一种基于源端补偿的光纤时间传递系统及方法

摘要

本发明公开了一种基于源端补偿的光纤时间传递系统及方法，所述系统包括源端设备，所述源端设备包括可变延迟器、第一激光器、压控振荡器、单刀双掷开关、第二激光器、第一波分复用器、第一光电探测器、TDC芯片、鉴相器和微控制单元。本发明结合了波分复用与时分复用的方式，最大程度上节约了光纤及硬件资源，实现了时间信号的高准确度不间断传递，传递过程与测量过程互不影响，系统附加噪声较小，且结构简单，集成度高，易于扩展，可大范围应用，控制了成本，较为经济，对于光纤时间传递方式提供了一种新思路且对光纤时间传递设备的推广应用有着重要的意义。

说明书

技术领域

本发明属于时间频率技术领域，涉及光纤时间传递领域，特别涉及一种基于源端补偿的光纤时间传递系统及方法。

背景技术

随着时频领域的飞速发展，科学研究、导航定位、航空航天、电力传输、军事安全等领域对时间同步准确度需求的不断提高，高精度时间频率已经成为一个国家科技、经济、军事和社会生活中至关重要的参量，如何进一步提高传递时间信号的准确度，降低时间传递设备成本与精简时间传递的结构方式成为了需要研究的重要课题。

目前，现有的时间传递技术往往是采用时间频率同传的方式提升时间信号的准确度，或者通过分辨率较高的TDC(Time-to-Digital Converter)时间间隔测量芯片测量链路时延后进行精准补偿，从而得到准确度较高的时间传递信号。

然而，时间频率同传的方式往往需要时间源、频率源同时工作，工作条件较为严苛，传输过程中需要复杂编码，且需要多模块配合工作以及较多的光纤资源配置，结构较为复杂；采用高分辨率TDC芯片虽然可简化整体时间传递系统结构，但芯片往往具有不可忽视的硬件噪声，使得时间传递信号具有底噪，不可通过附加方式进一步提升时间传递信号准确度，采用精湛的制造工艺降低硬件噪声提升测量分辨率会使成本大大增加，且对其外围硬件电路的要求同样较高，工作条件较为严苛，系统经过长时间工作后，芯片面临老化问题，会使时间信号传递准确度降低且过程不可逆，芯片造价高昂，替换代价大，系统长期稳定工作的风险较高。

综上，亟需一种新的光纤时间传递方法及系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于源端补偿的光纤时间传递系统及方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明结合了波分复用与时分复用的方式，节约了光纤及硬件资源，实现了时间信号的高准确度不间断传递，传递过程与测量过程互不影响，系统附加噪声较小。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种基于源端补偿的光纤时间传递系统，包括：

源端设备，所述源端设备包括：

可变延迟器，所述可变延迟器设置有第一输入端、第二输入端和输出端，所述可变延迟器的第一输入端用于输入待传递的时间信号；所述可变延迟器用于对输入的时间信号进行超前时延补偿；

第一激光器，所述第一激光器设置有输入端和输出端；所述第一激光器的输入端与所述可变延迟器的输出端相连接，所述第一激光器的输出端用于发射波长为λ1

压控振荡器，所述压控振荡器设置有第一输出端和第二输出端；

单刀双掷开关，所述单刀双掷开关设置有动端a、动端b和不动端；所述动端a与所述第一激光器的输入端相连接，所述动端b与所述压控振荡器的第一输出端相连接；

第二激光器，所述第二激光器设置有输入端和输出端；所述第二激光器的输入端与所述单刀双掷开关的不动端相连接，所述第二激光器的输出端用于发射波长为λ

第一波分复用器，所述第一波分复用器用于接收所述第一激光器发射的波长为λ

第一光电探测器，所述第一光电探测器用于接收所述第一波分复用器输出的远程端设备反馈的波长为λ

TDC芯片，所述TDC芯片设置有第一输入端、第二输入端和输出端；所述TDC芯片的第一输入端与所述可变延迟器的输出端相连接，所述TDC芯片的第二输入端与所述第一光电探测器的第一输出端相连接；

