高精度光纤时频信号同步网络的制作方法

本发明涉及时频信号同步网络，特别是一种高精度光纤时频信号同步网络。
背景技术：
：当代社会已经是信息驱动的网络化社会，导航定位、无线通信、互联网、分布式电网等已成为社会生活中必不可少的基本组成部分。一个不可否认的事实是这些技术都依赖于时钟同步网络，时钟同步网络作为技术基础，为这些应用提供高精度的时频基准信号。现在的时钟同步方案最重要的是借助于GPS/北斗等天基导航定位系统(GNSS)向全球广播的星载原子钟，其次还包括e-Loran、IEEE1588v2、DCF77、NTP等多种方式，其常见精度见表1所示。表150km尺度上几种典型方式的时间同步和定位精度GNSSe-LoranIEEE1588v2DCF77NTP时间同步精度5-50ns100ns>1μs2-25μs>1ms定位精度3-30m60mn/an/an/a这些方式很难满足下一代应用需求。首先精度稍高的GNSS系统存在信号微弱、多径误差及由此导致的区域拒止等缺点，其次在精度方面越来越需要cm甚至mm量级的定位精度和ps量级的时间同步精度，甚至在很多领域还需要短期1E-15量级、长期1E-18量级的频率同源稳定度。比如只有时间同步精度进入ps量级和频率同源相位相干后，才能实现多基地雷达的相参融合，从而真正意义上提高现有雷达的探测和干扰能力；另外光钟的秒稳已经进入1E-15量级，为了利用光钟在更高精度层次上重新书写秒的二级定义，就需要世界各地光钟进行该量级上的相互比对；当今兴起的无人驾驶领域同样需要更高精度的定位才能促进其推广应用的成功，因为当前Google的无人驾驶汽车基于GPS的定位精度以及雷达、摄像头等辅助设备能够实现的安全行驶里程约15万公里，虽然对于单一汽车，该数值已经很惊人了，但是如果考虑有效安全里程的话则远远不足，比如上海的一个早高峰，有效安全里程约有3000万公里(100万辆汽车在同一时段平均行驶30公里)，如果全是无人驾驶汽车，那么可以很简单的看出单纯15万公里的安全行驶里程还远远不够。技术实现要素：本为了满足上述应用需求，本发明提出一种基于光纤的高精度时频信号同步网络，为网络内的任意节点提供更高精度的时频信号。本发明的核心思想是将每个网络节点至少通过两条光纤链路与其它两个网络节点连接，然后通过光纤链路时延测控发射机和接收机实现光纤链路稳定和测量，通过时频信号发射机和接收机实现时频信号的传输，通过主控板和开关实现网络路由优化和保护倒换，本网络将光纤链路稳定和时频信号的传输通过波分复用的方式分开进行，可以在该光纤网络上实现时频信号的高精度透明传输。本发明的技术解决方案如下：一种高精度光纤时频信号同步网络，包括光纤、N个交换机、M个时频信号源，其中，N是2以上的正整数，M为1以上的正整数，每个交换机和时频信号源都是一个网络节点，总共形成N+M个网络节点，其连接关系如下：所述的M个时频信号源中每个时频信号源与相邻的两个交换机通过光纤连接，同时所述的N个交换机中每个交换机通过至少三路不同的光纤与其它不同的交换机或者时频信号源连接。所述的交换机实现光纤链路稳定和时频信号路由优化选择的功能，由第一环形器、第一解波分复用器、第一光纤链路时延测控接收机、第一时频信号接收机、主控板、射频开关、光开关、第一光纤链路时延测控发射机、第一时频信号发射机、第一波分复用器、第二环形器、第三环形器、第二解波分复用器、第二光纤链路时延测控接收机、第二时频信号接收机、第二光纤链路时延测控发射机、第二时频信号发射机、第二波分复用器、第四环形器组成。