CN203933635U - 利用光纤传输标准时间频率信号的装置和系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种利用光纤传输标准时间频率信号的装置和系统。本实用新型利用光纤传输标准时间频率信号的发射装置，包括：电光相位调制部，用于产生相位锁定于输入的标准时间频率信号的高频调制信号，高频调制信号通过光载波调制后得到相位调制光载波信号；发射接收部，与电光相位调制部连接，用于发射放大后的所述相位调制光载波信号；并接收接收端回传的引入相位噪声的相位调制光载波信号；光纤相位噪声补偿部，分别与电光相位调制部和发射接收部连接，用于检出引入的相位噪声，并通过控制光纤的路径长度补偿相位噪声，以使接收端接收到的信号相位锁定于发射端的标准时间频率信号。本实用新型传输标准时间频率信号的传输稳定性较高。
Description
技术领域
本实用新型涉及通信技术，尤其涉及一种利用光纤传输标准时间频率信号的装置和系统。
背景技术
时间频率计量研究主要包括三部分内容，一是复现秒定义的超低不确定度时间频率基准装置的研究，二是产生原子时标的守时系统的研究，三就是时间频率信号传输系统的研究。一整套的标准时间频率远距离高稳定度传输系统对于基准装置和守时系统研究是必需的平台。鉴于时间频率计量的特殊性，只有基于这样平台，基准装置才能获得可靠的标准频率信号参考，实现不同区域，不同国家之间相互比对与量值统一；守时系统才能将标准时间发播给用户，才能满足世界时间协作的远程比对要求。因此，标准时间频率信号的远距离传输是时间频率计量研究的一个关键内容。
图1为现有的卫星双向法的实现原理示意图。当前实用的标准时间频率信号远距离传输手段有多种，不同手段能够实现的传输稳定度也不同，适用于不同的应用要求。如针对普通用户有电话授时，网络授时，长波及短波授时，以及电视副载波授时等，授时精度一般小于1E-11，一般不用于标准时间频率信号的传输比对。而针对计量研究的，则有全球定位系统(GlobalPositioning System，简称GPS)共视法，GPS载波相位法，卫星双向法TWSTFT等(如图1所示)用于实现两地之间的标准时间频率信号的比对，比对精度一般优于1E-13。然而，这些方法都依赖于空中的卫星与地面的时间频率源之间构成传输或比对链路，GPS相关的方法需要GPS卫星，卫星双向法需要租用专用的通信卫星。链路波动与卫星状态的变化都不可避免的会影响传输或比对的精度，比较而言卫星双向法可以通过双向传输标准时间频率信号，部分消除传输链路带来的影响，如大气层波动，电离层扰动等，比对精度可以提高到1E-15/天水平。
随着激光冷却囚禁原子技术的发展，时间频率基准装置的不确定度水平已经得到极大的提高，如激光冷却铯原子喷泉钟，已经可以实现E-16量级的不确定度；而随着光钟研究的推进，时间频基准钟的不确定度水平更有望进入E-18量级。这对标准时间频率信号的传输，特别是标准频率信号的远程传输与比对就提出了更高的要求。以不确定度为2E-15，天稳定度2E-15的国家时间频率基准-NIM5激光冷却铯原子喷泉钟为例，要实现两台这样的喷泉钟之间的比对，就要求标准频率信号在两台喷泉钟之间传输的稳定度优于2E-16，这样才能满足传输系统对喷泉钟比对的误差零贡献。可见上述的传输比对方法都不能满足这样的要求。
现有技术的问题是，传输标准时间频率信号的传输稳定性较差。
实用新型内容
本实用新型提供一种利用光纤传输标准时间频率信号的装置和系统，以克服现有技术中传输标准时间频率信号的传输稳定性较差的问题。
第一方面，本实用新型提供一种利用光纤传输标准时间频率信号的发射装置，包括：
电光相位调制部，用于产生相位锁定于输入的标准时间频率信号的高频调制信号，所述高频调制信号通过光载波调制后得到相位调制光载波信号；
发射接收部，与所述电光相位调制部连接，用于发射放大后的所述相位调制光载波信号；并接收接收端回传的引入相位噪声的相位调制光载波信号；
光纤相位噪声补偿部，分别与所述电光相位调制部和所述发射接收部连接，用于检出引入的所述相位噪声，并通过控制所述光纤的路径长度补偿所述相位噪声，以使所述接收端接收到的信号相位锁定于发射端的标准时间频率信号。
可选地，所述电光相位调制部，包括：
第一频率振荡器，用于产生相位锁定于输入的标准时间频率信号的高频调制信号，用于产生相位锁定于输入的标准时间频率信号的高频调制信号；
倍频器，与所述第一频率振荡器连接，用于将所述高频调制信号经二倍频后产生第一相位噪声检出辅助信号；
电光相位调制器，与所述第一频率振荡器连接，用于将所述高频调制信号通过光载波调制后得到相位调制光载波信号。
可选地，所述电光相位调制部，还包括：
激光器，与所述电光相位调制器连接，用于产生所述光载波；
第一放大器，与所述倍频器连接，用于将所述第一相位噪声检出辅助信号进行功率放大。
可选地，所述发射接收部，包括：
第一光纤放大器，与所述电光相位调制器连接，用于对所述相位调制光载波信号的功率进行放大；
第一光纤环行器，与所述第一光纤放大器连接，用于将所述相位调制光载波信号经光纤链路传输到接收端；并接收所述接收端回传的引入相位噪声的相位调制光载波信号。
