CN112713953B - 一种时间同步装置、系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种时间同步装置、系统与方法，属于光纤时间同步领域，包括近端A，光纤链路和远端B；近端A发送光脉冲信号与从光纤链路接收的环回光信号和反馈光信号复用，从远端B传输来的光信号传输到光电探测器转变为电信号后发送给时间测量模块，进行时间做差，控制模块根据随机数判断出由近端A到远端B的传输时间T_AB，进行补偿后信号经过调制发送至光纤链路中，传输到远端B。远端B将近端A发送来的信号经过分束器分别实现与近端A时间同步，以及进行延时形成环回信号；同时，控制模块将时钟源信号进行延时，得到反馈信号；合束器将环回信号和反馈信号复用，传输到光纤链路中。本发明能够准确的对传输时间进行补偿，提高了系统的可靠性。

Description

一种时间同步装置、系统与方法

技术领域

本发明属于光纤时间同步技术领域，具体是一种时间同步装置、系统与方法。

背景技术

目前，比较常用的时间同步系统主要包括卫星时间同步系统和光纤时间同步系统。

卫星时间同步系统是利用卫星进行标准时间信号传递的时间同步系统，卫星时间同步有以下优点：卫星可以发送精度很高的标准时间信号，并且覆盖范围可以到达全球，而且卫星时间同步接收机方便、廉价、快捷，卫星时间同步的精度已经能满足大部分人对于时间同步的需求。然而，由于卫星信号是从太空发送的，相比于地面环境，太空环境更加复杂，这也导致卫星信号会受到来自于太空环境中各种因素的干扰，并且信号传达到地面时也会比较微弱，甚至因为有些区域并不在卫星的覆盖范围内而导致这些区域接收不到信号。

光纤时间同步系统是利用光纤进行标准时间信号传递的时间同步系统，从二十世纪七十年代以来，随着光纤越来越广泛的进入实用阶段，光纤因为其传输信号的优良特性以及光网络的普及，使得基于光纤的高精度时间传递开始受到越来越多的关注。光纤具有如下优点：带宽大、损耗低、温度系数小、造价低、稳定性高、中继距离长和抗干扰能力强。光纤时间同步是一种新型的高精度的时间传递手段，它具有光纤传输信号所特有的优点。光纤时间同步主要发送的是秒脉冲，秒脉冲为每秒固定产生的、具有一定脉宽的一个脉冲。通过对秒脉冲进行比对，使用相应的算法便可以计算出两地的时间差，从而进行校准。

2015年，中国科学院上海光学精密机械研究所实现了频率和时间一起同步的系统，在光纤长度为50km时，时间同步精度为1.6ps；在光纤长度为110km，时间同步精度为30ps。2016年，西安通信学院在光纤时间同步系统中使用FPGA接收秒脉冲信号，同时内部进行秒脉冲信号的同步并且生成时间码用于发送，最终时间同步精度为11.8ns。2016年，波兰克拉科夫AGH科技大学使用单纤双向环回系统，通过控制一对低噪声，精确匹配的延迟线进行时间补偿后，传输615km后，时间同步精度约为2ps。2017年，解放军理工大学过实验了基于时钟计数器和电子可变延迟线的精确光纤的传输延迟补偿方案，经过100km光纤后，时间同步精度为66.7ps。

在经典的环回时间同步系统中，有一个基本的假设：往返的光纤链路是对称的，即由近端到远端的光纤链路传输时间与由远端到近端的光纤链路传输时间相同。然而，基于这一点，存在由信道非对称引起的时延过大的风险。

在正常的情况下，整个链路的往返时间T为：

式中，L_AB(L_BA)为近端A(远端B)到远端B(近端A)的光纤链路长度，c为真空中的光速，n₀为光纤的折射率。

在由信道非对称引起时延的情况下，如将近端A到远端B的距离变长m米，并将远端B返回近端A的距离缩短m米，那么整个链路的往返时间仍为T，但近端A到远端B的信号将多经过m米链路传输，所引起的时间误差T_err为：

