CN113452502A - 一种主被动复合相位补偿的时间频率传递方法和系统 - Google Patents

一种主被动复合相位补偿的时间频率传递方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种主被动复合相位补偿的时间频率传递方法和系统，属于时频传递技术领域。本发明通过对频率传递采用相位共轭被动相噪补偿机制、时间传递采用主动相位延迟补偿机制，来实现高精度高稳定性的时间频率传递。本发明可以有效提高时间频率传递精度，简化当前传递装置的复杂度。

Description

一种主被动复合相位补偿的时间频率传递方法和系统
技术领域
本发明涉及远程高精度授时站间时频传递和测控技术领域，尤其涉及地面站之间、地面站与卫星和星群分布式组网系统的时间频率同步技术，特别是指一种主被动复合相位补偿的时间频率传递方法和系统。
背景技术
时间频率的产生和传递在日常生活、通信测控、科学研究、国防工业等领域都有极其重要的应用。当前原子钟产生的高频振荡频率准确度达10-16量级，是导航、通信、测控等领域的时间频率基准。时间精度最高的是冷原子光钟，其稳定度可达10-18～10-19量级，孕育着基础物理学的下一次突破。面对高速通信，精密测控和时频基准网络化一体化建设对时间同步精度的需求，时间频率传递体制趋向于高精度多样化方向发展。
利用长距离通信光纤的时间频率传递系统已取得很好的结果，时间同步精度达皮秒量级，频率稳定度达10-18/d。其中，应用广泛的锁相环技术，通过精细测量链路噪声，采用相位噪声动态补偿的方式，实现时间频率信号稳定传递。该种方式非常依赖于反馈环路的精度和带宽，成本较高且环境适应性较差；在时间同步过程中，受限于当前的电子器件发展水平，同步精度很难突破皮秒量级。受益于光频梳极低的相位噪声和极短的时间分辨力脉冲，利用锁模光频梳的双向时间频率传递技术可以获得飞秒量级的时间同步精度和10-18/d频率稳定度，然而，该系统的复杂度过高，基本上只能在高稳定的实验室环境下实现，此外昂贵的设备和维护成本限制了该系统的应用广度。高精度时间频率网络体系建设要求时间频率传递设备具有高精度、可重构、环境适应性强和建设维护成本低等特点，然而当前时间频率传递各体制还很难兼顾到上述所有特点。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种主被动复合相位补偿的时间频率传递方法和系统，其能够兼顾高精度、可重构、环境适应性强和建设维护成本低等要求，可用于未来高精度时间频率网络体系的建设。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种主被动复合相位补偿的时间频率传递系统，包括时频传递发射端、时频传递接收端，以及设于时频传递发射端和时频传递接收端之间的光通信链路；所述时频传递发射端包括标准频率源、标准时钟、第一频率发射链路、频率回传接收链路、被动相位噪声补偿模块、第二频率发射链路、第一时钟发射链路、时钟回传接收链路、主动时延波动粗补模块、第二时钟发射链路，所述时频传递接收端包括频率回传链路、频率接收链路、时钟回传链路、时钟接收链路；
标准频率源输出的频率信号分为两路，第一路频率信号依次经过第一频率发射链路、光通信链路、频率回传链路、光通信链路、频率回传接收链路后传给被动相位噪声补偿模块，第二路频率信号直接传给被动相位噪声补偿模块，被动相位噪声补偿模块根据两路频率信号，输出带有相位噪声补偿项频率信号，带有相位噪声补偿项频率信号依次经过第二频率发射链路、光通信链路、频率接收链路，完成频率传递；
