CN111934842B - 一种电学稳相时钟分配系统及方法 - Google Patents

一种电学稳相时钟分配系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于稳相传输技术领域，具体涉及一种电学稳相时钟分配系统及方法，包括参考端、同步端、相位补偿锁相环、第一接收器、第二接收器、第一发送器、第二发送器、同轴电缆、第一分功器、第二分功器，所述参考端分别设置有第一接收器、第一发送器，所述同步端分别设置有第二接收器、第二发送器、相位补偿锁相环，所述第一接收器、第一发送器均通过第一分功器与同轴电缆连接，所述第二接收器、第二发送器、相位补偿锁相环均通过第二分功器与同轴电缆连接。本发明利用稳相传输技术，得到与参考端相位一致的本地时钟信号，解决现有的稳相时钟传输方法存在的成本高、操作复杂的技术问题。本发明用于电学稳相时钟的分配。

Description

一种电学稳相时钟分配系统及方法
技术领域
本发明属于稳相传输技术领域，具体涉及一种电学稳相时钟分配系统及方法。
背景技术
在两设备间进行信号传输的过程中，外界环境因素的变化会对系统中各部分组件产生影响，会导致接收端所接收到的信号产生延迟，与发送端的信号间存在相位差。而信号同步是一项非常重要的要求，在电力系统、国防领域、无线通信等领域时钟信号的同步是必不可少、至关重要的。无论是闹钟的定时控制，还是为卫星的顺序控制，都需要系统中各部分设备接收到的时钟信号需要达到严格的同步。因此需要利用稳相传输技术，在接收端对传输延迟进行检测，以一定的方式对传输变化进行补偿，从而得到与参考端相位一致的本地时钟信号，以此来降低外界环境因素变化对信号传输产生的影响，实现高质量传输信号的目标。
目前所应用的信号稳相传输的方法有以下几种：1)基于微波光纤传输系统的稳相传输方法：该方法所利用的关键技术主要为相位检测、相位补偿和自适应控制技术三部分。利用相位差检测器件、鉴相器和ARM处理器完成信号相位检测；在对获得的相位差数据进行相应处理后，利用直调激光器对信号进行调制，并且信号传输稳定后，通过光电探测器进行直接的检测；自适应技术是为了保证信号处于长期的稳定状态，通过控制微波电控移相器，实现对信号相位的实时补偿。此方法中利用到了直调激光器、光电探测器和微波电控移相器等昂贵的仪器设备，使得成本过高；2)基于光纤的主动补偿稳相传输方法：该方法是针对于光纤链路中信号的相位抖动。通过对发送信号和往返传输信号鉴相，获得二者的相位误差信号并且反馈给主动补偿器件。通过控制补偿器件的某个参数，形成一个反馈的回路，从而对由于外界环境变化而导致的信号相位抖动进行补偿。但该方法中需要利用如可调谐激光器、压控振荡器、光纤拉伸器等主动补偿器件，这些光学仪器设备昂贵。同时控制主动补偿器件的相位误差信号需要通过复杂的电路来进行提取，操作复杂；3)基于光纤的相干型稳相传输的方法：该方法是通过在光域上进行相位检测，并且利用锁相环对信号相位的延迟进行补偿，从而达到信号稳相传输的目的。在光域上进行相位检测，因此需要高精度、稳定的光学仪器来保证检测的准确度。而高昂的仪器设备会大大增加成本。
发明内容
针对上述稳相时钟传输方法存在的成本高、操作复杂的技术问题，本发明提供了一种操作简单、成本低廉的电学稳相时钟分配系统及方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种电学稳相时钟分配系统，包括参考端、同步端、相位补偿锁相环、第一接收器、第二接收器、第一发送器、第二发送器、同轴电缆、第一分功器、第二分功器，所述参考端分别设置有第一接收器、第一发送器，所述同步端分别设置有第二接收器、第二发送器、相位补偿锁相环，所述第一接收器、第一发送器均通过第一分功器与同轴电缆连接，所述第二接收器、第二发送器、相位补偿锁相环均通过第二分功器与同轴电缆连接。
一种电学稳相时钟分配方法，包括下列步骤：
S1、初始化，设置参考端相位补偿信号值
Figure DEST_PATH_GDA0002727150460000021
同步端相位补偿信号初始值
Figure DEST_PATH_GDA0002727150460000023
同步端相位补偿信号初始值
Figure DEST_PATH_GDA0002727150460000022
S2、参考端发出参考频标信号，经由同轴电缆传送至同步端，称为远端频标信号，相位补偿锁相环接收该远端频标信号，依据当前相位补偿信号值
Figure BDA0002574137550000031
合成得出同步端本地频标信号；
S3、参考端的第一发送器发送出一个chirp信号，依据为当前参考端相位补偿信号值
Figure BDA0002574137550000032
经由同轴电缆传送至同步端，所述同步端接收chirp信号，通过测量获得其脉冲中心与此时的本地频标信号的相位差
Figure BDA0002574137550000033
