高精度分布式光纤宽带频率传递系统及方法与流程

本发明涉及光纤时间频率传输技术领域，特别涉及高精度分布式光纤宽带频率传递系统及方法。

背景技术：

高精度的频率传递技术在卫星导航、航空航天、深空探测、地质测绘、基本物理量测量等领域有着重要的应用价值。目前基于卫星的频率传递技术，如gps共视法(commonview，cv)、双向卫星时间频率传递(two-waysatellitetimeandfrequencytransfer，twstft)，可以达到10^-15/d量级的频率传递稳定度。上述天基频率传递技术虽然已经相当成熟，但它们自身存在着体系复杂、成本昂贵、实现周期长、安全性差、可靠性差等缺点。此外，随着光钟等更高性能钟源的发明和投入运行，这些技术已经不能进一步满足科学研究和社会发展的需求。光纤传输具有低损耗、大容量、大带宽、高速、高稳定、安全可靠的优势，在通信领域已经得到了广泛的应用。基于光纤的频率传递是实现更高精度频率传递的有效途径。高精度光纤频率传递面临着光纤链路传输时延随温度、应力、振动和传输波长等因素变化而变化的问题，使得传输频率信号频率/相位发生抖动及漂移；在分布式频率传递系统中，亦无法保证各个用户节点实现相位同步/一致的频率信号接收。

目前，高精度光纤宽带频率传递主要有被动补偿和主动补偿两种方式。被动补偿法利用相位共轭的原理，可以抵消光纤链路引起的传输频率信号频率/相位漂移，但传输宽带频率信号带宽受载波限制。主动补偿法基于反馈控制原理，利用可调光/电延迟线、波长可调激光器等补偿模块，通过改变光纤链路传输时延或者传输信号频率/相位以达到远端用户接收高精度频率信号的目的。

对于分布式频率传递，普遍采用的方法是将多套点对点频率传递系统独立运行(参见申请号为cn201711187530.1和申请号为cn201711187718.6的专利)。随着分布节点增多，整个分布式传递系统将越来越庞大，控制越来越复杂。

技术实现要素：

为了实现高精度分布式光纤宽带频率传递，本发明提供一种高精度分布式光纤宽带频率传递系统及方法，所述系统如图1所示，包括宽带频率源、中心站光纤频率传递单元1、远端光纤频率传递单元、m个双向光放大单元2和n个用户单元3，所述宽带频率源与中心站光纤频率传递单元1电连接，所述中心站光纤频率传递单元1、n个用户单元3、m个双向光放大单元和远端光纤频率传递单元2通过光纤连接成单纤双向串联通路，所述中心站光纤频率传递单元1和远端光纤频率传递单元2分别位于该单纤双向串连通路的两端，所述的n个用户单元3、m个双向光放大单元在该单纤双向串连通路上的顺序是任意的；

所述中心站光纤频率传递单元1接收宽带频率源输出的宽带频率信号，并发送此宽带频率信号和中心站光纤频率传递单元1内部产生的参考信号沿单纤双向串联通路，经过n个用户单元3以及m个双向光放大器到达远端光纤频率传递单元2；

所述远端光纤频率传递单元2接收宽带频率信号和参考信号，并将参考信号通过远端光纤频率传递单元发送，参考信号沿单纤双向串联通路，反向经过n个用户单元3以及m个双向光放大单元，环回至中心站光纤频率传递单元1；

所述中心站光纤频率传递单元1接收远端光纤频率传递单元2发送的参考信号，提取该参考信号与本地参考信号之间的相位信息，并根据此信息稳定光纤通路传输时延，实现远端光纤频率传递单元2的宽带频率高精度接收；

所述用户单元3根据接收到分别从中心站光纤频率传递单元1和远端光纤频率传递单元2发送的参考信号之间的相位信息，并根据此信息对宽带频率信号进行补偿，实现n个用户单元3的宽带频率高精度接收。

优选的，所述用户单元3和中心站光纤频率传递单元1根据接收到的参考信号之间的相位信息对宽带频率信号进行补偿，实现n个用户单元3和远端光纤频率传递单元2接收宽带频率信号的相位一致。

优选的，从中心站光纤频率传递单元1到远端光纤频率传递单元2的传输方向为前向传输；从远端光纤频率传递单元2到中心站光纤频率传递单元1的传输方向为后向传输。

优选的，中心站光纤频率传递单元1包括第一光发模块1-1、第二光发模块1-2、第一波分复用模块1-3、第一相位补偿模块1-4、参考频率源1-5、第一相位检测模块1-6、第一处理控制模块1-7和第一光收模块1-8；其中