如当m为1米时，由信道非对称引起的时延可达到5ns的影响。

发明内容

本发明为了解决现有方案的不足，提供了一种时间同步装置、系统与方法，能够发现由信道非对称引起的时延，识别并消除该时延，提高了时间同步系统的可靠性。

所述的一种时间同步装置，包括近端A，光纤链路和远端B。

近端A由第一时钟源，第一随机数模块，第一控制模块，延时补偿模块，第一光脉冲发送模块，第一复用模块，第一光电探测器和时间测量模块组成；

第一控制模块同时连接第一时钟源，第一随机数模块，时间测量模块和延时补偿模块；

第一时钟源产生秒脉冲信号和本地的时钟信号，以及第一随机数模块产生的随机数同时提供给第一控制模块；

第一复用模块同时连接第一光脉冲发送模块和光纤链路，将第一光脉冲发送模块发送的光脉冲信号与从光纤链路接收到的光信号复用在一根光纤上，并将来自光纤链路的光信号传输到第一光电探测器；

光纤链路接收到的光信号包括从远端B发送过来的环回信号和反馈信号；

第一光电探测器将复用光信号经过探测转变为电信号发送给时间测量模块，时间测量模块将转变后的环回电信号和反馈电信号分别与从第一控制模块接收到的本地时钟信号做差，并将两个差结果发送给第一控制模块；

第一控制模块根据随机数判断出：环回信号，反馈信号分别与近端A本地时间的时间差，并计算出由近端A到远端B的传输时间T_AB；

第一控制模块将传输时间T_AB发给延时补偿模块进行延时补偿，并将补偿后的秒脉冲信号发送到第一光脉冲发送模块；第一光脉冲发送模块将延时的秒脉冲电信号调制为光脉冲信号并发送到第一复用模块，然后发送至光纤链路中，形成发送端的闭环电路。

远端B由第二时钟源，第二随机数模块，第二控制模块，第二光脉冲发送模块，合束器，延时模块，第二光电探测器，分束器和第二复用模块组成；

第二控制模块同时连接第二时钟源，第二随机数模块，第二光脉冲发送模块，第二光电探测器和延时模块。

第二时钟源产生秒脉冲信号，第二随机数模块产生的随机数与第一随机数模块的随机数共享，秒脉冲信号和共享随机数共同发送给第二控制模块；

第二复用模块接收光纤链路中的光信号发送给分束器，光信号为近端A中第一光脉冲发送模块将延时的秒脉冲电信号调制为光脉冲信号并经第一复用模块发送至光纤链路中的信号。

分束器将信号按照比例分为两束：一束发送给第二光电探测器，经过探测转变为电信号，发送给第二控制模块，恢复出定时信号，实现与近端A时间同步；另一束光信号发送给延时模块对光信号进行延时形成环回信号，延时时间受第二控制模块控制，然后发送到合束器。

第二控制模块将第二时钟源提供的秒脉冲电信号进行延时后，发送给第二光脉冲发送模块，第二光脉冲发送模块将接收的延时电信号调制为光信号，形成反馈信号发送至合束器；

合束器将反馈信号和环回信号合为一束光发送给第二复用模块，第二复用模块将合束的光信号与从光纤链路上接收的光信号复用在一根光纤上传输，形成接收端的闭环电路。

由于第二控制模块需要对环回信号的延时时间进行控制，也要对反馈信号进行延时时间的控制，根据共享随机数判断选择的是环回信号还是反馈信号，然后控制给环回信号和反馈信号不同的延时时间，形成两者的发送顺序。

所述的时间同步系统具体工作原理如下：

首先，近端A经过光纤链路接收到远端B发出的环回信号和反馈信号，这两个信号连同第一光脉冲发送模块发送的光脉冲信号，一起传输到第一光电探测器；

第一光电探测器转变为电信号发送给时间测量模块，时间测量模块将转变后的环回电信号和反馈电信号分别与本地时钟信号做差，并将两个差结果发送给第一控制模块；

第一控制模块根据随机数判断出：环回信号，反馈信号分别与近端A本地时间的时间差，并计算出由近端A到远端B的传输时间T_AB；

第一控制模块将传输时间T_AB发给延时补偿模块进行延时补偿后，发送到第一光脉冲发送模块，调制成光脉冲信号经第一复用模块发送至光纤链路中；

远端B的第二复用模块接收光纤链路中的光信号发送给分束器，分束器将信号按照比例分为两束：一束发送给第二光电探测器，经过探测转变为电信号，发送给第二控制模块，恢复出定时信号，实现与近端A时间同步；另一束光信号发送给延时模块对光信号进行延时形成环回信号，然后发送到合束器。

