专利名称：原子时信号接收系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种原子时信号的接收系统及方法。特别的，涉及一种在超长基线的原子时信号光纤传输系统中能够在任何地点接收原子时信号的系统及方法。
背景技术：
当前，时间频率系统的研究及应用主要有3个大方向。一是时间频率源的制备，用于提供时间的基准。二是时间频率的传输系统，有了好的基准源，还需要将时间频率准确的发布出去。因此时间频率传输系统的好坏，直接决定了用户端接收到的时间频率信号的质量。而这一问题在超长距离的时间频率信号传输中尤其重要。三是时间频率信号的接收， 例如GPS接收机之类。对于时间频率的传输系统，目前超长基线原子时信号的传输与同步所采用的方法主要有搬运钟法、卫星共视法(CV)、卫星双向时间频率传递法(TWSTFT)等。其中，除了搬运钟法，其他几种方法都要依赖卫星的传递。目前这些传输方法的天稳定度只能达到10_15/ 天的量级，无法满足时间频率信号的精确传输与比对的要求。例如，如果要传输国际上最好的原子钟信号，则传输系统的稳定度应当优于该原子钟的稳定度(10_16/天)。本发明申请人的另一未公开在审专利(专利申请号CN201110186493. 9)介绍了一种通过光纤实现超长基线(距离)的原子时信号传输的系统及方法。该系统采用了主动补偿光纤链路的噪声的方法，通过对光纤传输链路(尤其是超长距离)的相位噪声的补偿， 实现了高精度、高稳定度的原子时信号的超长距离传输，其天稳定度已可以达到10_18/天的量级。在这种原子时信号光纤传输系统中，原子时信号的发射装置和中继补偿传输装置可以将相位锁定于发射端基准钟的某一特定频率^Oci(其中COtl为发射端基准钟产生的原子时信号的频率，a为一个任意的常数)的原子时信号向外传递，使得在后续的光纤传输链路中的每一个中继补偿传输装置和接收装置都能够得到相位锁定于发射端基准钟的原子时信号(即复现出发射端的原子时信号)。相比利用卫星传递时间频率的方法，上述原子时信号光纤传输系统虽然具有非常高的传输稳定度，但只有在中继接收装置和终端接收装置这些特定的位置才可以复现发射端原子时信号，难以做到在整个光纤链路上的任意点复现出高品质的原子时信号。结果，导致这种原子时信号光纤传输系统的覆盖面积偏小，限制了用户的使用范围。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而提出。本发明的目的是提供一种原子时信号接收系统及方法，通过本发明，可以使得在原子时信号光纤传输系统中的任意位置都能复现出相位锁定于发射端基准钟的原子时信号。根据本发明的一个方面，提供了一种原子时信号接收系统，所述系统包括微波探测部，用于在光纤链路中任意的原子时信号接收位置耦合出光信号，然后解调出光信号上的微波信号；微波信号处理部，用于基于所述解调出的微波信号复现出相位锁定于发射端基准钟的原子时信号；其中，所述微波探测部将光纤链路中沿相反方向传输的光信号各耦合出一部分并进行解调处理。其中，所述微波探测部包括光纤耦合器，其设置在所述接收位置，用于将光纤链路中沿相反方向传输的光信号分别耦合出来一部分并得到两路反向的光信号；和探测器， 其通过光电转换从所述两路反向的光信号中分别解调出两路微波信号。可选的，所述微波探测部还包括分别连接到光纤耦合器的两个输出端口的两个光纤激光放大器，用于将光纤耦合器耦合出来的两路光信号的进行功率放大。可选的，所述微波探测部还包括连接到探测器的微波功率放大器，用于将从探测器输出的微波信号进行功率放大。所述微波信号处理部包括射频频率混频器，用于对所述解调出的微波信号进行上混频以得到相位锁定于发射端基准钟的原子时信号；带通滤波器，用于过滤掉所述原子时信号中除了所需频率之外的其它频率成分。可选的，所述微波信号处理部还包括微波频率除法器，用于将带通滤波器输出的原子时信号的频率转换为与光纤链路中传输的原子时信号频率相同的频率。优选的，所述原子时信号接收系统还包括频率下转换部，用于将微波信号处理部输出的较高频微波信号转换为可供用户使用的低频微波信号。