CN109039469A - 时频标准信号融合传输系统及传输方法 - Google Patents

时频标准信号融合传输系统及传输方法 Download PDF

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Abstract

一种时频标准信号融合传输系统及传输方法，该系统通过本地端的补偿模块一、补偿模块二和通信信号发射机，补偿了光频信号、射频信号及时间信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声，并将计算出的链路时延经信号与通信数据一起发送至远地端；通过远地端的光频和射频参考信号输出模块、时间信号输出模块和通信信号接收机，实现了光频标准信号的光谱净化、射频标准信号的频谱净化以及时间信号的时延校准，使得用户可以同时得到高质量的光学频率标准信号、射频频率标准信号、时间信号以及通信数据信号。本发明的技术方案解决了多种信号同时传输时相互串扰，探测信噪比低的问题，大大提高了多种标准信号传输的传输距离和传递精度。

Description

时频标准信号融合传输系统及传输方法
技术领域
本发明涉及时频标准信号传输技术领域，特别涉及一种光频频率标准、射频频率标准、时间信号及数据信号融合传输系统及方法。
背景技术
高精确度和准确度的时频标准是精准守时授时、精密导航定位、雷达组网、深空探测、移动通信等重大基础设施建设和前沿科学研究中的共性基础问题和核心关键技术之一。
这些时频标准在射频频率域内有铷或铯原子喷泉钟，经过近几年的不断发展其频率的不确定度已经达到10-16量级。在光频频率领域，有望成为新一代时频标准的晶格钟和单离子钟等光学原子钟的频率稳定性和不确定度都已达到10-18量级。
为了使得更多的高校、研究所、导航站、通信站点等单位可以使用到上述时频标准，发明一种可以将射频域和光频域时频标准信号“打包”，并且高精度传递到远端用户的技术是十分必要的。
在先技术一：Chen W,Liu Q,Cheng N,et al.Joint time and frequencydissemination network over delay-stabilized fiber optic links[J].IEEEPhotonics Journal,2015,7(3):1-9，基于双波长强度调制和直接探测方案同时传递射频参考信号和1pps时间信号。其使用温控延时线和pzt延时线对射频频率参考信号和时间信号1pps信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声进行补偿。因为延时线的补偿带宽较小，无法对光频相位进行补偿，所以无法同时传递光频频率参考信号。
在先技术二：Marra G,Margolis H S,Richardson D J.Dissemination of anoptical frequency comb over fiber with 3×10-18 fractional accuracy[J].OpticsExpress,2012,20(2):1775-1782，提出了通过传输飞秒光频梳来实现光频频率参考和射频频率参考同时传递的方案。但是使用光梳进行时频标准信号传递有以下问题：1)需要使用锁模激光器，成本较高；2)需要调节光纤的延时使得本地脉冲链和返回脉冲链适当的重合；3)需要对色散进行严格的控制；4)远地端没有进行光谱净化；5)无法同时传递1pps时间参考信号。
如上所述，已有的基于强度调制和直接探测的传递方案与基于飞秒光频梳的传递方案都存在一些缺陷使得射频域和光频域的时频标准信号无法同时融合传递到远端用户。因此，有必提出一种新的时频标准信号融合传输系统和传输方法，以解决上述传递技术中存在的问题并且真正实现光频频率标准、射频频率标准和1pps时间信号的高精度融合传输。
发明内容
本发明正是为了克服现有技术的不足而提出一种时频标准信号融合传输系统及传输方法。
本发明的技术解决方案：
一种时频标准信号融合传输系统，其特点在于，包括：
补偿模块二，用于产生射频传递信号和链路时延信号，同时补偿射频标准信号和时间信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声，并且将时间信号调制到光信号λ2上以通过光纤传输；
补偿模块一，用于将射频传递信号调制到光频标准信号λ1上，并补偿光频标准信号λ1在光纤链路中传输时引入的相位噪声；
通信信号发射机，将链路时延信号和数据信号进行编码后调制到光信号λ3上以通过光纤传输；
信号融合单元，将补偿模块一输出的光信号λ1、补偿模块二输出的光信号λ2和通信信号发射机输出的光信号λ3融合到一起以通过光纤链路进行传输，同时接收从远地端返回的光信号λ1和λ2，并将其分别输出给补偿模块一和补偿模块二；
第二波分复用器，将传递到远地端的光信号λ1输出至光频和射频参考信号输出模块，光信号λ2输出至时间信号输出模块，光信号λ3输出至通信信号接收机；
光频和射频标准信号输出模块，分离光频标准信号和射频标准信号，对光频标准信号进行光谱净化，对射频标准信号进行频谱净化，并将光频标准信号和射频标准信号分别输出给用户使用；
时间信号输出模块，通过接收到的链路时延信号对输出的时间信号进行校准；
通信信号接收机，接收并解调传递过来的数据信号和链路时延信号；
所述的补偿模块一包括：
第一电光调制器，其将射频传递信号调制到光频标准信号上并将经过调制的光频标准信号输出给第一光耦合器；
第一光耦合器，其将接收到的经调制的光频标准信号分为两路，一路作为参考信号输入第二光耦合器，另一路输入第一光环形器的第1端口；
第一光环形器，其第2端口输出经调制后的光频标准信号给第一声光调制器，接收从第一声光调制器输入的经光纤链路往返传输的光频标准信号并从其第3端口输出给第二光耦合器；
