傳輸高穩(wěn)定原子鐘信號的光纖模擬通信系統(tǒng)

1 引言
由于微波通信極易受天氣影響(如大霧、風(fēng)沙)，某微波通信站提出利用光纖通信技術(shù)來改造微波通信系統(tǒng)，把最重要的系統(tǒng)時(shí)鐘信號一高穩(wěn)定的原子鐘5 MHz正弦信號，通過光纖通信系統(tǒng)傳輸。一般有兩種實(shí)現(xiàn)方式：數(shù)字傳輸方式和模擬傳輸方式。采用數(shù)字傳輸方式，高速D／A和A／D轉(zhuǎn)換器價(jià)格高，PCM調(diào)制占用的帶寬較寬，因此系統(tǒng)成本較高；而采用模擬傳輸方式，要求系統(tǒng)的載噪比高，非線性失真小，但系統(tǒng)成本較低。所以模擬傳輸方式比較可取。

2 光纖模擬通信系統(tǒng)
2．1 技術(shù)指標(biāo)
采用光纖模擬通信系統(tǒng)傳輸高穩(wěn)定的原子鐘5 MHz正弦信號需滿足具體的技術(shù)指標(biāo)要求如表1所示。頻率穩(wěn)定度有時(shí)域和頻域兩種表征方式。表1中的10 ms短期頻率穩(wěn)定度是時(shí)域頻率穩(wěn)定度，它用信號頻率f的相對頻偏在一定采樣時(shí)間r內(nèi)的平均值的方差表示。一般采用無間隙雙采樣方差σr(τ)，即 Allan方差的方根值作為時(shí)域頻率穩(wěn)定度的統(tǒng)一表征量。實(shí)際測量只能是有限的測量次數(shù)m，它的估值表達(dá)式為：

一般按采樣時(shí)間τ的長短區(qū)分長期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度。10 ms短期頻率穩(wěn)定度的采樣時(shí)間τ為10 ms。
根據(jù)實(shí)際測試情況，采用普通光纖模擬通信設(shè)備傳輸原子鐘5 MHz正弦信號，由于設(shè)備載噪比一般小于60 dB，非線性失真較大，光纖傳輸后原子鐘的10 ms短期頻率穩(wěn)定度達(dá)不到技術(shù)指標(biāo)要求，因此需研制專用光纖模擬通信設(shè)備。
2．2 系統(tǒng)原理
光纖模擬通信系統(tǒng)通常由光發(fā)送機(jī)、光接收機(jī)以及光纖信道3部分組成。光發(fā)送機(jī)主要實(shí)現(xiàn)模擬電信號的輸入，模擬調(diào)制激光器，電光轉(zhuǎn)換后送人光纖。光接收機(jī)實(shí)現(xiàn)從光纖接收光信號，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，放大濾波后恢復(fù)模擬為電信號輸出。光纖信道是光信號傳輸?shù)慕橘|(zhì)載體，可遠(yuǎn)程傳輸光信號。
2．2．1 專用設(shè)備原理框圖
專用光纖模擬通信設(shè)備包括專用光發(fā)送機(jī)和專用光接收機(jī)。其原理框圖分別如圖1，圖2所示。此外，專用光發(fā)送機(jī)和專用光接收機(jī)中所用到的供電電源均采用專門設(shè)計(jì)的低噪線性穩(wěn)壓電源。

2．2．2 頻率穩(wěn)定性分析
實(shí)現(xiàn)模擬光纖系統(tǒng)，主要考慮參數(shù)有：載噪比、帶寬和傳輸系統(tǒng)中的非線性引起的信號失真。因此，這也是影響原子鐘5 MHz正弦信號10 ms短期頻率穩(wěn)定度的主要原因。原子鐘5 MHz正弦信號是高穩(wěn)定信號，10 ms短期頻率穩(wěn)定度達(dá)2x10-10，經(jīng)模擬線性傳輸其基頻頻率不變，但受系統(tǒng)各種噪聲干擾，光器件的非線性失真及光纖線路上的反射、色散等因素影響，時(shí)鐘頻率信號相位改變，且產(chǎn)生諧波分量，最終導(dǎo)致時(shí)鐘信號頻率穩(wěn)定度降低。因此，在光纖模擬通信系統(tǒng)中，影響原子鐘5 MHz正弦信號lO ms短期頻率穩(wěn)定度的主要因素有：激光發(fā)射模塊中光源的穩(wěn)定性、激光調(diào)制的非線性及電路噪聲；PIN光探測模塊中的非線性和噪聲；光纖連接器接頭的光反射；光纖的色散；電子電路的非線性、噪聲及電磁干擾；輸入輸出的電信號由于阻抗不匹配而引起的反射。
當(dāng)然，光纖的折射率會隨溫度變化而改變，但這是一個(gè)緩慢的過程，其對原子鐘5 MHz正弦信號的10 ms短期頻率穩(wěn)定度的影響可忽略不計(jì)。
2．2．3 專用設(shè)備電路設(shè)計(jì)
為盡量減少光纖模擬通信系統(tǒng)在傳輸高穩(wěn)定原子鐘5 MHz正弦信號過程中對其產(chǎn)生的劣化，應(yīng)選用穩(wěn)定可靠，非線性失真小，低噪聲的光器件和集成電路，并在專用光纖模擬通信設(shè)備的電路設(shè)計(jì)中注意電子電路的非線性、噪聲及電磁干擾，從而盡量提高系統(tǒng)的載噪比和線性度。專用光發(fā)送機(jī)電路設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是激光發(fā)射模塊電路。圖3為激光發(fā)射模塊電路原理框圖。

