CN112688734B - 一种环网单信道时间频率传递装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种环网单信道时间频率传递装置，包括光信号切换模块(1)和分时模块(2)，光信号切换模块(1)具有两个光纤端口，分别为光纤第一端口和光纤第二端口；分时模块(2)用于控制光信号切换模块(1)将信号分时传输，使得不同时段时间频率信号分别由光纤第一端口、光纤第二端口发送，本发明提供的环网单信道时间频率传递装置具有节约资源、网络稳定、时间传递精准等诸多优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种环网单信道时间频率传递装置，属于时间频率技术领域。
背景技术
目前的高精度时间频率输出装置，是利用原子钟的原子、分子能级差为基准信号，来校准晶体振荡器，以使其输出标准频率信号。它利用原子能级跃迁产生的信号，通过光电转化、信号处理后获得用来修正晶振的负反馈纠偏信号，使其输出稳恒振荡频率，用来精确计算时间。
由于不同的原子钟的频率稳定度和准确度均有微小偏差，此种偏差影响时间频率输出的精度，导致各地的时间频率输出装置输出的时间不能完全同步，彼此之间输出的时间具有一定的差异性。
目前已有提出时间频率局域网传播的方案，但大多为单向传播或部分单向传播，例如脉冲信号双向传播、频率信号单向传播，其抗风险能力较差，不具有冗余功能，一旦局域网络中出现问题异常，将导致时间传递精准度出现问题。
通常的时间频率传递方案，往往需要双信道传播，将脉冲信号和频率信号分隔，虽然提高了时间频率信号的稳定度，但其光纤成本高，设备部件多，抗干扰能力差，容易造成传递精度下降，时刻准确度降低。
传统的时间频率单信道传递，多为点对点的传递，虽然点对点传递具有传输精度高等优点，但每个节点都需要复杂的设备，建设和维护成本高。
此外，现有技术中已有能够恢复出连接本地端和远地端单信道的中间节点的时间频率信号的光纤单信道时间频率高精度传递中间节点装置，例如专利CN201910318707.X，公开了一种光纤单信道时间频率高精度传递中间节点装置。在此装置的基础上，我们可以组建光纤环形网单信道时间频率传递装置，使得在环形网节点上可下载高精度时间频率信号。
因此，亟需研究一种结构稳定、抗干扰能力强、传播精度高的，能够实现光纤环形网时间频率高精度传递的装置。
发明内容
为了解决上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计了一种环网单信道时间频率传递装置，包括光信号切换模块1和分时模块2，
所述光信号切换模块1具有两个光纤端口，分别为光纤第一端口和光纤第二端口；
所述分时模块2用于控制光信号切换模块1将信号分时传输，使得不同时段信号分别由光纤第一端口、光纤第二端口发送，所述信号包括脉冲信号和频率信号。
所述分时模块2将每1秒均分成2N时段，不同时间段记为T1、T2、…、T2N-1、T2N，其中N为大于2的正整数；
在分时模块2的控制下，在T1时间段，光纤第一端口发送秒脉冲信号，光纤第二端口接收秒脉冲信号；在T2时间段，光纤第二端口发送秒脉冲信号，光纤第一端口接收秒脉冲信号；在T2i-1时间段，光纤第一端口发送频率信号，光纤第二端口接收频率信号；在T2i时间段，光纤第二端口发送频率信号，光纤第一端口接收频率信号；其中，i＝2～N。
所述光纤第一端口和光纤第二端口分别通过光纤与光纤单信道时间频率高精度传递中间节点装置相连，形成单信道环形网络。
本发明所述的传递装置，还包括信号综合调制模块3、秒脉冲发送接收处理模块4、信号探测解调模块6、移相放大模块7和信号采集处理控制模块8，
所述分时模块2与信号综合调制模块3和秒脉冲发送接收处理模块4相连，以传递时段的划分信息；
所述信号综合调制模块3与脉冲发送接收处理模块4和移相放大模块7相连，以获取秒脉冲信号和频率信号。