可选地，所述光纤相位噪声补偿部，包括：
第二光纤放大器，与所述第一光纤环行器连接，用于将所述第一光纤环行器输出的所述引入相位噪声的相位调制光载波信号进行功率放大；
第一探测器，与所述第二光纤放大器连接，用于探测所述相位调制光载波信号，经信号处理后得到第二相位噪声检出辅助信号；
第二放大器，与所述第一探测器连接，用于将所述第二相位噪声检出辅助信号进行功率放大。
第一混频器，分别与所述第一放大器和所述第二放大器连接，用于将接收到的所述第一相位噪声检出辅助信号和所述第二相位噪声检出辅助信号，混频后得到相位噪声反馈控制信号；
光纤补偿器，分别与所述第一混频器和所述第一光纤环行器连接，用于通过所述相位噪声反馈控制信号控制光纤长度，补偿所述相位噪声。
可选地，所述光纤补偿器，包括：
光纤拉伸器，用于通过所述相位噪声反馈控制信号控制拉伸光纤链路长度，补偿高频的所述相位噪声；
光纤延迟线，与所述光纤拉伸器连接，用于通过所述相位噪声反馈控制信号控制改变光纤链路长度，补偿低频的所述相位噪声。
可选地，所述光纤补偿器，还包括：
比例积分伺服电路，分别与所述第一混频器、所述光纤拉伸器和所述光纤延迟线连接，用于通过所述相位噪声反馈控制信号分别控制所述光纤拉伸器和所述光纤延迟线补偿所述相位噪声。
第二方面，本实用新型提供一种利用光纤传输标准时间频率信号的接收装置，包括：
第二光纤环行器，用于接收发射端经光纤传输的相位调制光载波信号，并将所述相位调制光载波信号回传到发射端；
第三光纤放大器，与所述第二光纤环行器连接，用于将所述相位调制光载波信号进行功率放大；
光纤耦合器，分别与所述第三光纤放大器和所述第二光纤环行器连接，用于对所述第三光纤放大器输出的所述相位调制光载波信号分成两束；将其中一束输入到所述第二光纤环行器，将另外一束输入到标准时间频率信号复现部；
所述标准时间频率信号复现部，与所述光纤耦合器连接，用于探测经所述第三光纤放大器放大后的所述相位调制光载波信号，解调出调制在光载波上的高频调制信号，并复现出相位锁定于发射端的标准时间频率信号的标准时间频率信号。
可选地，所述标准时间频率信号复现部，包括：
高稳晶振，用于输出标准时间频率信号，所述标准时间频率信号用作第二频率振荡器的参考信号；
所述第二频率振荡器，与所述高稳晶振连接，用于通过所述标准时间频率信号作为参考信号，产生第三相位噪声辅助检出信号；
第二探测器，与所述光纤耦合器连接，用于接收所述光纤耦合器输出的所述相位调制光载波信号，经信号处理后得到第四相位噪声辅助检出信号；
第三放大器，与所述第二探测器连接，用于将所述第四相位噪声检出辅助信号进行功率放大。
第二混频器，分别与所述第三放大器和所述高稳晶振连接，用于将接收到的所述第三相位噪声检出辅助信号和所述第四相位噪声检出辅助信号，混频后得到相位噪声反馈控制信号；所述相位噪声反馈控制信号用于控制所述高稳晶振输出的标准频率信号，使得所述第二频率振荡器输出的第三相位噪声辅助检出信号与所述第二探测器输出的第四相位噪声辅助检出信号相位一致。
第三方面，本实用新型提供一种利用光纤传输标准时间频率信号的系统，包括：
如第一方面中任一项所述的发射装置和如第二方面中任一项所述的接收装置。
本实用新型利用光纤传输标准时间频率信号的装置和系统，本实用新型的发射装置，包括：电光相位调制部，用于产生相位锁定于输入的标准时间频率信号的高频调制信号，通过光载波调制后得到相位调制光载波信号；发射接收部，用于发射放大后的所述相位调制光载波信号；并接收回传的引入相位噪声的相位调制光载波信号；光纤相位噪声补偿部，用于检出引入的所述相位噪声，并通过控制所述光纤的路径长度补偿所述相位噪声，以使所述接收端接收到的信号相位锁定于发射端的标准时间频率信号。本实用新型的接收装置，包括：第二光纤环行器，用于接收发射端经光纤传输的相位调制光载波信号，并将所述相位调制光载波信号回传到发射端；所述标准时间频率信号复现部，用于探测所述相位调制光载波信号，解调出调制在光载波上的高频调制信号，并复现出相位锁定于发射端的标准时间频率信号的标准时间频率信号，实现了发射端能够检出光纤引入的相位噪声，并通过控制光纤的路径长度补偿该相位噪声，使得接收端最终能够复现出相位锁定于发射端的标准时间频率信号的标准时间频率信号，本实用新型传输标准时间频率信号的传输稳定性较高，解决了现有技术中传输标准时间频率信号的传输稳定性较差的问题。
附图说明
图1为现有的卫星双向法的实现原理示意图；
图2为本实用新型利用光纤传输标准时间频率信号的发射装置实施例一的结构示意图一；
图3为本实用新型利用光纤传输标准时间频率信号的发射装置实施例一的结构示意图二；
图4为本实用新型利用光纤传输标准时间频率信号的发射装置实施例二的结构示意图；
图5为本实用新型利用光纤传输标准时间频率信号的接收装置实施例一的结构示意图；
图6为本实用新型利用光纤传输标准时间频率信号的发射装置实施例三的结构示意图；
图7为本实用新型利用光纤传输标准时间频率信号的接收装置实施例二的结构示意图；
图8为本实用新型利用光纤传输标准时间频率信号的发射方法实施例一的流程图；
图9为本实用新型利用光纤传输标准时间频率信号的接收方法实施例一的流程图；
