CN111642005B - 一种基于自由空间激光通信的时间与频率同步系统及方法 - Google Patents

一种基于自由空间激光通信的时间与频率同步系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于自由空间激光通信的时间与频率同步系统及方法，该系统包括同步系统主站和同步系统从站；所述同步系统主站包主站时间同步终端、主站频率同步终端、波分复用器和扩束镜，同步系统从站包括从站时间同步终端、从站频率同步终端、波分复用器和扩束镜。本发明采用激光通信技术，能够自动实现主站与从站之间的时间和频率的同步，保障5G基站的稳定运行。该系统及方法通信容量大、不受电磁干扰、保密性强、设备轻便、机动性好等特点，能够实现点到点或点到多点的时间及频率同步过程。

Description

一种基于自由空间激光通信的时间与频率同步系统及方法
技术领域
本发明涉及激光通信技术领域，尤其涉及一种基于自由空间激光通信的时间与频率同步系统及方法。
背景技术
随着科技的发展，5G通信正逐渐进入我们的生活当中，5G基站的时间与频率的同步是5G通信的基础，因此，保障5G基站的时间与频率的同步在基站设计中显得格外重要。
现有技术中多采用GPS技术来实现基站间的时间与频率同步，然而GPS易受到干扰，不能完全保障整个系统的稳定运行。基于自由空间的激光通信方式因其通信容量大、不受电磁干扰、保密性强、设备轻便、机动性好以及可实现点到点或点到多点的优势，将基于自由空间的激光通信方式应用于时间与频率的同步是5G通信领域研究的热门方向。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种基于自由空间激光通信的时间与频率同步系统及方法，采用激光通信技术，能够自动实现主站与从站之间的时间和频率的同步，保障5G基站的稳定运行。
一种基于自由空间激光通信的时间与频率同步系统，包括同步系统主站和同步系统从站；所述同步系统主站包主站时间同步终端、主站频率同步终端、波分复用器和扩束镜，同步系统从站包括从站时间同步终端、从站频率同步终端、波分复用器和扩束镜。
一个主站其对应的从站可设有一个或多个。
进一步的，主站频率同步终端包括频率源、激光器、环形器、光纤拉伸器、光电探测器、鉴相器和PI控制器；频率源与激光器和鉴相器连接，激光器与环形器连接，环形器与光电探测器和光纤拉伸器连接，光电探测器与鉴相器连接，鉴相器和PI控制器连接，PI控制器和光纤拉伸器连接，光纤拉伸器与波分复用器连接；
从站频率同步终端包括耦合器、反射镜、光电探测器和频率输出端；频率输出端与光电探测器连接，光电探测器与耦合器连接，耦合器与反射镜和波分复用器连接。
进一步的，主站时间同步终端包括时间源、时间编码器、调制单元、激光器、环形器、解调单元、时间解码器和时间同步单元；时间源与时间同步单元和时间编码器连接，时间编码器和调制单元连接，调制单元和激光器连接，激光器和环形器连接，环形器和波分复用器及光电探测器连接，光电探测器和解调单元连接，解调单元和时间解码器连接，时间解码器和时间同步单元连接；
从站时间同步终端包括时间源、时间编码器、调制单元、激光器、环形器、解调单元、时间解码器和时间同步单元；时间源与时间同步单元和时间编码器连接，时间编码器和调制单元连接，调制单元和激光器连接，激光器和环形器连接，环形器和波分复用器及光电探测器连接，光电探测器和解调单元连接，解调单元和时间解码器连接，时间解码器和时间同步单元连接。
进一步的，时间同步单元通过时间间隔测量和时延完成时间同步。
一种基于自由空间激光通信的时间与频率同步方法，包括以下步骤：
S1：主站频率同步终端发出第一频率信号至同步系统主站的波分复用器，主站时间同步终端发出第一时间信号至同步系统主站的波分复用器；
S2：同步系统主站的波分复用器将第一频率信号和第一时间信号合成，得到第一合成信号；
S3：通过同步系统主站的扩束镜将第一合成信号发送至自由空间，同步系统从站通过扩束镜接收受到自由空间干扰后的第二合成信号；
