CN110752877A - 光纤中传递时间频率信号的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤中传递时间频率信号的系统和方法，其中光纤中传递时间频率信号的系统，包括：发射端，用于将需要传递的时频信号调制成一路调制信号，并将该调制信号发出，所述需要传递的时频信号包括秒脉冲信号和频率信号；接收端，用于接收并解调所述发射端发出的所述调制信号，并将解调后的信号进行处理得到时频信号。本发明将秒脉冲信号和频率信号混合调制成一路信号进行传输，节省了光纤波长资源，而且秒脉冲信号和频率信号同时传递，信道一致性好。

Description

光纤中传递时间频率信号的系统和方法

技术领域

本发明属于授时、导航和通信领域，特别是涉及一种光纤中传递时间频率信号的系统和方法。

背景技术

由于目前光纤已经广泛部署，而且光纤具有抗干扰性好、损耗低的特点，适合长距离传送，因此，利用光纤进行时间、频率的传递是国内外的研究热点。

利用光纤进行时间、频率的传递，实际上需要传递以下信息：

（1）秒脉冲；

（2）频率；

（3）当前的时间，例如哪一天、哪一秒；

（4）管理、控制、告警以及维护等信息。

现有技术中，一般采用光纤中的三个波长或四个波长来进行传递，其中，一个波长用于传递秒脉冲信号，一个波长用于传递频率信号，一个波长用于传递时间信息和/或管理控制信息（时间信息和管理控制信息既可以单独分波长传递，也可以合并到一个波长传递）。即，现有技术采用了秒脉冲、频率信号和时间管理控制信息分别传递的方法，这种方法具有非常明显的缺点：秒脉冲和频率传递很难对齐，不仅是发射端这两种信号难以对齐，而且传递过程中不同的波长经历了不同信道条件，可能出现不同的传递延迟。在接收端，由于处理电路分别处理两个光波波长和电路的信号，也会出现不同的延迟。TOD（Time of Day）当前时间和管理控制信息的传递，由于实时性要求不高，采用分别传输的方法不太影响性能；但是，单独占据一个波长，在光纤资源比较紧张的情况下，会导致成本较高。

现有技术中常常把秒脉冲的上升沿或者下降沿定为需要传递的时刻信号。有时候秒脉冲的上升沿或者下降沿在传递过程中容易畸变，从而模糊了秒脉冲的上升沿或者下降沿，导致时间传递的误差。

此外，现有技术往往采用基本频率的直接传输，比如频率采用10MHz或者100MHz，秒脉冲直接传递这个脉冲或者进行扩频后调制，传输精度不是很高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种光纤中传递时间频率信号的系统和方法，将秒脉冲信号和频率信号混合调制成一路信号进行传输，节省光纤波长资源，降低成本。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的： 光纤中传递时间频率信号的系统，包括：