图10为本实用新型利用光纤传输标准时间频率信号的系统实施例的结构示意图。
具体实施方式
图2为本实用新型利用光纤传输标准时间频率信号的发射装置实施例一的结构示意图一，图3为本实用新型利用光纤传输标准时间频率信号的发射装置实施例一的结构示意图二，如图2所示，本实施例的发射装置100可以包括：
电光相位调制部10，用于产生相位锁定于输入的标准时间频率信号的高频调制信号，所述高频调制信号通过光载波调制后得到相位调制光载波信号；
发射接收部20，与电光相位调制部10连接，用于发射放大后的所述相位调制光载波信号；并接收接收端回传的引入相位噪声的相位调制光载波信号；
光纤相位噪声补偿部30，分别与电光相位调制部10和发射接收部20连接，用于检出引入的所述相位噪声，并通过控制所述光纤的路径长度补偿所述相位噪声，以使所述接收端接收到的信号相位锁定于发射端的标准时间频率信号。
具体地，如图3中所示，电光相位调制部10中输入的标准时间频率信号为标准频率信号源也即待传输标准频率信号发生装置产生的标准时间频率信号，所述待传输标准频率信号发生装置一般为氢钟，输出信号一般为5MHz或100MHz的标准时间频率信号。
本实施例的发射装置，用于将待传输的标准时间频率信号，通过电光相位调制部10倍频到高频，并调制到光载波上通过光纤传输；并通过光纤相位噪声补偿部30探测补偿标准时间频率信号在光纤链路中传输时由光纤引入的相位噪声；光纤相位噪声补偿部30的输入信号为发射接收部20接收到的接收端回传的引入相位噪声的相位调制光载波信号以及电光相位调制部10输出的倍频信号。
本实用新型中利用光纤传输标准时间频率信号，利用高频调制的方法，将待传输的标准时间频率信号调制到光载波上，并通过通信光纤来做远距离传输。这种方法利用了光纤通信的诸多优点，如光信号在光纤中传输，不受电磁干扰的影响；光纤深埋地下，受环境因素干扰小；而光纤通信的可测性，也为主动伺服补偿光纤噪声提供了便利。这些优点使得光纤传输标准时间频率信号的噪声从客观上得以降低，从主观上得以实现主动控制，因此可以实现的传输稳定性极高。另外，由于光纤通信应用普及，光纤传输网络广泛敷设，一般不需要为传输标准时间频率信号单独敷设光纤，这也为利用光纤传输标准时间频率信号提供了便利。
本实施例，发射装置，包括：电光相位调制部，用于产生相位锁定于输入的标准时间频率信号的高频调制信号，通过光载波调制后得到相位调制光载波信号；发射接收部，用于发射放大后的所述相位调制光载波信号；并接收回传的引入相位噪声的相位调制光载波信号；光纤相位噪声补偿部，用于检出引入的所述相位噪声，并通过控制所述光纤的路径长度补偿所述相位噪声，以使所述接收端接收到的信号相位锁定于发射端的标准时间频率信号。实现了发射端能够检出光纤引入的相位噪声，并通过控制光纤的路径长度补偿该相位噪声，使得接收端接收到的信号相位锁定于发射端的标准时间频率信号，传输标准时间频率信号的传输稳定性较高，解决了现有技术中传输标准时间频率信号的传输稳定性较差的问题。
图4为本实用新型利用光纤传输标准时间频率信号的发射装置实施例二的结构示意图，如图4所示，本实施例的发射装置100的电光相位调制部10，包括：
第一频率振荡器101，用于产生相位锁定于输入的标准时间频率信号的高频调制信号，用于产生相位锁定于输入的标准时间频率信号的高频调制信号；
倍频器102，与第一频率振荡器101连接，用于将所述高频调制信号经二倍频后产生第一相位噪声检出辅助信号；
电光相位调制器103，与第一频率振荡器101连接，用于将所述高频调制信号通过光载波调制后得到相位调制光载波信号。
可选地，电光相位调制部10，还包括：
激光器104，与电光相位调制器103连接，用于产生所述光载波；
第一放大器105，与倍频器102连接，用于将所述第一相位噪声检出辅助信号进行功率放大。
可选地，发射接收部20，包括：
第一光纤放大器106，与电光相位调制器103连接，用于对所述相位调制光载波信号的功率进行放大；
第一光纤环行器107，与第一光纤放大器106连接，用于将所述相位调制光载波信号经光纤链路传输到接收端；并接收所述接收端回传的引入相位噪声的相位调制光载波信号。
可选地，光纤相位噪声补偿部30，包括：
第二光纤放大器108，与第一光纤环行器107连接，用于将所述第一光纤环行器输出的所述引入相位噪声的相位调制光载波信号进行功率放大；
第一探测器109，与第二光纤放大器108连接，用于探测所述相位调制光载波信号，经信号处理后得到第二相位噪声检出辅助信号；
第二放大器110，与第一探测器109连接，用于将所述第二相位噪声检出辅助信号进行功率放大。
第一混频器111，分别与第一放大器105和第二放大器110连接，用于将接收到的所述第一相位噪声检出辅助信号和所述第二相位噪声检出辅助信号，混频后得到相位噪声反馈控制信号；
光纤补偿器112，分别与第一混频器111和第一光纤环行器107连接，用于通过所述相位噪声反馈控制信号控制光纤长度，补偿所述相位噪声。
可选地，光纤补偿器112，其特征在于，包括：
光纤拉伸器113，用于通过所述相位噪声反馈控制信号控制拉伸光纤链路长度，补偿高频的所述相位噪声；
