CZ21659U1 - Zařízení pro přenos času a frekvence optickou sítí - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká zařízení pro přenos času a frekvence v prostředí plně optické sítě v případě, kdy je vyžadována velmi vysoká přesnost nebo stabilita. Typickou oblastí využití je met5 rologie času a frekvence, kdy je třeba porovnávat frekvence oscilátorů a vyhodnocovat rozdíly časových stupnic. Další aplikací je distribuce času a frekvence z primárního zdroje do místa využití.

Dosavadní stav techniky

Přenos přesného času a frekvence na vzdálenosti do jednotek až desítek kilometrů je běžně řešen to pomocí impedančně přizpůsobeného vedení, například pomocí koaxiálního kabelu, kdy je rychlost šíření určena výrobcem vedení, případněji lze snadno změřit. Na větší vzdálenosti, až tisíce kilometrů, se pro přenos času v posledních letech standardně používají metody založené na některém ze satelitních navigačních systémů, většinou GPS. Přenos je nepřímý, na obou stanicích se sleduje časový signál vybraného satelitu, respektive průměr z několika satelitů. Přesnost pře15 nosu je v řádu nanosekund pro kratší vzdálenosti v desítkách kilometrů, ale klesá při vzdálenosti stovek kilometrů.

Rozvoj vláknové optiky v posledních letech přinesl nové metody pro přenos času a frekvence. Problémem pro vzdálenosti nad přibližně 10 kilometrů je změna délky vlákna vlivem kolísání teploty, která se projeví změnou zpoždění v řádu jednotek až desítek nanosekund. Pro větší vzdálenosti nebo při požadavku na vyšší přesnost je nezbytné využít obousměrné, tzv. two-way metody, kdy je časová informace přenášena současně v obou směrech a tím se eliminuje změna zpoždění. Pro sítě s linkovým protokolem SDH/SONET, to je pro synchronní sítě, byly navrženy a testovány způsoby pasivního přenosu času, kdy je pro přenos využíváno sledování běžného provozu v síti. Tuto metodu však nelze využít v síti s asynchronním přenosem dat, např. Ether25 net. Dalším problémem je, že protokoly SDH/SONET jsou provozovány především na páteřních sítích telekomunikačních společností a nelze tedy snadno zajistit napojení přímo na pracoviště, která vyžadují přesný čas a frekvenci.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nevýhody odstraňuje zařízení pro přenos přesné časové informace a frekvence optickou sítí z jedné strany na druhou stranu podle předkládaného řešení. Podstatou nového řešení je, že zařízení sestává ze dvou identických adaptérů propojených optickou linkou. Každé z nich se skládá z vysílací části tvořené modulátorem připojeným jedním vstupem na výstup oscilátoru a druhým vstupem na výstup signálu z externích hodin, jejichž čas má být přenášen. Signál z externích hodin je ve formátu 1 PPS. Jeden výstup modulátoru je propojen přes optický vysílač první strany optickou linkou s optickým přijímačem identického adaptéru na druhé straně. Druhý výstup modulátoru se zpožděným signálem je spojen s jedním vstupem prvního čítače, na jehož druhý vstup je připojen výstup signálu z externích hodin, jejichž čas má být přenášen. Výstup čítače se signálem rovnajícím se rozdílu zpožděného signálu z modulátoru a signálu externích hodin je připojen na jeden vstup vyhodnocovací jednotky. Adaptér dále obsahuje vstupní část tvořenou optickým přijímačem, který je optickou linkou propojen s optickým vysílačem identického adaptéru na druhé straně a který má výstup spojen se vstupem demodulátoru. Výstup demodulátoru se zpožděným signálem je spojen s jedním vstupem druhého čítače, na jehož druhý vstup je připojen výstup signálu z externích hodin, jejichž čas má být přenášen. Výstup druhého čítače se signálem rovnajícím se rozdílu zpožděného signálu z demodulátoru a signálu externích hodin j e připoj en na druhý vstup vyhodnocovací j ednotky.

-1 CZ 21659 U1

V jednom možném provedení je oscilátor zároveň připojen na výstup stabilní přesné frekvence 10 MHz externích hodin, jejichž frekvence má být přenášena a demodulátor je opatřen frekvenčním výstupem F, který je výstupem příslušného adaptéru A respektive B.

Převod mezi elektrickým a optickým signálem se provádí v optickém vysílači, opačný převod se provádí v optickém přijímači. S výhodou lze tedy jako optický vysílač a optický přijímač využít tzv. transceivery typu SFP, SFP+ nebo XFP, které sdružují obě funkce.

