EP2253184A1 - Referenzsignal-verteilung - Google Patents

Referenzsignal-verteilung

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Publication number
EP2253184A1
EP2253184A1 EP09716936A EP09716936A EP2253184A1 EP 2253184 A1 EP2253184 A1 EP 2253184A1 EP 09716936 A EP09716936 A EP 09716936A EP 09716936 A EP09716936 A EP 09716936A EP 2253184 A1 EP2253184 A1 EP 2253184A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
signal
clock signal
phase
clock
optical
Prior art date
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Granted
Application number
EP09716936A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP2253184B1 (de
Inventor
Peter Meissner
Michael Bousonville
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
GSI Helmholtzzentrum fuer Schwerionenforschung GmbH
Original Assignee
GSI Helmholtzzentrum fuer Schwerionenforschung GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Publication of EP2253184A1 publication Critical patent/EP2253184A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2253184B1 publication Critical patent/EP2253184B1/de
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H7/00—Details of devices of the types covered by groups H05H9/00, H05H11/00, H05H13/00
    • H05H7/02—Circuits or systems for supplying or feeding radio-frequency energy

Definitions

  • the present invention relates to a method and a system for the synchronization of cavities in an accelerator and in particular also for the synchronization of devices which are arranged at different locations but whose functions have to be precisely timed to one another in terms of their functions.
  • a circular accelerator is a synchrotron.
  • the particles are guided through a magnetic field on a circular path with a nearly constant radius and accelerated in a phase-synchronous manner on acceleration sections by a high-frequency alternating electric field.
  • the alternating electric fields are by a temporary application of the corresponding acceleration voltages to the Cavities generated.
  • the phases of the alternating field at the cavities must be coordinated accordingly. However, this is not only crucial for the guidance or acceleration of the particles on a circular path but also for a particle transfer.
  • Particulate transfer may be the feeding of the particles into the synchrotron, for example from an ion source or a pre-accelerator.
  • clock signals are provided by clocks.
  • the distance of the reference points, in relation to each other and to the clocks, can amount to up to several kilometers depending on the size of the system.
  • the frequency or the clock with which the corresponding voltages are applied to the cavities is generated directly at the cavities in each case by means of a frequency generator which is controlled by the clock signal.
  • phase positions of the clock signals at the individual reference points must be precisely matched, less than about 500 ps, to one another.
  • the phase positions should be substantially identical or phase-synchronous in the time average.
  • the phase fluctuations between the reference points should be low. This also means short-term fluctuations of the phase, the so-called phase jitter.
  • the clock signals at the various reference points are essentially all to be synchronized. For this purpose, it is necessary to provide a synchronized clock signal or synchronization signal. So far, this same length lines are used.
  • optical fibers are used to transmit the signals. The particular advantages of optical transmission are the low transmission losses and the insensitivity to electromagnetic interference.
  • the basis for the optical communication form essentially light-emitting transmitter or transmitter oscillators, for example, internally or externally modulated laser diodes, glass fibers and receivers, for example photodiodes, possibly with amplifiers. It is tried in the known systems to obtain a stable phase as possible clock signal distribution.
  • a high frequency synchronized clock signal is transmitted from 300 MHz to over 10 GHz.
  • the phase angles at different reference points are not identical.
  • the transit times and thus the phase angles fluctuate as a result of environmental influences. Wired
  • phase angles change at different reference points.
  • the lines must be remeasured in time intervals, in particular also depending on the season and thus thermal changes.
  • the transmission also adds noise to the clock signals, which can also cause jitter.
  • One approach is to arrange a radio-opaque mirror in the transmission link between the clock and the reference point, which partially reflects the clock signal.
  • the transmitted and the reflected signal are thus identical.
  • By means of an interference is closed to the length of the transmission path.
  • such a system is stable only for one phase.
  • the present invention has therefore set itself the task of providing a method and a system for synchronization, which at least reduce the disadvantages of the prior art described above.
  • phase positions at the reference points preferably in such a way that they are substantially identical on average and / or short-term phase fluctuations can be kept small.
  • this adjustment or correction during operation.
  • a method for synchronizing devices which are arranged on at least two reference points, in particular of cavities in an accelerator, comprises the following method steps:
  • a method for synchronizing devices which are arranged on at least two reference points, in particular of cavities in an accelerator, comprises the following method steps:
  • Receiving unit which is assigned to the first reference point
  • a second receiving unit which is assigned to the second reference point
  • a system for synchronizing devices, which are arranged at at least two reference points, in particular cavities in an accelerator, comprising the following components: a clock for providing a clock signal of at least one optical wavelength, which at least a first reference point via an optical A receiving unit for receiving the clock signal, which is associated with the first reference point, means for providing a measurement signal of at least one optical wavelength, which differs from the optical wavelength of the clock signal, a coupling device for coupling the following components: a clock for providing a clock signal of at least one optical wavelength, which at least a first reference point via an optical A receiving unit for receiving the clock signal, which is associated with the first reference point, means for providing a measurement signal of at least one optical wavelength, which differs from the optical wavelength of the clock signal, a coupling device for coupling the
  • Measuring signal in the first optical line for transmitting the clock signal a reflector, which is associated with the receiving unit, for wavelength-selective reflection, so that the measurement signal is reflected, a device for coupling the reflected measurement signal from the optical line, a receiving device for receiving the decoupled reflected Measuring signal, means for determining the transit time on the optical line from the coupled measurement signal and the decoupled reflected measurement signal and
  • the system according to the invention is in particular designed for carrying out the method according to the invention.
  • the methods according to the invention are preferably executable by means of the system according to the invention.
  • exactly one clock is provided. It is a central clock to which preferably all reference points are synchronized.
  • the clock may also represent the second reference point in one embodiment.
  • Synchronization is understood to mean that the devices positioned at the different locations or reference points are timed to one another in terms of their functions.
  • the distribution of the clock signals preferably takes place via a star-shaped optical network.
  • the clock signal is a modulated signal.
  • the actual information of the clock signal is in its phase.
  • the phase positions of the clock signals or the position of the phases of the clock signals to each other should be matched to each other at the individual reference points.
  • the clock signals are "fed" by the central clock.
  • a control signal is provided in addition to the clock signal.
  • the control signal which is also referred to below as the update signal, is a signal which is assigned to the clock signal.
  • the control signal has an optical wavelength that is different from the optical wavelength of the clock signal and the optical wavelength of the measurement signal.
  • the control signal makes it possible to execute the functions to be synchronized from a definable period of the clock signal.
  • the control signal is in particular a signal for controlling the synchronization of the cavities.
  • the device for providing the clock signal and / or the control signal comprises a laser. If the clock signal and / or the control signal still have to be modulated, then the means for providing the clock signal and / or the control signal also comprises a preferably frequency-variable modulator.
  • the measuring signal is preferably also provided modulated.
  • the measurement signal can be applied continuously or configured as a pulse.
  • the optical wavelength of the measurement signal differs from the optical wavelengths of the clock signal in that it can be separated from the clock signal accordingly.
  • the minimum distance to the wavelengths of the clock signal is 1.6 nm. If the measuring signal is provided with only one optical wavelength, preferably a change in the transmission path, for example also a change in the dispersion, can be observed or determined directly. If, for example, the dispersion of the track is also to be determined directly, then the measurement signal is provided with at least two different optical wavelengths. This is particularly advantageous if the fiber is measured for the first time.
  • the device for providing the measurement signal is designed in one embodiment to provide at least one wavelength, preferably of at least two different wavelengths.
  • the means for providing the measurement signal comprises a laser.
  • the measurement signal is provided at a modulation frequency f M.
  • the modulation can already be done internally in a laser. If the measurement signal, for example by a CW laser, is provided substantially constant in amplitude and frequency or if it is to be further modulated, then the means for providing the measurement signal comprises a preferably frequency-variable modulator.
  • the initial modulation frequency f M of the measurement signal is adapted to the length of the fiber.
  • the initial frequency describes the frequency with which a first "rough" measurement of the transit time first takes place.
  • the initial modulation frequency f M is adapted to the boundary condition of 1 / f M greater than approximately twice the transit time of the measurement signal.
  • the modulation frequency of the measurement signal is increased to improve accuracy or resolution, preferably in discrete steps. In the current Operation, the modulation frequency of the measurement signal is then kept substantially constant.
  • the generated measurement signal is divided by a divider for splitting the measurement signal into at least two components before being coupled into the fiber, and a first component is coupled into the fiber and a second component is provided for comparing the coupled component with the reflected component.
  • the coupling device for coupling or connecting the measurement signal into the fiber in one embodiment comprises a multiplexer.
  • the coupled-in signal is then routed via the line or the transmission path which is to be measured or monitored.
  • the measuring signal is reflected at the reflector.
  • the measuring signal can be reflected substantially completely or only partially.
  • the reflector is a
  • Fiber Bragg Grating or Reflector includes Fiber Bragg Grating.
  • the reflector is transparent to the wavelengths of the clock signal and the control signal so that the clock signal and the control signal can pass through the reflector.
  • the reflector is associated with the receiving unit.
  • the measurement signal runs back and is decoupled from the line again by means of the coupling device for decoupling the measurement signal.
  • the measuring signal is decoupled after it has run back substantially completely over the transmission path.
  • the coupling device for decoupling the measurement signal comprises a demultiplexer or the Coupling device for decoupling the measurement signal is a demultiplexer.
  • the coupling device for coupling the measurement signal and the coupling device for coupling out the measurement signal are arranged in a component or are provided by a component.
  • the coupling device for coupling the measurement signal and the coupling device for decoupling the measurement signal is an ADD / DROP multiplexer.
  • the measurement signal provided and the coupled-out measurement signal via a switch, which is designed in particular as a circulator, the input device or the receiving device, which is preferably assigned to the means for determining the transit time supplied.
  • the receiving device is designed to receive the reflected measuring signal. However, it can also have means for determining the transit time from the coupled measuring signal and the decoupled measuring signal. However, these means can also be arranged in another component. In detail, the means may be designed to compare the phase of the coupled measurement signal with the phase of the decoupled measurement signal. The runtime is then determined from this comparison.
  • the receiving device is part of a measuring device, which preferably comprises a network analyzer.
  • the network analyzer is designed to measure the phases and / or to determine the transit time. The group delay of the measuring signal is measured. By determining the duration of the measuring signal, it is possible to conclude the phase with which the Clock signal and / or the control signal is applied to the receiving unit or arrives.
  • the functions generating the measurement signal and / or dividing the measurement signal and / or transmitting the measurement signal and / or providing the measurement signal and / or receiving the measurement signal and / or comparing and / or determining the transit time and / or the dispersion can substantially in one embodiment provided by the measuring device or the network analyzer.
  • the delay information is used to adjust the phase of the clock signal and / or the control signal at the reference point.
  • the phase positions of the clock signal and / or of the control signal at the individual reference points are matched or synchronized with one another.
  • the phase positions are synchronized in particular to the common clock source.
  • the phase of the clock signal may be adjusted or conditioned prior to being coupled into the transmission path, so that a change in the phase due to the transmission is substantially compensated.
  • the phase of the clock signal after the transmission preferably in the receiving unit, adapted in such a way or regenerated taking into account the transit time, so that a change of the information signal due to the transmission is substantially compensated or so that the phase of the clock signal is adapted to the phase of a clock signal at another reference point.
  • the means for adjusting or correcting the phase comprises a frequency generator, preferably a DDS ("Direct Digital Synthesis"), an optical delay, an optical phase shifter, a fiber stretcher and / or a PLL (Phase Locked Loop). ).
  • the corrected clock signal or the synchronized clock signal is used directly to control the high voltage to be applied to the cavity. In a further embodiment generates
  • Frequency generator which is also referred to as a clock regenerator, with the aid of the received clock signal and the delay information, a phase-synchronous and phase-stable clock signal.