根据本发明的另一方面，提供了一种原子时信号接收方法，所述方法包括在光纤链路中任意的原子时信号接收位置耦合出沿相反方向传输的两路光信号的一部分；分别解调出所述两路光信号上的微波信号；基于解调出的所述两路微波信号复现出相位锁定于发射端基准钟的原子时信号。可选的，在所述耦合出光信号的步骤之后，还包括对耦合出来的所述两路光信号的进行功率放大的步骤。可选的，在所述解调出光信号上的微波信号的步骤之后，还包括对所述解调出的微波信号进行功率放大的步骤。优选的，通过对所述解调出的两路微波信号进行上混频以复现出相位锁定于发射端基准钟的原子时信号。优选的，还包括对所述原子时信号中进行带通滤波，以过滤掉该原子时信号中除了所需频率之外的其它频率成分。可选的，还包括将所述原子时信号的频率转换为与光纤链路中传输的原子时信号频率相同的频率的步骤。可选的，还包括将所述原子时信号转换为可供用户使用的低频微波信号的步骤。如上所述，本发明提供了一种基于原子时信号光纤传输系统的原子时信号接收系统及接收方法，在已经实现补偿的光纤传输系统中通过将沿相反方向传播的光信号各耦合出来一部分并解调出微波信号，然后对解调出的微波信号进行相应处理，最终复现出所需的高品质原子时信号。相对于现有技术来说，本发明的系统和方法不仅仅可以在光纤链路原子时信号传输系统的中继补偿装置或接收端，还可以在除此之外的其它任意位置复现出同等稳定度的原子时信号。因此，本发明的技术方案解决了现有的原子时信号复现装置只能在特定地点复现原子时信号的限制，在不改变原有光纤传输系统的结构的前提下，可以在整个光纤链路的任何位置复现原子时信号，从而大大扩大了原子时信号光纤传输系统的接收范围，提高了系统的利用效率。
图1显示了已有的原子时信号光纤传输系统的结构示意图；图2显示了典型实施例的原子时信号接收系统的结构示意图；图3显示了接收位置处光纤链路的相位噪声示意图；图4显示了原子时信号接收系统的一个优选实施例；图5显示了原子时信号接收方法的流程示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式
并参照附图，对本发明进一步详细说明。图1显示了已有的原子时信号光纤传输系统的结构示意图。下面参照图1介绍已有的原子时信号光纤传输系统。如图1所示，已有的原子时信号传输系统包括发射补偿装置，用于将待传输的原子时信号调制到光信号上以通过光纤传输，并补偿原子时信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声；多个中继补偿传输装置，用于进一步补偿原子时信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声。其中，所述发射补偿装置和多个中继补偿传输装置之间通过光纤传输调制在光信号上的原子时信号。通过该传输系统对原子时信号进行传输后，由一终端接收装置接收并复现相位锁定于发射端基准钟的原子时信号，并根据需求将其转换至相应频率，供用户使用。如图1所示，该终端接收装置连接至传输系统的最后一个中继补偿传输装置。其中，发射补偿装置将待传输的原子时信号加载到光信号上，其生成的微波信号的相位在锁定于发射端基准钟相位的基础上，进一步引入了光纤链路的相位噪声，使其跟随光纤链路的相位噪声而不断变化，由此实现对光纤链路引入的相位噪声的动态补偿。假定发射端基准钟产生的原子时信号(简称基准钟信号)为T1 = A1Cos ( ω 0t+ Φ ref)其中，A1为基准钟信号T1的振幅，Oci为基准钟信号的频率(简称为基准钟频率)， 为基准钟信号的相位。任何频率为基准钟频率Qtl的确定倍数，且相位也锁定于基准
钟信号相位的微波信号都具有与原子时信号相同的品质(稳定度)，这样的微波信号也属于原子时信号。以传输频率为基准钟频率b倍的原子时信号为例，发射补偿装置产生的微波信号为T2 = A2Cos (b ω 0t+ φ 0)该微波信号T2是发射补偿装置要调制到光信号上以进入光纤链路进行传输的信号。其中，A2为该微波信号的振幅，bc^为该微波信号的频率，并且是基准钟频率G^Wb 倍，Φο为该微波信号的相位。下文中所提到的微波信号，除非特别说明，均指调制到光信号上以通过光纤链路进行传输的微波信号。在原子时信号传输系统中，发射补偿装置在将待传输的微波信号的相位Ctci锁定于基准钟信号相位的基础上，通过探测光纤链路引入的相位噪声以及相位锁定环路，进一步引入了微波信号单次通过光纤链路时引入的相位噪声Φρ，使其跟随光纤链路的相位噪声而不断变化。