CN117394920A - 一种基于fpga的高精度多芯光纤时频同步系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于FPGA的高精度多芯光纤时频同步系统及方法，该方法包括在时间传递方面利用时间编码和解码技术，使用FPGA作为系统的收发机，在发送端通过使用FPGA将秒脉冲信号转变为伪随机序列发送，随后在接收端根据伪随机序列的自相关特性恢复出秒脉冲信号，通过编解码的方式减少波形恶化对系统的影响，使得本地端经过长距离光纤传输后与远端的时间偏差尽可能的小。在频率传递方面利用FPGA通过检测发送的频率信号和回传的频率信号，并对它们的相位进行检测，作为相位调整的参考，从而实现对信号相位的动态调整，从而实现本地端和远端的的高稳定度时间频率参考信号高精度同步传输。

Description

一种基于FPGA的高精度多芯光纤时频同步系统及方法

技术领域

本发明涉及多芯光纤时频传递领域，特别是涉及一种基于FPGA的高精度多芯光纤时频同步系统及方法。

背景技术

高精度时频同步技术的广泛应用不仅涵盖了传统领域如全球导航定位、航空航天技术和导弹精确制导，还深入渗透到通信、金融、医疗保健和科学研究等多个领域。这些领域对于时间精度有着非常高的要求，所以对于这些领域来说，一个高精度的时间同步系统至关重要。目前精度较高且应用范围较广的时间同步技术是卫星时间同步技术，卫星时间同步技术的精度已经可以基本满足纳秒级别以下各种时间同步精度应用的需求，但是无法满足深空探索等更高精度级别的需求。此外，卫星时间同步容易受外界各种环境条件影响，建设环境复杂，而且存在安全隐患。

光纤时间同步可以达到较高的精度，而且光纤本身具有抗干扰能力强、安全性高的特点。光纤中的光信号传递非常稳定，受外部干扰的影响较小，在复杂的电磁环境中，光纤中的时频传递技术也能够保持精确性。光纤中的时频传递技术在实验测量和科学研究中发挥了不可替代的作用，因为它提供了高度稳定和可靠的时间标准。

而光纤时频传递系统中，光纤会受到外界环境影响，如：温度、压力变化等，同时光纤中传输过程中发生色散、光波长的抖动等因素都会对系统产生额外的相位噪声和时延。而相位噪声是直接与信号的稳定度相联系的，故接收信号的稳定度也会变差。在光纤时频同步中需要考虑光纤的损耗以及光纤色散带来的影响，并且光放大器噪声累计也会对信号传输造成影响。

为了研究光纤时间同步系统中各种因素带来的影响，并且进一步对光纤时频同步系统进行优化，搭建一个高精度时间和频率同步系统系统是非常重要的。

在基本模式上，光纤时频传递技术分为单向和双向两种模式。单向模式的基本原理是本地端产生的时频信号经过光强度调制之后，转换为光信号，经过光纤传递到远地端，在远地端进行光强检测之后再次转换为电信号。远地端使用时间间隔计数器等测量手段测量出接收到的时频信号与本地的时频信号的差，在测得光纤传输延时的情况下(通常情况下比较容易确定)，即可进行误差校准。双向模式的基本原理是，本、远地两站在同一时刻经同一光纤分别向对方发送信号，用时间间隔计数器测量接收到对方信号时刻与自身发送时刻之间的时间差。事后两站交换测量数据，即可计算得到两站的钟差。单向模式较为简单，但由于没有补偿措施，易受光纤传输时延热效应影响，双向模式中两站均有时间间隔测量，能够将光纤传输时延计入测量时间差，从而在一定程度上抵消热效应对传输时延的影响。

目前，在光纤中实现时频信号稳定传输的方案主要采用单芯双向同波长和不同波长两种方案，前者后向瑞利散射较大，传输距离会受到很大的限制；后者不同波长对应的传输速度不同，会引入额外的时延使信号补偿难度加大。

多芯光纤(Multi-Core Fiber，MCF)是一种特殊设计的光纤，具有多个核心，每个核心可以传输光信号。与传统的单芯光纤相比，多芯光纤具有独特的结构和性能优势，因此在光通信、数据传输、传感器技术等领域得到广泛应用。同时，利用多芯光纤中不同纤芯进行双向传输可以克服瑞利散射以及往返路径不对称的问题，提升传输距离和测量精度，降低铺设复杂度，在大规模分布式及地面相控阵雷达中具有重要应用意义。

