專利名稱：原子時信號傳輸系統(tǒng)及傳輸方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種原子時信號的傳輸系統(tǒng)及傳輸方法。特別的，涉及一種通過光纖實現(xiàn)超長基線(距離)的原子時信號傳輸?shù)南到y(tǒng)及方法。
背景技術：
當前，時間頻率系統(tǒng)的研究及應用主要有3個大方向。一是時間頻率源的制備，用于提供時間的基準。二是時間頻率的傳輸系統(tǒng)，有了好的基準源，還需要將時間頻率準確的發(fā)布出去。因此時間頻率傳輸系統(tǒng)的好壞，直接決定了用戶端接收到的時間頻率信號的質量。而這一問題在超長距離的時間頻率信號傳輸中尤其重要。三是時間頻率信號的接收， 目前這個領域的技術已經(jīng)比較成熟，例如GPS接收機之類。對于提供時間頻率源的基準鐘，經(jīng)過國際上多年的研究，基準鐘的準確度和穩(wěn)定度已經(jīng)很高。例如目前國際上最好的原子鐘天穩(wěn)定度已經(jīng)可以達到10_16量級。對于時間頻率的傳輸系統(tǒng)，目前超長基線原子時信號的傳輸與同步所采用的方法主要有搬運鐘法、 衛(wèi)星共視法(CV)、衛(wèi)星雙向時間頻率傳遞法(TWSTFT)等。其中，除了搬運鐘法，其他幾種方法都要依賴衛(wèi)星的傳遞。但是，目前這些傳輸方法的天穩(wěn)定度只能達到10_15量級，無法滿足時間頻率信號的精確傳輸與比對的要求。例如，如果要傳輸國際上最好的原子鐘信號，則傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定度應當優(yōu)于該原子鐘的穩(wěn)定度(10_16/天)。對于現(xiàn)有技術中的搬運鐘法，用一臺高精度的小型化原子鐘C，將長基線一端A站的時間標準傳遞給B站，從而實現(xiàn)A站與B站的同步?；驹頌槭紫華站時鐘與C鐘并址，在某一坐標時、，將A鐘與C鐘比對，分別讀出A、C鐘的讀數(shù)τΑ(ι和τ,然后C鐘沿著已知的路徑又搬運到B站，與B鐘進行比對，讀出B，C鐘的讀數(shù)τΒ1和τα。這樣，坐標時、就可以由、，Tco, τ α和又導出，再根據(jù)B站原時和坐標時的關系，來同步B站時鐘。但是，利用搬運鐘法傳輸原子時信號存在如下缺點。(1)由于原子時信號傳遞精度直接受限于可搬運小型原子鐘的穩(wěn)定度，以及搬運過程和不同地點海拔對可搬運小型原子鐘引入的系統(tǒng)誤差，因而導致傳輸信號的精度較低。(2)搬運鐘法必須先在A地與A地的時鐘比對后，再搬運至B地，與B地的時鐘進行比對。因而無法實現(xiàn)Α，B兩地之間同時同步的測量比對，從而導致無法進行實時連續(xù)測量比對。(3)搬運鐘法必須以同一個搬運鐘作為原子時信號傳遞媒介，所以無法同時在多地之間進行時間頻率傳遞比對，即無法同時進行多點同步比對。現(xiàn)有技術中還存在利用衛(wèi)星實現(xiàn)原子時信號傳輸?shù)母鞣N傳遞比對法。如圖1所示，超長基線的兩端A站和B站之間，通過衛(wèi)星互相發(fā)射電磁波信號，測量電磁波信號的傳播時延，或者同時接收來自同一顆衛(wèi)星的時鐘信號。通過兩站之間交換數(shù)據(jù)，就能夠獲得兩站間的相對鐘差，從而實現(xiàn)兩站之間的時鐘比對與同步。
