江永琛，王錦清，茍偉，虞林峰

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基于光纖傳輸?shù)?.5GHz信號(hào)的穩(wěn)相系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)試

江永琛1,2，王錦清1,2，茍偉1,2，虞林峰1,2

（1. 中國(guó)科學(xué)院 上海天文臺(tái)，上海 200030；2. 中國(guó)科學(xué)院 射電天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008）

設(shè)計(jì)了一款基于光纖傳輸?shù)?.5GHz的穩(wěn)相頻標(biāo)傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在光纖介質(zhì)中傳輸?shù)南辔恍?zhǔn)。文中對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)相原理和性能進(jìn)行了分析和評(píng)估，然后對(duì)光纖穩(wěn)相系統(tǒng)的性能進(jìn)行了測(cè)試分析。包括實(shí)驗(yàn)室中的高低溫箱測(cè)試以及地埋長(zhǎng)光纖的實(shí)測(cè)。結(jié)果表明，基于目前的測(cè)試系統(tǒng)，與未穩(wěn)相時(shí)相比，穩(wěn)相系統(tǒng)對(duì)相位波動(dòng)的長(zhǎng)時(shí)間改善效果達(dá)到130多倍。文中還對(duì)光纖本身的溫度系數(shù)進(jìn)行了測(cè)試與分析，得到了光纖溫漂系數(shù)。為了解決頻率穩(wěn)定度和相噪惡化的問(wèn)題，文中還引入了一款高穩(wěn)定度的晶振鎖相模塊，并給出了多組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，使得頻率穩(wěn)定度和相噪都得到了明顯的改善。該系統(tǒng)將應(yīng)用到上海天馬65 m射電望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的頻標(biāo)信號(hào)傳輸中。

光纖傳輸；相位校準(zhǔn)；頻率穩(wěn)定度；相噪

0 引言

在微波、毫米波的射電望遠(yuǎn)鏡應(yīng)用中，對(duì)頻標(biāo)信號(hào)的相位穩(wěn)定度要求非常高，穩(wěn)定的頻標(biāo)信號(hào)是保證高精度高頻段觀測(cè)的基本條件。國(guó)內(nèi)外各觀測(cè)站普遍采用高穩(wěn)定度的氫鐘作為頻標(biāo)信號(hào)，并給氫鐘提供恒溫恒濕的屏蔽房環(huán)境。地面頻標(biāo)信號(hào)需要由氫鐘房傳輸至饋源倉(cāng)，供前端的接收機(jī)變頻等系統(tǒng)使用。傳輸通常采用電纜[1]、波導(dǎo)[2]或光纖[3]來(lái)實(shí)現(xiàn)。但無(wú)論使用哪種介質(zhì)傳輸，長(zhǎng)距離傳輸都會(huì)對(duì)信號(hào)造成相位延遲，并由于外界溫度、干擾等因素會(huì)導(dǎo)致信號(hào)相噪惡化、穩(wěn)定度降低和頻率漂移等問(wèn)題。

目前國(guó)際上相位實(shí)時(shí)補(bǔ)償有：英國(guó)的Merlin望遠(yuǎn)鏡采用的是基于LBL的往返光纖鏈路相位校準(zhǔn)穩(wěn)相系統(tǒng)[4]，其相位穩(wěn)定度改善程度可達(dá)兩個(gè)數(shù)量級(jí)；意大利采用了法布里-珀羅干涉測(cè)量法及往返校正實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)642 km距離上的穩(wěn)相傳輸[5]。而國(guó)內(nèi)各測(cè)站尚未配置穩(wěn)相裝置，本文在研究了基于電纜傳輸?shù)牡孛骖l標(biāo)穩(wěn)相傳輸系統(tǒng)的基礎(chǔ)上[6]，結(jié)合TMRT（天馬射電望遠(yuǎn)鏡）的光纖傳輸鏈路情況，進(jìn)一步研究了基于光纖傳輸?shù)姆€(wěn)相傳輸系統(tǒng)，并做了大量的測(cè)試對(duì)比分析。早期的望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)站對(duì)于電纜延遲引起的相位變化，都是實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，在事后數(shù)據(jù)處理中再進(jìn)行補(bǔ)償。本文所述系統(tǒng)是一種實(shí)時(shí)補(bǔ)償相位的方法。本文的研究基于TMRT而開(kāi)展，為國(guó)內(nèi)VLBI各測(cè)站的穩(wěn)相傳輸系統(tǒng)的研發(fā)提供了理論和實(shí)踐雙重保證。

