窦玉江，颜毅华，王 威，刘 飞，陈林杰，何俊波，陈志军

(1. 苏州大学电子信息学院，江苏 苏州 215006，2. 中国科学院国家天文台太阳活动重点实验室，北京 100012)

1 传输方案

中国频谱日像仪(Chinese Spectral Radioheliograph, CSRH)的观测设备分高低频两套，低频部分的观测范围是0.4～2 GHz，高频部分是2～15 GHz。在此考虑的是高频部分的传输线设计。由于在2～15 GHz的范围内选取的观测频率点只有32个，所以并不值得像低频部分那样进行宽带射频传输，只需要把需要的信号频点选下来经过窄带传输给后端。

采用图1的原理框图，在前端采样，将其变成数字信号往下传。在60面2.4 m的板状天线的馈源输出，经等长传输线接到模拟变频选频器中，将所需频点的带宽5 MHz信号传给模拟数字转换器(Analog-to-Digital Converter, ADC)，量化采样，再传给格式程序(Formatter)编成160 bit的帧，经过数字光模块将信息传到3 km外的接收机房。这种传输模式，成本低廉，流程简单；既保持了模拟光传输低衰减、无色散、无电磁干扰的优点，又避免了动态范围过小的瓶颈；并且，传输的信号可以直接通过数字接收机进行相关，从流程上看也相当简单。

2 传输原理

数字光模块的传输原理包括图2的几部分。数字信号先经过码型变换器，转成线路码；再经过光调制，将线路码用3 km光缆传输到接收机房，解调成电信号；最后经过线路码反变换，还原成太阳信号并送交下一级处理(具体使用哪种线路码视光产品而定)。

图1 数字光传输的设计构成

Fig.1 Configuration of the digital fiber-optic transmission

传输过程中，由简单的二进制数字信号到线路码的转换传输是必要的，这主要是由于以下3个原因：(1)传输中不能存在长连“1”或长连“0”，那样会使定时信息消失，或者在接收器提取时出现错误；(2)简单的二进制码含直流成分，它会由于“0”、“1”的随机变化而发生改变，不利于接收机的判别；(3)简单的二进制信号无法监测误码率。

图2 数字光模块原理框图

Fig.2 Block diagram of the digital fiber-optic transmission

光发送端和光接收端的结构简图如图3～4，除多了光调制器、解调器以外，其他部分在数字电路中很常见。

图3 数字发送端(光孤子发送)构成

Fig.3 Configuration of the optical transmitter

图4 数字接收端框图

Fig.4 Block diagram of the optical receiver

在传输系统中，经模拟数字采样后，先用格式程序对信号进行传输前的帧结构变换，在实际信号中加入合适的冗余码，编成160 bit/帧的格式，在后面就可以直接进行光电变换。对于传送协议可以借鉴扩展甚大阵列(Expanded Very Large Array, EVLA)的格式(图5)。每160 bit的帧由多组分离的10 bit同步字，1 bit帧索引，5 bit序列数，1 bit PPS，1 bit每10 s周期的脉冲位，1 bit数据正误标识位，8 bit数据检测位。

图5 数据帧结构[1]

Fig.5 The structure of a data frame

3 光电指标

从扩展甚大阵列的参考资料上看，多数的通信指标要高于天文指标。如果使用的光模块属于市面常见的产品，它们遵从国际标准或军用标准，这些标准可以被方便采用。

3.1 电性能特性

(1)误码率(BER)。误码率是指单位时间内错误的比特数与传输的比特数之比，它主要源于光接收机中的各种噪声、光源模式分配噪声、光纤色散引起的码间干扰以及定位抖动等，当其高于1×10-3时称为传输错误。根据扩展甚大阵列对光传输误码率要求的论述“天文观测的传输而言，要求BER<10-4/同步字长”，计划在300 Mbps的光传输中，同步字长10 bit，由此可得光传输系统的误码率指标要优于10-5。经过对当前的产品调研，国内多数的光传输产品的误码率指标都高于此值。

