CN103490818B - 光纤时频传递中传输时延的补偿器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤时频传递中传输时延的补偿器及方法。该补偿器包括通过光纤相连的中心站和远端站，中心站包括时频标源、倍频器Ⅰ、倍频器Ⅱ、滤波器Ⅰ、混频器Ⅰ、混频器Ⅱ、滤波器Ⅱ、光发模块Ⅰ、合波器、光收模块Ⅰ和放大器Ⅰ，远端站包括分波器、光调制器Ⅰ、光调制器Ⅱ、光收模块Ⅱ、放大器Ⅱ、滤波器Ⅲ、移相器、功分器、光发模块Ⅱ和电接口。方法机理为：中心站对远端站的光电振荡器进行远程注入锁定，远端站将误差累积反向传送给中心站，中心站采用相位延迟及波动调控电路进行补偿，从而将远端站光电振荡器的输出锁定到中心站。本发明消除了双向时延的不对称性，使传递精度不受系统的测量精度限制，能够进行长距离精确传递。

Description

光纤时频传递中传输时延的补偿器及方法

技术领域

本发明涉及光纤传递中传输时延补偿的技术领域，特别是一种光纤时频传递中传输时延的补偿器及方法。

背景技术

时间频率是物质存在的基本物理量，是人们日常生活和生产科研的基础。时频基准信号的传递有国外的GPS/GLONASS多源时间同步为主的天基时频网络和国内的“北斗”二代卫星定位导航系统。一般情况下，天基时频体系能达到纳秒量级的时间同步精度和10^-15/日的频率传递稳定度。但是，当更高精度等级的钟源（如离子钟、喷泉钟、光钟）的时间和频率需要传递和比对时，或者需要更高精度时频同步保障要求时，已有的天基传递手段无法达到“无损”时间频率传递与比对的要求，不能充分发挥高性能时间频率信号源在精密测量中的性能、满足高速飞行目标的导航定位、高速动态粒子的微观测量、大型阵列天线对宇宙空间的探测等重大科学实验的需求。

光纤具有信道稳定、温度系数较低以及通信信噪比高等优势，自商用光纤出现以来就被视为实现高精度时间频率传递的重要手段。四通八达的光缆网为时频信号传递提供了成熟的物理通路，构建于物理网之上的光网络可用作基准的时间同步网，但其设计之初的目的是服务于通信业务，因而其精度受网络影响较大，时间同步精度只能到达百纳秒量级。因此，高精度时频传递与比对的主流方法是在物理链路上利用光波长直接进行时频信号的传递比对。

单纤双向波分复用（WDM）传输系统是实现高精度时间传递较为成熟的方法。它是由Round-Trip法发展而来，克服了Round-Trip法采用双光纤由于往返路径不同引起的时延不对称性。其基本思路为同一根光纤采用双波长传输，保证环路的往返链路使用同一根光纤，避免了往返链路的光纤在物理上不一样长，通过测试往返时延来估算时间信号单程传输时延。如设原始频标的相位是θ₀，该频标经过双向来回传递后，通过相位比对监测其相位变化了2Δθ，假设往返相位变化相同，则可在传递之前预先补偿-Δθ相位，则经过单程传递后收端的相位就与原始频标同为θ₀，从而实现了频标的“无损”传递。但其缺点是往、返时延假设由于同一链路采用不同波长时光纤色散的存在不易满足，发端补偿Δθ的误差大，双向时延不对称，使得时频信号光纤传输的传递精度低，并且远端站光电振荡器输出与中心站不能同步，无法实现远距离传输。

发明内容

本发明的目的是提供一种高精度、低成本的光纤时频传递中传输时延的补偿器及方法，消除双向时延的不对称性，使传递精度不受系统的精度限制，进而实现光纤时频的远距离精确传递。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种光纤时频传递中传输时延的补偿器，该补偿器包括中心站和远端站且二者通过光纤相连，所述中心站包括时频标源、倍频器Ⅰ、倍频器Ⅱ、滤波器Ⅰ、混频器Ⅰ、混频器Ⅱ、滤波器Ⅱ、光发模块Ⅰ、合波器、光收模块Ⅰ和放大器Ⅰ，所述远端站包括分波器、光调制器Ⅰ、光调制器Ⅱ、光收模块Ⅱ、放大器Ⅱ、滤波器Ⅲ、移相器、功分器、光发模块Ⅱ和电接口：