所述信号综合调制模块3，将秒脉冲信号和频率信号调制在单信道的载波上，并传递给光信号切换模块1，其能够按照分时模块2划分的时段，切换不同的光纤端口，以实现信号通过光纤第一端口或光纤第二端口发送；
所述信号探测解调模块6，接收光信号切换模块1传递的光信号，在信号载波中解调出秒脉冲信号和频率信号，分别传递至秒脉冲发送接收处理模块4和信号采集处理控制模块8；
所述秒脉冲发送接收处理模块4，向单信道环形网络发送秒脉冲信号，并获取由单信道环形网络返回的秒脉冲信号，根据秒脉冲信号发送和接收之间的时间确定单信道环形网络中信号单程传递的时延值；
所述移相放大模块7，接收标准频率信号，对标准频率信号的相位进行移相，产生移相频率信号，并将移相频率信号传送至信号采集处理控制模块8和信号综合调制模块3，信号综合调制模块3将移相频率信号调制后作为光纤第一端口发送的频率信号；
所述信号采集处理控制模块8控制移相放大模块7输出的移相频率信号相位，使频率信号经过单信道环形网络单程传递后，在光纤第二端口接收的信号相位与标准频率信号的相位一致。
所述秒脉冲发送接收处理模块4接收标准秒脉冲信号，在光纤第一端口发送、光纤第二端口接收秒脉冲时段，将标准秒脉冲信号提前信号单程传递时延值，获得具有提前量的秒脉冲，将具有提前量的秒脉冲发送给信号综合调制模块3，经由光信号切换模块1、光纤第一端口发出。
具有数据发送接收模块5，与秒脉冲发送接收处理模块4和信号综合调制模块3相连，
所述数据发送接收模块5根据运行状况生成待发数据信号，将待发送的数据信号加载在秒脉冲信号后生成数据编码脉冲信号，发送给信号综合调制模块3。
移相放大模块7通过一分二功分10实现将移相频率信号同时传递至信号采集处理控制模块8和信号综合调制模块3。
信号采集处理控制模块8与信号探测解调模块6和移相放大模块7相连，所述信号采集处理控制模块8，包括多通道的A/D采集单元、计算单元和D/A单元，
其中，A/D采集单元采集频率信号，计算单元计算各频率信号之间的相对相位，D/A单元根据相对相位控制移相放大模块7，以改变移相频率信号的相位。
在信号采集处理控制模块8与移相放大模块7、信号探测解调模块6之间，以及在采集标准频率信号之前，还设置有下变频模块9。
根据本发明提供的环网单信道时间频率传递装置，具有以下有益效果：
(1)通过在环网单信道上架设环网单信道时间频率传递装置，可以实现在中间节点无需激光器和调制器等高成本器件获取精确的时间频率信号，节约了大量资源；
(2)使用单信道传递信号节约了信道资源，本发明采用分时传输不同信号，在一个信道中实现了数据通信及时间和频率高精度传递，保证了信道时延双向对称性，大幅度提高时间传递同步的准确度。
(3)在环网情况将本地端与远地端合一，有利降低成本，保障精度，提高可靠性。
附图说明
图1示出一种优选实施方式的环网单信道时间频率传递装置示意图。
附图符号说明
1-光信号切换模块；
2-分时模块；
3-信号综合调制模块；
4-秒脉冲发送接收处理模块；
5-数据发送接收模块；
6-信号探测解调模块；
7-移相放大模块；
8-信号采集处理控制模块；
9-下变频模块；
10-一分二功分。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些示例性说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
本发明提供了一种环网单信道时间频率传递装置，包括分时模块2和光信号切换模块1，如图1所示。
所述光信号切换模块1具有两个光纤端口，分别为光纤第一端口和光纤第二端口。
所述光信号切换模块1能够在分时模块2的控制下将综合调制模块3调制的光信号通过光纤第一端口或光纤第二端口传输到光纤中；所述光信号切换模块1还能够通过光纤第一端口或光纤第二端口接收光纤中传递的光信号传递至信号探测解调模块6。
所述分时模块2用于控制光信号切换模块1将信号分时传输，使得不同时段时间频率信号分别由光纤第一端口、光纤第二端口发送，所述时间频率信号包括秒脉冲信号和频率信号。
