一种同纤同波的光纤时间传递装置

技术领域

本发明涉及时间比对与频率校准，特别是一种同纤同波的光纤时间传递装置。

背景技术

时间是七个国际基本单位之一，也是目前测量最精确的一个。精确的时间频率基准在基本物理量测量、引力波探测、射电望远镜阵列等诸多科学研究起着支撑保障的作用，也在5G通信、雷达阵列、物联网中扮演者不可获取的角色。得益于光纤具有带宽大、损耗小抗电磁干扰等优点、光纤授时已经成为构建时频的体系的主流方案。

光纤授时的核心在于精准扣除时间信号在光纤中传输引入的链路时延，主流的做法是测量时间信号的双向传输时延，并将双向传输时延的一半作为单向链路时延。这一做法依赖于光纤双向传输对称性的假设，因此双向采用不同的波长会引入一些不对称性从而需要复杂的链路校准。而在同一根光纤中采用同一波长进行双向时间传输会恶化信噪比，降低传输距离。而采用时分复用技术虽然可以避免上述问题，但是其控制方式复杂，需要定制中继方法装置。

发明内容

本发明旨在解决上述的技术问题，提出一种同纤同波的光纤时间传递装置，包括：通过光纤相连的近端装置、中间下载装置、远端装置；可以在保证信噪比的同时在同一根光纤中的不同方向使用相同波长的光载波进行时间传递。

所述的近端装置包括第一f0相关信号发生器、第一f1相关信号发生器、第一光发射机、第一光接收机、第一f1微波滤波器、第一信号处理单元、第一单纤双向连接器。所述的第一f0相关信号发生器的第一端口为外部时间基准输入端口，第二端口与所述第一光发射机的第一端口相连；所述的第一f1相关信号发生器的第一端口为外部时间基准输入端口，第二端口与所述第一信号处理单元的第二端口相连；所述第一光发射机的第二端口与所述第一单纤双向连接器的第一端口相连；所述第一光接收机的第一端口与所述第一单纤双向连接器的第三端口相连，第二端口与所述第一f1微波滤波器的第一端口相连；所述第一f1微波滤波器的第二端口与所述第一信号处理单元的第一端口相连；所述第一单纤双向连接器的第二端口与传递时间信息的光纤相连；

所述的远端装置包括第二f0相关信号发生器、第二f1相关信号发生器、第二光发射机、第二光接收机、第一f0微波滤波器、第二信号处理单元、第二单纤双向连接器。所述的第二f1相关信号发生器的第一端口为外部时间基准输入端口，第二端口与所述第二信号处理单元的第二端口相连；所述的第二f1相关信号发生器的第一端口为外部时间基准输入端口，第二端口与所述第二光发射机的第一端口相连；所述第二光发射机的第二端口与所述第二单纤双向连接器的第一端口相连；所述第二光接收机的第一端口与所述第二单纤双向连接器的第三端口相连，第二端口与所述第一f0微波滤波器的第一端口相连；所述第一f0微波滤波器的第二端口与所述第二信号处理单元的第一端口相连；所述第二单纤双向连接器的第二端口与传递时间信息的光纤相连；

所述的中间下载装置包括2×2光耦合器OC、第三f0相关信号发生器、第三f1相关信号发生器、第二f1微波滤波器、第二f0微波滤波器、第三光接收机、第四光接收机、第三信号处理单元、第四信号处理单元。所述2×2光耦合器OC的第一端口与靠近近端装置的传递时间信息的光纤相连，第二端口与靠近远端装置的传递时间信息的光纤相连，第三端口与所述第三光接收机的第一端口相连，第四端口与所述第四光接收机的第一端口相连；所述第三f0相关信号发生器的第一端口为外部时间基准输入端口，第二端口与所述第三信号处理单元的第二端口相连；所述第三f1相关信号发生的第一端口为外部时间基准输入端口，第二端口与所述第四信号处理单元的第二端口相连；所述第二f1微波滤波的第一端口与所述第四光接收机的第二端口相连，第二端口与所述第四信号处理单元的第一端口相连；所述第二f0微波滤波器的第一端口与所述第三光接收机的第二端口相连，第二端口与所述第三信号处理单元的第一端口相连。

所述的第一单纤双向连接器和第二单纤双向连接器的光传输如下：

当光分别从第一单纤双向连接器的第一端口和第二单纤双向连接器的第一端口进入，则从第一单纤双向连接器的第二端口和第二单纤双向连接器的第二端口输出；

当光从第二端口输入，则光从第三端口输出。

所述的第一2×2光耦合器OC的光传输如下：

如果光从第一端口进入，则光从第二端口和第三端输出；光从第二端口输入，则光从第一端口和第四端口输出。

所述第一f0相关信号发生器、第二f0相关信号发生器和第三f0相关信号发生器可以检测根据第一端口接收的时间信息，产生相关信号s0，并从第二端口输出；所述第一f0相关信号发生器、第二f0相关信号发生器和第三f0相关信号发生器产生的相关信号互为互相关信号。

