时钟本振信号混合光纤传输的相位噪声研究
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作者:吴彭生 王凯
摘 要：设计了一种时钟、本振信号混合光纤传输系统，采用了半导体激光器外调制和波分复用/解复用技术，采用4个波长的光载波实现了2路时钟信号和2路本振信号1000m距离的光纤传输。通过试验测量对比了光纤传输和电缆传输中射频信号相位噪声劣化程度的不同，同时验证了链路中增加多级光纤连接器带来的影响，结果表明该系统可以为无人值守等新型雷达提供新的信号传输方案。
关键词：时钟信号 本振信号 光纤传输 相位噪声
中图分类号：TN929.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）05（a）-0155-03
现代战争中，为了提高战场装备与人员的生存能力，远距离控制和多假目标等是常用的手段之一。对于雷达等电子装备而言，为了避免敌方的辐射源探测和打击造成较大的损失，往往须将诸多设备与天线分开。更迫切的是在机载和天基平台上，为了尽可能减小天线前端的负荷，数字阵列中诸如频综、A/D、D/A等设备逐渐从天线移至处理终端。如此，天线前端将简化为天线、T/R以及变频等功能，中频信号承担天线前端与处理终端的信息传输任务，极大地减轻了前端的各类负荷，即便前端设备在战时被摧毁亦能将损失降到最低[1-2]。
由于设备与前端之间距离的增大，中频信号、时钟信号和本振信号的传输将不能依赖同轴电缆，可行的方案是采用光纤传输。1990年代建成的ALMA天线采用的就是光纤传输，将90～270GHz本振信号传输了数十公里[3]，而目前正在论证和实施的平方公里阵（SKA）亦采用的是这种方式[4]，近些年国内诸多天文台也采用了光纤传输时钟进行信号同步[5]。
通常一部雷达使用的本振和时钟信号多达几种甚至十几种，在传输路径受限的场景中可能会共用传输通道。本文设计了一种基于光学波分复用的本振、时钟信号远距离光传输方案，通过射频光学调制将2路时钟信号和2路本振信号调制到不同的光波长上，再利用波分复用技术将4路信号通过一根光纤传输至1000m远的接收端，接收端的波分解复用、光电探测器和低噪声放大器将4路信号分路并还原输出，实现了时钟、本振信号混合光纤传输的功能。
1 系统设计
我们针对某种X波段雷达的天线阵面需求，设计了一种可同时传输2路时钟和2路本振的光纤传输系统。如图1所示，4路信号分别由不同的激光调制加载到λ1→λ4光波长上，在通过波分复用合成至一根光纤传输至天线阵面。在阵面上，先由波分解复用将4个波长分开，分别进行光解调放大，还原输出初始的时钟和本振信号。在此过程中，根据传输信号的频率和实际工作的环境，可选择不同的波长间隔和波分复用类型，以保证信号之间的隔离度和减小波长随温度漂移带来的影响。同时，若传输路径中由于波分复用/解复用或连接器节点导致光衰减过大，可在链路中适当位置加入光纤放大器来进行增益补偿。
对于时钟和本振信号传输，关注的指标主要是增益、相位噪声、谐波和杂散等。增益可以通过放大器进行补偿，而对于激光调制谐波主要表现为三次谐波，杂散在信号处理过程中亦有办法进行抑制。相位噪声则直接影响到雷达的探测距离等战术指标，在实际使用中尤为重要，因此本文主要关注该系统对于时钟和本振信号的相位噪声的影响。
2 实验系统及测试结果
根据图1，我们建立了一个时钟、本振信号混合光传输的系统。根据某雷达实际需求，选取所传输的时钟信号分别为100MHz和1GHz，本振信号分别为5GHz和15GHz，本振源用安捷伦8257D信号源代替，射频输出功率统一设定为9dBm，相位噪声测量使用安捷伦5052B信号源分析仪。系统采用激光外调制方式，激光器（Emcore-1782）输出功率为60mW，光波长为ITU通道CH52～CH46，通道间隔为200GHz，光纤传输通道总长度为1000m。在解调接收端，光电探测器（U2t-2140R）后加入了射频低噪声放大器，用来补偿光传输链路的射频损耗，最终整个系统的射频增益控制在±2dB左右。
