CN110224776B - 高精度光纤时间传递系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高精度光纤时间传递系统，包括：本地参考频率信号生成模块、本地触发时间信号生成模块、本地高精度时频同步模块、本地时频传输装置、本地返回时频同步模块、远地时频传输装置以及远地高精度时频同步模块。该系统基于时间频率信号相位同步的高精度时间信号产生与传递技术，将解调恢复出的时间信号通过高精度时频同步模块与解调恢复出的频率信号实现相位锁定，产生与频率信号相位实时同步的低抖动时间信号，在输出时间信号的同时实现了高精度时间信号的传递。同时提供了一种高精度光纤时间传递方法。本发明实现时间信号的上升沿与正弦频率信号的相位锁定，利用高稳定度的频率信号产生与之相位同步的低抖动时间信号，从而实现时间信号的高精度传递。

Description

高精度光纤时间传递系统及方法
技术领域
本发明涉及时间信号传递技术领域，具体地，涉及一种高精度光纤时间传递系统及方法，该系统及方法将传递到远端的时间信号的上升沿与传递到远地的频率信号相位锁定，利用高稳定度的频率信号产生与之相位同步的低抖动时间信号，实现高精度时间传递，主要应用于精确时间同步、高精度时间比对。
背景技术
时钟同步是一项基本应用需求。单一的频率传递无法满足这一需求，因此超高精度的时间信号传递成为一项关键技术。高精度时频传递系统在深空探测、甚长基线干涉和计量学等领域中都有着非常重要的应用。而光纤的高带宽、低损耗和抗干扰等特性，使其成为一种新的传递介质并受到广泛关注。早在上世纪80年代，国外一些时频研究机构就开始进行光纤时间频率传递技术的研究并取得一些重要成果，使得基于光纤的时频传递精度获得了显著提高。在许多应用领域，例如基线干涉、导航定位和雷达组网等领域，多基站雷达时间同步等领域。
为了实现基于光纤链路的高精度时间信号传递，人们提出了若干技术方案。经过检索发现：
现有技术一：申请号为201210335363.1的中国专利申请《一种光纤时间频率混合传递方法》，提出在传送10MHz频率信号时，主站在整秒前一个周期信号插入一个负脉冲，实现时间信号的整秒标定。从站识别该标定信号后，运用组合逻辑和触发器恢复出频率信号和定时信号。从站同时将接收到的混合信号原样回传主站，用于还回时延测量。此种技术将时间与频率信号通过特殊的调制技术混合到一起进行传输，但该技术需要较为复杂的时频信号混合和分离技术，并且该技术只能实现时间信号的传输并不具备传输链路噪声补偿的能力。
现有技术二：提出利用数字电路将秒脉冲信号通过脉宽调制技术调制到10MHz 方波频率信号进行传输(P Krehlik,L
Figure BDA0002059025620000011
L Buczek,M Lipiński.Fiber-OpticJoint Time and Frequency Transfer with Active Stabilization of thePropagation Delay [J].IEEE Instrumentation and Measurement,2012,60(4):1480～1488)，在远地端同样利用数字系统分别解调出频率信号和时间信号。这种技术同样实现了时间与频率信号的同时传递，同时该技术将远地调制后的时频信号回传到本地，在本地通过特殊定制的电学延迟线对链路传输噪声进行补偿，实现了时频信号的稳定传输。但由于该系统只能传递数字格式的频率信号，并且信号的调制解调和传输噪声补偿技术较为复杂，因而不能广泛应用。
