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CN102801469A - 一种光纤时间频率混合传递方法 - Google Patents

一种光纤时间频率混合传递方法 Download PDF

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Abstract

一种光纤时间频率混合传递方法，主站正常向从站传送10MHz频率信号，在整秒前一个周期信号高电平中间插入一个窄负脉冲，完成频率信号整秒标定。从站识别特殊标定后，运用组合逻辑恢复频率信号，再用触发器恢复定时信号。从站同时向主站原样回传接收的时频混传信号，用于主站环回时延测量。主站按照从站的方法从回传信号中恢复定时信号，并动态测定所恢复定时信号与本地定时信号的时延，结合设备固定时延计算一秒内频标信号的相位预补偿量。主站利用计算的相位补偿量在下一秒内实现均匀的相位补偿，使得从站恢复频率和定时信号与主站同步。本发明具有授时精度高、成本低、方便级联、即插即用的优点。

Description

一种光纤时间频率混合传递方法
技术领域
本方法涉及一种利用光纤链路进行频率和时间混合传递，实现异地同时授时和频率传递的方法（以下简称时频混传方法）。该方法具有精度高、成本低、方便级联、即插即用的优点。
背景技术
世界上各个大国都在积极发展自己高精度时间与频率统一系统，比较著名的主要是天基体统，比如美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS，欧洲的伽利略系统以及我国正在建设的北斗系统等。与此同时，基于光网络的高精度时间频率网络也是构建时频体系的重要组成部分，不但能够胜任高精度的时间频率传递工作，还可与天基时频网络相互补充、相互支撑，形成空地一体化的高精度时频网络。与天基时频系统相比较而言，光纤信道具有传输质量稳定可靠、相对封闭、抗干扰、传输特性变化缓慢、可有效管辖等优点。因此，在需要更高精度的时频传递场合，利用信道更好的光纤进行更高精度的时间和频率传递成为必然选择。
目前利用光纤进行时间同步的方法包括前置补偿法和双向时间比对法，已有方法均为测量出时频中心站与终端站之间的钟差并进行补偿，终端用户只能获得时间同步信号，即同步秒脉冲信号。如终端用户希望获得同时保证短期稳定度和长期稳定度的频率信号，则需要利用获得的秒脉冲或时差信号伺服本地二级振荡器（恒温晶体振荡器或铷原子钟）。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种利用光纤链路实现高精度时频混传的新方法。该方法采用对所传递频标的特殊标定实现时间传递、通过测定秒时延计算频率相位差、利用补偿频标相位的方法实现时延预补偿，保证了时延传递的高精度。本方法中，从站从接收的光信号中同时恢复时间和频率信号，而无需本地二级时钟伺服重生频率信号，因此具有系统结构简单、方便级联应用和即插即用的优点。
技术方案：本发明的光纤时间频率混合传递方法包括以下步骤：
a）.整秒标定：主站正常向从站传送10MHz频率信号，在整秒所在10MHz周期进行特殊标定；
b）从站识别特殊标定后，去除标记恢复正常频率信号，即为所需频标信号，并以此频标信号为时钟，在标记周期输出秒沿得到定时信号，完成授时；从站在恢复频标和时标信号的同时，向主站原样回传接收的时频混传信号，用于主站环回时延测量；
c）.频标相位补偿量计算：频标的相位补偿用于抵消前向总时延的影响，即一秒时间内相位提前总量相当于时延量；
d）.频标相位电域补偿：主站在电光变换之前利用延时单元配合10MHz时钟，在下一秒内实现均匀的相位补偿，使得从站恢复频率和定时信号与主站同步。
所述的特殊标定是特殊标定是对整秒周期进行编码，编码过程保持周期信号的跳变沿位置不变，只在10MHz周期信号高电平中间位置插入一个窄的负脉冲用来指示下一个周期的上升沿为秒脉冲上升沿。接收端利用组合逻辑去除负脉冲标记恢复正常频率信号，并按照标记位置，以恢复的频率信号作为时钟信号，利用时序逻辑恢复定时信号。
有益效果：本发明首次提出的整秒标定方法在光纤链路实现了时频率混传，从站可以从光纤链路中标定的频率信号直接获得频率和定时信号，无需伺服二级时钟重生时间频率信号，可以在较低的成本下实现高精度的时频混合传递。该方法具有基准统一、稳定性高、方便级联、易于同时保证时频混传的长期稳定度和短期稳定度的优点。
采用本发明的方法在实验室环境对设备样机进行了测试，其测试框图如图2所示，基准铷原子钟输出的秒脉冲和10MHZ频率信号注入中心站，中心站利用本发明提出的时频混穿方法，利用约25Km的光纤链路将时间频率信号传递到终端站，将终端站恢复出的秒脉冲信号与钟源秒脉冲信号利用时间间隔测量仪表SRS620进行实时比对测量，从而得到授时误差。利用SRS620将终端站恢复的10MHZ频率信号与铷原子中直接输出的10MHZ频率信号进行比对测量，从而测出频率传递的性能。
附图说明
图1是本发明光纤频率时间混合传递工作原理图。
图2是本发明的光纤频率时间混合传递设备实验测试框图。
图3是实验测试的授时误差测试结构。
图4是实验测试的频率传递稳定度测试结果。
具体实施方式
（a）.整秒标定：主站正常向从站传送10MHz频率信号，在整秒所在10MHz周期进行特殊标定，标定方法图示见图1。从站识别特殊标定后，去除标记恢复正常频率信号，即为所需频标信号。并以此频标为时钟，在标记周期输出秒沿得到定时信号，完成授时。从站在恢复频标和时标信号的同时，向主站原样回传接收的时频混传信号，用于主站环回时延测量。
（b）.环回时延测量：主站按照上述从站的方法从回传信号中恢复定时信号，并利用内部时间间隔测量单元动态测定所恢复定时信号与本地定时信号的时延Tm，时延Tm减去两端设备双向总固定时延τc，得双向光纤链路传播时延Tdp，Tdp=Tm-τc，τc与光纤链路长度无关。
（c）.主站本地秒定时到从站恢复秒定时信号单向时延计算Tf：主站计算光纤长度L、正向和反向传播时延差δ、从而求出从主站到从站的光纤链路正向传播时延Pf，再加上前向固定时延τf得到所需单向总时延Tf。
L=Tdp·C/(2n)，δ=Dλc(λf-λR)L
Pf=(Tdp+δ)/2，Tf=Pf+τf    （式1）
其中，C是真空光速，n表示光纤折射率，Dλc表示中心波长处色散系数，λf和λR分别表示主站到从站前向和反向激光载波波长。
（d）.频标相位补偿量计算：频标的相位补偿用于抵消前向总时延Tf的影响，即一秒时间内相位提前总量相当于时延量Tfo相位补偿通过时延补偿的手段完成，时延量采用数字方式实现，分辨率为10ps。
（e）.频标相位电域补偿：主站在电光变换之前采用了分辨率为10ps的电信号延时单元。主站利用延时单元配合10MHz时钟，在下一秒的10M个周期内均匀选取若干个周期，每个周期依次提前10ps，并保持标定周期不变。从而保证了从站恢复的频率信号与主站同相位且恢复的秒定时信号与主站同步。
如图2所示，本发明的光纤时频混传方法，包括以下步骤：
（a）.主站系统加电，依据本地频标和秒定时信号标定10MHz频率信号整秒周期发送到从站。
（b）.从站从接收的信号中去除频标标记得所需频率信号，再依照频率信号和标记位置产生所需秒定时信号，同时收到的光纤线路信号原样环回到主站。
（c）.主站按照从站相同的方法从环回信号中提取参考秒定时信号，并利用内部时间间隔测量单元测量本地定时与参考定时的时间间隔。
（d）.在主站，结合设备固定时延，依照公式1精确计算主站到从站的总单向时延。
（e）.按照一定滤波规则，由单向时延求得频标相位补偿量。
（f）.主站利用本定频标基准和电信号延时单元在下一秒内实现均匀的相位电域补偿，同时完成整秒标定。
（g）.回到步骤（b），如此反复。

