CN116471003A - 一种利用高速数传中相干时钟系的频率同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用高速数传中相干时钟系的频率同步方法，可提供高精度时频基准传递和10Gbps数据流传输的频率同步方法及其设备构成。本发明本端和远端利用高速调制器产生射频信号，并互相接收对端的信号，利用载波跟踪技术恢复射频载波，在数字域内通过信号处理算法得到鉴频鉴相值，本端将本地鉴频鉴相值发送到远端，远端利用本地值和对端值实现联合鉴相，然后送入环路滤波器，环路滤波器输出电压控制信号，远端利用电压控制信号对压控晶振调控，实现远端与本端的频率同步。本发明所述方法可实现单光纤单波长双向时间频率同步和高速数据传输功能，可将光纤传输系统的光波长资源充分利用，较传统方法节省了光波长资源，同时具有更高的频率同步精度。

Description

一种利用高速数传中相干时钟系的频率同步方法

技术领域

本发明涉及分布式探测领域，适用于稀疏部署的跨区域分布式探测系统，提供高精度时频基准传递和10Gbps数据流传输。仅占用单个光纤波道一体化实现时频和数传功能，具有1E-13@s量级频率同步精度和万兆数据传输带宽。

背景技术

当分布式探测系统的部署范围跨区域扩大时，配套建设全新的光纤网络会带来极高的成本代价。借助当前运营商部署光纤网络是实现跨区域部署的重要途径，也是一项关键技术研究方向。调研表明，运营商网络一般包含城域网和广域骨干网两级结构。城域网用于城市内部，覆盖范围一般在数十到上百公里，划分为核心层、汇聚层和接入层。广域骨干网用于汇集多个城域网，覆盖几百到数千公里范围内的城市、地区、省、乃至国家。充分利用运营商基础光纤网络，分布式探测系统能够实现上百公里覆盖。

按照传统的光纤时频传递和数据传输方法，时间、频率、高速数据3种业务的传输占用3条独立的双向通道，单个探测节点对光纤波道数量的需求达到6波道。本发明设想借助运营商部署的光纤网络，实现单光纤单波长双向时间频率同步和高速数据传输功能。可将光纤传输系统的光波长资源充分利用，具有皮秒级时间同步精度和10Gbps数据传输带宽的特性。

关于时间、频率、高速数据3业务的一体化实现方式，已有部分值得借鉴的经验。例如，星间激光校准同步链路、IEEE1588v2协议、白兔协议等等，但与目标尚有不小的差距。星间激光校准同步链路和IEEE1588v2协议采用数据帧中加载时间戳的方式，双向通信的同时完成ns级时间同步，无频率传递功能；白兔协议以秒脉冲、时标数据作为时间标准载体、以125MHz数据时钟作为频率标准载体，频率同步精度为1E-11@s量级，与分布式探测系统要求的1E-13@s量级有较大差距。

发明内容

本发明提出，当高速调制器和解调器中各类时钟系(参考时钟、AD时钟、DA时钟、中频收发本振、射频收发本振)具有相位相干性并且相位噪声足够低时，利用相干时钟系可在数字域内实现传递频率所需高精度鉴频鉴相，利用数字锁相技术达到模拟频率传递相当的性能。在频率同步的基础上，在数据流中嵌入高精度测距帧可进一步实现时间同步。

本发明采用的技术方案为：

一种利用高速数传中相干时钟系的频率同步方法，包括以下步骤：

(1)、在本端和远端分别产生宽带的中频信号，并将中频信号上变频调制到射频载波上，再把射频信号调制到光信号上耦合入光纤信道传输到对端；

(2)、本端和远端互相接收对端的光信号，恢复出射频信号，并利用载波跟踪技术恢复出射频载波，然后与本地射频载波在数字域内进行混频、低通滤波和积分清洗，得到鉴频鉴相值；

(3)、本端将本地的鉴频鉴相值组帧并调制到射频载波，发送到远端，在远端利用远端的鉴频鉴相值和接收到的对端的鉴频鉴相值进行联合鉴相，然后将远端的联合鉴相值进行环路滤波得到压控晶振的电压控制信号；

