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光纤单向时间频率传输系统和方法

发明公布  在审
申请(专利)号:CN201610974463.7国省代码:北京 11
申请(专利权)人:中国计量科学研究院
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摘要:
本发明公开了一种光纤单向时间频率传输系统和方法,该方法包括:将包含发射端参考时间频率源的时频信息的电信号转换为光信号;接收端通过光线链路接收光信号;将光信号转换为电信号;使用相位微跃器进行恢复信号,产生时间频率信号,测量发射端参考时间信号和接收端产生的时间信号的时差进而得到发射端的时间频率源的时频信息;根据发射端的时间频率源的时频信息、接收端和发射端之间已经校准的光纤传输链路对接收端的时间频率源进行驯服,以使接收端的时间频率源和发射端的时间频率源同步。本发明具有如下优点:利用已校准的时间传递链路对接收端的时间频率源进行驯服,以使接收端的时间频率源和发射端的时间频率源同步,准确性、稳定性较好。

主权项:
一种光纤单向时间频率传输方法,其特征在于,包括以下步骤:S1:将包含发射端参考时间频率源的时频信息的电信号转换为光信号;S2:接收端通过光纤链路接收所述光信号;S3:将所述光信号转换为所述电信号;S4:所述接收端根据所述电信号使用相位微跃器进行恢复信号,产生时间频率信号,测量发射端参考时间信号和所述接收端产生的时间信号的时差,从而得到所述发射端的时间频率源的时频信息;S5:根据所述发射端的时间频率源的时频信息、所述接收端和所述发射端之间已经校准的光纤传输链路对所述接收端的时间频率源进行驯服,以使所述接收端的时间频率源和所述发射端的时间频率源同步。


说明书

光纤单向时间频率传输系统和方法

技术领域

本发明涉及时间频率校准技术领域,特别涉及一种光纤单向时间频率传输系统和
方法。

背景技术

光纤是光导纤维的简写,是一种由玻璃或塑料制成的纤维,可作为光传导工具。传
输原理是‘光的全反射’微细的光纤封装在塑料护套中,使得它能够弯曲而不至于断裂。通
常,光纤的一端的发射装置使用发光二极管(light emitting diode,LED)或一束激光将光
脉冲传送至光纤,光纤的另一端的接收装置使用光敏元件检测脉冲。

在日常生活中,由于光在光导纤维的传导损耗比电在电线传导的损耗低得多,光
纤被用作长距离的信息传递。

时间服务是国家的基本技术支撑,而高精度时间传递与同步是其主要的部分。统
计分析表明,原子钟性能每七年提高一个数量级,伴随着原子钟技术的快速发展,时间同步
手段也因为通信技术的快速发展而不断进步,精度不断提高。

目前国际时间传递链路中采用多种时间比对方法。它们在比对精度、覆盖范围和
运行费用等方面不尽相同。GPS时间频率传递比对只需要GPS时间频率传递接收机和一个接
收天线,不需要其它附属设备,运行费用相对较低,可以充分满足短基线和中长基线比对双
方的精度要求,在区域性或国家间综合时间尺度的建设中具有重要应用价值。

卫星双向法(TWSTFT)利用通信卫星完成高精度远程时间比对,亚洲的几个主要国
家已经采用了此项技术。TWSTFT的比对精度比GPS码基时间频率传递高一个数量级,但该方
法必须租用通信卫星作为信号转发的媒介,比对不能连续进行,并且比对双方都需要配备
专门的发射接收设备,设备价格昂贵,因此当今具备双向比对条件的实验室并不是很多。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此,本发明的第一个目的在于提出一种光纤单向时间频率传输方法,由光信号
代替 电信号准确地进行远程传输时间频率数据。

