CN110798279A - 定时校准系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种定时校准系统，包括主端和从端，其中，所述主端关联发送时钟信号和定时信号，所述从端关联接收所述时钟信号和所述定时信号，并将所述定时信号的一部分发送回所述主端，所述主端接收返回的定时信号，并且使用所述定时信号的发送时刻、所述定时信号的接收时刻以及所述定时信号的返回时刻校准所述从端的时钟。上述系统可以是基于TDC芯片实现的二级系统，与现有技术的一级系统相连。进一步地，该系统可以基于时钟鉴相器和迈克尔逊干涉仪，提供第三和第四级的定时校准，最终实现阿秒精度的系统定时。

Description

定时校准系统

技术领域

本公开涉及一种时钟同步技术，尤其涉及一种定时校准系统。

背景技术

当前，测量不同信号时间关系最简单的方法是使用同一台信号测量设备(例如示波器)，可以直接读取出信号之间的时间关系(因为同一台设备的多个信号测量通道都是工作在相同时钟域)。但是，如果信号产生的物理位置分布在上百米到几十公里的范围内，并且需要测量多个信号之间的时间关系，则必须使用多台设备进行测量。此时，需要引入能够将不同测量设备时钟域校准到相同的参考时钟域的绝对定时系统，才能使得不同设备的测量信号时间具备可比性。绝对定时系统的定时精度，决定着信号之间时间关系的测量精确性。

以太网广泛应用于各种大型分布式测量和控制系统中。将同步定时技术与以太网技术相结合受到欢迎，包括NTP协议、IEEE1588标准和SyncE技术，能够实现亚秒或亚微秒的定时精度。在上述技术基础上发展出来的White Rabbit技术，使用光纤作为信号传输载体，利用一种数字鉴相器DDMTD(Digital Dual Mixer Time Difference Phase Detector)技术，可以准确测量以太网数据包到达时刻，获得亚纳秒的定时精度。

NTP、IEEE1588和SyncE技术利用以太网交换机传输数据包，受到交换机传输延时和数据包到达相位的不确定性，定时精度能达到亚微秒量级。White Rabbit技术受限于DDMTD的测量精度，定时精度能达到亚纳秒量级。在参考文献[1]“High resolutiondistributed time-to-digital converter(TDC)in a White Rabbit network”中提到，此技术应用于LHAASO装置，在1.2平方公里范围内，为6000个宇宙射线探测器节点提供绝对定时系统。定时精度测量结果的标准差(Standard Deviation)是29.2ps。

为此，鉴于当前绝对定时系统定时精度不高的问题，需要一种能够提供更高精度的定时系统。

发明内容

本公开要解决的一个技术问题是提供一种可以获得更高绝对定时精度的系统，该系统具有可裁剪的定时，可以逐级(可以是二级，三级和四级)提高定时精度，分别可以达到10皮秒(1ps＝10^-12秒)，飞秒(1fs＝10^-15秒)和阿秒(1as＝10^-18秒)量级的定时精度。

根据本公开的第一个方面，提供了一种定时校准系统，包括主端和从端，其中，所述主端关联发送时钟信号和定时信号，所述从端关联接收所述时钟信号和所述定时信号，并将所述定时信号的一部分发送回所述主端，所述主端接收返回的定时信号，并且使用所述定时信号的发送时刻、所述定时信号的接收时刻以及所述定时信号的返回时刻校准所述从端的时钟。

可选地，所述主端使用主端时钟源产生连续时钟信号作为所述时钟信号，使用主端计时器获取所述连续时钟信号产生定时脉冲作为所述脉冲信号。所述主端的TDC芯片可以基于返回的所述定时脉冲确定所述定时脉冲的返回时刻。

可选地，所述从端使用所述从端计时器和所述从端TDC芯片确定所述定时脉冲的接收时刻。

可选地，所述主端在发送时刻T0发送所述时钟信号和所述定时脉冲，使用所述TDC芯片确定所述返回时刻T1，所述主端得出是所述定时脉冲到达从端的时刻T3＝(T1-T0)/2+T0，所述从端使用上述从端TDC芯片确定定时脉冲到达从端的时刻T4，并且所述系统基于T3和T4，对所述主端和所述从端的绝对时间进行二级调整。

所述系统可以使用光作为时钟信号和定时信号在所述主端和所述从端之间的传输载体。

进一步地，时钟信号和定时信号的所述关联发送和所述关联接收包括：在时间上关联发送和接收所述时钟信号和所述定时信号；和/或使用包括所述时钟信号和所述定时信号的合并信号实现在所述主端和所述从端之间的信号传输。

可选地，主端可以包括第一激光发送器和第二激光发送器，所述第一激光发送器和所述第二激光发送器发送不同波长的第一激光和第二激光，并且所述主端还包括波分复用器，所述波分复用器用于将分别包含时钟信息和定时信息的第一激光和第二激光转换为波分复用激光发送至所述从端；从端包括从端波分选择器，用于接收所述波分复用信号并进行信号分解，所述从端还包括解调装置，用于从分解出的两路信号中提取所述时钟信号和所述定时信号。主端还可以包括调制装置，用于将所述时钟信号调制在所述第一激光上。

