光纤传输通道时钟同步系统及其方法与流程

本发明涉及多路光纤传输通道的时钟同步方法和装置。

背景技术：

光纤作为一种新型的传输媒质，与传统的铜质电缆相比，具有许多明显的优点，如保密性好、抗电磁干扰、抗核辐射、尺寸小、重量轻等，使得光纤在民用和军用电子系统上得到了越来越多的应用。在雷达领域，作为相控阵雷达的一个重要发展方向，数字阵列雷达采用分布式发射与接收，收发节点数目多，传输数据量大，在工程上已经有利用光纤实现数字阵列雷达大容量数据传输的先例，但是由于采用等长光纤，使得应用范围大大缩小。采用不等长光纤作为数据传输通道，在工程上仍然存在许多问题需要解决。在电力系统领域，需要实时测定温度、电流等参数，如对高压变压器和大型电机的定子、转子温度的检测等，由于现场环境电磁干扰复杂，传统的铜导线数据传输效果差，将逐渐被光纤传输所替代，例如分布式光纤温度传感器就是近几年发展起来的一种用于实时测量空间温度场的高新技术。

由于光纤具有非常多的优点，使得诸如以上所述的分布式测控系统越来越多地采用光纤作为数据和时钟的传输媒介。所有测量节点在空间上彼此分离且相互之间无信息交互，所有测量节点与数据处理中心通过光纤进行物理连接。然而，分布式测控系统的各个传输通道存在光纤传输长度不等长、光纤性能对外部温湿度变化、机械振动非常敏感等诸多问题，使得分布式测控系统利用光纤实现大规模高速传输存在通道间的时钟不同步，时钟的不同步会导致测控节点之间无法做到同时发送和接收信号，恶化系统的整体性能，甚至导致系统无法正常工作。因此需要一套能够校正系统通道间时钟不一致性的校正方法和装置，但截至目前尚无可行的实现方案。

技术实现要素：

本发明要克服现有分布式测控系统利用光纤传输技术实现大规模数据传输时存在通道间时钟不一致性的问题，提出一种无需提前获取光纤长度，能自动测量并修正光纤传输通道时钟不一致性的光纤传输通道时钟同步系统和方法。

本发明的上述目的可以通过下述技术方案予以实现：

一种光纤传输通道时钟同步系统，包括：为不同远端节点分发时钟和SYNC 信号的时钟与SYNC处理子系统、用于完成信号的光/电、电/光转换及传输的信号传输子系统、用于实时调节时钟相位的时钟相位调节子系统、用于完成时钟和SYNC的相位重对齐的SYNC重采样子系统。

其中，所述的时钟与SYNC处理子系统包括：

时钟周期延迟分发模块，用于为每一个远端测量节点提供一路时钟信号。具有输出延迟粗调的相位失调选择功能，最小延迟步进等于输入时钟周期的一半。每个输出时钟都可以单独设置延迟量。该模块的输出延迟量的值由SYNC 分发和接收模块决定。

SYNC分发和接收模块，用于为每一个远端测量节点提供一路SYNC信号，同时接收每一个远端测量节点回发的SYNC信号。该模块可以测量出发送和接收的SYNC信号所经历的时钟周期数，该值决定了时钟周期延迟分发模块每一路输出的延迟量。

所述的信号传输子系统包括：

电转光模块，用于把以电信号形式存在的时钟信号、SYNC信号转化为光信号。

光纤传输模块，利用光纤，把时钟信号、SYNC信号从本地数据处理中心分发给不同的远端测量节点。

光转电模块，用于接收光纤传输模块的光信号，并转换为电信号。

所述的时钟相位调节子系统包括：

锁相环模块，用于比较发送的时钟、接收的时钟之间的相位差，输出与该相位差成正比的调节电压，控制可变相位延迟模块。

可变相位延迟模块，在时钟发送链路和时钟接收链路上各有一个可变相位延迟模块，该模块受锁相环模块的调节电压的控制，对输入的时钟信号进行相位延迟。

所述的SYNC重采样子系统，存在于每一个远端测量节点上，接收本地数据处理中心发送过来的时钟信号和SYNC信号，并把SYNC信号与时钟信号进行相位对齐。输出新的SYNC信号回传给本地数据处理中心。