同时，第二控制模块将第二时钟源提供的秒脉冲电信号进行延时后，发送给第二光脉冲发送模块调制为光信号，形成反馈信号发送至合束器；

合束器将反馈信号和延时信号合为一束光发送给第二复用模块，第二复用模块将合束的光信号传输到光纤链路上形成闭环电路。

上述第二控制模块根据共享随机数判断环回信号和反馈信号的发送顺序。

所述的时间同步方法具体步骤如下：

步骤一、近端A在第一时钟源的定时信息有效时，第一控制模块控制延时补偿模块将本地时钟源产生的秒脉冲延时时间1-T_AB后，发送给第一光脉冲发送模块；

T_AB为由近端A到远端B的单程时间；

步骤二、第一光脉冲发送模块将延时了1-T_AB时间后的秒脉冲信号调制为光信号，通过光纤链路发送给远端B；

调制的光信号包含本地定时信息。

步骤三、远端B接收到近端A发送的光脉冲信号后，第二复用模块将该光脉冲信号发送给分束器；

分束器将光脉冲信号分成两部分：一束发送给第二光电探测器经过探测转变为电信号，恢复出与近端A同步的定时信号，实现与近端A时间同步；另一束光信号发送给延时模块对光信号进行延时T_d1后形成环回信号，发送到合束器；

步骤四、同时，远端B在第二时钟源定时信息有效时，第二控制模块将第二时钟源提供的秒脉冲电信号延时时间T_d2后发送至第二光脉冲发送模块。

步骤五、第二光脉冲发送模块将延时了时间T_d2后的秒脉冲电信号调制为光信号，形成反馈信号，送至合束器。

步骤六、合束器将环回信号与反馈信号通过第二复用模块发送至光纤链路返回近端A。

第二控制模块根据第二随机数模块提供的随机数来判断出反馈信号与环回信号的发送顺序来控制延时时间T_d1和T_d2。

发送顺序包括两种：当T_d1小于T_d2时环回信号先到，反馈信号后到；当T_d1大于T_d2时反馈信号先到，环回信号后到；

步骤七、近端A通过第一复用模块接收远端B发送来的环回光信号与反馈光信号，经过第一光电探测器转变为环回电信号与反馈电信号，发送给时间测量模块；

步骤八、时间测量模块测量环回电信号与反馈电信号的到达时间，并分别与本地的时间作差，将两个差测量结果发送至第一控制模块。

步骤九、第一控制模块根据随机数，区分出差测量结果中的环回信号的到达时间与本地的时间差T_RL，反馈信号的到达时间与本地的时间差T_FL；并进一步得到由近端A到远端B的单程时间T_AB。

其中：T_RL＝T_AB+T_d1+T_BA，T_FL＝T₁+T_d2+T_BA

T₁为第一时钟源与第二时钟源的时间差，T_d1为第二控制模块对环回信号的延时，T_d2为第二控制模块对反馈信号的延时，T_AB为由近端A到远端B的单程时间，T_BA为远端B到近端A的单程传输时间。

步骤十、将第一光脉冲发送模块的时延调整为1-T_AB，经过T_AB时间到达远端B后则刚好与近端A的第一时钟源模块的下一个秒脉冲同步。

本发明与现有技术相比，具有以下优势：

(1)一种时间同步装置、系统与方法，在发送端近端A，通过时间测量模块和第一控制模块的特定的数据处理方法可以准确地得到由近端A到远端B的单程传输时间，确保了时间补偿的准确性。

(2)一种时间同步装置、系统与方法，在接收端远端B，通过一个独立的第二时钟源模块生成反馈信号，确保了反馈信号产生的稳定性，不易受影响。环回信号通过受第二控制模块控制的延时模块进行延时产生，同时结合近端A与远端B使用共享的随机数来判断发送顺序，能够确保双方对环回信号和反馈信号的准确区分且不被第三者区分。

(3)一种时间同步装置、系统与方法，在信号传输中，反馈信号与环回信号在光纤信道中传输时，所表现出来的物理特性如脉宽、波长等一致，除了通信双方近端A与远端B，是无法区分出二者，增强了系统的安全性。

(4)一种时间同步装置、系统与方法，通过本发明提供的方法，克服了传统的环回时间同步方法对于传输链路对称性的假设的缺陷，能够准确的对由近端A到远端B的传输时间进行补偿，提高了系统的可靠性。