第二光耦合器，其将第一光耦合器输入的光频标准信号和第一光环形器第3端口输出的光频标准信号合束，并输出至第一探测器；
第一探测器，通过光电转换将输入光信号的拍频信号探测出来输出给第一锁相再生电路；
第一锁相再生电路，其产生相位锁定于输入射频信号的射频信号，并输出给第一鉴相器；
第一鉴相器，其将第一锁相再生电路输入的射频信号和鉴相参考信号进行比相，并将产生的相位误差信号输入第一PID电路；
第一PID电路，其接收相位误差信号进行PID算法运算后产生反馈补偿信号，输出给压控振荡器；
压控振荡器，其将电压信号转换成频率波动输出给第一声光调制器；
第一声光调制器，其接收第一光环形器的第2端口输出的光频标准信号和压控振荡器输出的频率波动，并进行调制，以补偿其在光纤链路中传递时引入的相位噪声。
所述的补偿模块二包括：
第一锁相倍频电路，其产生相位锁定于射频标准信号的射频信号，并分别输出给第二鉴相器和第三鉴相器；
第二锁相倍频电路，其产生射频传递信号并输出给第二鉴相器、锁相分频脉冲电路和补偿模块一中的第一电光调制器；
第二鉴相器，其接收第一锁相倍频电路和第二锁相倍频电路输入的射频信号，并将产生相位误差信号输出给DSP信号处理电路；
第二探测器，通过光电转换解调出返回光信号中的传输射频信号，并输出给第三鉴相器；
第三鉴相器，其接收第一锁相倍频电路和第二探测器输入的射频信号，并将产生相位误差信号输出给DSP信号处理电路；
DSP信号处理电路，其输出控制信号给第二锁相倍频电路，使得其产生的射频传输信号的相位锁定在射频标准信号上，并且该射频传输信号包含用于补偿其在光纤链路中传输时引入的相位噪声的反馈信号；
锁相分频脉冲电路，将射频传递信号分频为时间信号，并输出给脉冲分配放大电路和第一时延计数电路；
第一时延计数电路，用于比较输入的作为参考的1pps时间信号和锁相分频脉冲电路产生的时间信号的时延差，并输出给第一时延控制器；
脉冲分配放大电路，将输入的时间信号分配为多路并放大输出给第一时延控制器和第二时延计数电路；
第一时延控制器，根据第一时延计数电路输入的时延差对脉冲分配放大电路输入的时间信号进行时延控制，使得时间信号和作为参考的1pps时间信号同步，并将该时间信号调制到激光器上；
激光器，将所述的第一时延控制器输出的时间信号调制到光信号λ2上并输出给信号融合单元；
第三探测器，通过光电转换解调出返回光信号上的时间信号并输出给第二时延计数电路；
第二时延计数电路，通过比较脉冲分配放大电路输入的时间信号和第三探测器输入的时间信号的时延差，得到链路时延信号，并将此链路时延信号输出给通信信号发射机。
所述的通信信号发射机包括：
第一DSP控制电路，将接收到的链路时延信号进行平均得到高精度的链路时延信号，并与数据信号混合编码输出给光猫；
光猫，将所述的混合编码信号调制到光信号λ3上输出给信号融合单元。
所述的信号融合单元包括：
第二光耦合器，将接收到的补偿模块一的光信号λ1传递给第一波分复用器，并将第一波分复用器输出的返回光信号λ1分为两路，分别输入给补偿模块一和补偿模块二；
第三光耦合器，将接收到的补偿模块二的光信号λ2传递给第一波分复用器，并将第一波分复用器输出的返回光λ2传递给补偿模块二；
第一波分复用器，将接收到本地端的三种波长光信号λ1、λ2和λ3融合进一根光纤，并将接收到的远地端的光信号λ1输入第二光耦合器，光信号λ2输入第三光耦合器。
所述的光频和射频标准信号输出模块包括：
任意频率发生电路，其输出的射频信号相位锁定于输入的射频参考信号，该任意频率发生电路输出射频信号给第二声光调制器的射频调制端口；
第二声光调制器，其将第二波分复用器输入的光信号进行固定移频后输出给第四光耦合器，该第四光耦合器将从第二声光调制器输入的光信号分为两路，第一路输入第二光环形器的第1端口，第二路输入第一光放大器，经该第一光放大器放大后输入第五光耦合器，经第五光耦合器分为两路，第一路输出给第五探测器，第二路输出给第一法拉第旋镜，经第一法拉第旋镜反射后的光信号原路返回，依次经第五光耦合器、第一光放大器和第四光耦合器后输入第二声光调制器，经过再次固定移频后输出给第二波分复用器；
第五探测器，接收第五光耦合器输入的光信号，通过光电转换解调出射频传递信号，并输出给锁相分频电路；
锁相分频电路，产生的射频信号相位锁定于输入的射频传递信号，输出给用户使用，该射频信号频率可根据用户的需求定制；
第二光环形器，将第1端口输入的光信号通过第2端口注入到从激光器中，从激光器的输出再从第2端口输入第二光环形器，并从该第二光环形器的第3端口输出给第六光耦合器；
第六光耦合器，将输入光信号分为两路，一路作为光频标准信号输出，一路输出给第四探测器；
第四探测器，通过光电转换解调出射频信号输出给第四鉴相器；
第四鉴相器，将从第四探测器输入的射频信号和鉴相参考信号进行比相，输出相位误差信号给第二PID电路；
第二PID电路，将第四鉴相器输入的相位误差信号进行PID运算后输出反馈控制信号给从激光器；
从激光器，接收第二PID电路输入的控制信号使得其输出光信号的相位锁定于从第二光环形器第2端口输入光信号的相位。
所述的时间信号输出模块包括：
第二光放大器，将从第二波分复用器输入的光信号进行放大后输出给第七光耦合器，并将从第七光耦合器输入的光信号放大后输出给第二波分复用器；
第七光耦合器，其将输入光信号分为两路，一路输出给第六光电探测器，一路输出给第二法拉第旋镜，并将从第二法拉第旋镜反射回的光信号输出给第二光放大器；
第六探测器，通过光电转换解调出时间信号输出给脉冲分频电路；
脉冲分频电路，将第六探测器输入的时间信号分频为1pps时间信号输出给第二时延控制器；
第二时延控制器，通过输入的链路时延信号对输入的1pps时间信号进行校准并输出给用户使用。
所述的通信信号接收机包括：
第七探测器，通过光电转换解调出混合编码信号输出给第二DSP控制电路；
第二DSP控制电路，将混合编码信号译码后分别输出链路时延信号给时间信号输出模块，输出数据信号给用户。