作为替换，主端可以包括时分复用器，所述时分复用器将所述时钟信息和定时信息复用成时分复用信号，所述主端还包括激光发送器，所述激光发送器将所述时分复用信号转换为用于向所述从端发送的时分复用激光；从端包括解调装置，用于将接收到的时分复用激光转化为接收到的时分复用信号，所述从端还包括从端时分选择器，用于对接收到的时分复用信号进行信号分解，获取所述时钟信息和定时信息。

从端包括从端分光装置，用于将接收到的部分复用激光送入返回装置并发送回所述主端。返回装置可以是反射镜；或激光发送器。

可选地，系统还可以包括连接在所述主端和所述从端之间的用于传输的光纤；或者信号在所述主端和所述从端之间的自由空间内传输。

可选地，从端还包括从端分光装置，用于对关联接收所述时钟信号和所述定时信号进行分光，以获取用于确定定时信号接收时间的信号和用于返回给主端的信号，所述主端还包括主端分光装置，用于对关联发送所述时钟信号和所述定时信号以及接收的返回的定时信号进行分光。

可选地，系统包括多个从端，所述主端与每一个从端配合以校准所述对应从端上的时钟。

系统可以是多级定时系统。可选地，该系统可以包括一级定时系统，用于对所述主端和所述从端的绝对时间进行一级调整。

可选地，从端将所述时钟信号的一部分返回给所述主端，所述主端还包括时钟鉴相器，所述时钟鉴相器用于测量所述主端发送的时钟信号和接收到的返回的时钟信号的第一相位差，并且所述系统基于所述第一相位差对所述主端和所述从端的绝对时间进行三级调整。

可选地，主端还包括迈克尔逊干涉仪和干涉仪鉴相器，所述迈克尔逊干涉仪根据发送和返回的时钟信号通过输入的驱动电信号产生频率相同的拍频信号，所述干涉仪鉴相器测量所述拍频信号与所述驱动电信号之间的第二相位差，并且所述系统基于所述第一相位差对所述主端和所述从端的绝对时间进行四级调整。此时，第一激光发送器和所述第二激光发送器可以分别是第一稳频激光器和第二稳频激光器。

在分级系统中，上一级调整的调整精度小于下一级调整的计时范围。

本发明将四种绝对定时和相对定时方法相结合，逐级增加定时精度，并满足“上一级计时系统的最小分辨率小于等于下一级的计时范围”这个系统实现的前提条件，最高达到阿秒量级绝对定时精度。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了根据本发明一个实施例的定时校准系统的示意图。

图2示出了根据本发明另一个实施例的定时校准系统的示意图。

图3示出了根据本发明另一个实施例的定时校准系统的示意图。

图4示出了本发明从端的一个例子。

图5示出了本发明主端和从端变形的一个例子。

图6示出了根据本发明一个实施例的主端的组成示意图。

图7示出了包括相应从端的定时校准系统的组成示意图。

编号说明：

1：主端时钟源：参考时钟源。图中举例使用1GHz，也可以是其他频率，用于产生连续周期性的正弦波或方波信号。

2：1550nm连续激光器：一级或二级延时测量系统可以采用激光发送器。实现最高精度的三级延时测量系统时，光源需要采用稳频激光器。在下文的描述中，可以对应于第一激光发送器或第一稳频激光器。

3：电光调制器(EOM)：用参考时钟信号幅度调制1550nm连续激光，其输出的1550nm激光的强度按照时钟信号电压进行变化。这样在从端，使用激光接收器就可以恢复出参考时钟信号。在下文的描述中，可以对应于调制装置。

4：主端计时器：可以使用FPGA实现，实现多种功能，是系统控制的核心部分，在不同的实施例中包括如下至少一项：接收一级定时系统的绝对时间信息；接收时钟信号，增加计时器计数；当计时器到达指定时间，例如整秒，发出一个定时脉冲，代表此时刻是主端时钟域整秒时刻；按照TDC芯片的工作需求，产生复位信号和定时参考时钟(例如5MHz)，并读取TDC芯片测量结果；读取时钟鉴相器测量结果；产生迈克尔逊干涉仪工作所需的驱动信号，例如55MHz，同时发送给干涉仪鉴相器和干涉仪，并读取干涉仪鉴相器测量结果；通过常规以太网等通讯方式，获取从端计时器信息。

5：主端定时脉冲：代表主端时钟域确定时刻的脉冲信号。

6：主端1310nm激光发送器：将电信号转成光信号，输出光强度与输入的电信号电流成正比。在下文的描述中，可以对应于第二激光发送器或第二稳频激光器。

7：主端WDM MUX：将两种波长的光导入到同一根光纤中。在下文的描述中，可以对应于波分复用装置。

8：主端光耦合器：一种四端口器件，用于将两个入口光，按照一定的比较分配到两个出口。它是双向器件(光可以双向传输)，示意图中的箭头方向只是为了表明光分配工作原理，不代表光只能往一个方向传输。

