ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ И ЧАСТОТЫ
621.373.8 : 621.372.8
Передача эталонных радиочастот по волоконно-оптической линии с электронной
компенсацией возмущений
Д. М. ФЕДОРОВА1-2, Р. И. БАЛАЕВ1, А. Ф. КУРЧАНОВ1, В. И. ТРОЯН2,
А. Н. М А ЛИМОН1
всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений, Менделеево, Россия, e-mail: dmshibaeva@vniiftri.ru 2Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»,
Москва, Россия, e-mail: troyan@mephi.ru
Представлен метод передачи эталонных радиочастот по волоконно-оптической линии. Описана схема электронной компенсации возмущений фазы передаваемого эталонного сигнала 100 МГц в оптическом волокне. Приведены экспериментальные результаты измерений девиации Аллана эталонного сигнала 100 МГц, переданного на удаленный конец 100-километровой волоконной линии.
Кпючевые слова: стандарты частоты, передача сигналов эталонных частот, сличение атомных часов, волоконно-оптические линии.
The method of radio frequency reference signal transmission by optical fiber line is represented. The scheme of electronic compensation of reference 100 MHz signal phase perturbations in optical fiber is described. The experimental results of measurements of Allan deviation of 100 MHz reference signal transmitted to the remote end of 100 km fiber line are presented.
Key words: frequency standards, standard frequency signal transmission, atomic clocks comparison, fiber-optic links.
В последнее десятилетие точность эталонов частоты и времени была повышена более чем на порядок. В настоящее время основой поддержания и формирования национальной шкалы времени является группа расположенных в одном помещении водородных хранителей Государственного первичного эталона единиц времени, частоты и национальной шкалы времени ГЭТ 1—2012, находящихся в процессе непрерывных взаимных сличений. Неискпюченная систематическая погрешность воспроизведения единицы частоты цезиевым репером частоты фонтанного типа ГЭТ 1—2012 не превышает 5-10-16 [1]. Нестабильность частоты водородных хранителей, входящих в состав первичного эталона, находится на уровне 7-10-16 на суточном интервале усреднения. Вместе с тем, возникла проблема точного сравнения шкал времени и частот территориально удаленных совершенных эталонов и стандартов. Поэтому необходимы исследования по созданию новых каналов и методов передачи эталонных сигналов (ЭС), обеспечивающих передачу ЭС на удаленный конец канала без потери первоначальной точности.
Существуют различные методы и средства проведения высокоточных сравнений частот и шкал времени территориально разнесенных стандартов и эталонов. Исторически первым был метод, использующий возимые квантовые часы, которые сличали с одним эталоном, а затем после транспортировки — с другим. В настоящее время для стандартов, находящихся на больших расстояниях, широко применяют спутниковые методы, использующие сигналы космических
аппаратов навигационных систем, или специальные спутники связи, обеспечивающие дуплексный метод сличений. Погрешность, с которой можно сравнить частоты двух пространственно разнесенных эталонов с помощью этих методов, находится на уровне примерно 5-10-16 на суточном интервале усреднения, а погрешность сравнения шкал времени составляет несколько наносекунд.
В настоящее время разрабатывают и исследуют системы и методы передачи эталонных сигналов частоты (ЭСЧ) по специально выделенным волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС). Данные методы позволяют сравнивать стандарты, удаленные друг от друга на расстояние до нескольких сотен километров, с меньшей погрешностью, чем при использовании традиционных [2—7].
Следует отметить, что ряд физических процессов в оптическом волокне возмущают передаваемый эталонный сигнал и существенно снижают точностные характеристики ЭСЧ, доставляемого на удаленный конец ВОЛС. К этим процессам можно отнести: затухание оптической несущей по мере ее распространения в оптической линии, хроматическую и поляризационно-модовую дисперсию в оптическом волокне, вынужденное обратное рассеяние Мандельштама-Брил-люэна, релеевское рассеяние на микроскопических неодно-родностях волокна. В связи с этим при использовании ВОЛС для передачи эталонных сигналов необходимо применять специальные пассивные и активные методы компенсации возмущений, оказывающих влияние на передаваемый эталонный сигнал.
Передача ЭСЧ по волоконным линиям без компенсации. На рис. 1 представлена упрощенная схема передачи ЭСЧ или сигнала эталонного времени на удаленный конец ВОЛС без систем компенсации возмущений, вносимых линией. При передаче использована амплитудная модуляция оптической несущей сигналом эталонной радиочастоты, составляющей, например, 10 МГц, или импульсным сигналом эталонного времени с периодом в 1 с.
Промодулированная лазерная оптическая несущая, передающая информацию об эталонных радиочастоте или времени, распространяется не в вакууме, а последовательно в ряде материальных сред и устройств, возмущающих передаваемый сигнал и меняющих время его распространения. Основным фактором, возмущающим фазу ЭС, является температурная зависимость времени распространения сигнала в этих средах и устройствах. Изменение температуры окружающей среды оказывает влияние как на длину линии, так и на показатель преломления материала оптического волокна. При передаче сигнала на расстояние, превышающее 100 м, вариация задержки, а следовательно, и погрешность передачи будет в основном определяться линией [8].