标准时钟输出的时钟信号分为三路，第一路时钟信号依次经过第一时钟发射链路、光通信链路、时钟回传链路、光通信链路、时钟回传接收链路后传给主动时延波动粗补模块，第二路、第三路时钟信号直接传给主动时延波动粗补模块，主动时延波动粗补模块根据第一路、第二路时钟信号之间的时延量，对第三路时钟信号进行时延控制，时延控制后的时钟信号依次经过第二时钟发射链路、光通信链路、时钟接收链路，完成时钟传递。
进一步的，所述被动相位噪声补偿模块包括三倍频器、混频器、放大器、第一滤波器，第二路频率信号经三倍频器后传给混频器，频率回传接收链路输出的第一路频率信号也传给混频器，混频器将两路信号进行混频并输出混频信号，混频信号依次经过放大器和第一滤波器，得到带有相位噪声补偿项频率信号。
进一步的，所述主动时延波动粗补模块包括时间间隔计数器、时延计算和控制模块、时间延迟器，时间间隔计数器对第一路、第二路时钟信号之间的时间间隔进行计数，时延计算和控制模块根据时间间隔计数器的计数结果计算出粗补时延量，并通过时间延迟器对第三路时钟信号进行时延粗补。
进一步的，所述频率接收链路包括顺次连接的第二滤波器、二分频器、第三滤波器。
进一步的，所述第一频率发射链路和频率回传接收链路通过第一光纤环路器与光通信链路连接，第一时钟发射链路和时钟回传接收链路通过第二光纤环路器与光通信链路连接，频率回传链路通过第三光纤环路器和第一光纤放大器进行光信号的放大和回传，时钟回传链路通过第四光纤环路器和第二光纤放大器进行光信号的放大和回传。
进一步的，还包括主动时延波动细补模块，所述光通信链路包括光纤延迟线，所述主动时延波动细补模块包括鉴相器和时延控制器，所述鉴相器对第二路频率信号以及频率回传接收链路输出的第一路频率信号进行鉴相，所述时延控制器根据鉴相结果计算出细补时延量，并通过光纤延迟线对光通信链路中的光信号进行时延控制，从而实现对第三路时钟信号的时延细补。
进一步的，所述光通信链路还包括自由空间。
一种主被动复合相位补偿的时间频率传递方法，用于在时频传递发射端和时频传递接收端之间同时传递频率信号和时间信号，并对频率信号和时间信号进行补偿，包括以下步骤：
(1)时频传递发射端将标准频率源输出的频率信号分为两路，一路作为参考频率信号，另一路传递给时频传递接收端之后再回传，然后通过被动相位噪声补偿方法得到带有相位噪声补偿项的频率信号，将带有相位噪声补偿项的频率信号传递给时频传递接收端，从而补偿传输链路中产生的相位噪声；
(2)时频传递发射端将标准时钟输出的时钟信号分为三路，第一路作为参考时钟信号，第二路传递给时频传递接收端之后再回传，然后通过主动时延波动补偿方法计算两路信号之间的粗补时延量，并根据粗补时延量对第三路时钟信号进行时延粗补；
(3)对步骤(1)中参考频率信号和传递给时频传递接收端之后回传的频率信号进行鉴相，根据鉴相结果计算出细补时延量，然后通过光纤延迟线对时频传递发射端和时频传递接收端之间的光通信链路中的光信号进行时延控制，从而实现对第三路时钟信号的时延细补。
本发明与背景技术相比具有如下优点：
1、本发明可实现高精度时间频率信号同时传递，有效降低时间频率分开传递装置的复杂度。
2、本发明利用主被动复合相位补偿的时频传递，如频率传递系统利用相位共轭被动补偿相噪机制，从而避免高精度锁相环的使用，提高了设备的环境适应性，通过主动时延补偿的技术完成时间信号传递，增强了设备的可重构性。
3、本发明在时延测量方面可以实现更高时间精度测量和时延补偿，大大提高时间的同步精度。
附图说明
图1为本发明的一个实施例，可用于密集波分复用长距离光纤通信。
图2为本发明的一个实施例，可用于长距离光纤链路的时间频率传递。
图3为本发明的一个实施例，可用于高精度时间同步。
图4为本发明的一个实施例，可用于自由空间光链路的时间频率传递。