现有技术三：B.Wang，C.Gao，W.L.Chen，J.Miao，X.Zhu，Y.Bai，J.W.Zhang，Y.Y.Feng，T.C.Li，L.J.Wang.Precise and Continuous Time and FrequencySynchronisation at the 5×10-19Accuracy Level[J].Scientific Reports,2012,2:556.该方案将正弦频率信号和时间方波信号，通过电光调制器分别加载到不同波长的两个激光器上，利用波分复用技术在同一光纤链路上同时传递到远地端，在远地端解波分复用后分别恢复出两种信号，同时一部分光信号返回到本地端解波分复用后用于链路噪声补偿。该技术采用了两套电学补偿系统分别补偿频率信号和时间信号的传输链路噪声。对于时间信号的补偿而言，由于电子学器件本底抖动的制约，为了获得较高补偿精度和传递精度，该方法采用了一个重复频率为500Hz的方波信号，使用多次平均的方法来降低输出脉冲信号的上升沿抖动和提高脉冲信号的时延补偿精度。由于该方案中时间脉冲信号的传递采用的是电平信号直接调制和光功率直接探测的方法，时间信号的调制解调性能受限于光电器件的带宽，同时时间信号的上升沿时间也是时间传递精度重要决定因素，因此该系统中需要大量采用高带宽光电器件和窄脉冲上升沿的设备，同时还需要对时间信号传输时延进行一定的数值平均处理才能获得较高的传输精度。
现有技术四：Nan Cheng,Wei Chen,Qin Liu,Dan Xu,Fei Yang,Youzhen Gui andHaiwen Cai.Joint transfer of time and frequency signals and multi-pointsynchronization via fiber network[J]Chinese Physics B 2016 25(1)014206。该方案同样采用了波分复用的方式将正弦频率信号和秒脉冲信号同时传递到远地端，但与在先技术三的主要区别为，该方案采用了光学延迟线来反馈补偿光纤链路的传输时延变化，实现了光学时延的绝对稳定，因此在获得了稳定频率信号传递的同时实现了时间信号的高稳定传输。由于光学延迟线的时延变化具有连续精确可调的特点，因此该方案的时间补偿精度高于现有技术三。但是与现有技术三相同，由于时间信号传递同样采用了电平直接调制和光功率直接探测的技术方案，所以光电器件的带宽和时间脉冲上升沿仍然是制约时间传输性能的关键因素。
目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。
发明内容
为了克服现有技术中存在的上述缺点，实现更高精度光纤时间传递性能，满足更高要求的时间同步应用需求，本发明提出了一种高精度光纤时间传递系统及方法，该系统及方法基于频率信号相位锁定的高精度时间信号产生与传递技术，将解调恢复出的时间信号通过高精度时频同步模块与解调恢复出的频率信号实现相位锁定，产生与频率信号相位实时同步的低抖动时间信号，在输出时间信号的同时实现了高精度时间信号的传递。
本发明是通过以下技术方案实现的。
根据本发明的一个方面，提供了一种高精度光纤时间传递系统，包括：
本地参考频率信号生成模块：接收频率参考输出的频率信号直接作为本地参考频率，或，接收频率参考输出的频率信号经过频率变换模块的频率变换后生成本地参考频率，并将本地参考频率分配成两路本地参考频率信号输出，两路本地参考频率信号分别输出至本地参考时频同步模块和本地时频传输装置；
本地触发时间信号生成模块：接收时间参考输出的时间信号直接作为本地触发时间，或，接收时间参考输出的时间信号经过时间变换模块的时间变换后进行本地端脉冲重复频率变换生成本地触发时间，并将本地触发时间分配成两路本地触发时间信号，两路本地触发时间信号分别输出至本地参考时频同步模块和本地时频传输装置；
本地参考时频同步模块：接收一路本地参考频率信号和一路本地触发时间信号，并生成与本地参考频率信号相位同步的本地参考时间信号；
本地时频传输装置：接收另一路本地参考频率信号和另一路本地触发时间信号，并将两个信号调制到光信号上后通过光纤将光信号传输至远地时频传输装置；同时，接收远地时频传输装置回传的光信号并解调输出回传频率输出信号和回传时间触发信号，并在本地端输出至本地返回时频同步模块；
本地返回时频同步模块：接收回传频率输出信号和回传时间触发信号，生成与回传频率输出信号相位同步的回传时间输出信号；
远地时频传输装置：接收光纤传输的光信号，并在远地端从光信号中解调出时频信号后输出远地频率输出信号和远地时间触发信号至远地时频同步模块，同时，将远地频率输出信号和远地时间触发信号重新调制到光信号上通过光纤传回本地时频传输装置；
远地时频同步模块：接收远地频率输出信号和远地时间触发信号，生成与远地频率输出信号相位同步的远地时间输出信号。
