摘要：本文提出了一种基于被动补偿技术的可实现多点频率传递的稳定频率传递方案，该方案使用两个不同波长进行双向环回传递，相比于单波长传递方案，可以极大的减小传输过程中因光器件背向散射造成的频率信号的恶化，能够有效的提升频率传递系统的传输性能。经仿真验证，该方案100km频率短期不稳定度和长期不稳定度分别为：
及
。
关键词：光纤频率传递；频率同步
A passive stable radio frequency dissemination scheme avoiding the backscattering
XXX*，ZHU Jian
(Institute of Information Photonics and Optical Communication，Beijing University of Post and Telecommunication，Beijing 100876，China)
Abstract：A passive stable radio frequency dissemination scheme is proposed，this scheme can dissemination the frequency to multipoint by employing two different optical wavelengths. Compared with single optical wavelength，the backscattering can be reduced effectly. A simulation was performed in VPI to verify performance，the allan deviation 3.64e10-13/s and 6.151e10-17/1000s are achieved。
Key words：Radio Frequency Dissemination，Frequency Synchronization
引言
射电望远镜阵列、粒子加速器等大科学装置的发展及北斗导航卫星导航技术的应用研究对频率的稳定度提出了极高的要求。然而，传统的微波频率传递的方法受到大气噪声干扰等因素影响，需要长时间平均掉传输路径中环境条件的变化，无法满足高精度频率信号传递的需求。光纤凭借带宽大、损耗小、不受电磁干扰及稳定度高等优点，近年来在频率传递中得到了广泛的研究及应用。然而，环境温度的变化和机械振动会恶化频率信号在光纤中传递的稳定度。
为了减小温度及机械振动的影响，提高频率传递的稳定度。一系列的频率传递补偿方案被提出。补偿方案主要分为两种：主动补偿技术及被动补偿技术。主动补偿技术采用使用压控振荡器、锁相环、光纤延时线等主动器件来补偿温度及机械振动对相位造成的抖动，被动补偿技术通过混频、回传等过程来消除温度及机械振动对相位造成的抖动。主动补偿技术相对于被动补偿技术，虽然具有速度快、补偿精度高等优点，但是主动补偿技术补偿范围十分受限，在传递过程中，环境温度变化过快、过大时，相位容易失锁，造成频率信号的恶化。被动补偿技术克服了主动补偿技术的缺陷，具有补偿范围大、结构简单、系统可扩展性好等优点，在频率传递系统中得到广泛应用。
本文提出一种基于被动补偿技术的多点频率传递方案。本方案在不同的方向上采用不同的光波长进行频率信号的传递，能够消除因传输过程中光器件所带来的背向散射的干扰。为了评估频率传递方案的性能，在光子学仿真软件VPItransmissionMakerTM中进行了仿真验证，仿真结果表明，提出的频率传递方案的100 km公里短期不稳定度（短稳）和长期不稳定度（长稳）分别是：
及 
。
1 频率传递系统原理
图1 频率传递方案原理图。RF：频率源，MZM：马赫曾德尔调器，LD：激光器，PD：光电检测器，
DWDM：密集波分复用器，SMF：单模光纤，BPF：带通滤波器，×3：倍频器，÷3：3：分频器。
本方案传递原理图如图1所示：在近地端频率源产生的信号V1可表示为正弦信号：
其中
为频率源初始角频率，
为频率源初始相位。频率源经过3倍频后经光分路器分为V2、V3、V4三部分：
V2经MZM调制器及LD1调制后，经波分复用后进入光纤中传递，其中LD1的波长为
。为了简洁，我们以远地端1为例，经光纤传递及环形器后，PD3探测到波长为 
的信号为：