Погрешность А? передачи импульсного сигнала частотой 1 Гц в длинной линии, фронт которого несет информацию об эталонном времени, можно оценить как
А? = а АЛ,
(1)
где аз — температурный коэффициент задержки сигнала в линии; АТ — полная амплитуда (размах) температурной волны; I — длина оптической линии (кабеля).
Изменение температуры окружающей среды вызывает фазовую модуляцию температурной волной передаваемого по оптической линии радиочастотного ЭС. Это приводит к снижению точности частоты сигнала, детектируемого фотоприемником на удаленном конце линии. Предположив, что температурная волна имеет синусоидальную форму, можно оценить среднее квадратическое двухвыборочное относительное отклонение (СКДО) результата измерения частоты на удаленном конце ВОЛС [9]:
оу( т) = АТаз -5т2(пту0)/1;,
(2)
где т — время усреднения в секундах; у0 — частота температурной волны [8].
Погрешность передачи сигнала времени, как это следует из (1), пропорциональна длине линии и изменению температуры в ней. Из (2) следует, что на интервалах усреднения, равных полупериоду температурной волны, погрешность передачи эталонной частоты имеет максимальное значение, пропорциональное длине линии и скорости изменения ее температуры. Отметим, что стандартные оптические волокна имеют близкий температурный коэффициент задержки аз= 38 пс/(км-К) на длинах волн 1,31; 1,55 мкм, соответствующих окнам прозрачности волокна [8].
На основании (1 ), (2), можно получить следующие оценки. Из-за суточного изменения температуры на 1 °С 100-километровой линии погрешность передачи эталонной частоты будет примерно 1 ■ 10—13, а погрешность передачи сигнала эталонного времени может достигать 4 нс. Сезонные изменения температуры оптических кабелей могут составлять несколько десятков градусов, следовательно погрешность передачи эталонного времени в кабеле длиной
Рис. 1. Упрощенная схема передачи сигналов эталонной частоты или времени по оптоволоконной линии без компенсации возмущений, вносимых линией; ФП —фотоприемник
100 км может достигать сотен наносекунд. Без использования специальных систем компенсации возмущений, вносимых линией, передачу ЭС с уровнем точности, который соответствует характеристикам современной эталонной базы, можно реализовать только в относительно коротких линиях длиной до нескольких сотен метров.
Передача ЭСЧ по волоконным линиям с компенсацией. Принцип активной компенсации указанных возмущений основан на передаче ЭС по одному волокну в прямом и обратном направлениях. Из сравнения фаз двух сигналов — эталонного, который отправляется в линию, и пробежавшего по линии туда и обратно — можно получить сигнал фазовой ошибки, который будет пропорционален возмущениям, вносимым линией. Этот сигнал можно использовать для коррекции фазы ЭС, отправляемого в линию, и получить на удаленном конце линии сигнал, имеющий фазу ЭС. Такой метод компенсации, когда электронным фазовращателем корректируется фаза отправляемого в линию сигнала, получил название активной электронной компенсации. Если для коррекции возмущений фазы ЭС используется управляемая оптическая линия задержки, включенная последовательно в оптическую передающую линию, то такой метод компенсации называют оптоэлектронным [10].
В настоящей работе исследована схема (рис. 2) одной из возможных реализаций системы передачи ЭСЧ с активной электронной компенсацией. Это устройство обеспечивает передачу ЭС 100 МГц по 100-километровой волоконной оптической линии ОЛ, выполненной в виде катушек стандартного одномодового волокна SMF-28. В этой схеме радиочастотный 100 МГц сигнал вспомогательного управляемого кварцевого генератора КГ передается на конец ОЛ посредством модуляции оптической несущей полупроводникового DFB-лазера Л1 и детектируется фотоприемником ФП1. Сигнал в обратном направлении передается с помощью лазерной несущей Л2 и детектируется фотоприемником ФП2. Оптические циркуляторы ОЦ обеспечивают разделение встречных оптических сигналов на концах линии. Формирователь опорных эталонных частот ФОЭЧ из эталонной частоты 5 МГц водородного хранителя создает ЭС частотами 100; 40 МГц. С помощью смесителя См3 и полосовых фильтров ПФ60; ПФ140 синтезируются два опорных ЭС частотами 60 и 1 40 МГц, необходимых для выработки сигнала ошибки в петле фазовой автоподстройки. Сигнал КГ, пробежавший по линии туда и обратно, детектируется фотоприемником ФП2, усиливается У5 и фильтруется следящим фильтром СФ, затем смешивается на смесителе См2 с опорным 1 40 МГц ЭС. В свою очередь, сигнал 100 МГц, поступающий в линию от КГ, смешивается на См1 с опорным 60 МГц ЭС. На фазовом детектор
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.