上述关系用数学式表示为φ 0 = b Φ ref- Φ ρ+ η。其中，在实现锁定的光纤链路里，n为一个固定不变的常数，对相位的变化没有影响。因此，为了表述方便，可以将常数项η略去，从而上式可以简化表示为(jj0 = b(j5ref-(j5p可见，发射补偿装置产生的微波信号T2的相位Φ C1在锁定于基准钟信号相位的基础上，还补偿了光纤链路中引入的相位噪声Φρ，使其跟随光纤链路的相位噪声而不断变化。发射补偿装置产生的微波信号T2通过光纤链路传输后，在后面的中继补偿传输装置1接收到的微波信号为T3 = Α3οο8^ω0+φ0+φρ)微波信号1~3是从中继补偿传输装置1所接收的光信号中解调出来得到的，其中，Α3 为微波信号T3的振幅，b COtl为该微波信号的频率，并且仍然保持为基准钟频率Otl的b倍， Φ。+Φρ*该微波信号的相位。其中，微波信号T3的相位Φ。+Φρ在微波信号T2的相位Φ。 的基础上，进一步引入光纤链路中引入的相位噪声Φρ。如前所述，由于发射补偿装置产生的微波信号T2的相位(K满足关系式(jj0 = b(j5ref-(j5p所以有Φ 0+ Φ p = b Φ ref结果，中继补偿传输装置1接收到的微波信号T3可以表示为T3 = A3Cos (b ω 0+b Φ ref)可见，中继补偿传输装置1接收到的微波信号T3的相位b 锁定于基准钟信号的相位Φ&。也就是说，中继补偿传输装置1复现出频率为bc^，相位锁定于基准钟信号的原子时信号。中继补偿传输装置1向后(下一个中继补偿传输装置或者终端接收装置)再次传输微波信号的过程与发射补偿装置向后(下一个中继补偿传输装置或者终端接收装置)传输微波信号的过程类似，终端接收装置的接收过程也与中继补偿传输装置1的接收过程类似。但是，如上所述，现有的原子时信号光纤传输系统中只能在中继补偿装置和/或终端接收装置这些特定的位置才可以复现原子时信号，而不能在光纤链路的任意位置复现出基准钟发出的原子时信号，因此限制了原子时信号光纤传输系统的覆盖范围。基于此，本发明提出了一种原子时信号的接收系统，其能够在上述原子时信号光纤传输系统中的任意位置复现出相位锁定于发射端基准钟的原子时信号。图2显示了典型实施例的原子时信号接收系统的结构示意图。如图2所示，典型实施例的原子时信号接收系统包括微波探测部100和微波信号处理部200。可选的，还可以设置频率下转换部300。微波探测部100用于在光纤链路中任意想要接收原子时信号的接收位置耦合出光信号，然后解调出调制在光信号上的微波信号。微波探测部100主要包括光纤耦合器和探测器，可以将其设置在光纤链路中任意想要获得原子时信号的位置。如图2所示，在想要获得原子时信号的位置将光纤链路断开，将光纤耦合器的两端熔接入光纤链路中，光纤耦合器将光纤链路中沿相反方向传输的光信号分别耦合出来一部分并得到两个反向的光信号，该两个反向的光信号分别加载有微波信号Ω J = Acos (b ω 0t+ Φ 0+ Φ ρ1)Ω 2 = Bcos (b ω 0t+ φ0+φ ρ2)然后，该两个光信号分别通过两个探测器进行解调，探测器通过光电转换将调制到两个光信号上的上述微波信号解调出来，从而分别得到沿相反方向传输的并含有不同的光纤链路相位噪声的微波信号Ωρ Ω2。上式中，Α，Β分别表示两个探测器输出的微波信号的振幅，bc^为光纤中传输的微波信号的频率，Φ ο为发射补偿装置产生的微波信号T2的初始相位，ΦΡ1为发射补偿装置产生的微波信号T2沿光纤链路传输至接收位置时引入的相位噪声，Φρ2为发射补偿装置产生的微波信号T2沿光纤链路传输至中继补偿传输装置1后沿原路返回，再次经过接收位置时引入的相位噪声(参见图3)。另外，典型实施例中所述的将光纤链路中沿相反方向传播的光信号各耦合出一部分，是指光信号的光功率耦合百分比可以是大于0，小于100%之间的任意值。在本发明的一个优选实施例中，光纤耦合器耦合出光纤链路中10%光功率的光信号。在实际应用中，可以根据原子时信号的传输距离(或其衰减程度)、光纤耦合器的规格、以及所使用的光探测器和/或光纤激光放大器的功率响应指标等因素合适的选择光纤耦合器的耦合百分比。