光纤延迟线114，与光纤拉伸器113连接，用于通过所述相位噪声反馈控制信号控制改变光纤链路长度，补偿低频的所述相位噪声。
可选地，所述光纤补偿器112，还包括：
比例积分伺服电路115，分别与第一混频器111和所述光纤拉伸器113和所述光纤延迟线114连接，用于通过所述相位噪声反馈控制信号分别控制所述光纤拉伸器113和所述光纤延迟线114补偿所述相位噪声。
具体地，如图4所示，假设标准频率信号源产生的标准时间频率信号为：
其中，A0表示标准时间频率信号的振幅，为标准时间频率信号的相位，ω0为标准时间频率信号的频率。本实用新型实施例所述的标准频率信号源可以是产生作为标准参考信号的任意微波信号源，优选的，可以采用氢钟、铯钟或铷钟等由国家基准钟校准的守时钟。
第一频率振荡器101为自带锁相环的介质振荡器，用于产生相位锁定于标准频率信号源信号Ω0的高频调制信号：
其中，A1表示所述高频调制信号的幅度，a为任意数。该信号通过锁相环及频率综合介质振荡器可以产生相位锁定于标准频率信号源信号的任意频率微波信号，该信号频率为标准时间频率源信号频率的a倍，主要用于提高调制信号频率，增加光纤引入相位噪声探测灵敏度。
将所述第一频率振荡器101输出的信号分为两部分，其中一部分通过倍频器102产生所述信号的二倍频信号，用作第一相位噪声检出辅助信号：
其中，A2为所述第一相位噪声检出辅助信号的幅度，该信号为利用倍频器提取的Ω1信号的二次谐波，其相位与所述第一频率振荡器输出101的信号相位一致。
将所述第一频率振荡器101输出的信号的另一部分用于馈入电光相位调制器103，调制激光器104(如分布反馈激光器)产生的光载波；所述光载波调制后得到相位调制光载波信号，经第一光纤放大器106(例如是第一掺铒光纤放大器)做光功率放大后，经第一光纤环行器107后，依次通过光纤拉伸器113和光纤延迟线114再馈入光纤链路传输。其中第一光纤放大器106用于放大相位调制光载波信号，提高馈入光纤链路中传输的光信号功率，以保证经光纤链路传输衰减后远端依然有足够的光功率用于放大和探测；光纤拉伸器113和光纤延迟线114为光纤长度补偿执行机构，光纤拉伸器113通过控制其内部压电陶瓷(PZT)改变光纤长度，动态范围较小，但响应频率较高，而光纤延迟线114则通过电机移动反射镜方式改变光纤链路光学长度，动态范围较大，但响应频率较低。第二光纤放大器108也可以是第二掺铒光纤放大器。
本实用新型实施例的发射装置的光纤相位噪声补偿部30包括第一探测器109，用于探测由第一光纤环行器107输出的经往返传输的光信号，该光信号为所述电光相位调制器103产生的相位调制光信号沿光纤链路传输到接收端，并由接收端的接收装置回传到发射端的信号，其携带了标准时间频率信号在光纤传输过程中由光纤引入的相位噪声。该光信号经第二光纤放大器108功率放大之后，由第一探测器109探测后得到的信号经带通滤波器处理后得到相位调制光载波信号两个一级边带的拍频信号，经第二放大器110(例如是微波功率放大器)放大后用作第二相位噪声检出辅助信号，可以表示为：
Ω3＝A3(bω0t+bφref+2φf)
其中，A3为所述第二相位噪声检出辅助信号的幅度，所述信号的频率为Ω1信号频率的二倍，即为b＝2a，为标准时间频率信号沿光纤传输过程中由光纤引入的相位噪声，本实用新型实施例中所述光纤传输过程中由光纤引入的相位噪声假定为往返传输过程中标准时间频率信号感受到的光纤噪声为同一个噪声，因此所述信号Ω3包含两倍的所述光纤传输过程中由光纤引入的相位噪声。
所述第一相位噪声检出辅助信号Ω2和所述第二相位噪声检出辅助信号Ω3分别馈入到第一混频器111，得到相位噪声反馈控制信号，检出光纤传输过程中的相位噪声：
Ω4＝A4cos(2φf)
该相位噪声反馈控制信号经比例积分伺服电路115分别控制所述光纤拉伸器113和所述光纤延迟线114补偿所述相位噪声，可以通过控制光纤路径长度补偿相位噪声。
如图4所示，所述标准时间频率信号沿光纤传输过程由光纤引入的相位噪声由两部分光纤链路引入，一部分光纤链路为可控的所述光纤拉伸器113和光纤延迟线114，引入的相位噪声记为φc，另一部分光纤则为不可控的远距离光纤链路，引入的相位噪声记为φfiber，由此可以将φf作如下表示：
只要控制φc＝-φfiber，就可以保证φf＝0，进而实现第二相位噪声检出辅助信号Ω3与第一相位噪声检出辅助信号Ω2的同相。其控制方式为利用得到的相位噪声反馈控制信号Ω4，经比例积分伺服电路115调理后反馈控制光纤拉伸器113和光纤延迟线114，将Ω4锁定在一个选定的参考电压点，具体可以为0电压点。其中执行这样的锁定过程的补偿元件的光纤拉伸器113和光纤延迟线114，因为光纤链路本身光学长度因为环境噪声影响在不断变化，这些变化会反映在利用上述方法得到的信号Ω4上，通过比例积分伺服电路115调理后在利用光纤拉伸器113和光纤延迟线114去补偿光纤链路本身光学长度的变化，最终实现整个光纤链路的光学长度稳定，也就是使稳定在给定的固定值上。