S4：同步系统从站波分复用器将第二合成信号分解成第二频率信号和第二时间信号；
S5：第二频率信号通过从站频率同步终端处理后得到第三频率信号，将第三频率信号发送至同步系统从站的波分复用器；从站时间同步终端发出第三时间信号至同步系统从站的波分复用器；同时，第三时间信号与第二时间信号通过从站时间同步终端处理完成从站时间的同步；
S6：同步系统从站的波分复用器将第三频率信号和第三时间信号合成，得到第三合成信号；
S7：通过同步系统从站的扩束镜将第三合成信号发送至自由空间，同步系统主站通过扩束镜接收受到自由空间干扰后的第四合成信号；
S8：同步系统主站波分复用器将干扰后的第四合成信号分解成第四时间信号和第四频率信号；
S9：第四时间信号通过主站时间同步终端处理后完成同步系统主站与同步系统从站的时间同步；第四频率信号通过主站频率同步终端处理后完成同步系统主站与同步系统从站的频率间同步。
进一步的，主站频率同步终端发出第一频率信号至同步系统主站的波分复用器具体步骤为：
S101：频率源发出频率信号至激光器和鉴相器；
S102：激光器接收频率信号后向环形器发送激光信号；
S103：信号经过环形器和光纤拉伸器后进入波分复用器；
所述主站时间同步终端发出第一时间信号至同步系统主站的波分复用器具体步骤为：
S111：时间源发出时间信号至时间编码器和时间同步单元；
S112：时间编码器编码后将时间信号发送至调制单元；
S113：调制后的信号发送至激光器；
S114：激光器接收时间信号后向环形器发送激光信号；
S115：激光信号经过环形器后进入波分复用器。
进一步的，第二频率信号通过从站频率同步终端处理后得到第三频率信号，将第三频率信号发送至同步系统从站的波分复用器具体为：第二频率信号经过耦合器按预设比例将信号分为两部分，一部分经过反射镜后返回波分复用器，另一部分通过光电探测器输出频率信号。
进一步的，第三时间信号与第二时间信号通过从站时间同步终端处理完成从站时间的同步具体为：
S501：第二时间信号经过环形器进入光电探测器；
S502：光电探测器将信号发送至解调单元；
S503：解调后的信号进行时间解码；
S504：解码后的信号和第三时间信号进行时间间隔测量，通过时延消除时间差。
进一步的，第四时间信号通过主站时间同步终端处理后完成同步系统主站与同步系统从站的时间同步具体为：
S901：第四时间信号经过环形器进入光电探测器；
S902：光电探测器将信号发送至解调单元；
S903：解调后的信号进行时间解码；
S904：解码后的信号和第一时间信号进行时间间隔测量，通过时延消除时间差。
进一步的，第四频率信号通过主站频率同步终端处理后完成同步系统主站与同步系统从站的频率间同步具体为：
S911：第四频率信号经过环形器进入光电探测器；
S912：光电探测器将信号发送至鉴相器；
S913：鉴相器输出第四频率信号与第一频率信号的相位差至PI控制器；
S914：PI控制器接收到信号后向光纤拉伸器发出控制指令，光纤拉伸器干涉第一频率信号的相位调制，使再发送至从站的频率信号在经过自由空间的干扰后保持与第一频率信号一致，实现同步系统主站与同步系统从站的频率同步。
本发明的有益效果：本发明采用激光通信技术，能够自动实现主站与从站之间的时间和频率的同步，保障5G基站的稳定运行。该系统及方法通信容量大、不受电磁干扰、保密性强、设备轻便、机动性好等特点，能够实现点到点或点到多点的时间及频率同步过程。
附图说明
图1是本发明系统结构图。
图2是本发明方法流程图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
在小区内的两栋相距百米的楼间各设置一个5G基站，其中一个作为同步系统主站，另一个作为同步系统从站。同步系统主站包主站时间同步终端、主站频率同步终端、波分复用器和扩束镜，同步系统从站包括从站时间同步终端、从站频率同步终端、波分复用器和扩束镜。
