相位自校准的光纤微波频率绝对相位传递
0 引言
时间和频率作为基本物理量,是诸多应用领域的研究基础,例如基础物理学验证、基于时钟的大地测量、定位和导航等领域[1-4]。光纤凭借其损耗低、带宽大、抗电磁干扰强等优点,成为了高稳定时频传递理想介质的选择。目前主流频率传递方案可大致分为光学频率、光频梳以及射频传递三种[5-9]。然而,绝大多数现有的时间频率传递系统只能保证在系统运行的过程中相位差恒定,而忽略了当系统重启或改变了系统链路长度时,在重新锁定后有可能会发生的相位差变化。这种情况无法满足某些相干应用的需要,比如分布式相控阵雷达、射电望远镜阵列等。这些应用不仅需要在运行过程中具有稳定的相位差,而且要求多次重启后相位差的值不发生改变[10-13],可以在不同站点之间提供同频同相的参考信号,实现更有效的相干处理[14-16]。
2020年SI Hongwei等提出了一种光纤绝对相位传递方案[17]。该方案基于相位共轭的补偿方法,多次重启的情况下相位波动占一个周期的2%。但是该方案采用多级电路混频,会引入额外的噪声。2021年,WU Rui提出了一种基于时间测量的绝对相位传递方案,使用往返的时间差对频率信号进行校准,从而消除相位周期模糊度,使得相位波动占一个完整周期的1%[18]。但是其采用了波分复用的方案进行传递,时间信号与频率信号使用不同的光波长进行传输,这会导致传输信号时延出现差异,使得时间信号测量得到的链路时延不能准确反映出频率信号通过的时延,需要对系统进行复杂的标定。
本文提出一种基于可调光延迟线的光纤微波频率绝对相位传递方案。该方案充分利用时间信号的往返传输延时来确定频率信号相位的整数个周期,结合对微波频率的高精度相位测量,在系统多次关机重启的情况下,能够在远端获得与本地端信号相位差固定的微波频率信号。由于方案采用窄带的声表面波滤波器的输出信号[19-20]作为时间测量信号,可以通过频分复用方式将时间信号与微波频率信号耦合在同一个波长信道中进行传输,从而避免了在不同波长传输引入的时延差等问题。相较于其它时间频率同传方式[21-23],该方案系统更加简单,无需采用多种调制方式,也不直接对1PPS信号进行调制,采用窄带滤波器即可将时间信号与微波频率信号分离使其互不影响。实验结果表明,当系统经历多次重启,相位差的波动在0.008 rad左右,约占一个周期的0.15%,可保证较高的相位一致性。
1 基本原理
1.1 时间信号的获得以及链路时延的测量原理
通过使用声表面波滤波器的输出信号作为时间信号计算得到链路时延,其原理如
在输入端,电容
得到脉冲信号后使用声表面带通滤波器后的信号作为时间参考信号。声表面波滤波器的主要作用是将输入的脉冲信号转化为窄频带外高度抑制的信号。理想的带通滤波器冲激响应在频域上表现为通带内为常数而通带外为0,忽略幅值可以表示为
式中,
最终得到的时间信号时域和频域如
采用广义互相关法计算时间差,将用于测量时延的两路时间信号分别使用模数转换器(Analog to Digital Converter,ADC)进行采集,采集后的信号发送到现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)中进行插值重构以提高时间测量的精度。使用重构后的时间信号做互相关可得
两路信号的附加噪声与重构信号不相关,而附加噪声之间只有当
由于互相关的平均效果,可以消除两路信号中的附加噪声成分,降低系统本底噪声,提高时间测量的精度[20]。
1.2 绝对相位传递原理
相位自校准的光纤频率绝对相位传递的原理如
式中,
式中,
式中,
在本地端,通过混频获得
将
图 4. 相位自校准的光纤频率绝对相位传递原理
Fig. 4. Schematic of absolute phase of radio frequency transfer on fiber with phase self-calibration
若想重启之后保证远端微波信号相位保持不变,首先需要选取未重启时的往返相位差为基准,记为
此时,
若不考虑相位的周期性,可提取出
要实现上述功能,首先需要选择未重启时的往返时延作为参考基准,记为
式中,
式中,
式中,
2 实验系统搭建
根据
3 结果与分析
由
图 5. 有无时间信号时频率传递性能测试结果
Fig. 5. Frequency transmission performance test results with or without time signal
实验室环境下,在60 km光纤链路上进行实验。首先控制ODL使系统进入稳定状态,根据本地端和远端的数据计算相对频率稳定度,结果如
图 6. 60 km光纤链路频率稳定度测试结果
Fig. 6. Frequency stability test results of 60 km optical fiber links
表 1. 测量得到的往返时延以及标定后结果
Table 1. The measured round-trip time delay and the calibration results
|
同时,当系统稳定工作时也可以在远端恢复出稳定的时间信号,
接着测试了在系统多次关机重启的情况下,光纤绝对相位传递系统能否得到可重复的相位差。首先,采用往返时延来判断是否需要进行校准,并将第一次测量得到的链路时延作为参考基准。由于直接测量的链路时延包含了系统本身的时延,所以要先进行背靠背标定,即使用一段短光纤连接主从两端测量往返时延,在之后的计算中将其扣除以得到链路带来的往返时延。经过多次测量取平均值可获得系统本身时延为671.483 ns。接下来,多次进行重启,每次重启等待链路稳定后重新测量此时的往返时延并与基准进行比较,若是结果相差1 000 ps,则由第一节的原理可知远端与本地端信号相位相差半个周期,此时需要控制光延迟线延迟半个周期即500 ps;若是相差偶数个周期则无需进行操作。经过多次重启后的结果如
图 8. 60 km链路时延测试结果以及绝对相位传输结果
Fig. 8. Delay test results and absolute phase transmission results of 60 km link
由于本文采用波分复用的方式进行双向传输,前后传输的波长不一致导致双向传输不对称性,需要对波长不一致性进行校准。不对称性带来的双向时延差可表示为
式中,
相比于时间的测量,微波频率相位的测量更为精确,所以可以通过频率及
式中,
如
图 9. 调整后的时延以及最终得到的多次重启后的相位差
Fig. 9. The adjusted delay and the final phase difference after multiple restarts
4 结论
本文提出了一种光纤绝对相位传递技术,利用往返与本地的频率信号混频滤波后作为误差信号进行补偿,同时将时间信号与频率信号使用同一波长进行传输,避免了因波长不同而导致传输时延不同的问题。此外,利用测量精度较高的微波频率相位来对时间测量结果进行校准,提高了测量精度,实现了光纤链路上本地端与远端可重复的相位差,经60 km光纤链路传递后系统获得了优于
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