我们首先测试了信号源输出的信号相位噪声，然后将光传输系统接入，通过二者之间的比较，进而获得光传输系统对于相位噪声的影响。我们进行了三种情况下的对比试验，分别是光纤传输与电缆传输对比，传输链路中光纤连接器数量多少的对比，以及不同调制偏置控制方法的对比。
2.1 光纤传输与电缆传输
电缆传输有别于光纤传输的地方在于其不会带来附加相噪;但其缺点是传输距离较长时传输损耗较大，同时传输线会占用很大的体积和重量。我们通过比较试验，能够看到低频和高频情况下两种传输方式的相位噪声变化情况，对系统设计提供参考。图2显示的是四种信号分别通过光纤传输（1000m）和电缆传输（10m）的相位噪声比较，同时也与信号源输出相位噪声做了对比。
可以看到，由于光链路附加噪声的存在，光链路传输所带来的相位噪声恶化要大于电缆传输，在低频信号传输表现得尤为明显。对于高频信号，近端相位噪声恶化几乎可以忽略，远端（≥1MHz）恶化逐渐显现。通常来说，近端相位噪声性能对系统的影响要远大于远端，因此设计者认为这些结果可以满足绝大部分系统需求。
2.2 多级光纤连接器的影响
在真实的传输链路中，设备或机柜之间的连接不可避免光纤连接器的存在，由于连接点带来的回波同样是影响相位噪声的因素之一。我们通过多段光缆的连接来模拟实际的传输链路，以此来判断该因素的影响。试验中采用了8段多芯光缆（每段光缆长度大约5m），连接器采用J599型8芯连接器（回波损耗≤-40dB，每对连接器的损耗约为0.4dB），这也是常见的机柜间连接方式。试验结果如图3所示，随着光缆段数即光纤连接器的增加，传输链路的相位噪声并没有明显劣化，几乎不会对光传输链路性能造成实质性的影响。
2.3 调制偏置方式的选择
图2和图3中，光链路传输的相位噪声曲线在1kHz附近出现了多个峰值，这是由于目前普遍采用的电光调制器偏置点控制方式引入了1kHz的引导频率。我们随后改进了电光调制器的偏置点控制方式，用功率控制代替了导频控制，从而消除了相位噪声曲线上的多个峰值。以1GHz的信号为例，功率控制方式获得的相位噪声曲线如图4所示，与图2（b）相比，这种方法有效的消除了1GHz附近的诸多峰值。
3 结语
本文提出了一种基于微波光传输的时钟、本振信号混合传输系统，解决了远距离、高频微波信号的传输损耗问题。通过试验验证了光纤传输系统的性能，模拟了实际装备中多级连接器的情况，所获得的结果满足当前绝大多数系统的需求，为当前需要信号远距离传输的装备研制提供了一种可行的解决方案。
参考文献
[1] 吴曼青.数字阵列雷达的发展与构想[J].雷达科学与技术，2008，6（6）：401-405.
[2] 孙国强.无人值守雷达系统设计[J].兵器装备工程学报，2018，39（1）：34-36.
[3] J.-F. CLICHE， B. SHILLUE. Precision timing control for radioastronomy： Maintaining femtosecond synchronization in the Atacama Large Millimeter Array[J]. Control Systems IEEE，2006，26（1）：19-26.
[4] 吴曼青，曹锐，陶小辉，等.世界最大综合孔径望远镜SKA低频数字阵列系统研究[J].中国科学：信息科学，2015，45（12）：1600-1614.
[5] 商建明.光纤鎖模激光器及其在光纤频率传递中的应用研究[D].北京邮电大学，2019.
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