CN104954093A - 一种基于光纤的高精度远程时间传递系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于光纤的高精度远程时间传递系统及方法，该装置包括：频率信号传输单元通过传输光纤链路单元实现主、从站互相发送频率信号，光纤双向比对单元将时间信号的任意位置锁定到所述频率信号的任意位置，在主站和从站同时基于频率信号产生1PPS时间信号，并对主、从站进行光纤双向时间比对，分别得到主、从站产生的1PPS时间信号的时差，数据传输单元实现主站向从站传输主站产生的1PPS时间信号的时差数据，计算主、从站时钟差，并根据主、从站时钟差调整从站时间信号。本发明所述技术方案有效地控制了小于单频信号周期的时间信号比对误差，将1PPS时间信号的传输精度提高到亚皮秒量级，可用来进行高精度时间同步。

Description

一种基于光纤的高精度远程时间传递系统及方法

技术领域

本发明涉及时间同步。更具体地，涉及一种基于光纤的高精度远程时间传递系统及方法。

背景技术

目前比较著名的高精度时间与频率统一系统主要是天基系统，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。而要构建时频体系，基于光网络的高精度时间频率网络也是重要组成部分。基于光网络的高精度时间频率网络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，实现空地一体化。与天基时频系统相比较而言，光纤信道具有传输质量可靠、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，利用光纤进行更高精度的时间和频率传递成为趋势。

目前利用光纤进行时间同步的方法主要包括双向时间比对法和前置补偿法。在双向比对法中，将主站和从站的电时钟信号通过电光调制器调制到光频上向对方站点传输，之后利用光电探测器分别解调出对方站点的电时钟信号，通过两地时间间隔计数器的示数获得两站钟差。前置补偿法根据站点定时的时间信号的不同，主要有传输调制到光域的电秒脉冲信号和传输飞秒激光脉冲信号两类。该方法通过将主站时钟信号传输到从站再回传的方案，利用环路的时间抖动估计出单向的时间抖动在主站进行补偿，进而实现两站间的时间同步。由于存在双向时延非对称等因素，需要光电转换的同步技术同步精度在50ps左右；基于飞秒激光脉冲的时间同步技术精度可以达到亚皮秒量级，但需要研究飞秒激光脉冲在光纤信道中的各种效应，技术复杂度和难度较高。

因此，需要提供一种基于光纤的高精度远程时间传递系统及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光纤的高精度远程时间传递系统及方法，解决现有的基于光纤网络的时间同步技术存在双向时延非对称等因素，难以实现高精度时间信号的传递，以及实现时间信号自动动态补偿的电路较复杂等问题。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于光纤的高精度远程时间传递系统，该装置包括：

频率信号传输单元、光纤双向比对单元、数据传输单元和传输光纤链路单元，

频率信号传输单元通过传输光纤链路单元实现主、从站互相发送频率信号，

光纤双向比对单元将时间信号的任意位置锁定到所述频率信号的任意位置，在主站和从站同时基于频率信号产生1PPS时间信号，并对主、从站进行光纤双向时间比对，分别得到主、从站产生的1PPS时间信号的时差，

数据传输单元实现主站向从站传输主站产生的1PPS时间信号的时差数据，计算主、从站时钟差，并根据主、从站时钟差调整从站时间信号。

优选地，传输光纤链路单元包括与传输光纤连接的光波分复用模块。

优选地，传输光纤链路单元还包括：在光波分复用模块与传输光纤之间的，与光波分复用模块连接的色散补偿模块、与色散补偿模块连接的衰减补偿模块，衰减补偿模块另一端连接传输光纤。

优选地，频率信号传输单元包括：

第一主站光发射模块、第一主站光调制模块、第一主站光接收解调模块、第一从站光发射模块、第一从站光调制模块、第一从站光接收解调模块、反馈补偿电路，

在主站中，第一主站光发射模块的输出端、反馈补偿电路输出端一一对应连接第一主站光调制模块的光、电的输入端，第一主站光调制模块的输出端连接传输光纤链路单元，第一主站光接收解调模块的输出端连接反馈补偿电路的输入端；

在从站中，第一从站光接收解调模块的输入端连接传输光纤链路单元，第一从站光接收解调模块的输出端的输出信号分成两路，一路提供给用户，另一路接入第一从站光调制模块的电输入端，第一从站光发射模块的输出端连接第一从站光调制模块的光输入端；

