向 坤，吳 虹，趙迎新，田旭生，王琦琦(1. 南開大學(xué)信息技術(shù)科學(xué)學(xué)院，天津 300071；. 南開大學(xué)天津市信息光子材料與技術(shù)重點實驗室，天津 300071)

射頻拉遠(yuǎn)系統(tǒng)中的時鐘同步技術(shù)

向 坤1,2，吳 虹1,2，趙迎新1,2，田旭生1,2，王琦琦1,2
(1. 南開大學(xué)信息技術(shù)科學(xué)學(xué)院，天津 300071；2. 南開大學(xué)天津市信息光子材料與技術(shù)重點實驗室，天津 300071)

針對射頻拉遠(yuǎn)系統(tǒng)中基帶控制部分和射頻拉遠(yuǎn)單元之間的時鐘漂移問題，提出了一種利用鎖相環(huán)進(jìn)行時鐘同步的技術(shù)．該技術(shù)利用鎖相環(huán)的特點，通過跟蹤時鐘漂移并對時鐘信號進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償來達(dá)到抵消時鐘漂移的目的．分析了漂移的產(chǎn)生和影響以及補(bǔ)償方案的可行性，設(shè)計并制作了集成在一塊4層印刷電路板中的時鐘同步模塊．測試結(jié)果表明：加入時鐘同步模塊的時鐘信號頻率穩(wěn)定度可達(dá)到1×10-12，較之無同步模塊提高了4個數(shù)量級；對于10,km和100,km單程光纖鏈路，該方案能達(dá)到同樣的效果．可見，采用該技術(shù)可以在較大的動態(tài)范圍內(nèi)補(bǔ)償時鐘漂移，從而提高時鐘信號的頻率穩(wěn)定度．

射頻拉遠(yuǎn)；時鐘漂移；鎖相環(huán)；頻率穩(wěn)定度

射頻拉遠(yuǎn)是將基帶信號轉(zhuǎn)換成光信號傳送并在遠(yuǎn)端放大的一項技術(shù)．射頻拉遠(yuǎn)系統(tǒng)中，基站被分成無線基帶控制和射頻拉遠(yuǎn)單元兩部分，這樣既節(jié)省基站空間，又降低設(shè)置成本，而且連接兩者之間的接口采用光纖，其損耗小、穩(wěn)定性高，可大幅度降低電力消耗．基帶與射頻拉遠(yuǎn)單元之間通過光纖傳輸數(shù)據(jù)和控制信息，而且基帶并不獨立傳輸數(shù)據(jù)和時鐘．拉遠(yuǎn)單元從光纖傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中恢復(fù)出系統(tǒng)時鐘并用于數(shù)字信號的判決和恢復(fù)．

因為環(huán)境溫度變化或者振動等會引起光纖傳輸特性發(fā)生變化，從而導(dǎo)致系統(tǒng)時鐘產(chǎn)生漂移，使輸入信號比特在判決電路中不能得到有效識別，進(jìn)而產(chǎn)生誤碼．傳統(tǒng)方法利用光纖延遲線調(diào)整光纖傳輸路徑使傳輸時鐘穩(wěn)定[1-2]．將光信號轉(zhuǎn)化為電信號并對時鐘漂移進(jìn)行跟蹤測量，同時依據(jù)測量值對光纖延遲線進(jìn)行調(diào)整，即可實現(xiàn)對漂移的補(bǔ)償[3-5]．在光纖鏈路中加入一個雙向光放大器，增大接收光信號信噪比，可提高時鐘頻率穩(wěn)定度[6]．但是由于光纖延遲線自身的限制，當(dāng)漂移較大或者頻率較高時，很容易超出其調(diào)節(jié)范圍而使調(diào)節(jié)失效．文獻(xiàn)[7]介紹了一種主動補(bǔ)償方法，跟蹤時鐘漂移并對本地壓控晶振進(jìn)行相位調(diào)整，從而補(bǔ)償時鐘漂移；但是該方法僅在短距離情況下有效，且容易由于漂移較大而失效．利用鎖相環(huán)跟蹤并補(bǔ)償?shù)姆椒ㄒ苍絹碓蕉嗟赜糜谶h(yuǎn)距離光纖傳輸系統(tǒng)[8]．筆者提出了一種改進(jìn)的、利用鎖相環(huán)進(jìn)行時鐘同步的技術(shù)，可在較大的動態(tài)范圍內(nèi)對時鐘漂移進(jìn)行快速跟蹤和補(bǔ)償，從而提高系統(tǒng)誤碼性能．