但是，如何在对现有典型时频基准光纤传递技术的研究和整理基础上，设计一种高精度时频基准光纤传递系统仍是现在亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于FPGA的高精度多芯光纤时频同步系统及方法，能够实现时间信号和频率信号的高精度同步传输。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于FPGA的高精度多芯光纤时频同步系统，包括：时间信号的本地端中时间发送模块和时间回传模块、时间信号的远地端、频率信号的本地端中频率发送模块和频率回传模块以及频率信号的远地端；

所述时间发送模块包括：高精度时钟源、第一FPGA单元、第一数模转换器DAC、第一激光器、第一马赫曾德尔调制器MZM以及可调光延时线；所述高精度时钟源产生的1pps时钟信号作为触发信号输入第一FPGA单元，当第一FPGA单元检测秒脉冲的上升沿之后，产生相应的伪随机二进制序列PRBS；所述伪随机二进制序列PRBS中一路信号传递至异步收发器UART，一路信号通过第一数模转换器DAC转化为电信号，并经过第一马赫曾德尔调制器调制，将将第一数模转换器DAC输出的电信号调制到激光上，得到光信号，进而经过可调光延时线输出至光纤；

所述时间回传模块包括：第一掺铒光纤放大器EDFA、第一光电探测器PD、第一模数转换器ADC、第二FPGA单元以及上位机；经过光纤回传后的信号经过第一掺铒光纤放大器EDFA放大后，经过第一光电探测器PD转换成电信号，然后输入至第一模数转换器模块ADC进行模数转换，随后传入第二FPGA单元进行解码；解码为秒脉冲信号；将解码后的秒脉冲信号通过异步收发器模块UART传输至上位机；

所述时间信号的远地端包括：第二掺铒光纤放大器EDFA、第一环形器CIR、第二光电探测器PD和第一离线处理模块DSP；由光纤接收的时间发送模块传输的光信号通过第二掺铒光纤放大器EDFA放大，然后进入第一环形器CIR；一部分信号经第一环形器CIR回传至光纤，另一部分传递至第二光电探测器PD，最终通过第二光电探测器PD传输至第一离线处理模块DSP；

所述频率发送模块包括：高精度时钟源、第三FPGA单元、第二模数转换器ADC、第二数模转换器DAC、第二激光器、第二马赫曾德尔调制器MZM；高精度时钟源产生的10MHz频率信号传输至第二数模转换器ADC，然后进入第三FPGA单元；第三FPGA单元用于对初始频率合成器发出的信号进行相位调整，并与回传信号进行比较，测量相位差；调整后的信号经第二数模转换器DAC至第二马赫曾德尔调制器调制到激光源发出的激光上，最终输入到光纤中；

所述频率回传模块包括：第三掺铒光纤放大器EDFA、第三光电探测器PD、第三模数转换器ADC和第四FPGA单元；经过光纤回传后的信号通过第三掺铒光纤放大器EDFA放大，经过第三光电探测器PD转换成电信号，再经过第三模数转换器ADC输入到第四FPGA单元；

所述频率信号的远地端包括：第四掺铒光纤放大器EDFA、第二环形器CIR、第四光电探测器PD和第二离线处理模块DSP；频率信号的远地端接收到的信号经过第四掺铒光纤放大器EDFA放大后，信号输入到第二环形器CIR中；一部分信号经第二环形器CIR回传至光纤，另一部分传递至第四光电探测器PD，最后通过第四光电探测器PD输入至第二离线处理模块DSP。

可选地，所述光纤为7芯光纤。

可选地，所述伪随机二进制序列PRBS为第一FPGA单元利用7阶m序列发生器生成的7阶的m序列。

可选地，所述第一激光器和第二激光器均产生1550nm激光。

一种基于FPGA的高精度多芯光纤时频同步方法，用于实现所述的一种基于FPGA的高精度多芯光纤时频同步系统；所述的一种基于FPGA的高精度多芯光纤时频同步方法包括：

