基于双混频时域差分技术的光纤频率传输研究.pdf

2 0 1 1 年1 0 月宇航计测技术 o c t ，2 0 1 1 第3 l 卷第5 期 J o u r n a lo fA s t r o n a u t i cM e t r o l o g ya n dM e a s u r e m e n tV 0 1 3 l ，5 v - 文章编号：1 0 0 0 7 2 0 2 ( 2 0 1 1 ) 0 5 0 0 5 6 0 4 中图分类号：T N 9 2 9 1 l 文献标识码：A 基于双混频时域差分技术的光纤 频率传输研究 沈建国吴龟灵吴雷邹卫文陈建平 ( 上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室，上海2 0 0 2 4 0 ) 摘要设计了一个采用双混频时域差分技术的高分辨率的时延抖动检测系统，测试结果表明，其分辨率 为2 0 r s ，准确度优于0 2 p s 。在2 0 k m 光纤频率传输中进行了主动光学相位补偿实验测试，获得r 链路时延抖动峰 峰值小于l p s 、均方值小于0 1 3 p s 、相位噪声抑制比大于5 0 0 的实验结果。 关键词双混频时域差分频率传输相位补偿稳定度 R e s e a r c ho nO p t i c a lF i b e rF r e q u e n c yT r a n s m i s s i o nB a s e do n D u a lM i x e rT i m eD i f f e r e n c e S H E NJ i a n - g u oW U G u i - l i n g W UL e iZ O UW e i w e nC H E NJ i a n p i n g ( T h eS t a t eK e yL a b o r a t o r yo fA d v a n c e dO p t i c a lC o m m u n i c a t i o nS y s t e m sa n dN e t w o r k s ， S h a n gh a lJ i a oT o n gU n i v e r s i t y ，S h a n g h a i2 0 0 2 4 0 ) A b s t r a c tT h i sp a p e rd e m o n s t r a t e sah i s hr e s o l u t i o nd e l a yj i t t e rm e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do nt h e s c h e m eo fd u a lm i x e rt i m ed i f f e r e n c e T h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h er e s o l u t i o no ft h es y s t e mi s 2 0 f sa n di t sa c c u r a c yi sb e t t e rt h a n0 2 p s T h ed e s i g n e dd e l a yj i t t e rm e a s u r e m e n ts y s t e mi sa p p l i e da n d v a l i d a t e di na2 0k mo p t i c a lf i b e rf r e q u e n c yt r a n s f e rs y s t e mw i t ha c t i v eo p t i c a lp h a s ec o m p e n s a t i o n T h e p e a k t o p e a ka n dt h er o o t m e a n - s q u a r e ( R M S ) d e l a yj i t t e ro ft h ef r e q u e n c yt r a n s f e ri sl e s st h a nlp sa n dA 0 1 3 p s ，r e s p e c t i v e l y ，a n ds u p p r e s s i o nr a t i oo fp h a s en o i s eg r e a t e rt h a n5 0 0a r eo b t a i n e d K e yw o r d s D u a lm i x e rt i m ed i f f e r e n c e F r e q u e n c yt r a n s f e r P h a s ec o m p e n s a t i o n S t a b i l i t y 1 引言 由于光纤具有低损耗、受外界环境的影响较小、 高带宽等优点，利用光纤传输系统实现频率远程超 稳定传输成为当前时频传递领域的研究热点，国内 外诸多科研单位纷纷开展了相关的研究与试验，也 取得重大的研究进展娟J 。例如，法国巴黎大学激 光物理实验室在8 6 k m 的光纤链路上进行了频率传 递试验，传递稳定度秒稳已达到了1 0 5 ，1 3 稳已达 到1 0 8 3 1 ，比传统的基于卫星的时频传递方式5 提高了3 个数量级。 然而，在光纤频率传递系统中，环境温度、压力 等外界因素会使光纤传输时延抖动，从而使传输的 信号引入额外的相位噪声，导致其频率稳定度特别 是长期稳定度恶化。因此要实现光纤频率远程超稳 定传输必须进行有效的相位补偿。相位补偿的精度 取决于环路相位检测系统的分辨率，故高分辨率的 相位或时延抖动检测技术是实现光纤频率远程超稳 定传输的关键技术。 万方数据 第5 期基于双混频时域差分技术的光纤频率传输研究 本文首先阐述了双混频时域差分技术的基本原 理 7 剐，并基于此技术设计了高分辨率的时延抖动 检测系统。