其中
为光信号在光纤中传递时因为链路的温度变化及机械振动引入的相位抖动。为了避免背向散射的影响，我们在远地端将获取到的信号进行3分频，分频后被波长为
的激光器LD4调制后再次进入光纤链路进入环路中进行传递，3分频后的信号为：
经同一光纤回传至近地端，经解复用后光电探测器PD1及带通滤波器滤波后得到的信号为：
其中
为角频率
的频率信号在光纤中传递时光纤链路引入的相位抖动；将获取到的
与频率源的一路分支信号进行混频，经过中心频率为2
的带通滤波器滤波后得到
：
将获取到的
使用波长为
的激光器及MZM调制器进行调制，调制后与调制后的V2 进行波分复用后再次进入光纤链路传递，在远端PD3处可获得：
其中
为中心频率为 
的信号在光纤中链路中传递时引入的相位抖动。然而，因为三次进入光纤中传递时，经过的光纤为同一单模光纤，链路引入的延时及抖动近似相同，所以可以做出下列近似：
那么 
也可以表示为：
在远地端经过2分频后，即可在远端复现出和频率源完全相同的频率信号
：
因不同的远地端结构、原理相同，只需在远地端回传至近地端及近地端再次回传至远地端时使用不同的波长进行传递即可。理论情况下，远地端的数量不受限制。
2 仿真及分析
为了验证传输方案的可行性以及测量系统的传递性能，我们在VPItransmissionMakerTM
中进行了仿真验证。VPItransmissionMakerTM仿真软件具有数量庞大且具有极高可靠性的仿真器件库，只需要我们将光器件模型的参数设置为贴近现实的参数，那么VPI软件可以直接且准确的反馈光器件及光系统的性能，因此VPI在光器件设计及光系统仿真领域中广泛使用。在我们的传输系统中，为了引入因温度及环境变换所引入的光纤抖动，我们在VPI中输入实际采集到的温度变化数据等。在仿真中我们设置频率源的功率大小为0.2W，LD1的波长为C34=1550.116nm，LD2、LD3 的波长分别为：C33 = 1550.918 nm 和 C35 = 1549.315 nm，远地端的激光器LD4、LD5所使用的波长分别为：C32 =1551.721 nm 和 C36 = 1548.515 nm。为了避免波长相距过大时产生群速度色散，所使用的波长间隔应尽可能靠近。远地端1与近地端使用50 km 的单模光纤相连，远地端2与近地端采用100 km 单模光纤连接，以验证系统的性能。
图2 温度及温度差值
图3 相位抖动
图4 系统艾伦方差曲线
如图2所示，我们测量了实验室一天的环境的温度变化，并计算前后每秒环境温度的变化，并将其输入VPI中进行仿真，我们采集了只使用一个波长情况下的单波长传递系统的传输数据以及多波长情形下不同距离的远端的系统性能数据，通过分析，如图3所示，我们可以清晰的看到，单波长下的系统的相位抖动明显大于多波长传递系统。各系统的艾伦方差曲线图如图4所示，单波长情况下频率的短稳和长稳分别为：
和
。50km多波长情况下系统的短稳和常稳分别
及
，100km多波长情况下系统的短稳和常稳分别
及 
。
3. 结束语
本文提出了一种适合于多点传递的被动频率传输系统，采用双波长双向还回传递。该方案能够有效的减小在传输过程中因为背向散射造成的频率稳定度的恶化。系统的传输性能在单波长以及双波长传递的性能对比仿真中得到验证。系统50km多波长下系统的短稳和常稳分别
及
，100km多波长下系统的短稳和常稳分别为：
及
。
参考文献：
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基金项目：国家自然科学基金（61771074）和中央高校基本科研业务费专项资金（24820172017RC15、24820182018PTB-00-07）资助项目。
作者简介：王冠（1984-），女，本科，现就职于中国电子科技集团公司第三十四研究所，主要从事光纤通信理论研究。
朱剑（1995-），男，博士在读，现就读于北京邮电大学光电信息学院电子与科学技术专业，主要从事光纤时间频率传递理论研究，并针对不同频率补偿结构研究及其性能进行模拟仿真。
论文作者:王冠
论文发表刊物:《基层建设》2019年第21期
论文发表时间:2019/10/16
标签：频率论文; 波长论文; 远地论文; 光纤论文; 系统论文; 信号论文; 相位论文; 《基层建设》2019年第21期论文;