第一主站光发射模块、第一从站光发射模块的工作波长相近但不相同；

反馈补偿电路连接参考频率源，参考频率源锁定到原子钟上。

优选地，光纤双向比对单元包括：

第二主站光发射模块、第二主站光调制模块、第二主站光接收解调模块、主站1PPS产生装置、主站时间间隔计数器、第二从站光发射模块、第二从站光调制模块、第二从站光接收解调模块、从站1PPS产生装置、从站时间间隔计数器；

在主站中，第二主站光发射模块的输出端、主站1PPS产生装置的一个输出端一一对应连接第二主站光调制模块的光、电的输入端，主站1PPS产生装置的另一个输出端、主站光接收解调模块的输出端一一对应连接主站时间间隔计数器的两个输入端，第二主站光调制模块的输出端和第二主站光接收解调模块的输入端分别连接传输光纤链路单元；

在从站中，第二从站光发射模块的输出端、从站1PPS产生装置的一个输出端一一对应连接第二从站光调制模块的光、电的输入端，从站1PPS产生装置的另一个输出端、从站光接收解调模块的输出端一一对应连接从站时间间隔计数器的两个输入端，第二从站光调制模块的输出端和第二从站光接收解调模块的输入端连接传输光纤链路单元；

第二主站光发射模块、第二从站光发射模块、第一主站光发射模块、第一从站光发射模块的工作波长相近但不相同。

优选地，数据传输单元包括：

第三主站光发射模块、第三主站光调制模块、第三从站光接收解调模块、从站数据处理模块，

在主站中，第三主站光发射模块的输出端、主站时间间隔计数器的输出端一一对应连接第三主站光调制模块的光、电的输入端，第三主站光调制模块的输出端连接传输光纤链路单元；

在从站中，第三从站光接收解调模块的输入端连接传输光纤链路单元，第三从站光接收解调模块的输出端和从站时间间隔计数器的输出端一一对应连接从站数据处理模块的两个输入端；

第三主站光发射模块与第一主站光发射模块、第一从站光发射模块、第二主站光发射模块、第二从站光发射模块的工作波长相近但不相同。

一种基于上述系统的基于光纤的高精度远程时间传递方法，该方法包括如下步骤：

步骤1、主、从站利用频率信号传输单元通过传输光纤链路单元向对方发送频率信号；

步骤2、利用光纤双向比对单元将时间信号的任意位置锁定到前述频率信号的任意位置，在主站和从站同时基于频率信号产生1PPS时间信号；

步骤3、利用光纤双向比对单元对主、从站进行光纤双向时间比对，分别得到主、从站产生的1PPS时间信号的时差；

步骤4、利用主站通过数据传输单元向从站传输测量数据，利用从站计算主、从站时钟差，并根据主、从站时钟差调整从站产生的1PPS时间信号。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案利用光纤信道传输单频信号的超高稳定性，有效地控制了小于单频信号周期的时间信号比对误差，将1PPS时间信号的传输精度提高了几个量级，达到亚皮秒量级，可用来进行高精度时间同步。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出基于光纤的高精度远程时间传递系统示意图。

图2示出基于光纤的高精度远程时间传递方法流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

本实施例提供的基于光纤的高精度远程时间传递系统中，基于光纤的高精度频率信号传输单元实现主站频率信号向从站的高精度传输，主站频率信号产生设备连接有原子钟；光纤双向比对单元将时间信号的任意位置(上升沿中点或某一位置，下降沿也可)锁定到频率信号由负到正过零点位置(或其它位置)，在主站和从站同时使用上述频率信号产生1PPS时间信号，在同一条光纤链路上实现上述1PPS时间信号的双向比对；数据传输单元使用同一条光纤链路将主站时间间隔计数器读数向从站传输，使从站精确得知两地1PPS信号时钟差，最终实现主站与从站的高精度时间传递。

如图1所示，本实施例提供的基于光纤的高精度远程时间传递系统，包括：

传输光纤链路单元、基于光纤的高精度频率信号传输单元、光纤双向比对单元和数据传输单元，

其中，

传输光纤链路单元包括与传输光纤连接的光波分复用模块1，可选包括在光波分复用模块1与传输光纤之间的：与光波分复用模块1连接的色散补偿模块2、与色散补偿模块2连接的衰减补偿模块3，衰减补偿模块3另一端连接传输光纤；

基于光纤的高精度频率信号传输单元包括：第一主站光发射模块4、第一主站光调制模块5、第一主站光接收解调模块6、第一从站光发射模块7、第一从站光调制模块8、第一从站光接收解调模块9、反馈补偿电路10；