一种时频标准信号融合传输方法，该方法包括：
接收光频标准信号，射频标准信号及1pps时间信号作为基准；
将光频射频标准信号、时间信号和数据信号通过信号融合单元融合后通过光纤传输；
通过补偿模块一补偿光频标准信号在光纤链路中传输引入的相位噪声，通过补偿模块二补偿射频标准信号和时间信号在光纤链路中传输引入的相位噪声；
在远地端通过光频和射频标准信号输出模块分离光频标准和射频标准信号，并对光频标准信号进行光谱净化，对射频标准信号进行频谱净化；
时间信号输出模块接收通信信号接收机输入的链路时延信号对时间信号进行校准；
系统输出高精度的光频标准信号、射频标准信号和1pps时间信号。
所述的通过补偿模块二补偿射频标准信号和时间信号在光纤链路中传输引入的相位噪声，具体步骤如下：
生成一个相位锁定于射频标准信号的射频传输信号，并在此射频传输信号上加载用于补偿射频传输信号在光纤链路中传输引入相位噪声的反馈补偿信号；
基于所述射频传递信号，锁相分频生成时间信号，并将此时间信号与作为参考的1pps时间信号进行同步；
所述的在远地端通过光频和射频标准信号输出模块分离光频标准和射频标准信号，并对光频标准信号进行光谱净化，对射频标准信号进行频谱净化，具体步骤如下：
在远地端将接收到的光信号分为两路，一路经过光放大器、光电探测器和锁相分频电路后输出经过频谱净化的射频标准信号；
另一路经过由光环形器、光耦合器、光电探测器、鉴相器、PID电路和从激光器构成的光注入锁相环后输出经过光谱净化的光频标准信号；
优选的，在本地端补偿射频标准信号和时间信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声是这样实现的：生成一个相位锁定于射频标准信号的射频传输信号，并在此射频传输信号上加载用于补偿射频传输信号在光纤链路中传输引入相位噪声的反馈补偿信号；基于所述射频传递信号，锁相分频生成高频时间信号，并将此时间信号与本地的作为参考的1pps时间信号进行同步；
优选的，在远地端输出射频标准信号和光频标准信号是这样实现的：将远地端接收到的光信号分为两路，一路经过光放大器、光电探测器后解调出稳定的射频传输信号，再经过锁相分频电路进行降频和频谱净化后输出高稳定度和低相位噪声的射频标准信号；另一路经过由光环形器、光耦合器、光电探测器、鉴相器、PID电路和从激光器构成的光注入锁相环后滤除了射频传输信号的调制信号，从而输出纯净的光频标准信号；
根据本发明的时频标准信号融合传输系统及传输方法，在本地端通过两套补偿系统可以同时将光频标准信号、射频标准信号和时间信号传递到远端，并且通过通信信号发射机和通信信号接收机可以在通信链路中同时发送通信数据信号，扩展了传输系统的功能。本发明的技术方案解决了光频、射频、时间和通信信号同时传递时相互干扰，探测信噪比低的问题，大大提高了多种标准信号融合传输的传输距离和传递精度。
附图说明
图1是本发明时频标准信号融合传输系统及传输方法的结构示意图；
图2是本发明补偿模块一的结构示意图；
图3是本发明补偿模块二的结构示意图；
图4是本发明光频和射频参考信号输出模块的结构示意图；
图5是本发明时间信号输出模块的结构示意图；
图6是本发明信号融合单元的结构示意图；
图7是本发明通信信号发射机和通信信号接收机的结构示意图；
图8是本发明的本地端的一个示例；
图9是本发明的远地端的一个示例；
图10是本发明时频标准信号融合传输方法的流程图；
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
请参阅图1，图1是本发明时频标准信号融合传输系统的结构示意图，由图可见，本发明的时频标准信号融合传输系统包括：补偿模块一，用于将射频传递信号调制到光频标准信号上，并补偿光频标准信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声；补偿模块二，用于计算链路的时延，产生射频传递信号，同时补偿射频标准信号和时间信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声，并且将时间信号调制到光信号上以通过光纤传输；通信信号发射机，将链路时延信号和数据信号进行编码后调制到光信号上以通过光纤传输；信号融合单元，将补偿模块一、补偿模块二和通信信号发射机输出的不同波长光信号融合到一根光纤中进行传输，并且接收从远地端传递过来的光信号输出给补偿模块一和补偿模块二；光频和射频标准信号输出模块，分离光频标准信号和射频标准信号，并对光频标准信号进行光谱净化，对射频标准信号进行频谱净化后供用户使用；时间信号输出模块，通过接收到的链路时延信号对输出的时间信号进行校准；通信信号接收机，接收并解调传递过来的数据信号和链路时延信号后输出给用户使用。
下面分别介绍本发明的时频标准信号融合传输系统的各个组成部分。
<补偿模块一>
请参阅图2，图2是本发明的补偿模块一的结构示意图，其包括：第一电光调制器、第一光耦合器、第一光环形器、第一声光调制器、第二光耦合器、第一探测器、第一锁相再生电路、第一鉴相器、第一PID电路和压控振荡器。
所述的第一电光调制器将射频传递信号调制到输入的光频参考信号上，并将调制后的光信号输出给第一光耦合器，该第一光耦合器将输入的光信号分为两路，一路作为参考信号输入第二光耦合器，另一路输入第一光环形器的第1端口并从其第2端口输出给第一声光调制器，经第一声光调制器加载用于补偿光频标准信号经光纤链路传递引入相位噪声的反馈补偿信号后输出给信号融合单元；
所述的第一声光调制器接收从信号融合单元输入的光信号，并将此光信号输出给第一环形器的第2端口，第一光环形器的第3端口输出光信号至第二光耦合器，与前述第一光耦合器输出的参考信号合束后在第一探测器处拍频出包含光频标准信号在光纤链路传输时引入的相位噪声的射频信号，此射频信号经过第一锁相再生电路滤波和放大后输入第一鉴相器与鉴相参考信号进行比相，产生相位误差信号输入第一PID电路进行信号处理后输出光频标准信号在光纤链路传输时引入相位噪声的补偿信号给压控振荡器，由压控振荡器转换为调频信号后再经第一声光调制器调制到光信号上。