优选地，所述本地参考时频同步模块先将输入的本地参考频率信号由正弦信号变换为方波频率信号，再将输入的本地触发时间信号生成触发门信号并触发方波频率信号，标记触发门信号上升沿到达后的第一个频率信号脉冲为时间信号脉冲，触发生成一个与方波频率信号相位同步的时间脉冲信号输出，即为本地参考时间信号。
优选地，所述本地返回时频同步模块先将输入的回传频率输出信号由正弦信号变换为方波频率信号，再将输入的回传时间触发信号生成触发门信号触发方波信号，标记触发门信号上升沿到达后的第一个频率信号脉冲为时间信号脉冲，触发生成一个与方波频率信号相位同步的时间脉冲信号输出，即为回传时间输出信号。
优选地，所述远地输出时频同步模块先将输入的远地频率输出信号由正弦信号变换为方波频率信号，再将输入的远地时间触发信号生成触发门信号触发方波频率信号，标记触发门信号上升沿到达后的第一个频率信号脉冲为时间信号脉冲，触发生成一个与方波频率信号相位同步的时间信号输出，即为远地时间输出信号。
优选地，所述本地时频传输装置包括时频信号发射模块和时频信号补偿模块；其中，所述时频信号发射模块用于接收本地参考频率信号和本地触发时间信号，并将本地参考频率信号和本地触发时间信号调制到光信号上后通过光纤将光信号传输至远地时频传输装置；所述时频信号补偿模块用于接收远地时频传输装置回传的光信号并解调出回传频率输出信号和回传时间触发信号，测量回传频率输出信号和本地参考频率信号的相位波动以获取光信号在光纤链路中传输时的链路噪声并对链路噪声进行反馈补偿，使得远地频率输出信号的相位与本地参考频率信号之间的相位差保持稳定，以及远地时间触发信号和本地时间触发信号之间的时间延迟保持稳定。
优选地，所述远地时频传输装置包括时频信号接收模块和时频信号返回模块；其中：所述时频信号接收模块用于将经过光纤传输的光信号输入到远地时频传输装置，远地时频传输装置在远地端从光信号中解调出时频信号并输出远地频率输出信号和远地时间触发信号；所述时频信号返回模块用于将远地频率输出信号和远地时间触发信号重新调制到光信号上后通过光纤传回本地时频传输装置。
根据本发明的另一个方面，提供了一种基于上述高精度光纤时间传递系统实现的高精度光纤时间传递方法，包括：
在本地端，将本地参考频率信号和本地触发时间信号各分成两路，其中：一路本地参考频率信号和本地触发时间信号用于生成与本地参考频率信号相位同步的本地参考时间信号，所述本地参考时间信号作为光纤时间传递系统的时间传递时延测量起始信号；另一路本地参考频率信号和本地触发时间信号分别输入本地时频传输装置后通过光纤输出至远地端；
在远地端，远地时频传输装置将接收的光信号解调恢复出时间信号和频率信号后输出远地频率输出信号和远地时间触发信号，同时将远地频率输出信号和远地时间触发信号重新调制到光信号上通过光纤传回本地时频传输装置；远地时频传输装置输出的远地频率输出信号和远地时间触发信号用于生成与远地频率输出信号相位同步的远地时间输出信号，所述远地时间输出信号作为光纤时间传递系统的时间传递时延测量结束信号；
当远地时频传输装置经过光纤将光信号回传输入到本地时频信号补偿模块后，时频信号补偿模块解调出回传频率输出和回传时间触发信号，同时测量回传频率输出信号和本地参考频率信号的相位波动以获取光信号在光纤链路中传输时的链路噪声并对链路噪声进行反馈补偿，使得远地频率输出信号的相位与本地参考频率信号之间的相位差保持稳定，以及远地时间触发和本地时间触发信号之间的时间延迟保持稳定；当光纤时间传递系统实现本地参考时间信号与远地时间输出信号之间具有稳定的时间延迟，并且通过测量获得两路信号之间的传输时延差即可实现本地和远地的精确时间传递。
优选地，所述本地参考频率和本地触发时间信号包括如下任意一种；
-将频率参考输出的频率信号输入到频率变换模块，经过频率变换后输出本地参考频率信号，将时间参考输出的时间信号输入到时间变换模块，经过变换后输出本地触发时间信号；
-将频率参考输出的频率信号和时间参考输出的时间信号分别作为本地参考频率和本地触发时间信号。