激光發(fā)射模塊電路的主要特點(diǎn)為：光源的中心波長為1 310 nm，輸出光功率大于4 mW，光譜寬度小于0_3 nm，邊模抑制比大于30 dB，載噪比大于50 dB，二階失真小于-61 dBc。三階失真小于-65 dBc，平坦度為±1 dB，帶寬為45~750 MHz，光纖耦合反射小，還有預(yù)失真補(bǔ)償、APC功率控制和ATC溫度控制(帶制冷器TEC)等輔助電路，減少激光發(fā)射模塊電路的非線性失真，降低噪聲，穩(wěn)定工作。
而專用光接收機(jī)的電路設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是設(shè)計(jì)原子鐘信號的放大、濾波和恢復(fù)電路，圖4為專用光接收機(jī)電路原理圖。

PIN光探測器模塊電路特點(diǎn)：工作波長為1 31O nm，響應(yīng)度大于0．85 A／W，暗電流小于5 nA，光反射損耗大于45 dB，頻率響應(yīng)為40～880 MHz，二階失真小于-70 dBc，三階失真小于-80 dBc。平坦度為±0．5 dB，低噪聲、低失真，帶FC／APC單模光纖連接器或尾纖輸出。
除選用低噪聲，阻抗匹配的前置放大電路外，還增加晶體濾波器，其通頻帶僅幾千赫茲，大大抑制了帶外噪聲及諧波分量，提高系統(tǒng)輸出的原子鐘信號的載噪比。
2．3 設(shè)備研制和實(shí)驗(yàn)對比
根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求和設(shè)備原理框圖設(shè)計(jì)電路，制作PCB印制板，設(shè)計(jì)機(jī)盒。研制樣機(jī)后進(jìn)行樣機(jī)調(diào)試，并在實(shí)驗(yàn)室測量樣機(jī)技術(shù)指標(biāo)，結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)要求。然后進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)。首先直接測量原子鐘，得到一組原子鐘5 MHz正弦信號10 ms短期穩(wěn)定度的數(shù)據(jù)。然后，在同等試驗(yàn)環(huán)境下(環(huán)境溫度，傳輸距離相等)分別由微波和光纖來傳輸原子鐘5 MHz正弦信號，在這兩種傳輸方式下進(jìn)行測量，得到原子鐘5 MHz時(shí)鐘信號10 ms短期穩(wěn)定度的另外兩組數(shù)據(jù)，表2為這3組測量數(shù)據(jù)對比結(jié)果。

由于測量過程存在隨機(jī)誤差，光纖傳輸測量結(jié)果中有個(gè)別數(shù)據(jù)偏差較大，如表2中的5．66x10-10，為不影響測量結(jié)果，進(jìn)行多次測量之后取數(shù)據(jù)平均值，這樣得到的測量數(shù)據(jù)比較真實(shí)可信。測量數(shù)據(jù)對比得出結(jié)論，原子鐘5 MHz正弦信號經(jīng)光纖傳輸后，10 ms短期頻率穩(wěn)定度為3．36x10-10，小于5x10-10，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

3 結(jié)束語
光纖通信是20世紀(jì)70年代問世的通信新技術(shù)，到目前已進(jìn)入全光通信的新的發(fā)展階段。利用它來傳輸高穩(wěn)定的系統(tǒng)時(shí)鐘信號，既經(jīng)濟(jì)實(shí)用，又穩(wěn)定可靠，特別適用于微波雷達(dá)通信系統(tǒng)改造項(xiàng)目中。當(dāng)然，為進(jìn)一步提高時(shí)鐘穩(wěn)定性，延長傳輸距離，還需要進(jìn)一步研究。