发射端，用于将需要传递的时频信号调制成一路调制信号，并将该调制信号发出，所述需要传递的时频信号包括秒脉冲信号和频率信号；

接收端，用于接收并解调所述发射端发出的所述调制信号，并将解调后的信号进行处理得到时频信号。

优选的，所述时频信号还包括TOD信息和/或管理控制信息。

优选的，所述秒脉冲信号用于标识一个周期信号，所述周期信号的相位作为进行传递的时间同步信号，所述秒脉冲信号的周期大于所述周期信号的周期。

优选的，所述发射端包括：

时钟源，用于输出秒脉冲信号、TOD信息和频率信号；

第一变频器，与所述时钟源连接，用于将所述时钟源输出的秒脉冲信号进行变频；

第二变频器，与所述时钟源连接，用于将所述频率信号进行变频；

成帧器，与所述第一变频器和第二变频器连接，用于将需要传递的时频信号按照预定的格式进行组装、编码，形成时频帧数据；

扩频码发生器，与所述第二变频器连接，用于生成扩频码；

扩频器，与所述成帧器和扩频码发生器连接，用于将所述成帧器生成的时频帧数据与扩频码发生器生成的扩频码进行模2加或相乘，形成扩频数据；

调制器，与所述扩频器和第二变频器连接，用于对所述扩频器生成的扩频数据进行相位调制；

上变频器，与所述调制器和第二变频器连接，用于将相位调制后的扩频数据转换成射频信号；

电/光变换器，与所述上变频器连接，用于将所述上变频器生成的射频信号调制为光信号并输出；

第一光环形器，与所述电/光变换器连接，用于进行收发隔离。

优选的，所述发射端还包括：本地振荡器，与所述第二变频器连接，用于输出作为所述时钟源输出频率信号的备份的信号。

优选的，所述成帧器生成的时频帧数据包括：

帧头，用于标识一个帧的起始；

站点编号，用于唯一标识时频网络中一个端节点或中间节点；

质量指示信息，用于标识一个站点的信号等级和运行状况信息；

路由信息，用于标识一个站点的信号的路径；

TOD信息，为标记本时频帧的当前时间；

OMM信息，用于对系统的运行状况进行管理；

预留信息。

优选的，所述接收端包括：

第二光环形器，用于进行收发隔离；

光/电变换器，与所述第二光环形器连接，用于将接收到的光信号变换为射频信号；

下变频器，与所述光/电变换器连接，用于将所述光/电变换器输出的射频信号转换为中频信号；

解调器，与所述下变频器连接，用于将所述下变频器生成的中频信号进行解调；

基带处理器，与所述解调器连接，用于对解调后的中频信号进行处理得到所述时频信号。

光纤中传递时间频率信号的方法，包括：

S1.发射端将需要传递的时频信号调制成一路调制信号，并将该调制信号发出，所述需要传递的时频信号包括秒脉冲信号和频率信号；

S2.接收端接收并解调所述发射端发出的所述调制信号，并将解调后的信号进行处理得到时频信号。

优选的，所述步骤S1包括：

发射端将需要传递的时频信号按照预定的格式进行组装、编码，形成时频帧数据，所述需要传递的时频信号包括秒脉冲信号和频率信号；

发射端生成扩频码；

发射端将所述时频帧数据与扩频码进行模2加或相乘，形成扩频数据；

发射端对所述扩频数据进行相位调制，并将相位调制后的扩频数据转换成射频信号；

发射端将所述射频信号调制为光信号，并将该光信号通过光纤进行传输。

优选的，所述步骤S2包括：

接收端接收所述发射端传输的光信号，并将接收到的光信号变换为射频信号；

接收端将所述射频信号转换为中频信号并进行解调；

接收端对解调后的中频信号进行处理得到时频信号。

本发明的有益效果是：

（1）本发明将秒脉冲信号和频率信号混合调制成一路信号进行传输，节省了光纤波长资源，而且秒脉冲信号和频率信号同时传递，信道一致性好；

（2）本发明将秒脉冲信号、频率信号、TOD信息和管理控制信息混合调制成一路信号进行传输，只使用了单根光纤里面的一个波长，节省了光纤波长资源，降低了成本；

（3）本发明中以秒脉冲标识一个周期信号，以该周期信号的相位作为时间同步信号传递，秒脉冲信号的周期大于所述周期信号的周期，提高了时间传递的精确度；

（4）利用路由信息标识正在传输的时频信号从哪里来，到哪里去，方便后续的时频站点得到完整的输入信号的来源；

（5）利用质量指示信息标识传递的时频信号的信号质量，方便时频网络的信号路由选择；

（6）站点发送的信号中携带站点编号，方便时频网络中各站点的区分，以及方便路径的选择和管理。

附图说明

图1为光纤中传递时间频率信号的系统的一种组成框图；

图2为时频数据的一种组成示意图；

图3为光纤中传递时间频率信号的方法的一种流程示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1-3，本发明提供一种光纤中传递时间频率信号的系统和方法：