例如，所选择的光功率耦合百分比不应小于所连接的光探测器或光纤激光放大器的最小响应功率值，否则会影响原子时信号的复现效果；另一方面，所选择的光功率耦合百分比不能过大，特别是不能大到使得中继补偿传输装置(接入位置后紧邻的中继补偿传输装置)处接收到的光信号功率小于其探测器和/或光纤激光放大器的最小响应功率，否则会严重衰减光纤链路中传输的光信号，从而影响整个原子时信号光纤传输系统的传输稳定度。图3中示例性的显示了在发射补偿装置与中继补偿传输装置1之间的任意位置接入本发明的原子时信号接收系统的情形，但本发明显然不限制于此，而是可以在整个原子时信号光纤传输链路的任意位置接入本发明的接收系统，例如在任意两个中继补偿传输装置之间以及在中继补偿传输装置与终端接收装置之间，都可以适用本发明的原子时信号接收系统，并且实施原理与上述原理相同。此外，在实际应用中，由于光纤耦合器到探测器之间还设置有一小段测量用光纤， 这两段光纤也会分别在光纤链路引入的相位噪声ΦΡ1和Φρ2的基础上分别叠加上相位噪声 Φρ3和Φρ4，如图2所示。但是，由于在光纤中传输的微波信号所引入的相位噪声正比于其所经过的光纤长度。在本发明的原子时信号接收系统中，光纤耦合器到探测器之间所连接的测量用光纤长度通常为几十厘米或更短的长度，这与整个原子时信号光纤传输系统的光纤链路总长度(通常为几十公里或更长)相比是一个极小量。因此，由这两段测量用光纤引入的相位噪声完全可以忽略不计，所以在前述关系式中可以不将相位噪声Φρ3和Φρ4写入。
能够实现与光纤耦合器具有相同功能的器件或方法可以有很多种，例如使用上话下话器(Add/Drop Filter)，或者两个一分二耦合器，或者一个光纤光栅加两个环行器，以及这些装置的组合均可以，也即，只要能够将光纤中的光信号耦合出来的器件或器件的组合均能适用于本发明。图3显示了接收位置处光纤链路的相位噪声示意图。图3中，微波信号Q1为发射补偿装置产生的微波信号传输至接收位置时探测到的微波信号，其相位噪声ΦΡ1为微波信号经过该段光纤链路后引入的相位噪声。微波信号 Ω 2为发射补偿装置产生的微波信号沿光纤链路传输至中继补偿传输装置1后沿原路返回， 再次经过接收位置时探测到的微波信号，其相位噪声Φρ2为微波信号经过该段光纤链路后引入的相位噪声。如图3所示，微波信号Ω ρ Ω2的传输距离之和等于发射补偿装置到中继补偿传输装置1之间的光纤传输距离的两倍。相应的，相位噪声Φρ1、Φρ2之和是发射补偿装置产生的微波信号T2单次通过光纤链路传输至中继补偿传输装置1时引入的相位噪声 Φ 5的两倍，即满足关系式Φρ1+Φρ2 = 2Φρ应说明的是，与原子时信号光纤传输系统的补偿原理类似，在补偿环路的锁定带宽范围内，可以认为沿不同方向传输的光在通过同一段光纤时引入的相位噪声是相同的。 其中，补偿带宽的设计值Δν由公式Av = c/(43inl)决定，其中c为光速，1为相邻装置间光纤链路长度，η为光纤折射率。并且，已经通过实验证实了这种处理的合理性，其在实际应用中不会导致明显的系统误差。微波信号处理部200用于基于微波探测部100所述解调出的两路微波信号Ω2 进行处理，以复现出相位锁定于基准钟的原子时信号。如图2所示，微波信号处理部200优选的包括一个可以上混频的混频器。其中，上混频器将两路微波信号Ω 2进行上混频(作低相位噪声的频率加法运算)以得到一混频信号，带通滤波器过滤掉混频信号中除所需频率以外的其他频率。例如，本示例中是过滤掉其中的直流成分以及Ωρ Ω2的频率成分，仅保留Ω 1+Ω 2的频率和成分，从而得到混频后的微波信号Ω 3 = Ccos (2b ω 0t+2 Φ0+Φ pl+ φ p2)如前所述，满足关系式Φρ1+Φρ2 = 2Φρ因此微波信号Ω 3可以表示为Ω 3 = Ccos (2b ω 0t+2 Φ0+Φ pl+ φ p2)