具体地，所述分时模块2将每1秒均分成2N时段，不同时间段记为T1、T2、…、T2N-1、T2N，其中N为大于2的正整数。
在分时模块2的控制下，在T1时间段，光纤第一端口发送秒脉冲信号，光纤第二端口接收秒脉冲信号；在T2时间段，光纤第二端口发送秒脉冲信号，光纤第一端口接收秒脉冲信号；在T2i-1时间段，光纤第一端口发送频率信号，光纤第二端口接收频率信号；在T2i时间段，光纤第二端口发送频率信号，光纤第一端口接收频率信号；其中，i＝2～N。
更进一步地，所述频率信号为正弦波信号，所述秒脉冲信号为高低电平信号，在每1秒开始时，所述频率信号的过零点与所述秒脉冲信号的上升沿对齐，使得频率信号相位与秒脉冲信号能够保持固定对齐。
在本发明中，用频率信号的相位和秒脉冲信号表示标记时刻，其中，秒脉冲信号作为时刻粗标记，频率信号相位作为时刻精细标记，实现时间的精确传递。
所述光纤第一端口和光纤第二端口分别通过光纤与光纤单信道时间频率高精度传递中间节点装置相连，形成单信道环形网络，所述光纤单信道时间频率高精度传递中间节点装置为能够恢复出单信道中间节点的时间频率信号的装置，例如记载在专利CN201910318707.X中的光纤单信道时间频率高精度传递中间节点装置。
在本发明中，所述光纤单信道时间频率高精度传递中间节点装置可以具有多个，根据环形网络的实际需要架设，使得在环形网络上任意位置，均可获取精确的时间频率信号。
进一步地，光纤第一端口和光纤第二端口交替发送频率信号和秒脉冲信号。
本发明提供的环网单信道时间频率传递装置，还包括信号综合调制模块3、秒脉冲发送接收处理模块4、数据发送接收模块5、信号探测解调模块6、移相放大模块7和信号采集处理控制模块8。
进一步地，所述分时模块2与信号综合调制模块3和秒脉冲发送接收处理模块4相连，以传递时段的划分信息。
所述信号综合调制模块3，将秒脉冲信号和频率信号调制在单信道的载波上，并传递给光信号切换模块1，其能够按照分时模块2划分的时段，切换不同的光纤端口，以实现信号通过光纤第一端口或光纤第二端口发送；
所述信号探测解调模块6，能够接收光信号切换模块1传递的光信号，在信号载波中解调出秒脉冲信号和频率信号，分别传递至秒脉冲发送接收处理模块4和信号采集处理控制模块8。
所述秒脉冲发送接收处理模块4，能够向单信道环形网络发送秒脉冲信号，并获取由单信道环形网络返回的秒脉冲信号，根据秒脉冲信号发送和接收之间的时间确定单信道环形网络中信号单程传递的时延值。
具体地，所述秒脉冲发送接收处理模块4向信号综合调制模块3发送秒脉冲信号，由信号综合调制模块3调制后将信号传递至光信号切换模块1，经由光纤第一端口(或光纤第二端口)传输到光纤，信号经过环形网络后通过光纤第二端口(或光纤第一端口)传递至光信号切换模块1，光信号切换模块1接收信号后传递至信号探测解调模块6，由信号探测解调模块6解调接收到的信号，将接收的秒脉冲信号传递至秒脉冲发送接收处理模块4。秒脉冲发送接收处理模块4通过测量发送给信号综合调制模块3和接收到信号探测解调模块6传递的信号上升沿之间的时间间隔，将此时间间隔减去发送接收时延后，即可得到单信道中信号单程传递时延值。
所述发送接收时延与装置模块性能相关，装置生产后通过相关性能测试得到。
根据本发明，所述秒脉冲发送接收处理模块4能够接收标准秒脉冲信号，在光纤第一端口发送、光纤第二端口接收秒脉冲时段，所述秒脉冲发送接收处理模块4将标准秒脉冲信号提前信号单程传递时延值，获得具有提前量的秒脉冲，将具有提前量的秒脉冲发送给信号综合调制模块3，经由光信号切换模块1、光纤第一端口发出。
进一步地，将发送秒脉冲信号单信道中信号单程传递的时延值加上发送接收时延作为时延提前量，在下次光纤第一端口发送、光纤第二端口接收秒脉冲时段，光信号切换模块1提前将秒脉冲信号经由光纤第一端口发出。
在一个优选的实施方式中，所述环网单信道时间频率传递装置还具有数据发送接收模块5，所述数据发送接收模块5与秒脉冲发送接收处理模块4和信号综合调制模块3相连。