  • the clock signals at the respective reference points or in the respective branches of a network relate to the same original clock signal.
  • the one clock signal is split and fed to the individual reference points.
  • the clock signal is preferably provided by a single clock.
  • the accuracy of the transit time measurement and the correction of the phase positions of the clock signals is also dependent on the accuracy or fluctuation range of the respective modulation frequency.
  • Control signal on the same time base or derived from the same time base.
  • the modulation of the clock signal and the modulation of the measurement signal and in particular, the modulation of the control signal are fed by a clock or an oscillator.
  • the measuring signal is thus independent of the clock signal. It is a very good channel separation possible. In addition, improved signal-to-noise ratios are achieved.
  • the correction of the phase position is preferably carried out with a special frequency generator, the DDS.
  • Other clock distribution systems compensate for the
  • the stroke of these phase shifters is limited. At low clock rates, the phase deviation might not be sufficient.
  • the frequency generator used according to an embodiment is not substantially limited in this respect. In principle, the phase can always be set essentially as desired.
  • phase-stable but also phase-synchronous clock signals can be provided at the individual reference points.
  • the methods according to the invention are also methods for controlling the phase position and the system is a control system for controlling the phase position.
  • Even relatively low-frequency clock signals preferably having a frequency in a range of about 10 kHz to about 10 MHz, can be transmitted with high phase accuracy. This is not possible, for example, if the clock signal is identical to the measurement signal.
  • the phase accuracy can be defined by the phase offset at the individual reference points.
  • the invention achieves accuracy in the range of about 500 ps to about 0.1 ps.
  • the invention is particularly suitable for the synchronization of cavities in accelerator systems. Therefore, within the scope of the invention is also a particle accelerator with at least one of the systems described above. However, the invention is also suitable for systems or systems which require a distribution of clock signals with the aim to provide substantially on average identical or synchronized phase positions at different spatially separated reference points. It is thus also suitable for all systems whose function is precisely timed to each other and in particular require a phase relationship to each other. In addition to the above application for the transmission of phase-stable clock signals in accelerator systems, is also a
  • radio telescope systems Therefore, an arrangement of radio telescopes with at least one of the systems described above is also within the scope of the present invention.
  • the methods and system of the present invention are for wired
  • FIG 1 illustrates basic aspects of the task of the invention.
  • FIG 2 shows schematically the timing of the clock signal and the control signal.
  • Figure 3 illustrates basic aspects of the present invention.
  • FIG. 4 explains the principle on which the invention is based at several reference points.
  • FIG. 5 illustrates the necessary interfaces for carrying out the present invention.
  • FIG. 6 schematically shows the system design on the basis of FIG
  • Figure 7 illustrates the system design for a plurality of transmission branches.
  • FIG. 8 illustrates the measurement of the transit time of the measurement signal on the transmission path or on a transmission path of a network branch.
  • FIG. 9 schematically shows the phase correction or
  • Phase matching in a transmission link in a branch of a network Phase matching in a transmission link in a branch of a network.
  • Figure 10 shows the measured phase offset as a function of time.
  • FIG. 11 illustrates the relationship between the transmitted clock signal and the transmitted control signal and the signals processed in the DDS.
  • FIG. 1 schematically illustrates the components required to carry out the invention.
  • the aim of the invention is to provide a clock signal ⁇ i, which is provided by a central clock 1, at different spatially separated points, which are also referred to as reference points 3 and 3a.
  • the distance of the reference points 3 and 3a to the clock 1 can be up to 2 kilometers, preferably also beyond.
  • the actual information of the clock signals ⁇ i lies in their phases ⁇ Ref .
  • the phase positions ⁇ Ref of the clock signals ⁇ i to each other should be at the different reference points 3 and 3a in time average substantially identical or phase-synchronous.
  • the phases ⁇ Ref have a fluctuation range. This should move within a tolerance range.
  • the clock signals ⁇ i at the various reference points 3 and 3a which are illustrated here by the receiving units 4 and 4a, are all to be synchronized to a common clock source 1.
  • phase angle ⁇ Ref of the incoming clock signals ⁇ i will vary as a function of the different transit times necessary for the transmission.
  • Phase positions ⁇ Ref at different reference points 3 and 3a are not identical.
  • FIG. 2 shows schematically the time course of the clock signal ⁇ i, which is referred to in the figure as "Clock", and the control signal X 2 , which in the figure as
  • the phase ⁇ Ref of the clock signal ⁇ i contains the required time information.
  • Figure 3 illustrates basic aspects of the present invention. Shown is an arrangement of components in a transmission branch of an optical network. From a transmission unit 2, the clock signal ⁇ i is provided with a phase position ⁇ Ref and sent via a transmission path 2a to a receiving unit 4. Optical fibers 2a form the transmission path 2a. The phase angle ⁇ Ref of the clock signal ⁇ i at the receiving unit 4 is dependent on the transit time on the transmission path 2a. The term is denoted by the Greek letter t. The transit time ⁇ on the transmission path 2a is detected in parallel with a measuring device 5 for time measurement. This information is provided by the device 5 of the receiving unit 4. Under
  • Receiving unit 4 the phase position ⁇ Ref of the clock signal ⁇ i and sends the clock signal ⁇ i with adjusted or synchronized phase ⁇ Ref to a digital RF frequency generator 6 ("RF-Direct Digital Synthesizer") .This then controls the cavity 7, eg. By measuring the transit time ⁇ , essentially any transit time variation, for example induced by heating, can essentially be completely detected and compensated
  • Transmission unit 2 and / or the clock 1, not shown, and the measuring device 5 are derived from the same time base 60, preferably designed as an oscillator. It is, for example, a 10 MHz oscillator. However, the time base powered devices can independently generate other frequencies.
  • FIG. 4 explains the principle on which the invention is based at a plurality of reference points 3, which in the present case are arranged in a star-shaped distribution or in a network. From a transmission unit 2, the clock signal ⁇ i with the phase ⁇ Ref on several
  • the phase angle ⁇ Ref of the clock signals ⁇ i on the individual lines change relative to each other.
  • the phase ⁇ ref of a clock signal ⁇ i on a line 2a is dependent on the transit time ⁇ on the line 2a to the respective receiving unit 4.
  • the measurement of the respective transit time ⁇ on the transmission path 2a is detected by the measuring device 5.
  • the individual transit times ⁇ are made available to the respective receiving unit 4. Taking into account the respective transit time ⁇ , the respective receiving unit 4 is able to adapt the phase ⁇ Re f of the received clock signal ⁇ i.
  • the phases ⁇ R ⁇ f of the individual clock signals ⁇ i are matched to one another.
  • the receiving units 4 in turn send, preferably newly generated, clock signals ⁇ i whose phase positions ⁇ R ⁇ f are matched to each other, whose phase position ⁇ Ref are preferably substantially identical to the individual digital RF frequency generators 6. These are assigned to the corresponding cavities 7. According to the invention, only one transmission unit 2 and only one measuring device 5 are used for time measurement. As a result, systematic errors can be avoided.
  • FIG. 5 illustrates the necessary interfaces for carrying out the present invention. From a central Reference or clock source 1 becomes the clock signal ⁇ i and a
  • Control signal ⁇ 2 provided. These are combined in a multiplex process, transmitted and separated again in a demultiplexing process. Due to possible different transit times ⁇ on the individual
  • Phases of the signals ⁇ i and ⁇ 2 are synchronized again at the individual reference points.
  • the phase angles are substantially identical or substantially identical in average.
  • Signals ⁇ i and ⁇ 2 are thus also synchronized signals. These are supplied at the respective reference points to the respective RF frequency generators.
  • FIG. 6 schematically shows the system design on the basis of FIG
  • the transmission unit 2 includes a device 21, which is described with TxI, a device 22, which is described with Tx2 and an optical multiplexer 23.
  • the devices 21 and 22 each symbolize a transmitter, for example, in each case a laser for generating the clock signal ⁇ i and the control signal ⁇ 2 . This can for
  • An embodiment of a laser is z. B. a WDM laser. This provides, for example, the following optical frequencies v: ⁇ i: 193.2 THz and X 2 : 193.4 THz and ⁇ M : 193.6 THz.
  • the clock signal ⁇ i is provided, for example, at a modulation frequency of 200 MHz.
  • the preferred modulation frequencies of the clock signal ⁇ i are in a range of about 10 MHz to about 1 GHz.
  • the preferred modulation frequencies for the control signal X 2 are in a range of about 10 kHz to about 10 kHz.
  • the control signal X 2 is used to synchronize the modulation frequencies of the measurement signal ⁇ M .
  • Clock signal ⁇ i and is preferably provided with a frequency of about 100 kHz.
  • the clock signal ⁇ i and the control signal X 2 are supplied to the optical multiplexer 23.
  • the two signals are combined or bundled in the multiplexer 23. These will become one
  • the measurement signal ⁇ M is coupled into the transmission path 2a.
  • the clock signal ⁇ i, the control signal X 2 and the measurement signal ⁇ M are supplied via the transmission path 2 a to the reception unit 4 or the optical reception unit 4.
  • the measurement signal ⁇ M is reflected at a reflector 41, in the present case provided as a fiber Bragg grating 41.
  • the reflector 41 is transparent to the optical
  • Wavelengths of the clock signal ⁇ i and the control signal X 2 are separated again in an optical demultiplexer 42 and via separate channels of a respective processing units 43 and 44, for example one Receiver with amplifier, fed.
  • the receiving unit 4 comprises the reflector 41, the multiplexer 42 and the processing units 43 and 44.
  • the measuring signal ⁇ M runs back on the transmission path 2a and is decoupled from the optical line 2a in the add / drop multiplexer 8 and fed to the measuring device 5 via a switch 9.
  • the coupled transmitted measuring signal ⁇ M and the reflected, coupled-out signal ⁇ M contain the information about the transit time ⁇ on the transmission path 2a between the add / drop multiplexer 8 and the optical receiving unit 4 or the reflector 41.
  • Coupling and processing of the measurement signal ⁇ M be made to the description of Figure 8.
  • Figure 7 illustrates the system design for a plurality of, for example 2 N , links. It symbolizes a star-shaped distribution.
  • the transmission unit 2 sets the clock signal ⁇ i and the
  • Control signal X 2 ready. Since the signals ⁇ i and X 2 are divided into a plurality of channels or transmission paths 2a to the individual reference points 3 or receivers 4, the signals ⁇ i and X 2 are supplied to an amplifier 10.
  • the amplifier 10 in the present case is an EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier)
  • the signals ⁇ i and X 2 are each amplified in only one amplifier
  • the amplified signals ⁇ i and X 2 are supplied to a splitter 11. Symbolically, the signals ⁇ i and X 2 are split into 2 N signals, and the signals ⁇ i and X 2, which are divided into the channels to the individual receivers 4, are each fed to an add / drop multiplexer 8.
  • the clock signal ⁇ i and the control signal ⁇ 2 are each combined with the measurement signal ⁇ M.
  • the three combined signals ⁇ i and ⁇ 2 and ⁇ M are then respectively transmitted to the optical receiving unit 4.
  • the measuring signal ⁇ M is in each case after passing through the
  • Reflected transmission path 2a runs back to the add / drop multiplexer 8 and is decoupled.
  • the switch 9 is not shown for reasons of clarity. Between the add / drop multiplexer 8 and the respective optical receiving unit 4 optical
  • Transmission links 2a with a length of up to several
  • the transit time ⁇ on each channel or each transmission link 2a is measured individually by means of the measuring device 5.
  • the measuring device 5 is connected to an optical switch 12.
  • the measurement signal ⁇ M of each to be measured transmission path 2a is fed via the add / drop multiplexer 8 and discharged again.