优选地，所述对链路噪声进行反馈补偿的方法为：当远地时频传输装置经过光纤将光信号回传输入到本地时频信号补偿模块后，时频信号补偿模块解调出回传频率输出和回传时间触发信号，同时测量回传频率输出信号和本地参考频率信号的相位波动以获取光信号在光纤链路中传输时的链路噪声并对链路噪声进行反馈补偿，使得远地频率输出信号的相位与本地参考频率信号之间的相位差保持稳定，以及远地时间触发和本地时间触发信号之间的时间延迟保持稳定。
优选地，所述生成与本地参考频率信号相位同步的本地参考时间信号的方法为：先将输入的频率信号由正弦信号变换为方波信号，再将输入的时间信号生成触发门信号触发方波信号，标记触发门信号上升沿到达后的第一个频率信号脉冲为时间信号脉冲，触发生成一个与频率信号相位同步的时间信号。
本发明提供的一种高精度光纤时间传递系统及方法，在光纤时间频率信号传递过程中，通过高精度时频同步模块实现时间信号的上升沿与正弦频率信号的相位锁定，利用高稳定度的频率信号产生与之相位同步的低抖动时间信号，从而实现时间信号的高精度传递。
在本发明中，输入本地/远地高精度时频同步模块的时间信号作为触发门信号，标记频率方波信号生成低抖动时间信号输出，输出的时间信号相位只与输入频率信号的相位同步，与输入的触发时间信号相位无关，因此输出时间信号的时间抖动性能主要由频率信号相位波动以及时频同步模块的抖动性能决定。由此可知，只要输入的触发时间信号的时延抖动小于输入频率信号的周期时间，保证时间门信号不会触发下一个周期的频率脉冲信号，即可实现高精度时间信号的产生。
将本地参考频率和本地时间触发信号输入本地参考时频同步模块后，生成与本地参考频率相位同步的本地参考时间信号，同时，远地频率输出和远地时间触发输入远地输出时频同步模块后，生成与远地频率输出相位同步的远地时间输出信号。时频信号补偿模块可以抑制时间频率信号在光纤链路中传递而引入的噪声，使得本地参考频率信号和远地频率输出信号之间的相位差保持稳定，而分别与两路信号相位锁定的本地参考时间和远地时间输出信号之间的时延也可以保持稳定。即使远地时间触发和本地时间触发信号之间的传输时延受到时频信号补偿模块的补偿精度限制而存在波动，只要时延波动小于输入时频同步模块的频率信号周期的一半，即保证输入的时间触发信号不触发下一个周期的方波频率信号，即可实现时频同步模块输出的时间信号与输入的频率信号相位同步，因此采用本发明所提供的方法及系统可实现高精度光纤时间传递。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明时间信号的标定和产生方案更简洁高效，避免了复杂的信号处理过程引入的时间抖动，提高了传递精度。
2、本发明对传递的时频信号的格式无特殊要求，即可传递正弦频率信号也可传递数字格式的频率信号，同时本发明的输入和输出信号格式可以和已有大部分时间频率传递系统相匹配，具有良好的兼容性和广泛的可应用性。既可以用于产生直接生成高精度的时间频率信号，也可以用于提升原有系统的时间信号性能。
3、本发明中的时频传递系统解调恢复出的时间信号仅作为触发门信号，用于标记出对应的频率脉冲。因此解调的时间信号的传递精度只需要小于频率信号周期即可避免出现频率信号周期模糊的问题，这极大降低了对时间信号调制解调精度的要求，降低了时频传递系统种关键器件的性能需求，例如光电器件的信号带宽，电子学器件的抖动性能等。
4、本发明与现有技术中时频信号分别采用独立信道传输相比，在实现了时间信号高精度传递的同时也实现了输出的时间和频率信号的相位同步，提高了时频信号的同源性。
5、本发明进一步抑制了时间信号在传递过程中产生的抖动，可以同时实现时间和频率信号的超高精度传递。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明实施例提供的高精度光纤时间传递系统框图；
图2是本发明实施例中高精度时频同步模块功能图与原理图；
图3是本发明实施例中高精度时间传递原理图；
图4是本发明实施例中一具体应用实例的实施框图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供了一种高精度光纤时间传递系统，其系统框图如图1所示，本系统包括本地参考频率信号生成模块(可包括频率变换模块)、本地触发时间信号生成模块(可包括时间变换模块)，本地参考时频同步模块，本地返回时频同步模块，本地时频率传输装置，远地时频传输装置，远地输出时频同步模块，其中本地时频传输装置包含时频信号发射模块和时频信号补偿模块，远地时频传输装置包含时频信号接收和时频信号返回模块。