1 射頻拉遠(yuǎn)系統(tǒng)

射頻拉遠(yuǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示．在下行鏈路中，基帶控制部分產(chǎn)生數(shù)字信號，經(jīng)過電光轉(zhuǎn)換后通過光纖傳輸?shù)缴漕l拉遠(yuǎn)單元，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后進(jìn)入數(shù)據(jù)和時鐘恢復(fù)模塊；完成D/A轉(zhuǎn)換并經(jīng)過濾波、上變頻、功率放大器后，通過天線將射頻信號發(fā)送出去．在上行鏈路中，射頻拉遠(yuǎn)單元接收射頻信號，經(jīng)過濾波、低噪放、自動增益控制、下變頻以及A/D轉(zhuǎn)換后，進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換并通過光纖傳輸?shù)交鶐Э刂撇糠郑缓蠼?jīng)過光電轉(zhuǎn)換并恢復(fù)出數(shù)字基帶信號．

圖1 射頻拉遠(yuǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the remote radio system

2 基于鎖相環(huán)的時鐘同步

2.1 時鐘漂移和補(bǔ)償

漂移，可以簡單地理解為信號傳輸延時的慢變化．它將引起傳輸信號比特偏離時間上的理想位置，結(jié)果使傳輸信號比特在判決電路中不能被正確識別，從而產(chǎn)生誤碼．系統(tǒng)中，時鐘漂移可用相位誤差來衡量．為實現(xiàn)高精度的光纖授時，需要使用主動補(bǔ)償環(huán)路來克服光學(xué)頻率源在光纖中傳輸時引入的時間抖動，高精度地測量該傳輸抖動是保證環(huán)路有效和穩(wěn)定的關(guān)鍵．目前常用的抖動測量采用射頻域的相位噪聲測量方案，其基本原理是利用兩個光電探測器將光頻率源和傳輸后的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后通過混頻器得到兩者的相位誤差[9]．基帶控制部分的數(shù)字信號攜帶有高穩(wěn)時鐘信號，該時鐘信號傳輸至射頻拉遠(yuǎn)單元的過程中不可避免地會產(chǎn)生相位誤差．為消除這一誤差達(dá)到時鐘同步，本文采取在基帶控制部分進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償?shù)姆桨?，抵消由光纖鏈路引入的相位誤差．相位誤差的補(bǔ)償原理如圖2所示．

圖2中，參考源為高穩(wěn)銣鐘，初始相位設(shè)為φRb；鎖模激光器進(jìn)行頻率鎖定后固定相位為φ0，相位誤差補(bǔ)償為φc，則基帶控制部分輸出時鐘相位為

由光纖鏈路引入的相位誤差設(shè)為φe(t)，則射頻拉遠(yuǎn)單元的時鐘相位為由光纖鏈路引入的相位誤差設(shè)為φe(t)，則射頻拉遠(yuǎn)單元的時鐘相位為

光纖返回路徑和傳輸路徑相同，而光纖鏈路時鐘漂移是一個緩慢變化的過程，因此可認(rèn)為返回路徑引入與傳輸路徑相同的相位誤差φe(t)，則返回信號相位為

圖2 相位誤差的補(bǔ)償原理Fig.2 Schematic of the phase error compensation

對基帶控制部分輸出時鐘和返回信號進(jìn)行鑒相，容易得到2φe(t)，由相位補(bǔ)償電路進(jìn)行處理則可得到-φe(t)．相位誤差補(bǔ)償電路產(chǎn)生一個正比于-φe(t)的電壓信號來控制鎖模激光器，以抵消光纖鏈路引入的時鐘漂移，從而提高射頻拉遠(yuǎn)單元的時鐘穩(wěn)定度．