所述参考信号源1-5为第一光发模块1-1和第一相位检测模块1-6提供参考信号，参考信号用于感知光纤链路时延变化；

所述第一光发模块1-1对参考信号进行电光转换，并传输至第一波分复用模块1-3；

所述第二光发模块1-2对宽带频率信号进行电光转换，并输出给第一波分复用模块1-3；

所述第一波分复用模块1-3将从第一光发模块1-1和第二光发模块1-2接收到的光信号复用到一根光纤中，并将复用的光信号传输到第一相位补偿模块1-4；同时将从第一相位补偿模块1-4接收到的光信号进行解复用后发送至第一光收模块1-8；

所述第一光收模块1-8将从远端光纤频率传递单元2逆向返回的后向参考信号进行光电转换，并输入第一相位检测模块1-6；

所述第一相位补偿模块1-4将从第一波分复用模块1-3接收到的信号传输至光纤链路；且根据第一处理控制模块1-7的控制信号对接收到的信号进行相位补偿；

所述第一相位检测模块1-6根据本地参考信号和后向参考信号之间的相位信息提取出光纤链路的时延信息，并输入第一处理控制模块1-7；

所述第一处理控制模块1-7根据第一相位检测模块1-6的输入，输出用于稳定光纤链路传输时延的控制信号到第一相位补偿模块1-4。

优选的，远端光纤频率传递单元2包括第二波分复用模块2-1、第三光收模块2-2、第四光收模块2-3、信号处理模块2-4和第四光发模块2-5；其中

所述的第二波分复用模块2-1将来自光纤链路的宽带频率信号和参考信号分别送入第三光收模块2-2和第四光收模块2-3；将来自第四光发模块2-5的环回参考信号送入光纤链路；

所述第三光收模块2-2对宽带频率信号进行光电转换，并输出给与远端光纤频率传递单元2连接的用户；

所述第四光收模块2-3对参考信号进行光电转换，并传输至信号处理模块2-4；

所述信号处理模块2-4接收来自第四光收模块2-3的参考信号，并发送到第四光发模块2-5；

所述的第四光发模块2-5将来自信号处理模块2-4的参考信号输入第二波分复用模块2-1。

优选的，每个用户单元3包括2×2光分路器3-1、第三波分复用模块3-2、第四波分复用模块3-3、第一光电转换模块3-4、第二光电转换模块3-5、第三光电转换模块3-6、第二相位检测模块3-7、第二处理控制模块3-8和第二相位补偿模块3-9；其中

所述2×2光分路器3-1包括四个端口，端口1和端口2分别与光纤通路的前向输入端口和后向输入端口连接，端口3将前向参考信号和宽带频率信号输入第三波分复用模块3-2，端口4将后向参考信号输入第四波分复用模块3-3；

所述第一光电转换模块3-4和第二光电转换模块3-5分别对后向参考信号和前向参考信号进行光电转换，并传输给第二相位检测模块3-7；

所述第二相位检测模块3-7根据前向传输的参考信号和后向传输的参考信号提取光纤链路时延信息，并将时延信息传输给第二处理控制模块3-8；

所述第二处理控制模块3-8根据时延信息输出控制信号控制第二相位补偿模块3-9；

所述第二相位补偿模块3-9从第三波分复用模块3-2接收宽带频率信号，并对宽带频率信号进行相位补偿，并经第三光电转换模块3-6输出给本地用户。

本发明通过提取参考信号的相位信息，各个用户单元和远端光纤频率传递单元接收的宽带频率信号具有相位稳定的特性；特别地，各输出宽带频率信号可以保持相位同步。随着分布节点的增多，本发明避免了中心站光纤频率传递单元系统体积庞大、控制复杂的缺点；亦通过双向光放大单元克服了光纤链路传输光功率过度衰减的不足。

