基于光纤环形网的多点高精度时频传递方法 下载: 1018次
1 引言
由于光纤信道具有损耗低和抗干扰能力强等优点,基于光纤链路的时频传递已经成为高精度时频传递的重要手段。在传统点到点的光纤时频传递方法中,通常先采用环回法或双向比对法测量感知时频信号的延迟相位波动,然后利用高精度延迟或相位补偿模块对链路波动进行实时补偿,从而实现高精度时频传递[1-3]。
随着5G通信和导航定位等领域的发展,一个区域、多个用户的时频分配需求越来越普遍。然而,传统的点到点的光纤时频传递方法已不能胜任对多终端用户网络的时频分配,如当网络中有
Zhu等[4-5]研究了在树形分支网络上进行时间传递的钟差测量方法和基于星形网进行多点频率传递的实现方案,Krehlik等[6]进行了基于干线提取方案的多点时频传递,Chen等[7-8]主要对基于环形网的频率信号传递进行了研究,Jiang等[9]进行了环形光链路上接入点的时延测量和频率信号的传递实验,测量了中间站与中心站之间秒脉冲的绝对时延差,但实验中并没有对中间站处恢复的秒脉冲进行时延补偿,得到的秒脉冲并非同步的时间信号。因此,需对基于光纤环形网的多点时频传递进行深入研究。
环形网是光纤传送网络中最基本的拓扑结构之一,是面向区域服务最为普遍的网络拓扑结构。通常,光纤环形网中存在多个站,且处于环形链路的任意位置。基于光纤环形网固有的一维空间和环路闭合优势,本文提出了两种环形网终端站对钟差自感知的方案,将对钟差的感知测量以及补偿转移到终端站执行。设计并实现了基于自感知方案的光纤环形网的多点时频传递系统,分析了该系统中的误差来源,在长度为100 km的光纤环路中实现了终端站在光纤环形网中的任意位置接入条件下的时频同步。
2 终端站对钟差自感知的方案
实现终端站与中心站时间同步的先决条件是在终端站获得其与中心站的钟差,即终端站完成对钟差的自感知。根据环形网拓扑结构的特点,在此提出了两种实现终端站对钟差自感知的方案,如
若
图 1. 终端站对钟差自感知方案的示意图。(a)方案1;(b)方案2
Fig. 1. Diagram of self-perception at remote stations. (a) Solution 1; (b) solution 2
测得的沿逆时针路径传来的时间信号与本地时间信号的时间间隔
在终端站将两个方向所测得的时间间隔相加:
(4)式的右边即为两端站钟差与环路总延迟的线性组合。中心站将测得的环路总延迟
至此,终端站即完成了对钟差的自感知。
将
通过比较可以发现所提出的这2种方案的区别在于:方案1中的中心站需测量并广播环路总延迟数据,终端站需利用三个测量数据(1个中心站广播,2个本站测量)解算钟差;方案2中的中心站需发送补偿环路总延迟后的秒脉冲,终端站只需利用两个测量数据解算钟差。
在获得钟差数据以后,采用时钟驯服的方式,按照(8)式计算并输出调整量,通过持续不断地控制终端站的高频振荡器进行校频,进而使得两地钟源高度同步[10],则有
式中:Δ
3 基于自感知方案的环形网多点时频传递实验
3.1 实验系统配置
考虑到方案2中,在中心站完成环路总延迟的测量后需增加延时补偿功能,这不仅增加了复杂度,还会引入延时补偿误差,因此在此采用方案1来搭建光纤环形网多点时频传递系统。所搭建的系统结构示意图如
图 2. 光纤环形网多点时频传递系统结构示意图
Fig. 2. Schematic illustration of multi-point time-frequency dissemination via ring fiber network
中心站采用铷原子钟(FS725,斯坦福研究系统公司,美国)来提供10 MHz频率信号和秒脉冲信号。在不考虑损耗的条件下,不论终端站的数量或位置如何变化,中心站只需要完成以下两个方面的工作:
1) 秒脉冲的对发。由铷原子钟提供10 MHz频率信号和秒脉冲信号,信号在现场可编程门阵列(FPGA)内完成调制,并被传送给商用光模块1(SFP-1)和商用光模块2(SFP-2),经电光转换得到波长分别为
2) 对光纤环路总延迟的测量及广播。波长为
终端站的二级频标采用恒温晶体振荡器(OXCO,广州市天马电讯科技有限公司,中国)产生的本地所需的10 MHz频率信号和秒脉冲信号,并根据钟差进行驯服同步。终端站通过一个2×2的耦合器(OC)分别提取出顺时针和逆时针方向传来的光信号,经相应光滤波器(OF)的滤波后,由光模块SFP-A和光模块SFP-B分别接收逆时针方向波长为
为了检验时频传递性能,采用时间间隔测量仪(SR620,斯坦福研究系统公司,美国)对中心站及终端站的钟差进行测量,测量数据由自编软件进行采集与分析,最终得到时频传递同步精度。