9：传输长光纤或者空间光路：连接主端和从端的光纤。如果在激光器里面应用，也可能是空间光路。

10：从端光耦合器：与主端光耦合器同样的功能。

11：从端WDM DEMUX：将接受到的两种波长的光信号分配到两根不同的光纤中。在下文的描述中，可以对应于波分选择装置。

12：从端1550nm激光接收器：把光信号转换成电信号(时钟信号)，输出电信号电流大小与输入光强度成正比。

13：从端时钟信号1GHz：用于从端计时器。

14：从端计时器：使用FPGA实现，接收时钟信号，增加计时器计数；按照TDC芯片的工作需求，产生复位信号和定时参考时钟(例如5MHz)，并读取TDC芯片测量结果；通过常规以太网等通讯方式，获取主端计时器信息。

15：从端1310nm激光接收器：把光信号转换成电信号(定时脉冲信号)，输出电信号电流大小与输入光强度成正比。

16：从端定时脉冲：从端接收到的定时脉冲信号。

17：从端TDC芯片：测量定时脉冲到达从端的时刻(从端时钟域)。

18：反射镜：将1550nm和1310nm的光同时反射。

19：主端WDM DEMUX：将接受到的两种波长的光信号分配到两根不同的光纤中。

20：主端1310nm激光接收器：把光信号转换成电信号(定时脉冲信号)，输出电信号电流大小与输入光强度成正比。

21：反射定时脉冲：主端接收到的反射回来的定时脉冲信号。

22：主端TDC芯片：测量反射回来的定时脉冲到达主端的时刻(主端时钟域)。

23：迈克尔逊干涉仪：Michelson Interferometer。在参考文献[2]“Robust andprecise length stabilization of a 25-km long optical fiber using an opticalinterferometric method with a digital phase-frequency discriminator”中介绍了，通过迈克尔逊干涉仪原理，如何将光传输延时变化一个周期5fs，转换成55MHz拍频信号变化一个周期。

24：主端1550nm激光接收器：把光信号转换成电信号(时钟信号)，输出电信号电流大小与输入光强度成正比。

25：1GHz带通滤波器：只让1GHz时钟信号通过。

26：反射时钟信号1GHz：主端接收到的反射回来的时钟信号。

27：时钟鉴相器(即微波鉴相器)：测量发送和反射的两个1GHz时钟信号的相位差。

28：55MHz低通滤波器：只让55MHz时钟信号通过。

29：干涉仪信号55MHz：由干涉仪产生的55MHz拍频信号。

30：干涉仪鉴相器(即微波鉴相器)：测量干涉仪输入和输出的55MHz信号相位差。根据参考文献[2]，上述两个55MHz信号相位差变化一个周期，代表1550nm光传输延时变化5fs。

31：从端WDM MUX：将两种波长的光导入到同一根光纤中。

32：从端1550nm激光发送器：将电信号转成光信号，输出光强度与输入的电信号电流成正比。

33：从端1310nm激光发送器：将电信号转成光信号，输出光强度与输入的电信号电流成正比。

34：主端WDM-1：两种波长的光，一路入射，一路反射。

35：主端WDM-2：两种波长的光，一路入射，一路反射。

36：从端WDM-1：两种波长的光，一路入射，一路反射。

37：从端WDM-2：两种波长的光，一路入射，一路反射。

38：主端1550nm激光发送器：将电信号转成光信号，输出光强度与输入的电信号电流成正比。

39：主端时分复用器-1：在不同时间段，切换时钟信号和定时脉冲信号的输入通道。

40：主端时分复用器-2：在不同时间段，切换时钟信号和定时脉冲信号的输出通道。

41：从端时分复用器：在不同时间段，切换时钟信号和定时脉冲信号的输出通道。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在信号产生的物理位置不同，并且多个信号要测量它们之间的时间关系时，需要引入能够将不同测量设备时钟域校准到相同的参考时钟域的绝对定时系统，才能使得不同设备的测量信号时间具备可比性。而绝对定时系统的定时精度，决定着信号之间时间关系的测量精确性。现有的White Rabbit技术定时精度能达到亚纳秒量级，但仍然无法提供足够高的系统定时精度。为此，本发明提出了一种可以获得更高绝对定时精度，可裁剪的系统实现方法，逐级(可以是二级，三级和四级)提高定时精度，分别可以达到10皮秒(1ps＝10^-12秒)，飞秒(1fs＝10^-15秒)和阿秒(1as＝10^-18秒)量级的定时精度。

本发明的分布式定时系统具有一个主端，用来产生参考时钟域，包括主端时钟源和计时器。该系统至少包括一个从端，并且优选包括多个从端。主端可以与每一个从端配合，执行本发明所述的方法以校准对应从端上的时钟。所有从端的时钟域包括从端时钟信号和计时器。系统设计目标是让所有从端时钟域校准到与参考时钟域一致，简单的讲，类似让几块手表对一下表。

本系统优选可以实现为一个四级定时校准系统。在此，逐级增加定时精度的理念有些类似时钟，有秒针，分针，时针和日期计数，系统实现的一个前提条件是：确保上一级计时系统的最小分辨率小于等于下一级的计时范围。例如，分针走一格是它的最小分辨率，而秒针转一圈是秒针的测量范围。同样，分针转一圈，时针走一格，这样就构成一个逐级增加精度的定时系统。