但是，已有的衛(wèi)星傳遞比對法也存在一些缺點。例如，由于受地球電離層及大氣層擾動等因素的影響，利用衛(wèi)星進行原子時信號的傳遞比對的天穩(wěn)定度只能達到10_15量級， 即該方法的精度低。另外，由于進行A、B兩地之間的時頻傳遞時，A、B兩地必須能夠同時看到同一顆衛(wèi)星。對于超長基線的原子時信號傳遞，在某些地點之間，這一條件不具備。也就是說，衛(wèi)星傳遞比對法的實際使用受限于衛(wèi)星覆蓋范圍，因而不能良好的適用于超長基線的原子時信號傳遞。如上所述，已有的搬運鐘法采用一臺小型化高精度原子鐘作為原子時信號傳遞媒介，已有的衛(wèi)星傳遞比對法利用人造衛(wèi)星作為原子時信號的傳遞媒介，這些傳遞媒介及其傳輸方法都存在或多或少的缺陷。因此，有必要考慮采用新的傳遞媒介及相應的傳輸系統(tǒng)和傳輸方法，以避免或解決上述現(xiàn)有技術中存在的問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明正是為了解決現(xiàn)有技術中存在上述問題而提出。根據(jù)本發(fā)明的一個目的，提供了一種原子時信號傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括發(fā)射補償裝置，用于將待傳輸?shù)脑訒r信號調制到光信號上以通過光纖傳輸，并補償原子時信號在光纖鏈路中傳輸時引入的相位噪聲；和串聯(lián)連接的多個中繼補償傳輸裝置，每個所述中繼補償傳輸裝置用于進一步補償原子時信號在光纖鏈路中傳輸時引入的相位噪聲；其中，所述發(fā)射補償裝置和多個中繼補償傳輸裝置之間通過光纖傳輸調制在光信號上的原子時信號。根據(jù)本發(fā)明的另一個目的，提供了一種原子時信號傳輸方法，該方法包括接收基準鐘產生的作為基準參考信號的原子時信號；將待傳輸?shù)脑訒r信號調制到光信號上以通過光纖傳輸；在發(fā)射端補償原子時信號在光纖鏈路中傳輸時引入的相位噪聲；在中繼端接收來自光纖鏈路的調制在光信號上的微波信號，并復現(xiàn)相位鎖定于基準鐘的原子時信號； 將待傳輸?shù)脑訒r信號再次調制到光信號上以通過光纖傳輸；在中繼端進一步補償所述原子時信號在光纖鏈路中傳輸時引入的相位噪聲。優(yōu)選的，在發(fā)射端補償原子時信號在光纖鏈路中傳輸時引入的相位噪聲是這樣實現(xiàn)的生成兩個相位和鎖定于基準鐘的輔助補償信號；基于所述輔助補償信號產生用于補償所述原子時信號在光纖鏈路中傳輸時引入的相位噪聲的反饋補償信號，并將該反饋補償信號加載到待傳輸?shù)脑訒r信號中。優(yōu)選的在中繼端補償原子時信號在光纖鏈路中傳輸時引入的相位噪聲是這樣實現(xiàn)的生成兩個相位和鎖定于基準鐘的中繼輔助補償信號；基于所述中繼輔助補償信號產生用于進一步補償所述原子時信號在光纖鏈路中傳輸時引入的相位噪聲的中繼反饋補償信號，并將該中繼反饋補償信號加載到待傳輸?shù)脑訒r信號中。根據(jù)本發(fā)明的原子時信號傳輸系統(tǒng)及傳輸方法，能夠采用光纖作為原子時信號的傳遞媒介，把原子時信號調制到光信號上并通過光纖傳輸。此外，本發(fā)明通過實施相位噪聲探測及補償技術，實現(xiàn)對光纖傳輸鏈路(尤其是超長距離)的相位噪聲的補償。特別的，對于超長基線原子時信號的傳輸，本發(fā)明提供了一種利用多個中繼站進行分段相位噪聲補償?shù)姆椒?，解決了超長基線原子時信號傳輸環(huán)路鎖定帶寬限制及信號衰減的問題，大大提高了原子時信號的傳遞精度。


圖1顯示了利用衛(wèi)星實現(xiàn)原子時信號傳輸?shù)氖疽鈭D；圖2顯示了本發(fā)明的原子時信號傳輸系統(tǒng)的結構示意圖；圖3顯示了本發(fā)明的發(fā)射補償裝置的結構示意圖；圖4顯示了本發(fā)明的第一比相單元的工作原理示意圖；圖5顯示了本發(fā)明的中繼補償傳輸裝置的結構示意圖；圖6顯示了中繼輔助傳輸部的第二比相單元的工作原理示意圖；圖7顯示了本發(fā)明的發(fā)射補償裝置的一個示例；圖8顯示了本發(fā)明的中繼補償傳輸裝置的一個示例；圖9顯示了本發(fā)明的終端接收裝置的一個示例；圖10顯示了本發(fā)明的原子時信號傳輸方法的流程圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明了，下面結合具體實施方式