为了实现上述目的,本发明的实施例公开了一种光纤单向时间频率传输方法,包
括以下步骤:S1:将包含发射端参考时间频率源的时频信息的电信号转换为光信号;S2:接
收端通过光纤链路接收所述光信号;S3:将所述光信号转换为所述电信号;S4:所述接收端
根据所述电信号使用相位微跃器进行恢复信号,产生时间频率信号,测量发射端参考时间
信号和所述接收端产生的时间信号的时差,从而得到所述发射端的时间频率源的时频信
息;S5:根据所述发射端的时间频率源的时频信息、所述接收端和所述发射端之间已经校准
的光纤传输链路对所述接收端的时间频率源进行驯服,以使所述接收端的时间频率源和所
述发射端的时间频率源同步。

根据本发明实施例的光纤单向时间频率传输方法,利用已校准的时间传递链路,
并根据光纤链路获取并读出的发射端的时间频率源的时频信息对接收端的时间频率源进
行驯服,以使接收端的时间频率源和发射端的时间频率源同步,并且准确性、稳定性较好。

另外,根据本发明上述实施例的光纤单向时间频率传输方法,还可以具有如下附
加的技术特征:

进一步地,在步骤S3中,使用由频率分配放大器根据所述电信号得到所述发射端
的时间频率源的时频信息。

进一步地,所述接收端和所述发射端之间已经校准的光纤传输链路包括:第一
GNSS时频传递接收机,与所述发射端的时间频率源连接;第二GNSS时频传递接收机,与所述
接收端的时间频率源连接;其中,所述第一GNSS时频传递接收机和所述第二GNSS时频传递
接收机同步。

进一步地,所述接收端和所述发射端之间已经校准的光纤传输链路包括:第一光
纤时间频率比对设备,与所述发射端的时间频率源连接;第二光纤时间频率比对设备,与所
述接收端的时间频率源连接;其中,所述第一光纤时间频率比对设备和所述第二光纤时间
频率比对设备同步。

本发明的第二个目的在于提出一种时频比对系统,由光信号代替电信号准确地进
行远程传输时间频率数据。

为了实现上述目的,本发明的实施例公开了一种光纤单向时间频率传输系统,包
括:发射端,所述发射端用于将发射端参考时间频率源的时频信息的电信号转换为光信号;
第一光纤传输链路,所述发射端和接收端通过所述第一光纤传输链路连接;所述接收端,其
中,所述接收端包括:光信号接收模块,用于通过所述第一光纤链路接收所述光信号;光电
转换模块,用于将所述光信号转换为电信号;相位微跃器,用于根据所述电信号进行恢 复
信号,产生时间频率信号;时频信息生成模块,用于测量发射端参考时间信号和所述接收端
产生的时间信号的时差,从而得到所述发射端的时间频率源的时频信息;驯服模块,根据所
述发射端的时间频率源的时频信息、所述接收端和所述发射端之间已经校准的第二光纤传
输链路对所述接收端的时间频率源进行驯服,以使所述接收端的时间频率源和所述发射端
的时间频率源同步。

根据本发明实施例的光纤单向时间频率传输系统,利用已校准的时间传递链路,
并根据光纤链路获取并读出的发射端的时间频率源的时频信息对接收端的时间频率源进
行驯服,以使接收端的时间频率源和发射端的时间频率源同步,并且准确性、稳定性较好。

另外,根据本发明上述实施例的光纤单向时间频率传输系统,还可以具有如下附
加的技术特征:

进一步地,所述时频信息生成模块为频率分配放大器。

进一步地,所述第二光纤传输链路包括:第一GNSS时频传递接收机,与所述发射端
的时间频率源连接;第二GNSS时频传递接收机,与所述接收端的时间频率源连接;其中,所
述第一GNSS时频传递接收机和所述第二GNSS时频传递接收机同步。

进一步地,所述第二光纤传输链路包括:第一光纤时间频率比对设备,与所述发射
端的时间频率源连接;第二光纤时间频率比对设备,与所述接收端的时间频率源连接;其
中,所述第一光纤时间频率比对设备和所述第二光纤时间频率比对设备同步。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变
得明显,或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得
明显和容易理解,其中:

图1是本发明实施例的光纤单向时间频率传输方法的流程图;