鉴相器，所述鉴相器设置有第一输入端、第二输入端和输出端；所述鉴相器的第一输入端与所述压控振荡器的第二输出端相连接，所述鉴相器的第二输入端与所述第一光电探测器的第二输出端相连接；

微控制单元，所述微控制单元设置有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端；所述微控制单元的第一输入端与所述TDC芯片的输出端相连接，所述微控制单元的第二输入端与所述鉴相器的输出端相连接，所述微控制单元的第一输出端与所述单刀双掷开关的不动端相连接，所述微控制单元的第二输出端与所述可变延迟器的第二输入端相连接。

本发明的进一步改进在于，所述源端设备还包括：

环形器，所述环形器用于接收所述第二激光器发射的波长为λ

本发明的进一步改进在于，还包括：远程端设备，所述远程端设备包括：第二波分复用器、反射镜和第二光电探测器；

所述第二波分复用器用于接收所述第一波分复用器输出的波长为λ

所述反射镜用于接收所述第二波分复用器输出的波长为λ

所述第二光电探测器用于接收所述第二波分复用器输出的波长为λ

本发明的进一步改进在于，所述第一波分复用器与所述第二波分复用器通过光纤链路相连接；其中，所述波长为λ

本发明的进一步改进在于，

所述TDC芯片用于根据输入的两个时间信号，获得时间间隔T

所述鉴相器用于根据输入的两个频率信号，获得经过传输后的相位差f

所述微控制单元用于根据相位差f

本发明的一种基于源端补偿的光纤时间传递方法，基于本发明上述的系统，具体包括以下步骤：

时间信号输入至源端设备，源端设备通过可变延迟器对时间信号进行超前补偿后得到补偿后的时间信号；将补偿后的时间信号输入至第一激光器，第一激光器发射波长为λ

微控制单元控制单刀双掷开关的动端a与不动端连通，补偿后的时间信号调制在第二激光器上，第二激光器发射调制了时间信号的波长为λ

微控制单元控制单刀双掷开关的动端b与不动端连通，压控振荡器输出的频率信号调制在第二激光器上，第二激光器发射调制了频率信号的波长为λ

所述微控制单元根据相位差f

所述可变延迟器根据时间信号传输时延T

本发明的进一步改进在于，具体包括以下步骤：

环形器接收所述第二激光器发射的波长为λ

环形器接收所述第一波分复用器输出的远程端设备反馈的波长为λ

本发明的进一步改进在于，具体包括以下步骤：

远程端设备通过第二波分复用器接收第一波分复用器输出的波长为λ

远程端设备通过第二波分复用器接收第一波分复用器输出的调制了时间信号的波长为λ2

远程端设备通过第二波分复用器接收第一波分复用器输出的调制了频率信号的波长为λ

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明结合了波分复用与时分复用的方式，最大程度上节约了光纤及硬件资源，实现了时间信号的高准确度不间断传递，传递过程与测量过程互不影响，系统附加噪声较小，且结构简单，集成度高，易于扩展，可大范围应用，控制了成本，较为经济，对于光纤时间传递方式提供了一种新思路且对光纤时间传递设备的推广应用有着重要的意义。具体地，本发明采用了波分复用的方式保证了时间信号的直接传递，大大降低了传递过程中的附加噪声；信号传递过程不间断，且传递过程与测量过程互不影响；测量模块在波分复用的基础上，采用低分辨率的TDC测量芯片与频率信号鉴相相互配合的时分复用方式，进行了粗略的时延测量及精细的相位测量，整体实现了链路时延的高分辨率测量，进而经过源端设备内部可变延迟器精准的超前补偿实现了时间信号的高准确度传递。

本发明中，对TDC无过高精度要求及过大的测量范围要求，一般的TDC芯片测量范围约为几百ns到几ms，测量精度最高为22ps，即可满足需要。

附图说明

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

图1是本发明实施例的一种基于源端补偿的光纤时间传递系统的总体结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。

