光纖時間傳遞系統(tǒng)設計及誤差分析

吳燕

摘 要： 現(xiàn)有衛(wèi)星授時體系精度限制以及光網絡的成熟發(fā)展，使得光纖授時成為高精度時間同步的方案之一。利用雙向對比法授時原理設計光纖時間傳遞系統(tǒng)。介紹系統(tǒng)硬件組成，開發(fā)了一套基于Windows系統(tǒng)的控制測量軟件，實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的自動化控制。測量系統(tǒng)的時延并進行了分析，為后續(xù)補償算法的設計提供了技術支撐。

關鍵詞： 高精度授時； 雙向對比法； 同步精度； 誤差分析； 光纖時間傳遞； 自動化控制

中圖分類號： TN919.6?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）14?0158?03

Design and error analysis of optical fiber time transfer system

WU Yan

（School of Physics and Telecommunication Engineering， Shaanxi University of Technology， Hanzhong 723003， China）

Abstract： The precision constraint of the current satellite timing system and the mature development of optical networks make the optical fiber timing become one of the high?precision time synchronization schemes. The optical fiber time transfer system is designed by using the timing principle of the two?way contrast method. The hardware composition of the system is introduced， and a set of control measurement software based on Windows system is developed， so as to realize the automatic control of the overall system. Time delay of the system is measured and analyzed， which provides a technical support for the design of the subsequent compensation algorithm.

Keywords： high?precision timing； two?way contrast method； synchronization precision； error analysis； optical fiber time transfer； automatic control

0 引 言

隨著科技發(fā)展，系統(tǒng)的復雜性愈發(fā)趨于龐大。很多系統(tǒng)是由分布在不同地點的多個子系統(tǒng)組成的，那么怎樣實現(xiàn)這多個子系統(tǒng)的時間同步，是十分有意義的研究課題。實現(xiàn)時間同步的方法有很多，現(xiàn)在應用較多的是衛(wèi)星授時導航系統(tǒng)，有GPS授時和我國正在發(fā)展的北斗導航授時[1?2]。但衛(wèi)星授時體系不僅受限于軌道頻率資源，而且受限于復雜的建設環(huán)境，這些因素促進了光纖授時系統(tǒng)的發(fā)展。采用光纖進行頻率傳輸時盡管與傳統(tǒng)傳輸方法比較傳輸精度有很大提高，但是加載頻率信息的光信號光程是變化的，因此需要補償算法來提高傳輸精度。馬龍生等人1994年提出共軛相位補償法來克服光程變化[3?5]，隨后又出現(xiàn)了光學補償法和電學補償法等多種補償算法。隨著研究的不斷深入，在光纖時間傳遞和光學補償傳遞上取得了一系列成果[6?9]。

1 光纖時間傳遞系統(tǒng)設計

利用光纖進行時間信息傳遞主要有兩種方式：

1） 利用SDH網來實現(xiàn)。這種方法的優(yōu)點是利用現(xiàn)成已組網絡，便于推廣和應用；缺點是時間傳遞精度不高[10?11]。

2） 利用WDM技術和設備來實現(xiàn)。這種方法適合長距離傳輸，且精度高。該技術傳遞時間主要有環(huán)回法和雙向對比法兩種方法，本文主要介紹雙向對比法。

1.1 雙向對比法原理

雙向對比法原理圖如圖1所示。

授時A，B兩站同時向對端發(fā)送自己的時間信息，并將該時間信息當作本地時間間隔計數(shù)器的Start信號。兩站分別通過接收對端站發(fā)送過來的時間信息，當作本地時間間隔計數(shù)器的Stop信號。通過測量本地時間與對端發(fā)送過來的時間差，計算出兩地鐘差，從而以一端鐘源為基準調整另一地鐘源，使兩地鐘源同步。在這一過程中信號的延遲會隨著兩站距離使用波長以及信號處理時延等的變化而變化[12]。因此，A地時間間隔計數(shù)器的計數(shù)結果為：

[T1=TBEO+TBSO+TBA+TARO+TAOE+TA-TB] （1）

B地時間間隔計數(shù)器的計數(shù)結果為：

[T2=TAEO+TASO+TAB+TBRO+TBOE-TA-TB] （2）

式中：T1，[T2]分別為A，B兩站時間間隔計數(shù)器測得的時間間隔；[TAEO]和[TBEO]分別為A，B兩站的電光轉換時延；[TAOE]和[TBOE]分別為A，B兩站的光電轉換時延；[TASO]和[TBSO]分別為A，B兩站的光發(fā)送處理時延；[TARO]和[TBRO]分別為A，B兩站的光接收處理時延；[TAB]為A站到B站的光纖鏈路傳輸時延。[TBA]為B站到A站的光纖鏈路傳輸時延；則兩地鐘差[TA-TB]可由式（1）與式（2）得到。