为了实现高精度定时系统，需要解决两个核心问题：一是确保各个节点计时频率一致，优选把主端的时钟信号发送到从端，而不是让每个从端拥有自己独立的时钟源；二是需要测量主端把时钟信号发送到从端的传输延时，传输延时的测量精度决定着定时精度。

为此，在本发明的一个最为基础的实施例中，提出了一种定时校准系统，该系统包括主端和从端。主端关联发送时钟信号和定时信号。在此，时钟信号可以是主端的时钟源产生的信号，例如下例中的1GHz的连续时钟信号，例如，连续周期性的正弦波或方波信号。定时信号则是比时钟信号间隔更长的信号，例如，基于连续时钟信号并利用计时器在到达指定时间，例如，整秒时发出的脉冲。定时信号时用于在从端确定绝对时间的信号。从端关联接收所述时钟信号和所述定时信号，并将定时信号的一部分发送回所述主端，主端接收返回的定时信号，并且使用定时信号的发送时刻、定时信号的接收时刻以及定时信号的返回时刻校准所述从端的时钟。具体地，主端和从端利用上述时刻各自确定其间的传输延时，并据此进行定时校准。

主端和从端的计时器，每接收到时钟信号的一个上升沿(或下降沿)，就会增加一个计时单位。例如，时钟源工作在1GHz，那么计时单位就是1ns。绝对定时系统的核心功能是确定主端和所有从端的计时器之间的时间关系，也就是把从端时钟域校准到与主端时钟域一致。

图1示出了根据本发明一个实施例的定时校准系统的示意图。如图所示，主端100可以使用主端时钟源1产生连续时钟信号作为所述时钟信号，使用主端计时器4获取所述连续时钟信号产生定时脉冲5作为所述脉冲信号。具体地，主端可以使用TDC芯片22基于返回的所述定时脉冲确定所述定时脉冲的返回时刻。相应地，从端200使用从端计时器14和从端TDC芯片17确定所述定时脉冲的接收时刻。TDC芯片(Time-to-Digital Converter)是一种专用的测量延时的芯片。在实际工作中，TDC芯片输入一个连续的参考时钟信号，例如频率5MHz，即周期20ns。利用计时器，先使用复位信号控制计时器清零，每个参考时钟上升沿可以让计时器加1，这个计时器实际就是参考时钟序列表。当接收到触发脉冲的时候，TDC芯片可以测量触发脉冲和上一个参考时钟信号之间的延时，定时精度测量结果的标准差(Standard Deviation)在ps量级。于是，在本发明中，主端和从端计时器，可以在自己时钟域整秒的时刻把TDC芯片计时器清零，当接收到“16和21：定时脉冲信号”，TDC可以测量定时脉冲与第N个参考时钟信号之间的延时，由此确定定时脉冲信号在主端和从端时钟域的绝对时间。

由此，主端在发送时刻T0发送所述时钟信号的一个脉冲和所述定时脉冲，使用TDC芯片确定所述返回时刻T1，主端得出是所述定时脉冲到达从端的时刻T3＝(T1-T0)/2+T0，从端使用上述从端TDC芯片确定定时脉冲到达从端的时刻T4，并且系统基于T3和T4，对主端和从端的绝对时间进行调整，例如，二级调整。

在此，“二级”是相对于“一级”、“三级”和“四级”而言的。“一级”、“二级”、“三级”和“四级”指代逐渐增加的定时精度。如前所述，本发明可以实现为一种逐级增加的定时系统。逐级增加定时精度的理念有些类似时钟，有秒针，分针，时针和日期计数，系统实现的一个前提条件是：确保上一级计时系统的最小分辨率小于等于下一级的计时范围。例如，分针走一格是它的最小分辨率，而秒针转一圈是秒针的测量范围。同样，分针转一圈，时针走一格，这样就构成一个逐级增加精度的定时系统。

在一个实施例中，本发明可以选取四种不同的定时技术，在满足上述前提条件的情况下将这四种技术集成到一个系统中。在本发明的一个实施例中，本发明的定时校准系统(例如，包括第二级到第四级)可以与例如由现有技术实现的“一级”定时系统组合。可以理解的是，此方案的四种绝对定时方法是可以裁剪的，可以根据需要，选择使用两级，三级或四级，从而达到不同的绝对定时精度，满足不同需求。

第一级可以使用常规的NTP或IEEE1588等网络定时技术，可以初步校准主端和从端时钟域的绝对时间计时器误差在0.1s以内。由于可以相对独立地采用现有技术实现，因此一级系统未在图中示出。图1则可以看出是仅包括二级定时系统的本发明的实现例(包括三级和/或四级定时的系统将在如下结合附图详述)。于是，即便只选择常规的NTP协议或IEEE1588标准网络定时方法(一级系统)和TDC芯片定时方法(二级系统)，也可以达到比White Rabbit高的定时精度，在10ps以内。