所述第一f1相关信号发生器、第二f1相关信号发生器和第三f1相关信号发生器可以检测根据第一端口接收的时间信息，产生相关信号s1，并从第二端口输出；所述第一f1相关信号发生器、第二f1相关信号发生器和第三f1相关信号发生器c2产生的相关信号互为互相关信号，并且其频谱与所述信号s1的频谱无重叠。

所述第一f1微波滤波器、第二f1微波滤波器的通带范围包括所述的相关信号s1的频谱范围但不包括所述的相关信号s0的频谱。

所述第一f0微波滤波器、第二f0微波滤波器的通带范围包括所述的相关信号s0的频谱范围但不包括所述的相关信号s1的频谱。

所述第一信号处理单元、第二信号处理单元、第三信号处理单元和第四信号处理单元用于对输入的信号进行互相关运算，并根据运算结果获取两个信号的输入时间差。

其可以用光放大器延长传输距离、增加中间下载装置的个数，因此可以存在多个中间下载装置。

所述第一光发射机、第二光发射机使用的光载波波长相同。

此外，可以在传输光纤的任意位置添加光分路器增加远端站点，实现点对多点同纤同波分布式时间传递。

系统中每个远端站点产生的相关信号(s1、s2、s3…sN)以及近端站点产生的相关信号(s0)彼此频谱无重叠。

近端站点包括与各远端站点产生的相关信号(s1、s2、s3…sN)对应的相关信号发生器与滤波器。

不同远端站点的光发送机使用的光载波波长相同。

与现有技术相比，本发明的有益效果

在同一根光纤中采用相同波长的光进行双向时间传输，最大限度地保证了双向传输的对称性，控制简单，无需定制中继放大装置。

附图说明

图1是本发明一种同纤同波的光纤时间传递装置的结构图。

图2是本发明一种同纤同波的光纤时间传递装置系统信号处理单元工作原理图。

图3是本发明一种同纤同波的光纤时间传递装置系统实施例结构示意图。

图4是本发明一种点对多点同纤同波分布式时间传递装置实施例2点对多点的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语‘近端’仅代表时间频率参考源所在的端点，并不是一个固定的端点。术语‘低频’、‘高频’仅代表相对频率的高低，并不特指频率高于或低于某个特定的频率。

以下结合附图和描述根据本发明实施的一种同纤同波的光纤时间传递装置。

先请参阅图1，图1是本发明一种同纤同波的光纤时间传递装置的结构图，由图可见，本发明一种同纤同波的光纤时间传递装置，包括：通过光纤相连的近端装置、中间下载装置、远端装置；可以在保证信噪比的同时在同一根光纤中的不同方向使用相同波长的光载波进行时间传递。

所述的近端装置包括第一f0相关信号发生器、第一f1相关信号发生器、第一光发射机、第一光接收机、第一f1微波滤波器、第一信号处理单元、第一单纤双向连接器。所述的第一f0相关信号发生器的第一端口为外部时间基准输入端口，第二端口与所述第一光发射机的第一端口相连；所述的第一f1相关信号发生器的第一端口为外部时间基准输入端口，第二端口与所述第一信号处理单元的第二端口相连；所述第一光发射机的第二端口与所述第一单纤双向连接器的第一端口相连；所述第一光接收机的第一端口与所述第一单纤双向连接器的第三端口相连，第二端口与所述第一f1微波滤波器的第一端口相连；所述第一f1微波滤波器的第二端口与所述第一信号处理单元的第一端口相连；所述第一单纤双向连接器的第二端口与传递时间信息的光纤相连；

所述的远端装置包括第二f0相关信号发生器、第二f1相关信号发生器、第二光发射机、第二光接收机、第一f0微波滤波器、第二信号处理单元、第二单纤双向连接器。所述的第二f1相关信号发生器的第一端口为外部时间基准输入端口，第二端口与所述第二信号处理单元的第二端口相连；所述的第二f1相关信号发生器的第一端口为外部时间基准输入端口，第二端口与所述第二光发射机的第一端口相连；所述第二光发射机的第二端口与所述第二单纤双向连接器的第一端口相连；所述第二光接收机的第一端口与所述第二单纤双向连接器的第三端口相连，第二端口与所述第一f0微波滤波器的第一端口相连；所述第一f0微波滤波器的第二端口与所述第二信号处理单元的第一端口相连；所述第二单纤双向连接器的第二端口与传递时间信息的光纤相连；

所述的中间下载装置包括第一2×2光耦合器OC、第三f0相关信号发生器、第三f1相关信号发生器、第二f1微波滤波器、第二f0微波滤波器、第三光接收机、第四光接收机、第三信号处理单元、第四信号处理单元。所述第一2×2光耦合器OC的第一端口与靠近近端装置的传递时间信息的光纤相连，第二端口与靠近远端装置的传递时间信息的光纤相连，第三端口与所述第三光接收机的第一端口相连，第四端口与所述第四光接收机的第一端口相连；所述第三f0相关信号发生器的第一端口为外部时间基准输入端口，第二端口与所述第三信号处理单元的第二端口相连；所述第三f1相关信号发生的第一端口为外部时间基准输入端口，第二端口与所述第四信号处理单元的第二端口相连；所述第二f1微波滤波的第一端口与所述第四光接收机的第二端口相连，第二端口与所述第四信号处理单元的第一端口相连；所述第二f0微波滤波器的第一端口与所述第三光接收机的第二端口相连，第二端口与所述第三信号处理单元的第一端口相连。

