专利名称：原子时信号传输系统及传输方法
技术领域：
本发明涉及一种原子时信号的传输系统及传输方法。特别的，涉及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。
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， 目前这个领域的技术已经比较成熟，例如GPS接收机之类。对于提供时间频率源的基准钟，经过国际上多年的研究，基准钟的准确度和稳定度已经很高。例如目前国际上最好的原子钟天稳定度已经可以达到10_16量级。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。但是，目前这些传输方法的天稳定度只能达到10_15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)。对于现有技术中的搬运钟法，用一台高精度的小型化原子钟C，将长基线一端A站的时间标准传递给B站，从而实现A站与B站的同步。基本原理为首先A站时钟与C钟并址，在某一坐标时、，将A钟与C钟比对，分别读出A、C钟的读数τΑ(ι和τ,然后C钟沿着已知的路径又搬运到B站，与B钟进行比对，读出B，C钟的读数τΒ1和τα。这样，坐标时、就可以由、，Tco, τ α和又导出，再根据B站原时和坐标时的关系，来同步B站时钟。但是，利用搬运钟法传输原子时信号存在如下缺点。(1)由于原子时信号传递精度直接受限于可搬运小型原子钟的稳定度，以及搬运过程和不同地点海拔对可搬运小型原子钟引入的系统误差，因而导致传输信号的精度较低。(2)搬运钟法必须先在A地与A地的时钟比对后，再搬运至B地，与B地的时钟进行比对。因而无法实现Α，B两地之间同时同步的测量比对，从而导致无法进行实时连续测量比对。(3)搬运钟法必须以同一个搬运钟作为原子时信号传递媒介，所以无法同时在多地之间进行时间频率传递比对，即无法同时进行多点同步比对。现有技术中还存在利用卫星实现原子时信号传输的各种传递比对法。如图1所示，超长基线的两端A站和B站之间，通过卫星互相发射电磁波信号，测量电磁波信号的传播时延，或者同时接收来自同一颗卫星的时钟信号。通过两站之间交换数据，就能够获得两站间的相对钟差，从而实现两站之间的时钟比对与同步。
但是，已有的卫星传递比对法也存在一些缺点。例如，由于受地球电离层及大气层扰动等因素的影响，利用卫星进行原子时信号的传递比对的天稳定度只能达到10_15量级， 即该方法的精度低。另外，由于进行A、B两地之间的时频传递时，A、B两地必须能够同时看到同一颗卫星。对于超长基线的原子时信号传递，在某些地点之间，这一条件不具备。也就是说，卫星传递比对法的实际使用受限于卫星覆盖范围，因而不能良好的适用于超长基线的原子时信号传递。如上所述，已有的搬运钟法采用一台小型化高精度原子钟作为原子时信号传递媒介，已有的卫星传递比对法利用人造卫星作为原子时信号的传递媒介，这些传递媒介及其传输方法都存在或多或少的缺陷。因此，有必要考虑采用新的传递媒介及相应的传输系统和传输方法，以避免或解决上述现有技术中存在的问题。
发明内容
本发明正是为了解决现有技术中存在上述问题而提出。根据本发明的一个目的，提供了一种原子时信号传输系统，该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；和串联连接的多个中继补偿传输装置，每个所述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。根据本发明的另一个目的，提供了一种原子时信号传输方法，该方法包括接收基准钟产生的作为基准参考信号的原子时信号；将待传输的原子时信号调制到光信号上以通过光纤传输；在发射端补偿原子时信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声；在中继端接收来自光纤链路的调制在光信号上的微波信号，并复现相位锁定于基准钟的原子时信号； 将待传输的原子时信号再次调制到光信号上以通过光纤传输；在中继端进一步补偿所述原子时信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声。