1 引言
由于微波通信極易受天氣影響(如大霧、風沙)，某微波通信站提出利用光纖通信技術來改造微波通信系統，把最重要的系統時鐘信號一高穩定的原子鐘5 MHz正弦信號，通過光纖通信系統傳輸。一般有兩種實現方式：數字傳輸方式和模擬傳輸方式。采用數字傳輸方式，高速D／A和A／D轉換器價格高，PCM調制占用的帶寬較寬，因此系統成本較高；而采用模擬傳輸方式，要求系統的載噪比高，非線性失真小，但系統成本較低。所以模擬傳輸方式比較可取。

2 光纖模擬通信系統
2．1 技術指標
采用光纖模擬通信系統傳輸高穩定的原子鐘5 MHz正弦信號需滿足具體的技術指標要求如表1所示。頻率穩定度有時域和頻域兩種表征方式。表1中的10 ms短期頻率穩定度是時域頻率穩定度，它用信號頻率f的相對頻偏在一定采樣時間r內的平均值的方差表示。一般采用無間隙雙采樣方差σr(τ)，即 Allan方差的方根值作為時域頻率穩定度的統一表征量。實際測量只能是有限的測量次數m，它的估值表達式為：

一般按采樣時間τ的長短區分長期穩定度和短期穩定度。10 ms短期頻率穩定度的采樣時間τ為10 ms。
根據實際測試情況，采用普通光纖模擬通信設備傳輸原子鐘5 MHz正弦信號，由于設備載噪比一般小于60 dB，非線性失真較大，光纖傳輸后原子鐘的10 ms短期頻率穩定度達不到技術指標要求，因此需研制專用光纖模擬通信設備。
2．2 系統原理
光纖模擬通信系統通常由光發送機、光接收機以及光纖信道3部分組成。光發送機主要實現模擬電信號的輸入，模擬調制激光器，電光轉換后送人光纖。光接收機實現從光纖接收光信號，經光電轉換，放大濾波后恢復模擬為電信號輸出。光纖信道是光信號傳輸的介質載體，可遠程傳輸光信號。
2．2．1 專用設備原理框圖
專用光纖模擬通信設備包括專用光發送機和專用光接收機。其原理框圖分別如圖1，圖2所示。此外，專用光發送機和專用光接收機中所用到的供電電源均采用專門設計的低噪線性穩壓電源。

2．2．2 頻率穩定性分析
實現模擬光纖系統，主要考慮參數有：載噪比、帶寬和傳輸系統中的非線性引起的信號失真。因此，這也是影響原子鐘5 MHz正弦信號10 ms短期頻率穩定度的主要原因。原子鐘5 MHz正弦信號是高穩定信號，10 ms短期頻率穩定度達2x10-10，經模擬線性傳輸其基頻頻率不變，但受系統各種噪聲干擾，光器件的非線性失真及光纖線路上的反射、色散等因素影響，時鐘頻率信號相位改變，且產生諧波分量，最終導致時鐘信號頻率穩定度降低。因此，在光纖模擬通信系統中，影響原子鐘5 MHz正弦信號lO ms短期頻率穩定度的主要因素有：激光發射模塊中光源的穩定性、激光調制的非線性及電路噪聲；PIN光探測模塊中的非線性和噪聲；光纖連接器接頭的光反射；光纖的色散；電子電路的非線性、噪聲及電磁干擾；輸入輸出的電信號由于阻抗不匹配而引起的反射。
當然，光纖的折射率會隨溫度變化而改變，但這是一個緩慢的過程，其對原子鐘5 MHz正弦信號的10 ms短期頻率穩定度的影響可忽略不計。
2．2．3 專用設備電路設計
為盡量減少光纖模擬通信系統在傳輸高穩定原子鐘5 MHz正弦信號過程中對其產生的劣化，應選用穩定可靠，非線性失真小，低噪聲的光器件和集成電路，并在專用光纖模擬通信設備的電路設計中注意電子電路的非線性、噪聲及電磁干擾，從而盡量提高系統的載噪比和線性度。專用光發送機電路設計的重點是激光發射模塊電路。圖3為激光發射模塊電路原理框圖。

激光發射模塊電路的主要特點為：光源的中心波長為1 310 nm，輸出光功率大于4 mW，光譜寬度小于0_3 nm，邊模抑制比大于30 dB，載噪比大于50 dB，二階失真小于-61 dBc。三階失真小于-65 dBc，平坦度為±1 dB，帶寬為45~750 MHz，光纖耦合反射小，還有預失真補償、APC功率控制和ATC溫度控制(帶制冷器TEC)等輔助電路，減少激光發射模塊電路的非線性失真，降低噪聲，穩定工作。
而專用光接收機的電路設計的重點是設計原子鐘信號的放大、濾波和恢復電路，圖4為專用光接收機電路原理圖。

PIN光探測器模塊電路特點：工作波長為1 31O nm，響應度大于0．85 A／W，暗電流小于5 nA，光反射損耗大于45 dB，頻率響應為40～880 MHz，二階失真小于-70 dBc，三階失真小于-80 dBc。平坦度為±0．5 dB，低噪聲、低失真，帶FC／APC單模光纖連接器或尾纖輸出。
除選用低噪聲，阻抗匹配的前置放大電路外，還增加晶體濾波器，其通頻帶僅幾千赫茲，大大抑制了帶外噪聲及諧波分量，提高系統輸出的原子鐘信號的載噪比。
2．3 設備研制和實驗對比
根據技術指標要求和設備原理框圖設計電路，制作PCB印制板，設計機盒。研制樣機后進行樣機調試，并在實驗室測量樣機技術指標，結果達到設計要求。然后進行實地試驗。首先直接測量原子鐘，得到一組原子鐘5 MHz正弦信號10 ms短期穩定度的數據。然后，在同等試驗環境下(環境溫度，傳輸距離相等)分別由微波和光纖來傳輸原子鐘5 MHz正弦信號，在這兩種傳輸方式下進行測量，得到原子鐘5 MHz時鐘信號10 ms短期穩定度的另外兩組數據，表2為這3組測量數據對比結果。

由于測量過程存在隨機誤差，光纖傳輸測量結果中有個別數據偏差較大，如表2中的5．66x10-10，為不影響測量結果，進行多次測量之后取數據平均值，這樣得到的測量數據比較真實可信。測量數據對比得出結論，原子鐘5 MHz正弦信號經光纖傳輸后，10 ms短期頻率穩定度為3．36x10-10，小于5x10-10，滿足技術指標要求。

3 結束語
光纖通信是20世紀70年代問世的通信新技術，到目前已進入全光通信的新的發展階段。利用它來傳輸高穩定的系統時鐘信號，既經濟實用，又穩定可靠，特別適用于微波雷達通信系統改造項目中。當然，為進一步提高時鐘穩定性，延長傳輸距離，還需要進一步研究。