CN114915337B - 基于时间内插的光学时间传递系统和传递方法 - Google Patents

基于时间内插的光学时间传递系统和传递方法 Download PDF

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Abstract

一种基于时间内插的光学时间传递系统和传递方法，装置包括主端、传递链路和从端，主端与从端通过传递链路连接。发明采用双向时间比对，将主端和从端的时间信号经过激励与窄带带通滤波器后产生时间内插的窄带时间信号，窄带的时间信号与激光器同时传递到对端，从端将本地激光器输出的频率锁定到接收到的光载波频率。主端和从端分别通过相关运算获得本地窄带定时信息与从对端接收到的时间信号之间的时间差，从端可根据双向时间比对结果计算出两端钟差调整从端时间信号输出实现时间传递。本发明采用将时间信息转换为窄带定时信息，一方面时间了时间信息的内插提高双向时间比对的精度；另一方面可降低对传输带宽的占用实现与数据等业务的复用。

Description

基于时间内插的光学时间传递系统和传递方法
技术领域
本发明涉及光纤时间与频率传递，特别是一种基于时间内插的光学时间传递系统和传递方法。
背景技术
目前传统高精度时间同步技术主要由GPS共视、卫星双时间比对等。GPS共视法所需的设备相对简单，成本低，但精度难以达到纳秒量级。卫星双向时间比对能实现高精度的时间同步，可以达到亚纳秒量级，但需要利用专用卫星通信链路，由于自由空间链路的稳定性不好、容易受到干扰，其精度很难进一步提高。光纤通路具有比自由空间通路稳定性高、损耗低、受外界环境影响小、带宽高等优点。上世纪八十年代就引起了研究者的关注。随着光纤通信、光网络技术的迅猛发展，以及对时间同步精度等要求的提高，基于光纤的时间同步引起了越来越多的研究者的关注，取得了相当大的进展，并已得到部分应用。现有的基于PTP(PTP：Precision Time Protocol)协议的时间同步同样受到物理路径的不对称性，精度同样很难提高。近些年出现的基于White Rabbit协议的时间同步可以对路径的不对称性进行部分修正，但是要达到路由等因素的影响。为了提高时间间隔测量精度，White Rabbit采用了基于频率测量的方法，这增加了系统的复杂度。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术以及工作的不足，提供一种基于时间内插的光学时间传递系统和传递方法。本发明采用时间内插方式实现对时间信息的放大降低了时间间隔测量误差并且减小的时间信息对带宽的要求。因此，该方案还具有资源占用量少时间传递精度高的特点。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于时间内插的光学时间传递系统和传递方法，其特点在于，包括主端、传递链路和从端：
所述的主端由第一激光器、第一X型光纤耦合器、第一法拉第旋转镜、第一移频器、第一光电转换器、第一窄带滤波器、第一模数转换器、第一微波源、第二模数转换器、第一时间信号激励器、第二窄带滤波器、第一功分器、第二功分器、第一时差解算器组成；所述的第一激光器的输出端与所述的第一X型光纤耦合器的第1端口相连；所述的第一X型光纤耦合器的第2、3、4端口分别与所述的第一光电转换器的输入端口、所述的第一移频器的第1光学端口、所述的第一法拉第旋转镜相连；所述的第一移频器的第2光学端口分别与所述的传递链路的一端相连；所述的第一光电转换器的输出端口与所述的第一窄带滤波器的第1端口相连；所述的第一窄带滤波器的第2端口与所述的第一模数转换器的输入端口相连；所述的第一模数转换器的输出端口与所述第一时差解算器的第1输入端口相连；所述的输入时间信号1PPS与所述的第一时间信号激励器的输入端口相连；所述的第一时间信号激励器与所述的第二窄带滤波器的第1端口相连；所述的第二窄带滤波器的第2端口与所述的第一功分器的第1端口相连；所述的第一功分器的第2、3端口分别与所述的第二功分器第3端口、所述的第二模数转换器的输入端口相连；所述的第二模数转换器的输出端口与所述第一时差解算器的第2输入端口相连；所述的第二功分器的第1、2端口分别与所述的第一移频器的微波接入口、所述的第一微波源相连；