2.2 時鐘同步方案

鎖相環(huán)(phase-locked loop，PLL)包含3個必不可少的單元電路：鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LF)、壓控振蕩器(VCO)．鑒相器將周期性輸入信號的相位與VCO輸出信號的相位進(jìn)行比較；PD的輸出信號是這兩個信號相位誤差的度量．之后，該誤差電壓由LF進(jìn)行濾波，而LF的輸出被用作控制電壓送入VCO．控制電壓改變VCO的頻率，以減小輸入信號和VCO之間的相位誤差[10]．

基于鎖相環(huán)的時鐘同步方法基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，PZT為壓電陶瓷(piezoelectric ceramic transducer). 本地激光鎖相環(huán)路和相位誤差主動補(bǔ)償環(huán)路分別構(gòu)成2個鎖相環(huán)．光纖鏈路為1對10,km光纖．

圖3 基于鎖相環(huán)的時鐘同步方法基本結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of the clock synchronization based on PLL

在基帶部分，一個1.55,μm的鎖模激光器產(chǎn)生重復(fù)頻率為10,MHz的激光脈沖，經(jīng)過分光器分成3路，1路通過10,km光纖傳送出去，其余2路分別通過2個光電轉(zhuǎn)換器之后轉(zhuǎn)換為電信號，并分別用于激光器的頻率鎖定以及基帶和射頻遠(yuǎn)端的時鐘同步．光信號到達(dá)射頻遠(yuǎn)端，經(jīng)過1個分光器分成2路，其中1路經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換器以及時鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)模塊后得到時鐘信號和數(shù)據(jù)，另1路通過另1根10,km光纖返回基帶部分，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后，與基帶部分的1路參考信號進(jìn)行鑒相得到相位誤差，即時鐘漂移．此相位誤差反饋到控制鎖模激光器脈沖重復(fù)頻率的PZT，調(diào)整激光器重復(fù)頻率，以補(bǔ)償由光纖鏈路引入的相位誤差，從而使基帶部分和射頻遠(yuǎn)端的時鐘達(dá)到同步．

接收信號的信噪比較大時，能得到較好的頻率穩(wěn)定度[11]，因此方案中所有器件均采用低噪聲器件并盡量減小插入損耗．其中，分光器得到80∶10∶10的3路光信號，較強(qiáng)的1路用于傳輸，另外2路經(jīng)過光電二極管得到電脈沖．帶通濾波器采用聲表面波濾波器，以減小插入損耗．為了與鑒相器輸入端匹配，需要對濾波后的信號進(jìn)行放大．濾波后信號功率約為-20,dBm，因此采用1個20,dB的低噪聲放大器進(jìn)行放大．用于對本地信號和返回信號進(jìn)行鑒相的鑒相器，其鑒相范圍為0°～180°，輸出電壓和相位差呈線性關(guān)系，電壓精度達(dá)到1,mV，鑒相精度可達(dá)2,mrad．

時鐘同步模塊電路原理如圖4和圖5所示．

2.3 基準(zhǔn)頻率源

鎖相環(huán)電路的關(guān)鍵之一即為高穩(wěn)定度的基準(zhǔn)頻率源．銣原子鐘具有非常好的長期頻率穩(wěn)定度，而晶振具有較好的短期穩(wěn)定度，把兩者優(yōu)勢結(jié)合起來，將恒溫晶振通過鎖相電路鎖定到銣原子鐘的頻率上，實現(xiàn)了同時具有較高的短期和長期頻率穩(wěn)定度的10,MHz基準(zhǔn)頻率源．

圖5 相位誤差補(bǔ)償電路Fig.5 Phase error compensation circuit

圖6 時鐘同步測試框圖Fig.6 Block diagram of clock synchronization test

圖7 時鐘頻率穩(wěn)定度的測試結(jié)果Fig.7 Measurement result of the clock frequency stability

3 實驗結(jié)果

對無同步模塊和加入同步模塊的時鐘傳輸鏈路，在實驗室環(huán)境下分別進(jìn)行了系統(tǒng)性能測試．測試框圖如圖6所示．測試結(jié)果如圖7所示．圖中橫坐標(biāo)為測量持續(xù)時間τ，縱坐標(biāo)為艾倫方差值σy(τ)．

針對文獻(xiàn)[7]中所提方案適用距離較短的問題，本文分別對單程光纖長度為10,km和100,km的鏈路進(jìn)行了測試．光纖置于實驗室外，其他模塊及儀器置于室內(nèi)．用頻率計數(shù)器測量，得到時鐘信號的艾倫方差，以此表征時鐘的頻率穩(wěn)定度．分別測量10,MHz基準(zhǔn)頻率源以及開環(huán)時鐘、閉環(huán)時鐘的頻率穩(wěn)定度．