光纤双向比对单元包括：第二主站光发射模块11、第二主站光调制模块12、第二主站光接收解调模块13、主站1PPS产生装置14、主站时间间隔计数器15、第二从站光发射模块16、第二从站光调制模块17、第二从站光接收解调模块18、从站1PPS产生装置19、从站时间间隔计数器20；

数据传输单元包括：第三主站光发射模块21、第三主站光调制模块22、第三从站光接收解调模块23、从站数据处理模块24；

基于光纤的高精度频率信号传输单元中：

在主站中，第一主站光发射模块4的输出端、反馈补偿电路10输出端一一对应连接第一主站光调制模块5的光、电的输入端，第一主站光调制模块5的输出端连接传输光纤链路单元，第一主站光接收解调模块6的输出端连接反馈补偿电路10的输入端；

在从站中，第一从站光接收解调模块9的输入端连接传输光纤链路单元，第一从站光接收解调模块9的输出端的输出信号分成两路，一路提供给用户，另一路接入第一从站光调制模块8的电输入端，第一从站光发射模块7的输出端连接第一从站光调制模块8的光输入端；

第一主站光发射模块4、第一从站光发射模块7的工作波长相近但不相同，以实现单纤双向传输，工作波长相近的意思为工作波长属于同一波段；

反馈补偿电路10连接参考频率源，参考频率源锁定到原子钟上；反馈补偿电路10的功能为：探测到传输光纤链路中的噪声，并通过控制压控振荡器或者光纤延时线等进行补偿。

光纤双向比对单元中：

在主站中，第二主站光发射模块11的输出端、主站1PPS产生装置14的一个输出端一一对应连接第二主站光调制模块12的光、电的输入端，主站1PPS产生装置14的另一个输出端、主站光接收解调模块13的输出端一一对应连接主站时间间隔计数器15的两个输入端，第二主站光调制模块12的输出端和第二主站光接收解调模块13的输入端分别连接传输光纤链路单元；

在从站中，第二从站光发射模块16的输出端、从站1PPS产生装置19的一个输出端一一对应连接第二从站光调制模块16的光、电的输入端，从站1PPS产生装置19的另一个输出端、从站光接收解调模块18的输出端一一对应连接从站时间间隔计数器20的两个输入端，第二从站光调制模块17的输出端和第二从站光接收解调模块18的输入端连接传输光纤链路单元；

第二主站光发射模块11、第二从站光发射模块16、第一主站光发射模块4、第一从站光发射模块7的工作波长相近但不相同，工作波长相近的意思为工作波长属于同一波段。

光纤双向比对单元的工作流程为：

光纤双向比对单元将时间信号的任意位置(上升沿中点或某一位置，下降沿也可)锁定到频率信号由负到正过零点位置(或其它位置)，在主站和从站同时使用前述频率信号产生1PPS时间信号。

主、从站的1PPS时间信号的时间间隔为ΔT，则ΔT＝ΔT₂-ΔT₁+Nt+δt，其中ΔT₁和ΔT₂分别为主、从站利用频率信号产生时间信号的装置的时延，N为某一正整数，t为频率信号的周期，δt为频率信号经过传输之后相对传输前由负到正过零点的时间抖动。主、从站的1PPS时间信号的时间间隔取值被离散化。

利用光波分复用技术在同一条光纤链路中实现上述1PPS时间信号的双向比对。

数据传输单元中：

在主站中，第三主站光发射模块21的输出端、主站时间间隔计数器15的输出端一一对应连接第三主站光调制模块22的光、电的输入端，第三主站光调制模块22的输出端连接传输光纤链路单元；

在从站中，第三从站光接收解调模块23的输入端连接传输光纤链路单元，第三从站光接收解调模块23的输出端和从站时间间隔计数器20的输出端一一对应连接从站数据处理模块24的两个输入端；

第三主站光发射模块21与第一主站光发射模块4、第一从站光发射模块7、第二主站光发射模块11、第二从站光发射模块16的工作波长相近但不相同，工作波长相近的意思为工作波长属于同一波段。

