光纤稳相在时钟信号光纤传输系统中的应用

席虹标，覃 勇，熊平戬

(中国电子科技集团公司第三十四研究所，广西 桂林 541004)

0 引言

在分布式雷达系统中，为获得理想的探测性能，发射站与接收站之间必须实现相位同步，保持系统的相参性能，因此需要统一分发时钟信号，并对其相位一致性具有较高要求。分布式雷达收发站之间常常距离几十到几百公里，传统的微波电缆在几十公里的链路上传输损耗极大[1]，很难实现时钟信号的传输与同步；而光纤传输损耗低、抗干扰能力强，采用光传输时钟信号是实现雷达时钟信号远距离传输的有效方式。但光纤易受环境温度、机械振动的影响而产生相位变化[2]，因此单纯利用光纤来传输时钟信号，其相位的稳定性和一致性无法保证。在对相参要求极其严格的分布式雷达系统中必须采用光纤稳相技术。本文利用被动式光纤稳相的方法实现了多路时钟信号的稳相传输。

1 光纤稳相传输原理

本文采用的被动式光纤稳相传输技术原理为：时钟信号通过光电转换和三倍频变换产生一个共轭信号与原时钟信号进行混频，混频后进行滤波，最终在远端得到与传输路径不相关的时钟信号[3]，从而实现时钟信号稳相传输。原理图如图1所示。

在该系统中,中心站将稳定的时钟信号通过直调激光器转换为光信号,假设该时钟信号为：

V1=cos(ωst+φ1).

(1)

式中,ωs表示信号频率,φ1表示接收信号的初始相位，ωst+φ1为V1的瞬时相位。为了简化分析过程,文中省略了时钟信号的幅度信息。

图1 被动式光纤稳相传输原理图

在中心站(A端)将时钟信号调制到光载波λ1上,通过波分复用器耦合进入单模光纤,由远距离光纤链路传输到天线端(B端)。B端通过波分复用器将将波长为λ1的光信号分离出来,该信号通过光分路器一分为二。下半部分光被探测器PD2解调后经带通滤波器Filt2提取出基频信号。此时基频信号引入了光纤受环境影响而产生的相位抖动,信号(V2)的瞬时相位为ωst+φ1+φf，φf为光纤链路受环境影响引入的相位抖动。

上半部分光信号通过Filt1提取出三倍频信号,该信号(V3)瞬时相位为3ωst+3φ1+3φf，由于此时信号频率是基频信号的三倍频，所以其相位信息也满足三倍关系，由长光纤链路受环境影响引入的相位抖动信息为3φf。

由Filt2提取出的基频信号经过微波放大之后重新调制到另一激光源上，该激光源的中心波长为λ2。通过OC1,将LD2的光载波耦合到长光纤中，并传输至A端。信号达到A端之后,经过波分复用器将中心波长为λ2的光信号分离出来，再通过反射镜将光信号反向传输回B端。由于B端光环形器的作用，此时回传的光信号直接进入探测器，转换成为电信号。此时信号一共经历了三次链路抖动，该信号(V4)的相位信息为ωst+φ1+3φf；在B端将信号与提取的三倍频信号V3进行混频，同时使用中心频率为2ωs的带通滤波器Filt3提取出二倍频信号，可以得到：

V5=cos(2ωst+2φ1).

(2)

由(2)式可知，通过混频相减的方式，得到的信号中不存在光纤链路所引入的相位信息，达到了稳相接收的目的。

最后使用二分频器将二倍频信号转化成基频信号，实现了时钟信号的稳相传输。

V6=cos(ωst+φ1).

(3)

2 时钟信号稳相传输系统设计

时钟信号稳相传输应用系统分为三个部分，第一部分为时钟信号的产生，包含时钟源与电功分器；第二部分为多路被动式稳相光纤传输系统；第三部分为雷达阵列接收端。系统组成如图2所示。图2中A1～An至B1～Bn链路组成了n个图1中所示的时钟信号稳相传输链路。

图2 时钟信号稳相传输系统原理图

系统工作流程为，中心站的时钟源通过电功分器分出n个时钟信号(RF1～RFn)，然后分别送至A1～An进行放大、电/光变换，将时钟信号转换为光信号，n路已调制光信号通过多芯长距离光缆传输至B端(B1～Bn)，在B端时钟光信号经光/电变换、放大后与三倍频信号进行混频滤波，得到n路与传输路径不相关的时钟信号(即光纤链路不受环境影响而产生相位抖动)，最后将这些时钟信号分配给雷达天线阵列。