实施例一

如图1所示，光纤中传递时间频率信号的系统，包括发射端和接收端。所述发射端用于将需要传递的时频信号调制成一路调制信号，并将该调制信号发出，所述需要传递的时频信号包括秒脉冲信号和频率信号。所述接收端用于接收并解调所述发射端发出的所述调制信号，并将解调后的信号进行处理得到时频信号。通过将秒脉冲信号和频率信号混合调制成一路信号进行传输，节省了光纤波长资源，而且秒脉冲信号和频率信号同时传递，信道一致性好。在一些实施例中，所述时频信号还包括TOD信息和/或管理控制信息，如，时频信号包括秒脉冲信号、频率信号、TOD信息和/或管理控制信息，此时将秒脉冲信号、频率信号、TOD信息和管理控制信息混合调制成一路信号进行传输，只使用了单根光纤里面的一个波长，节省了光纤波长资源，降低了成本。

在一些实施例中，所述发射端包括时钟源、第一变频器、第二变频器、成帧器、扩频码发生器、扩频器、调制器、上变频器、电/光变换器和第一光环形器；所述接收端包括基带处理器和解调器、下变频器、光/电变换器和第二光环形器。

所述时钟源用于输出秒脉冲信号、TOD信息和频率信号。秒脉冲信号是实际上标识了一个时刻的重要信号，是时间频率传递的基本信号。来自时钟源的秒脉冲信号经常是1pps（即，一秒钟一个脉冲），也有pp2s的（即，偶秒脉冲，每两秒一个脉冲）本实例中以xpps统一表示。由于传递一个连续的或者准连续的周期信号（正弦波或者方波等周期信信号）的时候信号的信噪比较好，在一些实施例中，用周期信号的一个周期的某个相位点来表示一个需要传递的时刻，而秒脉冲用以表示是哪个周期（即，以一个长周期的秒脉冲信号来标识一个短周期信号，而以短周期信号的相位作为时间同步信号传递），使得时间的传递非常精确。

所述第一变频器与时钟源连接，用于将所述时钟源输出的秒脉冲信号进行变频。即，时钟源产生的秒脉冲信号xpps经第一变频器转换成系统期望传递的秒脉冲信号ypps，比如常见的是1pps，而CDMA系统使用的是pp2s，这里y是0.5。

时钟源提供的频率信号fi一般是10MHz，也有50 MHz、100 MHz的。在一些实施例，发射端还包括本地振荡器，本地振荡器输出频率信号f1，作为频率信号fi的备份信号，以便在频率信号fi出现故障时系统能够继续工作。

所述第二变频器与时钟源和本地振荡器连接，用于将所述频率信号进行变频。即第二变频器用于将频率信号fi和频率信号f1变成系统中其他电路所需要的频率信号，例如数据速率f2、码速率f3、中频f4和射频f5。