所述中心站中，时频标源分别连接倍频器Ⅰ和倍频器Ⅱ的输入端；倍频器Ⅰ的输出端分别接入混频器Ⅱ的一个输入端和滤波器Ⅰ，滤波器Ⅰ的输出端接入混频器Ⅱ的另一个输入端；混频器Ⅱ与滤波器Ⅱ、光发模块Ⅰ顺次连接后接入合波器；合波器的输出端顺次通过光收模块Ⅰ、放大器Ⅰ后接入混频器Ⅰ的一个输入端，倍频器Ⅱ的输出端接入混频器Ⅰ的另一个输入端，混频器Ⅰ的输出端接入滤波器Ⅰ；合波器与光纤相连；

所述远端站中，分波器与光纤相连，分波器的输出端接入光调制器Ⅰ，光调制器Ⅰ与光收模块Ⅱ、放大器Ⅱ、滤波器Ⅲ、移相器、功分器顺次连接；功分器的输出端分别接入光调制器Ⅰ和光调制器Ⅱ，光调制器Ⅱ的输出端接入分波器；光发模块Ⅱ接入光调制器Ⅱ；滤波器Ⅲ的输出端接入电接口。

一种光纤时频传递中传输时延的补偿方法，根据远端站光电振荡器输出信号传输到中心站时光纤传输时延的大小，在中心站进行实时预补偿，中心站对远端站的光电振荡器进行注入锁定，将远端站光电振荡器输出同步于中心站的时频标源，具体为：

中心站中，光收模块Ⅰ收到远端站中光电振荡器的输出信号，经放大器Ⅰ放大后，与倍频器Ⅱ输出的时频标源的四倍频信号一起输入混频器Ⅰ进行混频；混频器Ⅰ的输出经滤波器Ⅰ滤波后，与倍频器Ⅰ输出的时频标源的二倍频信号一起输入混频器Ⅱ进行混频；混频器Ⅱ的输出经滤波器Ⅱ滤波后送光发模块Ⅰ；光发模块Ⅰ与光收模块Ⅰ连接到合波器（19）；

在远端站中，光调制器Ⅰ接收中心站光发模块Ⅰ（2）经合波器(19)、光纤、分波器（20）传输过来的的光信号，并依次经过光收模块Ⅱ、放大器Ⅱ、滤波器Ⅲ、移相器、功分器形成光电振荡器；光电振荡器通过功分器输出一路反馈信号并经光调制器Ⅱ回传至中心站；同时光电振荡器通过滤波器Ⅲ经电接口输出与中心站时频同步的信号。

与现有技术相比，本发明的显著优点是：（1）补偿器由常用的光纤通信器件和电子元器件构成，通过中心站对远端站光电振荡器进行注入锁定补偿，克服了时延不对称性、降低了对相位波动精确测量的要求；（2）整个系统实现了中心站和远端站或一个中心站和多个远端站之间时频信号长距离高精度传输；（3）拓宽了时频信号光纤传输的应用领域，加快了光纤时频基准网的产业化进程。

附图说明

图1是本发明光纤时频传递中传输时延的补偿器的系统框图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明光纤时频传递中传输时延的补偿器及方法，其工作机理为：上游站（时频中心站）对下游站（远端站）的光电振荡器进行远程注入锁定，远端站将误差累积反向传送给中心站，中心站采用相位延迟及波动调控算法进行补偿，从而将远端站光电振荡器的输出锁定到中心站。光纤的传输损耗小、信道稳定、温度系数较低以及通信信噪比高等优势为时频信号的传递提供了优良的物理通道，光电振荡器Q值比现有振荡器高出数量级，输出信号的短期稳定性好，通过中心站对光电振荡器进行远程注入锁定，从而改善光电振荡器长期稳定性，实现高精度的光纤时频传递。

结合图1，本发明光纤时频传递中传输时延的补偿器，包括通过光纤相连的中心站和远端站，所述中心站包括时频标源、倍频器Ⅰ8、倍频器Ⅱ9、滤波器Ⅰ6、混频器Ⅰ7、混频器Ⅱ3、滤波器Ⅱ1、光发模块Ⅰ2、合波器19、光收模块Ⅰ4和放大器Ⅰ5，所述远端站包括分波器20、光调制器Ⅰ10、光调制器Ⅱ12、光收模块Ⅱ11、放大器Ⅱ14、滤波器Ⅲ17、移相器16、功分器13、光发模块Ⅱ15和电接口18：