本实施例的发射装置，实现了发射端能够检出光纤引入的相位噪声，并通过控制光纤的路径长度补偿该相位噪声，使得接收端接收到的信号相位锁定于发射端的标准时间频率信号，传输标准时间频率信号的传输稳定性较高，解决了现有技术中传输标准时间频率信号的传输稳定性较差的问题。
图5为本实用新型利用光纤传输标准时间频率信号的接收装置实施例一的结构示意图，如图5所示，本实施例的接收装置500，可以包括：
第二光纤环行器40，用于接收发射端经光纤传输的相位调制光载波信号，并将所述相位调制光载波信号回传到发射端；
第三光纤放大器50，与所述第二光纤环行器40连接，用于将所述相位调制光载波信号进行功率放大；
光纤耦合器60，分别与所述第三光纤放大器50和所述第二光纤环行器40连接，用于对所述第三光纤放大器50输出的所述相位调制光载波信号分成两束；将其中一束输入到所述第二光纤环行器40，将另外一束输入到标准时间频率信号复现部70；
标准时间频率信号复现部70，与所述光纤耦合器60连接，用于探测经所述第三光纤放大器50放大后的所述相位调制光载波信号，解调出调制在光载波上的高频调制信号，并复现出相位锁定于发射端的标准时间频率信号的标准时间频率信号。
可选地，标准时间频率信号复现部70，包括：
高稳晶振701，用于输出标准时间频率信号，所述标准时间频率信号用作第二频率振荡器的参考信号；
第二频率振荡器702，与所述高稳晶振701连接，用于通过所述标准时间频率信号作为参考信号，产生第三相位噪声辅助检出信号；
第二探测器703，与所述光纤耦合器60连接，用于接收所述光纤耦合器60输出的所述相位调制光载波信号，经信号处理后得到第四相位噪声辅助检出信号；
第三放大器704，与所述第二探测器703连接，用于将所述第四相位噪声检出辅助信号进行功率放大。
第二混频器705，分别与所述第三放大器704和所述高稳晶振701连接，用于将接收到的所述第三相位噪声检出辅助信号和所述第四相位噪声检出辅助信号，混频后得到相位噪声反馈控制信号；所述相位噪声反馈控制信号用于控制所述高稳晶振701输出的标准频率信号，使得所述第二频率振荡器702输出的第三相位噪声辅助检出信号与所述第二探测器703输出的第四相位噪声辅助检出信号相位一致。
具体地，本实施例的接收装置用于接收发射装置发射，并经过光纤链路传输的调制在光载波上的相位调制光载波信号，并复现相位锁定于发射端的标准时间频率信号的标准时间频率信号。
如图5所示，由发射端发射，经光纤链路传输到接收端的相位调制光载波信号，由第二光纤环行器40的端口2输入，经第二光纤环行器40的端口3输出，经第三光纤放大器50(例如是第三掺铒光纤放大器)作功率放大后，由光纤耦合器60(例如可以是1x2光纤耦合器)将信号一分为二，一部分信号经第二光纤环行器50的端口1输入，通过第二光纤环行器40的端口2返回到光纤链路，向发射端回传；另一部分信号，则由第二探测器703探测得到相位调制光载波信号的两个一级边带拍频信号，用作第四相位噪声检出辅助信号：
在发射端通过探测并控制光纤拉伸器和光纤延迟线，满足φf＝0，则可以满足接收端所述第四相位噪声辅助信号Ω5相位与发射端所述倍频器输出信号Ω2及所述第一探测器所得边带拍频信号Ω3的相位一致。传输标准时间频率信号的传输稳定性得到极大的提高。
高稳晶振701初始输出一个标准时间频率信号，所述高稳晶振具有较好的短期稳定性，该信号可以表示为：
其中，A6，w1，分别为所述高稳晶振输出标准时间频率信号的幅度，频率和相位。
将所述高稳晶振输出的标准时间频率信号用作第二频率振荡器702的参考信号，使得第二频率振荡器702输出信号与所述高稳晶振输出的标准时间频率信号相位一致。所述第二频率振荡器输出信号，用作第三相位噪声检出辅助信号，可以表示为：
将所述第四相位噪声检出辅助信号Ω5与第三相位噪声检出辅助信号Ω7馈入到第二混频器705，得到两信号的混频信号：
将此混频信号经比例积分伺服电路反馈控制所述高稳晶振输出的标准时间频率信号，使得Ω7与Ω5相位一致，即有：也即高稳晶振输出的标准时间频率信号Ω6与发射端的标准时间频率信号相位一致。
当所述高稳晶振输出标准时间频率信号频率与发射端的标准时间频率信号频率一致时，即有：w0＝w1，则有：b＝c；
当发射端实现光纤传输引入噪声的主动伺服补偿时，即满足：φf＝0，则有：φref＝φ1，即接收端高稳晶振输出的标准时间频率信号与发射端的标准时间频率信号的频率和相位一致。
上述a，b和c为任意数，只需满足：b＝c＝2a，一般选择为标准时间频率信号频率的整数倍，以方便实验测量计算。
另外，本实用新型实施例中的高稳晶振可以为恒温压控晶体振荡器，频率振荡器可以为与外参考相位锁定的介质振荡器。
本实施例，接收装置，包括：第二光纤环行器，用于接收发射端经光纤传输的相位调制光载波信号，并将所述相位调制光载波信号回传到发射端；所述标准时间频率信号复现部，用于探测所述相位调制光载波信号，解调出调制在光载波上的高频调制信号，并复现出相位锁定于发射端的标准时间频率信号的标准时间频率信号，实现了通过发射端检出光纤引入的相位噪声，并通过控制光纤的路径长度补偿该相位噪声，接收端最终能够复现出相位锁定于发射端的标准时间频率信号的标准时间频率信号，本实用新型传输标准时间频率信号的传输稳定性较高，解决了现有技术中传输标准时间频率信号的传输稳定性较差的问题。