  • each transmission path 2a can be measured separately.
  • all transmission paths 2a can also be measured in parallel.
  • FIG. 8 illustrates the measurement of the transit time ⁇ of the measurement signal ⁇ M on the transmission path 2 a or on a transmission path 2 a of a network branch. It is, so to speak, an active measurement of the transit time ⁇ .
  • the measurement signal ⁇ M is a separate signal which is sent over the same fiber as the clock signal ⁇ i and the control signal ⁇ 2 . It's sort of a reference measurement. This information is used to control and / or stabilize the phase position of the clock signal ⁇ M.
  • the light wavelength of the measurement signal ⁇ M is first provided by a laser, which is not shown in the figure.
  • the modulation frequency f M is adapted to the length of the fiber 2a.
  • the initial modulation frequency f M is in a range of about 10 kHz to about 100 kHz.
  • the initial modulation frequency f M is increased , preferably in discrete steps to 500 kHz and 50 MHz. It can be up to one in particular
  • Modulation frequency f M are increased in a range of about 5 GHz up to 6 GHz. There are also higher modulation frequencies f M possible, up to 40 GHz, which increases the accuracy of the measurement.
  • the measuring signal ⁇ M is divided and supplied to the one via the switch 9 of the coupling device 8 and fed to the other of the device 53 for measuring the phase.
  • the supply to the switch 9 is represented by the illustrated
  • a processing or adjustment such as a gain
  • the measurement signal ⁇ M done an initially electrical measurement signal can also be converted into an optical measurement signal here, so that the component Tx 51 represents a laser and, if required, a modulator.
  • the reflected signal ⁇ M is supplied to the receiver or the receiving unit Rx 52 after decoupling via the switch 9.
  • the optical measurement signal ⁇ M is converted into an electrical.
  • a processing or adaptation such as a gain, the reflected measurement signal ⁇ M done.
  • the reflected measurement signal ⁇ M is also supplied to the device 53 for measuring the phase.
  • the measurement of the transit time ⁇ can be effected, for example, by means of a phase comparison between the transmitted and the reflected signal with the aid of a phase comparator 53.
  • the aforementioned components 51, 52 and 53 are preferably part of the measuring device 5.
  • the measuring device 5 may also include a network analyzer 53 for measuring the phase and / or determining the transit time.
  • FIG. 9 schematically shows the phase correction or phase matching in a transmission path, for example in a branch of a network. It is thus a kind of regulatory mechanism illustrated.
  • a reference source 1 or a clock 1 the clock signal ⁇ i ("Clock") and the control signal ⁇ 2 ("Update") is provided.
  • the clock signal ⁇ i and the control signal ⁇ 2 are passed through the fiber 2a.
  • Parallel to these two signals ⁇ i and ⁇ 2 the measurement signal ⁇ M is guided on the same fiber 2 a . This is then, as already explained in detail above, reflected accordingly.
  • the transit time ⁇ on the fiber 2a is then determined.
  • a determination or calculation of the phase correction of both the clock signal ⁇ i and the Control signal ⁇ 2 in the device 45 for example, a computing unit 45 or a computer 45.
  • the information about the required phase correction is a means or means for adjusting the phase 46 and 47 is transmitted.
  • the devices 46 and 47 are here each a frequency generator, preferably a DDS ("Direct Digital Synthesis"). This can adapt to a, the phase of the clock signal and the control signal .lambda..sub.i ⁇ . 2 On the other hand, he can also from the transmitted information about the required phase correction and the received
  • Clock signal ⁇ i and the received control signal ⁇ 2 generate a new clock signal and a new control signal whose phase position is synchronized respectively. These are then fed to the RF-DDS 6. The synchronization takes place to the reference points in other branches, not shown, of the network.
  • Figure 10 illustrates the benefits of the present invention. Shown is the phase offset between two receivers 4 or reference points 3 as a function of
  • the clock signal ⁇ i has been sent to the two receivers 4 and 4a each over about a distance of about 1 km.
  • the phase position of the transmitted clock signals ⁇ i has been adapted or matched to one another by means of the present invention, in particular by means of the calculated transit time ⁇ of the measurement signal ⁇ M.
  • the phase offset between the two receivers 4 and 4a is in one
  • a phase offset of 0 ps would correspond to an identical phase position of two clock signals ⁇ i.
  • Synchronization of cavities 7 in a synchrotron is a phase offset of less than about 500 ps.
  • the achieved phase offset by means of the present invention, in particular by means of the DDS 46, 47, is thus well below the required limit.
  • FIG. 11 illustrates the relationship between the transmitted clock signal ⁇ i and the clock signal provided to the cavity 7 and the relationship between the transmitted control signal ⁇ 2 and the control signal provided to the cavity 7.
  • the top line describes the signals ⁇ i and ⁇ 2 received by the receivers 43 and 44.
  • the bottom line describes the signals sent from the DDS 46 and 47 to the cavity 7.
  • the essential relationship between the clock signal and the control signal transmitted .lambda..sub.i ⁇ 2 is that a fixed phase relationship exists between them. This is only possible if the period of the control signal ⁇ i is an integer multiple of the period of the clock signal ⁇ 2 . To ensure this, both signals must be derived from the same time base 60. If these two signals are fed to a DDS 46 and 47, a command can be applied to the DDS 46 and 47 to shift the phase position of its output signal to the next positive clock edge after the positive edge of the control signal ⁇ i by a predetermined amount.
  • the phase shift results in a constant phase offset between the received clock signal and the control signal.
  • the transmitted clock and control signal ⁇ i and X 2 can be seen above, in Figure 12 below the regenerated control and Clock signal.
  • the phase offset between transmitted and regenerated clock signal in this example is 0 ° or 0 s.

Landscapes

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Description

Referenzsignal-Verteilung
Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Synchronisation von Kavitäten in einem Beschleuniger und insbesondere auch zur Synchronisation von Vorrichtungen, welche an unterschiedlichen Orten angeordnet sind, jedoch in ihren Funktionen zeitlich präzise aufeinander abgestimmt werden müssen.
Hintergrund der Erfindung
Elektrisch geladene Teilchen, wie zum Beispiel Elektronen oder Ionen, werden in sogenannten Teilchenbeschleunigern auf unterschiedlichste Energien beschleunigt. Nach der Bahnform der beschleunigten Teilchen werden die Beschleuniger eingeteilt in sogenannte Linearbeschleuniger und Kreisbeschleuniger.
Ein Beispiel für einen Kreisbeschleuniger stellt ein Synchrotron dar. In einem Synchrotron werden die Teilchen durch ein Magnetfeld auf einer Kreisbahn mit nahezu konstantem Radius geführt und auf Beschleunigungsstrecken durch ein hochfrequentes elektrisches Wechselfeld phasensynchron beschleunigt.
Die elektrischen Wechselfelder werden durch ein zeitweises Anlegen der entsprechenden Beschleunigungsspannungen an den Kavitäten erzeugt. Die Phasen des Wechselfeldes an den Kavitäten müssen entsprechend aufeinander abgestimmt sein. Dies ist jedoch nicht nur entscheidend für die Führung oder Beschleunigung der Teilchen auf einer Kreisbahn sondern auch für einen Teilchentransfer. Ein Teilchentransfer kann das Einspeisen der Teilchen in das Synchrotron sein, zum Beispiel von einer Ionenquelle oder einem Vorbeschleuniger.
Zur Steuerung der Kavitäten, die an verschiedenen räumlich getrennten Punkten angeordnet sind, welche nachfolgend auch Referenzpunkte bezeichnet sind, werden von Taktgebern sogenannte Taktsignale bereitgestellt. Der Abstand der Referenzpunkte, jeweils zueinander und zu den Taktgebern, kann ja nach Größe der Anlage bis zu mehreren Kilometern betragen. Dabei wird die Frequenz oder der Takt, mit welchem die entsprechenden Spannungen an den Kavitäten angelegt werden, direkt an den Kavitäten jeweils mittels eines Frequenzgenerators erzeugt, der durch das Taktsignal gesteuert wird.
Die eigentliche Information der Taktsignale liegt in deren Phasen. Die Phasenlagen der Taktsignale an den einzelnen Referenzpunkten müssen präzise, kleiner als etwa 500 ps, aufeinander abgestimmt sein. Vorzugsweise sollen die Phasenlagen im zeitlichen Mittel im wesentlichen identisch oder phasensynchron sein. Zudem sollen die Phasenschwankungen zwischen den Referenzpunkten gering sein. Damit sind die auch Kurzzeitschwankungen der Phase, der sogenannte Phasenjitter, gemeint.
Die Taktsignale an den verschiedenen Referenzpunkten sind im wesentlichen alle zu synchronisieren. Hierzu ist es erforderlich, ein synchronisiertes Taktsignal oder SynchronisationsSignal bereitzustellen. Bisher werden hierzu gleich lange Leitungen verwendet. Im Allgemeinen werden optische Fasern zur Übertragung der Signale verwendet. Die besonderen Vorteile der optischen Übertragung sind die geringen Übertragungsverluste und die Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen. Die Basis für die optische Kommunikation bilden im wesentlichen lichterzeugende Sender oder Sendeoszillatoren, zum Beispiel intern oder extern modulierte Laserdioden, Glasfasern und Empfänger, zum Beispiel Photodioden, ggf. mit Verstärkern. Es wird in den bekannten Systemen versucht, eine möglichst phasenstabile Taktsignal- Verteilung zu erhalten. Es wird typischerweise ein synchronisiertes Taktsignal mit hoher Frequenz von 300 MHz bis über 10 GHz übertragen.
Aufgrund der unterschiedlichen Entfernungen zwischen der gemeinsamen Taktquelle und den Referenzpunkten wird jedoch die Phasenlage der eintreffenden Taktsignale an den einzelnen Referenzpunkten in Abhängigkeit der unterschiedlichen Laufzeiten, die für die Übertragung notwendig ist, variieren. Somit sind die Phasenlagen an verschiedenen Referenzpunkten nicht identisch. Darüber hinaus schwanken die Laufzeiten und damit die Phasenlagen in Folge von Umwelteinflüssen. Bei kabelgebundener
Übertragung durch Temperaturschwankungen und mechanischer Beanspruchung. Somit verändern sich die Phasenlagen an verschiedenen Referenzpunkten. Die Leitungen müssen in zeitlichen Intervallen, insbesondere auch in Abhängigkeit von der Jahreszeit und somit thermischen Veränderungen, nachgemessen werden. Durch die Übertragung wird den Taktsignalen ferner ein Rauschen hinzugefügt, wodurch auch Phasenschwankungen auftreten können. Ein Ansatz besteht darin, einen habldurchlässigen Spiegel in der Übertragungsstrecke zwischen dem Taktgeber und dem Referenzpunkt anzuordnen, der das Taktsignal zum Teil reflektiert. Das gesendete und das reflektierte Signal sind somit identisch. Mittels einer Interferenz wird auf die Länge der Übertragungsstrecke geschlossen. Ein solches System ist jedoch nur für eine Phase stabil.
Dieser Ansatz ist daher zum Beispiel für lineare Teilchenbeschleuniger mit hochfrequenten Wechselfeldern geeignet, in denen im Allgemeinen feste Frequenzen verwendet, da die Teilchen auf einer geradlinigen Bahn beschleunigt werden und jede Beschleunigungsstrecke nur einmal durchlaufen. Beim Anfahren bzw. beim Beschleunigen der Teilchen in einem Synchrotron ist es jedoch erforderlich, die Frequenzen an die erhöhte Energie der Teilchen anzupassen. Dieser Vorgang wird als sogenanntes „Ramp up" bezeichnet.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund hat sich die vorliegende Erfindung daher zur Aufgabe gestellt, ein Verfahren und ein System zur Synchronisation bereitzustellen, welche die vorstehend beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zumindest vermindern.