所述数据发送接收模块5用于生成待发数据信号，将待发送的数据信号加载在秒脉冲信号后生成数据编码脉冲信号，发送给信号综合调制模块3，进一步地，所述信号探测解调模块6能够解调出数据编码脉冲信号和秒脉冲信号，其中的数据信号经秒脉冲发送接收处理模块4传送给数据发送接收模块5。
所述数据信号包括原子钟相关信息(如原子钟类型、精度等)、传递路径信息(如光纤端口地理位置等)。信号接收方通过数据信号，能够获得时间频率信号的发生装置和传递装置的相关信息，在需要时根据这些信息对时间频率信号进行修正。
频率信号是一种正弦波信号，频率信号的相位可以对时刻进行精细标记，通过读取频率信号的相位，获得精确的时间。在本发明中，为相位的精准，需要保证通过第二光纤接口接收的频率相位与输入的标准频率信号的相位一致，为解决此问题，发明人提出了一种采用数字测控技术测量、调整频率相位的结构。
所述移相放大模块7，接收标准频率信号，对标准频率信号的相位进行移相，产生移相频率信号，并将移相频率信号传送至信号采集处理控制模块8和信号综合调制模块3，信号综合调制模块3将移相频率信号调制后作为光纤第一端口发送的频率信号；
优选地，移相放大模块7通过一分二功分10实现将移相频率信号同时传递至信号采集处理控制模块8和信号综合调制模块3。
进一步地，通过信号采集处理控制模块8对移相放大模块7进行控制，以使频率信号经过单信道环形网络单程传递后，在光纤第二端口接收的信号相位与标准频率信号的相位一致。
具体地，信号采集处理控制模块8与信号探测解调模块6和移相放大模块7相连，所述信号采集处理控制模块，包括多通道的A/D采集单元、计算单元和D/A单元，其中，A/D采集单元采集频率信号，计算单元计算各频率信号之间的相对相位，D/A单元根据相对相位控制移相放大模块7，以改变移相频率信号的相位。
采用A/D、D/A控制频率相位同步，相较于模拟控制，能够大幅度减小温度等环境对控制精度的影响，提高了时间传递的准确度。
进一步地，当光纤第二端口接收频率信号时，A/D采集单元采集信号探测解调模块6解调出的频率信号、移相频率信号和标准频率信号，计算单元计算各频率信号的相对相位，D/A单元调整移相放大模块7输出的移相频率信号，直至信号探测解调模块6解调出的频率信号与标准频率信号相位一致。
通过信号采集处理控制模块8对移相放大模块7的控制，实现了频率信号经单信道单程传输后信号相位与标准频率信号的相位一致，保证了频率信号传递时信道时延双向对称性，大幅度提高时间传递同步的准确度。
在本发明中，通过一分二功分10实现同时将标准频率信号传递至信号采集处理控制模块8和移相放大模块7。
在一个优选的实施方式中，在信号采集处理控制模块8与移相放大模块7、信号探测解调模块6之间，以及在采集标准频率信号之前，还设置有下变频模块9，通过下变频模块9将各频率信号下变频，以降低频率信号的载波频率，从而降低对信号采集处理控制模块8的性能要求，以便于A/D采集单元更准确的对相位进行采集。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于本发明工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“本地端”、“远地端”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.一种环网单信道时间频率传递装置，包括光信号切换模块(1)和分时模块(2)，
所述光信号切换模块(1)具有两个光纤端口，分别为光纤第一端口和光纤第二端口；
所述分时模块(2)用于控制光信号切换模块(1)将信号分时传输，使得不同时段信号分别由光纤第一端口、光纤第二端口发送，所述信号包括秒脉冲信号和频率信号；
所述分时模块(2)将每1秒均分成2N时段，不同时间段记为T1、T2、…、T2N-1、T2N，其中N为大于2的正整数；