数据传输单元利用光波分复用技术实现在同一条光纤链路上将主站时间间隔计数器15的测量数据——主站产生的1PPS时间信号的时差向从站传输，其具体工作流程为：

在光纤双向比对单元对主、从站进行光纤双向时间比对之后，从站数据处理模块24根据主、从站时间间隔计数器的钟差读数A计算主、从站时钟差ΔT，

ΔT＝A-Δ₁-Δ₂，

其中Δ₁为由双向时延非对称等因素引起的随机的误差，Δ₂为由1PPS信号上升沿有一定宽度等因素导致的固定误差。

可知A-Δ₁-Δ₂＝ΔT₂-ΔT₁+Nt+δt。

基于光纤的高精度频率信号传输装置可使得δt远小于t，主、从站光纤双向时间比对单元可使得ΔT₂-ΔT₁+Δ₁+Δ₂小于t/2，于是可由A确定N的取值，也就确定了主、从站时钟差ΔT，主、从站时钟差ΔT的误差为δt。

根据主、从站时钟差ΔT调整从站1PPS产生装置19产生的1PPS时间信号，以确保从站能够获得准确的与主站高度同步的1PPS时间信号。

进一步的，本实施例提供的系统通过短时间内多次由主站向从站发送数据及从站进行数据处理，来确保从站能够获得准确的与主站高度同步的1PPS时间信号。也可利用光波分复用技术将从站时间间隔计数器的测量数据向主站传输。

进一步的，本实施例提供的系统可拓展至多个从站，将主站和两个及以上从站连接成星型网，主站和各个从站分别连接，实现各个站之间的高精度远程时间传递。

如图2所示，本实施例提供的基于上述系统的基于光纤的高精度远程时间传递方法，包括如下步骤：

步骤1、主、从站利用基于光纤的高精度频率信号传输单元通过传输光纤链路单元向对方发送频率信号；

步骤2、利用光纤双向比对单元将时间信号的任意位置(上升沿中点或某一位置，下降沿也可)锁定到前述频率信号的任意位置(由负到正过零点位置或其它位置)，在主站和从站同时基于频率信号产生1PPS时间信号，

主、从站的1PPS时间信号上升沿时间间隔为ΔT，则ΔT＝ΔT₂-ΔT₁+Nt+δt，其中ΔT₁和ΔT₂分别为主、从站利用频率信号产生时间信号的装置的时延，N为某一正整数，t为频率信号的周期，δt为频率信号经过传输之后相对传输前由负到正过零点的时间抖动。主从站的1PPS时间信号的时间间隔取值被离散化；

步骤3、利用光纤双向比对单元对主、从站进行光纤双向时间比对，分别得到主、从站产生的1PPS时间信号的时差，

利用光波分复用技术在同一条光纤链路中实现上述1PPS时间信号的双向比对。

步骤4、利用主站通过数据传输单元向从站传输测量数据，利用从站计算主、从站时钟差，并根据主、从站时钟差调整从站时间信号：

利用光波分复用技术实现在同一条光纤链路上将主站时间间隔计数器15的测量数据向从站传输。

在主、从站进行光纤双向时间比对之后，根据主、从站时间间隔计数器的钟差读数A计算主、从站时钟差ΔT，

ΔT＝A-Δ₁-Δ₂，

其中Δ₁为由双向时延非对称等因素引起的随机的误差，Δ₂为由1PPS信号(上升沿)有一定宽度等因素导致的固定误差。

可知A-Δ₁-Δ₂＝ΔT₂-ΔT₁+Nt+δt。

基于光纤的高精度频率信号传输单元可使得δt远小于t，主从站光纤双向时间比对装置可使得ΔT₂-ΔT₁+Δ₁+Δ₂小于t/2，于是可由A确定N的取值，也就确定了主、从站时钟差ΔT，误差为δt。

根据主、从站时钟差ΔT调整从站产生的1PPS时间信号，以确保从站能够获得准确的与主站高度同步的1PPS时间信号。

进一步的，本实施例提供的方法通过短时间内多次由主站向从站发送数据及从站进行数据处理，来确保从站能够获得准确的与主站高度同步的1PPS。也可利用光波分复用技术将从站时间间隔计数器的测量数据向主站传输。

进一步的，本实施例提供的方法可将主站和两个及以上从站连接成星型网，主站和各个从站分别连接，实现各个站之间的高精度远程时间传递。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (7)

1.一种基于光纤的高精度远程时间传递系统，其特征在于，该装置包括：

传输光纤链路单元、频率信号传输单元、光纤双向比对单元和数据传输单元，

频率信号传输单元通过传输光纤链路单元实现主、从站互相发送频率信号，

光纤双向比对单元将时间信号的任意位置锁定到所述频率信号的任意位置，在主站和从站同时基于频率信号产生1PPS时间信号，并对主、从站进行光纤双向时间比对，分别得到主、从站产生的1PPS时间信号的时差，