图中，Laser1-Laser6用于将电信号转换为光信号，PD1-PD6用于将光信号转换为电信号，DWDM为密集波分复用器。这些器件均为光通信中的常用器件，以下不再赘述。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明的技术方案进行更加清楚、详细的描述，但本发明的保护范围并不局限于此。
一种主被动复合相位补偿的时间频率传递方法，用于在时频传递发射端和时频传递接收端之间同时传递频率信号和时间信号，并对频率信号和时间信号进行补偿，包括以下步骤：
(1)时频传递发射端将标准频率源输出的频率信号分为两路，一路作为参考频率信号，另一路传递给时频传递接收端之后再回传，然后通过被动相位噪声补偿方法得到带有相位噪声补偿项的频率信号，将带有相位噪声补偿项的频率信号传递给时频传递接收端，从而补偿传输链路中产生的相位噪声；
(2)时频传递发射端将标准时钟输出的时钟信号分为三路，第一路作为参考时钟信号，第二路传递给时频传递接收端之后再回传，然后通过主动时延波动补偿方法计算两路信号之间的粗补时延量，并根据粗补时延量对第三路时钟信号进行时延粗补；
(3)对步骤(1)中参考频率信号和传递给时频传递接收端之后回传的频率信号进行鉴相，根据鉴相结果计算出细补时延量，然后通过光纤延迟线对时频传递发射端和时频传递接收端之间的光通信链路中的光信号进行时延控制，从而实现对第三路时钟信号的时延细补。
该方法包括时间传递和频率传递，其中，频率传递采用相位共轭被动相噪补偿技术、时间传递采用主动相位延迟补偿技术。具体原理如下：
a.频率传递被动相位噪声补偿方法的物理模型如下：
Figure BDA0003135306550000061
公式(1)中，ω0为参考信号的角频率，
Figure BDA0003135306550000062
为参考信号的初相位，Δt为光信号单次经过传递链路所产生的时延波动，f1,f2分别表示为标准参考信号的三倍频和本地端接收的经往返传递后的频率信号。由于f1,f2信号是同源信号，经混频和带通(2ω0)滤波后的相位差分信号可以表示为：
Figure BDA0003135306550000071
公式(2)中，频率信号f3中包含一个与传递链路引入的相位噪声互为共轭的相位波动项-2Δt。信号f3经过传递链路后，由环境干扰带来的时延波动项-2Δt被自动消除，在远端得到输出信号将与标准参考信号完全相同。
b.标准参考频率信号f0分为两路，一路经过三次谐波倍频为f1，另一路经过传递链路往返传输至本地为f2，将f1和f2混频后带通滤波，获得包含与传递链路引入的相位噪声互为共轭项的f3，信号f3经传递链路至远端将与标准参考信号f0完全相同。
c.时间传递主动时延波动补偿方法的物理模型如下：
Δt′＝TICt+τ-TICt (3)
公式(3)中，Δt′为时间信号往返传输时间延迟量，TICt+τ为时间间隔计数器探测时间信号往返传输至本地端时刻，TICt为时间间隔计数器直接探测本地端时间信号时刻。将时间信号经过延迟
Figure BDA0003135306550000072
时间处理，则经过传递链路，在远端得到输出信号将与标准参考信号完全同步。
d.标准参考时间信号分为两路，一路信号经传递链路往返传递后，至本地端被时间间隔计数器探测TICt+τ，另一路直接被时间间隔计数器探测TICt，依据公式(3)获得单向链路时间信号传递延迟量，通过将时间信号进行处理
Figure BDA0003135306550000073
则经过传递链路的时间信号将与标准时间参考信号完全同步。