附图说明

图1是本发明一种时间同步系统的结构示意图；

图2是本发明一种时间同步方法的流程图；

图3是本发明当环回信号在反馈信号之前发出时即T_d1<T_d2光纤时间同步工作过程示意图；

图4是本发明当环回信号在反馈信号之后发出时即T_d1>T_d2光纤时间同步工作过程示意图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图对本发明作进一步的详细和深入描述。

本发明公开了一种时间同步装置、系统与方法，加入了反馈信号同时引入随机数的随机性，具体为：近端A通过光纤链路向远端B发送一包含本地定时信息的光脉冲信号；远端B接收到近端A发送的光脉冲信号，一部分用于探测，实现与近端A时间同步；另一部分经过延时形成环回信号返回给发送端；远端B通过自身的时钟源产生的信号进行延时形成一反馈信号，环回信号和反馈信号的先后发送顺序由不同的延时形成，通过随机数来排序决定；近端A测量接收到的环回信号和反馈信号的时间，根据双方共享的一致随机数并准确分析信号以及信号间的时间差，并对时延进行补偿，达到发现由信道非对称引起的时延并去除其影响的效果。

所述的一种时间同步装置，如图1所示，包括近端A，光纤链路和远端B。

近端A由第一时钟源，第一随机数模块，第一控制模块，延时补偿模块，第一光脉冲发送模块，第一复用模块，第一光电探测器和时间测量模块组成；

第一控制模块同时连接第一时钟源，第一随机数模块，时间测量模块和延时补偿模块；

第一时钟源产生秒脉冲信号和本地的时钟信号，以及第一随机数模块产生的随机数同时提供给第一控制模块；第一控制模块根据随机数来控制时延的调整。

第一随机数模块为经典形式或量子形式；

第一复用模块同时连接第一光脉冲发送模块和光纤链路，将第一光脉冲发送模块发送的光脉冲信号与从光纤链路接收到的光信号复用在一根光纤上，传输到第一光电探测器；

光纤链路接收到的光信号包括从远端B发送过来的环回信号和反馈信号；

第一光电探测器将复用光信号经过探测转变为电信号发送给时间测量模块，时间测量模块将转变后的环回电信号和反馈电信号分别与从第一控制模块接收到的本地时钟信号做差，并将两个差结果发送给第一控制模块；

所述时间测量模块，用于测量接收到的信号时间与本地时间的时间差等时间信息；

第一控制模块根据随机数判断出：环回信号与近端A本地时间的时间差，以及反馈信号与近端A本地时间的时间差，并计算出由近端A到远端B的传输时间T_AB；

由于是为了让到达远端B的脉冲和近端A同步，第一控制模块将传输时间T_AB发给延时补偿模块进行延时补偿，并将补偿后的秒脉冲信号发送到第一光脉冲发送模块；第一光脉冲发送模块将延时的秒脉冲电信号调制为光脉冲信号并发送到第一复用模块，然后发送至光纤链路中，形成发送端的闭环电路。

所述的延时补偿模块，用于控制秒脉冲的延时，使得远端B与近端A达到时间同步。

远端B由第二时钟源，第二随机数模块，第二控制模块，第二光脉冲发送模块，合束器，延时模块，第二光电探测器，分束器和第二复用模块组成；

第二控制模块同时连接第二时钟源，第二随机数模块，第二光脉冲发送模块，第二光电探测器和延时模块。

第二时钟源产生秒脉冲信号，第二随机数模块，用于提供与近端A第一随机数模块相同的随机数，第二随机数模块产生的随机数与第一随机数模块的随机数共享；秒脉冲信号和共享随机数共同发送给第二控制模块；

共享随机数通过量子密钥分发等方式实现；

所述的第二控制模块，根据随机数来控制环回信号与反馈信号的发送顺序；

第二复用模块接收光纤链路中的光信号发送给分束器，光信号为近端A中第一光脉冲发送模块将延时的秒脉冲电信号调制为光脉冲信号并经第一复用模块发送至光纤链路中的信号。

分束器将信号按照比例分为两束：一束发送给第二光电探测器，经过探测转变为电信号，发送给第二控制模块，恢复出定时信号，实现与近端A时间同步；另一束光信号发送给延时模块对光信号进行延时形成环回信号，延时时间受第二控制模块控制，然后发送到合束器。