其连接关系如下：第一环形器的第二端口与交换机的第一输入光信号相连，其第三端口与第一解波分复用器的输入端口相连；第一解波分复用器的输出端口分成两类，第一类是波长用于传递光纤链路时延测控所需信号的光波长的端口，这部分端口与第一光纤时延测控接收机的输入端口相连，第二类是波长用于传递时频信号和标识信息的光波长的端口，这部分端口与第一时频信号接收机的输入端口相连；第一光纤链路时延测控接收机的返回光输出端口与第一环形器的第一端口相连；第一时频信号接收机的微波时频信号输出端口与射频开关的第一输入端口相连，其光波时频信号输出端口与光开关的第一输入端口相连，其标识信息输出端口与主控板的第一输入端口相连；主控板的另外两个输入端口分别与第一光纤链路时延测控发射机和第二光纤链路时延测控发射机的时延测量值输出端口相连，而主控板的路由控制信号输出端口分别与光开关和射频开关的控制信号输入端口相连，主控板的标识信息输出端口分别与第一时频信号发射机和第二时频信号发射机的标识信息输入端口相连，射频开关的时频信号第一和第二输出端口分别与第一时频信号发射机和第二时频信号发射机的微波时频信号输入端口相连，其第三输出端口则作为该交换机的微波时频信号输出端口，光开关的时频信号第一和第二输出端口分别与第一时频信号发射机和第二时频信号发射机的光波时频信号输入端口相连，其第三输出端口则作为该交换机的光波时频信号输出端口；第一光纤链路时延测控发射机和第一时频信号发射机的输出端口分别与第一波分复用器的输入端口相连，第一波分复用器的输出端口与第二环形器的第一端口相连，第二环形器的第三端口与第一光纤链路时延测控发射机的返回光输入端口相连，第二环形器的第二端口作为该交换机的第一通道光信号输出端口。第三环形器的第二端口与交换机的第二输入光信号相连，其第三端口与第二解波分复用器的输入端口相连；第二解波分复用器的输出端口分成两类，第一类是波长用于传递光纤链路时延测控所需信号的光波长的端口，这部分端口与第二光纤时延测控接收机的输入端口相连，第二类是波长用于传递时频信号和标识信息的光波长的端口，这部分端口与第二时频信号接收机的输入端口相连；第二光纤链路时延测控接收机的返回光输出端口与第三环形器的第一端口相连；第二时频信号接收机的时频信号输出端口与射频开关的第二输入端口相连，其光波时频信号输出端口与光开关的第二输入端口相连，其标识信息输出端口与主控板的第二输入端口相连。第二光纤链路时延测控发射机和第二时频信号发射机的输出端口分别与第二波分复用器的输入端口相连，第二波分复用器的输出端口与第四环形器的第一端口相连，第四环形器的第三端口与第二光纤链路时延测控发射机的返回光输入端口相连，第四环形器的第二端口作为该交换机的第二通道光信号输出端口。如果交换机需要更多通道的时候，可以按照上述连接方式增加光纤链路时延测控接收机、时频信号接收机、光纤链路时延测控发射机、时频信号发射机、波分复用器、解波分复用器以及环形器从而增加光信号输入输出通道。所述的时频信号源由高精度时钟、主控板、射频开关、光开关、第一光纤链路时延测控发射机、第一时频信号发射机、第二光纤链路时延测控发射机、第二时频信号发射机、第一波分复用器、第二波分复用器、第一环形器、第二环形器组成。其连接关系如下：高精度时钟的光频时频信号输出端口与光开关的时频输入信号端口相连，而光开关的输出信号端口和分别作为时频信号源的第三通道光信号输出端口和第四通道光信号输出端口和，高精度时钟的微波时频信号输出端口与射频开关的时频信号输入端口相连，主控板的两个输入端口、分别与第一光纤链路时延测控发射机和第二光纤链路时延测控发射机的时延测量值输出端口相连，而主控板的微波时频信号路由控制信号输出端口与射频开关的控制信号输入端口相连，主控板的光波时频信号路由控制信号输出端口与光开关的控制信号输入端口相连，主控板的标识信息输出端口分别与第一时频信号发射机和第二时频信号发射机的标识信息输入端口相连，射频开关的时频信号第一和第二输出端口分别与第一时频信号发射机和第二时频信号发射机的微波时频信号输入端口相连；第一光纤链路时延测控发射机和第一时频信号发射机的输出端口分别与第一波分复用器的输入端口相连，第一波分复用器的输出端口与第一环形器的第一端口相连，第一环形器的第三端口与第一光纤链路时延测控发射机的返回光输入端口相连，第一环形器的第二端口作为该时频信号源的第一通道光信号输出端口；第二光纤链路时延测控发射机和第二时频信号发射机的输出端口分别与第二波分复用器的输入端口相连，第二波分复用器的输出端口与第二环形器的第一端口相连，第二环形器的第三端口与第二光纤链路时延测控发射机的返回光输入端口相连，第二环形器的第二端口作为该时频信号源的第二通道光信号输出端口。