然后，结合主动光学相位补偿技术，进行 了2 0 k m 光纤频率传输实验，实现了链路峰峰值时 延抖动小于1p s 的光纤频率稳相传输。 2 双混频时域差分技术的原理及实现 2 1 双混频时域差分技术的原理 双混频时域差分技术结合了差频测量法和时间 问隔测量法的优点，其原理如图1 所示。首先将待 测信号和参考信号分别与本振信号进行差频转换为 低频差拍信号，然后通过时间间隔测量的方法测出 低频差拍信号的时差，进而获得待测信号与参考信 号的时延。 圈1 双混频时域差分测量法原理国 假设参考信号为V 。s i n ( 。t + 妒。) ，待测信号为 y ，s i n ( o t + + of ) ，f 为待测信号相对参考信号 时延量( 待测值) ，则这两个信号分别与本振信号 K s i n ( ，t + 妒) 混频并经过带通滤波器得到的差拍 信号分别为s i n ( ( J 一o ) t + 妒o ) 和K s i n ( ( l 一 o ) z + p o + or ) 。两差拍信号的时差为 ，：生r ：tf( 1 ) m I 一0 式中：放大因子，可通过选择信号的频率来调 整，其数值一般在1 0 5 以上。因此，在后端可用低分辨 率的时间间隔测量仪实现高分辨率的时延测量。为 了减少时间间隔测量仪判决电压抖动引入的测量误 差，需要采用专用的过零检测器加大低频差拍信号 过零点电压的变化率。 2 2 高分辨力时延检测系统的实现及性能测试 通过采用商用分立元器件实现双混频时域差分 技术中的高频部分。以及r It 设计带通滤波器和过 零检测器P C B 电路，我们实现了一个高分辨率时延 检测系统。其带通滤波器的中心频率为1 0 k H z ，带 宽为3 0 0 H z ，过零检测器通过置级放大器和高速比 较器级联实现，如图2 所示。 图2 带通滤波器和过零检测器电路图固 为了测试该时延检测系统的分辨率，采用 1 G H z 信号源通过功分器得到两路信号分别作为待 测信号与参考信号，本振信号设置为】G m + 1 0 k H z ，过零检测器出来的信号用S R 6 2 0 进行时间 间隔测量。由公式( 1 ) 可知，双混频时延检测系统 的放大因子为1 G H z 1 0 k H z = 1 0 5 。由于S R 6 2 0 的 分辨力为2 5 p s ，因此系统理论的时延分辨为 0 2 5 f s 。实际中，由于混频器、过零检测器，还有本 地振荡器都会引入额外噪声，分辨力将主要受限于 系统的本底噪声。实测的该时延检测系统的本底 噪声如图3 所示。 1 0 0 5 0 o - 5 0 I o o o2 0 4 0 6 f J8 01 0 01 2 0 时间s 图3 高分辨率的时延检测仪的本底噪声图 从图3 中可以看出系统本底噪声抖动的峰值小 于0 1 p s ，均方根优于2 0 f s ，因此该时延检测仪的分 辨率可达到2 0 f s 。图中测量值随时间呈下降趋势 这主要是由混频与电路的时延随温度变化引起的， 可以通过对器件和环境的温度控制来解决。 万方数据 宇航计测技术 3 应用光纤频率传输实验对双混频时 差技术进行验证 在2 0 k m 光纤频率传输实验系统中对上述高分 辨率的时延抖动检测系统进行了进一步的验证测 试，其实验原理图如图4 所示。l G H z 的频率信号通 过功分器得到两路信号，一路作为双混频时延差分 测量的参考信号，另一路通过电光强度调制器加载 到光载波上，然后经过环形器、可调光延迟线、2 0 k m 光纤到达用户端。可调光纤延迟线用以补偿光纤的 传输时延抖动；为了模拟环境温度的变化，将1 0 k m 光纤置于自制可调温控箱内。在用户端，通过一个 1 ：9 的光纤耦合器将光信号分为两路，一路经过光 电转换输出频率信号给用户，另一路经过法拉第旋 转镜原路返同到本地端，用于环路时延抖动检测。 在本地端，从用户端返回的光信号经光放大后进入 光接收机，通过光接收机的光电转换后输入上一节 设计的双混频差分时延检测系统，测量环路的时延 抖动值。上位机通过G P I B 接口获取S R 6 2 0 的测量 数据，进行信号处理，并通过R S 2 3 2 接口控制可调 光延迟线的延迟量，对光纤频率传输系统的时延相 位进行补偿。 温控箱 l 一一= 二 豳：鱼：砸型卜I 光纤翼窦l 耦合器磊鬲赢! 用户端 本地端 图4 光纤频率稳相传输系统图 在进行补偿实验前，我们先在没有2 0 k m 光纤 的情况下通过可调光延迟线对时延检测系统的准确 度进行标定。标定的结果如表l 所示。从表中可以 看出，时延测量的准确度优于0 2 p s ，对于较小时延 抖动测量的准确度优于0 1 p s 。由于实际的补偿系 统具有实时跟踪补偿，故每次测得的时延抖动值一 般不会超过1 p s ，其准确度将优于0 1 p s 。上述标定 的结果充分表明测量数据的有效性。 表1 准确度标定结果 2 0 k m 光纤频率传输的主动光学相位补偿的效果 如图5 所示。可见，不进行补偿时，环路时延的抖动 大于5 0 0 p s ；进行补偿后，环路的时延抖动峰值小于 l p s ，均方根值小0 1 3 p s ，相位噪声抑制比超过了5 0 0 。 图5 主动光学相位补偿的效果图 4 结束语 本文设计并实现了一种基于双混频时域差分技 术的高分辨率时延抖动检测系统，系统的分辨率达 到了2 0 f s ，较小时延抖动测量的准确度优于0 1 p s ， 为实现高精度的相位补偿提供了有利的保障。在 2 0 k m 主动光学相位补偿光纤频率传输实验系统中 进行了测试验证，环路时延抖动从5 0 0 p s 降低到 一厶ro#Ir奢一Q弓 万方数据 第5 期基于双混频时域差分技术的光纤频率传输研究 5 9 l p s ，相位噪声抑制比超过了5 0 0 ，时延抖动均方根 4 值已接近于0 1 p s 。补偿效果验证了设计的时延检 测系统的可行性与有效性。 参考文献 1 F o r m a nM ，K e v i nW ，D a r r e nD ，e ta 1 R