CN110932783A - 一种抗光纤扰动的时钟频率传输装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗光纤扰动的时钟频率传输装置，其特征在于，包括通过光纤连接的发送端和接收端，所述发送端设有顺序连接的输入匹配单元、模数转换单元、并串转换单元和数字光调制单元，其中，模数转换单元连接采样时钟源；所述接收端设有顺序连接的数字光解调单元、串并转换单元、数模转换单元、数据存储缓冲单元和滤波放大输出单元，其中，串并转换单元、数模转换单元和数据存储缓冲单元均与连接参考时钟源连接的时钟准相参控制输出单元连接。这种装置成本低、功耗低、传输距离远、使用灵活，采用这种装置能降低光纤传输线路扰动或其他外界应力变化对传输相位噪声指标的劣化。
Description
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，具体是一种抗光纤扰动的时钟频率传输装置。
背景技术
时钟信号是现代信息化产品进行数字信号处理、控制、通信的基准，它通过数字光传输系统时钟同步技术实现不同地点、不同设备之间的正常工作。通用的数字光传输系统根据不同的传输速率对时钟有不同的时域抖动性要求，一些应用于相控阵技术领域的专用数字光传输系统对时钟信号不仅有抖动要求，对相位噪声也有很高要求，相位噪声是指频率信号在各种噪声作用下引起的输出信号相位随机变化，是衡量频率标准源频率稳定性的重要指标，相位噪声在频域上实质表征的是频率信号的频谱纯度，因此对外界的各种干扰及其敏感，光纤作为传输介质虽然具备天然的防电磁干扰特性，但传输光缆在实际环境中也会受到外界各种应力的影响造成光信号微观路径改变，引起色散值变化或光路群时延变化，使传输的频率信号周期特性发生改变引起相位噪声劣化。现在应用于授时系统的光纤频率传递技术一般采用直接频率调制光纤传输手段，主要关注传输频率的准确性，多采用光路环回测试和电路相位补偿等技术手段提高对光线路传输时延的精度评估，从而获得更高的时间传递精度，对光纤扰动引起的延时变化无论是跟踪速度还是补偿精度都存在较大的技术瓶颈；而在另外一些采用相控阵技术的多基地雷达光纤传输系统中，更关注频率信号的近端相位噪声指标，该指标会直接影响雷达探测目标的精度，现有的频率直调光纤技术只能在全程光缆地埋的传输系统中使用，但现实中一般远程的光传输系统为了降低施工成本普遍采用光缆架空铺设方式，或者在跨山、过河、跨桥地段都不可避免地会受到各种外界应力影响，传输光缆的轻微振动或其他外界附加在光缆上的应力变化都会造成传输相噪指标的劣化。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种抗光纤扰动的时钟频率传输装置。这种装置成本低、功耗低、传输距离远、使用灵活，采用这种装置能降低光纤传输线路扰动或其他外界应力变化对传输相位噪声指标的劣化。
实现本发明目的的技术方案是：
一种抗光纤扰动的时钟频率传输装置， 包括通过光纤连接的发送端和接收端，所述发送端设有顺序连接的输入匹配单元、模数转换单元、并串转换单元和数字光调制单元，其中，模数转换单元连接采样时钟源；所述接收端设有顺序连接的数字光解调单元、串并转换单元、数模转换单元、数据存储缓冲单元和滤波放大输出单元，其中，串并转换单元、数模转换单元和数据存储缓冲单元均与连接参考时钟源连接的时钟准相参控制输出单元连接。
所述采样时钟源和参考时钟源均为原频点低相位噪声、低杂散、高稳定度恒温晶振，稳定度优于0.01ppm，频谱杂散低于-100dBm，偏离主频1Hz相位噪声低于-90dBc/Hz，其中，参考时钟的1倍频输出作为数据存储缓冲单元的缓存读取时钟，参考时钟源的4倍频输出作为数模转换单元的内插时钟。
所述输入匹配单元的电压增益为1:1-1:4、输出信号的差分幅度不平衡0.1dB、带宽为0.2MHz-500MHz、输入输出阻抗匹配50欧姆，输入匹配单元用于实现模拟单端信号到差分信号的转换。
