一种基于频率同步的微波测距及时间同步系统及方法

摘要

本发明公开了一种基于频率同步的微波测距及时间同步系统，包括发射站和接收站，发射站用于发射微波信号及时钟参考信号，并接收由接收站返回的微波信号，将发射信号与反射信号进行比相产生误差信号，反馈控制发射微波的频率，实现变频锁定，进而实时测量发射站与接收站之间的传输距离；接收站用于接收微波信号及时钟参考信号，返回一部分接收到的微波信号到发射站，在接收站测量接收到的微波信号频率，在接收站也能够实时测量发射站与接收站之间的传输距离，进而确定传输时延，在接收站接收到带有传输时延的时钟信号后，将其与设在接收站的时钟信号源进行比对，通过对接收站处时钟信号源进行实时的时延调节，实现发射站和接收站之间的时间同步。

说明书

技术领域

本发明涉及微波传输领域，特别地，涉及一种基于频率同步的微波测 距以及时间同步系统及方法。

背景技术

对于时间频率的传输系统，目前常用的频率信号的传输与同步所采用 的方法主要有搬运钟法、卫星共视法（CV）、卫星双向时间频率传递法 （TWSTFT）等。其中，除了搬运钟法，其他几种方法都要依赖卫星的传 递。目前这些传输方法的天稳定度只能达到10^-15/天的量级，无法满足时 间频率信号的精确传输与高精度使用的用户需求。

本发明的申请人的另一授权专利（专利号：ZL 201110186493.9）介绍 了一种通过光纤实现超长基线（距离）的微波频率信号传输的系统及方法。 该系统采用了主动补偿光纤链路的噪声的方法，通过对光纤传输链路（尤 其是超长距离）的相位噪声的补偿，实现了高精度、高稳定度的微波频率 信号的传输，其天稳定度已可以达到10^-18/天的量级。

相比利用卫星传递时间频率的方法，上述微波频率信号光纤传输系统 虽然具有非常高的传输稳定度，但在实际应用过程中会遇到各种不同的使 用需求，在光纤网络覆盖之外的区域，例如空地、空空、复杂地形等，这 些地点的设备就无法利用光纤传输与同步频率信号，限制了基于光纤的时 频传输系统的适用范围。

本发明申请人的另一已申请专利（专利申请号201310467522.8）介绍 了一种在自由空间实现微波频率信号传输与同步的方法，该方法能够采用 自由空间作为微波频率信号的传递媒介，实现不同站点间微波频率信号的 同步。此外，上述专利通过实施相位噪声探测及补偿技术，实现对自由空 间传输链路的相位噪声的补偿，可以实现长距离网络化的频率信号传输与 同步。图1为该系统的结构示意图。在该系统中，在发射站，由参考频率 源提供参考微波频率，由发射补偿装置通过发射天线发射上行频率信号， 接收返回的下行频率信号，并利用参考微波频率以及接收的下行频率信号 主动补偿频率信号在自由空间传输过程中引入的相位噪声。其中利用参考 频率信号以及接收的下行频率信号主动补偿频率信号在自由空间传输过 程中引入的相位噪声，具体通过以下方式实现：

在发射站分别产生相位锁定于参考频率源的第一辅助补偿信号与第 二辅助补偿信号，其频率分别为lω_r，nω_r，其中ω_r为参考频率源频率， 同时产生相位相互锁定的上行频率信号与下行频率信号，其频率分别为k ω₀,mω₀，ω₀与ω_r近似相等并且可调，l,m,n为不相同的正数，且满足 l+n=2m的数学关系，k为不同于m的正数。发射站由第一辅助补偿信号与 在发射站产生的频率信号V₄混频产生补偿误差信号V_e1，由第二辅助补偿 信号与由接收站返回的下行频率信号混频产生补偿误差信号V_e2，最终由 V_e1和V_e2混频产生补偿误差信号V_e，来反馈控制发射站上行频率信号的频 率与相位，实现对自由空间传输引入相位噪声的补偿。

在接收站，用于通过接收天线接收带有相位噪声的上行频率信号，通 过变频锁定装置将伺服频率源相位锁定于上行频率信号，并产生相位锁定 于上行频率信号的下行频率信号回传至发射站，供发射站主动补偿相位噪 声。其中产生相位锁定于上行频率信号的下行频率信号，具体通过以下方 式实现：在接收站设置与上述参考频率源频率相同的伺服频率源，产生相 位锁定于该伺服频率源的频率信号，其频率与上行频率信号近似相等。将 其与接收到的带有自由空间传输中相位噪声的上行频率两者进行比相产 生误差信号，利用该误差信号控制伺服频率源使伺服频率源的相位锁定于 上行频率信号，而相位锁定于伺服频率源的另一频率源产生下行频率信 号，回传至发射站。