(4)、远端利用电压控制信号对压控晶振进行调控，实现远端与本端的频率同步，本端利用联合鉴相结果检测频率同步状态。

进一步的，所述步骤(2)具体包括以下步骤：

本端和远端互相接收对端的光信号，恢复出射频信号，对射频信号进行正交下变频，将下变频的I路和Q路信号分别进行数字AGC；将数字AGC得到的I路和Q路基带信号进行非相干累加，然后做FFT处理，利用产生的FFT运算值信号做频率估计，估计出频率Δf；同时进行载波误差提取，提取出跟踪误差，得到误差频率控制字cw_err，利用Δf和cw_err进行载波相位补偿，利用相位补偿后的载波信号进行鉴相得到鉴频鉴相值，同时对经过数字AGC得到的I路和Q路基带信号和相位补偿后的载波信号进行复数乘法运算，将产生的实部数据作为I路数据，将产生的虚部数据作为Q路数据；并根据经过复数乘法运算后的I路和Q路数据调整载波误差提取，同时进行软判决和纠错译码，恢复出原始数据流。

进一步的，所述步骤(3)中远端利用远端的鉴频鉴相值和接收到的对端的鉴频鉴相值进行联合鉴相，然后将远端的联合鉴相值进行环路滤波得到压控晶振的电压控制信号；具体包括以下步骤：

远端利用远端的鉴频鉴相值和接收到的对端的鉴频鉴相值进行综合处理得到两端信号的相位差，并根据系统要求设计滤波速率以及环路带宽，得到具体的环路参数，利用相位差和环路参数通过相关运算得到压控晶振的电压控制信号。

本发明相比现有技术具有如下优点：

本发明所述方法可实现单光纤单波长双向时间频率同步和高速数据传输功能，可将光纤传输系统的光波长资源充分利用，具有皮秒级时间同步精度和10Gbps数据传输带宽的特性，较传统方法节省了光波长资源，同时具有更高的频率同步精度。

附图说明

图1是本发明的设备组成图。

图2是基于相干时钟系的高速调制器设计图。

图3是高速解调器设计图。

图4是单纤双向传输链路设计图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明的技术方案进行更加清楚、详细的描述，但本发明的保护范围并不局限于此。如图1所示，本实施例由数字化鉴相器&控制单元、电光调制器、光电探测器、环形器、长距离光纤等设备组成。

具体实施步骤如下：

(1)、在本端和远端分别产生宽带的中频信号，并利用高速调制器将中频信号上变频调制到射频载波上，再利用电光调制器把射频信号调制到光信号上耦合入光纤信道传输到对端；

如图2所示，本实施例高速调制器接收探测传感器节点的多路并行数据，首先送入编码器进行编码，然后经编码、成型滤波后送入DA变换模块转变为模拟信号，经模拟低通滤波及运放后送入正交调制器进行正交调制，最后上变频发送出射频信号。

其中，20GHz中频载波作为频率标准(10MHz/100MHz)信号倍频后得到的高频侧音，承载了频标信号特性。经过光电变换-光纤传递-电光变换过程引入固定的时间延迟，载波恢复后在电域上分离出该载波，与数据传输互不影响。

(2)、本端和远端互相利用光电探测器接收对端的光信号，恢复出射频信号，并在高速解调器利用载波跟踪技术恢复出射频载波，然后与本地射频载波在数字域内进行混频、低通滤波和积分清洗，得到鉴频鉴相值，

如图3所示，高速解调器的处理过程为：

本端和远端互相接收对端的光信号，恢复出射频信号，对射频信号进行正交下变频，将下变频的I路和Q路信号分别进行数字AGC；将数字AGC得到的I路和Q路基带信号进行非相干累加，然后做FFT处理，利用产生的FFT运算值信号做频率估计，估计出频率Δf；同时进行载波误差提取，提取出跟踪误差，得到误差频率控制字cw_err，利用Δf和cw_err进行载波相位补偿，利用相位补偿后的载波信号进行鉴相得到鉴频鉴相值，同时对经过数字AGC得到的I路和Q路基带信号和相位补偿后的载波信号进行复数乘法运算，将产生的实部数据作为I路数据，将产生的虚部数据作为Q路数据；并根据经过复数乘法运算后的I路和Q路数据调整载波误差提取，同时进行软判决和纠错译码，恢复出原始数据流。