第二控制模块将第二时钟源提供的秒脉冲电信号进行延时后，发送给第二光脉冲发送模块，第二光脉冲发送模块将接收的延时电信号调制为光信号，形成反馈信号发送至合束器；

环回信号与反馈信号波长、脉宽等参数一致。

合束器将反馈信号和延时信号合为一束光发送给第二复用模块，第二复用模块将合束的光信号与从光纤链路上接收的光信号复用在一根光纤上传输，形成接收端的闭环电路。

由于第二控制模块需要对环回信号的延时时间进行控制，也要对反馈信号进行延时时间的控制，根据共享随机数判断环回信号与反馈信号的发送顺序，并根据发送顺序进行延时时间的控制调整。

所述的时间同步系统具体工作原理如下：

首先，近端A经过光纤链路接收到远端B发出的环回信号和反馈信号，这两个信号连同第一光脉冲发送模块发送的光脉冲信号，一起传输到第一光电探测器；

第一光电探测器转变为电信号发送给时间测量模块，时间测量模块将转变后的环回电信号和反馈电信号分别与本地时钟信号做差，并将两个差结果发送给第一控制模块；

第一控制模块根据随机数判断出：环回信号与近端A本地时间的时间差，以及反馈信号与近端A本地时间的时间差，并计算出由近端A到远端B的传输时间T_AB；

第一控制模块将传输时间T_AB发给延时补偿模块进行延时补偿后，发送到第一光脉冲发送模块，调制成光脉冲信号经第一复用模块发送至光纤链路中；

远端B的第二复用模块接收光纤链路中的光信号发送给分束器，分束器将信号按照比例分为两束：一束发送给第二光电探测器，经过探测转变为电信号，发送给第二控制模块，恢复出定时信号，实现与近端A时间同步；另一束光信号发送给延时模块对光信号进行延时形成环回信号，然后发送到合束器。

同时，第二控制模块将第二时钟源提供的秒脉冲电信号进行延时后，发送给第二光脉冲发送模块调制为光信号，形成反馈信号发送至合束器；

合束器将反馈信号和延时信号合为一束光发送给第二复用模块，第二复用模块将合束的光信号传输到光纤链路上形成闭环电路。

上述第二控制模块根据共享随机数判断环回信号和反馈信号的发送顺序。

所述的时间同步方法为首先，近端A在本地时钟源的时间信息有效时通过光纤链路向远端B发送一个包含本地定时信息(如1PPS,5PPS等)的光脉冲信号；并接收远端B环回的环回信号与反馈信号，这两个信号是通过双方共享的随机数的方式来判断两个信号的排列顺序，且环回信号与反馈信号的波长、脉宽等参数一致；然后，远端B接收到近端A发送的光脉冲信号，一部分用于探测，恢复出与近端A同步的时间信号，另一部分发送回近端A形成环回信号，远端B在时钟源的时间信息有效时产生反馈信号，另发送一个反馈信号；发送环回信号与反馈信号的排列顺序根据双方约定的随机数来进行。最后，近端A测量接收到的环回信号和反馈信号的时间，并将系统发送光脉冲的时延调整为1-T_AB，经过T_AB时间到达远端B并与近端A的下一个秒脉冲同步；近端A与远端B的时钟源频率相同，但存在一个固定的时间差T₁。

如图2所示，具体步骤如下：

步骤一、近端A在第一时钟源1-1的定时信息有效时，向第一控制模块1-3发送本地的定时信息，第一控制模块1-3控制延时补偿模块1-4将本地时钟源产生的秒脉冲延时时间1-T_AB后，发送给第一光脉冲发送模块1-5；

T_AB为由近端A到远端B的单程时间；第一控制模块1-3根据时间测量模块1-6测得的由近端A到远端B的时间T_AB控制延时补偿模块1-4进行延时补偿1-T_AB；

步骤二、第一光脉冲发送模块1-5和第一复用模块1-7将延时了1-T_AB时间后的秒脉冲信号调制为光信号，通过光纤链路发送给远端B；

调制的光信号包含本地定时信息。

步骤三、远端B接收到近端A发送的光脉冲信号后，第二复用模块2-9将该光脉冲信号发送给分束器2-8；

分束器2-8将光脉冲信号按照一定比例(如50：50)分成两部分：一束发送给第二光电探测器2-7经过探测转变为电信号，送达远端B的控制模块2-3，在远端B恢复出与近端A同步的定时信号，实现与近端A时间同步；另一束光信号发送给延时模块2-6对光信号进行延时T_d1后形成环回信号，发送到合束器2-5；