<补偿模块二>
请参阅图3，图3是本发明的补偿模块二的结构示意图，其包括：第一锁相倍频电路、第二鉴相器、DSP信号处理电路、第三鉴相器、第二探测器、第二锁相倍频电路、锁相分频脉冲电路、第一时延计数电路、脉冲分频放大电路、第一时延控制器、激光器、第三探测器和第二时延计数电路。
所述的射频标准信号输入第一锁相倍频电路，其产生相位锁定于射频标准信号的射频信号并分别输出给第二鉴相器和第三鉴相器，该第二鉴相器和第三鉴相器将其产生相位误差信号输出给DSP信号处理电路进行信号处理后输出反馈补偿信号给第二锁相倍频电路；
第二锁相倍频电路，接收DSP信号处理电路输入的控制信号并产生射频传递信号该射频传递信号的相位锁定在射频参考信号上并包含用于补偿射频传输信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声的补偿信号生成的射频传输信号输出给第二鉴相器、锁相分频脉冲电路和补偿模块一中的第一电光调制器；
第二探测器，通过光电转换将返回光信号中的传输射频信号解调出来并输出给第三鉴相器，其中的为射频传输信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声；
锁相分频脉冲电路，将输入的射频传输信号分频为高重频的时间信号，由于时间信号和射频传递信号通过波分复用技术从同一根光纤内往返传输，所受到的振动温度扰动相同，虽然两者的频率不同，但两者经历的时延波动是相同的，时间脉冲信号上加载的分频后的射频传输信号的补偿信号也抑制了链路相位噪声对时间脉冲信号的影响；锁相分频脉冲电路的输出分配给脉冲分配放大电路和第一时延计数电路；
第一时延计数电路，比较1pps时间信号和锁相分频产生的高重频的时间信号的时延差，并输出给第一时延控制器；
脉冲分配放大电路，将锁相分频脉冲电路输入的时间信号放大并输出给第一时延控制器和第二时延计数电路；
第一时延控制器，根据第一时延计数电路输入的时延差对输入的高重频时间信号进行时延控制，使得此时间信号和作为参考的1pps时间信号同步，并调制到激光器的光信号上输出给信号融合单元；
第三探测器，通过光电转换将返回光信号上的高重频时间脉冲信号解调出来并输出给第二时延计数电路用于比较本地端输出的时间信号和返回时间信号的时延差，得到链路的时延信号，并将链路时延信号输出给通信信号发射机；
<通信信号发射机>
请参阅图7(a)，图7(a)是本发明的通信信号发射机的结构示意图，其包括：第一DSP控制电路和光猫。
所述的第一DSP控制电路，将接收到的链路时延进行平均以得到高精度的链路时延，并与数据信号混合编码输出给光猫；
光猫，将所述的混合编码信号调制到光信号上输出给信号融合单元；
<信号融合单元>
请参阅图6，图6是本发明的信号融合单元的结构示意图，包括：第二光耦合器、第三光耦合器和第一波分复用器。
第二光耦合器，将接收到的补偿模块一的光信号传递给第一波分复用器，并将第一波分复用器输出的返回光信号分为两路，分别输入给补偿模块一和补偿模块二；
第三光耦合器，将接收到的补偿模块二的光信号传递给第一波分复用器，并将第一波分复用器输出的返回光传递给补偿模块二；
第一波分复用器，将接收到本地端的三种波长光信号融合进一根光纤，并将接收到的远地端两个波长的光信号分离，分别输入第二光耦合器和第三光耦合器；
<光频和射频标准信号输出模块>
请参阅图4，图4是本发明的光频和射频标准信号输出模块的结构示意图，包括：任意频率发生电路、第二声光调制器、第四光耦合器、第一光放大器、第五光耦合器、第一法拉第旋镜、第五探测器、锁相分频电路、第二光环形器、第六光耦合器、第四探测器、第四鉴相器、第二PID电路和从激光器。
所述的任意频率发生电路，其输出的射频信号相位锁定于输入的射频参考信号，输出射频信号用于驱动第二声光调制器使其对输入的光信号产生固定移频；
所述第二声光调制器，将第二波分复用器输入的光信号进行固定移频后输出给第四光耦合器，该第四光耦合器将输入光信号分为两路，一路输入第二光环形器的第1端口，一路输入第一光放大器，经第一光放大器放大的光信号经第五光耦合器分为两路，一路输入第一法拉第旋镜，一路输入第五探测器通过光电转换解调出射频传递信号，并输出给锁相分频电路，经滤波和锁相再生之后产生用户所需频率的射频参考信号输出给用户。
经第一法拉第旋镜反射回的光信号再次经过第五光耦合器输入第一光放大器，放大后的光信号依次经过第四光耦合器和第二声光调制器后输出给第二波分复用器返回本地端。
所述的第二光环形器，将第1端口输入的光信号通过第2端口注入到从激光器中，使得从激光器处于注入锁定状态，此时光频标准信号上调制的射频传递信号被显著抑制，但是从激光器会引入额外的相位噪声如下式：
从激光器的输出再次输入第二光环形器的第2端口，并从其第3端口输出给第六光耦合器，该第六光耦合器将输入光信号分为两路；第一路作为光频标准信号输出给用户，第二路输出给第四探测器通过光电转换解调出含有注入锁定过程引入相位噪声的射频信号，该射频信号输入第四鉴相器与鉴相参考信号进行比相，输出注入锁定过程引入的相位误差信号给第二PID电路进行信号处理后输出反馈控制信号给从激光器，通过对从激光器驱动电流的调制抑制了注入锁定过程引入的相位噪声，使得从激光器输出的光信号相位锁定于注入光信号的光相位，保证了输出给用户的光频标准信号具有较高的谱纯度。
<时间信号输出模块>
请参阅图5，图5是本发明的时间信号输出模块的结构示意图，包括：第二光放大器、第七光耦合器、第二法拉第旋镜、第六探测器、脉冲分频电路和第二时延控制器。