所述中心站中，时频标源分别连接倍频器Ⅰ8和倍频器Ⅱ9的输入端；倍频器Ⅰ8的输出端分别接入混频器Ⅱ3的一个输入端和滤波器Ⅰ6，滤波器Ⅰ6的输出端接入混频器Ⅱ3的另一个输入端；混频器Ⅱ3与滤波器Ⅱ1、光发模块Ⅰ2顺次连接后接入合波器19；合波器19的输出端顺次通过光收模块Ⅰ4、放大器Ⅰ5后接入混频器Ⅰ7的一个输入端，倍频器Ⅱ9的输出端接入混频器Ⅰ7的另一个输入端，混频器Ⅰ7的输出端接入滤波器Ⅰ6；合波器19与光纤相连；

所述远端站中，分波器20与光纤相连，分波器20的输出端接入光调制器Ⅰ10，光调制器Ⅰ10与光收模块Ⅱ11、放大器Ⅱ14、滤波器Ⅲ17、移相器16、功分器13顺次连接；功分器13的输出端分别接入光调制器Ⅰ10和光调制器Ⅱ12，光调制器Ⅱ12的输出端接入分波器20；光发模块Ⅱ15接入光调制器Ⅱ12；滤波器Ⅲ17的输出端接入电接口18。

本发明光纤时频传递中传输时延的补偿方法为，根据远端站光电振荡器输出信号传输到中心站时光纤传输时延的大小，在中心站进行实时预补偿，中心站对远端站的光电振荡器进行注入锁定，将远端站光电振荡器输出同步于中心站的时频标源，具体为：

中心站中，光收模块Ⅰ4收到远端站中光电振荡器的输出信号，经放大器Ⅰ5放大后，与倍频器Ⅱ9输出的时频标源的四倍频信号一起输入混频器Ⅰ7进行混频；混频器Ⅰ7的输出经滤波器Ⅰ6滤波后，与倍频器Ⅰ8输出的时频标源的二倍频信号一起输入混频器Ⅱ3进行混频；混频器Ⅱ3的输出经滤波器Ⅱ1滤波后送光发模块Ⅰ2；光发模块Ⅰ2与光收模块Ⅰ4连接到合波器19；

在远端站中，光调制器Ⅰ10接收中心站光发模块Ⅰ（2）经合波器(19)、光纤、分波器（20）传输过來的的光信号，并依次经过光收模块Ⅱ11、放大器Ⅱ14、滤波器Ⅲ17、移相器16、功分器13形成光电振荡器；光电振荡器通过功分器13输出一路反馈信号并经光调制器Ⅱ12回传至中心站；同时光电振荡器通过滤波器Ⅲ17经电接口18输出与中心站时频同步的信号。

实施例1

本发明光纤时频传递中传输时延的补偿器，由常用的光纤通信器件和电子元器件构成：

所述中心站中，滤波器Ⅱ1为中心频率与时频标源对应的窄带通电滤波器；光发模块Ⅰ2采用强度调制的DFB光源；混频器Ⅱ3将时频标源的二倍频信号与三倍频信号混频；光收模块Ⅰ4采用PIN光收组件；放大器Ⅰ5放大光收模块Ⅰ输出的信号；滤波器Ⅰ6采用中心频率为时频标源三倍频的窄带通电滤波器；混频器Ⅰ7将与时频标源对应频率信号与三倍频信号混频；倍频器Ⅰ8采用二倍频平衡混频器；倍频器Ⅱ9采用四倍频平衡混频器。

所述远端站中，光调制器Ⅰ10和光调制器Ⅱ12均采用MZM调制器；光收模块Ⅱ11采用PIN光收组件；功分器13采用1×2的功分器；放大器Ⅱ14采用RF放大器；光发模块Ⅱ15采用DFB激光源；移相器16采用电压控制的移相器；滤波器Ⅲ17为中心频率与时频标源对应的窄带通电滤波器；电接口18采用功率放大电路。

本发明光纤时频传递中传输时延的补偿方法可根据时间与频率信号在光纤中的传输时延以及环境因素，如温度、压力等引起的时延变化进行实时补偿，实现高精度时频信号的远距离光纤传递和网络化分配，消除了双向时延的不对称性，使传递精度不受系统的精度限制，配合光放大器能够进行长距离精确传递。

Claims (5)

1.一种光纤时频传递中传输时延的补偿器，其特征为，该补偿器包括中心站和远端站且二者通过光纤相连，所述中心站包括时频标源、倍频器Ⅰ（8）、倍频器Ⅱ（9）、滤波器Ⅰ（6）、混频器Ⅰ（7）、混频器Ⅱ（3）、滤波器Ⅱ（1）、光发模块Ⅰ（2）、合波器（19）、光收模块Ⅰ（4）和放大器Ⅰ（5），所述远端站包括分波器（20）、光调制器Ⅰ（10）、光调制器Ⅱ（12）、光收模块Ⅱ（11）、放大器Ⅱ（14）、滤波器Ⅲ（17）、移相器（16）、功分器（13）、光发模块Ⅱ（15）和电接口（18）：