图1所示为一种主被动复合相位补偿的时间频率传递系统，其包括时频传递发射端、时频传递接收端，以及设于时频传递发射端和时频传递接收端之间的光通信链路；所述时频传递发射端包括标准频率源、标准时钟、第一频率发射链路a1、频率回传接收链路a2、被动相位噪声补偿模块、第二频率发射链路a3、第一时钟发射链路a4、时钟回传接收链路a5、主动时延波动粗补模块、第二时钟发射链路a6，所述时频传递接收端包括频率回传链路b1、频率接收链路b2、时钟回传链路b3、时钟接收链路b4；
标准频率源输出的频率信号分为两路，第一路频率信号依次经过第一频率发射链路a1、光通信链路、频率回传链路b1、光通信链路、频率回传接收链路a2后传给被动相位噪声补偿模块，第二路频率信号直接传给被动相位噪声补偿模块，被动相位噪声补偿模块根据两路频率信号，输出带有相位噪声补偿项频率信号，带有相位噪声补偿项频率信号依次经过第二频率发射链路a3、光通信链路、频率接收链路b2，完成频率传递；
标准时钟输出的时钟信号分为三路，第一路时钟信号依次经过第一时钟发射链路a4、光通信链路、时钟回传链路b3、光通信链路、时钟回传接收链路a5后传给主动时延波动粗补模块，第二路、第三路时钟信号直接传给主动时延波动粗补模块，主动时延波动粗补模块根据第一路、第二路时钟信号之间的时延量，对第三路时钟信号进行时延控制，时延控制后的时钟信号依次经过第二时钟发射链路a6、光通信链路、时钟接收链路b4，完成时钟传递。
本系统中，可采用中心波长接近的不同光源，利用波分复用系统合束/分束一路/多路光纤，作为双向信号的传递链路。
进一步的，所述被动相位噪声补偿模块包括三倍频器1、混频器2、放大器3、第一滤波器4，第二路频率信号经三倍频器1后传给混频器2，频率回传接收链路a2输出的第一路频率信号也传给混频器2，混频器2将两路信号进行混频并输出混频信号，混频信号依次经过放大器3和第一滤波器4，得到带有相位噪声补偿项频率信号。
进一步的，所述主动时延波动粗补模块包括时间间隔计数器TDC、时延计算和控制模块、时间延迟器TDU，时间间隔计数器TDC对第一路、第二路时钟信号之间的时间间隔进行计数，时延计算和控制模块根据时间间隔计数器的计数结果计算出粗补时延量，并通过时间延迟器对第三路时钟信号进行时延粗补。
进一步的，所述频率接收链路包括顺次连接的第二滤波器7、二分频器8、第三滤波器9。频率回传链路b1包括一个放大器5和一个滤波器6。
上述系统的原理如下：
a.频率传递过程：标准频率源输出的标准参考频率信号f0分为两路，一路经过链路a1、b1、a2在发射端和接收端之间往返传输，回传后变为射频信号f2，然后输入到混频器2；另一路经三倍频器1变为三倍频信号f1，然后输入混频器2；f1和f2两路信号在混频器2、放大器3、滤波器4的作用下，得到一个包含与传递链路引入的相位噪声互为共轭的相位波动项-2Δt的相位噪声预补偿信号f3；最后，将信号f3经链路a3、b2传递给接收端，在链路b2中经过二分频后得到信号f’，完成频率传递过程。
b.时间传递过程：标准时钟输出的标准参考时间信号TICt分成三路，一路经链路a4、b3、a5在发射端和接收端之间往返传输，回传后的时间信号变为TICt+τ，输入TDC；另一路TICt信号直接输入TDC；通过TDC、时延计算和控制模块完成时延信息准备，并将TICt+τ和TICt的时间差反馈给延迟器TDU；第三路信号在TDU的控制下经过链路a6、b4进行传输，在接收端得到信号t1’，完成时间传递过程。
图2所示为另一种主被动复合相位补偿的时间频率传递系统，其与图1系统大体相同，只是第一频率发射链路和频率回传接收链路通过同一个光纤环路器10与光通信链路连接，第一时钟发射链路和时钟回传接收链路通过同一个光纤环路器10与光通信链路连接，频率回传链路通过光纤环路器10和光纤放大器EDFA进行光信号的放大和回传，时钟回传链路通过光纤环路器10和光纤放大器EDFA进行光信号的放大和回传。
