基于光纤传输的1.5GHz信号的稳相系统设计与测试

江永琛，王锦清，苟伟，虞林峰



基于光纤传输的1.5GHz信号的稳相系统设计与测试

江永琛1,2，王锦清1,2，苟伟1,2，虞林峰1,2

（1. 中国科学院 上海天文台，上海 200030；2. 中国科学院 射电天文重点实验室，南京 210008）

设计了一款基于光纤传输的1.5GHz的稳相频标传输系统，实现系统在光纤介质中传输的相位校准。文中对系统的稳相原理和性能进行了分析和评估，然后对光纤稳相系统的性能进行了测试分析。包括实验室中的高低温箱测试以及地埋长光纤的实测。结果表明，基于目前的测试系统，与未稳相时相比，稳相系统对相位波动的长时间改善效果达到130多倍。文中还对光纤本身的温度系数进行了测试与分析，得到了光纤温漂系数。为了解决频率稳定度和相噪恶化的问题，文中还引入了一款高稳定度的晶振锁相模块，并给出了多组实测数据，使得频率稳定度和相噪都得到了明显的改善。该系统将应用到上海天马65 m射电望远镜系统的频标信号传输中。

光纤传输；相位校准；频率稳定度；相噪

0 引言

在微波、毫米波的射电望远镜应用中，对频标信号的相位稳定度要求非常高，稳定的频标信号是保证高精度高频段观测的基本条件。国内外各观测站普遍采用高稳定度的氢钟作为频标信号，并给氢钟提供恒温恒湿的屏蔽房环境。地面频标信号需要由氢钟房传输至馈源仓，供前端的接收机变频等系统使用。传输通常采用电缆[1]、波导[2]或光纤[3]来实现。但无论使用哪种介质传输，长距离传输都会对信号造成相位延迟，并由于外界温度、干扰等因素会导致信号相噪恶化、稳定度降低和频率漂移等问题。

目前国际上相位实时补偿有：英国的Merlin望远镜采用的是基于LBL的往返光纤链路相位校准稳相系统[4]，其相位稳定度改善程度可达两个数量级；意大利采用了法布里-珀罗干涉测量法及往返校正实现了长达642 km距离上的稳相传输[5]。而国内各测站尚未配置稳相装置，本文在研究了基于电缆传输的地面频标稳相传输系统的基础上[6]，结合TMRT（天马射电望远镜）的光纤传输链路情况，进一步研究了基于光纤传输的稳相传输系统，并做了大量的测试对比分析。早期的望远镜观测站对于电缆延迟引起的相位变化，都是实时测量数据，在事后数据处理中再进行补偿。本文所述系统是一种实时补偿相位的方法。本文的研究基于TMRT而开展，为国内VLBI各测站的稳相传输系统的研发提供了理论和实践双重保证。

1 稳相系统基本原理与系统框架图

图 1 稳相系统框架图

2 基于光纤链路的稳相系统的搭建与测试

2.1 光纤温度系数的测试

对250m长的光纤进行高低温测试，测试温度范围为5～40℃，温度控制以5℃步进。每个温度点上保持1.5h左右。然后记录相对相位差。光纤的绝对延时和插入损耗通过网分测取。

温度系数的测试是通过高低温控制箱SETH-Z-022L，通过信号发生器N5181A提供10MHz测量信号，以及相噪测试仪TSC5125A和网络分析仪E8362B来完成的。为了与电缆进行比较，也对电缆进行了测试，测试框图如图2所示。

图2 温度系数测试系统框图

表1总结了3款电缆和光纤在5~40℃的测试结果，包括温度系数、插入损耗以及绝对延时。

表1 温度系数测试结果

由表1可以看出，在3组电缆中，AVA5-50的电缆性能最好，插损，绝对延时以及温度系数都是最小的，但是光纤与电缆相比，温漂以及插损有明显的改善。考虑到传输介质自身对频标信号长距离传输所引入的插损和延时，针对TMRT这类高频段高精度要求的天线，频标信号从屏蔽房内的氢钟传输至馈源仓各频段接收机及其他关键设备时，我们采用光纤传输来尽可能地降低传输介质自身对频标信号性能的影响，同时也将引入本文所研究的稳相系统对传输过程中的相位波动及频率稳定度波动和相噪恶化等情况进行改善优化。

