高精度光纤时频环形组网系统和组网方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种高精度时频信号环形组网系统和组网方法，通过利用拓扑学优 势，在环形链路内构建多个钟源中心站和时频信号恢复站。实现多个时频源在环形网络内， 向多个时频接收终端传递高精度时频信号的功能。时频接收终端可处于环形网络的任意位 置，通过有效的补偿措施，实现无损地恢复高精度时频信号，完成网络节点高精度授时、守 时。该方案可广泛应用于可用于天线阵列间时频信号传输、甚长基线干涉、北斗卫星及GPS 导航等领域，也完全满足未来5G及6G通讯的时钟同步需求。
【背景技术】
[0002] 现代生活中，高精密的时频标准越来越受到发达国家的高度重视。它广泛应用于 卫星导航定位、甚长基线干涉、天线阵列、未来超高速商用通信等。尤其在航天军事领域，具 有其不可比拟的重要地位。现有的高精度原子钟，如驯服铯钟，其准确度可达HT 12量级，氢 钟，其秒稳已达IX ΚΓ13,同时天稳定度也可小于HT15量级。然而现有的时频传递手段，主要 以美国GPS和中国北斗为代表的卫星微波传递方式，已然难以满足更高精度的工程需求。近 年来国内国际已有不少实验室投入到基于光纤的时频组网方法研究，已证实其在频率传输 精度和时间同步的准确度上都有大幅度的提升。
[0003] 为解决光纤时频传递链路中噪声的干扰问题。常见的方法是通过单根光纤双向还 回的手段（即由中心站发往接收站，再从接受站通过同一根光纤发回中心站），获取链路往 返的噪声，通过中心站内的光学或电学手段来进行链路噪声抑制，实现远端接收站无损地 恢复出高精度的时频信号。参见文献：F . Yang，D . Xu，Q . Liu，et al .. "Accurate transmission of time and frequency signals over optical fibers based on WDM and two way optical compensation techniques ,，：，CLEO: Science and Innovations, California'CA'USA'JTMA.ggjO^JPItukasz'Sliwczy'nskietal./'Opticalfibers in time and frequency transfer^Measurement Science and Technology,21,075302, 2010
[0004] 然而，进一步要实现"多对多"的高精度时频传递，现有的点对点的传输方法，将使 系统变得格外复杂，每个中心站对每个接收站都需要有一套独立的链路噪声主动抑制装 置，当网络节点过多时，传统方法成本高昂，且难以维护。此外，每个中心站和接收站之间都 需要有独立的光纤链路，将大量浪费网络资源。上述问题，都限制了高精度时频传递的广泛 应用。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于弥补上述在先技术的不足，提出一种高精度光纤时频环形组网 系统和组网方法，该装置在保证无损地恢复高精度时频信号的前提下，在中心站中仅需要 一个环形链路噪声抑制装置，即可实现多个频率源在同一光纤环路中向多个接收站传递时 频信号的功能。并且通过多个光纤环路交叉连接，实现不同环路间钟源的时频信号恢复。极 大发挥了环形网络的拓扑学优势，减少传递系统复杂性，优化网络资源配置，提高了时频传 递系统的稳健性。
[0006] 本发明的具体技术解决方案如下：
[0007] -种高精度光纤时频环形组网系统，其基本结构至少包括一个主钟源中心站、一 个以上从钟源中心站、一个以上时频信号接收站和光纤链路，每个中心站和接收站均有两 个输入输出端口，主钟源中心站、从钟源中心站和时频信号接收站之间通过光纤链路相连， 构成一个环形网络结构。