S4、同步端的第二发送器发送出一个chirp信号，且相位补偿信号值为
Figure BDA0002574137550000034
经由同轴电缆传送至参考端，所述参考端接收chirp信号，通过测量获得其脉冲中心与此时的参考频标信号的相位差
Figure BDA0002574137550000035
S5、参考端的第一发送器发送出一个chirp信号，以当前参考端相位补偿信号值
Figure BDA0002574137550000036
经由同轴电缆传送至同步端，所述同步端接收 chirp信号，通过测量获得其脉冲中心与此时的本地频标信号的相位差
Figure BDA0002574137550000037
S6、调节同步端的相位补偿锁相环，对同步端本地频标信号进行调节，合成出同步端本地频标信号，使得
Figure BDA0002574137550000038
S7、同步端的第二发送器再次发送出一个chirp信号，且相位信号补偿值为
Figure BDA0002574137550000039
经由同轴电缆传送至参考端，所述参考端接收chirp信号，通过测量获得其脉冲中心与参考端的参考频标信号的相位差
Figure BDA00025741375500000310
S8、参考端的第一发送器再次发送出一个chirp信号，且相位补偿信号值为
Figure BDA00025741375500000311
所述n代表此时刻，所述n-1代表上一时刻，经由同轴电缆传送至同步端，所述同步端接收chirp信号，通过测量获得其脉冲中心与此时的本地频标信号的相位差
Figure BDA00025741375500000312
S9、调节同步端的相位补偿锁相环，对同步端本地频标信号进行调节，合成出同步端本地频标信号，使得
Figure BDA00025741375500000313
S10、同步端的第二发送器再次发送出一个chirp信号，且相位信号补偿值为
Figure BDA0002574137550000041
经由同轴电缆传送至参考端，所述参考端接收chirp 信号，通过测量获得其脉冲中心与参考端的参考频标信号的相位差为
Figure BDA0002574137550000042
S11、重复S8、S9、S10，实时反馈调节，可使得同步端的本低频标信号与参考端的参考频标信号之间的相位差逐渐逼近0，二者实现同步，逐步消除了设备间传输时钟信号时的传播延迟。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
本发明利用稳相传输技术，采用本发明设计的电学稳相时钟分配系统，以本发明提出的频标同步算法，对传输变化进行补偿，从而得到与参考端相位一致的本地时钟信号，解决现有的稳相时钟传输方法存在的成本高、操作复杂的技术问题。
附图说明
图1为本发明电学稳相时钟分配系统组成示意图；
图2为本发明电学稳相时钟分配系统工作流程图；
图3为本发明频标同步算法的校正过程示意图；
其中：R为参考端，S为同步端，PLL为相位补偿锁相环，1为第一接收器， 2为第二接收器，3为第一发送器，4为第二发送器，5为同轴电缆，6为第一分功器，7为第二分功器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
一种电学稳相时钟分配系统，如图1所示，包括参考端R、同步端S、相位补偿锁相环PLL、第一接收器1、第二接收器2、第一发送器3、第二发送器4、同轴电缆5、第一分功器6、第二分功器7，所述参考端S分别设置有第一接收器1、第一发送器3，第一发送器3用于发出时钟信号和chirp信号，第一接收器1用于接收同步端S馈送回的chirp信号，所述同步端S分别设置有第二接收器2、第二发送器4、相位补偿锁相环PLL，第二接收器2、第二发送器4分别用于接收和发送chirp信号，相位补偿锁相环PLL用于时钟信号频率锁定及相位补偿，相位补偿锁相环PLL有两个输入，两个输入分别是参考时钟信号和相位补偿信号，相位补偿锁相环PLL输出与参考时钟信号保持相位差的时钟信号，所述第一接收器1、第一发送器3均通过第一分功器6与同轴电缆5连接，所述第二接收器2、第二发送器4、相位补偿锁相环PLL均通过第二分功器7与同轴电缆5连接。
一种电学稳相时钟分配方法，如图2、图3所示，包括下列步骤：
步骤一、对系统进行初始化，使得校正过程所需的相位补偿信号初始值为0。设置参考端相位补偿信号值
Figure BDA0002574137550000051
同步端相位补偿信号初始值
Figure BDA0002574137550000052
同步端相位补偿信号初始值
Figure BDA0002574137550000053
步骤二、参考端发出参考频标信号，经由同轴电缆传送至同步端，称为远端频标信号。相位补偿锁相环接收该远端频标信号。依据当前相位补偿信号值
Figure BDA0002574137550000054