所述模数转换单元的分辨率不低于16位、转换速率大于100SMPS，模数转换单元用于实现模拟信号的数字化转换。
所述并串转换单元的并行通道数不低于16位、串行输出速率不低于500Mbit/s，并串转换单元将多路并行数字信号复用成一路高速数字信号。
所述数字光调制单元和数字光解调单元的工作波长均为1310nm-1560nm、传输带宽不低于500Mbit/s，数字光调制单元用于高速数字信号的电-光转换，输出光功率由传输损耗决定，数字光解调单元将光信号转换成高速电信号，光接收灵敏度由传输损耗决定。
所述串并转换单元的并行通道数不低于16位、串行输入速率不低于500Mbit/s，串并转换单元将1路串行数字信号解复用成多路并行数字信号同时输出线路时钟。
所述数模转换单元的分辨率不低于16位、转换速率大于500MSPS，采用电流输出模式，支持1-4倍内插滤波，数模转换单元将数字化信号转换成模拟信号。
所述数据存储单元的数据位宽不低于16位、存储深度100-500个周期，数据存储单元10实现数字化信号的短时缓存。
所述滤波放大输出单元为 3dB滤波带宽不高于f0±400Hz、放大输出幅度10dBm、输入输出阻抗50欧姆，其中，f0为传输频率，滤波放大输出单元用于对模拟信号的窄带滤波和功率放大。
所述时钟准相参控制输出单元用于线路时钟和参考时钟的耦合深度控制，可采用高速可编程芯片XC7K325T实现，通过XC7K325T内部的数字锁相单元输出1倍参考时钟作为缓存读取时钟连接数据存储缓冲单元，输出4倍参考时钟作为内插时钟连接数模转换单元，采用周期测频法对线路时钟和参考时钟源进行精确的频率差值计算，频率检测精度不低于0.001Hz，依据线路时钟和参考时钟频率差值偏移的速率调整参考时钟源的输出频率，使线路时钟和参考时钟频率差值维持在0.01Hz以内。
发送端频率信号经输入匹配单元后接入模数转换单元，将模拟信号转换成多路并行数字化信号，经并串转换单元汇接成一路高速数字信号接入数字光调制单元，将电信号转换成光信号输出，接收端光信号输入光解调单元，经光电转换输出一路高速数字信号，该信号经串并转换单元输出多路并行数字信号和线路时钟，并行数字信号经数据存储缓冲单元接入数模转换单元，线路时钟接入时钟准相参控制输出单元，数模转换单元受内插时钟控制将数字化信号恢复成模拟信号，经滤波放大输出单元恢复出传输的频率信号。
本技术方案中，上述部件满足时钟准相参控制输出单元频率变化速率控制就可以滤除光传输线路上的扰动影响或其他外界应力影响，实现低相噪时钟频率信号的光纤抗扰动远距离传输。
本技术方案具有以下优点：
1.与现有的光纤频率传递技术对比，本技术方案采用数字化传输方式，配合光放大中继再生技术，不会叠加中继放大噪声，传输距离不受限制；
2.采用调整采样时钟和内插时钟之间的耦合深度，能实现光传输线路上的各种扰动及外界应力影响的有效滤除，降低接收端输出频率信号相位噪声对光纤介质扰动的敏感程度。
这种装置成本低、功耗低、传输距离远、使用灵活，采用这种装置能降低光纤传输线路扰动或其他外界应力变化对传输相位噪声指标的劣化。
附图说明
图1为实施例结构的原理示意框图；
附图2 为实施例中输入频率相位噪声测试图；
附图3 为实施例中静态传输环境下输出频率相位噪声测试图；
附图4为实施例中振动传输环境下输出频率相位噪声测试图；
附图5为实施例中无抗扰动措施设备振动传输环境下输出频率相位噪声测试图。
图中，1. 输入匹配单元 2.模数转换单元 3.采样时钟源 4.并串转换单元 5.数字光调制单元 6. 数字光解调单元 7.串并转换单元 8.时钟准相参控制输出单元 9.数据存储缓冲单元 10.数模转换单元 11.参考时钟源 12.滤波放大输出单元。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步的阐述，但不是对本发明的限定。
实施例：