附图说明

图1是本发明具体实施例结构示意图；

图2是本发明具体实施例中心站光纤频率传递单元结构示意图；

图3是本发明具体实施例远端光纤频率传递单元结构示意图；

图4是本发明具体实施例用户单元结构示意图；

其中，1、中心站光纤频率传递单元，1-1、第一光发模块，1-2、第二光发模块，1-3、第一波分复用模块，1-4、第一相位补偿模块，1-5、参考频率源，1-6、第一相位检测模块，1-7、第一处理控制模块，1-8、第一光收模块；2、远端光纤频率传递单元，2-1、第二波分复用模块，2-2、第三光收模块，2-3、第四光收模块，2-4、信号处理模块，2-5、第四光发模块；3、用户单元，3-1、2×2光分路器，3-2、第三波分复用模块，3-3、第四波分复用模块，3-4、第一光电转换模块，3-5、第二光电转换模块，3-6、第三光电转换模块，3-7、第二相位检测模块，3-8、第二处理控制模块，3-9、第二相位补偿模块。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了实现高精度分布式光纤宽带频率传递，本发明提供一种高精度分布式光纤宽带频率传递系统及方法，所述系统如图1所示，包括宽带频率源、中心站光纤频率传递单元1、n个用户单元3、m个双向光放大单元和远端光纤频率传递单元2，所述宽带频率源与中心站光纤频率传递单元1电连接，所述中心站光纤频率传递单元1、n个用户单元3、m个双向光放大单元和远端光纤频率传递单元2通过光纤连接成单纤双向串联通路，所述中心站光纤频率传递单元1和远端光纤频率传递单元2分别位于该单纤双向串连通路的两端，所述的n个用户单元3、m个双向光放大单元在该单纤双向串连通路上的顺序是任意的；

所述中心站光纤频率传递单元1接收宽带频率源输出的宽带频率信号，并发送此宽带频率信号和中心站光纤频率传递单元1内部产生的参考信号沿单纤双向串联通路，经过n个用户单元3以及m个双向光放大器到达远端光纤频率传递单元2；

所述远端光纤频率传递单元2接收宽带频率信号和参考信号，并将参考信号通过远端光纤频率传递单元发送，参考信号沿单纤双向串联通路，反向经过n个用户单元3以及m个双向光放大单元，环回至中心站光纤频率传递单元1；

所述中心站光纤频率传递单元1接收远端光纤频率传递单元2发送的参考信号，提取该参考信号与本地参考信号之间的相位信息，并根据此信息稳定光纤通路传输时延，实现远端光纤频率传递单元2的宽带频率高精度接收；

所述用户单元3根据接收到分别从中心站光纤频率传递单元1和远端光纤频率传递单元2发送的参考信号之间的相位信息，并根据此信息对宽带频率信号进行补偿，实现n个用户单元3的宽带频率高精度接收。

优选的，所述用户单元3和中心站光纤频率传递单元1根据接收到的参考信号之间的相位信息对宽带频率信号进行补偿，实现n个用户单元3和远端光纤频率传递单元2接收宽带频率信号的相位一致。

优选的，从中心站光纤频率传递单元1到远端光纤频率传递单元2的传输方向为前向传输；从远端光纤频率传递单元2到中心站光纤频率传递单元1的传输方向为后向传输。

优选的，如图2，中心站光纤频率传递单元1包括第一光发模块1-1、第二光发模块1-2、第一波分复用模块1-3、第一相位补偿模块1-4、参考频率源1-5、第一相位检测模块1-6、第一处理控制模块1-7和第一光收模块1-8；其中

所述参考信号源1-5为第一光发模块1-1和第一相位检测模块1-6提供参考信号，参考信号用于感知光纤链路时延变化；

所述第一光发模块1-1对参考信号进行电光转换，并传输至第一波分复用模块1-3；

所述第二光发模块1-2对宽带频率信号进行电光转换，并输出给第一波分复用模块1-3；

所述第一波分复用模块1-3将从第一光发模块1-1和第二光发模块1-2接收到的光信号复用到一根光纤中，并将复用的光信号传输到第一相位补偿模块1-4；同时将从第一相位补偿模块1-4接收到的光信号进行解复用后发送至第一光收模块1-8；

所述第一光收模块1-8将从远端光纤频率传递单元2逆向返回的后向参考信号进行光电转换，并输入第一相位检测模块1-6；

所述第一相位补偿模块1-4将从第一波分复用模块1-3接收到的信号传输至光纤链路；且根据第一处理控制模块1-7的控制信号对接收到的信号进行相位补偿；

所述第一相位检测模块1-6根据本地参考信号和后向参考信号之间的相位信息提取出光纤链路的时延信息，并输入第一处理控制模块1-7；

所述第一处理控制模块1-7根据第一相位检测模块1-6的输入，输出用于稳定光纤链路传输时延的控制信号到第一相位补偿模块1-4。

如图3，远端光纤频率传递单元2包括第二波分复用模块2-1、第三光收模块2-2、第四光收模块2-3、信号处理模块2-4和第四光发模块2-5；其中

所述的第二波分复用模块2-1将来自光纤链路的宽带频率信号和参考信号分别送入第三光收模块2-2和第四光收模块2-3；将来自第四光发模块2-5的环回参考信号送入光纤链路；