1 穩(wěn)相系統(tǒng)基本原理與系統(tǒng)框架圖

圖 1 穩(wěn)相系統(tǒng)框架圖

2 基于光纖鏈路的穩(wěn)相系統(tǒng)的搭建與測(cè)試

2.1 光纖溫度系數(shù)的測(cè)試

對(duì)250m長(zhǎng)的光纖進(jìn)行高低溫測(cè)試，測(cè)試溫度范圍為5～40℃，溫度控制以5℃步進(jìn)。每個(gè)溫度點(diǎn)上保持1.5h左右。然后記錄相對(duì)相位差。光纖的絕對(duì)延時(shí)和插入損耗通過(guò)網(wǎng)分測(cè)取。

溫度系數(shù)的測(cè)試是通過(guò)高低溫控制箱SETH-Z-022L，通過(guò)信號(hào)發(fā)生器N5181A提供10MHz測(cè)量信號(hào)，以及相噪測(cè)試儀TSC5125A和網(wǎng)絡(luò)分析儀E8362B來(lái)完成的。為了與電纜進(jìn)行比較，也對(duì)電纜進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試框圖如圖2所示。

圖2 溫度系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)框圖

表1總結(jié)了3款電纜和光纖在5~40℃的測(cè)試結(jié)果，包括溫度系數(shù)、插入損耗以及絕對(duì)延時(shí)。

表1 溫度系數(shù)測(cè)試結(jié)果

由表1可以看出，在3組電纜中，AVA5-50的電纜性能最好，插損，絕對(duì)延時(shí)以及溫度系數(shù)都是最小的，但是光纖與電纜相比，溫漂以及插損有明顯的改善?？紤]到傳輸介質(zhì)自身對(duì)頻標(biāo)信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸所引入的插損和延時(shí)，針對(duì)TMRT這類高頻段高精度要求的天線，頻標(biāo)信號(hào)從屏蔽房?jī)?nèi)的氫鐘傳輸至饋源倉(cāng)各頻段接收機(jī)及其他關(guān)鍵設(shè)備時(shí)，我們采用光纖傳輸來(lái)盡可能地降低傳輸介質(zhì)自身對(duì)頻標(biāo)信號(hào)性能的影響，同時(shí)也將引入本文所研究的穩(wěn)相系統(tǒng)對(duì)傳輸過(guò)程中的相位波動(dòng)及頻率穩(wěn)定度波動(dòng)和相噪惡化等情況進(jìn)行改善優(yōu)化。

2.2 光電轉(zhuǎn)換模塊簡(jiǎn)介

由于各終端設(shè)備傳輸?shù)氖请娦盘?hào)，而光纖傳輸?shù)氖枪庑盘?hào)，因此在通過(guò)光纖鏈路進(jìn)行頻標(biāo)信號(hào)的傳輸時(shí)需要引入光電轉(zhuǎn)換模塊，將電信號(hào)的頻標(biāo)信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)后通過(guò)長(zhǎng)光纖鏈路傳輸?shù)浇K端后再進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成電信號(hào)供終端設(shè)備使用。

本文介紹的系統(tǒng)所使用的光電轉(zhuǎn)換模塊是Miteq公司生產(chǎn)的，適用于5kHz～2.5GHz帶寬范圍的光纖模塊，滿足本穩(wěn)相系統(tǒng)所需的745 MHz和755MHz信號(hào)傳輸，包括發(fā)送模塊和接收模塊，且它們的群延時(shí)只有0.1ns，圖3為串入光發(fā)送模塊和光接收模塊后的鏈路框圖[7]。

圖3 光電模塊轉(zhuǎn)換鏈路圖[7]

2.3 相位實(shí)時(shí)補(bǔ)償光纖穩(wěn)相傳輸系統(tǒng)測(cè)試

將250m長(zhǎng)光纖（APC接口，與光電轉(zhuǎn)換模塊接口匹配）放入高低溫箱中，然后設(shè)置溫控箱溫度從5℃升至40℃，再降至5℃，每隔1h，設(shè)置1次溫度，溫度變化間隔為5℃，同時(shí)用溫度監(jiān)控設(shè)備記錄下實(shí)時(shí)溫度。由圖4可以看到溫控箱內(nèi)實(shí)際溫度范圍約5~38℃，沒(méi)有達(dá)到40℃主要是受測(cè)試時(shí)外界環(huán)境溫度和溫控箱自身影響。