在本发明中，需要对时钟信号和定时信号进行关联的发送和接收，并且优选地包括关联地返回。由此，通过关联性的引进，能够确保在基于时钟信号(例如，基于主端和从端各自配备的计时器)获知绝对时间的同时，基于定时脉冲的校准进行绝对时间的精确对齐。

在此，关联性可以是时间上的关联性，例如可以在时间上关联发送和接收所述时钟信号和所述定时信号，例如，同时或是间隔特定时间发送。关联性也可以是信号上的关联性，例如，可以使用包括所述时钟信号和所述定时信号的合并信号实现在所述主端和所述从端之间的信号传输。

在图1的优选实施例中，采用光作为时钟信号和定时信号的载体。例如，使用1550nm连续激光作为时钟信号的载体。为了不影响时钟信号，需要把定时脉冲信号采用另外一种波长的光发送，例如图中的1310nm激光。随后，针对波长不相同的两束激光，可以利用波分复用(MUX)装置和对应的波分选择(DEMUX)装置实现时钟信号和定时信号的同时调制、传输、选择解调和获取，以及优选的返回操作。

在图1的示例中，主端包括第一激光发送器38和第二激光发送器6，所述第一激光发送器和所述第二激光发送器发送不同波长的第一激光和第二激光。激光发送器主要由激光二极管构成，在线性区间内，输出光强度与输入的电流大小成正比。为此，第一激光发送器和第二激光发送器可以基于输入的表征时钟信号和定时信号的电流大小来示出相应光强的光。主端还包括波分复用器7，所述波分复用器用于将分别包含时钟信息和定时信息的第一激光和第二激光转换为波分复用激光发送至所述从端。

所述从端包括从端波分选择器11，用于接收所述波分复用信号并进行信号分解，所述从端还包括解调装置，用于从分解出的两路信号中提取所述时钟信号和所述定时信号。解调装置可以是图示的第一激光接收器12和第二激光接收器13。激光接收器主要由光电二极管构成，在线性区间内，输出的电流大小与输入的光强度成正比。由此，通过输出电流的大小，表征从主端接收的时钟信号和定时信号。

在此，波分复用器和波分选择成对使用。在发送端(主端)，使用WDM MUX器件(对应于主端的波分复用器)，将一系列载有信息、但波长不同的光信号合成一束，沿着单根光纤传输；在接收端(从端)，使用WDM DEMUX器件(对应于从端的波分选择器)，将各个不同波长的光信号分开。

主端还可以包括调制装置，用于将时钟信号更为精确地调制在所述第一激光发送器发送的第一激光上。调制装置可以是电光调制器。电光调制器EOM(Electro-OpticModulator)是一种用于激光幅度调制的器件。

在另一个实施例中，可以利用时分复用实现时钟信号和定时信号的同光束传播。图2示出了根据本发明另一个实施例的定时校准系统的示意图。在该实施例中，波分复用器可以换成时分复用器(例如，电信号的单刀双掷开关)。电子学相关电路结构可以在输入时钟信号是断续的情况下实现输出时钟信号连续。当有时钟输入的时候，电路控制输出时钟始终与输入时钟锁相。当没有时钟输入的时候，电路保持输出时钟相位固定不变。以太网SyncE就是利用这种技术实现时钟的传递，因为以太网数据包不是连续发送的，而是断续发送的。定时脉冲本身就是一个断续的信号，为此，就可以用时分复用器替代波分复用器。

于是，如图2所示，主端100包括时分复用器39，所述时分复用器将所述时钟信息和定时信息复用成时分复用信号。由于时钟信息和定时信息被合并在同一个电信号上，此时主端只需要一个激光发送器38，所述激光发送器将所述时分复用信号转换为用于向所述从端发送的时分复用激光。

从端200包括解调装置12，用于将接收到的时分复用激光转化为接收到的时分复用信号，所述从端还包括从端时分选择器41，用于对接收到的时分复用信号进行信号分解，获取所述时钟信息和定时信息。

在本发明中，为了将接收到的部分光返回，从端可以包括从端分光装置，用于将接收到的部分复用激光送入返回装置并发送回所述主端。从端分光装置可以是从端光耦合器10。从端使用光耦合器，分配一部分光给到激光接收器，将光信号转换成电信号，电信号的电流大小与光强度呈线性关系，这样从端就产生了与主端频率一致的时钟信号。分配另外一部分光给反射镜，把光信号反射回主端。因为反射的光也是经过幅度调制的，所以在主端使用一个激光接收器，也能产生反射的时钟信号。在主端测量出发送和接收到的信号延时，除以2，就是主端和从端之间的传输延时。

在波分复用的例子中，从端光耦合器用于将波分复用激光分为第一波分复用激光和第二波分复用激光，所述第一复用激光被送入所述解调装置，所述第二复用激光由返回装置发送回所述主端。返回装置可以是反射镜18；也可以是激光发送器33。在时分复用的例子中，从端光耦合器用于将时分复用激光分为第一时分复用激光和第二时分复用激光，所述第一时分复用激光被送入所述时分选择器，所述第二时分复用激光由返回装置发送回所述主端。同样地，返回装置可以是反射镜18；也可以是激光发送器33。