并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。圖2顯示了本發(fā)明的原子時信號傳輸系統(tǒng)的結構示意圖。如圖2所示，本發(fā)明的原子時信號傳輸系統(tǒng)包括發(fā)射補償裝置，用于將待傳輸?shù)脑訒r信號調制到光信號上以通過光纖傳輸，并補償原子時信號在光纖鏈路中傳輸時引入的相位噪聲；多個中繼補償傳輸裝置，用于進一步補償原子時信號在光纖鏈路中傳輸時引入的相位噪聲。其中，所述發(fā)射補償裝置和多個中繼補償傳輸裝置之間通過光纖傳輸調制在光信號上的原子時信號。如圖2所示，本發(fā)明的多個中繼補償傳輸裝置示例性的采用串聯(lián)連接方式，但不限制于此。在實際應用中，根據(jù)需要可以采用并聯(lián)連接以及串聯(lián)、并聯(lián)同時存在的混接方式，都能適用于本發(fā)明的技術方案，并實現(xiàn)長基線原子時信號的高精度傳輸。通過本發(fā)明的傳輸系統(tǒng)對原子時信號進行傳輸后，由一終端接收裝置接收并復現(xiàn)相位鎖定于基準鐘的原子時信號，并根據(jù)需求將其轉換至相應頻率，供用戶使用。如圖2所示，該終端接收裝置連接至傳輸系統(tǒng)的最后一個中繼補償傳輸裝置。本發(fā)明中，每隔一定間隔設置一個中繼補償傳輸裝置，各中繼補償傳輸裝置串聯(lián)連接。相鄰兩個中繼補償傳輸裝置之間的間隔距離由系統(tǒng)相位噪聲補償環(huán)路帶寬的設計值 Av = c/(4 πη )決定，其中c為光速，1為相鄰裝置間光纖鏈路長度，η為光纖折射率。在一個優(yōu)選實施例中，該間隔距離設置為100公里左右。下面分別介紹本發(fā)明的原子時信號傳輸系統(tǒng)的各組成部分。<發(fā)射補償裝置>圖3顯示了本發(fā)明的發(fā)射補償裝置的結構示意圖。如圖3所示，本發(fā)明的發(fā)射補償裝置處于原子時信號傳輸系統(tǒng)的發(fā)射端，其包括輔助傳輸部1和第一相位噪聲補償部2。所述輔助傳輸部1生成輔助補償信號并輸出到第一相位噪聲補償部，該輔助補償信號用于輔助第一相位噪聲補償部產生反饋補償信號。具體來說，輔助傳輸部1包括第一頻率振蕩器Fl和第二頻率振蕩器F2，其分別生成第一輔助補償信號和第二輔助補償信號，輸出給第一相位噪聲補償部2(其中的第一比相單元)以輔助其產生反饋補償信號。其中，該第一輔助補償信號和第二輔助補償信號的相位鎖定于基準鐘。 第一相位噪聲補償部2用于將待傳輸?shù)脑訒r信號調制到光信號上以通過光纖傳輸，并基于輔助傳輸部生成的輔助補償信號產生用于補償所述原子時信號在光纖鏈路中傳輸時引入的相位噪聲的反饋補償信號。
設基準鐘的產生的基準微波信號為Ω0 = A0cos(co0t+(i)ref)這里，A0表示基準鐘信號的振幅，為基準鐘信號的相位，Qci為基準鐘信號的頻率。本發(fā)明所述的基準鐘可以是產生作為基準參考信號的原子時信號的任意微波信號源，優(yōu)選的，可以采用氫鐘、銫鐘或銣鐘等由國家基準鐘(銫噴泉鐘)校準的守時鐘。第一頻率振蕩器Fl產生相位鎖定于基準鐘的第一輔助補償信號Ω J = A1Cos (a ω 0t+a Φ ref)其中A1表示第一輔助補償信號的振幅，a為任意數(shù)(滿足f為某一特定數(shù)的任
意數(shù)，該特定數(shù)由所要傳輸?shù)脑訒r信號頻率除以基準鐘信號頻率得到)，通過鎖相環(huán)及頻率綜合器可以產生相位鎖定于基準鐘信號的任意頻率微波信號。第二頻率振蕩器F2產生相位鎖定于基準鐘的第二輔助補償信號Ω 2 = A2Cos (b ω 0t+b Φ ref)其中A2表示第二輔助補償信號的振幅，b為任意數(shù)(滿足f為某一特定數(shù)的任
意數(shù)，該特定數(shù)由所要傳輸?shù)脑訒r信號頻率除以基準鐘信號頻率得到)。本發(fā)明在發(fā)射端的發(fā)射補償裝置中設置有第一相位噪聲補償部2，其包括第三頻率振蕩器F3、第一比相單元、第一激光器、第一探測器和光纖環(huán)形器。其中，第三頻率振蕩器F3產生第三微波信號Q3 =A3 cos(乎 ^y01 + ^0)其中，A3表示第三微波信號的振幅，該微波信號的頻率為，相位表示為Φ。，