首先，本地时频信号源输出的频率参考信号输入频率变换模块进行频率换，时间参考信号输入时间变换模块对时间脉冲重复频率进行变换，频率参考和时间参考经过变换后分别生成本地参考频率信号和本地触发时间信号并分别分配成两路信号，也可以根据应用需求无需进行频率和脉冲重复频率变换直接作为本地参考频率信号和本地触发时间信号，其中一路本地参考频率信号和本地触发时间信号输入本地参考时频同步模块。本地参考时频同步模块的功能与原理如图2所示，在该模块中先将本地参考频率信号由正弦信号变换为方波信号，同时将输入的本地触发时间信号生成触发门信号触发方波频率信号，标记触发门信号上升沿到达后的第一个频率信号脉冲为时间信号脉冲，触发生成一个与本地参考频率信号相位同步的本地参考时间信号并输出，从而实现了本地参考时间信号与本地参考频率信号的相位锁定。另一路本地参考频率信号和本地触发时间信号同时输入到本地时频传输装置中的时频信号发射模块，时频信号发射模块分别将两路信号调制到光信号上并通过光纤传递到远地端，
在远地端，光信号经过光纤输入到远地时间频率传输装置中时频信号接收模块中，该模块从光信号中解调出时间和频率信号并输出远地频率输出和远地时间触发信号，同时将解调出的时间频率信号输入时频信号返回模块，通过时频信号返回模块将时频信号重新调制到光信号上通过光纤回传本地时频传输装置。远地频率输出和远地时间触发信号同时输入到远地输出时频同步模块产生远地时间输出信号，远地时间输出信号的产生原理与本地参考时频同步模块相同。输入时频信号补偿模块后，时频信号补偿模块从回传的光信号中解调出时频信号并输出回传频率输出和回传时间触发两种信号，同时测量回传频率输出信号和本地参考频率信号的相位波动以获取光信号在光纤链路中传输时的链路噪声并对链路噪声进行反馈补偿，使得远地频率输出信号的相位与本地参考频率信号之间的相位差保持稳定，以及远地时间触发和本地时间触发信号之间的时间延迟保持稳定。回传频率输出和回传时间触发信号同时输入到本地返回时频同步模块中生成回传时间输出信号，回传时间输出信号的产生原理与本地参考时频同步模块相同。
基于以上高精度光纤时间传递系统，本发明实施例同时提供了一种高精度光纤时间传递方法，包括：
如图1所示的高精度光纤时间传递系统中，在本地端，将频率参考输入到频率变换模块，经过频率变换后输出本地参考频率信号，将时间参考输入到时间变换模块，经过变换后输出本地触发时间信号；也可根据实际需求，不经过频率变换和时间变换模块，直接将频率参考和时间参考信号分别作为本地参考频率和本地触发时间信号，本地参考频率信号和本地触发时间信号各分成两路，其中：一路本地参考频率信号和本地触发时间信号用于生成与本地参考频率信号相位同步的本地参考时间信号，所述本地参考时间信号作为光纤时间传递系统的时间传递时延测量起始信号；另一路本地参考频率信号和本地触发时间信号分别输入本地时频传输装置后通过光纤输出至远地端；
在远地端，远地时频传输装置将接收的光信号解调恢复出时间信号和频率信号后输出远地频率输出信号和远地时间触发信号，同时将远地频率输出信号和远地时间触发信号重新调制到光信号上通过光纤传回本地时频传输装置。远地时频传输装置输出的远地频率输出信号和远地时间触发信号用于生成与远地频率输出信号相位同步的远地时间输出信号，所述远地时间输出信号作为光纤时间传递系统的时间传递时延测量结束信号；
当远地时频传输装置经过光纤将光信号回传输入到本地时频信号补偿模块后，时频信号补偿模块解调出回传频率输出和回传时间触发信号，同时测量回传频率输出信号和本地参考频率信号的相位波动以获取光信号在光纤链路中传输时的链路噪声并对链路噪声进行反馈补偿，使得远地频率输出信号的相位与本地参考频率信号之间的相位差保持稳定，以及远地时间触发和本地时间触发信号之间的时间延迟保持稳定。当光纤时间传递系统实现本地参考时间信号与远地时间输出信号之间具有稳定的时间延迟，并且通过测量获得两路信号之间的传输时延差即可实现本地和远地的精确时间传递。