= Ccos (2b ω 0t+2 Φ 0+2 Φ p)根据前述原子时信号光纤传输系统的补偿原理，当原子时信号光纤传输系统实现相位锁定时满足关系式2 Φ0+2 Φρ = 2b <tref从而微波信号Ω 3可以进一步表示为Ω 3 = Ccos (2b ω 0t+2b Φ ref)由上式可见，经微波信号处理部200处理后得到的微波信号Ω 3的频率2b ω ^为基准钟频率ω。的确定倍数，相位2bc^ef锁定于基准钟信号的相位Φ&，因而具有与基准钟产生的原子时信号相同的品质(稳定度)。也就是说，微波信号处理部200在接收位置处复现了相位锁定于基准钟的原子时信号。另外，由于微波信号Ω 3是相位锁定于基准钟的原子时信号，因此对其做倍频或者分频处理后仍然是相位锁定于基准钟的原子时信号。例如，将微波信号Ω 3发送到频率除法器做频率—2的运算得到另一微波信号Ω 4 = Dcos (b ω 0t+ φ 0+ φ p) = Dcos (b ω 0t+b Φ ref)可以看出，该微波信号04与原子时信号光纤传输系统中的中继补偿传输装置1 和终端接收装置接收到原子时信号完全一致，即在接收位置复现了相位锁定于基准钟的原子时信号。原子时信号接收系统可选的还设置有频率下转换部300，其用于将高频微波信号转换为可供用户使用的低频微波信号。如图2及图4所示，频率下转换部300包括一频率振荡器环路。该频率振荡器环路中通常包含以下几个部件压控振荡器(VCXO)，介质振荡器(DRO)，微波功率分配器，射频混频器(鉴相器)和伺服电路。通过恒温压控晶体振荡器输出一个低频的微波信号，通过微波功率分配器将该低频微波信号分成功率相等的两部分，一部分供给用户使用，一部分用于驱动介质振荡器产生高频的微波信号。其中，将压控振荡器(VCXO)驱动的介质振荡器(DRO)通过锁相环，将其频率和相位锁定在复现的微波信号Ω 3上，从而将压控振荡器由微波功率分配器输出的一路低频信号供用户使用。频率下转换部300优选的采用频率除法器实现，提供的频率可以为5MHz，IOMHz或 IOOMHz等，但不限制于此。以上介绍了原子时信号接收系统的结构和原理。应注意的是，以上说明书虽然是以原子时信号光纤补偿传输系统为例介绍原子时信号接收系统，但不意味着对本发明的限制。实际上，本发明的原子时信号接收系统也可以适用于所有通过其他补偿方法实现光纤噪声补偿的原子时信号传输系统，只要经噪声补偿后的微波信号的相位能够锁定于基准钟发射的原子时信号的相位即可。<优选实施例>图4显示了本发明的原子时信号接收系统的一个优选实施例。下面参照图4，以接收9. IGHz的原子时信号为例介绍本发明的原子时信号接收系统的一个优选实施例。本领域普通技术人员应该知道，其他传输频率的情形与9. IGHz的原子时信号类似，因而本发明并不限制于此。如图4所示，原子时信号接收系统包括微波探测部100，微波信号处理部200和频率下转换部300。微波探测部100用于在光纤链路的任意位置耦合出光纤链路中沿两个相反方向传播的一部分光信号，经光纤激光放大器将光放大后再由探测器解调出调制在光信号上的微波信号。微波探测部100示例性的包括下述组件。光纤耦合器101，其接入已有光纤链路中需要接收原子时信号的位置，分别耦合出两个相反方向传输的光信号的一部分并通过其两个输出端口输出。在本实施例中，优选的采用2X2光纤耦合器，但也可以使用上话下话器(Add/Drop Filter)，或者两个一分二耦合器，或者一个光纤光栅加两个环行器，以及这些装置的组合来实现与光纤耦合器类似的功能。也就是说，只要能够将光纤中的光信号耦合出来的器件或器件的组合均能适用于本发明。另外，本实施例中直接连接光纤耦合器的器件是光纤激光放大器，其输入最小响应功率优选的为-20dBm，则可以采用10%耦合百分比的光纤耦合器耦合出10%光功率的光信号，就能够做到很好的复现出原子时信号，且不会影响整个光纤链路的原子时信号传输稳定度(即相位锁定效果)，但本发明不限制于此。光纤激光放大器102和103，分别连接到光纤耦合器101的两个输出端口，用于在需要时将光纤耦合器耦合出来的两路光信号的功率进一步放大，其工作范围覆盖1550nm。 本实施例中的光纤激光放大器是可选部件，实际应用中可以根据耦合出来的光信号的功率大小决定是否需要光纤激光放大器。探测器104和105，分别连接到光纤激光放大器102和103，用于通过光电转换将调制到光信号上的微波信号解调出来。本实施例中，探测器的工作波长覆盖1550nm，3dB响应带宽高于10GHz，并优选的为高速光探测器。微波功率放大器106和107，分别连接到探测器104和105，用于在需要时将从探测器输出的微波信号进行功率放大。