Hierbei soll es insbesondere möglich sein, die Phasenlagen an den Referenzpunkten zu korrigieren oder anzupassen, vorzugsweise derart, dass sie im Mittel im wesentlichen identisch sind und/oder kurzzeitige Phasenschwankungen klein gehalten werden können. Insbesondere soll es auch möglich sein, diese Anpassung oder Korrektur im laufenden Betrieb vorzunehmen.
Gelöst werden diese Aufgaben durch die Verfahren und das System gemäß der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche .
Im Bereich der vorliegenden Erfindung liegt ein Verfahren zum Synchronisieren von Einrichtungen, welche an zumindest zwei Referenzpunkten angeordnet sind, insbesondere von Kavitäten in einem Beschleuniger, umfassend die folgenden Verfahrensschritte :
Erzeugen eines Taktsignals zumindest einer optischen Wellenlänge durch einen Taktgeber,
Senden des Taktsignals an zumindest einen ersten Referenzpunkt über eine optische Leitung,
Empfangen des Taktsignals in einer ersten
Empfangseinheit, welche dem ersten Referenzpunkt zugeordnet ist,
Erzeugen eines Messsignals zumindest einer optischen Wellenlänge, die sich von der optischen Wellenlänge des Taktsignals unterscheidet,
Einkoppeln des Messsignals in die optische Leitung zur Übertragung des Taktsignals,
Bereitstellen eines ersten Reflektors, welcher der ersten Empfangseinheit zugeordnet ist, zum wellenlängenselektiven Reflektieren, so dass das Messsignal reflektiert wird, Auskoppeln des reflektierten Messsignals aus der optischen Leitung,
Bestimmen der Laufzeit auf der optischen Leitung aus dem eingekoppelten gesendeten Messsignal und dem ausgekoppeltem reflektierten Messsignal und Anpassen der Phase des Taktsignals an dem ersten Referenzpunkt unter Berücksichtigung der Laufzeit auf der optischen Leitung, so dass die Phase des Taktsignals an dem ersten Referenzpunkt auf die Phase des Taktsignals an einem zweiten Referenzpunkt abgestimmt ist.
Weiterhin liegt im Rahmen der Erfindung auch ein Verfahren zum Synchronisieren von Einrichtungen, welche an zumindest zwei Referenzpunkten angeordnet sind, insbesondere von Kavitäten in einem Beschleuniger, umfassend die folgenden Verfahrensschritte :
Erzeugen eines Taktsignals zumindest einer optischen Wellenlänge durch einen Taktgeber,
Senden des Taktsignals an zumindest einen ersten und einen zweiten Referenzpunkt über eine erste und eine zweite optische Leitung,
Empfangen des Taktsignals in einer ersten
Empfangseinheit, welche dem ersten Referenzpunkt zugeordnet ist, und in einer zweiten Empfangseinheit, welche dem zweiten Referenzpunkt zugeordnet ist,
Erzeugen eines Messsignals zumindest einer optischen Wellenlänge, die sich von der optischen Wellenlänge des Taktsignals unterscheidet,
Einkoppeln des Messsignals in die erste und zweite optische Leitung zur Übertragung des Taktsignals,
Bereitstellen eines ersten Reflektors, welcher der ersten Empfangseinheit zugeordnet ist, und eines zweiten Reflektors, welcher der zweiten Empfangseinheit zugeordnet ist, zum wellenlängenselektiven Reflektieren, so dass das Messsignal jeweils reflektiert wird,
Auskoppeln des reflektierten Messsignals jeweils aus der ersten und der zweiten optischen Leitung,
Bestimmen der Laufzeit auf der ersten und der zweiten optischen Leitung jeweils aus dem eingekoppelten Messsignal und dem ausgekoppeltem reflektierten Messsignal und
Abstimmen der Phasenlage des Taktsignals an dem ersten und dem zweiten Referenzpunkt aufeinander unter Berücksichtigung der Laufzeit auf der jeweiligen optischen Leitung.
Ferner wird ein System beansprucht zum Synchronisieren von Einrichtungen, welche an zumindest zwei Referenzpunkten angeordnet sind, insbesondere von Kavitäten in einem Beschleuniger, umfassend die folgenden Bestandteile: einen Taktgeber zum Bereitstellen eines Taktsignals zumindest einer optischen Wellenlänge, welches an zumindest einen ersten Referenzpunkt über eine optische Leitung gesendet wird, eine Empfangseinheit zum Empfangen des Taktsignals, welche dem ersten Referenzpunkt zugeordnet ist, eine Einrichtung zum Bereitstellen eines Messsignals zumindest einer optischen Wellenlänge, die sich von der optischen Wellenlänge des Taktsignals unterscheidet, eine Kopplungseinrichtung zum Einkoppeln des
Messsignals in die erste optische Leitung zur Übertragung des Taktsignals, einen Reflektor, welcher der Empfangseinheit zugeordnet ist, zum wellenlängenselektiven Reflektieren, so dass das Messsignal reflektiert wird, eine Einrichtung zum Auskoppeln des reflektierten Messsignals aus der optischen Leitung, eine Empfangseinrichtung zum Empfangen des ausgekoppelten reflektierten Messsignals, Mittel zum Bestimmen der Laufzeit auf der optischen Leitung aus dem eingekoppelten Messsignal und dem ausgekoppeltem reflektierten Messsignal und
Mittel zum Anpassen der Phase des Taktsignals an dem ersten Referenzpunkt unter Berücksichtigung der Laufzeit auf der optischen Leitung, so dass die Phase des Taktsignals an dem ersten Referenzpunkt auf die Phase des Taktsignals an einem zweiten Referenzpunkt abgestimmt ist.
Das erfindungsgemäße System ist insbesondere ausgebildet zur Ausführung der erfindungsgemäßen Verfahren. Die erfindungsgemäßen Verfahren sind vorzugsweise ausführbar mittels des erfindungsgemäßen Systems.
Vorzugsweise wird genau ein Taktgeber bereitgestellt. Es ist ein zentraler Taktgeber, auf den vorzugsweise alle Referenzpunkte synchronisiert werden. Der Taktgeber kann in einer Ausführungsform auch den zweiten Referenzpunkt darstellen.
Unter einem Synchronisieren wird verstanden, dass die an den unterschiedlichen Orten oder Referenzpunkten positionierten Einrichtungen in ihren Funktionen zeitlich aufeinander abgestimmt werden. Die Verteilung der Taktsignale erfolgt vorzugsweise über ein sternförmiges optisches Netzwerk.
Es ist möglich, mit der vorliegenden Erfindung eine kontinuierliche oder quasi-kontinuierliche Laufzeitmessung durchzuführen, auch während des Betriebs der Anlage. Eine im wesentlichen permanente Überwachung der Übertragungsstrecke kann somit ermöglicht werden.
Nachfolgend wird die Funktionsweise zunächst an einem Zweig, einem sogenannten "Branch", eines Netzwerkes beschrieben. Die Funktionsweise in den einzelnen Zweigen ist jedoch im wesentlichen identisch. Das Taktsignal ist ein moduliertes Signal. Die eigentliche Information des Taktsignals liegt in seiner Phase. Die Phasenlagen der Taktsignale oder die Lage der Phasen der Taktsignale zueinander sollen an den einzelnen Referenzpunkten aufeinander abgestimmt sein. "Gespeist" werden die Taktsignale durch den zentralen Taktgeber.
In einer Ausführungsform wird zusätzlich zu dem Taktsignal noch ein Steuersignal bereitgestellt. Das Steuersignal, welches nachfolgend auch als Update-Signal bezeichnet wird, ist ein Signal, welches dem Taktsignal zugeordnet ist. Das Steuersignal besitzt eine optische Wellenlänge, die sich von der optischen Wellenlänge des Taktsignals und der optischen Wellenlänge des Messsignals unterscheidet. Das Steuersignal ermöglicht es, die zu synchronisierenden Funktionen ab einer eindeutig bestimmbaren Periode des Taktsignals auszuführen. Das Steuersignal ist insbesondere ein Signal zur Steuerung der Synchronisation der Kavitäten.
Die Einrichtung zum Bereitstellen des Taktsignals und/oder des Steuersignals umfasst einen Laser. Sofern das Taktsignal und/oder das Steuersignal noch moduliert werden müssen, so umfasst die Einrichtung zum Bereitstellen des Taktsignals und/oder des Steuersignals auch einen vorzugsweise frequenzvariablen Modulator.
Das Messsignal wird vorzugsweise auch moduliert bereitgestellt. Das Messsignal kann kontinuierlich angelegt oder als ein Puls ausgebildet sein. Die optische Wellenlänge des Messsignals unterscheidet sich insoweit von den optischen Wellenlängen des Taktsignals, dass diese entsprechend von dem Taktsignal getrennt werden kann. Vorzugsweise beträgt der minimale Abstand zu den Wellenlängen des Taktsignals 1,6 nm. Sofern das Messsignal nur mit einer optischen Wellenlänge bereitgestellt wird, kann vorzugsweise direkt eine Veränderung der Übertragungsstrecke, zum Beispiel auch eine Veränderung der Dispersion, beobachtet bzw. festgestellt werden. Soll zum Beispiel auch die Dispersion der Strecke direkt festgestellt werden, so wird das Messsignal mit wenigstens zwei unterschiedlichen optischen Wellenlängen bereitgestellt. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Faser erstmalig vermessen wird. Die Einrichtung zum Bereitstellen des Messsignals ist in einer Ausgestaltung ausgebildet zum Bereitstellen wenigstens einer Wellenlänge, vorzugsweise von wenigstens zwei unterschiedlichen Wellenlängen. Vorzugsweise umfasst die Einrichtung zum Bereitstellen des Messsignals einen Laser.
Im Allgemeinen wird das Messsignal mit einer Modulationsfrequenz fM bereitgestellt. Die Modulation kann bereits intern in einem Laser erfolgen. Sofern das Messsignal, wie zum Beispiel durch einen CW-Laser, im wesentlichen konstant in Amplitude und Frequenz bereitgestellt wird oder es noch weiter moduliert werden soll, so umfasst die Einrichtung zum Bereitstellen des Messsignals einen vorzugsweise frequenzvariablen Modulator.
Die initiale Modulationsfrequenz fM des Messsignals ist an die Länge der Faser angepasst. Die initiale Frequenz beschreibt die Frequenz, mit der zunächst eine erste "grobe" Messung der Laufzeit erfolgt. Die initiale Modulationsfrequenz fM ist an die Randbedingung von 1/fM größer als etwa das doppelte der Laufzeit des Messsignals angepasst. Die Modulationsfrequenz des Messsignals wird zur Verbesserung der Genauigkeit oder der Auflösung, vorzugsweise in diskreten Schritten, erhöht. Im laufenden Betrieb wird die Modulationsfrequenz des Messsignals dann im wesentlichen konstant gehalten.
Vorzugsweise wird das erzeugte Messsignal durch einen Teiler zum Aufteilen des Messsignals vor dem Einkoppeln in die Faser in zumindest zwei Bestandteile aufgeteilt und ein erster Anteil in die Faser eingekoppelt und ein zweiter Anteil zum Vergleich des eingekoppelten Anteils mit dem reflektierten Anteil bereitgestellt.
Die Kopplungseinrichtung zum Einkoppeln oder Aufschalten des Messsignals in die Faser umfasst in einer Ausgestaltung einen Multiplexer.
Das eingekoppelte Signal wird dann über die Leitung bzw. die Übertragungsstrecke, die vermessen oder überwacht werden soll, geführt. Am Ende der Übertragungsstrecke wird das Messsignal an dem Reflektor reflektiert. Das Messsignal kann hierbei im wesentlichen vollständig oder nur zum Teil reflektiert werden. Vorzugsweise ist der Reflektor ein
Fiber-Bragg-Grating oder der Reflektor umfasst ein Fiber- Bragg-Grating. Der Reflektor ist transparent für die Wellenlängen des Taktsignals und des Steuersignals, so dass das Taktsignal und das Steuersignal den Reflektor passieren können. In einer Ausgestaltung ist der Reflektor der Empfangseinheit zugeordnet.