合成得出同步端本地频标信号；设定参考端发出的参考频标信号的初始相位为0，经传播延迟，同步端本地频标信号与参考端参考频标信号的相位为
Figure BDA0002574137550000055
步骤三、参考端发送出一个chirp信号，依据为当前参考端相位补偿信号值
Figure BDA0002574137550000056
经由同轴电缆传送至同步端，同步端接收chirp信号，通过测量获得其脉冲中心与此时的本地频标信号的相位差
Figure BDA0002574137550000061
因为chirp信号与频标信号在传输过程中具有相同的延迟，所以同步端chirp信号与本地频标信号之间的相位差和参考端chirp信号与参考频标信号之间的相位差相同，所以
Figure BDA0002574137550000062
也为0。
步骤四、同步端发送出一个chirp信号，且相位补偿信号值为零
Figure BDA0002574137550000063
经由同轴电缆传送至参考端，参考端接收chirp信号，通过测量获得其脉冲中心与此时的参考频标信号的相位差为
Figure BDA0002574137550000064
由于信号的发送和接收均需经由同轴线缆，并存在相同的传播延迟，所以相位差的大小应为单向传播相位差的2倍，即
Figure BDA0002574137550000065
由此过程知，信号由参考端传送至同步端相位延迟
Figure BDA0002574137550000066
再次传送回参考端相位延迟
Figure BDA0002574137550000067
步骤五、参考端再次发送出一个chirp信号，且相位补偿信号值为
Figure BDA0002574137550000068
通过在参考端发出的chirp信号引入相应的相位补偿信号值，补偿一部分传播延迟，其中
Figure BDA0002574137550000069
等于上次传播中的单向传播延迟的相位差。经由同轴电缆传送至同步端，同步端接收chirp信号，通过测量获得其脉冲中心与此时的本地频标信号的相位差为
Figure BDA00025741375500000610
步骤六、调节同步端的相位补偿锁相环，对同步端本地频标信号进行调节，合成出同步端本地频标信号
Figure BDA00025741375500000611
步骤七、同步端再次发送出一个chirp信号，且相位信号补偿值为
Figure BDA00025741375500000612
经由同轴电缆传送至参考端，参考端接收chirp信号，通过测量获得其脉冲中心与参考端参考频标信号的相位差为
Figure BDA00025741375500000613
步骤八、参考端再次发送出一个chirp信号，且相位补偿信号值为
Figure BDA00025741375500000614
经由同轴电缆传送至同步端，同步端接收chirp 信号，通过测量获得其脉冲中心与此时的本地频标信号的相位差为
Figure BDA00025741375500000615
步骤九、调节同步端的相位补偿锁相环，对同步端本地频标信号进行调节，合成出同步端本地频标信号；
Figure BDA0002574137550000071
步骤十、同步端再次发送出一个chirp信号，且相位信号补偿值为
Figure BDA0002574137550000072
经由同轴电缆传送至参考端，参考端接收chirp信号，通过测量获得其脉冲中心与参考端参考频标信号的相位差为
Figure BDA0002574137550000073
步骤十一、参考端再次发送出一个chirp信号，且相位补偿信号值为
Figure BDA0002574137550000074
经由同轴电缆传送至同步端，同步端接收chirp 信号，通过测量获得其脉冲中心与此时的本地频标信号的相位差为
Figure BDA0002574137550000075
步骤十二、调节同步端的相位补偿锁相环，对同步端本地频标信号进行调节，合成出同步端本地频标信号
Figure BDA0002574137550000076
步骤十三、同步端再次发送出一个chirp信号，且相位信号补偿值为
Figure BDA0002574137550000077
经由同轴电缆传送至参考端，参考端接收chirp信号，通过测量获得其脉冲中心与参考端参考频标信号的相位差为
Figure BDA0002574137550000078
步骤十四、参考端再次发送出一个chirp信号，且相位补偿信号值为
Figure BDA0002574137550000079
经由同轴电缆传送至同步端，同步端接收 chirp信号，通过测量获得其脉冲中心与此时的本地频标信号的相位差为
Figure BDA00025741375500000710
步骤十五、调节同步端的PLL，对同步端本地频标信号进行调节，合成出同步端本地频标信号
Figure BDA00025741375500000711