所有远端测量节点把接收到的SYNC信号作为触发事件，当触发事件发生时，远端测量节点开始执行相应的测控任务。系统对远端测量节点的数目没有限制，不同远端测量节点与本地数据处理中心的距离没有限制。每个远端测量节点都与本地数据处理中心形成时钟信号、SYNC信号的收发回路。每个远端测量节点之间没有数据交换。由本地数据处理中心完成所有远端测量节点之间的时钟和SYNC信号同步。

进一步，所述SYNC分发和接收模块中，所述SYNC信号所经历的时钟周期数的测量方法为：在发送SYNC的同时，SYNC分发和接收模块把内部计数器清零，并在每个时钟信号的上升沿把计数器的值加1。当SYNC分发和接收模块接收到远端测量节点回发的SYNC信号时，计数器停止累加，把计数器的值发送给时钟周期延迟分发模块，对每一路时钟输出的周期延迟数进行调节。

更进一步，所述的信号传输子系统中，共有4类信号需要通过光纤进行传输，即本地数据处理中心发送给远端测量节点的时钟信号、SYNC信号，远端测量节点回发给本地数据处理中心的时钟信号、SYNC信号。所述的光纤传输模块有两种物理实现方式，其一是利用波分复用技术，把这4个信号分别调制到不同波长的载波上，并在一根光纤上进行传输，结构较复杂，但是可以节省光纤数目；其二是把这4个信号调制到相同波长的载波上，分别在不同的光纤上进行传输，结构简单，但是需要保证4根光纤等长。

最后，时钟与SYNC处理子系统运行在本地数据处理中心上，信号传输子系统运行在本地数据处理中心和远端测量节点上，时钟相位调节子系统运行在本地数据处理中心上，SYNC重采样子系统运行在远端测量节点上。

适用于前述的光纤传输通道时钟同步系统的方法，包括如下步骤：

步骤1、整个系统复位上电后，全局参考时钟输入时钟周期延迟分发模块2。 SYNC分发和接收模块1把时钟周期延迟分发模块2的输出延迟量设置为0，时钟周期延迟分发模块2无延迟地输出每一路参考时钟，一路参考时钟进入SYNC 分发和接收模块1，一路参考时钟进入锁相环模块3、可变相位延迟模块4a。

步骤2、进入可变相位延迟模块4a的参考时钟信号将通过电转光模块6a、光纤7a、光转电模块5a发送到远端测量节点。远端测量节点从光转电模块5a 的输出口获得参考时钟信号，并以此作为整个节点的参考时钟基准。该参考时钟此外还要分成两路，一路输入SYNC重采样模块8，另一路进入电转光模块 6b，并通过光纤回传给本地数据处理中心。

步骤3、由于光纤长度的随机性，锁相环模块3的两个输入信号之间的相位差随机分布于0°～360°之间。锁相环模块3内部的鉴相器比较两个输入信号之间的相位差，产生一个与该相位差成比例的信号。随后锁相环模块3内部的环路滤波器将鉴相器输出的含有纹波成分的直流信号平均化，将此变化为交流成分较少的直流信号，范围为0～5V，锁相环模块的最后一级是运算放大器构成的有源环路滤波器。该结构有两种选择，反相拓扑结构和正相拓扑结构。反相拓扑结构的输入阻抗低，相当于给前一级增加了负载，改变了锁相环模块的环路特性；同相拓扑结构的输入阻抗高，不会使前级承受负载；但是使用反相拓扑结构时，锁相环模块中的鉴相器必须具有极性反转功能，以抵消反相拓扑结构带来的相位反转效应。以正确的极性驱动可变相位延迟模块4。有源环路滤波器将输入的0～5V直流信号放大为0～12V直流信号，同时输入两个可变相位延迟模块4a、4b。

步骤4、可变相位延迟模块4a、4b根据输入的直流信号的大小改变相位延迟量，使可变相位延迟模块4a、4b的输出时钟相对于输入时钟产生0～180°范围内的相位延迟。当直流信号值为0V时，可变相位延迟模块4的相位延迟量为 0°，当直流信号值为12V时，可变相位延迟模块4的相位延迟量略大于180°；从本地数据处理中心到远端测量节点的路径有1个可变相位延迟模块4a，从远端测量节点到本地数据处理中心的路径上也有1个可变相位延迟模块4b，整个时钟传输回路上就包含两个可变相位延迟模块4a、4b，可以覆盖0～360°一个完整周期的时钟相位偏移量。