Das Messsignal läuft zurück und wird mittels der Kopplungseinrichtung zum Auskoppeln des Messsignals wieder aus der Leitung ausgekoppelt. Das Messsignal wird ausgekoppelt, nachdem es über die Übertragungsstrecke im wesentlichen vollständig zurückgelaufen ist. Vorzugsweise umfasst die Kopplungseinrichtung zum Auskoppeln des Messsignals einen Demultiplexer oder die Kopplungseinrichtung zum Auskoppeln des Messsignals ist ein Demultiplexer.
In einer Ausführungsform sind die Kopplungseinrichtung zum Einkoppeln des Messsignals und die Kopplungseinrichtung zum Auskoppeln des Messsignals in einem Bauteil angeordnet oder werden durch ein Bauteil bereitgestellt. Vorzugsweise ist die Kopplungseinrichtung zum Einkoppeln des Messsignals und die Kopplungseinrichtung zum Auskoppeln des Messsignals ein ADD/DROP-Multiplexer.
Gemäß einer Ausgestaltung werden das bereitgestellte Messsignal und das ausgekoppelte Messsignal über eine Weiche, die insbesondere als Zirkulator ausgeführt ist, der Einkopplungseinrichtung bzw. der Empfangseinrichtung, welche vorzugsweise dem Mittel zum Bestimmen der Laufzeit zugeordnet ist, zugeführt.
Die Empfangseinrichtung ist ausgebildet zum Empfangen des reflektierten Messsignals. Sie kann aber auch Mittel zum Bestimmen der Laufzeit aus dem eingekoppelten Messsignal und dem ausgekoppelten Messsignal aufweisen. Diese Mittel können aber auch in einem anderen Bauteil angeordnet sein. Im Detail können die Mittel ausgebildet sein zum Vergleichen der Phase des eingekoppelten Messsignals mit der Phase des ausgekoppelten Messsignals. Aus diesem Vergleich wird dann die Laufzeit bestimmt. In einer Ausgestaltung ist die Empfangseinrichtung Bestandteil einer Messeinrichtung, die vorzugsweise einen Netzwerkanalysator umfasst. Vorzugsweise ist der Netzwerkanalysator ausgebildet zum Vermessen der Phasen und/oder zum Bestimmen der Laufzeit. Es wird die Gruppenlaufzeit des Messsignals gemessen. Über die Bestimmung der Laufzeit des Messsignals kann auf die Phase geschlossen werden, mit welchem das Taktsignal und/oder das Steuersignal an der Empfangseinheit anliegt oder ankommt. Die Funktionen Erzeugen des Messsignals und/oder Teilen des Messsignals und/oder Senden des Messsignals und/oder Bereitstellen des Messsignals und/oder Empfangen des Messsignals und/oder Vergleichen und/oder Bestimmen der Laufzeit und/oder der Dispersion können in einer Ausgestaltung im wesentlichen durch die Messeinrichtung oder den Netzwerkanalysator bereitgestellt werden.
Die Laufzeitinformation wird verwendet, um die Phase des Taktsignals und/oder des Steuersignals an dem Referenzpunkt anzupassen. Bei mehreren Zweigen werden die Phasenlagen des Taktsignals und/oder des Steuersignals an den einzelnen Referenzpunkten aufeinander abgestimmt oder synchronisiert. Die Phasenlagen werden insbesondere auch auf die gemeinsame Taktquelle synchronisiert.
In der Ausführungsform eines nicht-stern-förmigen Netzwerks kann die Phase des Taktsignals vor dem Einkoppeln in die Übertragungsstrecke derart angepasst oder aufbereitet, so dass ein aufgrund der Übertragung aufgetretene Veränderung der Phase im wesentlichen kompensiert wird.
In einer alternativen oder ergänzenden Ausführungsform wird die Phase des Taktsignals nach der Übertragung, vorzugsweise in der Empfangseinheit, unter Berücksichtigung der Laufzeit derart angepasst oder regeneriert, so dass eine aufgrund der Übertragung aufgetretene Veränderung des Informationssignals im wesentlichen kompensiert wird oder so dass die Phase des Taktsignals an die Phase eines Taktsignals an einem anderen Referenzpunkt angepasst ist. Das Mittel zur Anpassung oder Korrektur der Phase umfasst einen Frequenzgenerator, vorzugsweise einen DDS („Direct Digital Synthesis"), ein optisches Delay, einen optischen Phasenschieber, einen Faserstrecker ("fiber stretcher") und/oder einen PLL ("Phase Locked Loop") .
In einer Ausführungsform wird das korrigierte Taktsignal bzw. das synchronisierte Taktsignal direkt zur Steuerung der an der Kavität anzulegenden Hochspannung verwendet. In einer weiteren Ausführungsform erzeugt ein
Frequenzgenerator, welcher auch als Taktregenerator bezeichnet wird, mit Hilfe des empfangenen Taktsignals und der Laufzeitinformation ein phasensynchrones und phasenstabiles Taktsignal.
Zur Verbesserung der Synchronisation der Phasenlagen der Taktsignale an den einzelnen Referenzpunkten, beziehen sich die Taktsignale an den jeweiligen Referenzpunkten bzw. in den jeweiligen Zweigen eines Netzwerkes auf das gleiche ursprüngliche Taktsignal. Das eine Taktsignal wird aufgeteilt und an die einzelnen Referenzpunkte geführt. Das Taktsignal wird vorzugsweise durch einen einzelnen Taktgeber bereitgestellt.
Die Genauigkeit der Laufzeitmessung und der Korrektur der Phasenlagen der Taktsignale ist auch abhängig von der Genauigkeit oder Schwankungsbreite der jeweiligen Modulationsfrequenz. Um eine höhere Genauigkeit zu erzielen oder um systematische Fehler zu vermeiden, weisen das Taktsignal und das Messsignal und insbesondere auch das
Steuersignal die gleiche Zeitbasis auf oder werden von der gleichen Zeitbasis abgeleitet. Die Modulation des Taktsignals und die Modulation des Messsignals und insbesondere auch die Modulation des Steuersignals werden durch einen Taktgeber oder einen Oszillator gespeist.
Nachfolgend werden noch einmal Vorzüge der Erfindung präsentiert:
Es wird vorzugsweise nur ein optischer Sender pro Taktsignal, das auf alle Zweige verteilt wird, verwendet. Somit gibt es im wesentlichen kein Problem mit relativen Phasenschwankungen der optischen Sender.
Es gibt vorzugsweise nur eine Messeinrichtung für alle Zweige. Es gibt somit einen separaten Messkanal. Das Messsignal ist somit unabhängig vom Taktsignal. Es wird eine sehr gute Kanaltrennung ermöglicht. Zudem werden verbesserte Signal-Rauschabstände erzielt.
Die Korrektur der Phasenlage erfolgt vorzugsweise mit einem speziellen Frequenzgenerator, dem DDS. Andere Taktverteilungs-Systeme setzen zum Ausgleich der
Phasenschwankungen Phasenschieber ein. Der Hub dieser Phasenschieber ist jedoch begrenzt. Bei geringen Taktraten könnte der Phasenhub nicht ausreichend sein. Der hier eingesetzte Frequenzgenerator gemäß einer Ausführungsform ist diesbezüglich im wesentlichen nicht beschränkt. Die Phase kann grundsätzlich immer im wesentlichen beliebig eingestellt werden.
Mit der vorliegenden Erfindung können nicht nur phasenstabile sondern auch phasensynchrone Taktsignale an den einzelnen Referenzpunkten bereitgestellt werden. Die erfindungsgemäßen Verfahren sind auch Verfahren zum Regeln der Phasenlage und das System ist ein Regelsystem zum Regeln der Phasenlage. Es können sogar relativ niederfrequente Taktsignale, vorzugsweise mit einer Frequenz in einem Bereich von etwa 10 kHz bis etwa 10 MHz mit hoher Phasengenauigkeit übertragen werden. Das geht zum Beispiel nicht, wenn das Taktsignal identisch mit dem Messsignal ist. Die Phasengenauigkeit kann durch den Phasenversatz an den einzelnen Referenzpunkten definiert werden. Mit der Erfindung läßt sich eine Genauigkeit in einem Bereich von etwa 500 ps bis zu etwa 0,1 ps erzielen .
Die Erfindung ist insbesondere zur Synchronisation von Kavitäten in Beschleunigeranlagen geeignet. Daher liegt im Bereich der Erfindung auch ein Teilchenbeschleuniger mit wenigstens einem der vorstehend beschriebenen Systeme. Die Erfindung ist jedoch auch für Anlagen oder Systeme geeignet, welche eine Verteilung von Taktsignalen mit dem Ziel erfordern, im wesentlichen im Mittel identische oder synchronisierte Phasenlagen an verschiedenen räumlich getrennten Referenzpunkten bereitzustellen. Sie ist somit auch für alle Systeme geeignet, deren Funktion zeitlich präzise aufeinander abzustimmen sind und insbesondere einen Phasen-Bezug zueinander erfordern. Neben der vorstehenden Anwendung für die Übertragung von phasenstabilen Taktsignalen in Beschleunigeranlagen, ist auch eine
Anwendung bei Radioteleskopanlagen möglich. Daher liegt im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch eine Anordnung von Radioteleskopen mit wenigstens einem der vorstehend beschriebenen Systeme. Die Verfahren und das System der vorliegenden Erfindung sind für kabelgebundene
Übertragungssysteme geeignet. Ein Übertragung in einem kabellosen Übertragungsystem ist ebenso denkbar. Dann würde die Übertragung per Funk erfolgen. Das Einkoppeln und Auskoppeln der Signale in eine optische Leitung würde dann entfallen. Es wäre ein Verfahren zum Synchronisieren von Einrichtungen, welche an zumindest zwei Referenzpunkten angeordnet sind umfassend die folgenden Verfahrensschritte: Erzeugen eines Taktsignals zumindest einer Wellenlänge durch einen Taktgeber, Senden des Taktsignals an zumindest einen ersten Referenzpunkt, Empfangen des Taktsignals in einer ersten Empfangseinheit, welche einem ersten Referenzpunkt zugeordnet ist, Erzeugen eines Messsignals zumindest einer Wellenlänge, die sich von der Wellenlänge des Taktsignals unterscheidet, Senden des Messsignals,
Bereitstellen eines ersten Reflektors, welcher der ersten Empfangseinheit zugeordnet ist, zum wellenlängenselektiven Reflektieren, so dass das Messsignal reflektiert wird, Empfangen des reflektierten Messsignals, Bestimmen der Laufzeit aus dem gesendeten Messsignal und dem reflektierten Messsignal und Anpassen der Phase des Taktsignals an dem ersten Referenzpunkt unter Berücksichtigung der Laufzeit, so dass die Phase des Taktsignals an dem ersten Referenzpunkt auf die Phase des Taktsignals an einem zweiten Referenzpunkt abgestimmt ist.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele im Einzelnen erläutert. Hierzu wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen. Die gleichen Bezugszeichen in den einzelnen Zeichnungen beziehen sich auf die gleichen Teile.
Figur 1 illustriert grundlegende Aspekte der Aufgabenstellung der Erfindung.
Figur 2 zeigt schematisch den zeitlichen Verlauf des Taktsignals und des Steuersignals. Figur 3 illustriert grundlegende Aspekte der vorliegenden Erfindung.
Figur 4 erläutert das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip an mehreren Referenzpunkten.