步骤四、同时，远端B的第二控制模块2-3在第二时钟源2-1定时信息有效时，将第二时钟源2-1提供的秒脉冲电信号延时时间T_d2后发送至第二光脉冲发送模块2-4。

步骤五、第二光脉冲发送模块2-4将延时了时间T_d2后的秒脉冲电信号调制为光信号，形成反馈信号，送至合束器2-5。

步骤六、合束器2-5将环回信号与反馈信号通过第二复用模块2-9发送至光纤链路返回近端A。

第二控制模块2-3根据第二随机数模块2-2提供的随机数来判断出反馈信号与环回信号的发送顺序，从而延时模块2-6来控制延时时间T_d1和T_d2。

随机数0和1分别对应两种发送顺序：当T_d1小于T_d2时环回信号先到，反馈信号后到；当T_d1大于T_d2时反馈信号先到，环回信号后到；

步骤七、近端A通过第一复用模块1-7接收远端B发送来的环回光信号与反馈光信号，经过第一光电探测器1-8转变为环回电信号与反馈电信号，发送给时间测量模块1-6；

步骤八、时间测量模块1-6测量环回电信号与反馈电信号的到达时间，并分别与本地的时间作差，将两个差测量结果发送至第一控制模块1-3。

步骤九、第一控制模块1-3根据第一随机数模块1-2的随机数确定环回信号与反馈信号的顺序后，区分出差测量结果中的环回信号的到达时间与本地的时间差T_AB+T_d1+T_BA，反馈信号的到达时间与本地的时间差T₁+T_d2+T_BA；并进一步得到由近端A到远端B的单程时间T_AB。

T₁为第一时钟源与第二时钟源的时间差，T_d1为第二控制模块对环回信号的延时，T_d2为第二控制模块对反馈信号的延时，T_AB为由近端A到远端B的单程时间，T_BA为远端B到近端A的单程传输时间。

步骤十、将第一光脉冲发送模块的时延调整为1-T_AB，经过T_AB时间到达远端B后则刚好与近端A的第一时钟源模块的下一个秒脉冲同步。

下面结合实施例和附图3展示了实施例的时间同步工作示意图，本实施例以本发明的时间同步方法为前提实施，给出了详细实施方式和具体工作流程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

附图3、4中，脉冲中的T、R、RT分别表示发送脉冲、接收脉冲、接收并发送脉冲，各个脉冲下为其对应的标号。图中默认将近端A的时钟源当作时间基准，远端B的时钟源与近端A的时钟源不是同步存在一个时间差T₁，但二者频率相同。

在时间同步刚开始时，环回信号工作流程为：近端A发送脉冲TA1通过光纤链路到达远端B，远端B接收该信号并将其环回至近端A，则近端A可以计算出整个系统的环回时间T_AB+T_BA，在延时1-(T_AB+T_BA)/2后发送第二个同步脉冲TA2；反馈信号工作流程为：远端B在其时钟源秒脉冲有效时，发送反馈信号TB1，经过光纤链路传输，到达近端A，近端A与其本地时间进行对比可以得到传输时间为T₁+T_BA。

当环回信号在反馈信号之前发出时即T_d1<T_d2，如图3中1～2s中所示。环回信号工作流程为：近端A发出的光脉冲TA2在经过光纤链路传输后，在经过T_AB时间传输后到达远端B，远端B将其延时T_d1后形成环回信号返回近端A。近端A与本地时间对比得到环回信号与本地时间差T_RL为T_AB+T_d1+T_BA；反馈信号工作流程为：远端B在其时钟源脉冲有效时，在经过T_d2延时后发送反馈脉冲TB2，TB2脉冲在到达近端A时，近端A与本地时间进行比对得到环回信号与本地时间差T_FL为T₁+T_d2+T_BA，进而计算得到由近端A到远端B的单程传输时间T_AB，并延时1-TAB后发送脉冲TA3。

当环回信号在反馈信号之后发出时即T_d1>T_d2，如图4中1～2s中所示。环回信号工作流程为：近端A发出的光脉冲TA2在经过光纤链路传输后，在经过T_AB时间传输后到达远端B，远端B将其延时T_d1后形成环回信号返回近端A。近端A与本地时间对比得到环回信号与本地时间差T_RL为T_AB+T_d1+T_BA；反馈信号工作流程为：远端B在其时钟源脉冲有效时，在经过T_d2延时后发送反馈脉冲TB2，TB2脉冲在到达近端A时，近端A与本地时间进行比对得到环回信号与本地时间差T_FL为T₁+T_d2+T_BA，进而计算得到由近端A到远端B的单程传输时间T_AB，并延时1-TAB后发送脉冲TA3。

