高精度光纤微波时频传递技术

齐苗苗, 林平卫, 潘家荣, 蒋志远

(1. 中国计量大学 生命科学学院,浙江 杭州 310018； 2. 中国计量科学研究院, 北京 100029)

1 引 言

时间频率是当代人类测量精度最高的物理量,其直接测量精度相比其它物理量要高4个数量级以上。因此,在一些前沿物理测量实验中会尽可能将其他物理量转化成时间频率进行测量[1]。时间频率技术现已在多个领域被广泛应用,例如交通运输、农林渔业、水文监测、气象测报、通信授时、公共安全等[2,3],极大地方便了人们生活、促进了社会发展。目前，已经有美国的全球定位系统GPS、俄罗斯GLONASS以及欧盟的伽利略卫星导航系统等。我国则在今年全面建成了北斗三号系统，为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务。对于现代卫星导航系统而言,时间频率是其核心基础之一。发展独立自主的时间频率系统不仅仅是满足人们日常需要,更是我国建设独立强国的抉择,有无时间频率系统及其性能高低,是国家科技综合实力的体现,是一种大国地位的竞争,更是一种战略制高点的争夺[4]。

随着高精度原子钟的飞速发展,频率稳定度在10-16/s量级的频率振荡器及频率不确定度在10-18量级的光钟相继出现,现有的时间频率传输和同步技术已无法满足此类高精度原子钟时间频率比对的需求,亟需发展具有更高精度的时间频率传输与同步方法[5,6]。光纤凭借其高可靠性、高稳定性、高精度以及低损耗等优点脱颖而出,逐渐发展成为一种新型的时频传递介质[7]。

目前现有的光纤时频传输技术主要有3种：一是精度最高的光纤光频传递,可以满足高精度光钟的频率传递需求,由于电子学设备无法直接解调使用光频段信号,因此实际操作有困难；二是基于飞秒光纤光学频率梳的光纤时频传递,由于该技术发展时间短,目前主要处在实验测试阶段；三是光纤微波时频传递,其传递精度没有光频传递高,但完全可以满足现有的微波原子频标信号的传递需求,并且微波传递发展时间长，易长距离传输，成本较低且应用范围广[8]。本文主要综述光纤微波时频传递,其基本原理是将光波作为载波,通过电光调制技术将时间频率信号调制到激光上,通过光纤进行远距离传输。

近年来,国内外研究人员在光纤微波时频传递方面做了大量的理论及应用研究,例如法国巴黎天文台[9]、澳大利亚国家计量研究院[10,11],国内中国计量科学研究院[12]、上海光机所[13]、清华大学[14]、北京大学[15]、上海交通大学[16]、北京邮电大学[17,18]等多家科研机构和学校都进行了光纤微波时频传递研究。

本文从实际工程可行性应用的角度,综述了光纤微波在时间传递、频率传递、时频一体化传递3个方面国内外的研究现状,分析现阶段存在的问题以及未来的发展趋势。

2 基本原理

2.1 时间同步技术原理

光纤微波时间同步技术原理：主站参考标准秒脉冲(pulse per second, PPS)时间信号产生编码信号,通过电光调制器(EOM,electro-optic modulator)将编码信号加载到光载波上,经光纤链路传递至从站,从站接收到激光信号后,通过光电探测器(PD,photoelectric detector)恢复出编码信号,解码恢复得到1 PPS信号；再测量主站与从站之间的光纤传输时延,通过时延补偿实现时间同步。目前微波时间同步技术主要通过环回和双向比对两种方式来实现。

2.1.1 环回法

环回法(round-trip)是完成主站与从站之间时间传递的常用方法,通过测量主站A到从站B再到主站A的往返时延,取环路延时的一半作为主从站间的单程时延,通过补偿从站B时钟使得与主站A时间同步。环回法原理如图1所示[19,20]。

图1 环回法原理图Fig.1 Principle block diagram of round-trip

图中TA、TB分别表示主站和从站原子钟输出时间,TAEO、TBEO分别为主站和从站的电光延时,TAOE、TBOE分别为主站和从站的光电延时,TASO、TBSO分别为主站和从站的发送光处理延时,TARO、TBRO分别为主站和从站的接收光路产生的延时,TAB表示主站到从站的光纤传输时延,TBA表示从站到主站的光纤传输时延,TC表示主站时间间隔计数器所测得的时间。

则:

TC=TAEO+TASO+TAB+TBRO+TBOE+

TAOE+TARO+TBA+TBSO+TBEO

(1)

基于环回法链路时延对称的思想,可得主站与从站间的单程时延τ为时间间隔计数器的一半,即：

τ=TC/2

(2)