目前在通信领域中，通信基站间对于频率以及时间同步有很高的需求， 现有的解决方法是在每个基站设备上均配置GPS接收机。但是通过在每个 基站加装GPS模块来解决基站时间频率同步，存在精度以及安全性问题。 采用现有技术，频率同步的稳定度约为10^-8～10^-9/秒。由于建站的数据的传 输速率与频率同步的精度成正比，因此想要进一步提高基站的通信速率， 高精度的时间频率同步是必须要解决的问题。另外，GPS系统由美国军方 开发和控制，可进行局部性能劣化设置和限制使用，在特殊形势下会对整 网运行带来安全隐患。因此亟需研究通过地面传输网络提供高精度时间频 率传递的方法。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提出了一种基于频率同步的 微波测距及时间同步系统及方法。

根据本发明的一个方面，提出了一种基于频率同步的微波测距及时间 同步系统，该系统包括发射站和接收站，其中发射站和接收站保持频率同 步，即具有相同的频率基准，其中，发射站用于发射微波信号及时钟参考 信号，并接收由接收站返回的微波信号，将发射信号与反射信号进行比相 产生误差信号，反馈控制发射微波的频率，实现变频锁定，进而实时测量 发射站与接收站之间的传输距离；接收站用于接收微波信号及时钟参考信 号，并返回一部分接收到的微波信号到发射站，在接收站测量接收到的微 波信号频率，由于接收站与发射站具有相同的频率基准，因此在接收站也 能够实时测量发射站与接收站之间的传输距离，进而确定传输时延，在接 收站接收到带有传输时延的时钟信号后，将其与设在接收站的时钟信号源 进行比对，通过对接收站处时钟信号源进行实时的时延调节，实现发射站 和接收站之间的时间同步。

根据本发明的另一方面，还提出了一种基于频率同步的微波测距及时 间同步方法，用于对发射站和接收站之间的传输距离进行测定，并进行时 间同步，其中发射站和接收站保持频率同步，即具有相同的频率基准，该 方法包括步骤：发射站的微波发射源产生微波信号及时钟参考信号，发射 站经发射天线将该微波信号及时钟参考信号发送到接收站；接收站的反射 天线将来自发射站的微波信号部分返回至发射站；发射站的比相单元将微 波发射源产生的微波信号与接收站反射回来的微波信号进行混频；发射站 将混频后的信号作为误差信号反馈控制发射站的微波发射源的微波频率； 通过与发射站的微波发射源进行连接的第一频率测量仪测得的第一频率 信号，以及与接收站的反射天线进行连接的第二频率测量仪测得的第二频 率信号，可实时测得发射站和接收站之间的传输距离，进而确定传输时延； 在接收站接收到带有传输时延的时钟信号后，将其与设在接收站的时钟信 号源进行比对，通过对接收站处时钟信号源进行实时的时延调节，实现发 射站和接收站之间的时间同步。

根据本发明提出的方案，在利用已有的可实现站点间频率同步的技术 基础上，可以通过变频锁定的方案对站点间微波传输距离进行实时测量， 从而实时确定站点间微波传输时延。进一步通过调节时钟参考源，可以实 现站点间的时间同步。

附图说明

图1是现有技术实现发射站和接收站之间频率同步的系统结构图。

图2是本发明基于频率同步的微波测距系统结构图。

图3是本发明基于频率同步的微波测距及时间同步系统结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实 施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图2为本发明基于频率同步的微波测距系统结构图。本发明是在自由 空间利用微波变频锁定进行测距。参照图2，其中发射站与接收站之间是 保持频率同步的，即发射站与接收站具有相同的微波频率基准。现有技术 中已经有多种实现站点间频率同步的方法，例如搬运钟法、卫星共视法 （CV）、卫星双向时间频率传递法（TWSTFT），以及上述本发明申请人提 出的自由空间频率信号传输与同步方法等，且本发明实现方式不限于此。 由于实现站点间频率同步不是本发明要研究的内容，因此在此不进行详 述。

如图2所示，本发明的基于频率同步的微波测距系统包括发射站和接 收站。发射站进一步包括微波发射源、比相单元、发射天线和第一频率测 量仪，接收站进一步包括反射天线，微波接收装置和第二频率测量仪。发 射站与接收站均可以是移动通信基站等站点，且不限于此。

其中发射站与接收站两站点间信号传输距离为D，包括站点间的空间 距离以及传输路径中的所有线缆及器件引入的时延。发射站处设有发射天 线，接收站处设有反射天线。

在发射站处，由微波发射源产生频率为w的微波信号，其信号可以表 示为：

V₁=A₁cos(wt+φ₁)