高精度时间信号传递的原理图如图3所示，当本地参考时间与本地参考频率信号，以及远地时间输出与远地频率输出信号分别实现相位同步后，本地参考时间与远地时间输出信号之间的时间延迟ΔtTime可以表示为
Figure BDA0002059025620000101
其中，N为正整数，T为本地参考频率信号的周期时间，
Figure BDA0002059025620000102
为两路频率信号之间小于一个周期的相位差。由于时频传递系统中采用时频信号补偿模块测量光信号在光纤链路中传输时的链路噪声并对链路噪声进行反馈补偿，使得远地频率输出信号的相位与本地参考频率信号之间的相位差保持稳定，因此时间延迟ΔtTime也同样保持稳定。
设本地触发时间与远地时间触发信号之间的时延为Δtdelay，由图2所示的时频同步模块原理可知，时频同步模块是将触发门信号上升沿到达后的第一个频率信号脉冲为时间信号输出，因此只要触发信号的时延抖动小于参考频率信号周期时间的一半T/2，即保证触发门信号不会触发下一个周期的频率脉冲信号，本地参考时间与远地时间输出信号的时延差ΔtTime始终等于
Figure BDA0002059025620000103
本发明实施例中的时频传递系统由于采用了链路噪声反馈补偿技术，本地端、远地端频率信号可以保持非常高的频率稳定度，频率信号之间的相位波动小于1皮秒，频率信号的相位同步精度远远高于现有已公开方案中的时间传递系统中时间同步的精度。因此本发明可以实现更高精度的光纤时间传递。
为对本发明进行进一步说明，下面结合一具体应用实例，对本发明上述实施例进一步详细描述，但不应以此限制本发明的保护范围。如图3所示，本发明上述实施例的一个具体实施方式如下：
整个系统主要由频率变换模块、时间变换模块、本地参考时频同步模块、本地时频传输装置、本地返回时频同步模块、远地时频传输装置以及远地输出时频同步模块构成，其中本地时频传输装置包含时频信号发射模块和时频信号补偿模块，远地时频传输装置包含时频信号接收和时频信号返回模块。其中频率变换模块由频率变换(FC)11和频率分配(FDU)13构成；时间变换模块由脉冲重频变换(PC) 12和脉冲分配模块(PDU)14构成；时频信号发射模块由激光发射机(LD)16和 17、波分复用器(WDM)18和光环形器19组成；时频信号补偿模块由鉴相反馈控制模块(PHD)37和光纤延迟线(ODL)20组成；时频信号接收模块由光环形器21、解波分复用器22、光电探测器(PD)23和24、脉冲分配模块(PDU)25、频率分配模块(FDU)26组成，时频信号返回模块由激光发射机(LD)28和29 和波分复用器(WDM)30组成。
本地端钟源(REF)10输出的频率参考信号和时间参考信号，可根据实际应用需求通过频率变换模块(FC)11和脉冲重频变换模块(PC)12对正弦信号的频率和秒脉冲重复频率进行变换，并分别输出本地参考频率信号以及本地触发时间信号，本地参考频率信号以及本地触发时间信号分别经过频率分配模块(FDU)13 和脉冲分配模块(PDU)14分成两路，其中一路同时输入到本地参考时频同步模块 (LCTD)15生成本地参考时间信号，另一路分别输入到本地两个不同波长的激光发射机(LD)16和17中，两个激光器出射波长分别为λ1和λ2的两束激光进入波分复用器(WDM)18的两个输入端口合成一路光信号输出，再进入光环形器19 的1端口并从2端口输出，再经过光纤延迟线(ODL)20后从本地端输出，经过光纤传输后进入远地端光环形器21的2端口，并从3端口输出进入解波分复用器 22，最后波长为λ1和λ2的光信号分别从两个对应的端口输出进入光电探测器(PD) 23和24，恢复出频率信号和时间信号。
远地端恢复出的时间和频率信号分别经过脉冲分配模块(PDU)25和频率分配模块(FDU)26后各自分成两路，一路时间和频率信号输入远地输出时频同步模块 (RMTD)27输出低抖动的时间信号，另一路时间和频率信号分别输入远地两台激光发射机(LD)28和29中，28和29激光发射机的波长分别为λ3和λ4，两束光进入波分复用器(WDM)30的两个输入端口合成一路光信号输出，再进入光环形器 21的1端口并从其2端口输出，再经过同一根光纤链路后返回本地端的光纤延迟线 (ODL)20，然后进入本地端的光环形器19的2端口，并从3端口输出进入解波分复用器(WDM)31，最后波长为λ3和λ4的光信号各自从解波分复用器(WDM) 32的两个对应端口输出进入光电探测器(PD)32和33，恢复出时间和频率信号。