利用时间发送模块、时间信号的远地端、时间回传模块进行时间同步；

利用频率发送模块、频率信号的远地端以及频率回传模块进行频率同步。

可选地，所述利用时间发送模块、时间信号的远地端、时间回传模块进行时间同步，具体包括：

将高精度时钟源连接天线接收卫星信号，在经过设定时间后，进行锁定，得到稳定输出的1pps时钟信号，并作为触发信号输入第一FPGA单元；

根据输入的秒脉冲产生伪随机二进制序列，一部分输入至异步收发器UART，另一部分通过第一数模转换器DAC转化为电信号；

利用第一马赫曾德尔调制器将第一数模转换器DAC输出的电信号调制到1550nm激光上，经过可调光延迟线输出至7芯光纤的芯2端；

在时间信号的远地端将7芯光纤的芯2端输出的信号经第二掺铒光纤放大器EDFA放大后连接至第一环形器CIR，一部分光信号作为回传信号连接至7芯光纤的芯3端，一部分信号经过第二光电探测器PD后输入至第一离线处理模块DSP；

回传的信号从7芯光纤的芯3端输出后，经过第一掺铒光纤放大器EDFA放大，输入至第一光电探测器PD转换成电信号，连接至第一模数转换器ADC后输入至第二FPGA单元，作为回传信号；

得到接收到的伪随机二进制序列后，解码为秒脉冲信号；将解码后的秒脉冲信号传输至异步收发器模块UART；

将发送和回传的时间信息输入到上位机后，对比得到时间差，根据时间差调节可调光延迟线，控制时延。

可选地，所述利用频率发送模块、频率信号的远地端以及频率回传模块进行频率同步，具体包括：

高精度时钟源产生10MHZ频率信号，经过第二模数转换器ADC输入至第三FPGA单元；

输入的频率信号先进入第三FPGA单元中进行相位调整，并与回传信号进行比较，测量相位差；

将调整后的信号通过第二数模转换器DAC至第二马赫曾德尔调制器调制到激光源发出的激光上，输入7芯光纤的芯5端；

在频率信号的远地端将7芯光纤的芯5端输出的信号经第四掺铒光纤放大器EDFA放大后连接至第二环形器CIR，一部分光信号作为回传信号连接至7芯光纤的芯6端，一部分信号经过第四光电探测器PD后输入至第二离线处理模块DSP；

回传的信号从7芯光纤的芯6端输出后，经过第三掺铒光纤放大器EDFA放大，输入至第三光电探测器PD转换成电信号，连接至第三模数转换器ADC后输入至第四FPGA单元，作为回传信号。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明所提供的一种基于FPGA的高精度多芯光纤时频同步系统及方法，利用7芯光纤的不同纤芯进行双向传输，在时间传递方面利用时间编码和解码技术，使用FPGA作为系统的收发机，在发送端通过使用FPGA将秒脉冲信号转变为伪随机序列发送，随后在接收端根据伪随机序列的自相关特性恢复出秒脉冲信号，通过编解码的方式减少波形恶化对系统的影响，使得本地端经过长距离光纤传输后与远端的时间偏差尽可能的小。在频率传递方面利用FPGA通过检测发送的频率信号和回传的频率信号，并对它们的相位进行检测，作为相位调整的参考，从而实现对信号相位的动态调整，从而实现本地端和远端的的高稳定度时间频率参考信号高精度同步传输。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的一种基于FPGA的高精度多芯光纤时频同步系统结构示意图；

图2为7阶m序列发生器示意图；

图3为相位测量和相位调整示意图。

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。

本发明的目的是提供一种基于FPGA的高精度多芯光纤时频同步系统及方法，能够实现时间信号和频率信号的高精度同步传输。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明所提供的一种基于FPGA的高精度多芯光纤时频同步系统，包括：时间信号的本地端中时间发送模块和时间回传模块、时间信号的远地端、频率信号的本地端中频率发送模块和频率回传模块以及频率信号的远地端；