該相位可由反饋補償信號Ω8控制，以滿足特定的條件(見下文)。第一激光器將該第三微波信號調制到光信號上并輸出給光纖環(huán)形器以進入光纖鏈路。其中，用微波信號Ω 3調制第一激光器的方式是內調制或外調制方法。第一激光器輸出的光信號傳輸至遠端，并且所述第一激光器為輸出波長對應于光纖通信窗口波段的激光器。如圖3所示，第一激光器輸出的光信號輸入到一光纖環(huán)形器，其用于將發(fā)射光與返回光分開。光纖環(huán)形器使經(jīng)調制的光信號通過光纖環(huán)行器進入到光纖鏈路并向遠端(中繼補償傳輸裝置或終端接收裝置)傳輸，并使由遠端沿光纖鏈路返回的光信號輸出給第一探測器。另外，在遠端的中繼補償傳輸裝置接收該光信號，并通過其中的探測器(參見下文中圖5所示的第二探測器)對該光信號進行光電轉換可以得到第四微波信號(參見下文中有關中繼補償傳輸裝置的原子時信號復現(xiàn)部的描述)
權利要求
1.一種原子時信號傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括發(fā)射補償裝置，用于將待傳輸?shù)脑訒r信號調制到光信號上以通過光纖傳輸，并補償原子時信號在光纖鏈路中傳輸時引入的相位噪聲；和多個中繼補償傳輸裝置，每個所述中繼補償傳輸裝置用于進一步補償原子時信號在光纖鏈路中傳輸時引入的相位噪聲；其中，所述發(fā)射補償裝置和多個中繼補償傳輸裝置之間通過光纖傳輸調制在光信號上的原子時信號。
2.根據(jù)權利要求1所述的傳輸系統(tǒng)，其中，所述發(fā)射補償裝置還包括 輔助傳輸部，其生成輔助補償信號并輸出到第一相位噪聲補償部；第一相位噪聲補償部，其將待傳輸?shù)脑訒r信號調制到光信號上以通過光纖傳輸，并基于所述輔助補償信號產生用于補償所述原子時信號在光纖鏈路中傳輸時引入的相位噪聲的反饋補償信號。
3.根據(jù)權利要求2所述的傳輸系統(tǒng)，其中，所述輔助傳輸部包括 第一頻率振蕩器，其產生相位鎖定于基準鐘的第一輔助補償信號； 第二頻率振蕩器，其產生相位鎖定于基準鐘的第二輔助補償信號；和所述第一輔助補償信號和第二輔助補償信號輸出到第一相位噪聲補償部以輔助其產生反饋補償信號。
4.根據(jù)權利要求2所述的傳輸系統(tǒng)，其中，所述第一相位噪聲補償部包括 第三頻率振蕩器，其產生第三微波信號并輸出給第一比相單元和第一激光器；第一比相單元，其產生反饋補償信號給第三頻率振蕩器以在所述第三微波信號中引入在光纖鏈路中傳輸時引入的相位噪聲的補償；第一激光器，其將所述第三微波信號調制到光信號上并輸出給光纖環(huán)形器以進入光纖鏈路；光纖環(huán)形器，其將發(fā)射光與返回光分開，使經(jīng)調制的光信號進入到光纖鏈路以傳輸至遠端，并使由遠端沿光纖鏈路返回的光信號輸出給第一探測器；第一探測器，通過光電轉換將調制到光信號上的微波信號解調出來以得到第五微波信號，并輸出給第一比相單元。
5.根據(jù)權利要求4所述的傳輸系統(tǒng)，其中，第一比相單元對所述第一、第二輔助補償信號和第三、第五微波信號進行比相處理以產生所述反饋補償信號。
6.根據(jù)權利要求1所述的傳輸系統(tǒng)，所述中繼補償傳輸裝置包括原子時信號復現(xiàn)部，其接收來自光纖鏈路的調制在光信號上的微波信號，并復現(xiàn)出相位鎖定于基準鐘的原子時信號；中繼輔助傳輸部，其生成中繼輔助補償信號并輸出到第二相位噪聲補償部； 第二相位噪聲補償部，其將待傳輸?shù)脑訒r信號再次調制到光信號上以通過光纖傳輸，并基于該中繼輔助補償信號產生用于進一步補償所述原子時信號在光纖鏈路中傳輸時引入的相位噪聲的中繼反饋補償信號。