Claims (2)

1.一种光纤时间频率混合传递方法，其特征是该方法包括以下步骤：
a）.整秒标定：主站正常向从站传送10MHz频率信号，在整秒所在10MHz周期进行特殊标定；
b）从站识别特殊标定后，去除标记恢复正常频率信号，即为所需频标信号，并以此频标信号为时钟，在标记周期输出秒沿得到定时信号，完成授时；从站在恢复频标和时标信号的同时，向主站原样回传接收的时频混传信号，用于主站环回时延测量；
c）.频标相位补偿量计算：频标的相位补偿用于抵消前向总时延的影响，即一秒时间内相位提前总量相当于时延量；
d）.频标相位电域补偿：主站在电光变换之前利用延时单元配合10MHz时钟，在下一秒内实现均匀的相位补偿，使得从站恢复频率和定时信号与主站同步。
2.根据权利要求1所述的光纤时间频率混合传递方法，其特征是所述的特殊标定是对整秒周期进行编码，编码过程保持周期信号的跳变沿位置不变，只在10MHz周期信号高电平中间位置插入一个窄的负脉冲用来指示下一个周期的上升沿为秒脉冲上升沿；接收端利用组合逻辑去除负脉冲标记恢复正常频率信号，并按照标记位置，以恢复的频率信号作为时钟信号，利用时序逻辑恢复定时信号。
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