所述中心站中，时频标源分别连接倍频器Ⅰ（8）和倍频器Ⅱ（9）的输入端；倍频器Ⅰ（8）的输出端接入混频器Ⅱ（3）的一个输入端，滤波器Ⅰ（6）的输出端接入混频器Ⅱ（3）的另一个输入端；混频器Ⅱ（3）与滤波器Ⅱ（1）、光发模块Ⅰ（2）顺次连接后接入合波器（19）；合波器（19）的输出端顺次通过光收模块Ⅰ（4）、放大器Ⅰ（5）后接入混频器Ⅰ（7）的一个输入端，倍频器Ⅱ（9）的输出端接入混频器Ⅰ（7）的另一个输入端，混频器Ⅰ（7）的输出端接入滤波器Ⅰ（6）；合波器（19）与光纤相连；

所述远端站中，分波器（20）与光纤相连，分波器（20）的输出端接入光调制器Ⅰ（10），光调制器Ⅰ（10）与光收模块Ⅱ（11）、放大器Ⅱ（14）、滤波器Ⅲ（17）、移相器（16）、功分器（13）顺次连接；功分器（13）的输出端分别接入光调制器Ⅰ（10）和光调制器Ⅱ（12），光调制器Ⅱ（12）的输出端接入分波器（20）；光发模块Ⅱ（15）接入光调制器Ⅱ（12）；滤波器Ⅲ（17）的输出端接入电接口（18）。

2.根据权利要求1所述光纤时频传递中传输时延的补偿器，其特征为，所述中心站中，滤波器Ⅱ（1）为中心频率与时频标源对应的窄带通电滤波器；光发模块Ⅰ（2）采用强度调制的DFB光源；光收模块Ⅰ（4）采用PIN光收组件；滤波器Ⅰ（6）采用中心频率为时频标源三倍频的窄带通电滤波器；倍频器Ⅰ（8）采用二倍频平衡混频器；倍频器Ⅱ（9）采用四倍频平衡混频器。

3.根据权利要求1所述光纤时频传递中传输时延的补偿器，其特征为，所述远端站中，光调制器Ⅰ（10）和光调制器Ⅱ（12）均采用MZM调制器；光收模块Ⅱ（11）采用PIN光收组件；功分器（13）采用1×2的功分器；放大器Ⅱ（14）采用RF放大器；光发模块Ⅱ（15）采用DFB激光源；移相器（16）采用电压控制的移相器；滤波器Ⅲ（17）为中心频率与时频标源对应的窄带通电滤波器；电接口（18）采用功率放大电路。

4.一种光纤时频传递中传输时延的补偿方法，其特征在于，根据远端站光电振荡器输出信号传输到中心站时光纤传输时延的大小，在中心站进行实时预补偿，中心站对远端站的光电振荡器进行注入锁定，将远端站光电振荡器输出同步于中心站的时频标源，具体为：

中心站中，光收模块Ⅰ（4）收到远端站中光电振荡器的输出信号，经放大器Ⅰ（5）放大后，与倍频器Ⅱ（9）输出的时频标源的四倍频信号一起输入混频器Ⅰ（7）进行混频；混频器Ⅰ（7）的输出经滤波器Ⅰ（6）滤波后，与倍频器Ⅰ（8）输出的时频标源的二倍频信号一起输入混频器Ⅱ（3）进行混频；混频器Ⅱ（3）的输出经滤波器Ⅱ（1）滤波后送光发模块Ⅰ（2）；光发模块Ⅰ（2）与光收模块Ⅰ（4）连接到合波器（19）；

在远端站中，光调制器Ⅰ（10）接收中心站光发模块Ⅰ（2）经合波器(19)、光纤、分波器（20）传输过来的光信号，并依次经过光收模块Ⅱ（11）、放大器Ⅱ（14）、滤波器Ⅲ（17）、移相器（16）、功分器（13）形成光电振荡器；光电振荡器通过功分器（13）输出一路反馈信号并经光调制器Ⅱ（12）回传至中心站；同时光电振荡器通过滤波器Ⅲ（17）经电接口（18）输出与中心站时频同步的信号。

5.根据权利要求4所述的光纤时频传递中传输时延的补偿方法，其特征在于，所述光纤采用同缆单光纤双波长传输。