下面介绍本实用新型利用光纤传输标准频率信号的发射装置的一个优选实施例。
图6为本实用新型利用光纤传输标准时间频率信号的发射装置实施例三的结构示意图，如图6所示，以传输频率为9.2GHz的微波频率信号为例，但不限于这个频率，其他频率信号的传输情形类似。
本实施例中，将标准频率信号源输出的标准时间频率信号倍频，调制到适合光纤传输的光载波上，通过实现微波段标准时间频率信号的光纤传输，并探测回传的相位调制光载波信号，检出光纤传输过程中由光纤引入的相位噪声，利用光纤光学方法实现该相位噪声的主动伺服补偿。
本实施例中，标准时间频率信号源例如采用铯喷泉钟校准的氢钟，但不限制于此。
如图6所示，发射装置包括如下组件：
第一频率振荡器101：外参考相位锁定介质振荡器(DRO)，输入标准时间频率信号的参考频率100MHz，输出高频调制信号的振荡频率4.6GHz；
与第一频率振荡器101连接的还可以有微波功率分配器101’：相位平衡一分二微波功率分配器，用于将第一频率振荡器101输出的信号分成两部分，一部分输入到倍频器，一部分输入到电光相位调制器中；
倍频器102：输入信号的频率为4.6GHz，输出信号的频率为9.2GHz；
与微波功率分配器101’连接的还可以有功率放大器102’，其工作频段覆盖4.6GHz，输出最大功率为1W；
电光相位调制器103：电光相位调制器(EOM)，工作频率为4.6GHz，输入微波最大功率1.5W；
激光器104：1550nm分布反馈激光器，输出功率为-1dBm左右；
第一放大器105：低相位噪声微波功率放大器，其工作频率范围覆盖9.2GHz，增益33dB左右，P1dB输出10～13dBm；
第一光纤放大器106：可以是第一掺铒光纤放大器(Erbium Doped FiberAmplifier，简称EDFA)，其工作范围覆盖1550nm，增益大于10dB，饱和输出9dBm左右；
第一光纤环行器107：由端口1入射的光只能由端口2输出，由端口2入射的光只能由端口3输出；
第二光纤放大器108：可以是第二掺铒光纤放大器，其工作范围覆盖1550nm，增益大于20dB，饱和输出9dBm左右；
第一探测器109：高速光探测器，其工作波长应覆盖1550nm，3dB响应带宽应高于10GHz；
第二放大器110：低相位噪声微波功率放大器，其工作频率范围覆盖9.2GHz，增益33dB左右，P1dB输出10～13dBm；
第一混频器111：微波频率混频器，该混频器的LO和RF端频率覆盖9.2GHz，IF端频率从DC起始；
比例积分伺服电路115：通过在比例积分伺服电路中增加相应滤波电路，将其输出分为快环和慢环两路，其中快环响应带宽应大于2kHz，快环控制光纤拉伸器113；慢环响应带宽小于10Hz，慢环控制光纤延迟线114；
光纤拉伸器113：光纤拉伸器(FiberPZT)，由PZT驱动的光纤拉伸器，其响应频率大于2.6kHz，光纤长度变化动态范围3mm；
光纤延迟线114：光纤光学延迟线(FiberDL)，为电机驱动光学长度调整器，其响应频率为10Hz，单体光纤光学延迟线的光学长度变化动态范围为18cm，必要时可以级联多个光纤光学延迟线。
本实施例中，发射装置的工作方式如下：利用图6中标准频率信号源氢钟给出的100MHz标准时间频率信号作为外部参考，第一频率振荡器101通过其内部的相位锁定电路，输出相位锁定于所述100MHz标准频率信号的4.6GHz微波信号。微波功率分配器101’将第一频率振荡器101输出信号分成功率相等、相位平衡的两部分，其中一部分经功率放大器102’做功率放大后，用作电光相位调制器103的驱动信号，另一部分则经倍频器102倍频到9.2GHz，经第一放大器105做低相位噪声功率放大后作为第一混频器111的LO端输入信号。激光器104输出1550nm波段光载波，馈入电光相位调制器103的做4.6GHz电光相位调制，调制信号耦合经第一光纤放大器106放大后经第一光纤环行器107的1端口耦合进入光纤链路做远程传输。在第一光纤环行器107的3端口输出为经光纤链路往返传输的回传光信号，经第二光纤放大器108功率放大后由第一探测器109得到9.2GHz微波频率信号。该9.2GHz信号经第二放大器110放大后作为第一混频器111的RF端输入信号。第一混频器111将第一放大器105和第二放大器110输出信号混频后，第一混频器111的IF端得到的信号中携带光纤链路传输过程中引入的相位噪声信息，馈入到108，经比例积分伺服电路115做比例积分放大后分快慢两个环输出，其中快环输出控制光纤拉伸器113，慢环输出控制光纤延迟线114，通过改变光纤链路的光学长度获得标准时间频率信号的高稳定度传输。
下面介绍本实用新型利用光纤传输标准频率信号的接收装置的一个优选实施例。
图7为本实用新型利用光纤传输标准时间频率信号的发射装置实施例三的结构示意图，如图7所示中，以传输频率为9.2GHz的微波频率信号为例，但不限于这个频率，其他频率信号的传输情形类似。