所述的第二光放大器，将从第二波分复用器输入的光信号进行放大后输出给第七光耦合器，该第七光耦合器将输入光信号分为两路，一路输出给第二法拉第旋镜，一路输出给第六探测器，通过光电转换解调出时间脉冲信号输出给脉冲分频电路生成1pps时间脉冲信号输入给第二时延控制器，通过输入的链路时延信号对输入的1pps时间信号进行校准并输出给用户使用。
所述的第二法拉第旋镜将入射的光信号反射，经第七光耦合器输入第二光放大器，再次放大后输入第二波分复用器返回本地端。
<通信信号接收机>
请参阅图7(b)，图7(b)是本发明的通信信号接收机的结构示意图，其包括：第七探测器和第二DSP控制电路。
所述的第七探测器，通过光电转换解调出混合编码信号输出给第二DSP控制电路进行信号处理，将混合编码信号译码后分别输出链路时延信号给第二时延控制器，并输出数据信号给用户；
<优选实施例>
下面介绍本发明的时频标准信号融合传输系统的一个优选实施例。
图8是本发明的本地端装置的一个示例，包括：补偿模块一201-218，补偿模块二101-124，通信信号发射机301和302以及信号融合单元401-403。下面分别介绍各部分的组成结构和工作方式。
如图8所示，补偿模块二包括下述组件。101：100MHz压控晶体振荡器(VCXO)；102和115：一分三射频功率分配器(PS)；103：射频分频器(FD)，分频因子10，将100MHz射频信号分频为10MHz，输入鉴相器；104和111：鉴相器；105：射频低通滤波器(LPF)；106：比例-积分-微分(PID)电路；107和121：光电探测器(PD)；108：射频放大器(AMP)；109：射频带通滤波器(BPF)；110和116：射频分频器(FD)，分频因子80，将8GHz射频信号分频为100MHz射频信号后输入鉴相器；113：DSP信号处理单元；114：8GHz介质振荡器(DRO)；117：锁相分频脉冲电路，输入8GHz射频传递信号，输出时间脉冲信号100pps，即每秒100个时间脉冲；118和123：时延计数电路(TDC)；119：时延控制器(DC)；120和122：脉冲分频放大电路(PDA)；124：激光器。
本实施例中，101产生的100MHz的射频信号经过102分为三路，一路输入103的射频信号输入端，经分频后输出10MHz信号再输入给104与射频参考10MHz信号进行鉴相，104产生的相位误差信号输出给105滤波后再输入106进行比例-积分-微分信号处理产生反馈信号输入101，这样101的相位便锁定于射频参考的相位上；
107通过光电转换解调出从远地端返回的8GHz的射频传递信号，经108放大，109滤波之后输入110，经分频后输出100MHz射频信号输入111，与102的第二路输出比相得到射频传递信号在光纤链路传输时引入的相位噪声信号输入113中进行信号处理；
114输出的8GHz射频传递信号经115分为三路，第一路输入116中分频出100MHz射频信号与102输出的第三路信号在112处鉴相，输出的相位误差信号输入113中进行信号处理；113输出的反馈补偿信号作用于114上用于实现两个功能：1)将114输出的射频传递信号的相位锁定于101输出100MHz射频信号的相位上；2)将用于补偿射频传输信号传输时引入相位噪声的补偿信号加载到114输出的射频传递信号上；
115的第二路输出给117，用于将射频传输信号分频成100pps时间脉冲信号，117输出两路，一路进入118与1pps时间参考信号进行时延比对，产生时延误差信号，117输出的第二路信号输入119，119通过118输入的时延误差信号对117输入的100pps时间脉冲信号进行时延控制使得其与1pps时间参考信号同步；
120可实现一路输入三路输出，将脉冲信号高电平为0.3V-2V的信号放大为4.5V-5V；120接收119输入的100pps时间脉冲信号，并将其分为两路，一路调制到124上，输出λ2的光信号通过光纤链路传递到远端，第二路输入123中与121光电转换解调出的返回的100pps信号经122放大后的脉冲信号进行时延比对，可以在1秒钟得到100个链路时延输出给301；
如图8所示，通信信号发射机包括下述组件。301：DSP信号处理电路；302：光猫。
301将123输入的100个链路时延信号在一秒内平均一次，消除随机抖动，生成的新的时延信号与数据信号进行混合编码后输入302，经302调制到光信号λ3传递到远端。
如图8所示，补偿模块一包括下述组件。201：电光调制器(EOM)；202:2/8光耦合器；203：光环形器(CIR)；204:5/5光耦合器；205：光电探测器(PD)；206：带通滤波器(BPF)；207和217：射频放大器(AMP)；208：160MHz压控晶体振荡器(VCXO)；209和215：比例-积分-微分(PID)电路；210和214：低通滤波器(LPF)；211和213：鉴相器；212：一分二射频功率分配器(PS)；216：80MHz压控振荡器(VCO)；218：中心频移80MHz，模拟调制带宽8MHz的声光调制器(AOM)。
115的第三路输入201，将生成的8GHz射频传输信号调制到光频标准信号λ1上，因为使用了光频标准信号作为调制载波，所以可以提高射频信号传递的性能；201输出的光信号经202分为两路，其中80％的光功率信号输入203的第1端口并从第2端口输出给218，经218调制后传递到远端，20％的光功率信号作为参考信号输入204；从远地端返回的信号经过218再次调制后输入203的第2端口，从第3端口输入给204，204输出的光信号在205上拍频，通过205解调出包含光频标准信号在链路传递时引入相位噪声的射频信号320MHz输出给206滤波后输入207经放大后输入211；
208产生的160MHz信号经212分为两路，一路输入211与207的输入信号进行比相，产生的相位误差输入210低通滤波后再输入209进行比例-积分-微分信号处理输出反馈信号输入208，使得208产生的160MHz射频信号相位锁定于207输入信号的相位；212的第二路输出输入213与射频参考信号进行鉴相，输出的相位误差输入214低通滤波后输入215进行比例-积分-微分信号处理，输出的反馈信号输入216将电压反馈信号转换为频率反馈信号输出给218对光频标准信号在光纤链路传输引入的相位噪声进行补偿。