优选的，在发射端补偿原子时信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声是这样实现的生成两个相位和锁定于基准钟的辅助补偿信号；基于所述辅助补偿信号产生用于补偿所述原子时信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声的反馈补偿信号，并将该反馈补偿信号加载到待传输的原子时信号中。优选的在中继端补偿原子时信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声是这样实现的生成两个相位和锁定于基准钟的中继辅助补偿信号；基于所述中继辅助补偿信号产生用于进一步补偿所述原子时信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声的中继反馈补偿信号，并将该中继反馈补偿信号加载到待传输的原子时信号中。根据本发明的原子时信号传输系统及传输方法，能够采用光纤作为原子时信号的传递媒介，把原子时信号调制到光信号上并通过光纤传输。此外，本发明通过实施相位噪声探测及补偿技术，实现对光纤传输链路(尤其是超长距离)的相位噪声的补偿。特别的，对于超长基线原子时信号的传输，本发明提供了一种利用多个中继站进行分段相位噪声补偿的方法，解决了超长基线原子时信号传输环路锁定带宽限制及信号衰减的问题，大大提高了原子时信号的传递精度。
图1显示了利用卫星实现原子时信号传输的示意图；图2显示了本发明的原子时信号传输系统的结构示意图；图3显示了本发明的发射补偿装置的结构示意图；图4显示了本发明的第一比相单元的工作原理示意图；图5显示了本发明的中继补偿传输装置的结构示意图；图6显示了中继辅助传输部的第二比相单元的工作原理示意图；图7显示了本发明的发射补偿装置的一个示例；图8显示了本发明的中继补偿传输装置的一个示例；图9显示了本发明的终端接收装置的一个示例；图10显示了本发明的原子时信号传输方法的流程图。
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2显示了本发明的原子时信号传输系统的结构示意图。如图2所示，本发明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。如图2所示，本发明的多个中继补偿传输装置示例性的采用串联连接方式，但不限制于此。在实际应用中，根据需要可以采用并联连接以及串联、并联同时存在的混接方式，都能适用于本发明的技术方案，并实现长基线原子时信号的高精度传输。通过本发明的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2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。本发明中，每隔一定间隔设置一个中继补偿传输装置，各中继补偿传输装置串联连接。相邻两个中继补偿传输装置之间的间隔距离由系统相位噪声补偿环路带宽的设计值 Av = c/(4 πη )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。在一个优选实施例中，该间隔距离设置为100公里左右。下面分别介绍本发明的原子时信号传输系统的各组成部分。<发射补偿装置>图3显示了本发明的发射补偿装置的结构示意图。如图3所示，本发明的发射补偿装置处于原子时信号传输系统的发射端，其包括辅助传输部1和第一相位噪声补偿部2。所述辅助传输部1生成辅助补偿信号并输出到第一相位噪声补偿部，该辅助补偿信号用于辅助第一相位噪声补偿部产生反馈补偿信号。具体来说，辅助传输部1包括第一频率振荡器Fl和第二频率振荡器F2，其分别生成第一辅助补偿信号和第二辅助补偿信号，输出给第一相位噪声补偿部2(其中的第一比相单元)以辅助其产生反馈补偿信号。其中，该第一辅助补偿信号和第二辅助补偿信号的相位锁定于基准钟。 第一相位噪声补偿部2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，并基于辅助传输部生成的辅助补偿信号产生用于补偿所述原子时信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声的反馈补偿信号。