所述时间发送模块包括：高精度时钟源、第一FPGA单元、第一数模转换器DAC、第一激光器、第一马赫曾德尔调制器MZM以及可调光延时线；所述高精度时钟源产生的1pps时钟信号作为触发信号输入第一FPGA单元，当第一FPGA单元检测秒脉冲的上升沿之后，产生相应的伪随机二进制序列PRBS；所述伪随机二进制序列PRBS中一路信号传递至异步收发器UART，一路信号通过第一数模转换器DAC转化为电信号，并经过第一马赫曾德尔调制器调制，将将第一数模转换器DAC输出的电信号调制到激光上，得到光信号，进而经过可调光延时线输出至光纤；

所述时间回传模块包括：第一掺铒光纤放大器EDFA、第一光电探测器PD、第一模数转换器ADC、第二FPGA单元以及上位机；经过光纤回传后的信号经过第一掺铒光纤放大器EDFA放大后，经过第一光电探测器PD转换成电信号，然后输入至第一模数转换器模块ADC进行模数转换，随后传入第二FPGA单元进行解码；解码为秒脉冲信号；将解码后的秒脉冲信号通过异步收发器模块UART传输至上位机；

所述时间信号的远地端包括：第二掺铒光纤放大器EDFA、第一环形器CIR、第二光电探测器PD和第一离线处理模块DSP；由光纤接收的时间发送模块传输的光信号通过第二掺铒光纤放大器EDFA放大，然后进入第一环形器CIR；一部分信号经第一环形器CIR回传至光纤，另一部分传递至第二光电探测器PD，最终通过第二光电探测器PD传输至第一离线处理模块DSP；

所述频率发送模块包括：高精度时钟源、第三FPGA单元、第二模数转换器ADC、第二数模转换器DAC、第二激光器、第二马赫曾德尔调制器MZM；高精度时钟源产生的10MHz频率信号传输至第二数模转换器ADC，然后进入第三FPGA单元；第三FPGA单元用于对初始频率合成器发出的信号进行相位调整，并与回传信号进行比较，测量相位差；调整后的信号经第二数模转换器DAC至第二马赫曾德尔调制器调制到激光源发出的激光上，最终输入到光纤中；

所述频率回传模块包括：第三掺铒光纤放大器EDFA、第三光电探测器PD、第三模数转换器ADC和第四FPGA单元；经过光纤回传后的信号通过第三掺铒光纤放大器EDFA放大，经过第三光电探测器PD转换成电信号，再经过第三模数转换器ADC输入到第四FPGA单元；

所述频率信号的远地端包括：第四掺铒光纤放大器EDFA、第二环形器CIR、第四光电探测器PD和第二离线处理模块DSP；频率信号的远地端接收到的信号经过第四掺铒光纤放大器EDFA放大后，信号输入到第二环形器CIR中；一部分信号经第二环形器CIR回传至光纤，另一部分传递至第四光电探测器PD，最后通过第四光电探测器PD输入至第二离线处理模块DSP。

其中，时间发送模块和频率发送模块中的高精度时钟源为高稳定驯服时钟GPSDO10M(恒温晶振)。

所述光纤为7芯光纤。通过可调光延时线输出的信号经由光纤的7芯芯2端传输至远地端，经过第一环形器CIR的一部分信号再次通过光纤的7芯芯3端进行回传，回传信号输出至本地端的掺铒光纤放大器，以供后续操作使用。在频率阶段，经过调制后的信号通过7芯光纤的芯5端传输至光纤，然后到达频率信号的远地端，经过第二环形器CIR的一部分信号通过7芯光纤的芯6端进行回传，回传信号输出至本地端的第三掺铒光纤放大器EDFA，以供后续操作使用。

第一FPGA单元中检测到1pps秒脉冲信号后，通过编码方式生成伪随机二进制序列，并在解码时使用自相关算法将相应的伪随机二进制序列解调成1pps秒脉冲信号。通过比较这两者，进一步计算出时间误差。根据误差数值，可以控制可调延迟线来调整时钟信号，以实现系统的时间同步精度控制在一个较高的范围内。

在时钟同步方便采用了时间编码和解码技术：使用第二FPGA单元和第一FPGA单元作为系统的收发机，在发送端通过使用第一FPGA单元将秒脉冲信号转变为伪随机序列发送，随后在接收端根据伪随机序列的自相关特性恢复出秒脉冲信号，通过编解码的方式减少波形恶化对系统的影响，使得本地端经过长距离光纤传输后与远端的时间偏差尽可能的小。