参照图1，一种抗光纤扰动的时钟频率传输装置， 包括通过光纤连接的发送端和接收端，所述发送端设有顺序连接的输入匹配单元1、模数转换单元2、并串转换单元4和数字光调制单元5，其中，模数转换单元2连接采样时钟源3即CLK；所述接收端设有顺序连接的数字光解调单元6、串并转换单元7、数模转换单元9、数据存储缓冲单元10和滤波放大输出单元12，其中，串并转换单元7、数模转换单元9和数据存储缓冲单元10均与连接参考时钟源11即CLK1连接的时钟准相参控制输出单元8连接。
所述采样时钟源3即CLK和参考时钟源11即CLK1均为原频点低相位噪声、低杂散、高稳定度恒温晶振，稳定度优于0.01ppm，频谱杂散低于-100dBm，偏离主频1Hz相位噪声低于-90dBc/Hz，其中，参考时钟11即CLK1的1倍频输出作为数据存储缓冲单元9的缓存数据读取时钟即CLK3，参考时钟源11即CLK1的4倍频输出作为数模转换单元10的内插时钟即CLK2。
所述输入匹配单元1的电压增益为1:1-1:4、输出信号的差分幅度不平衡0.1dB、带宽为0.2MHz-500MHz、输入输出阻抗匹配50欧姆，输入匹配单元1用于实现模拟单端信号到差分信号的转换。
所述模数转换单元2的分辨率不低于16位、转换速率大于100SMPS，模数转换单元2用于实现模拟信号的数字化转换。
所述并串转换单元4的并行通道数不低于16位、串行输出速率不低于500Mbit/s，并串转换单元4将多路并行数字信号复用成一路高速数字信号。
所述数字光调制单元5和数字光解调单元6的工作波长均为1310nm-1560nm、传输带宽不低于500Mbit/s，数字光调制单元5用于高速数字信号的电-光转换，输出光功率由传输损耗决定，数字光解调单元6将光信号转换成高速电信号，光接收灵敏度由传输损耗决定。
所述串并转换单元7的并行通道数不低于16位、串行输入速率不低于500Mbit/s，串并转换单元7将一路串行数字信号解复用成多路并行数字信号同时输出线路时钟即CDR
所述数模转换单元9的分辨率不低于16位、转换速率大于500MSPS，采用电流输出模式，支持1-4倍内插滤波，数模转换单元9将数字化信号转换成模拟信号。
所述数据存储单元10的数据位宽不低于16位、存储深度100-500个周期，数据存储单元10实现数字化信号的短时缓存。
所述滤波放大输出单元12为 3dB滤波带宽不高于f0±400Hz、放大输出幅度10dBm、输入输出阻抗50欧姆，其中，f0为传输频率。滤波放大输出单元12用于对模拟信号的窄带滤波和功率放大。
所述时钟准相参控制输出单元8用于线路时钟CDR和参考时钟CLK1的耦合深度控制，本例采用高速可编程芯片XC7K325T实现，通过XC7K325T内部的数字锁相单元输出1倍参考时钟CLK1作为缓存读取时钟即CLK3连接数据存储缓冲单元9，输出4倍参考时钟CLK1作为内插时钟CLK2连接数模转换单元10。采用周期测频法对线路时钟CDR和参考时钟源CLK1进行精确的频率差值计算，频率检测精度不低于0.001Hz。依据线路时钟CDR和参考时钟CLK1频率差值偏移的速率调整参考时钟源CLK1的输出频率，使线路时钟CDR和参考时钟CLK1频率差值维持在0.01Hz以内。
发送端频率信号经输入匹配单元1后接入模数转换单元2，将模拟信号转换成多路并行数字化信号，经并串转换单元4汇接成一路高速数字信号接入数字光调制单元5，将电信号转换成光信号输出，接收端光信号输入光解调单元6，经光电转换输出一路高速数字信号，该信号经串并转换单元7输出多路并行数字信号和线路时钟CDR，并行数字信号经数据存储缓冲单元9接入数模转换单元10，线路时钟CDR接入时钟准相参控制输出单元8，数模转换单元10受内插时钟CLK2控制将数字化信号恢复成模拟信号，经滤波放大输出单元12恢复出传输的频率信号。
依据本例技术方案做实验验证：光纤传输距离为100km、两盘50km实验光纤，一盘放置于桌面，一盘放置于实验振动台，振动台采用随机振动模式，试验参数：振动频率2Hz-1kHz，振动幅度±10mm，发送端输入信号频率10MHz、功率10dBm、偏离主频1Hz相位噪声-113dBc/Hz，如图2所示；