所述的某两个被光纤连接的网络节点之间，通过光纤链路时延测控发射机和光纤链路时延测控接收机的组合实现光纤链路的时延稳定，然后通过时频信号发射机和时频信号接收机的组合实现时频信号的传输，由于此时光纤链路本身已经处于稳定状态，所以传输的时频信号也会是稳定的，不会受到温度振动等光纤环境噪声的影响。同时光纤链路时延测控发射机会将对应光纤链路的时延值反馈到主控板，如果某一路光纤的时延发生了较大抖动或者变化，那么主控板就会发出控制信号到射频开关和两个时频信号发射机，使时频信号沿着与本地交换机或者时频信号源连接的另外一路光纤传输，从而达到保护倒换的目的。本发明的特点和优点是：(1)本发明采用光纤作为时频信号同步网络的传输介质，可以在整个网络内实现非常高精度的时频信号同源同步精度；(2)本发明将光纤链路稳定和时频信号的传输分开，在首先实现链路稳定的基础上，整个光纤网络相当于一个稳定的传输通道，可以实现任意时频信号的稳定传输，而整个传输网络本身的性能和待传输时频信号无关，这就相当于实现了时频信号的透明传输；(3)本发明可以实现网络的路由选择和保护倒换，在某一链路出现问题的情况下，迅速进行路由重新选择，从而快速实现时频信号的重新传输，而不需要链路稳定的建立时间。附图说明图1本发明高精度光纤时频信号同步网络的结构示意图；图2本发明高精度光纤时频信号同步网络中交换机的结构示意图；图3本发明高精度光纤时频信号同步网络中时频信号源的结构示意图；图4本发明高精度光纤时频信号同步网络实施例的结构示意图；图5本发明实施例中光纤链路时延测控接收机的结构示意图；图6本发明实施例中光纤链路时延测控发射机的结构示意图；图7本发明实施例中时频信号接收机的结构示意图；图8本发明实施例中时频信号发射机的结构示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。先请参阅图1，图1是本发明高精度光纤时频信号同步网络的结构示意图。由图可见，本发明高精度光纤时频信号同步网络包括光纤1、N个交换机2、M个时频信号源3，其中每个交换机和时频信号源都是一个网络节点，总共形成N+M个网络节点，其连接关系如下：所述的M个时频信号源中每个时频信号源与相邻的两个交换机通过光纤连接，同时所述的N个交换机中每个交换机通过至少三路不同的光纤与其它不同的交换机或者时频信号源连接。所述的交换机2实现光纤链路稳定和时频信号路由自动切换的功能，原理结构如图2所示，由第一环形器11、第一解波分复用器12、第一光纤链路时延测控接收机13、第一时频信号接收机14、控制主板15、射频开关150、光开关1500、第一光纤链路时延测控发射机16、第一时频信号发射机17、第一波分复用器18、第二环形器19、第三环形器110、第二解波分复用器120、第二光纤链路时延测控接收机130、第二时频信号接收机140、第二光纤链路时延测控发射机160、第二时频信号发射机170、第二波分复用器180、第四环形器190组成。