采用互相關(guān)的測(cè)試方法，積分時(shí)間為1s，相位分辨率為0.02°，同時(shí)測(cè)試S7和S8的相位差（unstabilized 745MHz），以及S1和S6的相位差（stabilized 1.5GHz），測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4。圖5是放大圖，可以方便地看出穩(wěn)相后相位差大小?？梢钥吹秸麄€(gè)時(shí)間內(nèi)，相位變化的改善程度達(dá)到了原來(lái)的1/133。將穩(wěn)相曲線（stabilized 1.5G）放大后的圖5可以看出，采用穩(wěn)相系統(tǒng)后，相位長(zhǎng)時(shí)間的變化不到0.2°。

圖4 光纖高低溫箱內(nèi)相位測(cè)試

圖5 穩(wěn)相后1.5GHz的相位變化

為了更好地將穩(wěn)相系統(tǒng)應(yīng)用到TMRT系統(tǒng)中，我們把該系統(tǒng)串入至TMRT的頻標(biāo)傳輸系統(tǒng)中進(jìn)行測(cè)試，TMRT的氫鐘房到饋源倉(cāng)大概有400m的距離，且具備地埋光纖，由于目前系統(tǒng)測(cè)試需要滿足發(fā)送端和接收端在同一地點(diǎn)，因此選擇光纖在饋源倉(cāng)處打環(huán)再經(jīng)由地埋光纖回到氫鐘房處進(jìn)行穩(wěn)相系統(tǒng)的測(cè)試，實(shí)際測(cè)試中的光纖距離有800m左右。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖6。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離穩(wěn)相傳輸系統(tǒng)后，相位波動(dòng)范圍由原來(lái)的65°降至0.5°，改善程度為1/130。

此外，由于TMRT與佘山25m射電望遠(yuǎn)鏡之間有地埋光纖可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，地埋光纖單程約10km。同樣考慮到實(shí)際測(cè)試需求，也采用光纖打環(huán)的方式，將約20km的地埋光纖傳入到穩(wěn)相系統(tǒng)中，測(cè)試了實(shí)際應(yīng)用中光纖受外界環(huán)境溫度和自然干擾等因素綜合影響下的相位變化情況。測(cè)試結(jié)果示于圖7，測(cè)試時(shí)長(zhǎng)約44.5h，是從第1天的中午12:00持續(xù)到第3天的早上08:30，測(cè)試時(shí)間為春季，而上海春季晝夜溫差范圍約為10~22℃。由圖7可以看到非穩(wěn)相相位曲線的變化趨勢(shì)，其符合24h溫度曲線。經(jīng)過(guò)穩(wěn)相鏈路后的相位波動(dòng)范圍由240°降到1.1°，改善程度達(dá)200多倍超過(guò)理想改善程度150倍，這里我們認(rèn)為是由于20km長(zhǎng)光纖才接入系統(tǒng)時(shí)非穩(wěn)相鏈路受長(zhǎng)距離傳輸中各種外界因素影響尚未達(dá)到穩(wěn)定的測(cè)試狀態(tài)而導(dǎo)致的非穩(wěn)相鏈路測(cè)試開(kāi)始時(shí)間段內(nèi)相位變化很大。

圖6 地埋800m光纖的穩(wěn)相系統(tǒng)實(shí)測(cè)結(jié)果

圖7 地埋20km長(zhǎng)光纖的穩(wěn)相系統(tǒng)實(shí)測(cè)結(jié)果

2.4 Allan方差的意義及頻率穩(wěn)定度的測(cè)試

在獲得相位差的情況下，對(duì)頻率穩(wěn)定度的測(cè)試方法通常采用Allan方差[8]來(lái)表示，計(jì)算公式如式（11）所示：

注：圖（a）輸入為10MHz，10dBm；圖（b）輸入為10MHz，4dBm。

圖8 Allan方差測(cè)試結(jié)果

3 相噪提高的方法與測(cè)試結(jié)果分析

為了頻標(biāo)信號(hào)的長(zhǎng)距離傳輸鏈路中的穩(wěn)相傳輸，本文所提系統(tǒng)很好地解決了相位的穩(wěn)定和頻率穩(wěn)定度提高的問(wèn)題。但同時(shí)，由于穩(wěn)相系統(tǒng)的串入對(duì)傳輸鏈路引入相噪，穩(wěn)相系統(tǒng)為了對(duì)鏈路的附加噪聲進(jìn)行抑制，在上述基礎(chǔ)上，再引入一款超低相噪鎖相模塊ULP400，用來(lái)改善穩(wěn)相系統(tǒng)輸出端的相噪并提供給需要使用頻標(biāo)信號(hào)的終端設(shè)備。