步骤十六、同步端再次发送出一个chirp信号，且相位信号补偿值为
Figure BDA00025741375500000712
经由同轴电缆传送至参考端，参考端接收chirp信号，通过测量获得其脉冲中心与参考端参考频标信号的相位差为
Figure BDA00025741375500000713
步骤十七、多次重复校正过程，可使得同步端本地频标信号与参考端频标信号间的相位差逐渐逼近0，发现参考端发出的chirp信号的相位补偿信号值
Figure BDA0002574137550000081
为常数，二者实现同步，消除了设备间传输信号时的传播延迟。
上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种电学稳相时钟分配系统，其特征在于：包括参考端(R)、同步端(S)、相位补偿锁相环(PLL)、第一接收器(1)、第二接收器(2)、第一发送器(3)、第二发送器(4)、同轴电缆(5)、第一分功器(6)、第二分功器(7)，所述参考端(S)分别设置有第一接收器(1)、第一发送器(3)，所述同步端(S)分别设置有第二接收器(2)、第二发送器(4)、相位补偿锁相环(PLL)，所述第一接收器(1)、第一发送器(3)均通过第一分功器(6)与同轴电缆(5)连接，所述第二接收器(2)、第二发送器(4)、相位补偿锁相环(PLL)均通过第二分功器(7)与同轴电缆(5)连接；
所述电学稳相时钟分配系统的分配方法，包括下列步骤：
S1、初始化，设置参考端相位补偿信号值
Figure FDA0003820013950000011
同步端相位补偿信号初始值
Figure FDA0003820013950000012
S2、参考端发出参考频标信号，经由同轴电缆传送至同步端，称为远端频标信号，相位补偿锁相环接收该远端频标信号，依据当前相位补偿信号值
Figure FDA0003820013950000013
合成得出同步端本地频标信号；
S3、参考端的第一发送器发送出一个chirp信号，依据为当前参考端相位补偿信号值
Figure FDA0003820013950000014
经由同轴电缆传送至同步端，所述同步端接收chirp信号，通过测量获得其脉冲中心与此时的本地频标信号的相位差
Figure FDA0003820013950000015
S4、同步端的第二发送器发送出一个chirp信号，且相位补偿信号值为
Figure FDA0003820013950000016
经由同轴电缆传送至参考端，所述参考端接收chirp信号，通过测量获得其脉冲中心与此时的参考频标信号的相位差
Figure FDA0003820013950000017
S5、参考端的第一发送器发送出一个chirp信号，以当前参考端相位补偿信号值
Figure FDA0003820013950000018
所述k表示相位补偿信号的调节参数，在缺省情况下k取1，经由同轴电缆传送至同步端，所述同步端接收chirp信号，通过测量获得其脉冲中心与此时的本地频标信号的相位差
Figure FDA0003820013950000021
S6、调节同步端的相位补偿锁相环，对同步端本地频标信号进行调节，合成出同步端本地频标信号，使得
Figure FDA0003820013950000022
S7、同步端的第二发送器再次发送出一个chirp信号，且相位信号补偿值为
Figure FDA0003820013950000023
经由同轴电缆传送至参考端，所述参考端接收chirp信号，通过测量获得其脉冲中心与参考端的参考频标信号的相位差
Figure FDA0003820013950000024
S8、参考端的第一发送器再次发送出一个chirp信号，且相位补偿信号值为
Figure FDA0003820013950000025
所述n代表此时刻，所述n-1代表上一时刻，经由同轴电缆传送至同步端，所述同步端接收chirp信号，通过测量获得其脉冲中心与此时的本地频标信号的相位差
Figure FDA0003820013950000026
S9、调节同步端的相位补偿锁相环，对同步端本地频标信号进行调节，合成出同步端本地频标信号，使得
Figure FDA0003820013950000027
S10、同步端的第二发送器再次发送出一个chirp信号，且相位信号补偿值为
Figure FDA0003820013950000028
经由同轴电缆传送至参考端，所述参考端接收chirp信号，通过测量获得其脉冲中心与参考端的参考频标信号的相位差为
Figure FDA0003820013950000029
S11、重复S8、S9、S10，实时反馈调节，可使得同步端的本低频标信号与参考端的参考频标信号之间的相位差逐渐逼近0，二者实现同步，逐步消除了设备间传输时钟信号时的传播延迟。
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