Figur 5 illustriert die erforderlichen Schnittstellen zur Ausführung der vorliegenden Erfindung.
Figur 6 zeigt schematisch das Systemdesign anhand der
Konfiguration in einem Übertragungszweig eines Netzwerks.
Figur 7 illustriert das Systemdesign für eine Vielzahl von Übertragungszweigen .
Figur 8 illustriert die Messung der Laufzeit des Messsignals auf der Übertragungsstrecke bzw. auf einer Übertragungsstrecke eines Netzwerkzweigs.
Figur 9 zeigt schematisch die Phasenkorrektur oder
Phasenanpassung in einer Übertragungsstrecke in einem Zweig eines Netzwerks.
Figur 10 zeigt den gemessenen Phasenversatz als Funktion der Zeit.
Figur 11 illustriert den Zusammenhang zwischen gesendetem Taktsignal und gesendetem Steuersignal und den im DDS aufbereiteten Signalen.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung Figur 1 illustriert schematisch die zur Ausführung der Erfindung erforderlichen Bauteile. Ziel der Erfindung ist, ein Taktsignal λi, welches von einem zentralen Taktgeber 1 bereitgestellt wird, an verschiedenen räumlich getrennten Punkten, welche auch als Referenzpunkte 3 und 3a bezeichnet werden, bereitzustellen. Der Abstand der Referenzpunkte 3 und 3a zu dem Taktgeber 1 kann bis zu 2 Kilometer, vorzugsweise auch darüber hinaus, betragen. Die eigentliche Information der Taktsignale λi liegt in deren Phasen φRef. Die Phasenlagen φRef der Taktsignale λi zueinander sollen an den verschiedenen Referenzpunkten 3 und 3a im zeitlichen Mitteln im wesentlichen identisch oder phasensynchron sein. Die Phasen φRef weisen eine Schwankungsbreite auf. Diese soll sich innerhalb eines Toleranzbereiches bewegen. Die Taktsignale λi an den verschiedenen Referenzpunkten 3 und 3a, welche hier durch die Empfangseinheiten 4 und 4a illustriert sind, sollen alle auf eine gemeinsame Taktquelle 1 synchronisiert werden. Dazu wird ein Taktsignal λi von der gemeinsamen Taktquelle 1 über eine Übertragungseinheit 2 zu den Referenzpunkten 3 und 3a geführt. Aufgrund unterschiedlicher Entfernungen zwischen der gemeinsamen Taktquelle 1 und den Referenzpunkten 3 und
3a wird die Phasenlage φRef der eintreffenden Taktsignale λi in Abhängigkeit der unterschiedlichen Laufzeiten, die für die Übertragung notwendig sind, variieren. Somit sind die
Phasenlagen φRef an verschiedenen Referenzpunkten 3 und 3a nicht identisch.
Figur 2 zeigt schematisch den zeitlichen Verlauf des Taktsignals λi, welches in der Figur als „Clock" bezeichnet ist, und des Steuersignals X2, welches in der Figur als
„Update" bezeichnet ist. Die Phase φRef des Taktsignals λi enthält die erforderliche Zeitinformation. Figur 3 illustriert grundlegende Aspekte der vorliegenden Erfindung. Dargestellt ist eine Anordnung von Bauteilen in einem Übertragungszweig eines optischen Netzwerks. Von einer Übertragungseinheit 2 wird das Taktsignal λi mit einer Phasenlage φRef bereitgestellt und über eine Übertragungsstrecke 2a an eine Empfangseinheit 4 gesendet. Optische Fasern 2a bilden die Übertragungsstrecke 2a. Die Phasenlage φRef des Taktsignals λi an der Empfangseinheit 4 ist abhängig von der Laufzeit auf der Übertragungsstrecke 2a. Die Laufzeit wird mit dem griechischen Buchstaben t bezeichnet. Die Laufzeit τ auf der Übertragungsstrecke 2a wird parallel mit einer Messeinrichtung 5 zur Zeitmessung erfasst. Diese Information wird durch die Einrichtung 5 der Empfangseinheit 4 zur Verfügung gestellt. Unter
Berücksichtigung der Laufzeitinformation passt die
Empfangseinheit 4 die Phasenlage φRef des Taktsignals λi an und sendet das Taktsignal λi mit angepasster oder synchronisierter Phase φRef an einen digitalen HF- Frequenzgenerator 6 („RF-Direct Digital Synthesizer") . Dieser steuert dann die Kavität 7, z. B. eines Synchrotrons, an. Durch die Messung der Laufzeit τ kann im Wesentlichen jede Laufzeitveränderung, beispielsweise induziert durch eine Erwärmung, im wesentlichen vollständig festgestellt und kompensiert werden. Die
Übertragungseinheit 2 und/oder der nicht dargestellte Taktgeber 1 und die Messeinrichtung 5 werden von der gleichen Zeitbasis 60, vorzugsweise ausgeführt als ein Oszillator, abgeleitet. Es ist zum Beispiel ein 10 MHz- Oszillator. Die von der Zeitbasis gespeisten Einrichtungen können jedoch selbständig andere Frequenzen erzeugen. Figur 4 erläutert das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip an mehreren Referenzpunkten 3, welche vorliegend in einer sternförmigen Verteilung bzw. in einem Netzwerk angeordnet sind. Von einer Übertragungseinheit 2 wird das Taktsignal λi mit der Phase φRef auf mehrere
Übertragungsstrecken 2a aufgeteilt. Aufgrund möglicher unterschiedlicher Längen oder möglicher Veränderungen der
Übertragungsstrecken 2a kann sich die Phasenlage φRef der Taktsignale λi auf den einzelnen Leitungen relativ zueinander verändern. Die Phase φRef eines Taktsignals λi auf einer Leitung 2a ist abhängig von der Laufzeit τ auf der Leitung 2a bis zur jeweiligen Empfangseinheit 4. Die Messung der jeweiligen Laufzeit τ auf der Übertragungsstrecke 2a wird durch die Messeinrichtung 5 erfasst. Die einzelnen Laufzeiten τ werden der jeweiligen Empfangseinheit 4 zur Verfügung gestellt. Unter Berücksichtigung der jeweiligen Laufzeit τ ist die jeweilige Empfangseinheit 4 in der Lage, die Phase φRef des empfangenen Taktsignals λi anzupassen. Die Phasen φRβf der einzelnen Taktsignale λi werden aufeinander abgestimmt. Die Empfangseinheiten 4 senden wiederum, vorzugsweise neu generierte, Taktsignale λi, deren Phasenlagen φRβf aufeinander abgestimmt sind, deren Phasenlage φRef vorzugsweise im Wesentlichen identisch sind, an die einzelnen digitalen HF-Frequenzgeneratoren 6. Diese sind den entsprechenden Kavitäten 7 zugeordnet. Erfindungsgemäß werden nur eine Übertragungseinheit 2 und nur eine Messeinrichtung 5 zur Zeitmessung verwendet. Dadurch können systematische Fehler vermieden werden.
Figur 5 illustriert die erforderlichen Schnittstellen zur Ausführung der vorliegenden Erfindung. Von einer zentralen Referenz- oder Taktquelle 1 wird das Taktsignal λi und ein
Steuersignal λ2 bereitgestellt. Diese werden in einem Multiplexverfahren zusammengeführt, übertragen und in einem Demultiplexverfahren wieder getrennt. Aufgrund möglicher unterschiedlicher Laufzeiten τ auf den einzelnen
Übertragungsstrecken 2a zu den einzelnen Referenzpunkten 3 sind die Phasenlagen der Signale λi und λ2 nun nicht mehr aneinander angepasst, sie sind asynchron. Unter Berücksichtigung der Laufzeiten τ auf den einzelnen Übertragungsstrecken 2a kann jedoch einen Phasenkorrektur bzw. eine Phasenanpassung vorgenommen werden, so dass die
Phasen der Signale λi und λ2 an den einzelnen Referenzpunkten wieder synchronisiert sind. Vorzugsweise sind die Phasenlagen im wesentlichen identisch oder im wesentlichen im Mittel identisch. Die phasenkorrigierten
Signale λi und λ2 sind somit auch synchronisierte Signale. Diese werden an den jeweiligen Referenzpunkten den jeweiligen HF-Frequenzgeneratoren zugeführt.
Figur 6 zeigt schematisch das Systemdesign anhand der
Konfiguration in einem Übertragungszweig eines Netzwerks. Die Erzeugung des Messsignals λM, welches zur Vermessung der Laufzeit τ auf der Übertragungsstrecke 2a verwendet wird, ist vorliegend nicht dargestellt. Die Übertragungseinheit 2 beinhaltet eine Einrichtung 21, welche mit TxI beschrieben ist, eine Einrichtung 22, welche mit Tx2 beschrieben ist und einen optischen Multiplexer 23. Die Einrichtungen 21 und 22 symbolisieren jeweils einen Sender, zum Beispiel jeweils einen Laser zur Erzeugung des Taktsignals λi und des Steuersignals λ2. Dieser kann zum
Beispiel bereits eine interne Modulation aufweisen. Es kann aber auch ein entsprechender Modulator zur Modulation des jeweiligen Signals nachgeschaltet sein, der dann ebenfalls durch die Einrichtungen 21 und 22 symbolisiert wird. Eine Ausführungsform eines Lasers ist z. B. ein WDM-Laser. Dieser stellt zum Beispiel folgende optische Frequenzen v bereit: λi : 193,2 THz und X2 : 193,4 THz und λM : 193,6 THz.
Das Taktsignal λi wird beispielsweise mit einer Modulationsfrequenz von 200 MHz bereitgestellt. Die bevorzugten Modulationsfrequenzen des Taktsignals λi liegen in einem Bereich von etwa 10 MHz bis etwa 1 GHz. Die bevorzugten Modulationsfrequenzen für das Steuersignal X2 liegen in einem Bereich von etwa 10 kHz bis etwa 10 kHz. Hinsichtlich der Modulationsfrequenzen des Messsignals λM sei auf die nachfolgende Beschreibung zu Figur 8 verwiesen. Das Steuersignal X2 dient zur Synchronisierung des
Taktsignals λi und wird vorzugsweise mit einer Frequenz von etwa 100 kHz bereitgestellt. Das Taktsignal λi und das Steuersignal X2 werden dem optischen Multiplexer 23 zugeführt. Die beiden Signale werden in dem Multiplexer 23 zusammengefasst oder gebündelt. Diese werden dann einem
Add/Drop-Multiplexer 8 zugeführt. Hier wird das Messsignal λM in die Übertragungsstrecke 2a eingekoppelt. Das Taktsignal λi, das Steuersignal X2 und das Messsignal λM werden über die Übertragungsstrecke 2a der Empfangseinheit 4 bzw. der optischen Empfangseinheit 4 zugeführt. Das Messsignal λM wird an einem Reflektor 41, vorliegend bereitgestellt als ein Fiber-Bragg-Grating 41, reflektiert. Der Reflektor 41 ist jedoch transparent für die optischen
Wellenlängen des Taktsignals λi und des Steuersignals X2. Diese werden in einem optischen Demultiplexer 42 wieder getrennt und über separate Kanäle jeweils einer Verarbeitungseinheiten 43 und 44, zum Beispiel einem Empfänger mit Verstärker, zugeführt. Die Empfangseinheit 4 umfasst den Reflektor 41, den Multiplexer 42 und die Verarbeitungseinheiten 43 und 44.