图2是本发明一个实施例的光纤单向时间频率传输方法中传输系统的结构示意
图;

图3(a)-图3(e)是本发明一个实施例的发射端相位微跃器、接收端相位微跃器与
国家原子时标计量基准的GNSS时间频率传递接收机的比对结果示意图;

图4是本发明实施例的光纤单向时间频率传输系统的结构框图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终
相同 或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考
附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中,需要理解的是,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能
理解为指示或暗示相对重要性。

参照下面的描述和附图,将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述
和附图中,具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式,来表示实施本发明的实施
例的原理的一些方式,但是应当理解,本发明的实施例的范围不受此限制。相反,本发明的
实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

以下结合附图描述根据本发明实施例的光纤单向时间频率传输方法。

图1是本发明实施例的光纤单向时间频率传输方法的流程图。如图1所示,一种光
纤单向时间频率传输方法,包括以下步骤:

S1:将包含发射端参考时间频率源的时频信息的电信号转换为光信号。

在本发明的一个实施例中,光纤单向时间频率传输方法中传输系统的结构如图2
所示,将中国计量科学院(和平里)(发射端)的参考信号频率(5或10MHz)信号经过电光转换
设备转成光信号

S2:接收端通过光纤链路接收光信号。

S3:接收端通过光电转化模块将光信号转换为电信号。

S4:接收端根据所述电信号使用相位微跃器进行恢复信号,产生时间频率信号,测
量发射端参考时间信号和所述接收端产生的时间信号的时差,从而得到所述发射端的时间
频率源的时频信息。

具体地,接收端将电信号接入相位微跃器作为参考,相位微跃器频率锁定于参考
信号,产生时间和频率信号。

在本发明的一个实施例中,使用由频率分配放大器根据电信号得到发射端的时间
频率源的时频信息。

具体地,得到频率的电信号后,直接由频率分配放大器分配出频率信号,同时分配
放大器的一路输出经过分频器产生时间信号。

S5:根据发射端的时间频率源的时频信息、接收端和发射端之间已经校准的光纤
传输链路对接收端的时间频率源进行驯服,以使接收端的时间频率源和发射端的时间频率
源同步。

在本发明的一个实施例中,接收端和发射端之间已经校准的光纤传输链路包括第
一GNSS时频传递接收机和第二GNSS时频传递接收机。其中,第一GNSS时频传递接收机 与发
射端的时间频率源连接。第二GNSS时频传递接收机与接收端的时间频率源连接。第一GNSS
时频传递接收机和第二GNSS时频传递接收机同步。

在本发明的一个实施例中,接收端和发射端之间已经校准的光纤传输链路包括第
一光纤时间频率比对设备和第二光纤时间频率比对设备。其中,第一光纤时间频率比对设
备与发射端的时间频率源连接。第二光纤时间频率比对设备与接收端的时间频率源连接。
第一光纤时间频率比对设备和第二光纤时间频率比对设备同步。

在本发明的一个示例中,发射端为位于中国计量科学研究院和平里园区的原子时
标UTC(NIM)Hepingli,IM2P和IM20分别为参考到发射端UTC(NIM)Hepingli和远程端相位微跃器
信号的两台GNSS时间频率传递接收机,由它们构成的GNSS时间传递链路已经过校准,它们
对光纤链路校准的结果(共视比对)可计算得到为204.2ns。

进一步地,利用一个连接到国家原子时标计量基准(UTC(NIM))的GNSS时间频率传
递接收机IM06作为公共参考,可分别得到UTC(NIM)Hepingli发射端和接收端与UTC(NIM)的比
对结果(IM2P-IM06和IM20-IM06),同时将IM2P与IM20(即UTC(NIM)Hepingli本地端和远程端)
进行直接共视比对,选取MJD 57590-57596时间段,得到原始结果如下。