如图8所示，信号融合单元包括下述组件。401：4/6光耦合器；402：5/95光耦合器；403：波分复用器。
401将403输入光功率的60％输出给107，将40％输出给218，并且将218输入的光功率输出给403；402将403输入光功率的95％输出给121，将5％输出给124被其内置的隔离器滤除，402将124输入的光信号输出给403；403将401，402和302输入的光信号λ1，λ2和λ3融合进一根光纤传输到远端，并且接收远地端返回的光信号λ1和λ2输出给401和402。
图9是本发明的远地端装置的一个示例，包括：波分复用器501，光频和射频参考信号输出模块601-624，时间信号输出模块701-707以及通信信号接收机801和802。下面分别介绍各部分的组成结构和工作方式。
如图9所示，光频和射频参考信号输出模块包括下述组件。601：任意频率发生电路(AFG)，输出频率范围0-350MHz；602：射频功率放大器(AMP)，输出的射频信号功率≥2.5W，噪声系数≤5dB；603：中心频移80MHz，模拟调制带宽8MHz的声光调制器(AOM)；604和615：5/5光耦合器；605：光环形器(CIR)；606：1/9光耦合器；607和617：光电探测器(PD)，带宽30kHz-12.5GHz；608：带通滤波器(BPF)；609和618：射频放大器(AMP)；610和619：射频分频器(FD)，分频因子80，将8GHz射频信号分频为100MHz；611和620：鉴相器，鉴相频率范围10MHz-1.3GHz；612和622：比例-积分-微分(PID)电路；613：从激光器，输出功率15dBm，线宽1MHz；614：光放大器(EDFA)，放大增益20dB；616：法拉第旋镜(FM)；621：低通滤波器(LPF)；623：10MHz压控晶体振荡器(VCXO)；624：一分二射频功率分配器(PS)；
601输出的射频信号相位锁定于射频参考信号，其一路输出给611，第二路输出给602进行功率放大后输出给603使得输入603的光信号λ1产生一个固定的80MHz的频移；603输出的光信号经604分为两路，一路输入605的第1端口，第二路输入614，经614光放大后输入615再次分为两路，一路输入616，第二路输入617光电转换后解调出射频传输信号输入618低噪声放大后输入619，被619分频后的100MHz信号输入620与624输入的射频信号鉴相输出相位误差信号经621滤波后输入622，622将输入信号进行比例-积分-微分处理后产生反馈信号输入623使得623输出的射频信号相位锁定于射频传输信号上，输出给用户使用，所述的623的频率可根据用户的需求设计；
616将615输入的光信号反射，经615输入614再次放大后经604输出给603，经过603时光信号再次移频80MHz输出给501。
从605的第1端口输入的光信号经第2端口输入613，613经注入锁定后输出光信号给605的第2端口，再从其第3端口输出给606分为两路，一路输出给607经光电转换后解调出包含从激光器注入锁定过程引入相位噪声的射频信号经608带通滤波，609低噪声放大后输入610分频出100MHz射频信号输入611与601输入的参考信号比相出相位误差信号输入612，经比例-积分-微分运算后生成反馈补偿信号输出给613的驱动电流调制端口，这样便可消除掉从激光器注入锁定过程中引入的相位噪声，从而使得606的另一路输出为稳定的光频信号给用户。
如图9所示，时间信号输出模块包括下述组件。701：光放大器(EDFA)；702：5/5光耦合器；703：法拉第旋镜(FM)；704：光电探测器(PD)，带宽0-125MHz；705：脉冲分配放大(PDA)；706：时间脉冲分频电路，将100pps信号分频为1pps(/100)；707：时延控制器(DC)。
输入701的光信号λ2被放大后经702分为两路，一路输入703并经703反射后依次返回702和701，再次放大后输出给501；702第二路输出给704，经光电转换解调出传递的时间脉冲信号100pps输出给705进行脉冲放大，705输出的时间脉冲信号经706分频成1pps信号输入707经时延控制器进行链路时延校准后输出给用户使用；
如图9所示，通信信号接收机包括下述组件。801：光电探测器(PD)；802：DSP控制电路。
801将输入的光信号λ3通过光电转换出数据信号和链路时延信号的混合编码信号输出给802译码出链路时延信号输出给707，数据信号输出给用户使用。
时频标准信号融合传输方法
下面介绍根据本发明的时频标准信号融合传输系统所实施的时频标准信号融合传输方法。
图10显示了本发明的时频标准信号融合传输方法的流程图。
如图10所示，本发明的时频标准信号融合传输方法包括如下步骤：接收光频标准信号，射频标准信号及1pps时间信号作为基准；将光频射频标准信号、时间脉冲信号和数据信号通过信号融合单元融合后通过光纤传输；通过补偿模块一和补偿模块二补偿光频标准信号、射频标准信号和时间脉冲信号在光纤链路中传输引入的相位噪声；在远地端通过光频和射频标准信号输出模块分离光频标准和射频标准信号，并对光频标准信号进行光谱净化，对射频标准信号进行频谱净化；时间信号输出模块接收通信信号接收机输入的链路时延信号对时间信号进行校准；系统输出高精度的光频标准信号、射频标准信号和时间脉冲信号；
其中，所述的补偿模块二在本地端补偿射频标准信号和1pps时间脉冲信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声的步骤包括：生成一个相位锁定于射频参考信号的射频传输信号，并在此射频传输信号上加载用于补偿射频传输信号在光纤链路中传输引入相位噪声的反馈补偿信号；基于所述射频传递信号，锁相分频生成100pps时间信号，并将此时间脉冲信号与参考1pps时间信号进行同步；