ULP400超低相噪鎖相模塊短期穩(wěn)定性可達(dá)5×10-13@1s，1×10-12@10s，8×10-13@100s，其設(shè)計(jì)的相位噪聲（@10MHz）為＜-110dBc@1Hz，＜-138dBc@10Hz，＜-145dBc@100Hz ，＜-155dBc@1kHz，＜-160dBc@10kHz。將該模塊串入到穩(wěn)相系統(tǒng)的輸出端后，在氫鐘房，使用imaser-3000氫鐘，功分兩路10MHz頻標(biāo)信號(hào)，一路給5125A的reference端口，另外一路經(jīng)由穩(wěn)相系統(tǒng)和鎖相模塊（或者不串入鎖相模塊ULP400）再輸入到5125A的input端口，按start按鈕開(kāi)始測(cè)試，可以同時(shí)測(cè)試相噪和頻率穩(wěn)定度，測(cè)試結(jié)果如表2和表3所示。由表2和表3可以看出，鎖相模塊的串入不僅明顯改善了相噪，也同時(shí)進(jìn)一步提高了頻率穩(wěn)定度。由此說(shuō)明，在引入了超低相噪鎖相模塊后，本文所提的穩(wěn)相系統(tǒng)能夠很好 地解決長(zhǎng)距離傳輸中的相位變化、頻率穩(wěn)定度降低和相噪惡化的情況。

表2 頻率穩(wěn)定度測(cè)試結(jié)果

表3 相噪測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

本文所提基于光纖傳輸?shù)念l標(biāo)信號(hào)穩(wěn)相系統(tǒng)，具有實(shí)時(shí)補(bǔ)償相位變化的功能，且兼顧了事后補(bǔ)償和監(jiān)測(cè)相位變化的功能，為實(shí)際工作提供了可行性。該穩(wěn)相系統(tǒng)的測(cè)試工作是基于TMRT的實(shí)際情況而進(jìn)行的，使用的光纖鏈路和氫鐘頻標(biāo)信號(hào)源都是目前TMRT正常工作的模式。這為下一步穩(wěn)相系統(tǒng)正式成為T(mén)MRT系統(tǒng)中一個(gè)設(shè)備打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也將簡(jiǎn)化現(xiàn)有事后補(bǔ)償相位變化的工作，給大型射電望遠(yuǎn)鏡的天文觀測(cè)提供一個(gè)低相噪、高穩(wěn)定度、低相位延遲的頻率基準(zhǔn)信號(hào)，進(jìn)而提高觀測(cè)精度，滿足高頻段觀測(cè)需求。

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Design and test of a 1.5 GHz phase stabilization system based on optical fiber transmission

JIANG Yong-chen1,2, WANG Jin-qing1,2, GOU Wei1,2, YU Lin-feng1,2

(1. Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200030, China;2. Key Laboratory of Radio Astronomy, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China)

In this paper, a 1.5GHz phase stabilization system is designed and tested for optical fiber transmission. The phase stabilization principle of the equipment is described and its performance is analyzed and evaluated. The system is tested with fiber in high-and-low temperature test chamber and measured with long buried fiber. The results show that the improvement of phase stability is more than 130 times for long-term based on the current system. The temperature coefficient of the fiber itself is also tested and analyzed in this paper. In order to solve the problem of deterioration of frequency stability and phase noise, a high stability crystal vibration phase lock module is introduced to this system. Through multiple sets of test data, the frequency stability and phase noise have been improved obviously. This system will be applied to Shanghai TMRT (TianMa 65 m radio telescope) system for standard frequency signal’s transmission.

optical fiber transmission; phase calibration; frequency stability; phase noise

P111

A

1674-0637(2017)03-0137-09

10.13875/j.issn.1674-0637.2017-03-0137-09

2017-02-24

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11303076）

江永琛，女，工程師，主要從事基準(zhǔn)信號(hào)傳輸，天線精度測(cè)量等研究。