CN102299742B - 光纤时间传递编码调制与解调解码的方法 - Google Patents

Abstract

一种光纤时间传递编码调制与解调解码的方法，由时间频率信号的产生与调制发射、时间频率信号的解调解码组成。时码发生器接受原子钟的1pps参考信号产生时间信息信号，编码调制器对输入的信号采用1pps与时间信息的异步传输的编码调制方法，同时采用时间编码信号与射频载波信号分段传输方法，输出含有时间频率的射频信号，对激光器进行调制，调制后的激光信号经过光纤输出到光电转换器，解调，得到射频信号，经载波恢复器恢复出无调制射频信号，用无调制射频信号作为时钟信号编码调制射频信号进行解调解码，得1pps信号、时间信息、传输延迟数据，并将时间信息转换为B码输出。

Description

光纤时间传递编码调制与解调解码的方法

技术领域

本发明属于时间频率传输技术领域，具体涉及到光纤时间传递编码调制与解调解码的方法。

背景技术

在高精度时间传递中，需要将高稳定度原子钟的时间信号传输到远端的用户。时间信号的传输，主要是时间秒脉冲信号的传输。而时间秒脉冲信号的调制方式，直接影响到秒脉冲信号的传输精度。由于现有的光纤数字通信速率为1.544Mb/s和2.048Mb/s,传输速率较低，要使秒脉冲信号的传输精度提高很困难，而现代科技的发展和应用，对时间传输的精度要求越来越高。

微波传输频率稳定度为1×10^-9/s，时间传输精度为纳秒量级。国外研究表明，光纤传输频率稳定度比微波传输频率稳定度高出五个量级，从理论上讲，其时间传递精度可以达到飞秒量级，因此利用光纤传递时间频率可以满足超高精度需求。而且光纤的传输时间延迟，可以利用双向的闭环路径进行前置补偿，经过前置补偿后，用户端可以实时得到没有延迟的秒脉冲信号，从而真正地实现高精度的时间同步。而且用光纤传输的频率信号，用户可以直接应用。

光纤的传输具有相当大的容量。从理论上讲，光纤能用于通信的低损耗窗口的波长宽度约为200nm，带宽25太赫兹（THz），实际上由于光波系统和电子线路的一些技术问题，其通信带宽可在THz以内；短距离的光纤传输，已经能够实现单信道100Gbit/s的信息量。

光纤的传输距离远。由于掺铒光纤放大器（EDFA）的出现，人们已成功地实现了5Gbit/s单信道无中继传输9000km。现在，海底的国际通信光缆已经能达到几千公里无中继。

频率信号是一种模拟连续信号。标准频率信号的传输，很重要的一点是频率稳定度。就传输特性来说，传输频率的带宽越窄，其频率稳定度越高。任何传输频率标称点以外的附加频率，都是相位噪声，都会降低传输频率的稳定度。因此，任何一种调制方式的通信，都会降低其传输频率的稳定度。另外，频率信号在传输过程中，还会受到其它信号的电磁干扰。

时间信号是不连续的数字信号。时间信号包括两种信号内容：一种是时间信息信号，即年、月、日、星期、时、分、秒。时间信息信号与数字通信信号是相同的，如果在不考虑秒脉冲信号的情况下，时间信息可以搭载在任何现有的通信方式上来进行传递，不需要另外采取更复杂的传递形式。时间信号的另一种信号是秒脉冲信号，从波形上讲，它同时间信息信号相同，但传输目的不同。时间信息信号的传递只要求能够正确地判断数字信号的状态，即高电平，低电平，能够准确地进行译码；而秒脉冲信号的传递，需要研究的主要目标是追求传输时间的延迟精度，能够正确判断所传输的秒信号到来的时刻，即秒脉冲的前沿，而对于秒脉冲的宽度并无要求。从传输特性来讲，所传输秒脉冲信号的前沿越陡，其付里叶频率带宽越宽，则传输精度越高。因此，任何有限带宽的通信调制方式，都会影响到秒脉冲信号的上升沿，从而降低时间信号的传输精度。因此，频率信号和秒信号在对传输频率带宽的要求上是相反的。目前1pps信号与时间信息采用同步传输的编码调制方法，在编码或解码时，会产生±1个时钟周期的误差，而为了减小这一误差，需要用很高频率的载波信号，例如为了达到100ps的传输时间精度，需要用10GHz的射频载波信号。