本系统中采用了光/电和电/光变换，在电光转换的过程中，影响系统相位的因素除了光纤，激光器的光波长漂移也是影响系统相位的另一个重要因素。激光器光波长主要与内部LD芯片的温度有关，因此需要对激光器的光波长进行控制。由于激光器是半导体热敏器件[4]，对温度和环境的变化十分敏感，为了保证激光器有稳定可靠的工作性能，必须采用自动温度(ATC)控制电路。激光器自身带有制冷器(TEC)，它是一个利用帕尔贴效应来加热和制冷的半导体P-N结器件，在半导体通上电源后，电子先经过P型半导体吸收热量，到N型半导体处释放热量。通过这种主动的方式将热量泵送，形成冷、热两端的温度差。当电流方向相反时，热量传递的方向也会相反，基于该原理可将半导体致冷器用于温度控制。当激光器的激光管(LD)工作于25℃左右时，TEC不工作；当LD工作温度升高时，ATC控制TEC开始制冷，使LD的温度恢复到25℃左右；当LD工作温度降低时，ATC控制TEC开始制热，使LD的温度恢复到25℃左右，从而实现自动温度控制的功能。

3 时钟稳相传输系统相位稳定性

为验证稳相系统的性能，本文根据图1搭建了一个测试验证系统：在A端，LD1激光器中心波长为1550 nm，激光器的工作带宽为3 GHz，传输链路使用长度为10 km的单模光纤。在B端,LD2激光器中心波长为1530 nm，激光器的工作带宽为3 GHz，使用的探测器(PD1、PD2)带宽为4 GHz，响应度为0.85 A/W，测试带宽为2.5 GHz～3 GHz。

首先测试了没有采用被动稳相措施的时钟信号光纤传输系统的相位稳定性。系统初始状态经过4h后系统测试结果如图3所示，在频点2.5 GHz，相位漂移了41.63°，在频点3 GHz，相位漂移了49.91°。

然后测试采用了被动稳相措施后的时钟信号光纤传输系统的相位稳定性。系统初始状态经过4 h后系统测试结果如图4所示，在频点2.5 GHz，相位漂移了3.07°，在频点3 GHz，相位漂移了3.71°。对比图3与图4，可得出本文设计的时钟稳相传输系统能够有效的改善光传输系统的相位稳定性。

图3 无稳相机制的时钟光纤传输系统相位稳定性测试图

图4 有被动式稳相机制的时钟光纤传输系统

4 时钟稳相传输系统相位一致性

根据以上分析，时钟稳相传输系统各通路的相位一致性只与初始相位相关，根据式(1)我们可以得出系统An输入端的信号表达式：

Vn=cos(ωst+φn).

(4)

式中φn为第n路时钟信号的初始相位，取φn中绝对值最大MAX[|φn|]记为φmax，此时时钟稳相传输系统的相位一致性Φ为±φmax/2。

在实际工程应用中，相位稳定性不仅与光路相关，也与电/光转换、光/电转换、光纤链路及其它射频器件本身相位特性相关。在信号传输的过程中会受到如环境温度、机械振动等光纤自身因素的影响，信号相位会随环境和时间变化产生一定波动。为验证这种影响，本文使用同一批次放大器、激光器、探测器、波分复用器搭建了两种被测组件，4h内两路被测件相位一致性测试结果如图5所示，在800 MHz频点相差0.66°，在6 GHz频点相差6.22°。根据测试结果可知，即使是同一批次的器件组成的系统，相位一致性也会产生一定的波动。因此系统相位一致性的理论值一般要优于工程值。

图5 4h内两路光电转换器件本身相位一致性测试图

在工程上，为了有效的评估系统的性能，应先通过试验得到系统中各路器件本身的相位变化φq1～φqn，记差值最大的一对相位(设φq5与φq2差值最大)的绝对值为φΔ，其表达式如下：

φΔ=|φq5-φq2|.

(5)

此时时钟稳相传输系统的相位一致性可以表示为±φmax/2≤Φ≤±(φmax+φΔ)/2，在系统工程设计时，可以用来计算时钟信号经光纤传输后相位一致性的范围。

5 总结

本文分析了被动光纤稳相的基本原理，并提出了应用于雷达阵列的时钟信号远距离传输系统模型，根据理论模型推导出了该系统时钟信号的相位一致性计算方法，并通过试验系统验证了可行性。最后根据工程测试并结合理论分析提出了该系统在工程应用时相位一致性值的范围，对实际工程设计具有一定的指导意义。