设基准钟的产生的基准微波信号为Ω0 = A0cos(co0t+(i)ref)这里，A0表示基准钟信号的振幅，为基准钟信号的相位，Qci为基准钟信号的频率。本发明所述的基准钟可以是产生作为基准参考信号的原子时信号的任意微波信号源，优选的，可以采用氢钟、铯钟或铷钟等由国家基准钟(铯喷泉钟)校准的守时钟。第一频率振荡器Fl产生相位锁定于基准钟的第一辅助补偿信号Ω J = A1Cos (a ω 0t+a Φ ref)其中A1表示第一辅助补偿信号的振幅，a为任意数(满足f为某一特定数的任
意数，该特定数由所要传输的原子时信号频率除以基准钟信号频率得到)，通过锁相环及频率综合器可以产生相位锁定于基准钟信号的任意频率微波信号。第二频率振荡器F2产生相位锁定于基准钟的第二辅助补偿信号Ω 2 = A2Cos (b ω 0t+b Φ ref)其中A2表示第二辅助补偿信号的振幅，b为任意数(满足f为某一特定数的任
意数，该特定数由所要传输的原子时信号频率除以基准钟信号频率得到)。本发明在发射端的发射补偿装置中设置有第一相位噪声补偿部2，其包括第三频率振荡器F3、第一比相单元、第一激光器、第一探测器和光纤环形器。其中，第三频率振荡器F3产生第三微波信号Q3 =A3 cos(乎 ^y01 + ^0)其中，A3表示第三微波信号的振幅，该微波信号的频率为，相位表示为Φ。，
该相位可由反馈补偿信号Ω8控制，以满足特定的条件(见下文)。第一激光器将该第三微波信号调制到光信号上并输出给光纤环形器以进入光纤链路。其中，用微波信号Ω 3调制第一激光器的方式是内调制或外调制方法。第一激光器输出的光信号传输至远端，并且所述第一激光器为输出波长对应于光纤通信窗口波段的激光器。如图3所示，第一激光器输出的光信号输入到一光纤环形器，其用于将发射光与返回光分开。光纤环形器使经调制的光信号通过光纤环行器进入到光纤链路并向远端(中继补偿传输装置或终端接收装置)传输，并使由远端沿光纤链路返回的光信号输出给第一探测器。另外，在远端的中继补偿传输装置接收该光信号，并通过其中的探测器(参见下文中图5所示的第二探测器)对该光信号进行光电转换可以得到第四微波信号(参见下文中有关中继补偿传输装置的原子时信号复现部的描述)
权利要求
1.一种原子时信号传输系统，该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；和多个中继补偿传输装置，每个所述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。
2.根据权利要求1所述的传输系统，其中，所述发射补偿装置还包括 辅助传输部，其生成辅助补偿信号并输出到第一相位噪声补偿部；第一相位噪声补偿部，其将待传输的原子时信号调制到光信号上以通过光纤传输，并基于所述辅助补偿信号产生用于补偿所述原子时信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声的反馈补偿信号。
3.根据权利要求2所述的传输系统，其中，所述辅助传输部包括 第一频率振荡器，其产生相位锁定于基准钟的第一辅助补偿信号； 第二频率振荡器，其产生相位锁定于基准钟的第二辅助补偿信号；和所述第一辅助补偿信号和第二辅助补偿信号输出到第一相位噪声补偿部以辅助其产生反馈补偿信号。
4.根据权利要求2所述的传输系统，其中，所述第一相位噪声补偿部包括 第三频率振荡器，其产生第三微波信号并输出给第一比相单元和第一激光器；第一比相单元，其产生反馈补偿信号给第三频率振荡器以在所述第三微波信号中引入在光纤链路中传输时引入的相位噪声的补偿；第一激光器，其将所述第三微波信号调制到光信号上并输出给光纤环形器以进入光纤链路；光纤环形器，其将发射光与返回光分开，使经调制的光信号进入到光纤链路以传输至远端，并使由远端沿光纤链路返回的光信号输出给第一探测器；第一探测器，通过光电转换将调制到光信号上的微波信号解调出来以得到第五微波信号，并输出给第一比相单元。
5.根据权利要求4所述的传输系统，其中，第一比相单元对所述第一、第二辅助补偿信号和第三、第五微波信号进行比相处理以产生所述反馈补偿信号。
6.根据权利要求1所述的传输系统，所述中继补偿传输装置包括原子时信号复现部，其接收来自光纤链路的调制在光信号上的微波信号，并复现出相位锁定于基准钟的原子时信号；中继辅助传输部，其生成中继辅助补偿信号并输出到第二相位噪声补偿部； 第二相位噪声补偿部，其将待传输的原子时信号再次调制到光信号上以通过光纤传输，并基于该中继辅助补偿信号产生用于进一步补偿所述原子时信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声的中继反馈补偿信号。