其中，A₁表示信号的幅度，w为信号频率，φ₁表示信号的初相位。

信号V₁由发射站处发射天线发出，经过传输距离D后到达接收站处 反射天线。存在以下关系式：

D=(N+φ_c/2π)·λ

其中D为传输距离。N为某一未知整数，表示传输距离中微波波长的 整数周期个数，φ_c表示传输距离中不足一个波长的剩余相位部分，λ表 示传输微波信号的波长。

上述微波信号在接收站处由反射天线接收并反射。接收站处接收到的 微波信号可表示为：

V₂=A₂cos(wt+φ₂)

其中，A₂表示信号的幅度，w为信号频率，φ₂表示信号的相位。φ₂与φ₁存在以下关系：

φ₂=φ₁+φ_c

上述由接收站反射天线反射的微波信号经过同一传输路径返回发射 站处，发射站接收到的反射信号可表示为：

V₃=A₃cos(wt+φ₃)

其中，A₃表示信号的幅度，w为信号频率，φ₃表示信号的相位。φ₃与φ₁存在以下关系：

φ₃=φ₁+2φ_c

需要说明的是在上述关系中，忽略了传输线缆以及微波器件引入的相 位延迟，这样做相当于将其计算在传输距离D的部分，这在之前对D的 定义中已经提及。

在发射站，通过将接收到的反射信号V₃与发射信号V₁混频，可以得 到：

V₄=A₄cos(φ₃-φ₁)=A₄cos(2φ_c)

其中A₄表示混频信号的幅度，由上式可知，V₄是正比于cos(2φ_c)的 直流信号，通过将V₄作为误差信号，反馈控制微波发射源的微波频率w， （例如微波发射源为压控振荡器，通过电压信号反馈控制其输出频率，且 本发明实现方式不限于此）实现整个传输链路的变频锁定，可以得到：

cos(2φ_c)=1

也即：φ_c=0

此时，传输距离D为锁定后传输波长λ₁的整数倍：

D=N·λ₁

然后，通过在发射站连续改变微波传输信号波长的方式，可以得到相 邻的锁定波长λ₂，满足：

D=(N-1)·λ₂

此处假设λ₂>λ₁，事实上，如果λ₂<λ₁，则N-1相应地变为N+1，并不 对本发明的结论产生影响，因此本发明实现方法不限于此。

由以上两式联立可得到：

D=N·λ₁=(N-1)·λ₂

由上式即可得到：

N=λ₂/(λ₂-λ₁)

D=λ₁λ₂/(λ₂-λ₁)

根据波长与频率关系f·λ=c（其中c为大气中电磁波速度，可认为是常 数），可以得到：

N=f₁/(f₁-f₂)

D=c/(f₁-f₂)

根据上式可知，发射站和接收站之间传输距离D仅与锁定频率f₁和f₂有关，由于发射站和接收站之间是频率同步的，具有相同的频率基准。因此 在发射站以及接收站分别设置频率测量装置，即可由此确定f₁和f₂，从而确 定传输周期N和传输距离D。

不同于其他测距方法，本发明提出的基于频率同步的变频锁定测距方案 可以实现实时测距，即在发射站与接收站同时测得传输距离以及传输时延。

测距精度：

ΔD=c/(f₁-f₂)²·Δf=D²/c·Δf

测时延精度：

ΔT=ΔD/c

由上式可知，本发明提出的方法其测距精度ΔD与距离D的平方，以 及测频精度Δf成正比关系。以测量距离D为10³m量级，测频精度Δf在 Hz量级作为估计，测距精度ΔD可以达到3x10^-3m量级，相应的时延测量 精度ΔT可以达到10ps量级。

图3示意了在实现微波测距基础上进行时间同步的方法。

图3中，发射站在图2所示测距系统的基础上增加了第一时钟信号参 考源，与发射天线直接相连，用于发射时钟参考信号。接收站在图2所示 测距系统的基础上增加了时钟信号接收装置以及第二时钟参考源，用于接 收带有延时的时钟参考信号，并对第二时钟参考源进行实时调节，以此实 现时间同步。其中在接收站，时钟信号接收装置直接与天线连接，第二时 钟参考源连接到时钟信号接收装置。时间同步系统与测距具有相同发射天 线与传输路径，因此发射站和接收站之间信号传输距离仍为D，可精确确 定。与上类似，传输距离D包括发射站和接收站之间的自由空间距离以及 传输路径中所有线缆及器件引入的时延。

发射站处设有第一时钟信号参考源，其可以是产生时钟参考信号的任 意装置，例如秒脉冲发生器或氢原子钟。由第一时钟参考源产生的时钟参 考信号为T₀，此参考信号通过与变频锁定测距相同的传输路径进行自由空 间传输，在接收站由时钟信号接收装置接收。

