光纤时间频率传输数字相位补偿方法

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我们设计了如图 2 所示的的预处理电路。鉴相器的输出信号通过低通滤波器并放大 2.5 倍,再将其 与+2.5 V 的电压跟随器的电压信号相加。这样,加法器输入给单片机的信号电压就会在 0~+5 V 间变化。
鉴相器输出
低通滤波器
+2.5 V 电压跟随器
加法器
0~5 V 输出
图 2 预处理电路框图
2.1.2 单片机和数字移相器 选用具有模数转换功能的单片机可以减少硬件设计,简化系统。模数转换的位数对移相的精度也有
反馈信号传输距离是用户处信号的传输距离的两倍且路径相同,则单程相位差是鉴相器输出的一半。 本系统采用前置补偿,是对发射信号进行移相,即根据先前的线路相位变化情况来对信号的相位进 行预处理,使该信号到达用户处时,线路影响能被抵消。
2.1.1 预处理电路
设模拟鉴相器两路输入信号分别为
LO

RF,角频率分别为
影响。移相精度主要由移相器来决定,我们使用的数字移相器是射频连续波精密数字控制相位移相器, 移相范围为射频信号的一个周期(0~360º),8 位 TTL 信号控制移相,移相精度为 360º/28=1.4º。若射 频信号为 100 MHz,周期为 10 ns,最小相位补偿精度约为 40 ps。
2.2 程序设计
本方法通过对光纤传输频率的相位补偿,减少温度等因素对光纤传输频率稳定度的影响。其优点是 实现容易,移植性好,只要更换不同位数的数字移相器就可以在不同精度要求的场合应用。
参考文献:
[1] 李志刚, 李焕信, 张虹. 双通道终端进行卫星双向法时间比对的归算方法[J]. 陕西天文台台刊, 2002, 25(2): 88. [2] 梁双有, 李立中, 樊战友, 等. 光纤时间频率传递方法[C] // 2007 年全国时间频率学术会议论文集. 宜昌: 2007 年全国时
2
1
发送端信号
电压 U/V
0
-1
接收端信号
-2
0.0
2.5
5.0
7.5
10.0
12.5
15.0
17.5
20.0
22.5
25.0
时间 t /ns
图 3 未加相位补偿时相位情况
应用数字相位补偿系统后,在 3 s 内,相位差减小到 5º之内,如图 4 所示。
2
1
接收端
0
信号
发送端信号
电压 U/V
-1
-2
0.0
参考信号与回传的射频信号通过 1 个模拟鉴相器,获得两者相位差的相应值。只要两个输入信号的 幅度满足一定条件(具体条件见 2.1.1 节)且频率相同,模拟鉴相器输出电压就仅与两个输入信号的相 位差相关。在使用光纤传输时间频率的时候,使回传的信号幅度与参考信号幅度满足所要求的条件,而 二者的频率显然是一致的。因此,鉴相器的输出可以认为仅与 2 个输入信号的相位差有关。所以,模拟 鉴相器的输出电压准确反映了传输光纤产生的信号相位改变量。
标准 频率
倍频器
功率 分配器
发送端
数字 移相器
单片机
预处理 电路
模拟 鉴相器
激光器
光学 环形器
传输光纤 半反 半透镜
光电转换
用户 接收端
图 1 数字相位补偿系统原理框图
第2期
李孝峰等:光纤时间频率传输数字相位补偿方法
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为使单片机能够接收传输光纤的相位改变量,需要对鉴相器的输出电压进行模数转换。但是,基于 模拟鉴相器本身特性,其输出电压信号需要经过预处理后才能被正确采样。单片机根据采样得到的量化 值确定接收端频率信号和发送端频率信号的相位差,然后可以根据该相位差控制数字移相器来对发送的 标准信号进行移相,这样就实现了对光纤传输的相位变化的补偿。
收稿日期:2009-03-16 基金项目:国家自然科学基金资助项目(60672007);中国科学院重要方向资助项目(KJCX2-YW-T12) 作者简介:李孝峰,男,博士研究生,主要从事高精度时间频率信号传递方面的研究。