所述成帧器与第一变频器和第二变频器连接，用于将需要传递的时频信号按照预定的格式进行组装、编码，形成时频帧数据。在一些实施例中，时频帧数据包括帧头、站点编号、质量指示信息、路由信息、TOD信息、OMM信息和预留信息。成帧器将需要传递的时频信号进行组装编码的过程为：如图2所示，在秒脉冲到来时，首先插入一个帧头，该帧头是一个特定的序列，用于标识一个帧的起始；在后续的帧信息中，一般不能再出现该帧头所用的序列，如果信息中出现了与该帧头相同的序列，则需要用其他序列替代的方式来规避，规避方法是数据通信中常见的方法。帧头之后为站点编号，这是形成一个时间、频率网络的必要方法，用于唯一标识时频网络中一个端节点。站点编号之后为质量指示信息，质量指示信息是用于标识一个站点的信号等级和运行状况信息的字段。时钟源的等级不同，与之相连的时频传递站点的信号等级随之而变，或者一个站点相距时钟源较远，包括距离上的远近和经过几个时频站点传递而来。一般而言，信号传递的路径越长，经过的时频站点越多，信号质量也会越差。质量指示信息之后为路由信息，路由信息用于标识一个站点其信号从哪里来，到哪里去，该站点的下一级站点就可以用该路由信息判断它收到的多个站点的信号路径，从中选择最好的路径进行下一步的传递，最终形成一个时频网络。路由信息之后为TOD信息，TOD信息是标记本时频帧的当前时间，从一个约定的时间起计算，比如从1980年1月1日零时开始计算，该时频帧的时间单位和时频帧的持续时间有关，比如一个时频帧持续20毫秒，那么标记的时间就是当前时间与1980年1月1日零时相减后为多少个20毫秒。TOD信息之后为OMM信息，OMM信息是关于系统配置、管理、维护等信息的统称，用于对系统的运行状况进行管理。OMM信息之后为预留信息。

所述扩频码发生器与第二变频器连接，用于生成扩频码。扩频码发射器是一种序列发生器，通信或者导航系统中常用的有m序列，GOLD码，WALSH码等都是常用的产生扩频序列的方法。

所述扩频器与成帧器和扩频码发生器连接，用于将所述成帧器生成的时频帧数据与扩频码发生器生成的扩频码进行模2加（比特表示为0，1）或相乘（比特表示为+1，-1），形成扩频数据。

所述调制器与扩频器和第二变频器连接，用于对所述扩频器生成的扩频数据进行相位调制，相位调制是本领域成熟技术，如BPSK，QPSK等。

所述上变频器与调制器和第二变频器连接，用于将相位调制后的扩频数据转换成射频信号（也称为高频信号），通过在光调制之前将扩频数据变频到射频信号再传输，提高了秒脉冲信息和频率信号传递的精确度。所述射频信号可以由系统设定，但是一般是扩频信号码率的整数倍。比如如果扩频后信号是10.23MHz，那么射频信号一般是10.23MHz的整数倍，本实施例使用的射频信号中心频率是1391.28MHz，为10.23MHz的136倍。

所述电/光变换器（E/O）与所述上变频器连接，用于将所述上变频器生成的射频信号调制为光信号，以通过光纤进行长距离传输。所述光/电变换器（O/E）的作用和电/光变换器的作用相反，光/电变换器的作用是把光信号变换为射频信号。

所述第一光环形器与所述电/光变换器连接，所述第二光环形器与光/电变换器连接。所述第一光环形器和第二光环形器用于进行收发隔离，即，实现光信号在光纤中进行双向传输时收发信号之间的隔离。

所述下变频器与光/电变换器连接，下变频器的作用与上变频器的作用相反，用于将所述光/电变换器输出的射频信号转换为中频信号。

所述解调器与下变频器连接，解调器的作用与调制器的作用相反，用于将所述下变频器生成的经过BPSK或者QPSK等调制起来的中频信号进行解调，分为I和Q信号，供基带处理器进行处理。

所述基带处理器与解调器连接，用于对解调后的中频信号进行处理得到所述时频信号，处理过程包括解扩频、信号搜索、信号跟踪、译码等，最终输出zPPS、频率信号fo、TOD信息、OMM信息等。上述基带处理器处理信号的方法，是通信系统中常见的方法，如CDMA移动通信系统。

实施例二

如图3所示，光纤中传递时间频率信号的方法，包括：

S1.发射端将需要传递的时频信号调制成一路调制信号，并将该调制信号发出，所述需要传递的时频信号包括秒脉冲信号和频率信号。

本实施例通过将秒脉冲信号和频率信号混合调制成一路信号进行传输，节省了光纤波长资源，而且秒脉冲信号和频率信号同时传递，信道一致性好。在一些实施例中，所述时频信号还包括TOD信息和/或管理控制信息，如，时频信号包括秒脉冲信号、频率信号、TOD信息和/或管理控制信息，此时将秒脉冲信号、频率信号、TOD信息和管理控制信息混合调制成一路信号进行传输，只使用了单根光纤里面的一个波长，节省了光纤波长资源，降低了成本。