Das Messsignal λM läuft auf der Übertragungsstrecke 2a zurück und wird in dem Add/Drop-Multiplexer 8 wieder aus der optischen Leitung 2a ausgekoppelt und über eine Weiche 9 der Messeinrichtung 5 zugeführt. Das eingekoppelte gesendete Messsignal λM und das reflektierte, ausgekoppelte Signal λM enthalten die Information über die Laufzeit τ auf der Übertragungsstrecke 2a zwischen dem Add/Drop- Multiplexer 8 und der optischen Empfangseinheit 4 bzw. dem Reflektor 41. Für eine detaillierte Beschreibung zur Einkopplung, Auskopplung und Verarbeitung des Messsignals λM sei auf die Beschreibung zu Figur 8 verwiesen.
Figur 7 illustriert das Systemdesign für eine Vielzahl von, zum Beispiel 2N, Übertragungsstrecken bzw. -zweigen. Es symbolisiert eine sternförmige Verteilung. Die Übertragungseinheit 2 stellt das Taktsignal λi und das
Steuersignal X2 bereit. Da die Signale λi und X2 auf mehrere Kanäle oder Übertragungsstrecken 2a zu den einzelnen Referenzpunkten 3 oder Empfängern 4 aufgeteilt werden, werden die Signale λi und X2 einem Verstärker 10 zugeführt. Der Verstärker 10 ist vorliegend eine EDFA („Erbium Doped Fiber Amplifier") . Vorzugsweise werden die Signale λi und X2 jeweils in nur einem Verstärker verstärkt. Die verstärkten Signale λi und X2 werden einem Splitter 11 zugeführt. Symbolisch werden die Signale λi und X2 in 2N- Signale aufgespalten. Die auf die Kanäle zu den einzelnen Empfängern 4 aufgeteilten Signale λi und X2 werden jeweils einem Add/Drop-Multiplexer 8 zugeführt. In diesem Add/Drop- Multiplexer 8 werden das Taktsignal λi und das Steuersignal λ2 jeweils mit dem Messsignal λM zusammengefasst . Die drei zusammengefassten Signale λi und λ2 und λM werden dann jeweils zu der optischen Empfangseinheit 4 übertragen. Das Messsignal λM wird jeweils nach dem Durchlaufen der
Übertragungsstrecke 2a reflektiert, läuft zum Add/Drop- Multiplexer 8 zurück und wird ausgekoppelt. Die Weiche 9 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Zwischen dem Add/Drop-Multiplexer 8 und der jeweiligen optischen Empfangseinheit 4 können optische
Übertragungsstrecken 2a mit einer Länge von bis zu mehreren
Kilometern liegen. Vorliegend wird die Laufzeit τ auf jedem Kanal oder jeder Übertragungsstrecke 2a einzeln vermessen mittels der Messeinrichtung 5. Die Messeinrichtung 5 ist mit einem optischen Schalter 12 verbunden. Über diesen optischen Schalter 12 wird das Messsignal λM der jeweils zu vermessenden Übertragungsstrecke 2a über den Add/Drop- Multiplexer 8 zugeführt und wieder abgeführt. Somit kann jede Übertragungsstrecke 2a separat gemessen werden. Ist jedoch die Messeinrichtung 5 mit entsprechenden Fähigkeiten ausgestattet, können auch alle Übertragungsstrecken 2a parallel vermessen werden.
Figur 8 illustriert die Messung der Laufzeit τ des Messsignals λM auf der Übertragungsstrecke 2a bzw. auf einer Übertragungsstrecke 2a eines Netzwerkzweigs. Es ist sozusagen eine aktive Messung der Laufzeit τ. Das Messsignal λM ist ein separates Signal, welches über dieselbe Faser geschickt wird wie das Taktsignal λi und das Steuersignal λ2. Es ist sozusagen eine Art Referenzmessung. Diese Information wird verwendet, um die Phasenlage des Taktsignals λM zu regeln und/oder zu stabilisieren. Die Lichtwellenlänge des Messsignals λM wird zunächst von einem Laser, welcher in der Figur nicht dargestellt ist, bereitgestellt. Sofern das Licht nicht bereits intern durch den Laser mit einer Modulationsfrequenz fM moduliert ist, wird es durch einen nachgeschalteten Modulator, welcher ebenfalls nicht dargestellt ist, mit einer Modulationsfrequenz fM moduliert. Für eine erste, noch recht grobe, Messung der Laufzeit τ ist die Modulationsfrequenz fM an die Länge der Faser 2a angepasst. Bei einer Länge einer Faser 2a von etwa 1 km liegt die initiale Modulationsfrequenz fM in einem Bereich von etwa 10 kHz bis etwa 100 kHz. Um mit einer größeren Genauigkeit messen zu können, wird die initiale Modulationsfrequenz fM, vorzugsweise in diskreten Schritten auf 500 kHz und 50 MHz, erhöht. Sie kann insbesondere bis zu einer
Modulationsfrequenz fM in einem Bereich von etwa 5 GHz bis zu 6 GHz erhöht werden. Es sind auch höhere Modulationsfrequenzen fM möglich, bis zu 40 GHz, was die Genauigkeit der Messung erhöht.
Das Messsignal λM wird aufgeteilt und zum einen über die Weiche 9 der Koppeleinrichtung 8 zugeführt und zum anderen der Einrichtung 53 zur Messung der Phase zugeführt. Die Zuleitung zur Weiche 9 wird durch die dargestellte
Einrichtung 51 zur Transmission Tx oder Sendeeinrichtung 51 illustriert. Dort kann zum Beispiel auch eine Aufbereitung oder Anpassung, wie eine Verstärkung, des Messsignals λM erfolgen. Es kann hier aber auch ein zunächst elektrisches Messsignal in ein optisches Messsignal umgewandelt werden, so dass das Bauteil Tx 51 einen Laser und einen, sofern erforderlich, Modulator darstellt. Das reflektierte Signal λM wird nach der Auskopplung über der Weiche 9 dem Empfänger oder der Empfangseinheit Rx 52 zugeführt. Vorzugsweise wird das optische Messsignal λM in ein elektrisches umgewandelt. Dort kann zum Beispiel auch eine Aufbereitung oder Anpassung, wie eine Verstärkung, des reflektierten Messsignals λM erfolgen. Das reflektierte Messsignal λM wird ebenso der Einrichtung 53 zur Messung der Phase zugeführt. Die Messung der Laufzeit τ kann zum Beispiel über einen Phasenvergleich zwischen gesendetem und reflektiertem Signal mit Hilfe eines Phasenkomparators 53 erfolgen. Die vorstehend genannten Komponenten 51, 52 und 53 sind vorzugsweise Bestandteil der Messeinrichtung 5. Die Messeinrichtung 5 kann auch einen Netzwerkanalysator 53 umfassen zur Messung der Phase und/oder zum Bestimmen der Laufzeit.
Figur 9 zeigt schematisch die Phasenkorrektur oder Phasenanpassung in einer Übertragungsstrecke, zum Beispiel in einem Zweig eines Netzwerks. Es ist somit eine Art Regelungsmechanismus illustriert. Von einer Referenzquelle 1 oder einem Taktgeber 1 wird das Taktsignal λi ("Clock") und das Steuersignal λ2 ("Update") bereitgestellt. Das Taktsignal λi und das Steuersignal λ2 werden über die Faser 2a geführt. Parallel zu diesen beiden Signalen λi und λ2 wird das Messsignal λM auf derselben Faser 2a geführt. Dieses wird dann, wie vorstehend bereits im Detail erläutert, entsprechend reflektiert. Aus eingekoppeltem oder gesendetem Messsignal λM und reflektiertem oder ausgekoppeltem Messsignal λM wird dann die Laufzeit τ auf der Faser 2a bestimmt. Anhand der Laufzeit τ auf der Faser 2a erfolgt eine Bestimmung oder Berechnung der Phasenkorrektur sowohl des Taktsignals λi als auch des Steuersignals λ2 in der Einrichtung 45, zum Beispiel eine Recheneinheit 45 oder ein Computer 45. Die Information über die erforderliche Phasenkorrektur wird einer Einrichtung oder einem Mittel zum Anpassen der Phase 46 und 47 übermittelt. Die Einrichtungen 46 und 47 sind hier jeweils ein Frequenzgenerator, vorzugsweise ein DDS ("Direct Digital Synthesis") . Diese kann zum einen die Phase des Taktsignals λi als auch des Steuersignals λ2 anpassen. Zum anderen kann er auch aus der übermittelten Information über die erforderliche Phasenkorrektur und dem empfangenen
Taktsignal λi und dem empfangenen Steuersignal λ2 ein neues Taktsignal und ein neues Steuersignal generieren, deren Phasenlage synchronisiert jeweils ist. Diese werden dann dem RF-DDS 6 zugeführt. Die Synchronisation erfolgt zu den Referenzpunkten in anderen nicht dargestellten Zweigen des Netzwerks .
Figur 10 illustriert die Vorzüge der vorliegenden Erfindung. Dargestellt ist der Phasenversatz zwischen zwei Empfängern 4 oder Referenzpunkten 3 als Funktion der
Beobachtungszeit. Das Taktsignal λi wurde zu den beiden Empfängern 4 und 4a jeweils über etwa eine Strecke von etwa 1 km gesendet. Die Phasenlage der gesendeten Taktsignale λi wurde mittels der vorliegenden Erfindung, insbesondere mittels der berechneten Laufzeit τ des Messsignals λM, angepasst oder aufeinander abgestimmt. Der Phasenversatz zwischen den beiden Empfängern 4 und 4a liegt in einer
Größenordnung von einem Betrag von < etwa 20 ps . Ein Phasenversatz von 0 ps würde einer identischen Phasenlage von zwei Taktsignalen λi entsprechen. Erforderlich zur
Synchronisation von Kavitäten 7 in einem Synchrotron ist ein Phasenversatz von kleiner als etwa 500 ps als. Der erreichte Phasenversatz mittels der vorliegenden Erfindung, insbesondere mittels des DDS 46, 47, liegt somit deutlich unter der geforderten Grenze.
Figur 11 illustriert den Zusammenhang zwischen gesendeten Taktsignal λi und dem Taktsignal, das der Kavität 7 bereitgestellt wird und den Zusammenhang zwischen dem gesendeten Steuersignal λ2 und dem Steuersignal, das der Kavität 7 bereitgestellt wird. Die obere Zeile beschreibt die Signale λi und λ2, die von den Empfängern 43 und 44 empfangen werden. Die untere Zeile beschreibt die Signale, die von den DDS 46 und 47 an die Kavität 7 gesendet werden.
Der wesentliche Zusammenhang zwischen dem gesendeten Taktsignal λi und dem Steuersignal λ2 besteht darin, dass ein fester Phasenbezug zwischen ihnen besteht. Dies ist nur möglich, wenn die Periodendauer des Steuersignals λi ein ganzzahliges Vielfaches der Periodendauer des Taktsignals λ2 ist. Um dies zu gewährleisten, müssen beide Signale von der selben Zeitbasis 60 abgeleitet werden. Werden einer DDS 46 und 47 nun diese beiden Signale zugeführt, dann kann der DDS 46 und 47 ein Kommando zugeführt werden, die Phasenlage ihres Ausgangssignal, zur nächsten positiven Taktflanke nach der positiven Flanke des Steuersignals λi, um einem vorgegebenen Betrag zu verschieben. Ist die Periodendauer des von der DDS 46 und 47 erzeugten Signals wiederum ein ganzzahliges Vielfaches der Periodendauer des Steuersignals λ2, dann führt die Phasenverschiebung zu einem konstanten Phasenversatz zwischen empfangenen Taktsignal und Steuersignal. Mit Hilfe der Laufzeitinformation τ ist es mit diesem Verfahren möglich, phasensynchrone Taktsignale und Steuersignale für die Kavitäten zu generieren. In Figur 11 ist oben das gesendete Takt- und Steuersignal λi und X2 zu sehen, in Figur 12 unten das regeneriert Steuer- und Taktsignal. Der Phasenversatz zwischen gesendetem und regenerierten Taktsignal beträgt in diesem Beispiel 0° bzw. 0 s.