远地回传的时间和频率信号分别输入时间脉冲分配模块(PDU)34和频率分配模块(FDU)35后分别分成两路，其中一路时间和频率信号输入本地返回时频同步模块(RTTD)36输出低抖动时间信号，频率分配模块(FDU)35输出的另一路频率信号和频率分配模块(FDU)13输出的一路频率信号同时输入鉴相反馈控制模块 (PHD)37，经过鉴相后得到传输链路噪声后反馈控制光纤延迟线(ODL)20，补偿传输时延波动。
本发明上述实施例提供的一种高精度光纤时间传递系统及方法，采用了将时间信号的上升沿与频率信号的相位进行锁定，并产生与频率信号相位同步的低抖动时间信号的方法，实现高精度时间传递，该方法主要应用于精确时间同步、高精度时间比对，多基站雷达时间同步等领域。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种高精度光纤时间传递系统，其特征在于，包括：
本地参考频率信号生成模块：接收频率参考输出的频率信号直接作为本地参考频率，或，接收频率参考输出的频率信号经过频率变换模块的频率变换后生成本地参考频率，并将本地参考频率分配成两路本地参考频率信号输出，两路本地参考频率信号分别输出至本地参考时频同步模块和本地时频传输装置；
本地触发时间信号生成模块：接收时间参考输出的时间信号直接作为本地触发时间，或，接收时间参考输出的时间信号经过时间变换模块的时间变换后进行本地端脉冲重复频率变换生成本地触发时间，并将本地触发时间分配成两路本地触发时间信号，两路本地触发时间信号分别输出至本地参考时频同步模块和本地时频传输装置；
本地参考时频同步模块：接收一路本地参考频率信号和一路本地触发时间信号，并生成与本地参考频率信号相位同步的本地参考时间信号；
本地时频传输装置：接收另一路本地参考频率信号和另一路本地触发时间信号，并将两个信号调制到光信号上后通过光纤将光信号传输至远地时频传输装置；同时，接收远地时频传输装置回传的光信号并解调输出回传频率输出信号和回传时间触发信号，并在本地端输出至本地返回时频同步模块；
本地返回时频同步模块：接收回传频率输出信号和回传时间触发信号，生成与回传频率输出信号相位同步的回传时间输出信号；
远地时频传输装置：接收光纤传输的光信号，并在远地端从光信号中解调出时频信号后输出远地频率输出信号和远地时间触发信号至远地时频同步模块，同时，将远地频率输出信号和远地时间触发信号重新调制到光信号上通过光纤传回本地时频传输装置；
远地时频同步模块：接收远地频率输出信号和远地时间触发信号，生成与远地频率输出信号相位同步的远地时间输出信号。
2.根据权利要求1所述的高精度光纤时间传递系统，其特征在于，所述本地参考时频同步模块先将输入的本地参考频率信号由正弦信号变换为方波频率信号，再将输入的本地触发时间信号生成触发门信号并触发方波频率信号，标记触发门信号上升沿到达后的第一个频率信号脉冲为时间信号脉冲，触发生成一个与方波频率信号相位同步的时间脉冲信号输出，即为本地参考时间信号。
3.根据权利要求1所述的高精度光纤时间传递系统，其特征在于，所述本地返回时频同步模块先将输入的回传频率输出信号由正弦信号变换为方波频率信号，再将输入的回传时间触发信号生成触发门信号触发方波信号，标记触发门信号上升沿到达后的第一个频率信号脉冲为时间信号脉冲，触发生成一个与方波频率信号相位同步的时间脉冲信号输出，即为回传时间输出信号。
4.根据权利要求1所述的高精度光纤时间传递系统，其特征在于，所述远地时频同步模块先将输入的远地频率输出信号由正弦信号变换为方波频率信号，再将输入的远地时间触发信号生成触发门信号触发方波频率信号，标记触发门信号上升沿到达后的第一个频率信号脉冲为时间信号脉冲，触发生成一个与方波频率信号相位同步的时间信号输出，即为远地时间输出信号。