3.2 误差来源
根据(8)式,终端站对钟差自感知的数据越准确,伺服控制就越精确。在工程实现中,双向链路所采用波长的不同和萨尼亚克 (Sagnac)效应的影响会导致双向信号在传输过程中产生不对称时延偏差[9-10]。设实际
实际计算得到的钟差为
对比(10)式和(5)式,可以发现在实际工程实现中引入的偏差为
式中:
式中:
3.3 时频传递实验与结果
为了检验基于光纤环形网多点时频传递系统的性能,在长度为100 km的光纤环路中取逆时针链路
对于
由(2)式可知,在终端站可得到光信号在
终端站可根据
式中:
为验证方案的可行性,在3个终端站分别进行色散引起的时频传递偏差补偿校消实验,补偿前后的偏差测量结果如
图 3. 在三个终端站处进行色散引起的时频传递偏差补偿前后的偏差测量结果
Fig. 3. Deviation measurement results before and after compensation for time-frequency dissemination deviation introduced by dispersion in three remote stations
表 1. 初始偏差数值、色散校消偏差的理论补偿量及校消后得到的最终偏差值
Table 1. Initial deviation, theoretical compensation of dispersion correction deviation, and final deviation after dispersion compensation
|
根据
考虑到现实光纤环路外界环境复杂多变的情况,其引起链路延迟波动的最主要因素是外界温度的变化。为了检验多点时频传递方案在外界环境温度变化下的时频传递性能,在此进行了链路温度剧变下的时频传递实验。
实验中将长度为100 km的光纤放进恒温箱,以恒温箱内的温度变化来模拟实际环境中的温度变化,为直观体现链路温度变化给延迟波动带来的影响,在中心站测得环路总延迟后通过串口进行上报。待时频传递系统稳定工作后,设定恒温箱的温度由16 ℃上升到35 ℃,等链路延迟趋于平稳后,关闭恒温箱,使光纤环路所处的环境温度自然下降。其中在13500 s内的链路温度变化下,长度为100 km链路上的单向时延如
图 4. 在13500 s内的链路温度变化下长度为100 km链路上的单向时延
Fig. 4. One-way time delay of 100 km fibers under link temperature change in 13500 s
调整终端站的位置,重复上述改变链路温度的步骤进行时频传递实验,得到的长度为100 km的光纤环形网多点时频传递的稳定度如
图 5. 100 km光纤环形网多点时频传递的稳定度。(a)系统时频传递稳定度的极限;终端站位于(b) L2=25 km、(c) L2=50 km和(d) L2=75 km时,光纤链路温度变化下的时频传递稳定度;(e) L2=25 km时,光纤链路处于室温(16~17 ℃)下的时频传递稳定度
Fig. 5. Time-frequency dissemination stability via 100 km ring fiber network. (a) Time-frequency dissemination stability extremity of system; time-frequency dissemination stability when remote station locates at (b) L2=25 km, (c) L2=50 km, and (d) L2=75 km; (e) time-frequency dissemination stability under room-temperature of 16-17 ℃ when L2=25 km
4 结论
为实现基于光纤环形网的多点时频传递,提出了两种环形网终端站对钟差自感知的方案,该方案可在光纤环形网上的任意位置接入终端站并恢复出与中心站高度同步的时间频率信号。搭建了长度为100 km的光纤环形网多点时频传递系统,进行了色散不对称性时延校消和链路温度变化下的时频传递实验,得到的时频传递误差的峰峰值小于400 ps,均方根误差小于60 ps。该方案可实现基于环形网进行区域网络的高精度时频分配。
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