该系统中，同频信号往返时利用光纤环形器识别正向输入和反向输出信号，然后再利用波分复用系统合束/分束一路/多路光纤链路。
图3所示为另一种主被动复合相位补偿的时间频率传递系统，其与图2系统大体相同，只是还包括主动时延波动细补模块，且光通信链路中包括光纤延迟线，所述主动时延波动细补模块包括鉴相器11和时延控制器，所述鉴相器11对第二路频率信号以及频率回传接收链路a2输出的第一路频率信号进行鉴相，所述时延控制器根据鉴相结果计算出细补时延量，并通过光纤延迟线对光通信链路中的光信号进行时延控制，从而实现对第三路时钟信号的时延细补。
该系统的原理为：
a.频率传递过程：标准频率源输出的标准参考频率信号分为三路，一路经过链路a1、b1、a2在发射端和接收端之间往返传输，输入到混频器2；另一路经三倍频器1输入混频器2；两路信号在混频器2、放大器3、滤波器4的作用下，得到一个包含与传递链路引入的相位噪声互为共轭的相位波动项-2Δt的信号，然后将该信号经链路a3、b2传递给接收端，在链路b2中经过二分频后得到频率信号，完成频率传递过程。此外，第三路标准参考频率信号f0与经过链路a1、b1、a2回传后的信号f2一同输入鉴相器，为时间传递提供精确补偿。
b.时间传递过程：在时间传递延迟补偿时，时间延迟量探测可采用粗测和精测结合的方式，其中粗测采用时间间隔计数器TDC计算Δtc＝TICt+τ-TICt，精测采用鉴相器获得频率f0和f2的相位差
Figure BDA0003135306550000111
以获得时间延迟量
Figure BDA0003135306550000112
从而得到时延总量为Δt′＝Δtc+Δtx。具体来说，过程如下：
标准时钟输出的标准参考时间信号TICt分成三路，一路经链路a4、b3、a5在发射端和接收端之间往返传输，回传后的时间信号变为TICt+τ，输入TDC；另一路TICt信号直接输入TDC；通过TDC、时延计算和控制模块完成时延信息准备，并将TICt+τ和TICt的时间差反馈给延迟器TDU。此外，鉴相器11将频率f0和f2的相位差
Figure BDA0003135306550000113
传给时延控制模块，获得两信号的相位延迟量，并反馈给光纤延迟线。第三路信号在TDU的控制下经过链路a6、光纤延迟线、b4进行传输，最终在接收端获得传递的时间信号。
图4所示为另一种主被动复合相位补偿的时间频率传递系统，其与图3系统大体相同，只是将通信光纤替换为相对设置的光纤耦合输入输出器，输入输出器中间为自由空间链路。
总之，本发明通过对频率传递采用相位共轭被动相噪补偿机制、时间传递采用主动相位延迟补偿机制，来实现高精度高稳定性的时间频率传递。本发明可以有效提高时间频率传递精度，简化当前传递装置的复杂度。
以上所述仅为本发明在实施例中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种主被动复合相位补偿的时间频率传递系统，包括时频传递发射端、时频传递接收端，以及设于时频传递发射端和时频传递接收端之间的光通信链路；其特征在于，所述时频传递发射端包括标准频率源、标准时钟、第一频率发射链路、频率回传接收链路、被动相位噪声补偿模块、第二频率发射链路、第一时钟发射链路、时钟回传接收链路、主动时延波动粗补模块、第二时钟发射链路，所述时频传递接收端包括频率回传链路、频率接收链路、时钟回传链路、时钟接收链路；
标准频率源输出的频率信号分为两路，第一路频率信号依次经过第一频率发射链路、光通信链路、频率回传链路、光通信链路、频率回传接收链路后传给被动相位噪声补偿模块，第二路频率信号直接传给被动相位噪声补偿模块，被动相位噪声补偿模块根据两路频率信号，输出带有相位噪声补偿项频率信号，带有相位噪声补偿项频率信号依次经过第二频率发射链路、光通信链路、频率接收链路，完成频率传递；