所述的从端由第二移频器、第二X型光纤耦合器、第二法拉第旋转镜、第二激光器、第二光电转换器、第三功分器、第三窄带滤波器、第四窄带滤波器、伺服控制器、第二时间信号激励器、第五窄带滤波器、第四功分器、第三模数转换器、第四模数转换器、第二时差解算器组成；所述的激光器的输出端与所述的第二X型光纤耦合器的第4端口相连；所述的第一X型光纤耦合器的第1、2、3端口分别与所述的第二法拉第旋转镜、所述的第二移频器的第1光学端口、所述的第二光电转换器的输入端口相连；所述的第二移频器的第2光学端口与所述的传递链路的另一端相连；所述的第二光电转换器的输出端口与所述的第三功分器的第1端口相连；所述的第三功分器的第2、3端口分别与所述的第三窄带滤波器的第1端口、所述的第四窄带滤波器的第1端口相连；所述的第四窄带滤波器的第2端口与所述的伺服控制器的输入端口相连；所述的伺服控制器的输出端口与所述的第二激光器的控制端口相连；所述的第三窄带滤波器的第2端口与所述的第四模数转换器的输入端口相连；所述的第四模数转换器的输出端口与所述的第二时差解算器的第2输入端口相连；所述的输入时间信号1PPS与所述的第二时间信号激励器的输入端口相连；所述的第二时间信号激励器与所述的第五窄带滤波器的第1端口相连；所述的第五窄带滤波器的第2端口与所述的第四功分器的第1端口相连；所述的第四功分器的第2、3端口分别与所述的第二移频器的微波输入端口、所述的第四模数转换器的输入端口相连；所述的第四模数转换器的输出端口与所述第二时差解算器的第1输入端口相连；所述第二时差解算器输出端口输出时差信息；
所述的传递链路由光纤链路或者自由空间链路组成，其中光纤链路有光纤和光放大器组成。
一种利用上述基于时间内插的光学时间传递系统进行传递的方法，其特点在于，该方法具体步骤如下：
1)主端：时间信号经过所述的第一时间信号激励器与所述的第二窄带滤波器后产生时间内插的时间信号，内插后的时间信号一部分经过所述的第二模数器转换后作为本地的时间信号参考，另一部分与所述的第一微波信号一起加载到所述的第一移频器后通过所述的传递链路传递到所述的从端；
从端：信号经过所述的第二光电转换器后通过所述的第四窄带滤波器经过所述的伺服控制器反馈控制所述的第二激光器使得从端激光器与从主端接收到的光载波信号锁定。所述的第二光电转换器后另一部分信号通过所述的第三窄带滤波器后经过所述的第四模数转换器采样后与从端经过所述的第二时间信号激励器、所述的第五窄带滤波器后产生时间内插的时间信号并经过所述的第二模数器转换后在所述的第二时差解算器(计算出时间差，时间差可表示为：
TAB＝ΔT+Δτ+Δτcal1 (1)
式中，ΔT为主端与从端的种差，Δτ为光纤链路的时延，Δτcal1为本地端发送和用户端接收引入的时延，Δτcal1可通过标定获得。
2)同时，从端：内插后的时间信号经过所述的第二移频器接入到所述的传递链路传递到所述的主端。所述的主端接收到信号经过所述的第一光电转换器转换后，经过所述的第一模数转换器转换后与本地已模数转换后的时间信息在所述的第一时差解算器计算出时间差，时间差可表示为：
TBA＝-ΔT+Δτ+Δτcal2 (2)
式中，Δτcal2为主端接收和从端发送引入的时延，Δτcal2可通过标定获得。
3)从端根据式(1)和(2)可获得主端和从端之间的种差：
从端根据获得的种差补偿从端输出的时间信号，从端即可获得与主端同步的时间信号。
本发明的技术效果如下：
本发明采用时间内插方式实现对时间信息的放大降低了时间间隔测量误差并且减小的时间信息对带宽的要求。具有资源占用量少时间传递精度高的特点。
附图说明
图1是本发明基于时间内插的光学时间传递系统实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，本实施例以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和和具体的工作流程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
图1为本发明基于时间内插的光学时间传递系统的实施例的结构示意图，由图可见，本发明基于时间内插的光学时间传递系统，包括主端1、传递链路2和从端3：