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时间频率学报
总 32 卷
光纤传输频率相位的补偿方法有两种类型:光学补偿和电子线路补偿。光学补偿方法中有光学机械 温度补偿法和声光调制器补偿法,主要用于超高稳定的光学频率传输补偿。在电子线路补偿方法中,一 般采用共轭相位补偿方法[6]。本文设计一种利用数字移相器进行光纤传输频率相位补偿的系统,用以提 高光纤频率传输稳定度。
光纤的高稳定频率传输基本方法是应用连续微波对载波激光调幅,在光纤的输出端通过光电探测器 来解调载波信号的强度变化。需要超高稳定度频率传输时,对传输光纤环境变化所产生的信号相位变化, 可以通过主动相位补偿的方法加以修正,从而提高传输频率的稳定度。在几十公里的范围内,没有主动 相位补偿时,光纤传输频率稳定度为 3×10-14/s,1×10-15/d;有主动相位补偿时,光纤传输频率稳定度为 1.5×10-14/s,1×10-17/d[3-5]。
程序首先要确认零点,即相位调整完成的时刻。显然,根据上述描述,当模拟鉴相器输出为 2.5 − 0.979 × 2.5 ≈ 0 V,即输出电压的采样值在 0 V 附近时,表明相位已经调整完成。
程序的主要功能在于确定单片机如何根据采样值确定输出的控制移相器的 TTL 信号序列。不宜直接 输出采样值,因为采样值是经过处理的,并非真正地反映相位的变化量。我们采用的方法是多次调整, 逐步逼近,每次都使二者的相位差缩小,当单片机采样值位于零点的某个邻域内时,即可认为调整完成。
1 数字相位补偿方法基本原理
在光纤传输时间频率信号过程中,很多因素(如温度变化、机械振动和设备状况等)都会导致传 输信号相位发生变化,从而使得用户接收的信号相位和发送端信号相位不能保持一致。
要消除相位变化的影响,可以使用前置补偿的方法,即对从用户处反馈回来的信号与发射端的信 号进行相位比较即鉴相,通过对鉴相的结果分析确定传输过程中相位的变化量,然后使用移相器对发 射端的信号移相,使接收信号和发送信号相位趋于一致,从而补偿传输光纤引起的相位变化。我们使 用的移相器为数字移相器,故该方法称为数字相位补偿方法。
摘要:为提高光纤时间频率传输的精度,提出了数字移相补偿方法。该方法采用单片机量化发送 端和接收端射频信号的相位差,然后再控制数字移相器调整发送端射频信号相位,使二者相位趋 于一致,实现传输光纤引起相位变化的前置补偿,从而提高时间频率传输精度。实验表明,该系 统可将发射端信号和接收端信号的相位差减少到 5°以内。
目前使用的较高精度的远距离时间传输比对方法有全球导航定位系统共视法(GPS CV)和卫星双 向时间频率传输法(TWSTFT)等。目前,传输精度最高的是卫星双向时间频率传输法,它消除了传播 路径带来的影响,其时间传输精度可达 0.2 ~ 0.3 ns[1]。然而,GPS 共视法和 TWSTFT 法的传输精度已经 不能很好地满足科技发展的需求,而且也不适用于高稳定度的连续波频率信号的传输比对[2]。
2 数字相位补偿系统设计
2.1 硬件设计
数字相位补偿系统的原理框图如图 1 所示。在发送端,原子钟产生的标准频率信号经倍频器和功率 分配器后成为两路相位相同的射频信号:一路射频信号经过数字移相器后,用于调制激光器功率,经过 功率调制的激光通过光学环型器后馈入传输光纤;另一路射频信号用作参考信号。在传输信号接收端安 装 1 个半反半透镜,将一部分激光经原光纤反馈到发送端。在有些设计中,也可将接收端光电转换器输 出的射频信号,用于调制另一波长的激光器功率,再经同一根光纤传输到发送端。
ωLO,ωRF,初始相位分别为
φ LO

φ RF

则本设计使用的模拟鉴相器的输出电压为:

=
A1 cos[(ωLO

ω RF
)t
− (φLO

φ RF
)]
+
A2
cos[(ωLO
+
ω RF
)t
− (φLO
+
φ RF
)]
+
ε
(1)
式(1)中的 A1,A2 与 RF 和 LO 的信号幅度相关,而 ε 代表输出信号中的高频成份。
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4 结论
本方法相位补偿精度主要取决于所使用的射频连续波频率和数字移相器的最小步进精度。例如,若 传输 1 GHz 射频信号,使用精度为 10 位的数字移相器,则相位控制精度为 1 ns/210=1 ps。下一步,我们 将采用预移相方法,选用鉴相器敏感工作区,并考虑模数转换精度及参考电压影响,争取使补偿精度达 到数字移相器最小步进精度 1.4º。
2.5
5.0
7.5
10.0
12.5
15.0
17.5
20.0
22.5
25.0
时间 t /ns
图 4 增加相位补偿后的相位情况
实验中,在 24 h 内,将光纤置于室温环境下,温度在 20℃±5℃内变化,接收端的信号和发送端信 号相位差始终保持在 5º以内。相位差不能达到数字移相器最小步进精度 1.4º,其原因首先是该实验中模 数转换的位数只有 10 位,相位差小于 5º时,鉴相器输出灵敏度较低,模数转换精度有限;其次是模数 转换采用的参考电压是单片机电源电压,精度较差。
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总 32 卷
下一次单片机采样值若在此邻域之外时,又重新开始逐步逼近。程序需要计及单程相位差减半的问题。
3 实验结果
实验采用的射频信号为 100 MHz 正弦信号,用 50 km 光纤传输,在未加此相位补偿系统时,在接收 端和发射端,信号有约 8.8 ns 的时间差,相当于 320º的相位差,如图 3 所示。
总第 32 卷 第 2 期 2009 年 12 月
时间频率学报
Journal of Time and Frequency
Vol.32 No.2 Dec., 2009
光纤时间频率传输数字相位补偿方法1
李孝峰 1,2,梁双有 1,张首刚 1
(1. 中国科学院国家授时中心,西安 710600; 2. 中国科学院研究生院,北京 100039)
事实上,标准频率信号可以对激光功率进行调制后经光纤网络传递,标准光频率信号也可以直接经 光纤传输。远程用户对接收到的光信号进行解调后可获得标准频率(微波)信号,或直接接收标准光学 频率信号。光纤最大的特点是受外界环境的影响较小和损耗低,其传输频率的短期稳定度较自由空间好。 另一方面,已经建成的光纤通信网络(涉及大量的技术和基础设施)既可以用于进行高稳定度的频率传 输,又可以用于进行高精度的时间同步。所以,比较而言,光纤是目前传输时间频率信号的最优介质材料。
两路输入信号频率相同,经低通滤波器后,输出的鉴相信号电压为:

=A1 coຫໍສະໝຸດ (φLO−φ RF
)
(2)
因此,相位变化导致的鉴相信号电压会在±A1 之间变化。本设计中,使 LO 信号功率为+7 dBm,同时, 若 RF 信号功率大于+1dBm,模拟鉴相器即工作在饱和状态,A1 值就不受信号幅度波动的影响。实验中, A1 为-0.979 V(LO 和 RF 信号相位差为 0°时,鉴相器输出电压为负值)。
关 键 词:光纤;时间频率传输;数字移相器;前置补偿
中图分类号:P127.1
文献标识码:A
文章编号:1674-0637(2009)02-0115-05
远距离高精度时间频率信号传输对基础物理学(如基本物理常数测量、相对论验证、引力波探测等) 和计量科学的发展有重要的作用。卫星导航测控网站、雷达网站、武器制导网站、长基线干涉射电望远 镜阵列以及基于加速器技术的Χ射线脉冲源等,均要求远距离高精度时间传输。迅速发展的数字通讯技 术也将提出高精度的时间同步要求。光频标本身的性能评估也需要其他高稳定的时间频率信号作为参考。
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