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft zu verstehen sind. Die Erfindung ist nicht auf diese beschränkt, sondern kann in vielfältiger Weise variiert werden kann, ohne den Geist der Erfindung zu verlassen. Merkmale einzelner Ausführungsformen und die im allgemeinen Teil der Beschreibung genannten Merkmale können jeweils untereinander als auch miteinander kombiniert werden.
Bezugszeichenliste :
I Taktgeber oder Taktquelle oder Referenzquelle 2 Übertragungseinheit
2a Übertragungseinrichtung oder optische Faser
3 Referenzpunkt 3a Referenzpunkt
4 Empfangseinheit oder optische Empfangseinheit 4a Empfangseinheit oder optische Empfangseinheit
5 Messeinrichtung oder Mittel zum Bestimmen der Laufzeit
6 HF-Frequenzgenerator oder Mittel zum Anpassen der Phase
7 Kavität 8 Einrichtung zum Einkoppeln und/oder Auskoppeln des Messsignals oder ADD/DROP-Multiplexer
9 Weiche oder Zirkulator
10 Verstärker
II Splitter 12 Optischer Schalter
21 Optischer Sender
22 Optischer Sender
23 Optischer Multiplexer
41 Reflektor oder Fiber-Bragg-Grating
42 Optischer Demultiplexer
43 Verarbeitungseinrichtung oder optischer Empfänger
44 Verarbeitungseinrichtung oder optischer Empfänger 45 Einrichtung zum Bestimmen der Phasenkorrektur
46 Einrichtung oder Mittel zum Anpassen der Phase oder Frequenzgenerator oder Taktregenerator
47 Einrichtung oder Mittel zum Anpassen der Phase oder Frequenzgenerator oder Taktregenerator 51 Sendeeinrichtung
52 Empfangseinrichtung
53 Phasenkomparator
60 Zeitbasis oder Oszillator
λi Taktsignal X2 Steuersignal λM Messsignal fM Modulationsfrequenz des Messsignals τ Laufzeit auf der Übertragungsstrecke φRβf Phase oder Phasenlage des Taktsignals

Claims

Patentansprüche :
1. Verfahren zum Synchronisieren von Einrichtungen, welche an zumindest zwei Referenzpunkten (3, 3a) angeordnet sind, insbesondere von Kavitäten (7) in einem
Beschleuniger, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:
Erzeugen eines Taktsignals (λi) zumindest einer optischen Wellenlänge durch einen Taktgeber (1),
Senden des Taktsignals (λi) an zumindest einen ersten Referenzpunkt (3) über eine optische Leitung (2a) ,
Empfangen des Taktsignals (λi) in einer ersten Empfangseinheit (4), welche dem ersten Referenzpunkt (3) zugeordnet ist,
Erzeugen eines Messsignals (λM) zumindest einer optischen Wellenlänge, die sich von der optischen Wellenlänge des Taktsignals (λi) unterscheidet,
Einkoppeln des Messsignals (λM) in die optische Leitung (2a) zur Übertragung des Taktsignals (λi) ,
Bereitstellen eines ersten Reflektors (41), welcher der ersten Empfangseinheit (4) zugeordnet ist, zum wellenlängenselektiven Reflektieren, so dass das Messsignal (λM) reflektiert wird,
Auskoppeln des reflektierten Messsignals (λM) aus der optischen Leitung (2a) , Bestimmen der Laufzeit (τ) auf der optischen Leitung (2a) aus dem eingekoppelten Messsignal (λM) und dem ausgekoppeltem reflektierten Messsignal (λM) und
Anpassen der Phase (φRef) des Taktsignals (λi) an dem ersten Referenzpunkt (3) unter Berücksichtigung der Laufzeit (τ) auf der optischen Leitung (2a) , so dass die Phase (<pRΘf) des Taktsignals (λi) an dem ersten Referenzpunkt (3) auf die Phase (ψRef) des Taktsignals (λi) an einem zweiten Referenzpunkt (3a) abgestimmt ist.
2. Verfahren nach vorstehendem Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuersignal [X2) bereitgestellt wird, welches zusätzlich zu dem Taktsignal (λi) übertragen wird.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Taktsignal (λi) und/oder das Steuersignal (λ2) aufgeteilt wird bzw. werden und zumindest zu dem ersten und dem zweiten Referenzpunkt (3, 3a) geführt wird bzw. werden.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Taktsignal (λi) und das Messsignal (λM) und insbesondere auch das Steuersignal (λ2) mit der gleichen Zeitbasis (60) bereitgestellt werden.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Laufzeit (τ) die Phase des eingekoppelten Messsignals (λM) mit der Phase des ausgekoppelten Messsignals (λM) verglichen wird.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die initiale Modulationsfrequenz (fM) des Messsignals (λM) an die Randbedingung von l/fM größer als etwa das doppelte der Laufzeit (τ) des Messsignals (λM) angepasst ist.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationsfrequenz (fM) des Messsignals (λM) zur Erhöhung der Auflösung erhöht wird.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationsfrequenz (fM) des Messsignals (λM) , vorzugsweise im laufenden Betrieb, im wesentlichen konstant gehalten wird.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Taktsignal (λi) vor der Übertragung unter Berücksichtigung der Laufzeit (τ) derart angepasst wird, so dass eine aufgrund der Übertragung aufgetretene Veränderung der Phase (φRef) des Taktsignals (λi) im wesentlichen kompensiert wird.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Taktsignal (λi) nach der Übertragung unter Berücksichtigung der Laufzeit (τ) derart angepasst wird, so dass eine aufgrund der Übertragung aufgetretene Veränderung der Phase (ψRef) des Taktsignals (λi) im wesentlichen kompensiert wird.
11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass aus dem übertragenen empfangenen Taktsignal (λi) und unter
Berücksichtigung der Laufzeit (τ) ein phasensynchrones und phasenstabiles Taktsignal erzeugt wird.
12. Verfahren zum Synchronisieren von Einrichtungen, welche an zumindest zwei Referenzpunkten (3, 3a) angeordnet sind, insbesondere von Kavitäten (7) in einem Beschleuniger, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:
Erzeugen eines Taktsignals (λi) zumindest einer optischen Wellenlänge durch einen Taktgeber (1),
Senden des Taktsignals (λi) an zumindest einen ersten und einen zweiten Referenzpunkt (3, 3a) über eine erste und eine zweite optische Leitung (2a) ,
Empfangen des Taktsignals (λi) in einer ersten Empfangseinheit (4), welche dem ersten Referenzpunkt (3) zugeordnet ist, und in einer zweiten Empfangseinheit (4a) , welche dem zweiten Referenzpunkt (3a) zugeordnet ist, Erzeugen eines Messsignals (λM) zumindest einer optischen Wellenlänge, die sich von der optischen Wellenlänge des Taktsignals (λi) unterscheidet,
Einkoppeln des Messsignals (λM) in die erste und zweite optische Leitung (2a) zur Übertragung des Taktsignals (λi) ,
Bereitstellen eines ersten Reflektors (41), welcher der ersten Empfangseinheit (4) zugeordnet ist, und eines zweiten Reflektors (41), welcher der zweiten Empfangseinheit (4a) zugeordnet ist, zum wellenlängenselektiven Reflektieren, so dass das Messsignal
(λM) jeweils reflektiert wird,
Auskoppeln des reflektierten Messsignals (λM) jeweils aus der ersten und der zweiten optischen Leitung (2a) , Bestimmen der Laufzeit (τ) auf der ersten und der zweiten optischen Leitung (2a) jeweils aus dem eingekoppelten Messsignal (λM) und dem ausgekoppeltem reflektierten Messsignal (λM) und Abstimmen der Phasenlage (φRef) des Taktsignals (λi) an dem ersten und dem zweiten Referenzpunkt (3, 3a) aufeinander unter Berücksichtigung der Laufzeit (τ) auf der jeweiligen optischen Leitung (2a) .
13. System zum Synchronisieren von Einrichtungen, welche an zumindest zwei Referenzpunkten (3, 3a) angeordnet sind, insbesondere von Kavitäten (7) in einem Beschleuniger, umfassend die folgenden Bestandteile: einen Taktgeber (1) zum Bereitstellen eines
Taktsignals (λi) zumindest einer optischen Wellenlänge, welches an zumindest einen ersten Referenzpunkt (3) über eine optische Leitung (2a) gesendet wird, eine Empfangseinheit (4) zum Empfangen des Taktsignals (λi) , welche einem ersten Referenzpunkt (3) zugeordnet ist, eine Einrichtung zum Bereitstellen eines Messsignals (λM) zumindest einer optischen Wellenlänge, die sich von der optischen Wellenlänge des Taktsignals (λi) unterscheidet, eine Kopplungseinrichtung (8) zum Einkoppeln des
Messsignals (λM) in die erste optische Leitung (2a) zur
Übertragung des Taktsignals (λi) , einen Reflektor (41), welcher der Empfangseinheit zugeordnet ist, zum wellenlängenselektiven Reflektieren, so dass das Messsignal (λM) reflektiert wird, eine Einrichtung (8) zum Auskoppeln des reflektierten Messsignals (λM) aus der optischen Leitung (2a) , eine Empfangseinrichtung (52) zum Empfangen des ausgekoppelten reflektierten Messsignals (λM) , Mittel (5) zum Bestimmen der Laufzeit auf der optischen Leitung (2a) aus dem eingekoppelten Messsignal
(λM) und dem ausgekoppeltem reflektierten Messsignal (λM) und
Mittel (46) zum Anpassen der Phase (φRef) des Taktsignals (λi) an dem ersten Referenzpunkt (3) unter Berücksichtigung der Laufzeit (τ) auf der optischen Leitung (2a) , so dass die Phase (ψRef) des Taktsignals (λi) an dem ersten Referenzpunkt (3) auf die Phase (φRθf) des Taktsignals (λi) an einem zweiten Referenzpunkt (3a) abgestimmt ist.
14. System nach vorstehendem Anspruch gekennzeichnet durch eine Einrichtung (2, 21) zum Bereitstellen eines
Steuersignals (λ2) .
15. System nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungseinrichtung (8) zum Einkoppeln des Messsignals
(λM) und die Kopplungseinrichtung (8) zum Auskoppeln des Messsignals (λM) in einem Bauteil (8) bereitgestellt sind.
16. System nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (41) ein Fiber-Bragg-Grating (41) umfasst.
17. System nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (5) zum Bestimmen der Laufzeit (τ) ausgebildet ist zum Vergleichen der Phase des eingekoppelten Messsignals (λM) mit der Phase des ausgekoppelten
Messsignals (λM) .
18. System nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (5) zum Bestimmen der Laufzeit Bestandteil eines Netzwerkanalysators (5) ist.
19. System nach einem der vorstehenden Ansprüche gekennzeichnet durch einen Taktregenerator (46) , der mittels des empfangenen
Taktsignals (λi) und der Laufzeitinformation (τ) ein phasensynchrones und phasenstabiles Taktsignal erzeugt.
20. System nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (46) zum Anpassen der Phase einen Frequenzgenerator, vorzugsweise einen DDS, ein optisches Delay, einen optischen Phasenschieber, einen Faserstrecker und/oder einen PLL umfasst.
21. System nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Taktgeber (1) zum Bereitstellen des Taktsignals (λi) und die Einrichtung zum Bereitstellen des Messsignals (λM) und insbesondere auch die Einrichtung (2, 21) zum Bereitstellen des Steuersignals (λ2) durch eine gemeinsame Zeitbasis (60) gespeist werden.
22. Teilchenbeschleuniger mit wenigstens einem System gemäß einem der vorstehenden Ansprüche.
23. Anordnung von Radioteleskopen mit wenigstens einem System gemäß einem der vorstehenden Ansprüche.
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