由于采用單纖雙向傳輸，來回光信號在同一根光纖中傳輸，物理上客服了傳輸鏈路的不對稱性，故可以忽略不對稱性的影響，既可以認為[TBA]=[TAB]終端站和中心站采用相同的硬件設備和調制解調方式，故理論上可以認為[TBSO=TASO，TARO=TBRO，TAOE=TBOE，][TBEO=TAEO，]所以最終時間簡化為：

[ΔT=TA-TB=12T1-T2] （3）

由式（3）可得兩地鐘差即為兩個計數(shù)器測量值的一半。利用該單向時延對終端站進行補償，可使終端站的1 pps和中心站的1 pps相同步。

1.2 光纖時間傳遞系統(tǒng)設計

由光纖DWDM雙向對比法授時的原理設計了光纖時間傳遞系統(tǒng)，系統(tǒng)由以下設備器件組成：時間間隔計數(shù)器、搭載高穩(wěn)壓控晶振的FPGA控制電路板、計算機、單纖雙向光模塊、光纖。

系統(tǒng)實物圖如圖2a）所示。

本次實驗設計的實驗電路板，搭載FPGA，ARM微處理器芯片和一塊高穩(wěn)晶振，晶振的輸出頻率為10 MHz，頻率短期穩(wěn)定度[≤5×10-11/s] ，頻率調整范圍[≥±0.8 ppm（0～4 V）] 。

電路板輸出的1 pps秒脈沖由此高穩(wěn)晶振分頻而來，授時主站和從站同時向對端發(fā)送1 pps秒脈沖，一路秒脈沖信號啟動各自的時間計數(shù)器，另一路信號經由單纖雙向光模塊處理（包括電光轉換，波分復用）后分別以波長1 330 nm，1 550 nm的光信號在單模光纖中向對端發(fā)送，信號在各自對端被接收后經過處理（包括光電轉換，解復用）恢復為1 pps秒脈沖信號，作為接收端計數(shù)器的Stop信號。此時，2臺計數(shù)器所測量的數(shù)值即為式（1），式（2）的T1，T2。

2 自動控制測量功能的實現(xiàn)

自動控制測量要實現(xiàn)的目的為時間的精準傳遞， 完成從站B地與主站A地的時鐘同步。首先要知道每秒鐘B站與A站的時間差，根據此時間差系統(tǒng)不間斷循環(huán)進行補償，最終達到兩站時間同步精度在納秒級別，此時間差可由T1和T2算出。因此首先要實現(xiàn)系統(tǒng)測量的實時性，即A，B兩地時間間隔數(shù)據的一秒一測，測量數(shù)據要能夠實時自動發(fā)送給PC并保存，以便進行數(shù)據分析并補償。要實現(xiàn)這些功能，設計的系統(tǒng)必須具備自動測量功能。

基于此開發(fā)了一套基于Windows操作系統(tǒng)的控制軟件，可以實現(xiàn)對2臺計數(shù)器的控制，包括實現(xiàn)2臺計數(shù)器的初始化設置，實現(xiàn)2臺計數(shù)器自動進行數(shù)據采集、控制、串口發(fā)送、Excel表格形式的數(shù)據保存。自動測量控制軟件工作狀態(tài)如圖2b）所示。

搭建好自動測試軟硬件平臺后，可以測試T1和T2，從而可以進一步通過計算得到A，B兩地的鐘差，再通過補償算法可以實現(xiàn)高精度時間的傳遞。圖3為所測量的T1-T2時間變化曲線。

3 結 論

由式（1）得知T1時間數(shù)據主要由以下幾部分組成：B站（從站）電光轉換時延，B站（從站）光發(fā)送時延，把這一部分稱之為B站發(fā)送光域時延；從A站（主站）經過光纖路徑到B站（從站）時間碼產生的時延，稱之為B?A路徑時延，A站（主站）電光轉換時延，A站（主站）光接收時延，稱之為A站光接收時延，以及A地與B地的實際鐘差。分別測量這六個部分，分析圖3所得實驗數(shù)據，得到以下結論：

1） 測量T1-T2方差比較大主要是因為A，B兩地的實際鐘差的方差很大，導致T1-T2的方差很大。

2） 根據雙向對比法授時原理搭建的時間傳遞系統(tǒng)，不可忽略的誤差主要是晶振分頻1 pps抖動誤差，以及不等價的A鐘到B鐘的光鏈路時延，B鐘到A鐘的光鏈路時延。在雙向對比法中假設了這兩個鏈路路徑等價，但是測量的路徑誤差卻在60多納秒，這對整個系統(tǒng)來說是不能忽略不計的。這說明在實際硬件系統(tǒng)中由于激光器發(fā)光波長不穩(wěn)定性，電、光、電轉換時延不穩(wěn)定等因素的影響，不能簡單的認為TBSO=TASO，TARO=TBRO，TAOE=TBOE，即不能簡單的由式（3）進行時間的補償，要想達到納秒級別的高精度授時，在進行后續(xù)時間補償算法的時必須考慮實際硬件系統(tǒng)中的各種誤差。

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