Ve výhodném provedení jsou první a druhý čítač společně s oscilátorem, modulátorem a demodulátorem integrovány do struktury programovatelného logického pole typu FPGA.

Předkládané řešení realizuje aktivní přenos času a frekvence ve vyhrazeném temném vlákně nebo io pomocí kanálu DWDM, což je vlnový multiplex, kdy po jednom vlákně je přenášeno až 80 nezávislých kanálů charakterizovaných určitou vlnovou délkou.

Výhodou použití transceiverů je, že systém je kompatibilní s ostatními kanály a že jsou plně respektovány požadované parametry vysílače, např. vlnová délka, vysílací výkon, spektrum signálu.

Zařízení může používat buď některý ze standardních protokolů fyzické vrstvy, nebo vlastní protokol, který bude lépe přizpůsoben účelu. V druhém případě je nezbytné zajistit, aby na lince byl stále přenášen nějaký provoz.

Přehled obrázku na výkrese

Podstata technického řešení je dále vysvětlena a popsána na základě připojeného výkresu, který znázorňuje blokové schéma zařízení. Jedná se o skutečné zařízení, jehož prototyp byl vyroben a odzkoušen.

Příklad provedení technického řešení

Celá sestava se skládá ze dvou identických adaptérů propojených optickou linkou a dvou externích hodin, jejichž čas je přenášen. Každý tento adaptér se skládá z optického modulu, realizo25 váného s výhodou transceiverem a z elektronické části. Vstupem je signál T z externích hodin, jejichž čas bude přenášen. Tento signál je ve formátu i PPS, Pulse Per Second, což znamená, že hrana elektrického signálu odpovídá začátku sekundy. Druhým vstupem, je-li požadován i přenos frekvence, je přesná frekvence 10 MHz. Výstupem adaptéru na straně A respektive B je signál Tg ve formátu 1 PPS, přenesený z druhého adaptéru umístěného na straně B respektive A a dále signál T$ udávající zpoždění v daném adaptéru.

Dále bude popsáno zapojení jednotlivých bloků, které je pro adaptér na straně A identické s adaptérem na straně B.

Výstupní část adaptéru, jehož blokové schéma je znázorněno na obr. 1, je tvořena modulátorem 2, jehož jeden vstup je připojen na výstup oscilátoru 1 a druhým vstupem je výstup T z externích hodin, jejichž čas má být přenášen. Vstup oscilátoru I je připojen na výstup 10 MH2 z externích hodin. Jeden výstup modulátoru 2 je připojen na vstup optického vysílače 4 a druhý výstup je přiveden na vstup prvního čítače 7. Výstup optického vysílače 4 je připojen do optického vlákna, které je na opačném konci zapojeno na optický vstup druhého identického adaptéru.

Vstupní Část adaptéru je tvořena optickým přijímačem 5, na jehož vstup je připojeno optické vlákno, jehož opačný konec je zapojen do optického výstupu druhého adaptéru, Výstup optického přijímače 5 je připojen na vstup demodulátoru 3, jehož jeden výstup představuje výstup adaptéru F a druhý výstup je přiveden na vstup druhého čítače 6.

První čítač 7 a druhý čítač 6 v režimu měření délky Časového intervalu mají na svůj druhý vstup připojen výstup T z externích hodin. První čítač 7 pak měří hodnotu Tg - T, tedy časový rozdíl mezi odeslaným signálem Ts a signálem z hodin T. Druhý čítač 6 měří hodnotu Tr - T. tedy časo-2CZ 21659 Ul vý rozdíl mezi přijatým časovým signálem T_£ a signálem T. Funkci čítačů mohou plnit laboratorní přístroje typu univerzální čítač nebo mohou být s výhodou integrovány přímo do adaptéru.

Oscilátor i, modulátor 2 a demodulátor 3 jsou realizovány v programovatelném logickém poli typu FPGA. Optický vysílač 4 a optický přijímač 5 jsou v uvedeném příkladě součástí tzv. optického transceiveru typu SFP.

V prototypu zařízení byly jako první čítač 7 a druhý čítač 6 použity na obou stranách samostatné laboratorní čítače.