主端也可以包括主端分光装置，例如，主端光耦合器8，用于对关联发送所述时钟信号和所述定时信号以及接收的返回的定时信号进行分光。

光束在主端和从端之间的传输可以通过光纤9，也可以在自由空间9中传播。于是，所述系统还包括连接在所述主端和所述从端之间的用于传输的光纤；或者信号在所述主端和所述从端之间的自由空间内传输。

如图2所示，主端还可以包括时钟鉴相器27。时钟鉴相器可以测量发送和反射的时钟信号的相位差，其产生一个电压信号与相位差呈线性关系。如果时钟频率1GHz，即周期1ns，如果使用20bit有效位数ADC测量上述电压信号，就可以得到1fs的时间分辨率。在本发明中，时钟鉴相器27用于测量所述主端发送的时钟信号和接收到的返回的时钟信号的第一相位差，并且所述系统基于所述第一相位差对所述主端和所述从端的绝对时间进行如上所述的三级定时调整。

在不同的实施例中，返回的信号可以仅包括定时信号，也可以进一步包括时钟信号。图3示出了根据本发明另一个实施例的定时校准系统的示意图。如前所述，图3也包括基于TDC芯片定时和时钟鉴相器实现的二级和三级定时系统。与此同时，由于从端使用了反光镜18直接将波分复用的激光信号反射回主端，因此主端进一步包括了主端WDM DEMUX 19，用于将返回的波分复用信号中各个不同波长的光信号分开，以供TDC芯片22基于反射的定时脉冲21完成二级定时校准，并且使得时钟鉴相器27能够基于反射的时钟信号26完成三级定时校准。

在一个实施例中，从端也可以使用激光发送器来实现对时钟信号和定时信号两者的反射。图4示出了本发明从端的一个例子。

从端1550nm激光发送器32将从从端1550nm激光接收器12获取的、包含时钟信息的电信号转成光信号，其中输出光强度与输入的电信号电流成正比。从端1310nm激光发送器33则将从从端1310nm激光接收器15获取的、包含定时信息的电信号转成光信号，其中输出光强度与输入的电信号电流同一成正比。从端WDM MUX 31将两种波长的光导入到同一根光纤中，并经由从端光耦合器10(图4中未示出)返回给主端。

在一个实施例中，主端和从端的波分复用器无需同时接收入射光或是反射光。换句话说，波分复用器在使用的时候，两种波长的光未必是同一个方向传输的，也可以是一路入射光，一路反射光。图5示出了本发明主端和从端变形的一个例子。如图所示，主端的两个波分复用器34和35，以及从端的两个波分复用器36和37可以对一路入射和一路反射的光进行波分复用。

如前所示，本发明的定时系统还可以包括精度更高的第四级系统。图6示出了根据本发明一个实施例的主端的组成示意图。图7示出了包括相应从端的定时校准系统的组成示意图。如图所示，主端进一步还包括迈克尔逊干涉仪23和干涉仪鉴相器30。迈克尔逊干涉仪23根据发送和返回的时钟信号通过输入的驱动电信号产生频率相同的拍频信号，干涉仪鉴相器30测量所述拍频信号与所述驱动电信号之间的第二相位差。在此，用于输入迈克尔逊干涉仪23和干涉仪鉴相器30的驱动电信号可以是由主端时钟源产生的信号，例如，55MHz信号。发送和返回的时钟信号之间的相位差由迈克尔逊干涉仪23产生的拍频信号进行放大体现，并在干涉仪鉴相器30处进行鉴相，以确定所述拍频信号与所述驱动信号之间的具体相位差的值。由此，系统可以基于第一相位差对所述主端和所述从端的绝对时间进行四级调整。

为了实现最高精度的四级定时系统，对于激光波长的稳定性要求非常高，常规的激光发送器无法满足，由此优选采用稳频激光器结合电光调制器(EOM)来实现光的幅度调制。此时，第一激光发送器2和第二激光发送器6可以分别是第一稳频激光器和第二稳频激光器。主端则可以经由额外的调整装置来完成对时钟信号的光调整。如图所示，主端把时钟信号和1550nm激光输入到电光调制器(EOM)3，其输出的1550nm激光的强度按照时钟信号电压进行变化。

微波鉴相器和迈克尔逊干涉仪技术都只能测量相位变化，无法知道信号传输延时总共是多少个周期，也就是无法知道绝对延时时间。此时，就需要如本发明所示使用能够基于定时脉冲确定绝对时间的TDC芯片。如前所述，主端和从端利用各自的计时器，使用复位信号控制计时器清零，每个参考时钟上升沿可以让计时器加1，这个计时器实际就是参考时钟序列表。当接收到触发脉冲的时候，TDC芯片可以测量触发脉冲和上一个参考时钟信号之间的延时，定时精度测量结果的标准差(Standard Deviation)是8.6ps。由此，主端和从端计时器，可以在自己时钟域整秒的时刻把TDC芯片计时器清零，当接收到“16和21：定时脉冲信号”，TDC可以测量定时脉冲与第N个参考时钟信号之间的延时，从而确定定时脉冲信号在主端和从端时钟域的绝对时间。