主站频率同步终端包括频率源、激光器、环形器、光纤拉伸器、光电探测器、鉴相器和PI控制器；频率源与激光器和鉴相器连接，激光器与环形器连接，环形器与光电探测器和光纤拉伸器连接，光电探测器与鉴相器连接，鉴相器和PI控制器连接，PI控制器和光纤拉伸器连接，光纤拉伸器与波分复用器连接；
从站频率同步终端包括耦合器、反射镜、光电探测器和频率输出端；频率输出端与光电探测器连接，光电探测器与耦合器连接，耦合器与反射镜和波分复用器连接。
主站时间同步终端包括时间源、时间编码器、调制单元、激光器、环形器、解调单元、时间解码器和时间同步单元；时间同步单元通过时间间隔测量和时延完成时间同步；时间源与时间同步单元和时间编码器连接，时间编码器和调制单元连接，调制单元和激光器连接，激光器和环形器连接，环形器和波分复用器及光电探测器连接，光电探测器和解调单元连接，解调单元和时间解码器连接，时间解码器和时间同步单元连接；
从站时间同步终端包括时间源、时间编码器、调制单元、激光器、环形器、解调单元、时间解码器和时间同步单元；时间源与时间同步单元和时间编码器连接，时间编码器和调制单元连接，调制单元和激光器连接，激光器和环形器连接，环形器和波分复用器及光电探测器连接，光电探测器和解调单元连接，解调单元和时间解码器连接，时间解码器和时间同步单元连接。
该系统的工作原理：主站频率同步终端发出第一频率信号λ1至同步系统主站的波分复用器，主站时间同步终端发出第一时间信号λ2至同步系统主站的波分复用器；同步系统主站的波分复用器将第一频率信号λ1和第一时间信号λ2合成，得到第一合成信号λ。此处信号合成的实质为，将两束激光合并为一束。
通过同步系统主站的扩束镜将第一合成信号发送至自由空间，同步系统从站通过扩束镜接收受到自由空间干扰后的第二合成信号λ’；同步系统从站波分复用器将第二合成信号分解成第二频率信号λ1’和第二时间信号λ2’。
第二频率信号λ1’经过耦合器分为9:1的两个信号，其中少量信号通过光电探测器直接输出，另一部分信号λ1’’经过反射今后返回波分复用器。
第二时间信号λ2’通过光电探测输出至解调单元，解调后经过解码器解码，再和从站时间同步终端频率源发出的第三时间信号λ2’’进行时间间隔测量，测得误差后通过时延校正时间。
同时第三时间信号还通过同样方式发送至主站，实现主站与从站的时间同步。
频率信号λ1’’和第三时间信号λ2’’通过波分复用器合成第三合成信号λ’’后，由扩束镜发射至自由空间，主站扩束镜接收受干扰后的第四合成信号λ’’’，第四合成信号λ’’’由波分复用器分成第四频率信号λ1’’’和第四时间信号。
第四频率信号λ1’’’经过环形器进入光电探测器输出至鉴相器，鉴相器输出第四频率信号λ1’’’与第一频率信号λ1的相位差至PI控制器，PI控制器接收到信号后向光纤拉伸器发出控制指令，光纤拉伸器干涉第一频率信号的相位调制，使再发送至从站的频率信号在经过自由空间的干扰后保持与第一频率信号一致，实现同步系统主站与同步系统从站的频率同步。
在本实施例中，提出的一种基于自由空间激光通信的时间与频率同步系统及方法，本发明采用激光通信技术，能够自动实现主站与从站之间的时间和频率的同步，保障5G基站的稳定运行。该系统及方法通信容量大、不受电磁干扰、保密性强、设备轻便、机动性好等特点，能够实现点到点或点到多点的时间及频率同步过程。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种基于自由空间激光通信的时间与频率同步系统，其特征在于，包括同步系统主站和同步系统从站；所述同步系统主站包主站时间同步终端、主站频率同步终端、波分复用器和扩束镜，同步系统从站包括从站时间同步终端、从站频率同步终端、波分复用器和扩束镜；
应用所述系统的同步方法包括：
S1：主站频率同步终端发出第一频率信号至同步系统主站的波分复用器，主站时间同步终端发出第一时间信号至同步系统主站的波分复用器；
S2：同步系统主站的波分复用器将第一频率信号和第一时间信号合成，得到第一合成信号；