本发明实施例的一种基于源端补偿的光纤时间传递系统，包括：源端设备，所述源端设备包括：可变延迟器，所述可变延迟器设置有第一输入端、第二输入端和输出端，所述可变延迟器的第一输入端用于输入待传递的时间信号；所述可变延迟器用于对输入的时间信号进行超前时延补偿；第一激光器，所述第一激光器设置有输入端和输出端；所述第一激光器的输入端与所述可变延迟器的输出端相连接，所述第一激光器的输出端用于发射波长为λ

本发明实施例中，所述源端设备还包括：环形器，所述环形器用于接收所述第二激光器发射的波长为λ

本发明实施例中，还包括：远程端设备，所述远程端设备包括：第二波分复用器、反射镜和第二光电探测器；所述第二波分复用器用于接收所述第一波分复用器输出的波长为λ

本发明实施例的系统，结合了波分复用与时分复用的方式，最大程度上节约了光纤及硬件资源，实现了时间信号的高准确度不间断传递，传递过程与测量过程互不影响，系统附加噪声较小，且结构简单，集成度高，易于扩展，可大范围应用，控制了成本，较为经济，对于光纤时间传递方式提供了一种新思路且对光纤时间传递设备的推广应用有着重要的意义。

请参阅图1，图1是本发明实施例的总体结构示意图，假定时间信号为1PPS信号，参考频率信号为100MHz信号。

本发明实施例的一种基于源端补偿的光纤时间传递方法，具体包括以下步骤：

1、1PPS时间信号输入至源端设备，源端设备通过可变延迟器对1PPS时间信号进行超前补偿后得到1PPS时间信号1；

2、将步骤1所述1PPS时间信号1输入至激光器LD1(Laser diode)，LD1发射的激光信号的波长为λ

3、将步骤2所述波长为λ

4、远程端设备通过波分复用器B接收步骤3所述波长为λ

5、将步骤4所述波长为λ

6、当微控制单元MCU(Microcontroller Unit)控制开关置于a端时，步骤2所述1PPS时间信号1调制在LD2上，LD2发射的激光信号的波长为λ

7、步骤6所述调制了1PPS时间信号的波长为λ

8、远程端设备通过波分复用器B接收步骤7所述调制了1PPS时间信号的波长为λ

9、将步骤8所述调制了1PPS时间信号的波长为λ

10、源端设备经波分复用器A接收步骤9所述回传的调制了1PPS时间信号的波长为λ

11、将步骤1所述1PPS时间信号1与步骤10所述回传的1PPS时间信号1一同输入至TDC时间间隔测量芯片中，粗略测得两个1PPS时间信号1的时间间隔为T

12、将步骤11所述T

13、当MCU控制开关置于b端时，源端设备的VCO输出的100MHz频率信号调制在LD2上，LD2发射的激光信号的波长为λ

14、步骤13所述调制了100MHz频率信号的波长为λ

15、远程端设备通过波分复用器B接收步骤14所述调制了100MHz频率信号的波长为λ

16、将步骤15所述调制了100MHz频率信号的波长为λ

17、源端设备经波分复用器A接收步骤16所述回传的调制了100MHz频率信号的波长为λ

18、将步骤13所述100MHz频率信号与步骤17所述回传的100MHz频率信号一同输入至鉴相器中，可以得两个100MHz频率信号经过光纤链路传输后的相位差为f

19、将步骤11所述f

20、MCU对步骤11所述T

综上，本发明结合了波分复用与时分复用的方式，最大程度上节约了光纤及硬件资源，实现了时间信号的高准确度不间断传递，传递过程与测量过程互不影响，系统附加噪声较小，且结构简单，集成度高，易于扩展，可大范围应用，控制了成本，较为经济，对于光纤时间传递方式提供了一种新思路且对光纤时间传递设备的推广应用有着重要的意义；具体地本发明精细测量的指标可以达到1ps。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。