在接收站处接收到的时钟信号为：

T₀+ΔT

上式中，时钟参考信号经过传输路径后增加的时延为ΔT，满足关系：

ΔT=D/c

其中D为传输距离，由本发明提出的微波测距方法可以精确实时测量 确定；c为自由空间电磁波速度。

在接收站接收到时钟信号后，将其与设在接收站的第二时钟参考源进 行比对，通过对接收站处第二时钟参考源进行实时的时延调节，即可实现 发射站和接收站之间的时间同步。根据变频测距部分对测距精度以及时延 精度的估算，以测量距离D为10³m量级，测频精度Δf在Hz量级作为估 计，测距精度ΔD可以达到3x10^-3m量级，相应的时延测量精度ΔT可以 达到10ps量级。

另外，本发明还提出了一种基于频率同步的微波测距及时间同步方 法，该方法是由上述的基于频率同步的微波测距及时间同步系统实现的。 该方法用于对发射站和接收站之间的传输距离进行测定，并进行时间同 步。其中发射站和接收站利用已有技术保持频率同步，即具有相同的频率 基准，该方法包括步骤：

发射站的微波发射源产生微波信号，发射站经发射天线将该微波信号 发送到接收站；接收站的反射天线将来自发射站的微波信号反射回发射 站；发射站的比相单元将微波发射源产生的微波信号与接收站反射回来的 微波信号进行混频；发射站将混频后的信号作为误差信号反馈控制发射站 的微波发射源的微波频率；通过与发射站的微波发射源进行连接的第一频 率测量仪测得的第一频率信号，以及与接收站的反射天线进行连接的第二 频率测量仪测得的第二频率信号，来求得发射站和接收站之间的传输距 离。

在发射站处，由微波发射源产生频率为w的微波信号，其信号可以表 示为：V₁=A₁cos(wt+φ₁)，其中，A₁表示信号的幅度，w为信号频率，φ₁表示信号的初相位，信号V₁由发射站的发射天线发出，经过传输距离D 后到达接收站处反射天线，存在以下关系式：D=(N+φ_c/2π)·λ，N为 某一未知整数，表示传输距离中微波波长的整数周期个数，φ_c表示传输 距离中不足一个波长的剩余相位部分，λ表示传输信号的波长；上述微波 信号在接收站处由反射天线接收并反射，接收站处接收到的微波信号可表 示为：V₂=A₂cos(wt+φ₂)，其中，A₂表示信号的幅度，w为信号频率，φ₂表示信号的相位，φ₂与φ₁存在以下关系：φ₂=φ₁+φ_c；由接收站反射 天线反射的微波信号经过同一传输路径返回发射站处，发射站接收到的反 射信号表示为：V₃=A₃cos(wt+φ₃)，其中，A₃表示信号的幅度，w为信号 频率，φ₃表示信号的相位，φ₃与φ₁存在以下关系：φ₃=φ₁+2φ_c。

在发射站，通过将接收到的反射信号V₃与发射信号V₁混频，得到： V₄=A₄cos(φ₃-φ₁)=A₄cos(2φ_c)，V₄是正比于cos(2φ_c)的直流信号，通过 将V₄作为误差信号，反馈控制微波发射源的微波频率w，实现整个传输 链路的变频锁定，从而得到：cos(2φ_c)=1，传输距离D为锁定后传输波长 λ₁的整数倍：D=N·λ₁。

其中连续改变传输波长，得到相邻的锁定波长λ₂，满足：D=(N-1)·λ₂， 假设λ₂>λ₁，得到：D=N·λ₁=(N-1)·λ₂，进一步得到：N=λ₂/(λ₂-λ₁)，D=λ₁λ₂/ (λ₂-λ₁)，根据波长与频率关系f·λ=c，其中c为大气中电磁波速度，得到： N=f₁/(f₁-f₂)，D=c/(f₁-f₂)，其中f₁和f₂的值均可通过第一频率测量仪和第 二频率测量仪直接测得，即在发射站和接收站均可实时测定传输距离

通过发射站设置的第一时钟信号参考源产生参考时间信号T₀，此参考 信号T₀通过与传输所述微波信号相同的传输路径进行自由空间传输，在接 收站由时钟信号接收装置接收，在接收站处接收到的时钟信号为：T₀+ΔT， 时钟信号经过传输路径后增加的时延为ΔT，满足关系：ΔT=D/c，其中D 为传输距离，c为自由空间电磁波速度，在接收站接收到时钟信号后，将 其与设在接收站的第二时钟参考源进行比对，通过对接收站处第二时钟参 考源进行实时的时延调节，实现发射站和接收站之间的时间同步。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已， 并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、 等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。