(3)、本端将本地的鉴频鉴相值经高速调制器组帧并调制到射频载波，再通过电光调制后发送到远端，远端利用远端的鉴频鉴相值和接收到的对端的鉴频鉴相值在联合鉴相器进行综合处理得到两端信号的相位差，并根据系统要求设计环路滤波器的滤波速率以及环路带宽，得到具体的环路参数，利用相位差和环路参数通过相关运算得到压控晶振的电压控制信号。

(4)、远端利用电压控制信号对压控晶振进行调控，实现远端与本端的频率同步，本端利用联合鉴相结果检测频率同步状态。

如图4所示，单纤双向传输链路设计如下：

主端DA输出射频信号连接至主端光发射单元，电光转换为光信号，通过主站光环形器双向传输端口输出至长距离光纤，传输至从端的光信号通过从端光环形器双向传输端口输出至从端光接收单元，从端光接收单元电光转换为射频信号输出至从端AD单元。相对的，从端DA单元输出射频信号经过从端光发射单元、从端光环形器、长距离光缆、主端光环形器、主端光接收单元转成射频信号输出至主端AD单元。

整个光纤传输链路通过主端和从端配置光环形器实现射频信号的单纤双向传递，保证光纤传输链路的对称性。

频率同步精度测试如下：

测试时，采用长距离光纤盘的形式将主端和从端设备置于同一地点，将铷钟产生的10MHz标准频率信号和压控VCXO产生的10MHz再生频率信号接入频率同步精度测试仪器进行测量，获得阿伦方差曲线。在本实施例中，未使用光纤，采用的是射频线直连的方式，频率同步精度如下表所示。

表1

时间	频率稳定度
		1s	3.790e-13
10s	1.353e-13
		100s	1.58e-14
1000s	1.74e-15

以上所述仅为本发明在实施例中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明保护范围之内。

Claims (3)

1.一种利用高速数传中相干时钟系的频率同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、在本端和远端分别产生宽带的中频信号，并将中频信号上变频调制到射频载波上，再把射频信号调制到光信号上耦合入光纤信道传输到对端；

(2)、本端和远端互相接收对端的光信号，恢复出射频信号，并利用载波跟踪技术恢复出射频载波，然后与本地射频载波在数字域内进行混频、低通滤波和积分清洗，得到鉴频鉴相值；

(3)、本端将本地的鉴频鉴相值组帧并调制到射频载波，发送到远端，在远端利用远端的鉴频鉴相值和接收到的对端的鉴频鉴相值进行联合鉴相，然后将远端的联合鉴相值进行环路滤波得到压控晶振的电压控制信号；

(4)、远端利用电压控制信号对压控晶振进行调控，实现远端与本端的频率同步，本端利用联合鉴相结果检测频率同步状态。

2.根据权利要求1所述的利用高速数传中相干时钟系的频率同步方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包括以下步骤：

本端和远端互相接收对端的光信号，恢复出射频信号，对射频信号进行正交下变频，将下变频的I路和Q路信号分别进行数字AGC；将数字AGC得到的I路和Q路基带信号进行非相干累加，然后做FFT处理，利用产生的FFT运算值信号做频率估计，估计出频率Δf；同时进行载波误差提取，提取出跟踪误差，得到误差频率控制字cw_err，利用Δf和cw_err进行载波相位补偿，利用相位补偿后的载波信号进行鉴相得到鉴频鉴相值，同时对经过数字AGC得到的I路和Q路基带信号和相位补偿后的载波信号进行复数乘法运算，将产生的实部数据作为I路数据，将产生的虚部数据作为Q路数据；并根据经过复数乘法运算后的I路和Q路数据调整载波误差提取，同时进行软判决和纠错译码，恢复出原始数据流。

3.根据权利要求1所述的利用高速数传中相干时钟系的频率同步方法，其特征在于，所述步骤(3)中远端利用远端的鉴频鉴相值和接收到的对端的鉴频鉴相值进行联合鉴相，然后将远端的联合鉴相值进行环路滤波得到压控晶振的电压控制信号；具体包括以下步骤：

远端利用远端的鉴频鉴相值和接收到的对端的鉴频鉴相值进行综合处理得到两端信号的相位差，并根据系统要求设计滤波速率以及环路带宽，得到具体的环路参数，利用相位差和环路参数通过相关运算得到压控晶振的电压控制信号。