根据光纤传输特性和时间频率信号的传输特性，其时间传输精度理论上可以达到飞秒量级，但实际上，现有编码调制技术只能达到几十个纳秒。远远没有发挥光纤的潜力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述光纤传输的缺点，提供一种光纤时间传递编码调制与解调解码的方法。

解决上述技术问题所采用的技术方案由下述步骤组成：

1、时间频率信号的产生

倍频器将来自原子钟的参考频率信号，经倍频器倍频后产生射频信号输出到编码调制器为编码调制器的时钟信号；时码发生器根据来自原子钟的1pps参考信号控制产生时间信息信号输出到编码调制器，时间信息包括年、月、日、星期、时、分、秒。

2、时间频率信号的编码调制

将1pps信号、时间信息、射频信号以及时间测量设备测量计算的传输延迟数据同时送入编码调制器，编码调制器输出射频信号，编码调制器采用1pps信号与时间信息的异步传输的编码方法，时间编码信号的持续时间是84乘以射频信号的周期；时间编码信号与射频信号的调制采用时间分段调制方法，调制后的射频信号为正弦波或方波，根据所用器件的截止速率采用100MHz～几千兆赫兹的射频信号，时间编码信号与射频信号交替进行传递；调制后的射频信号经激光器调制成光信号馈入光纤，经光纤传输到光电转换器转换成射频信号输出到解调解码器。

3、时间频率信号的解调解码

光电转换器对光纤传输的光信号进行解调成射频信号，经载波恢复器恢复，采用时钟信号恢复方法得时钟信号,载波恢复器输出的时钟信号同时送给解调解码器，解调解码器接收到射频信号和时钟信号进行异步解码，输出时间信息B码、延迟数据、1pps信号，载波恢复器输出的时钟信号经分频器分频产生10MHz、5MHz标准频率信号输出。

本发明的1pps信号与时间信息的异步传输的编码方法为：以射频信号作为编码器的时钟脉冲，射频信号的周期为码元；编码时序先是10个码元宽的预警脉冲，接着是2个码元宽的1pps脉冲、40个码元时间编码码元信息、32个码元延迟数据编码信息,时间编码和延迟数据编码采用8421码。时间编码码元选取方法为：时间编码包括年两位数6个码元、月两位数5个码元、日两位数6个码元、星期一位数3个码元、时两位数6个码元、分两位数7个码元、秒两位数7个码元，延迟数据编码32个码元，全部编码信号占有84个时钟脉冲周期。异步传输的时间解码方法为：在解码时，用预警宽脉冲打开1pps允许闸门，等待1pps脉冲到来,1pps脉冲上升沿到来后，1pps允许闸门随即关闭，获得1pps信号；1pps脉冲上升沿到来后2个周期，是年、月、日、星期、时、分、秒时间编码信息，时间编码信息持续40个周期后，是延迟数据编码信息，延迟数据编码信息持续32个周期。解调解码器输出1pps信号，传输延迟数据信息，年、月、日、星期、时、分、秒时间信息，并且将时间信息转换为B码输出。

本发明的时间分段调制方法为：在1秒内，只有84个周期的持续时间进行时间编码传输，其余的持续时间是射频信号传输，载波恢复器接收到84个周期的时间编码信号时，载波恢复器处于保持状态，载波恢复器接收到的是射频载波信号时，载波恢复器处于锁相跟踪状态，在锁相跟踪状态时，载波恢复器输出的频率和相位被锁定在射频载波的频率和相位上，在保持过程时，载波恢复器对频率和相位进行保持。

本发明的延迟数据编码32个码元为：在200公里范围内，光纤传输延迟数据为900微秒以内，延迟数据采用微秒3位数，纳秒3位数，纳秒小数点后取2位数，延迟数据共计8位数，编码为：