所述第三光收模块2-2对宽带频率信号进行光电转换，并输出给与远端光纤频率传递单元2连接的用户；

所述第四光收模块2-3对参考信号进行光电转换，并传输至信号处理模块2-4；

所述信号处理模块2-4接收来自第四光收模块2-3的参考信号，并发送到第四光发模块2-5；

所述的第四光发模块2-5将来自信号处理模块2-4的参考信号输入第二波分复用模块2-1。

如图4，每个用户单元3包括2×2光分路器3-1、第三波分复用模块3-2、第四波分复用模块3-3、第一光电转换模块3-4、第二光电转换模块3-5、第三光电转换模块3-6、第二相位检测模块3-7、第二处理控制模块3-8和第二相位补偿模块3-9；其中

所述2×2光分路器3-1包括四个端口，端口1和端口2分别与光纤通路的前向输入端口和后向输入端口连接，端口3将前向参考信号和宽带频率信号输入第三波分复用模块3-2，端口4将后向参考信号输入第四波分复用模块3-3；

所述第一光电转换模块3-4和第二光电转换模块3-5分别对后向参考信号和前向参考信号进行光电转换，并传输给第二相位检测模块3-7；

所述第二相位检测模块3-7根据前向传输的参考信号和后向传输的参考信号提取光纤链路时延信息，并将时延信息传输给第二处理控制模块3-8；

所述第二处理控制模块3-8根据时延信息输出控制信号控制第二相位补偿模块3-9；

所述第二相位补偿模块3-9从第三波分复用模块3-2接收宽带频率信号，并对宽带频率信号进行相位补偿，并经第三光电转换模块3-6输出给本地用户。

本发明还提供一种高精度分布式光纤宽带频率传递方法，包括以下步骤：

s1、宽带频率源将宽带频率信号输入中心站光纤频率传递单元，中心站光纤频率传递单元分别将宽带频率信号和中心站光纤频率传递单元内部的参考频率源输出的参考信号进行电光转换，并经波分复用和相位补偿输入光纤链路；

参考频率源输出的参考信号可以表示为其中ω为参考信号的频率，为初始相位；

s2、第i(i＝1、2、...、n)个用户单元：提取前向传输的宽带频率信号和参考信号，并分别进行光电转换；

第i个用户单元接收的前向传输的参考信号表示为：其中τlu为从中心站光纤频率传递单元到第i用户单元的光纤链路传输时延；

s3、第j(j＝1、2、...、m)个双向光放大单元：对前向传递的信号进行光放大；

s4、远端光纤频率传递单元从中心站光纤频率传递单元发送的光信号中提取出宽带频率信号，并输出给与远端光纤频率传递单元连接的用户；同时，从中心站光纤频率传递单元发送的光信号中提取出参考信号，并先后经光电转换、信号处理和电光转换过程，发送给中心站光纤频率传递单元；

远端光纤频率传递单元接收到的参考信号表示为：其中τlr为从中心站光纤频率传递单元到远端光纤频率传递单元的光纤链路传输时延；

s5、第i(i＝1、2、...、n)个用户单元：提取后向传输的参考信号，并进行波分复用、光电转换；

第i个用户单元提取的后向传输的参考信号表示为：其中τru为从远端光纤频率传递单元到第i用户单元的光纤链路传输时延；

s6、第j(j＝1、2、...、m)个双向光放大单元：对后向传递的信号进行光放大；

s7、中心站光纤频率传递单元接收来自远端光纤频率传递单元环回的参考信号，经光电转换后和本地发送的参考信号进行比较，提取从中心站光纤频率传递单元到远端光纤频率传递单元的光纤链路时延信息，中心站光纤频率传递单元根据式(1)控制相位补偿模块以稳定光纤链路传输时延，使得远端光纤频率传递单元输出相位稳定的宽带频率信号；其中式(1)表示为：

τlr+τrl＝c(2)

其中，c为常数；

中心站光纤频率传递单元接收来自远端光纤频率传递单元环回的参考信号表示为：其中τrl为从远端光纤频率传递单元到中心站光纤频率传递单元的光纤链路传输时延；

s8、在中心站光纤频率单元稳定光纤链路传输时延的前提下，根据接收的前向和后向参考信号，第i个用户单元控制相位补偿模块使得输出相位稳定的宽带频率信号。

优选的，当用户单元的第二相位补偿模块的补偿值为用户单元到远端光纤频率传递单元之间的光纤链路传输时延τru时，实现远端光纤频率传递单元和各个用户单元输出的宽带频率信号相位同步。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征，不能理解为对本发明的限制。

以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。