2.2 光电转换模块简介

由于各终端设备传输的是电信号，而光纤传输的是光信号，因此在通过光纤链路进行频标信号的传输时需要引入光电转换模块，将电信号的频标信号转换成光信号后通过长光纤链路传输到终端后再进行光电转换模块转换成电信号供终端设备使用。

本文介绍的系统所使用的光电转换模块是Miteq公司生产的，适用于5kHz～2.5GHz带宽范围的光纤模块，满足本稳相系统所需的745 MHz和755MHz信号传输，包括发送模块和接收模块，且它们的群延时只有0.1ns，图3为串入光发送模块和光接收模块后的链路框图[7]。

图3 光电模块转换链路图[7]

2.3 相位实时补偿光纤稳相传输系统测试

将250m长光纤（APC接口，与光电转换模块接口匹配）放入高低温箱中，然后设置温控箱温度从5℃升至40℃，再降至5℃，每隔1h，设置1次温度，温度变化间隔为5℃，同时用温度监控设备记录下实时温度。由图4可以看到温控箱内实际温度范围约5~38℃，没有达到40℃主要是受测试时外界环境温度和温控箱自身影响。

采用互相关的测试方法，积分时间为1s，相位分辨率为0.02°，同时测试S7和S8的相位差（unstabilized 745MHz），以及S1和S6的相位差（stabilized 1.5GHz），测试结果见图4。图5是放大图，可以方便地看出稳相后相位差大小。可以看到整个时间内，相位变化的改善程度达到了原来的1/133。将稳相曲线（stabilized 1.5G）放大后的图5可以看出，采用稳相系统后，相位长时间的变化不到0.2°。

图4 光纤高低温箱内相位测试

图5 稳相后1.5GHz的相位变化

为了更好地将稳相系统应用到TMRT系统中，我们把该系统串入至TMRT的频标传输系统中进行测试，TMRT的氢钟房到馈源仓大概有400m的距离，且具备地埋光纤，由于目前系统测试需要满足发送端和接收端在同一地点，因此选择光纤在馈源仓处打环再经由地埋光纤回到氢钟房处进行稳相系统的测试，实际测试中的光纤距离有800m左右。测试结果见图6。经过长距离稳相传输系统后，相位波动范围由原来的65°降至0.5°，改善程度为1/130。

此外，由于TMRT与佘山25m射电望远镜之间有地埋光纤可以进行数据通信，地埋光纤单程约10km。同样考虑到实际测试需求，也采用光纤打环的方式，将约20km的地埋光纤传入到稳相系统中，测试了实际应用中光纤受外界环境温度和自然干扰等因素综合影响下的相位变化情况。测试结果示于图7，测试时长约44.5h，是从第1天的中午12:00持续到第3天的早上08:30，测试时间为春季，而上海春季昼夜温差范围约为10~22℃。由图7可以看到非稳相相位曲线的变化趋势，其符合24h温度曲线。经过稳相链路后的相位波动范围由240°降到1.1°，改善程度达200多倍超过理想改善程度150倍，这里我们认为是由于20km长光纤才接入系统时非稳相链路受长距离传输中各种外界因素影响尚未达到稳定的测试状态而导致的非稳相链路测试开始时间段内相位变化很大。

图6 地埋800m光纤的稳相系统实测结果

图7 地埋20km长光纤的稳相系统实测结果

2.4 Allan方差的意义及频率稳定度的测试

在获得相位差的情况下，对频率稳定度的测试方法通常采用Allan方差[8]来表示，计算公式如式（11）所示：

注：图（a）输入为10MHz，10dBm；图（b）输入为10MHz，4dBm。

图8 Allan方差测试结果

3 相噪提高的方法与测试结果分析

为了频标信号的长距离传输链路中的稳相传输，本文所提系统很好地解决了相位的稳定和频率稳定度提高的问题。但同时，由于稳相系统的串入对传输链路引入相噪，稳相系统为了对链路的附加噪声进行抑制，在上述基础上，再引入一款超低相噪锁相模块ULP400，用来改善稳相系统输出端的相噪并提供给需要使用频标信号的终端设备。