此处在编码方面，采用了伪随机二进制序列的原因是伪随机序列的特性为在接收到一个完整的伪随机码序列后其自相关值为1，其余时刻均为1/2。该自相关特性秒脉冲信号一致，可以用来恢复出秒脉冲信号。而且通过使用伪随机序列，使得原本单一的秒脉冲信号变为了一个序列，即使在这个序列中的某些位上出现了误判，也不会影响其自相关值的判断，降低了长距离光纤给信号带来的恶化影响，增加了系统的时间同步精度。

伪随机序列有很多种，但大多数是以m序列为基础构成的。在本方案中，便采用m序列作为伪随机序列。伪随机序列是由伪随机序列型发生器生成的，伪随机发生器通常是由线性反馈移位寄存器(LFSR，linear feedback shiftregisters)和异或电路组成。线性反馈移位寄存器可以通过输入不同的初始值与不同的本原多项式产生不同长度的伪随机序列，本原多项式影响该序列的最大长度，初始值影响该序列的值出现的顺序，而长度最大的序列就称为m序列。m序列是最常见和最常用的一种伪随机序列。

m序列是最长线性移位寄存器序列的简称。顾名思义，m序列是由多级移位寄存器或其延迟元件通过线性反馈产生的最长的码序列。在二进制移位存器中，若为移位寄存器的级数，n级移位寄存器共有2ⁿ个状态，除去全0状态外还剩下2ⁿ-1中状态，因此它能产生的最大长度的码序列为2ⁿ-1位，也就是说，一个级线性反馈移位寄存器产生的最长周期等于2ⁿ-1。在码分多址系统中主要采用两种长度的m序列:m序列是一种基本又典型的伪随机序列。在通信领域有着广泛的应用，如扩频通信，卫星通信的码分多址(CDMA)，数字数据中的加密、加扰、同步、误码率测量等领域。

如图2所示，采用7阶m序列发生器生成的7阶的m序列，本原多项式为f(x)＝x⁷+x³+1。

所述第一激光器和第二激光器均产生1550nm激光。

第三FPGA单元和第四FPGA单元通过检测发送的频率信号和回传的频率信号，并对它们的相位进行检测，作为相位调整的参考，从而实现对信号相位的动态调整，从而实现本地端和远端的的高稳定度时间频率参考信号传递同步。

本发明还提供一种基于FPGA的高精度多芯光纤时频同步方法，用于实现所述的一种基于FPGA的高精度多芯光纤时频同步系统；所述的一种基于FPGA的高精度多芯光纤时频同步方法包括：

S101，利用时间发送模块、时间信号的远地端、时间回传模块进行时间同步；

S102，利用频率发送模块、频率信号的远地端以及频率回传模块进行频率同步。

S101具体包括：

S110，将高精度时钟源连接天线接收卫星信号，在经过设定时间后，进行锁定，得到稳定输出的1pps时钟信号，并作为触发信号输入第一FPGA单元；

S120，根据输入的秒脉冲产生伪随机二进制序列，一部分输入至异步收发器UART，另一部分通过第一数模转换器DAC转化为电信号；

S130，利用第一马赫曾德尔调制器将第一数模转换器DAC输出的电信号调制到1550nm激光上，经过可调光延迟线输出至7芯光纤的芯2端；

S140，在时间信号的远地端将7芯光纤的芯2端输出的信号经第二掺铒光纤放大器EDFA放大后连接至第一环形器CIR，一部分光信号作为回传信号连接至7芯光纤的芯3端，一部分信号经过第二光电探测器PD后输入至第一离线处理模块DSP；

S150，回传的信号从7芯光纤的芯3端输出后，经过第一掺铒光纤放大器EDFA放大，输入至第一光电探测器PD转换成电信号，连接至第一模数转换器ADC后输入至第二FPGA单元，作为回传信号；