但实际系统时延并不完全对称,尤其当往返波长间隔较大时,系统相对误差会随着光纤的长度而累积,从而导致时间信号传递比对精度降低。如在G.625光纤中传输1 000 km,工作波长λ1为 1 550.12 nm,λ2为1 550.52 nm,来回光纤链路所产生的授时误差约为3.3 ns；当波长λ1取1 310 nm,λ2取1 550 ns时,误差增加到1 070 nm[21]。因此,通常选用间隔较小的波长进行传输实验。近年来,随着环回法技术的不断革新,为保证系统时延对称性,利用时分复用技术进行单纤双向同波长信号传输的同步技术渐渐发展起来。

2.1.2 双向比对法

与环回法不同的是,双向比对法是利用时间间隔计数器来直接测量本地端时间与接收到的另一端发送时间的时间差,根据该值可以计算出两地的钟差,再以其中一端钟源为基准对另一端钟源进行调整,实现两地的时间同步。双向比对法分为双纤双向时间同步和单纤双向时间同步,由于双纤双向传输实验同步精度很低,实际工程应用较少,因此主要讨论单纤双向时间同步技术,根据工作波长是否相同又将单纤双向时间同步技术分为双向波分复用技术(wavelength division multiplexing,WDM)和双向时分复用技术(time division multiplexing,TDM)。

双向波分复用技术同步原理如图2所示[22]。主站A向从站B发送波长λ1的时间信号,时间间隔计数器1开始计时；同时,从站B向主站A发送波长λ2的时间信号,时间间隔计数器2开始计时。当主站A时间间隔计数器1接收到从站B传来的信号时停止计时；同样地当从站B时间间隔计数器2接收到主站A传来的信号时停止计时。

图2 双向波分复用时间同步原理图Fig.2 Principle diagram of time synchronization for WDM

此时,主站A时间间隔计数器1的计算结果为：

T1=TAOE+TARO+TBA+TBSO+TBEO+(TA-TB)

(3)

从站B时间间隔计数器2的计算结果为：

T2=TBOE+TBRO+TAB+TASO+TAEO-(TA-TB)

(4)

式中：T1、T2分别表示主站A、从站B两站的时间间隔计数器所测得的时间时间间隔。则两地钟差为:

ΔT=TA-TB

(5)

全程虽采用一根光纤进行传输,但由于往返波长不同因此光纤链路并不完全对称。假设TAB=TBA,式(5)可以简化为：

(TASO-TBSO)+(TAEO-TBEO)]

(6)

由式(6)可以得到主站与从站之间的钟差,对从站进行时延补偿,从而实现两地时间同步。

时分复用技术使用相同波长的光信号进行传输,此时光纤链路完全对称,传输精度相对波分复用要高,其原理如图3所示[23]。主站A和从站B轮流交替的向光纤链路传输相同波长的光信号,为了避免光波冲突,在从站B处加入时延调整装置,从站B在发送信号前先进行时延调整,从而保证在任意时刻光纤链路中只有单路光信号。

图3 双向时分复用时间同步原理图Fig.3 Principle diagram of time synchronization for TDM

主站A时间间隔计数器1的计算结果为：

T1=ΔT+τREA+τBA+τTXB+τd

(7)

从站B时间间隔计数器2的计算结果为：

T2=-ΔT+τREB+τAB+τTXA

(8)

式中：τAB、τBA分别为从A到B和从B到A的光纤传输时延；τTXA、τTXB分别为主站和从站的发射时延；τREA、τREB分别为主站和从站的接收时延；τd表示时间间隔计时器3测量的从站B传输信号前的时延值；ΔT表示主站A与从站B之间的钟差。

由式(7)、式(8)得：

(τTXA-τTXB)+(τREB-τREA)]

(9)

根据时间间隔计数器的结果计算得出钟差,再以一端钟源为基准对另一端钟源进行调整,实现两地时间同步。

以上4种方法,环回法传递系统相对简单,由于全程只有主站一个钟源,主站与从站相互之间不需要通信,基于环回法的时分复用技术波道占用少,传递精度高。双向波分复用技术扩容性强,可以在同一根光纤中传输特性完全不同的信号。时分复用同步技术则有效避免了色散效应引起的链路不对称问题,同时抑制了后向散射噪声的影响,从长期发展来看,时分复用的工程应用前景更广。

2.2 频率同步技术原理

光纤微波频率传递指发射端用直接调制或者间接调制的方式将需要传递的微波信号调制到光载波上,通过单模光纤将其进行传输,在接收端利用PD解调出所需要的微波信号[24]。其中直接调制指的是对激光器的调制,间接调制指对外部EOM的调制。当信号在光纤链路传输时难免受到外界环境的干扰而导致相位抖动,因此频率同步最核心的任务是补偿链路相位噪声。其中最基本的方法是往返传输补偿法,原理图如图4所示[25]。

