声结果Fig.5 30 m fiber sway phase noise results

由以上试验结果可知，光缆受晃动对传递的频率信号相位噪声有影响，但基于电子相位补偿的高稳定光纤频率信号传递方案补偿了大部分晃动光缆引入的相位噪声。

3.2 实地链路光纤频率传递试验

经过仿真试验后，开展实地链路光纤频率传递试验，130 km的光纤链路中有30 km光缆采用架空铺设方式，100 km光缆采用埋地铺设方式，测试时间段试验地点风力为2～3级，近端标准信号源为高稳晶振，1 Hz处相位噪声为-120 dBc/Hz@1 Hz。测试仪器使用Symmetricom 3120A。

图6为光纤频率传递相位噪声测试结果。未采用电子相位补偿的光纤频率传递多次测试远端恢复10 MHz在1 Hz的处相位噪声在-100～-95 dBc/Hz@1 Hz之间，均值为-99 dBc/Hz@1Hz；采用电子相位补偿的光纤频率传递多次测试远端恢复10 MHz在1 Hz处相位噪声在-114～-110 dBc/Hz@1 Hz，均值为-111 dBc/Hz@1 Hz，相比未进行电子相位补偿系统相位噪声提高12 dB，分别如表1和表2所示。

图6 130 km实地光纤链路频率传递稳定度结果Fig.6 Frequency transfer stability results of 130 km field optical fiber link

表1 实地链路光纤频率传递相位噪声测试结果(未进行电子相位补偿)Tab.1 Field link fiber frequency transfer phase noise test results(without electronic phase compensation)

表2 实地链路光纤频率传递相位噪声测试结果(电子相位补偿)Tab.2 Field link fiber frequency transfer phase noise test results(electronic phase compensation)

4 结束语

通过基于电子相位补偿光纤频率传递系统的设计与实现，完成了在架空光缆上实现远距离低相噪光纤频率传递，噪声劣化优于10 dB，实验结果表明该技术补偿了光纤频率传递过程中引入的相位噪声，满足系统对频率信号传递要求。该技术未来可以应用在架空光缆上，为雷达系统、阵列天线、时钟比对等提供高精度频率传递服务，具有广泛的应用前景。