7.根据权利要求6所述的传输系统，所述原子时信号复现部包括第二探测器，其通过光电转换将调制在光信号上的微波信号解调出来以得到相位锁定于基准钟的第四微波信号，并提供给第四频率振荡器；第四频率振荡器，其基于所述第四微波信号生成频率和相位锁定于该第四微波信号的微波信号。
8.根据权利要求7所述的传输系统，所述原子时信号复现部还包括连接至第四频率振荡器输出端的除法器，其将该第四频率振荡器输出的微波信号除至相应频率，供中继端的用户使用。
9.根据权利要求6所述的传输系统，所述中继辅助传输部包括 第五频率振荡器，其生成第一中继辅助补偿信号；第六频率振荡器，其生成第二中继辅助补偿信号；第二比相单元，其产生补偿信号给第六频率振荡器，使得所述第一、第二中继辅助补偿信号的相位和锁定于基准钟的相位。
10.根据权利要求6所述的传输系统，所述第二相位噪声补偿部包括 第七频率振荡器，其产生微波信号并输出给第三比相单元和第二激光器；第三比相单元，其产生中继反馈补偿信号给第七频率振荡器，以在其产生的微波信号中引入在光纤链路中传输时引入的相位噪声的补偿；第二激光器，其将所述第七频率振荡器产生的微波信号调制到光信号上并输出给光纤环形器以进入光纤链路；第三探测器，通过光电转换将调制到光信号上的微波信号解调出来并输出给第三比相单元；光纤环形器，其将发射光与返回光分开，使经调制的光信号进入到光纤链路以传输至远端，并使由远端沿光纤链路原路返回的光信号输出给第三探测器。
11.根据权利要求10所述的传输系统，其中，第三比相单元对所述第一、第二中继辅助补偿信号、所述第七频率振荡器产生的微波信号和所述第三探测器输出的微波信号进行比相处理以产生所述中继反馈补偿信号。
12.—种原子时信号传输方法，该方法包括接收基准钟产生的作为基准参考信号的原子时信号； 将待传输的原子时信号调制到光信号上以通过光纤传输； 在发射端补偿原子时信号在光纤链路中引入的相位噪声；在中继端接收来自光纤链路的调制在光信号上的微波信号，并复现相位锁定于基准钟的原子时信号；将待传输的原子时信号再次调制到光信号上以通过光纤传输；在中继端进一步补偿所述原子时信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声。
13.根据权利要求12所述的方法，所述在发射端补偿原子时信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声的步骤包括生成两个相位和锁定于基准钟的辅助补偿信号；基于所述辅助补偿信号产生用于补偿所述原子时信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声的反馈补偿信号，并将该反馈补偿信号加载到待传输的原子时信号中。
14.根据权利要求12所述的方法，所述在中继端补偿原子时信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声的步骤包括生成两个相位和锁定于基准钟的中继辅助补偿信号；基于所述中继辅助补偿信号产生用于进一步补偿所述原子时信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声的中继反馈补偿信号，并将该中继反馈补偿信号加载到待传输的原子时信号中。
全文摘要
一种原子时信号传输系统及传输方法。该系统通过处于发射端的发射补偿装置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；通过在各中继端串联连接的多个中继补偿传输装置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，使得传输至远端的原子时信号的相位锁定于发射端基准钟的相位。本发明的技术方案解决了超长基线原子时信号传输环路锁定带宽限制及信号衰减的问题，大大提高了原子时信号的传输距离和传递精度。
文档编号H04L7/00GK102307087SQ20111018649
公开日2012年1月4日 申请日期2011年7月5日 优先权日2011年7月5日
发明者李天初, 王力军, 王波, 高超 申请人:清华大学