(2)抖动。将数字信号在特定时刻相对其理想时间的短时间偏离称为抖动[2]。此处“短时间偏离”的频率一般高于10 Hz，低于10 Hz的称为漂移。抖动主要分为两类，一类是随机性抖动，它是由各种噪声及定时滤波器的失谐引起的；另一类是系统性抖动，它源于器件温度的变化和老化等不稳定因素。

抖动的大小用UI表示，1UI=360°，它同时也是时间单位，是码速率的倒数。对输出抖动的要求参考国标ITU-TG957～958[3]，定为UIrms<0.01UI(如表1、 表2及图6)。

表1 传输特性参数表[4]

注：A1为f0时的输入噪声幅度，A2为ft时的输入噪声幅度。不同速率下的测试条件见表2

表2 不同速率下测试条件的ft和f0值及对应的幅度

表中： (A)为A类型接收机； (B)为B类型接收机

(3)漂移。环境温度的变化会导致光缆传输特性的变化，从而使信号延时发生慢变化，导致漂移的发生。而且漂移还与光端机的内部结构息息相关，在不同的“观察时间段”内难以确定其具体数值。虽然有理论曲线，但在应用时困难颇多，尤其是国标也没给出具体的值，留待进一步研究。

3.2 光性能特性

(1)衰减和色散。由于使用单模光纤，传输距离较短，码速率较高，因此可以忽略色散和衰减的影响。

图6 抖动幅度与频率关系

Fig.6 The relation between amplitude and frequency of jitter

(2)发送端的发光功率。取决于通信传输的种类，一般是-6 dBw；但如果是光孤子通信则要大得多。

(3)消光比(EXT)。它是发送端的指标。

将光模块与示波器相连，输入信号为全零码，示波器荧屏上将显示光信号的水平线，该水平线与示波器基线间的电压值记为VA；向光发送模块输入码源信号，示波器荧屏将显示信号眼图，眼图上顶部线与示波器基线间的电压值记为VB，消光比即为[5]

按通信国际标准，消光比为8.2 dB可以完成无失真数据传输，这一标准对本系统同样适用。

(4)最小边模抑制比(SMSR)。在使用动态纵模(单频)激光器作光源调制时会产生多个纵模。为衡量其单纵模性，用M1表示主纵模的平均光功率，M2表示最强边模的平均光功率。则[6]

理论上讲，最小边模抑制比越大越好，在此采用通信所要求的30 dB的标准。

(5)传输速率(带宽)，即码速率。市面上选取带宽≥300 Mbps的数字光端机。

传输光纤可以选择单模光纤，波长1 310 nm或1 550 nm都可以。

4 总 结

本文作为2～15 GHz传输系统的初步方案，仅仅初步介绍一点数字光传输的知识，调研的成分较大，关于具体的数字光传输设备的型号，线路码型变换的选择分析取决于组网结构、传输目的。传输目的极其简单，只是把数据完整无失真的传输到主控室。通常可供选择的组网结构有PDH和SDH，具体选择哪种需要和光传输设备公司作深入的探讨才能决定。

[1] Steven Durand, Doug Gerrard. Firber Optic System[M]. EVLA Project Book, Chapter 7.

[2] Zhang Bilan. The jitter function within PDH optical-fiber digital communications System[J]. Journal of Xi’an Institute of Post and Telecommunications, 1997, 2(1): 11-18.

[3] 袁训明. 有关SDH的国际标准和国内标准及其对应关系[J]. 电信工程技术与标准化, 2003(3): 41-45.

Yuan Xunming. The SDH standards and their relationship[J]. Telecom Engineering Techniques and Standardization, 2003(3): 41-45.

[4] SDH 155 Mb/s和622 Mb/s光发送模块和光接收模块技术条件及测试方法[S]. 中华人民共和国通信行业标准, YD/T 973-1998.

[5] 杨恩泽, 杨同友. 光纤数字通信接收机[M]. 北京: 人民邮电出版社, 1984.

[6] 解金山, 陈宝珍. 光纤数字通信技术[M]. 北京: 电子工业出版社, 1997.