所述步骤S1包括：

S11.发射端将需要传递的时频信号按照预定的格式进行组装、编码，形成时频帧数据，所述需要传递的时频信号包括秒脉冲信号和频率信号。

由于传递一个连续的或者准连续的周期信号（正弦波或者方波等周期信信号）的时候信号的信噪比较好，在一些实施例中，用周期信号的一个周期的某个相位点来表示一个需要传递的时刻，而秒脉冲用以表示是哪个周期（即，以一个长周期的秒脉冲信号来标识一个短周期信号，而以短周期信号的相位作为时间同步信号传递），使得时间的传递非常精确。

在一些实施例中，时频帧数据包括帧头、站点编号、质量指示信息、路由信息、TOD信息、OMM信息和预留信息。成帧器将需要传递的时频信号进行组装编码的过程为：如图2所示，在秒脉冲到来时，首先插入一个帧头，该帧头是一个特定的序列，用于标识一个帧的起始；在后续的帧信息中，一般不能再出现该帧头所用的序列。帧头之后为站点编号，用于唯一标识时频网络中一个端节点。站点编号之后为质量指示信息，质量指示信息是用于标识一个站点的信号等级和运行状况信息的字段。时钟源的等级不同，与之相连的时频传递站点的信号等级随之而变；信号传递的路径越长，经过的时频站点越多，信号质量也会越差。质量指示信息之后为路由信息，路由信息用于标识一个站点其信号从哪里来，到哪里去，该站点的下一级站点就可以用该路由信息判断它收到的多个站点的信号路径，从中选择最好的路径进行下一步的传递，最终形成一个时频网络。路由信息之后为TOD信息，TOD信息是标记本时频帧的当前时间，从一个约定的时间起计算，该时频帧的时间单位和时频帧的持续时间有关。TOD信息之后为OMM信息，OMM信息是关于系统配置、管理、维护等信息的统称，用于对系统的运行状况进行管理。OMM信息之后为预留信息。

S12.发射端生成扩频码。

S13.发射端将所述时频帧数据与扩频码进行模2加或相乘，形成扩频数据。

S14.发射端对所述扩频数据进行相位调制，并将相位调制后的扩频数据转换成射频信号。

本实施例在光调制之前将扩频数据变频到射频信号再传输，提高了秒脉冲信息和频率信号传递的精确度。

S15.发射端将所述射频信号调制为光信号，并将该光信号通过光纤进行传输。

S2.接收端接收并解调所述发射端发出的所述调制信号，并将解调后的信号进行处理得到时频信号。

所述步骤S2包括：

S21.接收端接收所述发射端传输的光信号，并将接收到的光信号变换为射频信号。

S22.接收端将所述射频信号转换为中频信号并进行解调。

S23.接收端对解调后的中频信号进行处理得到时频信号，处理过程包括解扩频、信号搜索、信号跟踪、译码等，最终输出zPPS、频率信号fo、TOD信息、OMM信息等。上述接收端处理信号的方法，是通信系统中常见的方法，如CDMA移动通信系统。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.光纤中传递时间频率信号的系统，其特征在于，包括：

发射端，用于将需要传递的时频信号调制成一路调制信号，并将该调制信号发出，所述需要传递的时频信号包括秒脉冲信号和频率信号；

接收端，用于接收并解调所述发射端发出的所述调制信号，并将解调后的信号进行处理得到时频信号。

2.根据权利要求1所述的光纤中传递时间频率信号的系统，其特征在于，所述时频信号还包括TOD信息和/或管理控制信息。

3.根据权利要求1所述的光纤中传递时间频率信号的系统，其特征在于，所述秒脉冲信号用于标识一个周期信号，所述周期信号的相位作为进行传递的时间同步信号，所述秒脉冲信号的周期大于所述周期信号的周期。