图3(a)-图3(e)是本发明一个实施例的参考到发射端相位微跃器、接收端相位微
跃器与国家原子时标计量基准的GNSS时间频率传递接收机的比对结果示意图。如图3(a)所
示,横坐标代表简化儒约日,纵坐标代表时差,IM2P与IM20分别与IM06的GPSP3码时差比对
结果,包括均值、标准差;如图3(b)所示,横坐标代表简化儒约日,纵坐标代表频差,IM2P与
IM06的GPSP3码频差比对结果(频差由时差计算得到,下同),包括均值;如图3(c)所示,横坐
标代表简化儒约日,纵坐标代表频差,IM20与IM06的GPSP3码频差比对结果,包括均值;如图
3(d)所示,横坐标代表简化儒约日,纵坐标代表时差,IM2P与IM20的GPSP3码时差比对结果,
包括均值、标准差;如图3(e)所示,横坐标代表简化儒约日,纵坐标代表频差,IM2P与IM20的
GPSP3码频差比对结果,包括均值。

通过比对结果图中可以看出,IM2P-IM06与IM20-IM06的时差曲线趋势基本一致,
相对频率偏差平均值误差可以忽略,IM2P-IM20结果均值稳定在一个固定的范围内,波动
4ns左右,标准差在1ns左右,相对频率偏差在4.84e-16左右。

本发明实施例的光纤单向时间频率传输方法,可以认为UTC(NIM)能够通过光纤进
行传输到远端,也即远端实现的时间频率信号与本地端同步,并且准确性、稳定性较好。

此外,本发明的还公开了一种光纤单向时间频率传输系统,包括发射端210、第一
光线链路220和接收端230。

其中,发射端210用于将发射端参考时间频率源的时频信息的电信号转换为光信
号。

发射端210和接收端230通过第一光纤传输链路220连接。

接收端230包括:光信号接收模块231、光电转换模块232、相位微跃器233、时频信
息生成模块234和驯服模块235。其中,光信号接收模块231用于通过第一光纤链路220获取
发射端发送的包含发射端的时间频率源的时频信息的光信号。光电转换模块232用于将光
信号转换为电信号。相位微跃器233用于根据电信号进行恢复信号,产生时间频率信号。时
频信息生成模块234用于测量发射端参考时间信号和所述接收端产生的时间信号的 时差,
从而得到所述发射端的时间频率源的时频信息。驯服模块235用于根据发射端的时间频率
源的时频信息、接收端和发射端之间已经校准的第二光纤传输链路对接收端的时间频率源
进行驯服,以使接收端的时间频率源和发射端的时间频率源同步。

本发明实施例的光纤单向时间频率传输系统,利用已校准的时间传递链路,并根
据光纤链路获取并读出的发射端的时间频率源的时频信息对接收端的时间频率源进行驯
服,以使接收端的时间频率源和发射端的时间频率源同步,并且准确性、稳定性较好。

在本发明的一个实施例中,时频信息生成模块234为频率分配放大器。

在本发明的一个实施例中,第二光纤传输链路包括第一GNSS时频传递接收机和第
二GNSS时频传递接收机。其中,第一GNSS时频传递接收机与发射端的时间频率源连接。第二
GNSS时频传递接收机与接收端的时间频率源连接。第一GNSS时频传递接收机和第二GNSS时
频传递接收机同步。

在本发明的一个实施例中,第二光纤传输链路包括第一光纤时间频率比对设备和
第二光纤时间频率比对设备。其中,第一光纤时间频率比对设备与发射端的时间频率源连
接。第二光纤时间频率比对设备与接收端的时间频率源连接。第一光纤时间频率比对设备
和第二光纤时间频率比对设备同步。

需要说明的是,本发明实施例的光纤单向时间频率传输系统的具体实施方式与本
发明实施例的光纤单向时间频率传输方法的具体实施方式类似,具体参见方法部分的描
述,为了减少冗余,不作赘述。

另外,本发明实施例的光纤单向时间频率传输系统和方法的其它构成以及作用对
于本领域的技术人员而言都是已知的,为了减少冗余,不做赘述。

在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示
例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特
点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不
一定指的是相同的实施例...

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图1
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