本实施例中，微波功率放大器的工作频率范围覆盖 9. 1GHz，并优选的采用低相位噪声微波功率放大器，以保证功率放大后维持较低的相位噪声。同样，本实施例中的微波功率放大器是可选部件，实际应用中可以根据解调出来的微波信号的功率大小决定是否需要微波功率放大器。本实施例中的微波探测部100的工作流程如下由光纤耦合器101将光纤中两路相反方向传输的光信号耦合出来，所述两路光信号分别通过光纤激光放大器102和103进行光功率放大，然后分别通过探测器104和105经光电转化解调出调制在光上的微波信号， 该两路微波信号分别通过低相位噪声微波功率放大器106和107进行低相位噪声的功率放大后，输出给后面的微波信号处理部200进行处理。微波信号处理部200用于基于所述耦合并解调出的微波信号复现出相位锁定于基准钟的原子时信号。本实施例中，微波信号处理部200示例性的包括下述组件。射频频率混频器201，将微波探测部100输出的两路微波信号进行上混频以得到一混频信号，如前所述，得到的混频信号的频率为基准钟频率的确定倍数，相位锁定于基准钟信号的相位。本实施例中，射频频率混频器的两个输入端口的频率覆盖9. 1GHz，输出端口的频率覆盖18. 2GHz。带通滤波器202，连接到射频频率混频器201的输出端口，用于过滤掉混频信号中除了所需频率之外的其他频率成分。本实施例中，带通滤波器优选的设置为过滤掉混频信号中除了 18. 2GHz频率以外的其他频率成分，即只让18. 2GHz附近的微波信号通过，但本发明不限制于此。如前所述，经带通滤波器202过滤处理后得到的微波信号的频率为基准钟频率的确定倍数，相位锁定于基准钟信号的相位，因而具有与基准钟产生的原子时信号相同的品质(稳定度)。也就是说，经带通滤波器202处理后在接收位置处复现了相位锁定于基准钟的原子时信号。微波频率除法器203，连接到带通滤波器202的输出端口，用于将带通滤波器202 输出的微波信号的频率转换为与光纤链路中传输的原子时信号频率相同的频率。本实施例中，微波频率除法器的除法因子优选的设置为2，从而将输入的频率为18. 2GHz微波信号作频率+2运算得到9. IGHz的频率，即光纤链路中传输的原子时信号频率。如前所述，由于带通滤波器202处理后的微波信号是相位锁定于基准钟的原子时信号，因此对其做倍频或者分频处理后仍然是相位锁定于基准钟的原子时信号。微波信号处理部200的工作流程如下射频频率混频器201将由微波探测部100 输出的两路微波信号通过频率上转换(上混频)得到相位锁定于基准钟的原子时信号的混频信号，带通滤波器202将得到的混频信号进行带通滤波以过滤掉混频信号中除了所需频率以外的其他频率成分，微波频率除法器203将滤波后的微波信号的频率转换为光纤链路中传输的原子时信号频率。频率下转换部300用于将较高频微波信号转换为可供用户使用的低频微波信号， 从而为用户提供需要使用的频率。本实施例中，频率下转换部300示例性的包括以下组件。恒温压控晶体振荡器(VCXO) 301，用于在电压控制下输出一稳定频率的微波信号。 本实施例中，恒温压控晶体振荡器优选的设置为稳定的输出IOOMHz的微波信号。微波功率分配器302，用于将VQCO输出的微波信号分成功率相等的两路，其中一路作为给用户使用的微波信号(相位锁定于基准钟的原子时信号)，另一路输出给介质振荡器303。本实施例中，微波功率分配器优选的采用相位平衡一分二微波功率分配器。介质振荡器(DRO) 303，其接收微波功率分配器302输出的微波信号，并输出相位锁定于所接收的微波信号的9. IGHz的微波信号。本实施中，介质振荡器优选的为外参考相位锁定介质振荡器。射频频率混频器304，用于将分别由本振(LO)和参考频率(RF)端口输入的两个频率做频率减法运算(属于鉴相的一种)，由中频输出口(IF)输出一个可用于反馈控制的电压信号。其本振(LO)和参考频率(RF)端口的工作频率设置为覆盖9. 1GHz，中频(IF)输出端口的工作频率设置为覆盖到直流(DC)输出。比例积分伺服电路Gervo) 305，用于将射频频率混频器304中频输出端口输出的信号进行比例积分放大处理，然后作为反馈信号输出给恒温压控晶体振荡器(VCXO) 301以控制VCXO的输出频率和相位。下面介绍本优选实施例的原子时信号接收系统的工作流程。