其连接关系如下：第一环形器11的第二端口112与交换机的第一输入光信号相连，其第三端口113与第一解波分复用器12的输入端口相连；第一解波分复用器12的输出端口分成两类，第一类是波长用于传递光纤链路时延测控所需信号的光波长的端口121，这部分端口与第一光纤时延测控接收机13的输入端口相连，第二类是波长用于传递时频信号和标识信息的光波长的端口122，这部分端口与第一时频信号接收机14的输入端口相连；第一光纤链路时延测控接收机13的返回光输出端口与第一环形器11的第一端口111相连；第一时频信号接收机14的微波时频信号输出端口141与射频开关150的第一输入端口1501相连，其光波时频信号输出端口142与光开关1500的第一输入端口15004相连，其标识信息输出端口143与主控板15的第一输入端口151相连；主控板15的另外两个输入端口153、154分别与第一光纤链路时延测控发射机16和第二光纤链路时延测控发射机160的时延测量值输出端口相连，而主控板15的路由控制信号输出端口155和156分别与光开关1500和射频开关150的控制信号输入端口15006和1503相连，主控板15的标识信息输出端口157、158分别与第一时频信号发射机17和第二时频信号发射机170的标识信息输入端口相连，射频开关150的时频信号第一和第二输出端口1504、1505分别与第一时频信号发射机17和第二时频信号发射机170的时频信号输入端口相连，其第三输出端口1506则作为该交换机的微波时频信号输出端口，光开关1500的时频信号第一和第二输出端口15001、15002分别与第一时频信号发射机17和第二时频信号发射机170的光波时频信号输入端口相连，光开关1500的第三输出端口15003则作为该交换机的光波时频信号输出端口；第一光纤链路时延测控发射机16和第一时频信号发射机17的输出端口分别与第一波分复用器18的输入端口相连，第一波分复用器18的输出端口与第二环形器19的第一端口191相连，第二环形器19的第三端口193与第一光纤链路时延测控发射机16的返回光输入端口相连，第二环形器19的第二端口192作为该交换机的第一通道光信号输出端口。第三环形器110的第二端口1102与交换机的第二输入光信号相连，其第三端口1103与第二解波分复用器120的输入端口相连；第二解波分复用器120的输出端口分成两类，第一类是波长用于传递光纤链路时延测控所需信号的光波长的端口1201，这部分端口与第二光纤时延测控接收机130的输入端口相连，第二类是波长用于传递时频信号和标识信息的光波长的端口1202，这部分端口与第二时频信号接收机140的输入端口相连；第二光纤链路时延测控接收机130的返回光输出端口与第三环形器110的第一端口1101相连；第二时频信号接收机140的微波时频信号输出端口1401与射频开关150的第二输入端口1502相连，其光波时频信号输出端口1402与光开关1500的第二输入端口15005相连，其标识信息输出端口1403与主控板15的第二输入端口152相连。第二光纤链路时延测控发射机160和第二时频信号发射机170的输出端口分别与第二波分复用器180的输入端口相连，第二波分复用器180的输出端口与第四环形器190的第一端口1901相连，第四环形器190的第三端口1903与第二光纤链路时延测控发射机160的返回光输入端口相连，第四环形器190的第二端口1902作为该交换机的第二通道光信号输出端口。如果交换机需要更多通道的时候，可以按照上述连接方式增加光纤链路时延测控接收机、时频信号接收机、光纤链路时延测控发射机、时频信号发射机、波分复用器、解波分复用器以及环形器从而增加光信号输入输出通道。所述的时频信号源3的作用是原子钟产生的高精度微波时频信号调制到光信号上，或者将光钟产生高精度光波时频信号直接以光信号的形式传输，其原理结构如图3所示，由高精度时钟21、主控板22、射频开关23、光开关230、第一光纤链路时延测控发射机24、第一时频信号发射机25、第二光纤链路时延测控发射机26、第二时频信号发射机27、第一波分复用器28、第二波分复用器29、第一环形器201、第二环形器202组成。