4.根据权利要求1所述的光纤中传递时间频率信号的系统，其特征在于，所述发射端包括：

时钟源，用于输出秒脉冲信号、TOD信息和频率信号；

第一变频器，与所述时钟源连接，用于将所述时钟源输出的秒脉冲信号进行变频；

第二变频器，与所述时钟源连接，用于将所述频率信号进行变频；

成帧器，与所述第一变频器和第二变频器连接，用于将需要传递的时频信号按照预定的格式进行组装、编码，形成时频帧数据；

扩频码发生器，与所述第二变频器连接，用于生成扩频码；

扩频器，与所述成帧器和扩频码发生器连接，用于将所述成帧器生成的时频帧数据与扩频码发生器生成的扩频码进行模2加或相乘，形成扩频数据；

调制器，与所述扩频器和第二变频器连接，用于对所述扩频器生成的扩频数据进行相位调制；

上变频器，与所述调制器和第二变频器连接，用于将相位调制后的扩频数据转换成射频信号；

电/光变换器，与所述上变频器连接，用于将所述上变频器生成的射频信号调制为光信号并输出；

第一光环形器，与所述电/光变换器连接，用于进行收发隔离。

5.根据权利要求4所述的光纤中传递时间频率信号的系统，其特征在于，所述发射端还包括：本地振荡器，与所述第二变频器连接，用于输出作为所述时钟源输出频率信号的备份的信号。

6.根据权利要求4所述的光纤中传递时间频率信号的系统，其特征在于，所述成帧器生成的时频帧数据包括：

帧头，用于标识一个帧的起始；

站点编号，用于唯一标识时频网络中一个端节点或中间节点；

质量指示信息，用于标识一个站点的信号等级和运行状况信息；

路由信息，用于标识一个站点的信号的路径；

TOD信息，为标记本时频帧的当前时间；

OMM信息，用于对系统的运行状况进行管理；

预留信息。

7.根据权利要求1所述的光纤中传递时间频率信号的系统，其特征在于，所述接收端包括：

第二光环形器，用于进行收发隔离；

光/电变换器，与所述第二光环形器连接，用于将接收到的光信号变换为射频信号；

下变频器，与所述光/电变换器连接，用于将所述光/电变换器输出的射频信号转换为中频信号；

解调器，与所述下变频器连接，用于将所述下变频器生成的中频信号进行解调；

基带处理器，与所述解调器连接，用于对解调后的中频信号进行处理得到所述时频信号。

8.光纤中传递时间频率信号的方法，其特征在于，包括：

S1.发射端将需要传递的时频信号调制成一路调制信号，并将该调制信号发出，所述需要传递的时频信号包括秒脉冲信号和频率信号；

S2.接收端接收并解调所述发射端发出的所述调制信号，并将解调后的信号进行处理得到时频信号。

9.根据权利要求8所述的光纤中传递时间频率信号的方法，其特征在于，所述步骤S1包括：

发射端将需要传递的时频信号按照预定的格式进行组装、编码，形成时频帧数据，所述需要传递的时频信号包括秒脉冲信号和频率信号；

发射端生成扩频码；

发射端将所述时频帧数据与扩频码进行模2加或相乘，形成扩频数据；

发射端对所述扩频数据进行相位调制，并将相位调制后的扩频数据转换成射频信号；

发射端将所述射频信号调制为光信号，并将该光信号通过光纤进行传输。

10.根据权利要求8所述的光纤中传递时间频率信号的方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

接收端接收所述发射端传输的光信号，并将接收到的光信号变换为射频信号；

接收端将所述射频信号转换为中频信号并进行解调；

接收端对解调后的中频信号进行处理得到时频信号。

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