综上所述，在主端和所有从端都具备常规以太网通讯的前提下，四级绝对定时系统，逐级增加定时精度的过程如下：

1)使用NTP或IEEE1588网络定时方法，初步校准主端和从端时钟域的绝对时间计时器误差在0.1s以内。

2)主端使用TDC芯片和定时脉冲信号(由主端时钟域在整秒T0时刻发出)，获得反射定时脉冲到达主端的时刻(主端时钟域)T1，那么T3＝(T1-T0)/2+T0就是在主端时钟域，定时脉冲到达从端的时刻。

3)从端接收到定时脉冲，使用TDC芯片，获得在从端时钟域，定时脉冲到达从端的时刻T4。

4)有了T3和T4，就可以校准主端和从端时钟域的绝对时间计时器误差到10ps以内。

5)使用微波鉴相器，测量主端发送的时钟和接收到的反射时钟的相位差，如果时钟频率是1GHz，使用20bit有效位数ADC测量鉴相器输出的电压信号，可以获得1fs的时间分辨率(时钟频率越高，ADC有效位数越高，那么时间分辨率就越高)。

6)使用迈克尔逊干涉仪，产生一个55MHz拍频信号，使用微波鉴相器，测量拍频信号与驱动信号之间的相位差，使用12bit有效位数ADC测量鉴相器输出的电压信号，就可以获得1.2as的时间分辨率。

上述四级定时系统的计时范围和最小分辨率分别是：一级(无限，0.1s)，二级(1秒，10ps)，三级(1ns，1fs)，四级(5fs，1as)。满足了逐级增加精度的定时系统的前提条件。

将四种绝对定时和相对定时方法相结合，逐级增加定时精度，并满足“上一级计时系统的最小分辨率小于等于下一级的计时范围”这个系统实现的前提条件，最高达到阿秒量级绝对定时精度。包括常规的NTP协议或IEEE1588标准网络定时方法，TDC芯片定时方法，微波鉴相器测量时钟信号相位差，迈克尔逊干涉仪测量光传输相位差。在此，通过由FPGA实现的计时器，可以最终集成四级定时方法信号的测量结果并完成绝对时间的计算。

此方案的四种绝对定时方法是可以裁剪的，可以根据需要，选择使用两级，三级或四级，从而达到不同的绝对定时精度，满足不同需求。也可以不使用NTP或IEEE1588网络定时方法，而只使用延时测量系统，实现一级，二级或者三级信号传输延时测量绝对定时系统，实现不同延时测量精度。也可以只使用最后两级，即时钟鉴相和迈克尔逊干涉仪，实现二级相对定时系统。

具体信号频率，光波长，ADC分辨率的选择都是可以变化的，只要满足“上一级计时系统的最小分辨率小于等于下一级的计时范围”这个系统实现的前提条件，就可以构建此系统。

在最低精度的二级绝对定时系统中：

a)由于定时精度要求降低，主端和从端的时钟未必同源，可以各种使用独立的时钟源；

b)如果继续保持主端和从端的时钟同源，那么未必需要让时钟信号和定时脉冲信号由同一根光纤传输。主端时钟信号可以通过单独的电缆或者光纤，或是基于SyncE技术通过网线，传输到各个从端；

c)如果时钟信号和定时脉冲信号使用不同的通道传输，那么定时脉冲信号也未必使用光纤和激光收发器传输，可以使用单独的电缆直接传输电信号。

上文中已经参考附图详细描述了根据本发明的定时校准系统。

本方案的主端(发送端)利用电光调制器和激光发送器，将两种波长的光(例如1550nm和1310nm)进行幅度调制，分别加载时钟信号和定时脉冲信号(主端时钟域，即参考时钟域)。再利用波分复用器(WDM MUX)将两种波长的光合并，经过同一根光纤或者空间光路发送给从端(接收端)。从端先利用光耦合器把光分成两部分，一部分使用波分复用器(WDM DEMUX)和激光接收器，将两种波长的光分别恢复成电信号。而另外一部分使用反射镜在从端把两种波长的光一起反射回主端。

从端使用1550nm激光接收器恢复出来的信号作为从端时钟信号，用于产生计时器计数。用1310nm激光接收器恢复出来定时脉冲，使用TDC(Time-to-Digital Converter)芯片，测量从端计时器(从端时钟域)接收到定时脉冲的时刻。

主端将反射回来的时钟信号和定时脉冲恢复出来，测量与主端发送出去的原始信号之间的延时关系。结合TDC芯片，微波鉴相器，迈克尔逊干涉仪(MichelsonInterferometer)三种不同的测量方法，逐级增加测量精度，最高可获得阿秒量级信号传输延时测量精度。

使用常规的NTP或IEEE1588等网络定时技术，可以初步校准主端和从端时钟域的绝对时间计时器误差在0.1s以内。再结合上述三种精确的延时测量技术，就可以精确的把从端时钟域校准到与主端时钟域一致，绝对定时精度达到阿秒量级。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (20)