标准时钟输出的时钟信号分为三路，第一路时钟信号依次经过第一时钟发射链路、光通信链路、时钟回传链路、光通信链路、时钟回传接收链路后传给主动时延波动粗补模块，第二路、第三路时钟信号直接传给主动时延波动粗补模块，主动时延波动粗补模块根据第一路、第二路时钟信号之间的时延量，对第三路时钟信号进行时延控制，时延控制后的时钟信号依次经过第二时钟发射链路、光通信链路、时钟接收链路，完成时钟传递。
2.根据权利要求1所述的一种主被动复合相位补偿的时间频率传递系统，其特征在于，所述被动相位噪声补偿模块包括三倍频器、混频器、放大器、第一滤波器，第二路频率信号经三倍频器后传给混频器，频率回传接收链路输出的第一路频率信号也传给混频器，混频器将两路信号进行混频并输出混频信号，混频信号依次经过放大器和第一滤波器，得到带有相位噪声补偿项频率信号。
3.根据权利要求1所述的一种主被动复合相位补偿的时间频率传递系统，其特征在于，所述主动时延波动粗补模块包括时间间隔计数器、时延计算和控制模块、时间延迟器，时间间隔计数器对第一路、第二路时钟信号之间的时间间隔进行计数，时延计算和控制模块根据时间间隔计数器的计数结果计算出粗补时延量，并通过时间延迟器对第三路时钟信号进行时延粗补。
4.根据权利要求2所述的一种主被动复合相位补偿的时间频率传递系统，其特征在于，所述频率接收链路包括顺次连接的第二滤波器、二分频器、第三滤波器。
5.根据权利要求1所述的一种主被动复合相位补偿的时间频率传递系统，其特征在于，所述第一频率发射链路和频率回传接收链路通过第一光纤环路器与光通信链路连接，第一时钟发射链路和时钟回传接收链路通过第二光纤环路器与光通信链路连接，频率回传链路通过第三光纤环路器和第一光纤放大器进行光信号的放大和回传，时钟回传链路通过第四光纤环路器和第二光纤放大器进行光信号的放大和回传。
6.根据权利要求1所述的一种主被动复合相位补偿的时间频率传递系统，其特征在于，还包括主动时延波动细补模块，所述光通信链路包括光纤延迟线，所述主动时延波动细补模块包括鉴相器和时延控制器，所述鉴相器对第二路频率信号以及频率回传接收链路输出的第一路频率信号进行鉴相，所述时延控制器根据鉴相结果计算出细补时延量，并通过光纤延迟线对光通信链路中的光信号进行时延控制，从而实现对第三路时钟信号的时延细补。
7.根据权利要求6所述的一种主被动复合相位补偿的时间频率传递系统，其特征在于，所述光通信链路还包括自由空间。
8.一种主被动复合相位补偿的时间频率传递方法，其特征在于，用于在时频传递发射端和时频传递接收端之间同时传递频率信号和时间信号，并对频率信号和时间信号进行补偿，包括以下步骤：
（1）时频传递发射端将标准频率源输出的频率信号分为两路，一路作为参考频率信号，另一路传递给时频传递接收端之后再回传，然后通过被动相位噪声补偿方法得到带有相位噪声补偿项的频率信号，将带有相位噪声补偿项的频率信号传递给时频传递接收端，从而补偿传输链路中产生的相位噪声；
（2）时频传递发射端将标准时钟输出的时钟信号分为三路，第一路作为参考时钟信号，第二路传递给时频传递接收端之后再回传，然后通过主动时延波动补偿方法计算两路信号之间的粗补时延量，并根据粗补时延量对第三路时钟信号进行时延粗补；
（3）对步骤（1）中参考频率信号和传递给时频传递接收端之后回传的频率信号进行鉴相，根据鉴相结果计算出细补时延量，然后通过光纤延迟线对时频传递发射端和时频传递接收端之间的光通信链路中的光信号进行时延控制，从而实现对第三路时钟信号的时延细补。
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