8×4＝32码元

传输延迟数据的编码占有32个时钟脉冲周期。

本发明的1pps信号与时间信息采用异步传输的编码方法，与现有的同步传输的编码调制方法相比，提高了精度，降低传输速率。而采用异步传输的编码方法，同样达到100ps的传输时间精度，只需要100MHz射频载波信号。时间编码信号与射频信号的调制采用时间分段调制方法，由于时间码信号与射频载波信号的占空比很小，因此时间码信号持续时间对传输射频信号的稳定度影响极小。在载波恢复采用锁相跟踪和保持结合方法，其载波恢复器输出的射频时钟信号，秒级短期稳定度和长期稳定度完全由传输射频信号决定，毫秒级以下的短期稳定度，有载波恢复器所采用的晶体振荡器决定。本发明可以根据器件性能的不断地提高传输射频信号的频率，以达到提高传输频率的稳定度和传输时间的同步精度。

附图说明

图1是本发明实施过程示意图。

图2是本发明的调制编码后的射频载波和时间码时序图。

图3是本发明的时间编码信号与射频载波信号分段传输的时序图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

以100MHz的射频信号为例的光纤时间传递编码调制与解调解码的方法步骤如下：

1、时间频率信号的产生

在图1中，来自原子钟10MHz的参考频率信号经倍频器倍频后产生100MHz射频时钟信号，由原子钟来的1pps信号作为时码发生器的参考信号，时码发生器产生年、月、日、星期、时、分、秒时间信息。

2、时间频率信号的编码调制

将1pps信号、时间信息、100MHz的射频信号以及时间测量设备测量计算的传输延迟数据同时送入编码调制器，编码调制器对输入的信号采用1pps与时间信息的异步传输的编码方法，同时采用时间编码信号与射频载波信号分段调制的方法。

1pps与时间信息的异步传输的编码方法，编码方法的具体步骤如下：

在图2中，编码调制时，首先是10个周期的预警宽脉冲，100MHz的射频信号周期是10ns，因此预警宽脉冲的持续时间是10ns×10为100ns，随后而来的是2个码元20ns的1pps脉冲、40个码元400ns时间编码信息、32个码元320ns延迟数据编码信息。

在图3中，本实施例的分段调制方法为：编码调制器发出的信号，在1秒内，只有84个码元的持续时间用于时间编码的传输时间编码信号的持续时间是840ns，而其余时间用于传输射频信号，时间码信号与载波信号的占空比为0.84：1,000,000。时间编码信号与射频信号的调制采用时间分段调制方法，调制后的射频信号为正弦波或方波，时间编码信号与射频信号交替进行传递；调制后的射频信号经激光器调制成光信号馈入光纤，经光纤传输到光电转换器转换成射频信号输出到解调解码器；

3、时间频率信号的解调解码

光电转换器对光纤传输的光信号进行解调成射频信号，经载波恢复器恢复，采用时钟信号恢复方法得时钟信号。时钟信号恢复方法为：如图3所示，采用了锁相跟踪和保持相结合。当载波恢复器接收到的是时间编码信号时，载波恢复器处于保持状态；当接收到的是射频信号时，载波恢复器处于锁相跟踪状态。在锁相过程中，载波恢复器输出的时钟信号的频率和相位被锁定在射频信号的频率和相位上；而在保持的过程中，利用载波恢复器自身的短期稳定度，来实现对频率和相位的保持。载波恢复器输出的时钟信号经分频器分频产生10MHz、5MHz标准频率信号输出。载波恢复器输出的时钟信号同时送给解调解码器，解调解码器接收到射频信号和时钟信号进行异步解码，在解码时，用100ns的预警宽脉冲打开1pps允许闸门，等待1pps脉冲到来。当1pps脉冲上升沿到来后，1pps允许闸门随即关闭，同时输出20ns的1pps脉冲以及时间信息和延迟信息。解调解码器输出时间信息B码、延迟数据、1pps信号。

实施例2

以500MHz的射频信号为例的光纤时间传递编码调制与解调解码的方法步骤如下：

在时间频率信号的产生步骤1中，来自原子钟10MHz的参考频率信号经倍频器倍频后产生500MHz射频时钟信号，由原子钟来的1pps信号作为时码发生器的参考信号，时码发生器产生年、月、日、星期、时、分、秒时间信息。