S160，得到接收到的伪随机二进制序列后，解码为秒脉冲信号；将解码后的秒脉冲信号传输至异步收发器模块UART；

S170，将发送和回传的时间信息输入到上位机后，对比得到时间差，根据时间差调节可调光延迟线，控制时延。

S102具体包括：

S210，高精度时钟源产生10MHZ频率信号，经过第二模数转换器ADC输入至第三FPGA单元；

S220，输入的频率信号先进入第三FPGA单元中进行相位调整，并与回传信号进行比较，测量相位差；如图3所示，在调相中，首先调用IP核--直接频率合成(DDS，DirectDigital Synthesis)，使用DDS这一IP核可以产生10MHZ本振信号，用于和输入信号进行复数相乘。复数相乘可以使用IP核复数乘法器(Complex Multiplier)，得到的结果可以进过低通滤波器进行滤波，这一步可以通过调用IP核CIC低通滤波器(CIC Complier)得到直流信号。随后调用IP核Cordic，可以对应的相位信号对应的角度值在调相模块中，首先调用IP核--直接频率合成(DDS，Direct Digital Synthesis)，使用DDS这一IP核可以产生10MHZ本振信号，用于和输入信号进行复数相乘。复数相乘可以使用IP核复数乘法器(ComplexMultiplier)，得到的结果可以进过低通滤波器进行滤波，这一步可以通过调用IP核CIC低通滤波器(CIC Complier)得到直流信号。随后调用IP核Cordic，可以对应的相位信号对应的角度值θ，两路信号相比较，可以得到所需的相位差Δθ。

设两路待鉴相的同频信号分别为：

x(t)＝A cos(ωt+θ₁)+N1(t)

y(t)＝B cos(ωt+θ₂)+N₂(t)；

式中：A，B，θ₁，θ₂分别表示两路信号的幅值和初始相位，

ω为信号的频率，N₁(t)和N₂(t)分别表示叠加在两路信号上的噪声。两路信号分别与本振信号共轭相乘：

同理可得：

分别经过低通滤波器取出直流分量，再分别求出θ₁和θ₂，则相位差为：

Δθ＝Δθ₁-Δθ₂；

在光纤时频传递系统中，考虑到相位差的变化主要受光纤长度和设备热效应的影响，这些影响因素随时间变化均比较缓慢，对主动相位补偿的实时性要求不高，可以降低相位差测量模块的计算结果更新频率。因此可以选择采用抽取滤波器来降低采样率，在有用信号频率接近直流且采样率相对很高的情况下，可以设计出更窄的通带带宽而不会影响有用信号。

在各种抽取滤波器中，积分梳状(CIC)滤波器的单位脉冲响应只有0和1，如下式所示。因此实现起来结构简单，不需要乘法器，在采样率高、抽取倍数大的情况下采用有利于时序收敛和节省资源。

式中，D为CIC滤波器的阶数(即抽取因子)。CORDIC(Coordinate RotationDigital Computer)算法即坐标旋转数字计算方法，主要用于三角函数，双曲线，指数，对数的计算。该算法通过基本的加和移位运算代替乘法运算，使得矢量的旋转和定向的计算不再需要三角函数、乘法、开方、反三角、指数等函数。

在直角坐标系中OA逆时针旋转0°后得到OB，线段OA＝OB＝d，∠AOB＝0°，A点坐标(x_i,y_i)，B点坐标(x_i+1,y_i+1)，利用CORDIC算法可以得到：

即：

式中，x_i，y_i为第i次旋转已知是当前坐标，x_i+1，y_i+1:第i次旋转的目标坐标。d_i为旋转因子，若需要逆时针旋转则为1，否则为-1。z_i为第i次旋转前，距离目标位置的角度值，z₀为初始状态时距离目标位置的角度值。z_i+1为第i次旋转后，距离目标位置的角度值。

可以根据CORDIC算法，得到相应的角度值θ。综上可得，本文采用一种数字域混频鉴相的方法。计算相位差的两路正弦信号分别与同一本振信号共扼相乘，得到直流信号，经过低通滤波处理后，利用Cordic算法分别计算出两个直流信号对应的相位值，二者的差值即两个正弦信号的相位差值。

随后将相位差Δθ信号送入相位调整。主动相位补偿模块要达到的最终目标是频率信号在时域上波形对齐，即相位差为0，对正弦频率信号的延时调整等效于相位调整，如下式所示：

e^jω(t+Δt)＝e^jwt*e^jwΔt＝e^jwt*e^jΔθ＝e^jwt*(cosθ+j sinΔθ)；

对信号的相位调整转化为复数乘法，相位差测量模块计算出的相位差首先经过CordicIP核计算出对应的正余弦值，再与输入信号做复数相乘。假设往返路径长度相同，系统初始处于对齐状态，即那么/>