1.一种定时校准系统，包括主端和从端，其中，

所述主端关联发送时钟信号和定时信号，

所述从端关联接收所述时钟信号和所述定时信号，并将所述定时信号的一部分发送回所述主端，

所述主端接收返回的定时信号，并且

使用所述定时信号的发送时刻、所述定时信号的接收时刻以及所述定时信号的返回时刻校准所述从端的时钟。

2.如权利要求1所述的系统，其中，所述主端使用主端时钟源产生连续时钟信号作为所述时钟信号，使用主端计时器获取所述连续时钟信号产生定时脉冲作为所述脉冲信号。

3.如权利要求2所述的系统，其中，所述主端的TDC芯片基于返回的所述定时脉冲确定所述定时脉冲的返回时刻。

4.如权利要求3所述的系统，其中，所述从端使用所述从端计时器和所述从端TDC芯片确定所述定时脉冲的接收时刻。

5.如权利要求4所述的系统，其中，所述主端在发送时刻T0发送所述时钟信号和所述定时脉冲，使用所述TDC芯片确定所述返回时刻T1，所述主端得出是所述定时脉冲到达从端的时刻T3＝(T1-T0)/2+T0，所述从端使用上述从端TDC芯片确定定时脉冲到达从端的时刻T4，并且所述系统基于T3和T4，对所述主端和所述从端的绝对时间进行二级调整。

6.如权利要求1所述的系统，其中，所述系统使用光作为时钟信号和定时信号在所述主端和所述从端之间的传输载体。

7.如权利要求6所述的系统，其中，时钟信号和定时信号的所述关联发送和所述关联接收包括：

在时间上关联发送和接收所述时钟信号和所述定时信号；和/或

使用包括所述时钟信号和所述定时信号的合并信号实现在所述主端和所述从端之间的信号传输。

8.如权利要求7所述的系统，其中，所述主端包括第一激光发送器和第二激光发送器，所述第一激光发送器和所述第二激光发送器发送不同波长的第一激光和第二激光，并且所述主端还包括波分复用器，所述波分复用器用于将分别包含时钟信息和定时信息的第一激光和第二激光转换为波分复用激光发送至所述从端；

所述从端包括从端波分选择器，用于接收所述波分复用信号并进行信号分解，所述从端还包括解调装置，用于从分解出的两路信号中提取所述时钟信号和所述定时信号。

9.如权利要求8所述的系统，其中，所述主端还包括调制装置，用于将所述时钟信号调制在所述第一激光上。

10.如权利要求7所述的系统，其中，所述主端包括时分复用器，所述时分复用器将所述时钟信息和定时信息复用成时分复用信号，所述主端还包括激光发送器，所述激光发送器将所述时分复用信号转换为用于向所述从端发送的时分复用激光；

所述从端包括解调装置，用于将接收到的时分复用激光转化为接收到的时分复用信号，所述从端还包括从端时分选择器，用于对接收到的时分复用信号进行信号分解，获取所述时钟信息和定时信息。

11.如权利要求8或10所述的系统，其中，所述从端包括从端分光装置，用于将接收到的部分复用激光送入返回装置并发送回所述主端。

12.如权利要求11所述的系统，其中，所述返回装置是如下至少一项

反射镜；

激光发送器。

13.如权利要求6所述的系统，其中，所述系统还包括连接在所述主端和所述从端之间的用于传输的光纤；或者

信号在所述主端和所述从端之间的自由空间内传输。

14.如权利要求6所述的系统，其中，所述从端还包括从端分光装置，用于对关联接收所述时钟信号和所述定时信号进行分光，以获取用于确定定时信号接收时间的信号和用于返回给主端的信号，

所述主端还包括主端分光装置，用于对关联发送所述时钟信号和所述定时信号以及接收的返回的定时信号进行分光。

15.如权利要求1所述的系统，其中，所述系统包括多个从端，所述主端与每一个从端配合以校准所述对应从端上的时钟。

16.如权利要求1所述的系统，其中，所述系统还包括一级定时系统，用于对所述主端和所述从端的绝对时间进行一级调整。

17.如权利要求1所述的系统，其中，所述从端将所述时钟信号的一部分返回给所述主端，

所述主端还包括时钟鉴相器，所述时钟鉴相器用于测量所述主端发送的时钟信号和接收到的返回的时钟信号的第一相位差，并且所述系统基于所述第一相位差对所述主端和所述从端的绝对时间进行三级调整。

18.如权利要求17所述的系统，其中，所述主端还包括迈克尔逊干涉仪和干涉仪鉴相器，所述迈克尔逊干涉仪根据发送和返回的时钟信号通过输入的驱动电信号产生频率相同的拍频信号，所述干涉仪鉴相器测量所述拍频信号与所述驱动电信号之间的第二相位差，并且所述系统基于所述第一相位差对所述主端和所述从端的绝对时间进行四级调整。

19.如权利要求18所述的系统，其中，所述第一激光发送器和所述第二激光发送器分别是第一稳频激光器和第二稳频激光器。

20.如权利要求17所述的系统，其中，上一级调整的调整精度小于下一级调整的计时范围。

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