在时间频率信号的编码调制步骤2中，将1pps信号、时间信息、500MHz的射频信号以及时间测量设备测量计算的传输延迟数据同时送入编码调制器，编码调制器对输入的信号采用1pps与时间信息的异步传输的编码方法，同时采用时间编码信号与射频载波信号分段调制的方法。

1pps与时间信息的异步传输的编码方法，编码方法的具体步骤如下：

在图2中，编码调制时，首先是10个周期的预警宽脉冲，500MHz的射频信号周期是2ns，因此预警宽脉冲的持续时间是2ns×10为20ns，随后而来的是2个码元4ns的1pps脉冲、40个码元80ns时间编码信息、32个码元64ns延迟数据编码信息。

在图3中，本实施例的分段调制方法为：编码调制器发出的信号，在1秒内，只有84个码元的持续时间用于时间编码的传输时间编码信号的持续时间是168ns，而其余时间用于传输射频信号，时间码信号与载波信号的占空比为0.168：1,000,000。时间编码信号与射频信号的调制采用时间分段调制方法，调制后的射频信号为正弦波或方波，时间编码信号与射频信号交替进行传递；调制后的射频信号经激光器调制成光信号馈入光纤，经光纤传输到光电转换器转换成射频信号输出到解调解码器；

在时间频率信号的解调解码步骤3中，载波恢复器输出的时钟信号同时送给解调解码器，解调解码器接收到射频信号和时钟信号进行异步解码，在解码时，用20ns的预警宽脉冲打开1pps允许闸门，等待1pps脉冲到来。当1pps脉冲上升沿到来后，1pps允许闸门随即关闭，同时输出4ns的1pps脉冲以及时间信息和延迟信息。该步骤的其他步骤与实施例1相同。

实施例3

以1GHz的射频信号为例的光纤时间传递编码调制与解调解码的方法步骤如下：

在时间频率信号的产生步骤1中，来自原子钟10MHz的参考频率信号经倍频器倍频后产生1GHz射频时钟信号，由原子钟来的1pps信号作为时码发生器的参考信号，时码发生器产生年、月、日、星期、时、分、秒时间信息。

在时间频率信号的编码调制步骤2中，将1pps信号、时间信息、1G Hz的射频信号以及时间测量设备测量计算的传输延迟数据同时送入编码调制器，编码调制器对输入的信号采用1pps与时间信息的异步传输的编码方法，同时采用时间编码信号与射频载波信号分段调制的方法。

1pps与时间信息的异步传输的编码方法，编码方法的具体步骤如下：

在图2中，编码调制时，首先是10个周期的预警宽脉冲，1GHz的射频信号周期是1ns，因此预警宽脉冲的持续时间是1ns×10为10ns，随后而来的是2个码元2ns的1pps脉冲、40个码元40ns时间编码信息、32个码元32ns延迟数据编码信息。

在图3中，本实施例的分段调制方法为：编码调制器发出的信号，在1秒内，只有84个码元的持续时间用于时间编码的传输时间编码信号的持续时间是84ns，而其余时间用于传输射频信号，时间码信号与载波信号的占空比为0.084：1,000,000。时间编码信号与射频信号的调制采用时间分段调制方法，调制后的射频信号为正弦波或方波，时间编码信号与射频信号交替进行传递；调制后的射频信号经激光器调制成光信号馈入光纤，经光纤传输到光电转换器转换成射频信号输出到解调解码器；

在时间频率信号的解调解码步骤3中，载波恢复器输出的时钟信号同时送给解调解码器，解调解码器接收到射频信号和时钟信号进行异步解码，在解码时，用10ns的预警宽脉冲打开1pps允许闸门，等待1pps脉冲到来。当1pps脉冲上升沿到来后，1pps允许闸门随即关闭，同时输出2ns的1pps脉冲以及时间信息和延迟信息。该步骤的其他步骤与实施例1相同。