7.根據(jù)權利要求6所述的傳輸系統(tǒng)，所述原子時信號復現(xiàn)部包括第二探測器，其通過光電轉換將調制在光信號上的微波信號解調出來以得到相位鎖定于基準鐘的第四微波信號，并提供給第四頻率振蕩器；第四頻率振蕩器，其基于所述第四微波信號生成頻率和相位鎖定于該第四微波信號的微波信號。
8.根據(jù)權利要求7所述的傳輸系統(tǒng)，所述原子時信號復現(xiàn)部還包括連接至第四頻率振蕩器輸出端的除法器，其將該第四頻率振蕩器輸出的微波信號除至相應頻率，供中繼端的用戶使用。
9.根據(jù)權利要求6所述的傳輸系統(tǒng)，所述中繼輔助傳輸部包括 第五頻率振蕩器，其生成第一中繼輔助補償信號；第六頻率振蕩器，其生成第二中繼輔助補償信號；第二比相單元，其產生補償信號給第六頻率振蕩器，使得所述第一、第二中繼輔助補償信號的相位和鎖定于基準鐘的相位。
10.根據(jù)權利要求6所述的傳輸系統(tǒng)，所述第二相位噪聲補償部包括 第七頻率振蕩器，其產生微波信號并輸出給第三比相單元和第二激光器；第三比相單元，其產生中繼反饋補償信號給第七頻率振蕩器，以在其產生的微波信號中引入在光纖鏈路中傳輸時引入的相位噪聲的補償；第二激光器，其將所述第七頻率振蕩器產生的微波信號調制到光信號上并輸出給光纖環(huán)形器以進入光纖鏈路；第三探測器，通過光電轉換將調制到光信號上的微波信號解調出來并輸出給第三比相單元；光纖環(huán)形器，其將發(fā)射光與返回光分開，使經(jīng)調制的光信號進入到光纖鏈路以傳輸至遠端，并使由遠端沿光纖鏈路原路返回的光信號輸出給第三探測器。
11.根據(jù)權利要求10所述的傳輸系統(tǒng)，其中，第三比相單元對所述第一、第二中繼輔助補償信號、所述第七頻率振蕩器產生的微波信號和所述第三探測器輸出的微波信號進行比相處理以產生所述中繼反饋補償信號。
12.—種原子時信號傳輸方法，該方法包括接收基準鐘產生的作為基準參考信號的原子時信號； 將待傳輸?shù)脑訒r信號調制到光信號上以通過光纖傳輸； 在發(fā)射端補償原子時信號在光纖鏈路中引入的相位噪聲；在中繼端接收來自光纖鏈路的調制在光信號上的微波信號，并復現(xiàn)相位鎖定于基準鐘的原子時信號；將待傳輸?shù)脑訒r信號再次調制到光信號上以通過光纖傳輸；在中繼端進一步補償所述原子時信號在光纖鏈路中傳輸時引入的相位噪聲。
13.根據(jù)權利要求12所述的方法，所述在發(fā)射端補償原子時信號在光纖鏈路中傳輸時引入的相位噪聲的步驟包括生成兩個相位和鎖定于基準鐘的輔助補償信號；基于所述輔助補償信號產生用于補償所述原子時信號在光纖鏈路中傳輸時引入的相位噪聲的反饋補償信號，并將該反饋補償信號加載到待傳輸?shù)脑訒r信號中。
14.根據(jù)權利要求12所述的方法，所述在中繼端補償原子時信號在光纖鏈路中傳輸時引入的相位噪聲的步驟包括生成兩個相位和鎖定于基準鐘的中繼輔助補償信號；基于所述中繼輔助補償信號產生用于進一步補償所述原子時信號在光纖鏈路中傳輸時引入的相位噪聲的中繼反饋補償信號，并將該中繼反饋補償信號加載到待傳輸?shù)脑訒r信號中。
全文摘要
一種原子時信號傳輸系統(tǒng)及傳輸方法。該系統(tǒng)通過處于發(fā)射端的發(fā)射補償裝置將待傳輸?shù)脑訒r信號調制到光信號上以通過光纖傳輸，并補償原子時信號在光纖鏈路中傳輸時引入的相位噪聲；通過在各中繼端串聯(lián)連接的多個中繼補償傳輸裝置進一步補償原子時信號在光纖鏈路中傳輸時引入的相位噪聲，使得傳輸至遠端的原子時信號的相位鎖定于發(fā)射端基準鐘的相位。本發(fā)明的技術方案解決了超長基線原子時信號傳輸環(huán)路鎖定帶寬限制及信號衰減的問題，大大提高了原子時信號的傳輸距離和傳遞精度。
文檔編號H04L7/00GK102307087SQ20111018649
公開日2012年1月4日 申請日期2011年7月5日 優(yōu)先權日2011年7月5日
發(fā)明者李天初, 王力軍, 王波, 高超 申請人:清華大學