假如/>往返路径相位各累计变化30°，则可以补偿成功。

假如：/>此时/>由于/>和的输出范围是(-180°，180°)，不能完全覆盖400°的变换范围。

基于以上分析，在往返两个方向上均需要两个调相模块，总共四个。调相值均为相位差测量模块输出累加值的，每一个的调相范围均为，保证能够覆盖全部相位变化范围。在这样的实现结构下，正反向路径均能实现(-2π，2π)的调相范围，超过该范围的相位变化也能利用正弦相位的周期性转换到(-2π，2π)范围内。而在本地端相位差测量值的累加模块中，相位差累计的范围则是(-4π，4π)，累加超出时同样需要利用周期性转换回到(-4π，4π)的范围之中。

S230，将调整后的信号通过第二数模转换器DAC至第二马赫曾德尔调制器调制到激光源发出的激光上，输入7芯光纤的芯5端；

S240，在频率信号的远地端将7芯光纤的芯5端输出的信号经第四掺铒光纤放大器EDFA放大后连接至第二环形器CIR，一部分光信号作为回传信号连接至7芯光纤的芯6端，一部分信号经过第四光电探测器PD后输入至第二离线处理模块DSP；

S250，回传的信号从7芯光纤的芯6端输出后，经过第三掺铒光纤放大器EDFA放大，输入至第三光电探测器PD转换成电信号，连接至第三模数转换器ADC后输入至第四FPGA单元，作为回传信号。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种基于FPGA的高精度多芯光纤时频同步系统，其特征在于，包括：时间信号的本地端中时间发送模块和时间回传模块、时间信号的远地端、频率信号的本地端中频率发送模块和频率回传模块以及频率信号的远地端；

所述时间发送模块包括：高精度时钟源、第一FPGA单元、第一数模转换器DAC、第一激光器、第一马赫曾德尔调制器MZM以及可调光延时线；所述高精度时钟源产生的1pps时钟信号作为触发信号输入第一FPGA单元，当第一FPGA单元检测秒脉冲的上升沿之后，产生相应的伪随机二进制序列PRBS；所述伪随机二进制序列PRBS中一路信号传递至异步收发器UART，一路信号通过第一数模转换器DAC转化为电信号，并经过第一马赫曾德尔调制器调制，将将第一数模转换器DAC输出的电信号调制到激光上，得到光信号，进而经过可调光延时线输出至光纤；

所述时间回传模块包括：第一掺铒光纤放大器EDFA、第一光电探测器PD、第一模数转换器ADC、第二FPGA单元以及上位机；经过光纤回传后的信号经过第一掺铒光纤放大器EDFA放大后，经过第一光电探测器PD转换成电信号，然后输入至第一模数转换器模块ADC进行模数转换，随后传入第二FPGA单元进行解码；解码为秒脉冲信号；将解码后的秒脉冲信号通过异步收发器模块UART传输至上位机；

所述时间信号的远地端包括：第二掺铒光纤放大器EDFA、第一环形器CIR、第二光电探测器PD和第一离线处理模块DSP；由光纤接收的时间发送模块传输的光信号通过第二掺铒光纤放大器EDFA放大，然后进入第一环形器CIR；一部分信号经第一环形器CIR回传至光纤，另一部分传递至第二光电探测器PD，最终通过第二光电探测器PD传输至第一离线处理模块DSP；

所述频率发送模块包括：高精度时钟源、第三FPGA单元、第二模数转换器ADC、第二数模转换器DAC、第二激光器、第二马赫曾德尔调制器MZM；高精度时钟源产生的10MHz频率信号传输至第二数模转换器ADC，然后进入第三FPGA单元；第三FPGA单元用于对初始频率合成器发出的信号进行相位调整，并与回传信号进行比较，测量相位差；调整后的信号经第二数模转换器DAC至第二马赫曾德尔调制器调制到激光源发出的激光上，最终输入到光纤中；