Claims (5)

1.一种时间同步装置，其特征在于，包括由第一时钟源，第一随机数模块，第一控制模块，延时补偿模块，第一光脉冲发送模块，第一复用模块，第一光电探测器和时间测量模块组成的近端A；以及由第二时钟源，第二随机数模块，第二控制模块，第二光脉冲发送模块，合束器，延时模块，第二光电探测器，分束器和第二复用模块组成的远端B；

第一复用模块将第一光脉冲发送模块发送的光脉冲信号与从光纤链路接收到的环回光信号和反馈光信号复用在一根光纤上，经过第一光电探测器的探测转变为环回电信号和反馈电信号发送给时间测量模块；环回光信号和反馈光信号是通过光纤链路从远端B发送过来的信号；

时间测量模块将环回电信号和反馈电信号分别与从第一时钟源发出的本地时钟信号做差，并将两个差结果发送给第一控制模块；

第一控制模块根据第一随机数模块发出的随机数判断出环回电信号与本地时间的时间差T_RL，以及反馈电信号与本地时间的时间差T_FL，并进一步计算出由近端A到远端B的传输时间T_AB；其中，T_RL＝T_AB+T_d1+T_BA，T_FL＝T₁+T_d2+T_BA；T₁为第一时钟源与第二时钟源的时间差，T_d1为第二控制模块对环回信号的延时，T_d2为第二控制模块对反馈信号的延时，T_BA为远端B到近端A的单程传输时间；

然后，将传输时间T_AB发给延时补偿模块进行延时补偿，并将补偿后的秒脉冲信号发送到第一光脉冲发送模块，调制为光脉冲信号后发送至光纤链路中，形成发送端的闭环电路；

第二复用模块接收光纤链路中的光信号发送给分束器，分束器按照比例分为两束信号：一束发送给第二光电探测器，经过探测转变为电信号，发送给第二控制模块，恢复出定时信号，实现与近端A时间同步；另一束光信号发送给延时模块对光信号进行延时形成环回信号，然后发送到合束器；

第二控制模块将第二时钟源提供的秒脉冲电信号进行延时后，发送给第二光脉冲发送模块调制为光信号后，形成反馈信号发送至合束器；

第二控制模块要对环回信号的延时时间进行控制，也要对反馈信号进行延时时间的控制，根据共享随机数判断选择的是环回信号还是反馈信号，然后控制给环回信号和反馈信号不同的延时时间，形成两者的发送顺序；

合束器将反馈信号和环回信号合为一束光发送给第二复用模块，第二复用模块将合束的光信号与从光纤链路上接收的光信号复用在一根光纤上传输，形成接收端的闭环电路。

2.如权利要求1所述的一种时间同步装置，其特征在于，所述的第一控制模块同时连接第一时钟源，第一随机数模块，时间测量模块和延时补偿模块；第一时钟源产生秒脉冲信号和本地的时钟信号，以及第一随机数模块产生的随机数同时提供给第一控制模块。

3.如权利要求1所述的一种时间同步装置，其特征在于，所述的第二控制模块同时连接第二时钟源，第二随机数模块，第二光脉冲发送模块，第二光电探测器和延时模块；第二时钟源产生秒脉冲信号，第二随机数模块产生的随机数与第一随机数模块的随机数共享，秒脉冲信号和共享随机数共同发送给第二控制模块。

4.一种时间同步系统，包括近端A，光纤链路和远端B，其特征在于：

首先，近端A经过光纤链路接收到远端B发出的环回信号和反馈信号，连同第一光脉冲发送模块发送的光脉冲信号，一起传输到第一光电探测器；

第一光电探测器将环回信号、反馈信号和光脉冲信号分别转变为电信号，并发送给时间测量模块，时间测量模块分别测量环回电信号与反馈电信号的到达时间，然后分别与本地时钟信号做差，并将两个差结果发送给第一控制模块；