在图1中，所述的主端1由第一激光器101、第一X型光纤耦合器102、第一法拉第旋转镜103、第一移频器104、第一光电转换器105、第一窄带滤波器106、第一模数转换器107、第一微波源108、第二模数转换器109、第一时间信号激励器110、第二窄带滤波器111、第一功分器112、第二功分器113、第一时差解算器114组成；
在图1中，所述的第一激光器101的输出端与所述的第一X型光纤耦合器102的第1端口相连；所述的第一X型光纤耦合器的第2、3、4端口分别与所述的第一光电转换器105的输入端口、所述的第一移频器104的第1光学端口、所述的第一法拉第旋转镜103相连；所述的第一移频器104的第2光学端口与所述的传递链路2的一端相连；所述的第一光电转换器105的输出端与所述的第一窄带滤波器106的输入端相连，该第一窄带滤波器106的输出端与所述的第一模数转换器107的输入端口相连，该第一模数转换器107的输出端口与所述第一时差解算器114的第1输入端口相连；待传递的时间信号1PPS由所述的第一时间信号激励器110的输入端口输入，该第一时间信号激励器110的输出端与所述的第二窄带滤波器111的第1端口相连，该第二窄带滤波器111的第2端口与所述的第一功分器112的第1端口相连；所述的所述的第一功分器112的第2、3端口分别与所述的第二功分器113第3端口、所述的第二模数转换器109的输入端口相连；所述的第二模数转换器109的输出端口与所述第一时差解算器114的第2输入端口相连；所述的第二功分器113第1、2端口分别与所述的第一移频器104的微波接入口、所述的第一微波源108相连；所述第一时差解算器114输出端口输出时差信息；
在图1中，所述的从端3由第二移频器301、第二X型光纤耦合器302、第二法拉第旋转镜303、第二激光器304、第二光电转换器305、第三功分器306、第三窄带滤波器307、第四窄带滤波器308、伺服控制器309、第二时间信号激励器310、第五窄带滤波器311、第四功分器312、第三模数转换器313、第四模数转换器314和第二时差解算器315组成；
在图1中，所述的第二激光器304的输出端与所述的第二X型光纤耦合器302的第4端口相连；所述的第一X型光纤耦合器302的第1、2、3端口分别与所述的第二法拉第旋转镜303、所述的第二移频器301的第1光学端口、所述的第二光电转换器305的输入端口相连；所述的第二移频器301的第2光学端口与所述的传递链路2的另一端相连；所述的第二光电转换器305的输出端口与所述的第三功分器306的第1端口相连；所述的第三功分器306的第2、3端口分别与所述的第三窄带滤波器307的第1端口、所述的第四窄带滤波器308的第1端口相连；所述的第四窄带滤波器308的输出端与所述的伺服控制器309的输入端口相连；所述的伺服控制器309的输出端口与所述的第二激光器304的控制端口相连；所述的第三窄带滤波器307的输出端与所述的第四模数转换器314的输入端口相连；所述的第四模数转换器314的输出端口与所述的第二时差解算器315的第2输入端口相连；待传递的时间信号(1PPS)由所述的第二时间信号激励器310的输入端口输入，该第二时间信号激励器310的输出端与所述的第五窄带滤波器311的第1端口相连，该第五窄带滤波器311的第2端口与所述的第四功分器312的第1端口相连；所述的第四功分器312的第2、3端口分别与所述的第二移频器301的微波输入端口、所述的第四模数转换器313的输入端口相连；所述的第四模数转换器313的输出端口与所述第二时差解算器315的第1输入端口相连；所述第二时差解算器315输出端口输出时差信息。
在图1中，所述的传递链路为光纤链路或者自由空间链路，所述的光纤链路由光纤和光放大器组成。
在图1中，所述的基于时间内插的光学时间传递系统进行光学时间传递方法，步骤如下：
1)主端1：时间信号(1PPS)依次经第一时间信号激励器110与第二窄带滤波器111后产生时间内插的时间信号，经第一功分器112分束后，一部分经第二模数器109转换后作为本地参考时间信号，另一部分与第一微波信号108经第二功分器113合束后，一起加载到第一移频器104后通过传递链路2传递到从端3；