光纤耦合器101将光纤中沿相反方向传播的光信号各耦合出10%光功率的光信号，并将该两路光信号分别输出给光纤激光放大器102和103进行光功率放大。放大后的光信号通过探测器104和105进行光电转换，从而解调得到调制在光信号上的频率为9. IGHz 的两路微波信号，将该两路微波信号通过微波功率放大器106和107进行功率放大。然后， 将放大后的微波信号输出给射频频率混频器201进行上混频得到相位锁定于基准钟信号相位的混频信号，接着，通过带通滤波器202对该混频信号进行带通滤波以得到无其它频率成分的18. 2GHz的微波信号，最后，把18. 2GHz的微波信号通过微波频率除法器203转换后得到9. IGHz的微波信号。如前所述，通过微波信号处理部200处理后得到的9. IGHz的微波信号的相位锁定于基准钟信号的相位，因而本发明的原子时信号接收系统能够在光纤链路传输系统的任意位置接收并复现出相位锁定于基准钟信号的原子时信号。最后，原子时信号接收系统接收并复现出的原子时信号通过频率下转换部300进行频率下转换，以转换为可供用户使用的低频微波信号。如图4所示，首先通过恒温压控晶体振荡器301输出IOOMHz的微波信号，通过微波功率分配器302将该IOOMz的微波信号分成功率相等的两部分，一部分供给用户使用，一部分用于驱动介质振荡器303产生9. IGHz的微波信号。接着，将介质振荡器303产生的 9. IGHz微波信号，与微波频率除法器203输出的9. IGHz微波信号输出到射频频率混频器 304进行混频，并仅提取混频信号的直流成分，然后，将混频信号的直流成分输出至比例积分伺服电路305以进行比例积分放大处理，放大处理后输出至恒温压控晶体振荡器301的电压控制端，使恒温压控晶体振荡器301驱动的介质振荡器303的相位能够锁定到微波频率除法器203输出的9. IGHz的微波信号上。需要说明的是，本实例中对耦合出来的光信号采用光纤激光放大器进行放大，但不限于此。此处放大只是为器件间功率匹配，使用何种光纤激光器放大，或者放大与否都不应对本发明构成限制。前文已述，在对通过混频器后得到的18. 2GHz原子时信号可以使用微波频率除法器203做频率除以2的运算，但不对本发明构成限制，即也可以不进行频率除法运算，或者根据实际应用情况除以其他的除法因子。另外，本实例中所用到的各器件(102-107，201-203，301-304)的参数都是根据本实例的接收9. IGHz原子时信号所作的优化选择。本领域普通技术人员应该知晓，在接收其它频率的原子时信号时，可根据具体情况优化选择各器件的参数。图5显示了典型实施例的原子时信号接收方法的流程示意图。如图5所示，本发明还提供了一种原子时信号接收方法，所述方法包括如下步骤 在光纤链路中任意的原子时信号接收位置耦合出沿相反方向传输的两路光信号；分别解调出所述两路光信号上的微波信号；基于解调出的所述两路微波信号复现出相位锁定于基准钟的原子时信号。可选的，在所述耦合出光信号的步骤之后，还包括对耦合出来的所述两路光信号的进行功率放大的步骤。可选的，在所述解调出光信号上的微波信号的步骤之后，还包括对所述解调出的微波信号进行功率放大的步骤。优选的通过对所述解调出的两路微波信号进行上混频以复现出相位锁定于基准钟的原子时信号。可选的，还包括对所述原子时信号中进行带通滤波，以过滤掉该原子时信号中的直流成分和低频成分的步骤。通过以上步骤可以复现出相位锁定于基准钟的原子时信号，在提供给用户使用之前，还需要将原子时信号的频率下转换为适用于用户使用的较低频率。因此，本实施例还包括将所述原子时信号的频率转换为较低频率的步骤，以及进一步将所述原子时信号转换为可供用户使用的低频微波信号的步骤。如上所述，本发明提供了一种原子时信号接收系统及方法，根据本发明，可以在光纤链路的任意位置耦合出两个相反传输方向的光信号，解调出光信号中的微波信号，并通过对两路微波信号进行上混频复现出相位锁定于基准钟信号的原子时信号。与现有技术相比，本发明的技术方案可以在光纤链路覆盖的任何地点接收并复现出高精度的原子时信号，从而克服了现有技术的接收装置只能在特定的地点(例如中继补偿发射装置和终端接收装置)接收原子时信号的缺陷，扩大了原子时信号的可应用范围。此外，本发明的原子时信号接收系统及方法可以适用于各种类型的原子时信号光纤传输系统，因而能够大大节省原子时信号光纤传输系统的安装费用，具有广泛的应用前景。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式
仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
权利要求
1.一种原子时信号接收系统，所述系统包括微波探测部，用于在光纤链路中任意的原子时信号接收位置耦合出光信号，然后解调出光信号上的微波信号；微波信号处理部，用于基于所述解调出的微波信号复现出相位锁定于发射端基准钟的原子时信号；其中，所述微波探测部将光纤链路中沿相反方向传输的光信号各耦合出一部分并进行解调处理。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述微波探测部包括光纤耦合器，其设置在所述接收位置，用于将光纤链路中沿相反方向传输的光信号分别耦合出来一部分并得到两路反向的光信号；和探测器，其通过光电转换从所述两路反向的光信号中分别解调出两路微波信号。
3.根据权利要求1所述的系统，所述微波探测部还包括分别连接到光纤耦合器的两个输出端口的两个光纤激光放大器，用于将光纤耦合器耦合出来的两路光信号的进行功率放大。
4.根据权利要求1所述的系统，所述微波探测部还包括连接到探测器的微波功率放大器，用于将从探测器输出的微波信号进行功率放大。
5.根据权利要求1所述的系统，所述微波信号处理部包括射频频率混频器，用于对所述解调出的微波信号进行上混频以得到相位锁定于发射端基准钟的原子时信号；带通滤波器，用于过滤掉所述原子时信号中除了所需频率之外的其它频率成分。
6.根据权利要求5所述的系统，所述微波信号处理部还包括微波频率除法器，用于将带通滤波器输出的原子时信号的频率转换为与光纤链路中传输的原子时信号频率相同的频率。
7.根据权利要求1所述的系统，还包括频率下转换部，用于将微波信号处理部输出的较高频微波信号转换为可供用户使用的低频微波信号。
8.一种原子时信号接收方法，所述方法包括在光纤链路中任意的原子时信号接收位置耦合出沿相反方向传输的两路光信号的一部分；分别解调出所述两路光信号上的微波信号；基于解调出的所述两路微波信号复现出相位锁定于发射端基准钟的原子时信号。
9.根据权利要求8所述的方法，在所述耦合出光信号的步骤之后，还包括对耦合出来的所述两路光信号的进行功率放大的步骤。
10.根据权利要求8所述的方法，在所述解调出光信号上的微波信号的步骤之后，还包括对所述解调出的微波信号进行功率放大的步骤。
11.根据权利要求8所述的方法，通过对所述解调出的两路微波信号进行上混频以复现出相位锁定于发射端基准钟的原子时信号。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括对所述原子时信号中进行带通滤波，以过滤掉该原子时信号中除了所需频率之外的其它频率成分。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括将所述原子时信号的频率转换为与光纤链路中传输的原子时信号频率相同的频率的步骤。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括将所述原子时信号转换为可供用户使用的低频微波信号的步骤。
全文摘要
本发明公开了一种原子时信号接收系统及方法。所述系统包括微波探测部，用于在光纤链路中任意处的原子时信号接收位置耦合出光信号，然后解调出光信号上的微波信号；微波信号处理部，用于基于所述解调出的微波信号复现出相位锁定于基准钟的原子时信号；其中，所述微波探测部将光纤链路中沿相反方向传输的光信号各耦合出一部分并进行解调处理。根据本发明，可以实现在已实现补偿的光纤链路原子时信号传输系统中，任意位置都可以复现出相位锁定于基准钟的原子时信号，从而扩大了原子时信号光纤传输系统的适用范围。
文档编号H04L7/00GK102307088SQ201110270288
公开日2012年1月4日 申请日期2011年9月13日 优先权日2011年9月13日
发明者王力军, 王波, 苗菁, 高超 申请人:清华大学