图4 往返传输补偿法Fig.4 Round-trip transmission method

其中信号源的原始相位为φ0,经过光纤链路往返传递后,通过相位比对得到相位的变化量为2Δφ。由于往返链路是同一根光纤,假设往返相位变化量相同,在传输之前先对本地端传递信号进行-Δφ的预补偿,使得在远地端接收到的信号相位φremote与原始相位φ0相同,从而实现对光纤频率传递过程相位噪声的实时补偿。在往返传输补偿法的基础上,按补偿方式分类,可以分为被动相位噪声补偿法和主动相位噪声补偿法。

2.2.1 被动补偿技术

被动补偿技术基本原理是首先将参考信号进行倍频处理,再将回传信号与之进行多次混频,使其与链路相位噪声发生理论上的共轭关系,混频后再传入光纤补偿链路中的扰动。图5为利用被动补偿技术补偿光纤链路相位噪声的典型原理图[26]。

图5 被动补偿法Fig.5 Passive compensation

近地端初始标准信号V1为：

V1∝cos(ωst+φs)

(10)

式中：ωs、φs分别表示初始信号的角频率和相位。标准信号经功分器一分为二,一部分经过EOM将信号调制到光载波上通过光纤传输,远地端接收到的信号为：

V2∝cos(ωst+φs+φp)

(11)

式中：φp是经光纤传输引入的相位扰动。由于是同一根光纤,因此由远地端回传到本地端的信号为：

V3∝cos(ωst+φs+2φp)

(12)

本地端的另一部分信号经过三倍频器后：

V4∝cos(3ωst+3φs)

(13)

将V3和V4混频得到：

V5∝cos(2ωst+2φs-2φp)

(14)

将混频后的信号由EOM调制到光载波上再次进入光纤链路,此时远地端接收到的信号相位误差已经抵消,频率是原来的一倍,经过二分频器得到：

V6∝cos(ωst+φs)

(15)

最后,远地端接收到的信号将会和原始信号一致,实现近地端与远地端频率同步。因被动补偿法全程不涉及任何主动补偿器件,没有反馈控制等复杂的电子线路,因此具有补偿速度快、补偿范围大的优势。

被动补偿法系统的优点是结构简单,不需要对链路进行预补偿,基于相位共轭法自动补偿链路相位扰动。缺点在于随着光纤链路的加长,被动系统中的漂移会慢慢累积,导致无法及时被动补偿。因此精度较低,长期稳定度差,只适用于短距离传输。

2.2.2 主动补偿技术

主动相位噪声补偿技术是一种通过主动补偿器件补偿光纤内信号相位抖动的技术,由往返传输信号和发送信号鉴相提取出来的相位误差信号反馈给主动补偿器件,控制补偿器件的某个参数,形成反馈环路,从而补偿由于外界扰动导致的信号相位抖动[27]。根据补偿执行元件的位置不同可以分为光学相位补偿法和电学相位补偿法。

光学相位补偿,其补偿执行机构是光纤,光控过程如图6所示,本地信号与往返信号经过鉴相器得到误差信号,误差信号进入光学控制单元,进而控制光学执行单元,形成反馈环路来补偿光纤链路中信号的相位抖动,常用的方法有温控光纤卷轴、压电陶瓷光纤延迟线和电控可调光延时线等。

图6 光学补偿法Fig.6 Optical compensation

采用该方法进行相位补偿具有一个很明显的缺陷,温控光纤的长度会随着传输距离的增加而延长,这样不仅使补偿速度更慢,同时增加了光功率损失,恶化了信号的信噪比。因此不适合长距离传输。

另一种是电学相位补偿,原理图如图7所示。该方法依靠电路系统完成本地端发射信号的相对原子钟信号锁定后的相位预补偿,同样由鉴相器得到误差信号,误差信号通过相位噪声补偿单元,控制压控振荡器(voltage controlled oscillator, VCO)形成反馈环路补偿由于外界扰动导致的信号相位抖动。由于整个过程不涉及任何光学元件,因此电学相位补偿系统结构简单,成本相对较低。常用的方法有PID控制电路、锁相环等。