其中，所述的光频和射频标准信号输出模块在远地端分离光频标准信号和射频标准信号的步骤包括：将经过射频标准信号调制的光频参考信号分为两路，一路经过光放大器、光电探测器和锁相分频电路后输出高精度的射频标准信号；另一路经过由光环形器、光耦合器、光电探测器、鉴相器、PID电路和从激光器构成的光注入锁相环后输出光频标准信号；
综上所述，本发明旨在保护一种时频标准信号融合传输系统及传输方法，本发明的技术方案相比于现有技术有如下显著的技术效果：
1.实现射频域和光频域时频标准信号融合传递。
通过两套补偿装置，实现光频频率参考信号、射频频率参考信号和时间脉冲信号的同时传递。在100km的光纤链路中，射频频率参考信号的传递秒稳定度可以达到3×10-14，万秒稳定度可以达到5×10-17；时间信号的峰峰值抖动为20ps；光频频率参考信号的秒稳定度可以达到3×10-17，万秒稳定度可以达到3×10-20。
2.实现了电学共轭的时频同时补偿技术。
本发明的技术方案可以在保证频率信号传递稳定度的情况下，通过同一补偿系统，实现时频信号的同时补偿。
3.可以在远地端进行高精度的光谱净化。
由于本发明的射频传输信号是调制在光频频率参考信号传递到远端的所以，为了恢复出纯净的光频光谱信号，需要对光频频率参考信号进行光谱净化。本发明的技术方案采用基于光注入锁相环的光谱净化技术，可以使得输出光频频率参考的边模抑制比大于60dB，并且由注入锁定本身引入的频率波动小于1mHz。

Claims (11)

1.一种时频标准信号融合传输系统，其特征在于，包括：
补偿模块二，用于产生射频传递信号和链路时延信号，同时补偿射频标准信号和时间信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声，并且将时间信号调制到光信号λ2上以通过光纤传输；
补偿模块一，用于将射频传递信号调制到光频标准信号λ1上，并补偿光频标准信号λ1在光纤链路中传输时引入的相位噪声；
通信信号发射机，将链路时延信号和数据信号进行编码后调制到光信号λ3上以通过光纤传输；
信号融合单元，将补偿模块一输出的光信号λ1、补偿模块二输出的光信号λ2和通信信号发射机输出的光信号λ3融合到一起以通过光纤链路进行传输，同时接收从远地端返回的光信号λ1和λ2，并将其分别输出给补偿模块一和补偿模块二；
第二波分复用器，将传递到远地端的光信号λ1输出至光频和射频参考信号输出模块，光信号λ2输出至时间信号输出模块，光信号λ3输出至通信信号接收机；
光频和射频标准信号输出模块，分离光频标准信号和射频标准信号，对光频标准信号进行光谱净化，对射频标准信号进行频谱净化，并将光频标准信号和射频标准信号分别输出给用户使用；
时间信号输出模块，通过接收到的链路时延信号对输出的时间信号进行校准；
通信信号接收机，接收并解调传递过来的数据信号和链路时延信号。
2.根据权利要求1所述的时频标准信号融合传输系统，其特征在于，所述的补偿模块一包括：
第一电光调制器，其将射频传递信号调制到光频标准信号上并将经过调制的光频标准信号输出给第一光耦合器；
第一光耦合器，其将接收到的经调制的光频标准信号分为两路，一路作为参考信号输入第二光耦合器，另一路输入第一光环形器的第1端口；
第一光环形器，其第2端口输出经调制后的光频标准信号给第一声光调制器，接收从第一声光调制器输入的经光纤链路往返传输的光频标准信号并从其第3端口输出给第二光耦合器；
第二光耦合器，其将第一光耦合器输入的光频标准信号和第一光环形器第3端口输出的光频标准信号合束，并输出至第一探测器；
第一探测器，通过光电转换将输入光信号的拍频信号探测出来输出给第一锁相再生电路；
第一锁相再生电路，其产生相位锁定于输入射频信号的射频信号，并输出给第一鉴相器；
第一鉴相器，其将第一锁相再生电路输入的射频信号和鉴相参考信号进行比相，并将产生的相位误差信号输入第一PID电路；
第一PID电路，其接收相位误差信号进行PID算法运算后产生反馈补偿信号，输出给压控振荡器；
压控振荡器，其将电压信号转换成频率波动输出给第一声光调制器；
第一声光调制器，其接收第一光环形器的第2端口输出的光频标准信号和压控振荡器输出的频率波动，并进行调制，以补偿其在光纤链路中传递时引入的相位噪声。
3.根据权利要求1所述的时频标准信号融合传输系统，其特征在于，所述的补偿模块二包括：
第一锁相倍频电路，其产生相位锁定于射频标准信号的射频信号，并分别输出给第二鉴相器和第三鉴相器；
第二锁相倍频电路，其产生射频传递信号并输出给第二鉴相器、锁相分频脉冲电路和补偿模块一中的第一电光调制器；
第二鉴相器，其接收第一锁相倍频电路和第二锁相倍频电路输入的射频信号，并将产生相位误差信号输出给DSP信号处理电路；
第二探测器，通过光电转换解调出返回光信号中的传输射频信号，并输出给第三鉴相器；
第三鉴相器，其接收第一锁相倍频电路和第二探测器输入的射频信号，并将产生相位误差信号输出给DSP信号处理电路；
DSP信号处理电路，其输出控制信号给第二锁相倍频电路，使得其产生的射频传输信号的相位锁定在射频标准信号上，并且该射频传输信号包含用于补偿其在光纤链路中传输时引入的相位噪声的反馈信号；
锁相分频脉冲电路，将射频传递信号分频为时间信号，并输出给脉冲分配放大电路和第一时延计数电路；
第一时延计数电路，用于比较输入的作为参考的1pps时间信号和锁相分频脉冲电路产生的时间信号的时延差，并输出给第一时延控制器；
脉冲分配放大电路，将输入的时间信号分配为多路并放大输出给第一时延控制器和第二时延计数电路；
第一时延控制器，根据第一时延计数电路输入的时延差对脉冲分配放大电路输入的时间信号进行时延控制，使得时间信号和作为参考的1pps时间信号同步，并将该时间信号调制到激光器上；