其连接关系如下：高精度时钟21的光频时频信号输出端口211与光开关230的时频输入信号端口2301相连，而光开关230的输出信号端口2303和2304分别作为时频信号源的第三通道光信号输出端口和第四通道光信号输出端口2015和2016，高精度时钟21的微波时频信号输出端口212与射频开关23的时频信号输入端口231相连，主控板22的两个输入端口221、222分别与第一光纤链路时延测控发射机24和第二光纤链路时延测控发射机26的时延测量值输出端口相连，而主控板22的微波时频信号路由控制信号输出端口223与射频开关23的控制信号输入端口232相连，主控板22的光波时频信号路由控制信号输出端口226与光开关230的控制信号输入端口2302相连，主控板的标识信息输出端口224、225分别与第一时频信号发射机25和第二时频信号发射机27的标识信息输入端口相连，射频开关23的时频信号第一和第二输出端口233、234分别与第一时频信号发射机25和第二时频信号发射机27的微波时频信号输入端口相连；第一光纤链路时延测控发射机24和第一时频信号发射机25的输出端口分别与第一波分复用器28的输入端口相连，第一波分复用器28的输出端口与第一环形器201的第一端口2011相连，第一环形器201的第三端口2013与第一光纤链路时延测控发射机24的返回光输入端口相连，第一环形器201的第二端口2012作为该时频信号源的第一通道光信号输出端口2012；第二光纤链路时延测控发射机26和第二时频信号发射机27的输出端口分别与第二波分复用器29的输入端口相连，第二波分复用器29的输出端口与第二环形器202的第一端口2021相连，第二环形器202的第三端口2023与第二光纤链路时延测控发射机26的返回光输入端口相连，第二环形器202的第二端口2022作为该时频信号源的第二通道光信号输出端口。如果时频信号源需要更多通道的时候，可以按照上述连接方式增加光纤链路时延测控发射机、时频信号发射机、波分复用器、环形器从而增加光信号输出通道。本发明中高精度光纤网络的实施例如图4所示，其中包含4个交换机42、43、45、46和1个时频信号源41，共5个网络节点。时频信号源1发出10MHz频率标准信号，并分别通过光纤410和411与交换机42和43相连，交换机42再通过光纤421和422分别与交换机44和45相连，交换机43通过光纤431和442分别与交换机44和45相连，交换机44和45之间通过光纤441相连，这样每一个交换机网络节点都通过3路不同的光纤与另外的3个交换机或者时频信号源连接。其中交换机42、43、44、45和时频信号源41的原理结构分别如图2和图3所示，而交换机和时频信号源中的光纤链路时延控制接收机的实施原理结构如图5所示。环形器51的第二端口512与进入光纤链路时延控制接收机的光信号相连，环形器51的第三端口513与解波分复用器52的输入端口相连，解波分复用器52的两个波长通道λ1、λ3的输出端口分别与光电探测器53和54相连，光电探测器53的频率输出信号与DFB半导体激光器56的微波输入端口相连，光电探测器54的时间输出信号与声光调制器57的微波输入端口相连，而声光调制器57的光输入端口与DFB半导体激光器55相连，DFB半导体激光器55和56的波长分别为λ2、λ4，声光调制器57的光输出端口和DFB半导体激光器56的光输出端口分别与波分复用器58的两个输入端口相连，波分复用器58的输出端口与环形器51的第一端口511相连。所述的交换机和时频信号源中的光纤链路时延控制发射机的实施的原理结构如图6所示。