传输高稳定原子钟信号的光纤模拟通信系统

1 引言
    由于微波通信极易受天气影响(如大雾、风沙)，某微波通信站提出利用光纤通信技术来改造微波通信系统，把最重要的系统时钟信号一高稳定的原子钟5 MHz正弦信号，通过光纤通信系统传输。一般有两种实现方式：数字传输方式和模拟传输方式。采用数字传输方式，高速D／A和A／D转换器价格高，PCM调制占用的带宽较宽，因此系统成本较高；而采用模拟传输方式，要求系统的载噪比高，非线性失真小，但系统成本较低。所以模拟传输方式比较可取。

2 光纤模拟通信系统
2．1 技术指标
    采用光纤模拟通信系统传输高稳定的原子钟5 MHz正弦信号需满足具体的技术指标要求如表1所示。频率稳定度有时域和频域两种表征方式。表1中的10 ms短期频率稳定度是时域频率稳定度，它用信号频率f的相对频偏在一定采样时间r内的平均值的方差表示。一般采用无间隙双采样方差σr(τ)，即 Allan方差的方根值作为时域频率稳定度的统一表征量。实际测量只能是有限的测量次数m，它的估值表达式为：

    一般按采样时间τ的长短区分长期稳定度和短期稳定度。10 ms短期频率稳定度的采样时间τ为10 ms。
    根据实际测试情况，采用普通光纤模拟通信设备传输原子钟5 MHz正弦信号，由于设备载噪比一般小于60 dB，非线性失真较大，光纤传输后原子钟的10 ms短期频率稳定度达不到技术指标要求，因此需研制专用光纤模拟通信设备。
2．2 系统原理
    光纤模拟通信系统通常由光发送机、光接收机以及光纤信道3部分组成。光发送机主要实现模拟电信号的输入，模拟调制激光器，电光转换后送人光纤。光接收机实现从光纤接收光信号，经光电转换，放大滤波后恢复模拟为电信号输出。光纤信道是光信号传输的介质载体，可远程传输光信号。
2．2．1 专用设备原理框图
    专用光纤模拟通信设备包括专用光发送机和专用光接收机。其原理框图分别如图1，图2所示。此外，专用光发送机和专用光接收机中所用到的供电电源均采用专门设计的低噪线性稳压电源。

2．2．2 频率稳定性分析
    实现模拟光纤系统，主要考虑参数有：载噪比、带宽和传输系统中的非线性引起的信号失真。因此，这也是影响原子钟5 MHz正弦信号10 ms短期频率稳定度的主要原因。原子钟5 MHz正弦信号是高稳定信号，10 ms短期频率稳定度达2x10-10，经模拟线性传输其基频频率不变，但受系统各种噪声干扰，光器件的非线性失真及光纤线路上的反射、色散等因素影响，时钟频率信号相位改变，且产生谐波分量，最终导致时钟信号频率稳定度降低。因此，在光纤模拟通信系统中，影响原子钟5 MHz正弦信号lO ms短期频率稳定度的主要因素有：激光发射模块中光源的稳定性、激光调制的非线性及电路噪声；PIN光探测模块中的非线性和噪声；光纤连接器接头的光反射；光纤的色散；电子电路的非线性、噪声及电磁干扰；输入输出的电信号由于阻抗不匹配而引起的反射。
    当然，光纤的折射率会随温度变化而改变，但这是一个缓慢的过程，其对原子钟5 MHz正弦信号的10 ms短期频率稳定度的影响可忽略不计。
2．2．3 专用设备电路设计
    为尽量减少光纤模拟通信系统在传输高稳定原子钟5 MHz正弦信号过程中对其产生的劣化，应选用稳定可靠，非线性失真小，低噪声的光器件和集成电路，并在专用光纤模拟通信设备的电路设计中注意电子电路的非线性、噪声及电磁干扰，从而尽量提高系统的载噪比和线性度。专用光发送机电路设计的重点是激光发射模块电路。图3为激光发射模块电路原理框图。

    激光发射模块电路的主要特点为：光源的中心波长为1 310 nm，输出光功率大于4 mW，光谱宽度小于0_3 nm，边模抑制比大于30 dB，载噪比大于50 dB，二阶失真小于-61 dBc。三阶失真小于-65 dBc，平坦度为±1 dB，带宽为45~750 MHz，光纤耦合反射小，还有预失真补偿、APC功率控制和ATC温度控制(带制冷器TEC)等辅助电路，减少激光发射模块电路的非线性失真，降低噪声，稳定工作。
    而专用光接收机的电路设计的重点是设计原子钟信号的放大、滤波和恢复电路，图4为专用光接收机电路原理图。

    PIN光探测器模块电路特点：工作波长为1 31O nm，响应度大于0．85 A／W，暗电流小于5 nA，光反射损耗大于45 dB，频率响应为40～880 MHz，二阶失真小于-70 dBc，三阶失真小于-80 dBc。平坦度为±0．5 dB，低噪声、低失真，带FC／APC单模光纤连接器或尾纤输出。
    除选用低噪声，阻抗匹配的前置放大电路外，还增加晶体滤波器，其通频带仅几千赫兹，大大抑制了带外噪声及谐波分量，提高系统输出的原子钟信号的载噪比。
2．3 设备研制和实验对比
    根据技术指标要求和设备原理框图设计电路，制作PCB印制板，设计机盒。研制样机后进行样机调试，并在实验室测量样机技术指标，结果达到设计要求。然后进行实地试验。首先直接测量原子钟，得到一组原子钟5 MHz正弦信号10 ms短期稳定度的数据。然后，在同等试验环境下(环境温度，传输距离相等)分别由微波和光纤来传输原子钟5 MHz正弦信号，在这两种传输方式下进行测量，得到原子钟5 MHz时钟信号10 ms短期稳定度的另外两组数据，表2为这3组测量数据对比结果。

    由于测量过程存在随机误差，光纤传输测量结果中有个别数据偏差较大，如表2中的5．66x10-10，为不影响测量结果，进行多次测量之后取数据平均值，这样得到的测量数据比较真实可信。测量数据对比得出结论，原子钟5 MHz正弦信号经光纤传输后，10 ms短期频率稳定度为3．36x10-10，小于5x10-10，满足技术指标要求。

3 结束语
    光纤通信是20世纪70年代问世的通信新技术，到目前已进入全光通信的新的发展阶段。利用它来传输高稳定的系统时钟信号，既经济实用，又稳定可靠，特别适用于微波雷达通信系统改造项目中。当然，为进一步提高时钟稳定性，延长传输距离，还需要进一步研究。