S3：通过同步系统主站的扩束镜将第一合成信号发送至自由空间，同步系统从站通过扩束镜接收受到自由空间干扰后的第二合成信号；
S4：同步系统从站波分复用器将第二合成信号分解成第二频率信号和第二时间信号；
S5：第二频率信号通过从站频率同步终端处理后得到第三频率信号，将第三频率信号发送至同步系统从站的波分复用器；从站时间同步终端发出第三时间信号至同步系统从站的波分复用器；同时，第三时间信号与第二时间信号通过从站时间同步终端处理完成从站时间的同步；
所述第二频率信号通过从站频率同步终端处理后得到第三频率信号，将第三频率信号发送至同步系统从站的波分复用器具体为：第二频率信号经过耦合器按预设比例将信号分为两部分，一部分经过反射镜后返回波分复用器，另一部分通过光电探测器输出频率信号；
S6：同步系统从站的波分复用器将第三频率信号和第三时间信号合成，得到第三合成信号；
S7：通过同步系统从站的扩束镜将第三合成信号发送至自由空间，同步系统主站通过扩束镜接收受到自由空间干扰后的第四合成信号；
S8：同步系统主站波分复用器将干扰后的第四合成信号分解成第四时间信号和第四频率信号；
S9：第四时间信号通过主站时间同步终端处理后完成同步系统主站与同步系统从站的时间同步；第四频率信号通过主站频率同步终端处理后完成同步系统主站与同步系统从站的频率间同步；
所述第四频率信号通过主站频率同步终端处理后完成同步系统主站与同步系统从站的频率间同步具体为：
S911：第四频率信号经过环形器进入光电探测器；
S912：光电探测器将信号发送至鉴相器；
S913：鉴相器输出第四频率信号与第一频率信号的相位差至PI控制器；
S914：PI控制器接收到信号后向光纤拉伸器发出控制指令，光纤拉伸器干涉第一频率信号的相位调制，使再发送至从站的频率信号在经过自由空间的干扰后保持与第一频率信号一致，实现同步系统主站与同步系统从站的频率同步。
2.根据权利要求1所述的一种基于自由空间激光通信的时间与频率同步系统，其特征在于，所述主站频率同步终端包括频率源、激光器、环形器、光纤拉伸器、光电探测器、鉴相器和PI控制器；频率源与激光器和鉴相器连接，激光器与环形器连接，环形器与光电探测器和光纤拉伸器连接，光电探测器与鉴相器连接，鉴相器和PI控制器连接，PI控制器和光纤拉伸器连接，光纤拉伸器与波分复用器连接；
所述从站频率同步终端包括耦合器、反射镜、光电探测器和频率输出端；频率输出端与光电探测器连接，光电探测器与耦合器连接，耦合器与反射镜和波分复用器连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于自由空间激光通信的时间与频率同步系统，其特征在于，所述主站时间同步终端包括时间源、时间编码器、调制单元、激光器、环形器、解调单元、时间解码器和时间同步单元；时间源与时间同步单元和时间编码器连接，时间编码器和调制单元连接，调制单元和激光器连接，激光器和环形器连接，环形器和波分复用器及光电探测器连接，光电探测器和解调单元连接，解调单元和时间解码器连接，时间解码器和时间同步单元连接；
所述从站时间同步终端包括时间源、时间编码器、调制单元、激光器、环形器、解调单元、时间解码器和时间同步单元；时间源与时间同步单元和时间编码器连接，时间编码器和调制单元连接，调制单元和激光器连接，激光器和环形器连接，环形器和波分复用器及光电探测器连接，光电探测器和解调单元连接，解调单元和时间解码器连接，时间解码器和时间同步单元连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于自由空间激光通信的时间与频率同步系统，其特征在于，所述时间同步单元通过时间间隔测量和时延完成时间同步。
5.一种基于自由空间激光通信的时间与频率同步方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：主站频率同步终端发出第一频率信号至同步系统主站的波分复用器，主站时间同步终端发出第一时间信号至同步系统主站的波分复用器；