首先铷钟61发出的频率信号输入功分器62，然后功分器62的第一输出端口与DFB半导体激光器64的微波输入端口相连，功分器62的第二输出端口与鉴相器696的第一微波输入端口相连；铷钟61发出的1pps时间信号输入功分器63，然后功分器63的第一输出端口与声光调制器66的微波输入端口相连，而声光调制器66的光输入端口与DFB半导体激光器65相连，DFB半导体激光器55和56的波长分别为λ1、λ3，功分器63的第二输出端口与时间间隔计数器697的微波输入端口相连；声光调制器66的光输出端口和DFB半导体激光器64的光输出端口分别与波分复用器67的两个输入端口相连，波分复用器67的输出端口与环形器68的第一端口681相连，环形器68的第二端口682和光纤延迟线69的光输入端口相连；环形器68的第三端口683和波分复用器693的光输入端口相连，波分复用器693的两个波长通道λ2、λ4的输出端口分别与光电探测器694和695相连，光电探测器694的频率输出信号与鉴相器696的第二微波输入端口相连，光电探测器695的1pps时间信号输出信号与时间间隔计数器697的第二微波输入端口相连；鉴相器696的两个鉴相信号输出端口分别与PID电路板691和主控板692相连，时间间隔计数器697的时间间隔计数值输出端口与主控板692相连，然后PID电路板691的输出端口与光纤延迟线的电信号输入端口相连，而主控板的输出端口作为该光纤链路时延控制发射机的电信号输出端口602，同时光纤延迟线69的光输出端口作为光纤链路时延控制发射机的光输出端口601。本实施例中铷钟61一般具有多通道输出，另外多个光纤链路时延控制发射机可以共用一个铷钟。光纤链路时延控制发射机和光纤链路时延控制接收机匹配使用即可实现光纤链路的完全稳定，并将链路的时延值反馈给交换机的主控板，用于控制射频开关、光开关、时频信号发射机等其它器件，比如如果某一路光纤的时延发生了较大抖动或者变化，那么主控板就会发出控制信号到射频开关、光开关和两个时频信号发射机，使时频信号沿着与本地交换机或者时频信号源连接的另外一路光纤传输，从而达到保护倒换的目的。其时延稳定原理可参考文献：F.Yang,D.Xu,Q.Liu,etal..“AccuratetransmissionoftimeandfrequencysignalsoveropticalfibersbasedonWDMandtwowayopticalcompensationtechniques”,CLEO:ScienceandInnovations,California,CA,USA,JTu4A.99,2013。比如在本实施例中通过该方案实施之后，各光纤410、411、421、422、431、441、442都会处于稳定状态，其时延不会受到温度、振动等环境变化的影响。主控板除了根据反馈的时延值控制开关进行路由选择之外，还会对时频传输的各项标识信息，比如传输时延值、设备固定时延标校、相位误差值、经过的交换机编号、路由地址、硬件设备状态信息等各项信息进行处理，从而实现对整个网络的优化管理。同时交换机和时频信号源中的时频信号接收机的主要作用是实现时频信号在交换机或者时频信号源中的路由管控，对于微波时频信号，需要先对其进行光电转换，然后输入射频开关以便通过主控板控制其路由方向，而对于光波时频信号，不需要光电转换，可以直接进入光开关以便通过主控板控制其路由方向。该实施例中时频信号接收机实施原理结构如图7(a)所示，携带待传微波时频信号的光波进入光电探测器71，然后输出待传微波时频信号，而携带待传标识信号的光波进入光电探测器72，然后输出标识信号，标识信号包含该时频信号经过的交换机节点信息、完整时延信息等相关信息。如果时频信号中包含有光波时频信号，那么时频信号接收机应该增加光波通道，如图7(b)所示。另外交换机和时频信号源中的时频信号发射机的主要作用是实现时频信号在交换机或者时频信号源中的路由传输和中继放大。该实施例中时频信号发射机实施原理结构如图8(a)所示，输入的微波时频信号直接调制到低噪声激光器81上，标识信息调制到以太网发射光发射模块82上，然后进入交换机的输出波分复用器，从而形成输出光信号。如果时频信号中包含有光波时频信号，那么时频信号发射机应该增加光波通道，如图8(b)所示，如果传输距离较长，那么为了实现光波信号的中继放大，还应加入低噪声光放大器83，如图8(c)所示。当前第1页1 2 3