实施例4

在以上的实施例1～3的时间频率信号的产生步骤1中，来自原子钟10MHz的参考频率信号用5MHz的参考频率信号替换，还可用100MHz的参考频率信号替换，该步骤的其他步骤与相应的实施例相同。其他步骤与相应的实施例相同。

Claims (4)

1.一种光纤时间传递编码调制与解调解码的方法，其特征在于它是由下述步骤组成： 

(1)时间频率信号的产生 

倍频器将来自原子钟的参考频率信号，经倍频器倍频后产生射频信号输出到编码调制器为编码调制器的时钟信号；时码发生器根据来自原子钟的1pps参考信号控制产生时间信息信号输出到编码调制器，时间信息包括年、月、日、星期、时、分、秒； 

(2)时间频率信号的编码调制 

将1pps信号、时间信息、射频信号以及时间测量设备测量计算的传输延迟数据同时送入编码调制器，编码调制器输出射频信号，编码调制器采用1pps信号与时间信息的异步传输的编码方法，时间编码信号的持续时间是84乘以射频信号的周期；时间编码信号与射频信号的调制采用时间分段调制方法，调制后的射频信号为正弦波或方波，根据所用器件的截止速率采用100MHz～几千兆赫兹的射频信号，时间编码信号与射频信号交替进行传递；调制后的射频信号经激光器调制成光信号馈入光纤，经光纤传输到光电转换器转换成射频信号输出到解调解码器； 

(3)时间频率信号的解调解码 

光电转换器对光纤传输的光信号进行解调成射频信号，经载波恢复器恢复，采用时钟信号恢复方法得到时钟信号,载波恢复器输出的时钟信号同时送给解调解码器，解调解码器接收到射频信号和时钟信号进行异步解码，输出时间信息B码、延迟数据、1pps信号，载波恢复器输出的时钟信号经分频器分频产生10MHz、5MHz标准频率信号输出。 

2.按照权利要求1所述的光纤时间传递编码调制与解调解码的方法，其特征在于所述的1pps信号与时间信息的异步传输的编码方法为：以射频信号作为编码器的时钟脉冲，射频信号的周期为码元；编码时序先是10个码元宽的预警脉冲，接着是2个码元宽的1pps脉冲、40个码元时间编码码元信息、32个码元延迟数据编码信息,时间编码和延迟数据编码采用8421码；时间编码码元选取方法为：时间编码包括年两位数6个码元、月两位数5个码元、日两位数6个码元、星期一位数3个码元、 时两位数6个码元、分两位数7个码元、秒两位数7个码元，延迟数据编码32个码元，全部编码信号占有84个时钟脉冲周期；异步传输的时间解码方法为：在解码时，用预警宽脉冲打开1pps允许闸门，等待1pps脉冲到来,1pps脉冲上升沿到来后，1pps允许闸门随即关闭，获得1pps信号；1pps脉冲上升沿到来后2个周期，是年、月、日、星期、时、分、秒时间编码信息，时间编码信息持续40个周期后，是延迟数据编码信息，延迟数据编码信息持续32个周期；解调解码器输出1pps信号，传输延迟数据信息，年、月、日、星期、时、分、秒时间信息，并且将时间信息转换为B码输出。 

3.按照权利要求1所述的光纤时间传递编码调制与解调解码的方法，其特征在于所述的时间分段调制方法为：在1秒内，只有84个周期的持续时间进行时间编码传输，其余的持续时间是射频信号传输，载波恢复器接收到84个周期的时间编码信号时，载波恢复器处于保持状态，载波恢复器接收到的是射频载波信号时，载波恢复器处于锁相跟踪状态，在锁相跟踪状态时，载波恢复器输出的频率和相位被锁定在射频载波的频率和相位上，在保持过程时，载波恢复器对频率和相位进行保持。 

4.按照权利要求2所述的光纤时间传递编码调制与解调解码的方法，其特征在于所述的延迟数据编码32个码元为：在200公里范围内，光纤传输延迟数据为900微秒以内，延迟数据采用微秒3位数，纳秒3位数，纳秒小数点后取2位数，延迟数据共计8位数，编码为 

8×4＝32码元 

传输延迟数据的编码占有32个时钟脉冲周期。 

Images