Příklad výpočtu Časového rozdílu dvou hodin

Sekundový puls z externích hodin se objeví na vstupu T prvního adaptéru A na jedné straně v čase t_A. Následně je vyslán v čase t_SA optickou linkou do druhého adaptéru B na druhé straně, kde je přijat v čase t_RB. Analogicky, sekundový puls z externích hodin připojených ke druhému adaptéru B dorazí na jejich vstup T v čase t_B, následně je druhým adaptérem B vyslán do linky v čase t_SB a prvním adaptérem A je přijat v čase t_RA. Nechť Q_AB = t_B- t_A označuje rozdíl časových stupnic obou hodin, £_Si= t_Si - ti; i = A, B je zpoždění v adaptéru i a δ_ΑΒ = t_RB - t_SA, resp. δ_αΑ = t_RA tse je transportní zpoždění z prvního adaptéru A do druhého adaptéru B respektive z druhého adaptéru B do prvního adaptéru A.

Dále je definováno

Aj — t_RA - t_A = Qab + £sb + δ ba ,

Xb — tRB - h ⁼ -Θ_ΑΒ ⁺ ČSA ⁺ &AB

V symetrické optické lince jsou zpoždění v obou směrech stejná: δ = δ_ΑΒ = δ_ΒΑ .

V reálném prostředí se délka optických vláken v obou směrech mírně liší a tím vzniká nesymetrie A:

Δ = Ďba - δ_ΑΒ .

Hodnota X_A, resp. X_B odpovídá výše uvedenému intervalu Tg - T změřenému čítačem a obdobně hodnota £_SA , resp. e_sb odpovídá intervalu T_s - T změřenému druhým čítačem. Velikost nesymetrie Δ musí být stanovena v průběhu kalibrace, neboť závisí jen na optické lince spojující první adaptér A a druhý adaptér B.

Rozdíl časových stupnic obou hodin Θ_ΑΒ může být vypočítán ze vztahu

Θ_αβ = ((X_A - X_B) + (£_SA - £_SB) - A) / 2 .

Průmyslová využitelnost

Zařízení lze požít všude, kde je požadován přesný přenos časové informace nebo frekvence a je k dispozici obousměrná plně optická trasa, např. jeden pár vyhrazených optických vláken nebo jede pár kanálu v systému vlnového multiplexu (DWDM).

V závislosti na kvalitě optické trasy je možné přenos uskutečnit na maximální vzdálenost 1000 až 2000 km. Parametry zařízení umožňují přenášet časovou informaci se statistickou přesností v řádu desítek pikosekund.

Jednou z typických oblastí využití jsou aplikace z oblasti času a frekvence, např. porovnávání času atomových hodin.

Claims (4)

1. Zařízení pro přenos přesné časové informace a frekvence optickou sítí z jedné strany na druhou stranu, vyznačující se tím, že sestává ze dvou identických adaptérů (A, B) propojených optickou linkou a skládajících se z vysílací části tvořené modulátorem (2) připoje5 ným jedním vstupem na výstup oscilátoru (1) a druhým vstupem na výstup signálu (T) z externích hodin, jejichž čas má být přenášen, kde tento signál (T) je ve formátu 1 PPS, přičemž jeden výstup modulátoru (2) je propojen pres optický vysílač (4) prvního adaptéru (A) první strany optickou linkou s optickým přijímačem (5) identického druhého adaptéru (B) na druhé straně a druhý výstup modulátoru (2) se zpožděným signálem (T_s) je spojen s jedním vstupem prvního i« čítače (7), na jehož druhý vstup je připojen výstup signálu (T) z externích hodin a jehož výstup se signálem (T_s - T) je připojen na jeden vstup vyhodnocovací jednotky a dále adaptér (A, B) obsahuje vstupní část tvořenou optickým přijímačem (5), který je optickou linkou propojen s optickým vysílačem (5) identického adaptéru (B, A) na druhé straně a který má výstup spojen se vstupem demodulátoru (3), jehož výstup se zpožděným signálem (T_R) je spojen s jedním vstu15 pem druhého čítače (6), na jehož druhý vstup je připojen výstup signálu (T) z externích hodin a jehož výstup se signálem (T_R - T) je připojen na druhý vstup vyhodnocovací jednotky.

2. Zapojení podle nároku 1, vyznačující se tím, že oscilátor (1) je zároveň připojen na výstup stabilní přesné frekvence 10 MHz hodin, jejichž frekvence má být přenášena a demodulátor (3) je opatřen výstupem frekvence F, který je výstupem příslušného adaptéru (A,

20 B).

3. Zapojení podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že jako optický vysílač (4) a optický přijímač (5) je použit transceiver typu SFP, SFP+ nebo XFP.

4. Zapojení podle nároku 1 a kteréhokoli z nároků 2 nebo 3, vyznačující se tím, že první čítač (7) a druhý čítač (6) jsou společně s oscilátorem (1), modulátorem (2) a demodu25 látorem (3) integrovány do struktury programovatelného logického pole typu FPGA.