下面介绍本实施例的接收装置各组成部分的结构和工作方式。所述接收装置用于将传输到接收端的光信号放大后，将光信号分为两部分，一部通过环形器回馈入光纤链路，作为发射端回传信号；另一部分则通过光电探测，得到传输的9.2GHz微波频率信号。并通过锁相将VCXO输出标准频率信号同步到所述9.2GHz微波频率信号上，实现标准时间频率信号的远程传输。
如图7所示，本实施例的接收装置包括如下组件：
第二光纤环行器40，由端口1入射的光只能由端口2输出，由端口2入射的光只能由端口3输出；
第三光纤放大器50：第三掺铒光纤放大器(EDFA)，其工作范围覆盖1550nm，增益大于20dB，饱和输出9dBm左右；
光纤耦合器60，按50:50比例分配输入光功率到两个输出端；
第二探测器703：高速光探测器，其工作波长应覆盖1550nm，3dB响应带宽应高于10GHz；
第三放大器704：低相位噪声微波功率放大器，其工作频率范围覆盖9.2GHz，增益33dB左右，P1dB输出10-13dBm；
第二混频器705：微波频率混频器，该混频器的LO和RF端频率覆盖9.2GHz，IF端频率从DC起始；
高速比例积分伺服电路，响应带宽大于100kHz；
高稳晶振701：高稳定性压控晶振VCXO，输出100MHz标准时间频率信号；
第二频率振荡器702：外参考相位锁定介质振荡器(DRO)，输入参考频率100MHz，输出振荡频率9.2GHz；
本实施例中，接收装置的工作方式如下：从发射端经光纤链路传输到接收端的光信号经第二光纤环行器40的2端口进入接收装置，由第二光纤环行器40的2端口输出，经第三掺铒光纤放大器50做功率放大。放大后的光信号由光纤耦合器60分为功率相等的两部分，其中一部分由第二光纤环行器40的1端口馈入第二光纤环行器40，经第二光纤环行器40的2端口进入光纤链路回传；另一部分则由第二探测器703探测得到边带拍频的9.2GHz信号，该信号输入到第三放大器704做低相位噪声功率放大，然后馈入到第二混频器705的RF端。高稳晶振701输出100MHz标准时间频率信号，用作外部输出，以及第二频率振荡器702的外部参考信号，第二频率振荡器702输出9.2GHz信号馈入到第二混频器705的LO端。第二混频器705的IF端输出为RF端与LO端混频后信号，经比例积分伺服电路做比例积分放大后，反馈控制高稳晶振701，得到相位锁定到传输9.2GHz的100MHz标准时间频率信号。
应注意的是，上述具体实施示例中的标准频率信号源不仅限于铯喷泉钟校准的氢钟，也可以是任何由铯喷泉钟校准的守时钟，例如：铯钟、铷钟等。
第一频率振荡器101的输出信号频率不只限于4.6GHz。根据本实用新型的传输原理，任何可以将相位锁定于基准钟的频率振荡器产生的频率都可以。但应注意保证第二频率振荡器702的频率为第一频率振荡器101器输出频率的2倍。
激光器104不只限于波长1550nm的分布反馈激光器。其波长对应光纤通信的窗口波段，例如是840nm,1310nm,1550nm。
第一掺铒光纤放大器，第二掺铒光纤放大器，第三掺铒光纤放大器不只限于EDFA，也可以是其他激光放大器，工作波长与所选的传输激光波长相对应。
本实施例中用到的其他器件参数都是根据本实施例传输的9.2GHz原子时信号所作的优化选择。在传输其他频率时，可根据具体情况优化选择各器件的参数。
图8为本实用新型利用光纤传输标准时间频率信号的方法实施例一的流程图，如图8所示，本实施例的方法可以包括：
步骤801、产生相位锁定于输入的标准时间频率信号的高频调制信号。
步骤802、将所述高频调制信号通过光载波调制后得到相位调制光载波信号。
步骤803、发射放大后的所述相位调制光载波信号，并接收接收端回传的引入相位噪声的相位调制光载波信号。
步骤804、将高频调制信号与引入相位噪声的相位调制光载波信号进行处理检出引入的相位噪声，并通过控制光纤的路径长度补偿相位噪声，以使接收端接收到的信号相位锁定于发射端的标准时间频率信号。
本实施例的方法，可以采用如图2～图4和图6任一装置实施例的结构执行，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。
图9为本实用新型(方法主题)实施例二的流程图，如图2所示，本实施例的方法可以包括：
步骤901、接收发射端发射的相位调制光载波信号。
步骤902、根据所述相位调制光载波信号复现相位锁定于发射端输入的标准时间频率信号的标准时间频率信号。
本实施例的方法，可以采用如图5和图7任一装置实施例的结构执行，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。
图10为本实用新型利用光纤传输标准时间频率信号的系统实施例的结构示意图，如图10所示，本实施例的系统包括：发射装置100和接收装置500，其中，发射装置100可以采用图2～图4和图6任一装置实施例的结构，其对应地，可以执行图8中方法实施例的技术方案；接收装置500可以采用图5和图7任一装置实施例的结构，其对应地，可以执行图9中方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种利用光纤传输标准时间频率信号的发射装置，其特征在于，包括：