在分时模块(2)的控制下，在T1时间段，光纤第一端口发送秒脉冲信号，光纤第二端口接收秒脉冲信号；在T2时间段，光纤第二端口发送秒脉冲信号，光纤第一端口接收秒脉冲信号；在T2i-1时间段，光纤第一端口发送频率信号，光纤第二端口接收频率信号；在T2i时间段，光纤第二端口发送频率信号，光纤第一端口接收频率信号；其中，i＝2～N；
所述光纤第一端口和光纤第二端口分别通过光纤与光纤单信道时间频率高精度传递中间节点装置相连，形成单信道环形网络；
所述环网单信道时间频率传递装置还包括信号综合调制模块(3)、秒脉冲发送接收处理模块(4)、信号探测解调模块(6)、移相放大模块(7)和信号采集处理控制模块(8)，
所述分时模块(2)与信号综合调制模块(3)和秒脉冲发送接收处理模块(4)相连，以传递时段的划分信息；
所述信号综合调制模块(3)与脉冲发送接收处理模块(4)和移相放大模块(7)相连，以获取秒脉冲信号和频率信号；
所述信号综合调制模块(3)，将秒脉冲信号和频率信号调制在单信道的载波上，并传递给光信号切换模块(1)，其能够按照分时模块(2)划分的时段，切换不同光纤端口，以实现信号通过光纤第一端口或光纤第二端口发送；
所述信号探测解调模块(6)，接收光信号切换模块(1)传递的光信号，在信号载波中解调出秒脉冲信号和频率信号，分别传递至秒脉冲发送接收处理模块(4)和信号采集处理控制模块(8)；
所述秒脉冲发送接收处理模块(4)，向单信道环形网络发送秒脉冲信号，并获取由单信道环形网络返回的秒脉冲信号，根据秒脉冲信号发送和接收之间的时间确定单信道环形网络中信号单程传递的时延值；
所述移相放大模块(7)，接收标准频率信号，对标准频率信号的相位进行移相，产生移相频率信号，并将移相频率信号传送至信号采集处理控制模块(8)和信号综合调制模块(3)，信号综合调制模块(3)将移相频率信号调制后作为光纤第一端口发送的频率信号；
所述信号采集处理控制模块(8)控制移相放大模块(7)输出的移相频率信号的相位，使频率信号经过单信道环形网络单程传递后，在光纤第二端口接收的信号相位与标准频率信号的相位一致。
2.根据权利要求1所述的环网单信道时间频率传递装置，其特征在于，
所述秒脉冲发送接收处理模块(4)接收标准秒脉冲信号，在光纤第一端口发送、光纤第二端口接收秒脉冲时段，将标准秒脉冲信号提前信号单程传递时延值，获得具有提前量的秒脉冲，将具有提前量的秒脉冲发送给信号综合调制模块(3)，经由光信号切换模块(1)、光纤第一端口发出。
3.根据权利要求1所述的环网单信道时间频率传递装置，其特征在于，
具有数据发送接收模块(5)，与秒脉冲发送接收处理模块(4)和信号综合调制模块(3)相连，
所述数据发送接收模块(5)根据运行状况生成待发数据信号，将待发送的数据信号加载在秒脉冲信号后生成数据编码脉冲信号，发送给信号综合调制模块(3)。
4.根据权利要求1所述的环网单信道时间频率传递装置，其特征在于，
移相放大模块(7)通过一分二功分(10)实现将移相频率信号同时传递至信号采集处理控制模块(8)和信号综合调制模块(3)。
5.根据权利要求1所述的环网单信道时间频率传递装置，其特征在于，
信号采集处理控制模块(8)与信号探测解调模块(6)和移相放大模块(7)相连，所述信号采集处理控制模块(8)，包括多通道的A/D采集单元、计算单元和D/A单元，
其中，A/D采集单元采集频率信号，计算单元计算各频率信号之间的相对相位，D/A单元根据相对相位控制移相放大模块(7)，以改变移相频率信号的相位。
6.根据权利要求1所述的环网单信道时间频率传递装置，其特征在于，
在信号采集处理控制模块(8)与移相放大模块(7)、信号探测解调模块(6)之间，以及在采集标准频率信号之前，还设置有下变频模块(9)。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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