整個系統(tǒng)以10,MHz基準(zhǔn)頻率源為參考，因此該基準(zhǔn)源的頻率穩(wěn)定度為補(bǔ)償后時鐘頻率穩(wěn)定度的理論最大值．從圖7可以看出，基準(zhǔn)源的頻率穩(wěn)定度為1×10-13，對于單程10,km和100,km的光纖鏈路，加入同步模塊的時鐘信號頻率穩(wěn)定度均達(dá)到1×10-12，且與理論最大值接近，無同步模塊的時鐘信號頻率穩(wěn)定度為1×10-8．

隨著光纖長度的增加，鏈路引入的相位誤差也將增大．當(dāng)最大相位誤差超出同步模塊可補(bǔ)償范圍時，同步功能將會失效．光纖延遲線方案由于延遲線響應(yīng)時間長，可伸縮長度短，極大地限制了其補(bǔ)償范圍．實驗測得100,km光纖鏈路引入的最大相位誤差約為40°，而本文所述方法理論上可在-90°～90°范圍內(nèi)實現(xiàn)誤差補(bǔ)償．

4 結(jié) 語

射頻拉遠(yuǎn)系統(tǒng)中，由于傳輸線路受外界環(huán)境變化的影響，基帶控制部分和射頻拉遠(yuǎn)單元之間存在時鐘漂移問題，從而影響系統(tǒng)誤碼性能．本文提出了一種利用鎖相環(huán)進(jìn)行時鐘同步的技術(shù)，提取由光纖鏈路引入的相位誤差，并對基帶控制部分的傳輸信號進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償，以抵消時鐘漂移．本文在分析了該方法可行性的同時，設(shè)計并制作了時鐘同步電路并在實驗室環(huán)境下進(jìn)行了測試．測試結(jié)果表明，加入時鐘同步模塊的時鐘信號頻率穩(wěn)定度可達(dá)到1×10-12，較之無同步模塊提高了4個數(shù)量級，從而實現(xiàn)了大幅提高系統(tǒng)誤碼性能的目標(biāo)．該同步技術(shù)也可用于其他光纖傳輸系統(tǒng)，以提高時鐘穩(wěn)定度．

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（責(zé)任編輯：金順愛）

Clock Synchronization Technology in Remote Radio System

Xiang Kun1,2，Wu Hong1,2，Zhao Yingxin1,2，Tian Xusheng1,2，Wang Qiqi1,2(1. College of Information Technical Science，Nankai University，Tianjin 300071，China；2. Tianjin Key Laboratory of Photonics Materials and Technology for Information Science，Nankai University，Tianjin 300071，China)

A clock synchronization technology based on phase-locked loop was proposed to deal with the clock drift problem that occurs between the radio server and the remote radio unit in remote radio system. The technology takes advantage of the features of phase-locked loop and achieves the goal of cancelling out the clock drift by tracking the clock drift and pre-compensating the clock signal. The research into the generation and impact of the drift was followed by an analysis on the feasibility of the compensation plan. Meanwhile, the clock synchronization module integrated in a four-layer printed circuit board was fabricated. And it was proved in the experiment that the clock frequency stability could reach 1×10-12with the functioning of synchronization module, achieving improvement of 4 orders of magnitude. And the result was about the same for 10 km and 100 km one-way fiber link. Therefore, this technology is able to eliminate the clock drift in a large dynamic range, and enhance the clock frequency stability.

remote radio；clock drift；phase-locked loop；frequency stability

TN924.2

A

0493-2137(2014)06-0546-05

10.11784/tdxbz201302011

2013-02-16；

2013-06-06.

國家自然科學(xué)基金資助項目(60872026)；教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金資助項目(20110031110028)；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計劃重點資助項目(13JCZDJC26000)；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計劃青年基金資助項目(13JCQNJC01000).

向 坤（1988— ），男，博士研究生，xiang_kun@live.cn.

吳 虹，wuhong@nankai.edu.cn.

時間：2013-06-28.

http：//www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20130628.1532.002.html．