[0008] 主钟源中心站负责发射主钟源的高精度时频信号，并通过链路噪声主动抑制装置 稳定环形链路中的链路噪声，同时通过滤波器防止主钟源中心站发出的光载波多次通过环 形链路。所述的主钟源中心站包括主原子钟，该主原子钟有两路时频信号输出口，分别与波 长为λο的第一激光器的射频信号调制口相连和第一鉴相器的参考信号输入口相连，第一激 光器的光输出端口和第一隔离器的输入口相连，第一隔离器的输出口与第一分束器的输入 口相连，第一分束器的两个输出口分别和第一親合器的1端口和3端口相连，该第一親合器 的1端口的输入信号由4端口输出，第一親合器的4端口和第一环形器的2端口相连，第一親 合器的3端口的输入信号由2端口输出，该第一親合器的2端口和第二环形器的2端口相连， 第二环形器的2端口输入信号由3端口输出，第二环形器的3端口作为主钟源中心站的第一 输入输出端口；逆时针光信号由第二环形器的3端口输入，由该第二环形器的4端口输出，第 二环形器的4端口和第一滤波器的输入端口相连，第一滤波器滤除λ〇的光信号，第一滤波器 的输出端口和第二环形器的1端口相连，其他波长的光由第二环形器的2端口进入与之相连 的第一親合器中，所述的第一环形器的2端口输入信号由3端口输出，第一环形器的3端口和 链路噪声主动抑制装置即第一光纤延时线的光端口相连，第一光纤延时线的另一个光端口 作为主钟源中心站的第二输入输出端口，从环形链路顺时针传来的光信号，经第一光纤延 时线后，进入第一环形器的3端口，由4端口输出，第一环形器的4端口与第一解复用器的公 共输入端口相连，第一解复用器的的输出端口与第一探测器的光输入端口相连，第一探 测器的射频信号输出口与所述的第一鉴相器的射频信号输入口相连，该第一鉴相器的鉴相 信号输出与第一反馈控制电路的输入端口相连，该反馈控制电路的输出驱动端口与所述的 第一光纤延时线的控制输入端相连，所述的第一解复用器的其他波长的输出端口与第一环 形器的1端口相连，其他波长的光由第一环形器的2端口输出，进入第一親合器105中，最终 由第二环形器的3端口输出，继续在环形链路中传输。所述的主钟源中心站通过该中心站的 第一输入输出端口和第二输入输出端口接入到光纤链路中。
[0009] 从钟源中心站完成将从钟源的时频信号从两个方向发射入环形光纤网络中，并防 止相应的光载波多次通过光纤链路。第i从钟源中心站的结构包括:第i从原子钟，该原子钟 的射频信号输出口与波长为M的第二激光器的调制输入口相连，第二激光器的光输出端口 和第二隔尚器的输入口相连，第二隔尚器的输出口与第二分束器的输入口相连，第二分束 器的两个输出口和第二親合器的1端口和3端口相连。第二親合器中1端口的输入信号，由4 端口输出，该端口和第三环形器的2端口相连。第三环形器的3端口作为从钟源中心站2的第 一输入输出端口，3端口作为输入端口时，由环形器4端口输出。第三环形器的4端口输出与 第二滤波器的输入端口相连，滤除M的时频信号。第二滤波器输出端口和第三环形器的1端 口相连。类似的，第二耦合器中3端口的输入信号，由2端口输出，该端口和第四环形器的2端 口相连。第四环形器中2端口的输入信号由3端口输出，3端口作为从钟源中心站的第二输入 输出端口。第四环形器的3端口作为输入端口时，由第四环形器的4端口输出。第四环形器的 4端口与第三滤波器的输入端口相连，滤除M的时频信号。第三滤波器输出端口和第四环形 器的1端口相连，其他波长的光信号将继续在光环路中传输。所述的从钟源中心站通过该中 心站的第一输入输出端口和第二输入输出端口接入到光纤链路中。
[0010]时频信号接收站，实现无损地恢复出各个钟源中心站传来的时频信号。所述的时 频信号接收站可采用光学补偿结构或电学补偿结构。