从端3：所述的时间内插的时间信号依次经第二移频器301、第二X型光纤耦合器302、第二光电转换器305和第三功分器306后，分为二部分，一部分通过第四窄带滤波器308后，经伺服控制器309反馈控制第二激光器304，使得从端第二激光器与从主端接收到的光载波信号锁定；另一部分通过第三窄带滤波器307后，经第四模数转换器314转换后得到数字信号；
2)从端3：待传递时间信号(1PPS)依次经第二时间信号激励器310与第五窄带滤波器311后产生时间内插的时间信号，经第四功分器312分束后，一部分经第三模数转换器313转换后，与所述的数字信号经第二时差解算器315输出时间差，表示为：
TAB＝ΔT+Δτ+Δτcal1 (1)
式中，ΔT为主端与从端的钟差，Δτ为光纤链路的时延，Δτcal1为主端发送和从端接收引入的时延，通过标定获得；
另一部分经第二移频器301接入到所述的传递链路2传递到主端1；
3)主端1：接收到所述的时间内插的时间信号经过所述的第一光电转换器105转换后，经过所述的第一模数转换器107转换后与所述的本地参考时间信号经所述的第一时差解算器114输出时间差，表示为：
TBA＝-ΔT+Δτ+Δτcal2 (2)
式中，Δτcal2为主端接收和从端发送引入的时延，可通过标定获得；
4)从端3：根据式1和2获得主端和从端之间的钟差：
从端根据获得的钟差补偿从端输出的时间信号，即可获得与主端同步的时间信号。
本发明采用时间内插方式实现对时间信息的放大降低了时间间隔测量误差并且减小的时间信息对带宽的要求。具有资源占用量少时间传递精度高的特点。

Claims (3)

1.一种基于时间内插的光学时间传递系统，其特征在于，包括主端(1)、传递链路(2)和从端(3)；
所述的主端(1)由第一激光器(101)、第一X型光纤耦合器(102)、第一法拉第旋转镜(103)、第一移频器(104)、第一光电转换器(105)、第一窄带滤波器(106)、第一模数转换器(107)、第一微波源(108)、第二模数转换器(109)、第一时间信号激励器(110)、第二窄带滤波器(111)、第一功分器(112)、第二功分器(113)、第一时差解算器(114)组成；
所述的第一激光器(101)的输出端与所述的第一X型光纤耦合器(102)的第1端口相连；所述的第一X型光纤耦合器的第2、3、4端口分别与所述的第一光电转换器(105)的输入端口、所述的第一移频器(104)的第1光学端口、所述的第一法拉第旋转镜(103)相连；所述的第一移频器(104)的第2光学端口与所述的传递链路(2)的一端相连；所述的第一光电转换器(105)的输出端与所述的第一窄带滤波器(106)的输入端相连，该第一窄带滤波器(106)的输出端与所述的第一模数转换器(107)的输入端口相连，该第一模数转换器(107)的输出端口与所述第一时差解算器(114)的第1输入端口相连；待传递的时间信号(1PPS)由所述的第一时间信号激励器(110)的输入端口输入，该第一时间信号激励器(110)的输出端与所述的第二窄带滤波器(111)的第1端口相连，该第二窄带滤波器(111)的第2端口与所述的第一功分器(112)的第1端口相连；所述的功分器(112)的第2、3端口分别与所述的第二功分器(113)第3端口、所述的第二模数转换器(109)的输入端口相连；所述的第二模数转换器(109)的输出端口与所述第一时差解算器(114)的第2输入端口相连；所述的第二功分器(113)第1、2端口分别与所述的第一移频器(104)的微波接入口、所述的第一微波源(108)相连；所述第一时差解算器(114)输出端口输出时差信息；
所述的从端(3)由第二移频器(301)、第二X型光纤耦合器(302)、第二法拉第旋转镜(303)、第二激光器(304)、第二光电转换器(305)、第三功分器(306)、第三窄带滤波器(307)、第四窄带滤波器(308)、伺服控制器(309)、第二时间信号激励器(310)、第五窄带滤波器(311)、第四功分器(312)、第三模数转换器(313)、第四模数转换器(314)和第二时差解算器(315)组成；