数据传输单元实现主站向从站传输主站产生的1PPS时间信号的时差数据，计算主、从站时钟差，并根据主、从站时钟差调整从站时间信号。

2.根据权利要求1所述的高精度远程时间传递系统，其特征在于，所述传输光纤链路单元包括与传输光纤连接的光波分复用模块。

3.根据权利要求2所述的高精度远程时间传递系统，其特征在于，所述传输光纤链路单元还包括：在光波分复用模块与传输光纤之间的，与光波分复用模块连接的色散补偿模块、与色散补偿模块连接的衰减补偿模块，衰减补偿模块另一端连接传输光纤。

4.根据权利要求2所述的高精度远程时间传递系统，其特征在于，所述频率信号传输单元包括：

第一主站光发射模块、第一主站光调制模块、第一主站光接收解调模块、第一从站光发射模块、第一从站光调制模块、第一从站光接收解调模块、反馈补偿电路，

在主站中，第一主站光发射模块的输出端、反馈补偿电路输出端一一对应连接第一主站光调制模块的光、电的输入端，第一主站光调制模块的输出端连接传输光纤链路单元，第一主站光接收解调模块的输出端连接反馈补偿电路的输入端；

在从站中，第一从站光接收解调模块的输入端连接传输光纤链路单元，第一从站光接收解调模块的输出端的输出信号分成两路，一路提供给用户，另一路接入第一从站光调制模块的电输入端，第一从站光发射模块的输出端连接第一从站光调制模块的光输入端；

第一主站光发射模块、第一从站光发射模块的工作波长相近但不相同；

反馈补偿电路连接参考频率源，参考频率源锁定到原子钟上。

5.根据权利要求4所述的高精度远程时间传递系统，其特征在于，光纤双向比对单元包括：

第二主站光发射模块、第二主站光调制模块、第二主站光接收解调模块、主站1PPS产生装置、主站时间间隔计数器、第二从站光发射模块、第二从站光调制模块、第二从站光接收解调模块、从站1PPS产生装置、从站时间间隔计数器；

在主站中，第二主站光发射模块的输出端、主站1PPS产生装置的一个输出端一一对应连接第二主站光调制模块的光、电的输入端，主站1PPS产生装置的另一个输出端、主站光接收解调模块的输出端一一对应连接主站时间间隔计数器的两个输入端，第二主站光调制模块的输出端和第二主站光接收解调模块的输入端分别连接传输光纤链路单元；

在从站中，第二从站光发射模块的输出端、从站1PPS产生装置的一个输出端一一对应连接第二从站光调制模块的光、电的输入端，从站1PPS产生装置的另一个输出端、从站光接收解调模块的输出端一一对应连接从站时间间隔计数器的两个输入端，第二从站光调制模块的输出端和第二从站光接收解调模块的输入端连接传输光纤链路单元；

第二主站光发射模块、第二从站光发射模块、第一主站光发射模块、第一从站光发射模块的工作波长相近但不相同。

6.根据权利要求5所述的高精度远程时间传递系统，其特征在于，数据传输单元包括：

第三主站光发射模块、第三主站光调制模块、第三从站光接收解调模块、从站数据处理模块，

在主站中，第三主站光发射模块的输出端、主站时间间隔计数器的输出端一一对应连接第三主站光调制模块的光、电的输入端，第三主站光调制模块的输出端连接传输光纤链路单元；

在从站中，第三从站光接收解调模块的输入端连接传输光纤链路单元，第三从站光接收解调模块的输出端和从站时间间隔计数器的输出端一一对应连接从站数据处理模块的两个输入端；

第三主站光发射模块与第一主站光发射模块、第一从站光发射模块、第二主站光发射模块、第二从站光发射模块的工作波长相近但不相同。

7.一种基于权利要求1所述系统的基于光纤的高精度远程时间传递方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1、主、从站利用频率信号传输单元通过传输光纤链路单元向对方发送频率信号；

步骤2、利用光纤双向比对单元将时间信号的任意位置锁定到前述频率信号的任意位置，在主站和从站同时基于频率信号产生1PPS时间信号；

步骤3、利用光纤双向比对单元对主、从站进行光纤双向时间比对，分别得到主、从站产生的1PPS时间信号的时差；

步骤4、利用主站通过数据传输单元向从站传输主站产生的1PPS时间信号的时差，利用从站计算主、从站时钟差，并根据主、从站时钟差调整从站产生的1PPS时间信号。