所述频率回传模块包括：第三掺铒光纤放大器EDFA、第三光电探测器PD、第三模数转换器ADC和第四FPGA单元；经过光纤回传后的信号通过第三掺铒光纤放大器EDFA放大，经过第三光电探测器PD转换成电信号，再经过第三模数转换器ADC输入到第四FPGA单元；

所述频率信号的远地端包括：第四掺铒光纤放大器EDFA、第二环形器CIR、第四光电探测器PD和第二离线处理模块DSP；频率信号的远地端接收到的信号经过第四掺铒光纤放大器EDFA放大后，信号输入到第二环形器CIR中；一部分信号经第二环形器CIR回传至光纤，另一部分传递至第四光电探测器PD，最后通过第四光电探测器PD输入至第二离线处理模块DSP。

2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的高精度多芯光纤时频同步系统，其特征在于，所述光纤为7芯光纤。

3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的高精度多芯光纤时频同步系统，其特征在于，所述伪随机二进制序列PRBS为第一FPGA单元利用7阶m序列发生器生成的7阶的m序列。

4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的高精度多芯光纤时频同步系统，其特征在于，所述第一激光器和第二激光器均产生1550nm激光。

5.一种基于FPGA的高精度多芯光纤时频同步方法，用于实现权利要求1-4任意一项所述的一种基于FPGA的高精度多芯光纤时频同步系统；其特征在于，所述的一种基于FPGA的高精度多芯光纤时频同步方法包括：

利用时间发送模块、时间信号的远地端、时间回传模块进行时间同步；

利用频率发送模块、频率信号的远地端以及频率回传模块进行频率同步。

6.根据权利要求5所述的一种基于FPGA的高精度多芯光纤时频同步方法，其特征在于，所述利用时间发送模块、时间信号的远地端、时间回传模块进行时间同步，具体包括：

将高精度时钟源连接天线接收卫星信号，在经过设定时间后，进行锁定，得到稳定输出的1pps时钟信号，并作为触发信号输入第一FPGA单元；

根据输入的秒脉冲产生伪随机二进制序列，一部分输入至异步收发器UART，另一部分通过第一数模转换器DAC转化为电信号；

利用第一马赫曾德尔调制器将第一数模转换器DAC输出的电信号调制到1550nm激光上，经过可调光延迟线输出至7芯光纤的芯2端；

在时间信号的远地端将7芯光纤的芯2端输出的信号经第二掺铒光纤放大器EDFA放大后连接至第一环形器CIR，一部分光信号作为回传信号连接至7芯光纤的芯3端，一部分信号经过第二光电探测器PD后输入至第一离线处理模块DSP；

回传的信号从7芯光纤的芯3端输出后，经过第一掺铒光纤放大器EDFA放大，输入至第一光电探测器PD转换成电信号，连接至第一模数转换器ADC后输入至第二FPGA单元，作为回传信号；

得到接收到的伪随机二进制序列后，解码为秒脉冲信号；将解码后的秒脉冲信号传输至异步收发器模块UART；

将发送和回传的时间信息输入到上位机后，对比得到时间差，根据时间差调节可调光延迟线，控制时延。

7.根据权利要求5所述的一种基于FPGA的高精度多芯光纤时频同步系方法，其特征在于，所述利用频率发送模块、频率信号的远地端以及频率回传模块进行频率同步，具体包括：

高精度时钟源产生10MHZ频率信号，经过第二模数转换器ADC输入至第三FPGA单元；

输入的频率信号先进入第三FPGA单元中进行相位调整，并与回传信号进行比较，测量相位差；

将调整后的信号通过第二数模转换器DAC至第二马赫曾德尔调制器调制到激光源发出的激光上，输入7芯光纤的芯5端；

在频率信号的远地端将7芯光纤的芯5端输出的信号经第四掺铒光纤放大器EDFA放大后连接至第二环形器CIR，一部分光信号作为回传信号连接至7芯光纤的芯6端，一部分信号经过第四光电探测器PD后输入至第二离线处理模块DSP；

回传的信号从7芯光纤的芯6端输出后，经过第三掺铒光纤放大器EDFA放大，输入至第三光电探测器PD转换成电信号，连接至第三模数转换器ADC后输入至第四FPGA单元，作为回传信号。