S2：同步系统主站的波分复用器将第一频率信号和第一时间信号合成，得到第一合成信号；
S3：通过同步系统主站的扩束镜将第一合成信号发送至自由空间，同步系统从站通过扩束镜接收受到自由空间干扰后的第二合成信号；
S4：同步系统从站波分复用器将第二合成信号分解成第二频率信号和第二时间信号；
S5：第二频率信号通过从站频率同步终端处理后得到第三频率信号，将第三频率信号发送至同步系统从站的波分复用器；从站时间同步终端发出第三时间信号至同步系统从站的波分复用器；同时，第三时间信号与第二时间信号通过从站时间同步终端处理完成从站时间的同步；
所述第二频率信号通过从站频率同步终端处理后得到第三频率信号，将第三频率信号发送至同步系统从站的波分复用器具体为：第二频率信号经过耦合器按预设比例将信号分为两部分，一部分经过反射镜后返回波分复用器，另一部分通过光电探测器输出频率信号；
S6：同步系统从站的波分复用器将第三频率信号和第三时间信号合成，得到第三合成信号；
S7：通过同步系统从站的扩束镜将第三合成信号发送至自由空间，同步系统主站通过扩束镜接收受到自由空间干扰后的第四合成信号；
S8：同步系统主站波分复用器将干扰后的第四合成信号分解成第四时间信号和第四频率信号；
S9：第四时间信号通过主站时间同步终端处理后完成同步系统主站与同步系统从站的时间同步；第四频率信号通过主站频率同步终端处理后完成同步系统主站与同步系统从站的频率间同步；
所述第四频率信号通过主站频率同步终端处理后完成同步系统主站与同步系统从站的频率间同步具体为：
S911：第四频率信号经过环形器进入光电探测器；
S912：光电探测器将信号发送至鉴相器；
S913：鉴相器输出第四频率信号与第一频率信号的相位差至PI控制器；
S914：PI控制器接收到信号后向光纤拉伸器发出控制指令，光纤拉伸器干涉第一频率信号的相位调制，使再发送至从站的频率信号在经过自由空间的干扰后保持与第一频率信号一致，实现同步系统主站与同步系统从站的频率同步。
6.根据权利要求5所述的一种基于自由空间激光通信的时间与频率同步方法，其特征在于，所述主站频率同步终端发出第一频率信号至同步系统主站的波分复用器具体步骤为：
S101：频率源发出频率信号至激光器和鉴相器；
S102：激光器接收频率信号后向环形器发送激光信号；
S103：信号经过环形器和光纤拉伸器后进入波分复用器；
所述主站时间同步终端发出第一时间信号至同步系统主站的波分复用器具体步骤为：
S111：时间源发出时间信号至时间编码器和时间同步单元；
S112：时间编码器编码后将时间信号发送至调制单元；
S113：调制后的信号发送至激光器；
S114：激光器接收时间信号后向环形器发送激光信号；
S115：激光信号经过环形器后进入波分复用器。
7.根据权利要求5所述的一种基于自由空间激光通信的时间与频率同步方法，其特征在于，所述第三时间信号与第二时间信号通过从站时间同步终端处理完成从站时间的同步具体为：
S501：第二时间信号经过环形器进入光电探测器；
S502：光电探测器将信号发送至解调单元；
S503：解调后的信号进行时间解码；
S504：解码后的信号和第三时间信号进行时间间隔测量，通过时延消除时间差。
8.根据权利要求5所述的一种基于自由空间激光通信的时间与频率同步方法，其特征在于，所述第四时间信号通过主站时间同步终端处理后完成同步系统主站与同步系统从站的时间同步具体为：
S901：第四时间信号经过环形器进入光电探测器；
S902：光电探测器将信号发送至解调单元；
S903：解调后的信号进行时间解码；
S904：解码后的信号和第一时间信号进行时间间隔测量，通过时延消除时间差。
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高精度自由空间时间与频率传递研究;侯冬等;《时间频率学报》;20180731;第1-9页 *

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