激光器，将所述的第一时延控制器输出的时间信号调制到光信号λ2上并输出给信号融合单元；
第三探测器，通过光电转换解调出返回光信号上的时间信号并输出给第二时延计数电路；
第二时延计数电路，通过比较脉冲分配放大电路输入的时间信号和第三探测器输入的时间信号的时延差，得到链路时延信号，并将此链路时延信号输出给通信信号发射机。
4.根据权利要求1所述的所述时频标准信号融合传输系统，其特征在于，所述的通信信号发射机包括：
第一DSP控制电路，将接收到的链路时延信号进行平均得到高精度的链路时延信号，并与数据信号混合编码输出给光猫；
光猫，将所述的混合编码信号调制到光信号λ3上输出给信号融合单元。
5.根据权利要求1所述的时频标准信号融合传输系统，其特征在于，所述的信号融合单元包括：
第二光耦合器，将接收到的补偿模块一的光信号λ1传递给第一波分复用器，并将第一波分复用器输出的返回光信号λ1分为两路，分别输入给补偿模块一和补偿模块二；
第三光耦合器，将接收到的补偿模块二的光信号λ2传递给第一波分复用器，并将第一波分复用器输出的返回光λ2传递给补偿模块二；
第一波分复用器，将接收到本地端的三种波长光信号λ1、λ2和λ3融合进一根光纤，并将接收到的远地端的光信号λ1输入第二光耦合器，光信号λ2输入第三光耦合器。
6.根据权利要求1所述的时频标准信号融合传输系统，其特征在于，所述的光频和射频标准信号输出模块包括：
任意频率发生电路，其输出的射频信号相位锁定于输入的射频参考信号，该任意频率发生电路输出射频信号给第二声光调制器的射频调制端口；
第二声光调制器，其将第二波分复用器输入的光信号进行固定移频后输出给第四光耦合器，该第四光耦合器将从第二声光调制器输入的光信号分为两路，第一路输入第二光环形器的第1端口，第二路输入第一光放大器，经该第一光放大器放大后输入第五光耦合器，经第五光耦合器分为两路，第一路输出给第五探测器，第二路输出给第一法拉第旋镜，经第一法拉第旋镜反射后的光信号原路返回，依次经第五光耦合器、第一光放大器和第四光耦合器后输入第二声光调制器，经过再次固定移频后输出给第二波分复用器；
第五探测器，接收第五光耦合器输入的光信号，通过光电转换解调出射频传递信号，并输出给锁相分频电路；
锁相分频电路，产生的射频信号相位锁定于输入的射频传递信号，输出给用户使用，该射频信号频率可根据用户的需求定制；
第二光环形器，将第1端口输入的光信号通过第2端口注入到从激光器中，从激光器的输出再从第2端口输入第二光环形器，并从该第二光环形器的第3端口输出给第六光耦合器；
第六光耦合器，将输入光信号分为两路，一路作为光频标准信号输出，一路输出给第四探测器；
第四探测器，通过光电转换解调出射频信号输出给第四鉴相器；
第四鉴相器，将从第四探测器输入的射频信号和鉴相参考信号进行比相，输出相位误差信号给第二PID电路；
第二PID电路，将第四鉴相器输入的相位误差信号进行PID运算后输出反馈控制信号给从激光器；
从激光器，接收第二PID电路输入的控制信号使得其输出光信号的相位锁定于从第二光环形器第2端口输入光信号的相位。
7.根据权利要求1所述的时频标准信号融合传输系统，其特征在于，所述的时间信号输出模块包括：
第二光放大器，将从第二波分复用器输入的光信号进行放大后输出给第七光耦合器，并将从第七光耦合器输入的光信号放大后输出给第二波分复用器；
第七光耦合器，其将输入光信号分为两路，一路输出给第六光电探测器，一路输出给第二法拉第旋镜，并将从第二法拉第旋镜反射回的光信号输出给第二光放大器；
第六探测器，通过光电转换解调出时间信号输出给脉冲分频电路；
脉冲分频电路，将第六探测器输入的时间信号分频为1pps时间信号输出给第二时延控制器；
第二时延控制器，通过输入的链路时延信号对输入的1pps时间信号进行校准并输出给用户使用。
8.根据权利要求1所述的时频标准信号融合传输系统，其特征在于，所述的通信信号接收机包括：
第七探测器，通过光电转换解调出混合编码信号输出给第二DSP控制电路；
第二DSP控制电路，将混合编码信号译码后分别输出链路时延信号给时间信号输出模块，输出数据信号给用户。
9.一种时频标准信号融合传输方法，该方法包括：
接收光频标准信号，射频标准信号及1pps时间信号作为基准；
将光频射频标准信号、时间信号和数据信号通过信号融合单元融合后通过光纤传输；
通过补偿模块一补偿光频标准信号在光纤链路中传输引入的相位噪声，通过补偿模块二补偿射频标准信号和时间信号在光纤链路中传输引入的相位噪声；
在远地端通过光频和射频标准信号输出模块分离光频标准和射频标准信号，并对光频标准信号进行光谱净化，对射频标准信号进行频谱净化；
时间信号输出模块接收通信信号接收机输入的链路时延信号对时间信号进行校准；
系统输出高精度的光频标准信号、射频标准信号和1pps时间信号。
10.根据权利要求9所述的时频标准信号融合传输方法，其特征在于，所述的通过补偿模块二补偿射频标准信号和时间信号在光纤链路中传输引入的相位噪声，具体步骤如下：
生成一个相位锁定于射频标准信号的射频传输信号，并在此射频传输信号上加载用于补偿射频传输信号在光纤链路中传输引入相位噪声的反馈补偿信号；
基于所述射频传递信号，锁相分频生成时间信号，并将此时间信号与作为参考的1pps时间信号进行同步。
11.根据权利要求9所述的时频标准信号融合传输方法，其特征在于，所述的在远地端通过光频和射频标准信号输出模块分离光频标准和射频标准信号，并对光频标准信号进行光谱净化，对射频标准信号进行频谱净化，具体步骤如下：
在远地端将接收到的光信号分为两路，一路经过光放大器、光电探测器和锁相分频电路后输出经过频谱净化的射频标准信号；
另一路经过由光环形器、光耦合器、光电探测器、鉴相器、PID电路和从激光器构成的光注入锁相环后输出经过光谱净化的光频标准信号。
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