图7 电学补偿法Fig.7 Electrical compensation

3 研究进展

在光纤频率传递方面,2008年法国物理激光实验室(LPL)利用城市光纤进行了1 GHz射频信号的远端分配实验,传输距离为86 km,通过采用压电陶瓷和光纤温控联合的光延迟控制方式来补偿,其中纳秒量级的大动态范围由温控光纤卷进行慢速补偿,皮秒量级的小动态范围由光纤拉伸器进行快速补偿[28]。补偿后的系统频率稳定度为5×10-15@1s和2×10-18@day。2009年,日本信息与通信研究所(NICT)提出了采用压控振荡器的电域相位补偿方法[29]。在114 km的城市光纤进行了1 GHz射频信号传输实验,补偿后系统的天稳定度达到了10-18量级[30]。国内,2019年北京邮电大学胡帆、乔耀军等[31]设计的频率传输系统采用主动补偿和被动补偿相结合的方法实时补偿信号在光纤传输中引入的相位抖动,本地端是无源的被动补偿结构,远地端采用的是基于锁相环的主动补偿结构,在2.4 GHz微波直接强度调制光载波传输1 007 km光纤链路,短期稳定度为8.2×10-14@1 s,长期稳定度为 7.88×1 0-17@104s,比同期研究结果提升了半个数量级,并且更适合长距离频率传递。

在光纤时间传递方面,2016年吴龟灵等[32]利用自主改进的IRIG-B 时间码、编码器和解码器,采用双向时分复用技术,进行同纤同波传输实验,在2 000 km的光纤链路上,实现了时间传递稳定度优于89 ps@1s和23 ps@105s超长距离高精度双向传输。此外,中国科学院国家授时中心陈法喜团队做了大量研究,2017年周旭等[33]在环回法的基础上,采用时分复用和光中继的方案,实现了单纤同波长信号的长距离高精度时间同步。其中光纤时延采用两段式调节技术,即现场可编辑门阵列(field programmable gate array,FPGA)时钟整周期倍的时延通过FPGA进行粗调,非整周期倍的时延通过锁相环进行细调。在112 km的实地光纤测得时间同步精度为100 ps@1 s,稳定度为5 ps@103s。

不论是时间传递系统还是频率传递系统,都只能满足某方面的单一需求,系统的应用范围局限性较大。随着全球卫星导航系统、深空探测的快速发展,要求系统需要同时满足频率同步和时间同步,因此研究高精度的时间和频率同时传递系统具有重要的科研价值和广泛的应用前景。

目前时频同时传递的方法有两种,一种是将时间信号和频率信号分别调制到不同信道,然后再利用波分复用技术进行时间信号和频率信号的同时传输[34]。2014年清华大学和中国计量科学研究院在两地往返80 km的商用光纤链路上用这种方法实现了时间和频率同时传输与同步实验[35,36],在本地端主动探测光纤传输过程中引起的的相位噪声和时间延迟,并根据结果进行补偿,获得了7×10-15@1 s和 5×10-19@day的频率传输稳定度结果,实现±50 ps的时间同步稳定度指标。该系统完成了可多点下载的频率接收系统,为时频一体化传输的网络化建设提供了有利保障。

另一种方法是将时间信号嵌入到频率信号中在同一信道进行一体化传输。2013年波兰Krehlik等[37]提出一种改变频率信号波形占空比的嵌入方法,并研发了专用的1 PPS嵌入器和检测器,利用压控电延迟芯片同时对时间信号和频率信号进行相位调整。在60 km的光纤测试中,频率传输稳定度达到1.2×10-17@105s；时间传递稳定度达到了4.5 ps@100 s和0.3 ps@105s。

2019年中国计量科学研究院林平卫结合双混频时差测量技术[38]提出了一种高精度时频一体化传输方案,采用同纤同波分时传输的方法实现频率传输和时间同步。整个一体化传输方案分为3个过程:首先采用电学相位补偿法补偿光纤链路相位噪声,实现本地端和远地端的正弦波相位一致；其次采用环回法与时分复用相结合的方法,实现时间信号的初步同步,同时获得初步同步秒脉冲信号；最后远地端在接收的正弦波信号过零点处生成一系列脉冲信号,找出与初步同步秒脉冲信号最接近的作为远地端标准秒脉冲信号,实现两地时刻精准同步[39],从而完成高精度时频一体化传输。该方法比现有同步技术精度要提高1个量级,尤其在时刻同步方面,同时解决了长距离传输时系统精度显著下降的问题,具有广泛的应用前景。

4 结 论

本文讨论了光纤微波时频传递在时间传递、频率传递的各种方法,介绍了时频一体化传递新技术。实践证明了光纤在高精度时频传输方面的优势,其中应用范围最广的微波时频传递中频率传递技术发展相对成熟,而高精度时间同步技术目前同步水平与实际应用还有一定差距。社会的快速发展对光纤时频一体化同步技术提出更高的要求以及更高的标准,需要不断创新。从长期来看,点对点传递、单一时间传递和单一频率传递局限性较大,无法满足各种工程应用需要,而网络化、实用化、一体化的时频传递技术将是领域未来发展的必然趋势。