5.根据权利要求1所述的高精度光纤时间传递系统，其特征在于，所述本地时频传输装置包括时频信号发射模块和时频信号补偿模块；其中，所述时频信号发射模块用于接收本地参考频率信号和本地触发时间信号，并将本地参考频率信号和本地触发时间信号调制到光信号上后通过光纤将光信号传输至远地时频传输装置；所述时频信号补偿模块用于接收远地时频传输装置回传的光信号并解调出回传频率输出信号和回传时间触发信号，测量回传频率输出信号和本地参考频率信号的相位波动以获取光信号在光纤链路中传输时的链路噪声并对链路噪声进行反馈补偿，使得远地频率输出信号的相位与本地参考频率信号之间的相位差保持稳定，以及远地时间触发信号和本地时间触发信号之间的时间延迟保持稳定。
6.根据权利要求1所述的高精度光纤时间传递系统，其特征在于，所述远地时频传输装置包括时频信号接收模块和时频信号返回模块；其中：所述时频信号接收模块用于将经过光纤传输的光信号输入到远地时频传输装置，远地时频传输装置在远地端从光信号中解调出时频信号并输出远地频率输出信号和远地时间触发信号；所述时频信号返回模块用于将远地频率输出信号和远地时间触发信号重新调制到光信号上后通过光纤传回本地时频传输装置。
7.一种基于权利要求1至6中任一项所述的高精度光纤时间传递系统实现的高精度光纤时间传递方法，其特征在于，包括：
在本地端，将本地参考频率信号和本地触发时间信号各分成两路，其中：一路本地参考频率信号和本地触发时间信号用于生成与本地参考频率信号相位同步的本地参考时间信号，所述本地参考时间信号作为光纤时间传递系统的时间传递时延测量起始信号；另一路本地参考频率信号和本地触发时间信号分别输入本地时频传输装置后通过光纤输出至远地端；
在远地端，远地时频传输装置将接收的光信号解调恢复出时间信号和频率信号后输出远地频率输出信号和远地时间触发信号，同时将远地频率输出信号和远地时间触发信号重新调制到光信号上通过光纤传回本地时频传输装置；远地时频传输装置输出的远地频率输出信号和远地时间触发信号用于生成与远地频率输出信号相位同步的远地时间输出信号，所述远地时间输出信号作为光纤时间传递系统的时间传递时延测量结束信号；
当远地时频传输装置经过光纤将光信号回传输入到本地时频信号补偿模块后，时频信号补偿模块解调出回传频率输出和回传时间触发信号，同时测量回传频率输出信号和本地参考频率信号的相位波动以获取光信号在光纤链路中传输时的链路噪声并对链路噪声进行反馈补偿，使得远地频率输出信号的相位与本地参考频率信号之间的相位差保持稳定，以及远地时间触发和本地时间触发信号之间的时间延迟保持稳定；当光纤时间传递系统实现本地参考时间信号与远地时间输出信号之间具有稳定的时间延迟，并且通过测量获得两路信号之间的传输时延差即可实现本地和远地的精确时间传递。
8.根据权利要求7所述的高精度光纤时间传递方法，其特征在于，所述本地参考频率信号和本地触发时间信号包括如下任意一种；
-将频率参考输出的频率信号输入到频率变换模块，经过频率变换后输出本地参考频率信号，将时间参考输出的时间信号输入到时间变换模块，经过变换后输出本地触发时间信号；
-将频率参考输出的频率信号和时间参考输出的时间信号分别作为本地参考频率信号和本地触发时间信号。
9.根据权利要求7或8所述的高精度光纤时间传递方法，其特征在于，所述对链路噪声进行反馈补偿的方法为：当远地时频传输装置经过光纤将光信号回传输入到本地时频信号补偿模块后，时频信号补偿模块解调出回传频率输出和回传时间触发信号，同时测量回传频率输出信号和本地参考频率信号的相位波动以获取光信号在光纤链路中传输时的链路噪声并对链路噪声进行反馈补偿，使得远地频率输出信号的相位与本地参考频率信号之间的相位差保持稳定，以及远地时间触发和本地时间触发信号之间的时间延迟保持稳定。
10.根据权利要求7或8所述的高精度光纤时间传递方法，其特征在于，所述生成与本地参考频率信号相位同步的本地参考时间信号的方法为：先将输入的频率信号由正弦信号变换为方波信号，再将输入的时间信号生成触发门信号触发方波信号，标记触发门信号上升沿到达后的第一个频率信号脉冲为时间信号脉冲，触发生成一个与频率信号相位同步的时间信号。
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