电光相位调制部，用于产生相位锁定于输入的标准时间频率信号的高频调制信号，所述高频调制信号通过光载波调制后得到相位调制光载波信号；
发射接收部，与所述电光相位调制部连接，用于发射放大后的所述相位调制光载波信号；并接收接收端回传的引入相位噪声的相位调制光载波信号；
光纤相位噪声补偿部，分别与所述电光相位调制部和所述发射接收部连接，用于检出引入的所述相位噪声，并通过控制所述光纤的路径长度补偿所述相位噪声，以使所述接收端接收到的信号相位锁定于发射端的标准时间频率信号。
2.根据权利要求1所述的发射装置，其特征在于，所述电光相位调制部，包括：
第一频率振荡器，用于产生相位锁定于输入的标准时间频率信号的高频调制信号，用于产生相位锁定于输入的标准时间频率信号的高频调制信号；
倍频器，与所述第一频率振荡器连接，用于将所述高频调制信号经二倍频后产生第一相位噪声检出辅助信号；
电光相位调制器，与所述第一频率振荡器连接，用于将所述高频调制信号通过光载波调制后得到相位调制光载波信号。
3.根据权利要求2所述的发射装置，其特征在于，所述电光相位调制部，还包括：
激光器，与所述电光相位调制器连接，用于产生所述光载波；
第一放大器，与所述倍频器连接，用于将所述第一相位噪声检出辅助信号进行功率放大。
4.根据权利要求1～3任一项所述的发射装置，其特征在于，所述发射接收部，包括：
第一光纤放大器，与所述电光相位调制器连接，用于对所述相位调制光载波信号的功率进行放大；
第一光纤环行器，与所述第一光纤放大器连接，用于将所述相位调制光载波信号经光纤链路传输到接收端；并接收所述接收端回传的引入相位噪声的相位调制光载波信号。
5.根据权利要求4所述的发射装置，其特征在于，所述光纤相位噪声补偿部，包括：
第二光纤放大器，与所述第一光纤环行器连接，用于将所述第一光纤环行器输出的所述引入相位噪声的相位调制光载波信号进行功率放大；
第一探测器，与所述第二光纤放大器连接，用于探测所述相位调制光载波信号，经信号处理后得到第二相位噪声检出辅助信号；
第二放大器，与所述第一探测器连接，用于将所述第二相位噪声检出辅助信号进行功率放大；
第一混频器，分别与所述第一放大器和所述第二放大器连接，用于将接收到的所述第一相位噪声检出辅助信号和所述第二相位噪声检出辅助信号，混频后得到相位噪声反馈控制信号；
光纤补偿器，分别与所述第一混频器和所述第一光纤环行器连接，用于通过所述相位噪声反馈控制信号控制光纤长度，补偿所述相位噪声。
6.根据权利要求5所述的发射装置，其特征在于，所述光纤补偿器，包括：
光纤拉伸器，用于通过所述相位噪声反馈控制信号控制拉伸光纤链路长度，补偿高频的所述相位噪声；
光纤延迟线，与所述光纤拉伸器连接，用于通过所述相位噪声反馈控制信号控制改变光纤链路长度，补偿低频的所述相位噪声。
7.根据权利要求6所述的发射装置，其特征在于，所述光纤补偿器，还包括：
比例积分伺服电路，分别与所述第一混频器、所述光纤拉伸器和所述光纤延迟线连接，用于通过所述相位噪声反馈控制信号分别控制所述光纤拉伸器和所述光纤延迟线补偿所述相位噪声。
8.一种利用光纤传输标准时间频率信号的接收装置，其特征在于，包括：
第二光纤环行器，用于接收发射端经光纤传输的相位调制光载波信号，并将所述相位调制光载波信号回传到发射端；
第三光纤放大器，与所述第二光纤环行器连接，用于将所述相位调制光载波信号进行功率放大；
光纤耦合器，分别与所述第三光纤放大器和所述第二光纤环行器连接，用于对所述第三光纤放大器输出的所述相位调制光载波信号分成两束；将其中一束输入到所述第二光纤环行器，将另外一束输入到标准时间频率信号复现部；
所述标准时间频率信号复现部，与所述光纤耦合器连接，用于探测经所述第三光纤放大器放大后的所述相位调制光载波信号，解调出调制在光载波上的高频调制信号，并复现出相位锁定于发射端的标准时间频率信号的标准时间频率信号。
9.根据权利要求8所述的接收装置，其特征在于，所述标准时间频率信号复现部，包括：
高稳晶振，用于输出标准时间频率信号，所述标准时间频率信号用作第二频率振荡器的参考信号；
所述第二频率振荡器，与所述高稳晶振连接，用于通过所述标准时间频率信号作为参考信号，产生第三相位噪声辅助检出信号；
第二探测器，与所述光纤耦合器连接，用于接收所述光纤耦合器输出的所述相位调制光载波信号，经信号处理后得到第四相位噪声辅助检出信号；
第三放大器，与所述第二探测器连接，用于将所述第四相位噪声检出辅助信号进行功率放大；
第二混频器，分别与所述第三放大器和所述高稳晶振连接，用于将接收到的所述第三相位噪声检出辅助信号和所述第四相位噪声检出辅助信号，混频后得到相位噪声反馈控制信号；所述相位噪声反馈控制信号用于控制所述高稳晶振输出的标准频率信号，使得所述第二频率振荡器输出的第三相位噪声辅助检出信号与所述第二探测器输出的第四相位噪声辅助检出信号相位一致。
10.一种利用光纤传输标准时间频率信号的系统，其特征在于，包括：
如权利要求1～7任一项所述的发射装置和如权利要求8～9任一项所述的接收装置。
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