第一控制模块根据随机数判断出：环回信号与近端A本地时间的时间差T_RL，以及反馈信号与近端A本地时间的时间差T_FL，并计算出由近端A到远端B的传输时间T_AB发给延时补偿模块进行延时补偿；其中，T_RL＝T_AB+T_d1+T_BA，T_FL＝T₁+T_d2+T_BA；T₁为第一时钟源与第二时钟源的时间差，T_d1为第二控制模块对环回信号的延时，T_d2为第二控制模块对反馈信号的延时，T_BA为远端B到近端A的单程传输时间；

第一控制模块控制延时补偿模块将本地时钟源产生的秒脉冲延时后，发送给第一光脉冲发送模块，调制成光脉冲信号发送至光纤链路中，传输到远端B的第二复用模块，然后经分束器将光信号分为两束：一束发送给第二控制模块，恢复出定时信号，实现与近端A时间同步；另一束光信号发送给延时模块对光信号进行延时T_d1后形成环回信号，发送到合束器；同时，远端B在第二时钟源定时信息有效时，第二控制模块将第二时钟源提供的秒脉冲电信号延时时间T_d2后发送至第二光脉冲发送模块；第二光脉冲发送模块将延时了时间T_d2后的秒脉冲电信号调制为光信号，形成反馈信号，送至合束器；第二控制模块根据第二随机数模块提供的随机数来判断出反馈信号与环回信号的发送顺序来控制延时时间T_d1和T_d2；

第二随机数模块产生的随机数与第一随机数模块的随机数共享，其中第一控制模块根据的随机数、第二控制模块根据的随机数分别由第一随机数模块、第二随机数模块产生；

合束器将反馈信号和延时信号合为一束光发送到光纤链路上形成闭环电路。

5.一种基于如权利要求4所述的时间同步系统的时间同步方法，具体步骤如下：

步骤一、近端A在第一时钟源的定时信息有效时，第一控制模块控制延时补偿模块将本地时钟源产生的秒脉冲延时时间1-T_AB后，发送给第一光脉冲发送模块；

T_AB为由近端A到远端B的单程时间；

步骤二、第一光脉冲发送模块将延时了1-T_AB时间后的秒脉冲信号调制为光信号，通过光纤链路发送给远端B；

调制的光信号包含本地定时信息；

步骤三、远端B接收到近端A发送的光脉冲信号后，第二复用模块将该光脉冲信号发送给分束器；

分束器将光脉冲信号分成两部分：一束发送给第二光电探测器经过探测转变为电信号，恢复出与近端A同步的定时信号，实现与近端A时间同步；另一束光信号发送给延时模块对光信号进行延时T_d1后形成环回信号，发送到合束器；

步骤四、同时，远端B在第二时钟源定时信息有效时，第二控制模块将第二时钟源提供的秒脉冲电信号延时时间T_d2后发送至第二光脉冲发送模块；

步骤五、第二光脉冲发送模块将延时了时间T_d2后的秒脉冲电信号调制为光信号，形成反馈信号，送至合束器；

步骤六、合束器将环回信号与反馈信号通过第二复用模块发送至光纤链路返回近端A；

第二控制模块根据第二随机数模块提供的随机数，来判断出反馈信号与环回信号的发送顺序，从而来控制延时时间T_d1和T_d2；

发送顺序包括两种：当T_d1小于T_d2时环回信号先到，反馈信号后到；当T_d1大于T_d2时反馈信号先到，环回信号后到；

步骤七、近端A通过第一复用模块接收远端B发送来的环回光信号与反馈光信号，经过第一光电探测器转变为环回电信号与反馈电信号，发送给时间测量模块；

步骤八、时间测量模块测量环回电信号与反馈电信号的到达时间，并分别与本地时钟信号作差，将两个差测量结果发送至第一控制模块；

步骤九、第一控制模块根据随机数，区分出差测量结果中的环回信号的到达时间与本地的时间差T_RL，反馈信号的到达时间与本地的时间差T_FL；并进一步得到由近端A到远端B的单程时间T_AB；

其中：T_RL＝T_AB+T_d1+T_BA，T_FL＝T₁+T_d2+T_BA

T₁为第一时钟源与第二时钟源的时间差，T_d1为第二控制模块对环回信号的延时，T_d2为第二控制模块对反馈信号的延时，T_AB为由近端A到远端B的单程时间，T_BA为远端B到近端A的单程传输时间；

步骤十、将第一光脉冲发送模块的时延调整为1-T_AB，经过T_AB时间到达远端B后则刚好与近端A的第一时钟源模块的下一个秒脉冲同步。

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