所述的第一单纤双向连接器和第二单纤双向连接器的光传输如下：

当光分别从第一单纤双向连接器的第一端口和第二单纤双向连接器的第一端口进入，则从第一单纤双向连接器的第二端口和第二单纤双向连接器的第二端口输出；

当光从第二端口输入，则光从第三端口输出。

所述的第一2×2光耦合器OC的光传输如下：

如果光从第一端口进入，则光从第二端口和第三端输出；光从第二端口输入，则光从第一端口和第四端口输出。

所述第一f0相关信号发生器、第二f0相关信号发生器和第三f0相关信号发生器可以检测根据第一端口接收的时间信息，产生相关信号s0，并从第二端口输出；所述第一f0相关信号发生器、第二f0相关信号发生器和第三f0相关信号发生器产生的相关信号互为互相关信号。

所述第一f1相关信号发生器、第二f1相关信号发生器和第三f1相关信号发生器可以检测根据第一端口接收的时间信息，产生相关信号s1，并从第二端口输出；所述第一f1相关信号发生器、第二f1相关信号发生器和第三f1相关信号发生器c2产生的相关信号互为互相关信号，并且其频谱与所述信号s1的频谱无重叠。

所述第一f1微波滤波器、第二f1微波滤波器的通带范围包括所述的相关信号s1的频谱范围但不包括所述的相关信号s0的频谱。

所述第一f0微波滤波器、第二f0微波滤波器的通带范围包括所述的相关信号s0的频谱范围但不包括所述的相关信号s1的频谱。

所述第一信号处理单元、第二信号处理单元、第三信号处理单元和第四信号处理单元用于对输入的信号进行互相关运算，并根据运算结果获取两个信号的输入时间差。

其可以用光放大器延长传输距离、增加中间下载装置的个数，因此可以存在多个中间下载装置。

所述第一光发射机、第二光发射机使用的光载波波长相同。

需要注意的是，由于时间传递的对称性，近端装置和远端装置的位置是相对的，其功能是等效的，可以进行互换。其可以用光放大器延长传输距离、增加中间下载装置的个数，因此可以存在多个中间下载装置。

图2是本发明一种同纤同波的光纤时间传递装置的信号处理单元工作原理图。将模拟信号变成数字信号，对两个信号进行互相关运算并提取互相关函数的峰值位置，转化为两个函数输入的时间差。

相关信号可以为啁啾信号、伪随机码信号等。设两个互相关信号分别为g

g

其中Δt是g

对其进行傅里叶变换可得：

G

并且由互相关函数的计算方法可知：

R

结合卷积定理，可以得到：

其中

R(t)＝F(t)*δ(t-Δt)＝F(t-Δt)

由自相关的性质可知，F(t)函数的峰值出现在原点处，R(t)函数的峰值出现在Δt处，也就是g

图3为本发明一种同纤同波的光纤时间传递装置实施例结构示意图，如图所示，近端站点的外部基准将时间信息输入分别到中心频率为f1和f2的啁啾信号发生器(f2＞f1，且两个啁啾信号的频谱无重叠)，用于产生频谱不重叠的信号。中心频率为f2的信号输入到信号处理单元。中心频率为f1的信号经过光发送机调制到光域并发送到光纤中，在中间下载装置被光接收机接收并经过f1滤波器恢复出中心频率为f1原信号，并与本地产生的中心频率为f1相关信号在信号处理单元中进行互相关运算，并转化为两个信号的输入时间差，在远端站点通过相似的过程获得两个信号的输入时间差。在远端站点的时间基准将时间信息输入分别到中心频率为f1和f2的啁啾信号发生器，用于产生频谱不重叠的信号。中心频率为f1的信号输入到信号处理单元。中心频率为f2的信号经过光发送机调制到光域并发送到光纤中，在中间下载装置被光接收机接收并经过f2滤波器恢复出中心频率为f2原信号，并与本地产生的中心频率为f2相关信号在信号处理单元中进行互相关运算，并转化为两个信号的输入时间差，在近端站点通过相似的过程获得两个信号的输入时间差。

图4为本发明一种同纤同波分布式时间传递装置实施例2点对多点的示意图。近端站点的外部基准将时间信息输入分别到中心频率为f0、f1、f2…fn的啁啾信号发生器(所有啁啾信号的频谱无重叠)，并将f0互相关信号调制到光域通过光分路器发送到不同的光纤中，光分路器可以存在于传输系统的光纤的各个位置，从而实现点对多点的分布式时间传递。并且，在每条链路可以接2×2耦合器实现中间下载，不同远端站点产生的互相关信号互不相同且于近端站点一一对应。