验证结果为：接收端输出信号频10MHz、功率10dBm、静态模式下1Hz相位噪声-104dBc/Hz，如图3所示；振动模式下1Hz相位噪声-103dBc/Hz如图4所示，劣化小于1dB，对比没有采取抗扰动措施的设备相噪指标劣化降低16dB如图5所示。
本实验例相位噪声测试仪器为美国 Symmetricom公司的5125A相位噪声测试仪，测试精度±2dB。
Claims (10)
1.一种抗光纤扰动的时钟频率传输装置，其特征在于，包括通过光纤连接的发送端和接收端，所述发送端设有顺序连接的输入匹配单元、模数转换单元、并串转换单元和数字光调制单元，其中，模数转换单元连接采样时钟源；所述接收端设有顺序连接的数字光解调单元、串并转换单元、数模转换单元、数据存储缓冲单元和滤波放大输出单元，其中，串并转换单元、数模转换单元和数据存储缓冲单元均与连接参考时钟源连接的时钟准相参控制输出单元连接。
2.根据权利要求1所述的抗光纤扰动的时钟频率传输装置，其特征在于，所述采样时钟源和参考时钟源均为原频点低相位噪声、低杂散、高稳定度恒温晶振，稳定度优于0.01ppm，频谱杂散低于-100dBm，偏离主频1Hz相位噪声低于-90dBc/Hz，其中，参考时钟的1倍频输出作为数据存储缓冲单元的缓存读取时钟，参考时钟的4倍频输出作为数模转换单元的内插时钟。
3.根据权利要求1所述的抗光纤扰动的时钟频率传输装置，其特征在于，所述输入匹配单元的电压增益为1:1-1:4、输出信号的差分幅度不平衡0.1dB、带宽为0.2MHz-500MHz、输入输出阻抗匹配50欧姆。
4.根据权利要求1所述的抗光纤扰动的时钟频率传输装置，其特征在于，所述模数转换单元的分辨率不低于16位、转换速率大于100SMPS。
5.根据权利要求1所述的抗光纤扰动的时钟频率传输装置，其特征在于，所述并串转换单元的并行通道数不低于16位、串行输出速率不低于500Mbit/s。
6.根据权利要求1所述的抗光纤扰动的时钟频率传输装置，其特征在于，所述数字光调制单元和数字光解调单元的工作波长均为1310nm-1560nm、传输带宽不低于500Mbit/s。
7.根据权利要求1所述的抗光纤扰动的时钟频率传输装置，其特征在于，所述串并转换单元的并行通道数不低于16位、串行输入速率不低于500Mbit/s。
8.根据权利要求1所述的抗光纤扰动的时钟频率传输装置，其特征在于，所述数模转换单元的分辨率不低于16位、转换速率大于500MSPS，采用电流输出模式，支持1-4倍内插滤波。
9.根据权利要求1所述的抗光纤扰动的时钟频率传输装置，其特征在于，所述数据存储单元的数据位宽不低于16位、存储深度100-500个周期。
10. 根据权利要求1所述的抗光纤扰动的时钟频率传输装置，其特征在于，所述滤波放大输出单元为 3dB滤波带宽不高于f0±400Hz、放大输出幅度10dBm、输入输出阻抗50欧姆，其中，f0为传输频率。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111900954A (zh) * | 2020-06-03 | 2020-11-06 | 北京无线电计量测试研究所 | 一种随机相位噪声数字化抽取滤波方法及装置 |
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2019
- 2019-12-31 CN CN201911409454.3A patent/CN110932783A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111900954A (zh) * | 2020-06-03 | 2020-11-06 | 北京无线电计量测试研究所 | 一种随机相位噪声数字化抽取滤波方法及装置 |
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