[0011] 所述的时频信号接收站采用光学补偿结构按照以下方式连接:第三耦合器的1端 口、2端口作为时频信号接收站的第一输入输出端口和第二输入输出端口，所述的时频信号 接收站通过第一输入输出端口和第二输入输出端口接入到光纤链路中。第三耦合器的1端 口的输入信号，由2端口输出继续进入光纤链路，4端口输出与第二解复用器的公共端相连， 第三耦合器的2端口的输入信号，由1端口输出继续进入光纤链路，3端口的输出与第三解复 用器的公共端相连，第三解复用器中λ〇的输出端口与第三分束器的输入端相连，\的输出口 与第二探测器光信号输入端相连，第二解复用器中输出端口与第四分束器的输入端相 连，的输出口与第三探测器光信号输入端相连，第三分束器的两个输出端口分别与第二 光纤延时线的光端口和第四探测器的光信号输入端相连，第四分束器的两个输出端口分别 与第三光纤延时线的光端口和第五探测器的光信号输入端相连，第四探测器和第三探测器 的射频信号输出口接入第一混频器的两个输入端口中，其差频信号输出口接入到第二反馈 控制电路的输入端口中，第二探测器和第五探测器的射频信号输出口接入第二混频器的两 个输入端口中，其差频信号输出口接入到第三反馈控制电路的输入端口中，第二反馈控制 电路的驱动信号输出口，与第二光纤延时线的控制输入端口相连，第二光纤延时线的光端 口输出与第六探测器的光输入端口相连，第六探测器的射频信号输出端，为经过噪声抑制 后恢复出来的主中心站时频信号，第三反馈控制电路的驱动信号输出口，与第三光纤延时 线的控制输入端口相连，第三光纤延时线的光端口输出与第七探测器的光输入端口相连， 第七探测器的时频信号输出端。
[0012] 所述的时频信号接收站采用电学补偿结构按照以下方式连接:第四耦合器的1端 口、2端口作为时频信号接收站的第一输入输出端口和第二输入输出端口，所述的时频信号 接收站通过第一输入输出端口和第二输入输出端口接入到光纤链路中。第四耦合器的2端 口的输入信号，由1端口输出继续进入光纤链路，另一部分由3端口输出与第四解复用器的 公共端相连，第四耦合器的1端口的输入信号，由3端口输出继续进入光纤链路，4端口的输 出与第五解复用器的公共端相连，第五解复用器中λ〇的输出端口与第八探测器的光信号输 入端相连，λ〇的输出口与第九探测器光信号输入端相连，第四解复用器中λ〇的输出端口与第 十探测器的光信号输入端相连，1,的输出口与第十一探测器光信号输入端相连，第九探测 器和第十一探测器的射频信号输出口，分别与第三混频器的两个输入端口相连，第三混频 器的和频信号输出端口与第一带通滤波器的输入端口相连，获得其和频信号，第一带通滤 波器的输出端口与第一分频器的输入端口相连，其分频输出为噪声抑制后的稳定时频信 号，即恢复出的从钟源时频信号，第八探测器和第十探测器的射频信号输出口，分别与第四 混频器的两个输入端口相连，第四混频器的和频信号输出端口与第二带通滤波器的输入端 口相连，获得其和频信号，第二带通滤波器的输出端口与第二分频器的输入端口相连，第二 分频器的输出端口为时频信号输出端。
[0013]所述的高精度光纤时频环形网系统的组网方法，包括以下步骤：
[0014] 1)启动所述的主钟源中心站：
[0015] 所述的主钟源中心站将原子钟产生的时频信号调制在第一激光器上输出的波长 为的光载波，由所述的第一输入输出端口和第二输入输出端口，分别从顺时针和逆时针 两个方向输入环形光纤网络中：
[0016] 顺时针的光载波，经过多段光纤链路，并依次通过多个从钟源中心站和多个时频 信号接收站，主钟源中心站和第一从钟源中心站之间的光纤链路的相位波动记为，第 一从钟源中心站到第N从钟源中心站之间的N-I段光纤链路的总相位波动记为#&，第从人钟源 中心站到第M时频信号接收站之间的光纤链路的相位波动记为?％，第1时频信号接收站到第M 时频信号接收站之间的M-I段光纤链路之间的总相位波动记为，第一时频信号接收站到主钟源 中心站之间的相位波动记为态衡，经环形链路一周后，Α〇