所述的第二激光器(304)的输出端与所述的第二X型光纤耦合器(302)的第4端口相连；所述的第一X型光纤耦合器(302)的第1、2、3端口分别与所述的第二法拉第旋转镜(303)、所述的第二移频器(301)的第1光学端口、所述的第二光电转换器(305)的输入端口相连；所述的第二移频器(301)的第2光学端口与所述的传递链路(2)的另一端相连；所述的第二光电转换器(305)的输出端口与所述的第三功分器(306)的第1端口相连；所述的第三功分器(306)的第2、3端口分别与所述的第三窄带滤波器(307)的第1端口、所述的第四窄带滤波器(308)的第1端口相连；所述的第四窄带滤波器(308)的输出端与所述的伺服控制器(309)的输入端口相连；所述的伺服控制器(309)的输出端口与所述的第二激光器(304)的控制端口相连；所述的第三窄带滤波器(307)的输出端与所述的第四模数转换器(314)的输入端口相连；所述的第四模数转换器(314)的输出端口与所述的第二时差解算器(315)的第2输入端口相连；待传递的时间信号(1PPS)由所述的第二时间信号激励器(310)的输入端口输入，该第二时间信号激励器(310)的输出端与所述的第五窄带滤波器(311)的第1端口相连，该第五窄带滤波器(311)的第2端口与所述的第四功分器(312)的第1端口相连；所述的第四功分器(312)的第2、3端口分别与所述的第二移频器(301)的微波输入端口、所述的第四模数转换器(313)的输入端口相连；所述的第四模数转换器(313)的输出端口与所述第二时差解算器(315)的第1输入端口相连；所述第二时差解算器(315)输出端口输出时差信息。
2.根据权利要求1所述的基于时间内插的光学时间传递系统，其特征在于，所述的传递链路为光纤链路或者自由空间链路，所述的光纤链路由光纤和光放大器组成。
3.一种利用权利要求1或2所述的基于时间内插的光学时间传递系统的光学时间传递方法，其特征在于，该方法具体步骤如下：
1)主端(1)：时间信号(1PPS)依次经第一时间信号激励器(110)与第二窄带滤波器(111)后产生时间内插的时间信号，经第一功分器(112)分束后，一部分经第二模数器(109)转换后作为本地参考时间信号，另一部分与第一微波信号(108)经第二功分器(113)合束后，一起加载到第一移频器(104)后通过传递链路(2)传递到从端(3)；
从端(3)：所述的时间内插的时间信号依次经第二移频器(301)、第二X型光纤耦合器(302)、第二光电转换器(305)和第三功分器(306)后，分为二部分，一部分通过第四窄带滤波器(308)后，经伺服控制器(309)反馈控制第二激光器(304)，使得从端第二激光器与从主端接收到的光载波信号锁定；另一部分通过第三窄带滤波器(307)后，经第四模数转换器(314)转换后得到数字信号；
2)同步，从端(3)：待传递时间信号(1PPS)依次经第二时间信号激励器(310)与第五窄带滤波器(311)后产生时间内插的时间信号，经第四功分器(312)分束后，一部分经第三模数转换器(313)转换后，与所述的数字信号经第二时差解算器(315)输出时间差，表示为：
TAB＝ΔT+Δτ+Δτcal1(1)
式中，ΔT为主端与从端的钟差，Δτ为光纤链路的时延,Δτcal1为主端发送和从端接收引入的时延，通过标定获得；
另一部分经第二移频器(301)接入到所述的传递链路(2)传递到主端(1)；
3)主端(1)：接收到所述的时间内插的时间信号经过所述的第一光电转换器(105)转换后，经过所述的第一模数转换器(107)转换后与所述的本地参考时间信号经所述的第一时差解算器(114)输出时间差，表示为：
TBA＝-ΔT+Δτ+Δτcal2(2)
式中，Δτcal2为主端接收和从端发送引入的时延，可通过标定获得；
4)从端(2)：根据式(1)和(2)获得主端和从端之间的钟差：
从端根据获得的钟差补偿从端输出的时间信号，即可获得与主端同步的时间信号。
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基于210km实地通信链路的高稳定性光学频率信号传递;臧琦;邓雪;曹群;高静;焦东东;刘杰;许冠军;董瑞芳;刘涛;张首刚;光学学报;第37卷(第7期);全文 *

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