ULP400超低相噪锁相模块短期稳定性可达5×10-13@1s，1×10-12@10s，8×10-13@100s，其设计的相位噪声（@10MHz）为＜-110dBc@1Hz，＜-138dBc@10Hz，＜-145dBc@100Hz ，＜-155dBc@1kHz，＜-160dBc@10kHz。将该模块串入到稳相系统的输出端后，在氢钟房，使用imaser-3000氢钟，功分两路10MHz频标信号，一路给5125A的reference端口，另外一路经由稳相系统和锁相模块（或者不串入锁相模块ULP400）再输入到5125A的input端口，按start按钮开始测试，可以同时测试相噪和频率稳定度，测试结果如表2和表3所示。由表2和表3可以看出，锁相模块的串入不仅明显改善了相噪，也同时进一步提高了频率稳定度。由此说明，在引入了超低相噪锁相模块后，本文所提的稳相系统能够很好 地解决长距离传输中的相位变化、频率稳定度降低和相噪恶化的情况。

表2 频率稳定度测试结果

表3 相噪测试结果

4 结语

本文所提基于光纤传输的频标信号稳相系统，具有实时补偿相位变化的功能，且兼顾了事后补偿和监测相位变化的功能，为实际工作提供了可行性。该稳相系统的测试工作是基于TMRT的实际情况而进行的，使用的光纤链路和氢钟频标信号源都是目前TMRT正常工作的模式。这为下一步稳相系统正式成为TMRT系统中一个设备打下了坚实的基础，也将简化现有事后补偿相位变化的工作，给大型射电望远镜的天文观测提供一个低相噪、高稳定度、低相位延迟的频率基准信号，进而提高观测精度，满足高频段观测需求。

[1] SIGMAN E H. Phase calibration generator[C]//Telecommunications and Data Acquisition Progress Report 42-92. Pasadena, California: Jet Propulsion Laboratory California Institute of Technology, 1987: 89-104.

[2] NAPIER P J, THOMPSON A R, EKERS R D. The very large array: design and performance of a modern synthesis radio telescope[J]. Proceedings of the IEEE, 1983, 71(11): 1295-1320.

[3] PRIMAS L E, LUTES G F, SYDNOR R L. Stabilized fiber-optic frequency distribution system[C]//Telecommunications and Data Acquisition Progress Report 42-97. Pasadena, California: Jet Propulsion Laboratory California Institute of Technology, 1989: 88-97.

[4] MCCOOL R, BENTLEY M, GARRINGTON S, et al. Phase transfer for radio astronomy interferometers, over installed fiber networks, using a round trip correction system[C]//40th Annual PTTI meeting. Reston Virginia, United States, 2008: 107-116.

[5] CALONICO D, BERTACCO E K, CALOSSO C E, et al. High-accuracy coherent optical frequency transfer over a doubled 642-km fiber link[J]. Applied Physics B. 2014: 117(3): 979-986.

[6] 王锦清, 江永琛, 苟伟, 等. 地面稳相频标传输系统设计和测试[J]. 天文学报, 2014, 55(5): 427-436.

[7] MITEQ, Inc. MITEQ-LBL-50K3G. (2015-10-22)[2017-01-06] https://nardamiteq.com/docs.

[8] ROGERS A E E, MORAN J M. Coherence limits for very long baseline interferometry[J]. IEEE trans. on Instrum. & Meas., IM–30, 1981, 4: 283–286.

Design and test of a 1.5 GHz phase stabilization system based on optical fiber transmission

JIANG Yong-chen1,2, WANG Jin-qing1,2, GOU Wei1,2, YU Lin-feng1,2

(1. Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200030, China;2. Key Laboratory of Radio Astronomy, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China)

In this paper, a 1.5GHz phase stabilization system is designed and tested for optical fiber transmission. The phase stabilization principle of the equipment is described and its performance is analyzed and evaluated. The system is tested with fiber in high-and-low temperature test chamber and measured with long buried fiber. The results show that the improvement of phase stability is more than 130 times for long-term based on the current system. The temperature coefficient of the fiber itself is also tested and analyzed in this paper. In order to solve the problem of deterioration of frequency stability and phase noise, a high stability crystal vibration phase lock module is introduced to this system. Through multiple sets of test data, the frequency stability and phase noise have been improved obviously. This system will be applied to Shanghai TMRT (TianMa 65 m radio telescope) system for standard frequency signal’s transmission.

optical fiber transmission; phase calibration; frequency stability; phase noise

P111

A

1674-0637(2017)03-0137-09

10.13875/j.issn.1674-0637.2017-03-0137-09

2017-02-24

国家自然科学基金资助项目（11303076）

江永琛，女，工程师，主要从事基准信号传输，天线精度测量等研究。