步骤5、当可变相位延迟模块4a、4b改变自身的相位延迟量时，远端测量节点上的参考时钟基准信号的相位也相应的发生变化。直到锁相环模块3的两个输入信号的相位差为0°，此时锁相环模块3的输出直流信号不再变化，可变相位延迟模块4a、4b的相位延迟量也不再变化，远端测量节点的参考时钟基准信号与时钟周期延迟分发模块2输出的参考时钟相位对齐。

步骤6、由于光纤长度的不一致性，还会带来远端本地数据处理中心发送的 10MHz参考时钟需要在光纤上经历不同的时钟周期数才能到达每个远端测量节点。此时系统需要启动SYNC分发和接收模块1测量时钟周期数。SYNC分发和接收模块1在参考时钟的上升沿，将SYNC信号置高，同时启动内部的计数器，在每一个参考时钟的上升沿将计数器的值加1。电转光模块6c将该SYNC 信号转化为光信号，并通过光纤传输到远端测量节点，由光转电模块5c将SYNC 信号变为电信号，并送入SYNC重采样模块8。由于SYNC分发和接收模块1 发送的SYNC信号与参考时钟的上升沿是对齐的，发送参考时钟的链路比发送 SYNC的链路多了一个可变相位延迟模块4a，使得到达远端测量节点的参考时钟比SYNC信号滞后了0～180°范围内的随机相位，远端测量节点上的SYNC 重采样模块8作用是消除这个随机相位偏差，使得输出的SYNC信号重新实现与参考时钟的上升沿对齐，如附图5所示。SYNC再回传给本地数据处理中心的 SYNC分发和接收模块1，此时SYNC分发和接收模块1停止内部计数器，计数器的当前值即为参考时钟在单根光纤上经历的时钟周期数的两倍。

步骤7、SYNC分发和接收模块1依据步骤6获得了所有远端测量节点与本地数据处理中心互连的光纤上经历的时钟周期数，计算出时钟周期延迟分发模块2每一个输出时钟端口相对于全局参考时钟的周期延迟数。例如当第一远端测量节点与本地数据处理中心互连的光纤长度为65米，第二远端测量节点与本地数据中心互连的光纤长度为85米时，SYNC分发和接收模块1测得的对应于第一远端测量节点的时钟周期延迟数为8，对应于第二远端测量节点的时钟周期延迟数为10。此时时钟周期延迟分发模块2设定每个输出端口的周期延迟数，补偿光纤带来的时钟周期延迟数的不一致性，若记时钟周期延迟分发模块2输出给第一远端测量节点的延迟数为N1，输出给第二远端测量节点的延迟数为N2，那么满足8+N1＝10+N2。

本发明的有益效果主要表现在：

1)本发明不需要增加额外的光纤传输通道，仅靠光纤时钟传输通道上的锁相环和可变相位延迟模块，就可以实现所有远端测量节点与本地数据处理中心的时钟信号的边沿对齐功能；

2)仅利用SYNC信号和时钟信号就能完成所有远端测量节点之间的时钟周期不一致性校正功能；

3)SYNC信号可以兼做所有远端测量节点的触发命令，完成所有节点的同步采样和输出功能；

4)本发明能适应各种长度的光纤传输通道，采用光纤作为传输媒介，抗电磁干扰和保密性强；各节点之间无需任何物理电气连接，系统结构简单，工程实现容易。

附图说明

图1是本发明光纤传输通道时钟同步系统示意图。

图2是本发明校正模块布局及互连方式示意图，其中细实线代表时钟路径，细虚线代表SYNC路径。

图3是本发明有源环路滤波器的反相拓扑结构。

图4是本发明有源环路滤波器的正相拓扑结构。

图5是本发明SYNC重采样模块功能示意图。

图6是可控相位延迟模块控制电压与相位延迟量的关系。

具体实施方式

下面结合附图对发明进一步说明。

本发明的一种常见应用场景如图1所示，系统存在多个离散分布的远端测量节点，它们分别通过不等长的光纤和本地数据处理中心进行互连。本地数据处理中心负责把时钟信号和作为触发事件的SYNC信号传送给所有的远端测量节点。系统要求到达所有远端测量节点的时钟保持相位一致性，同时所有SYNC 信号能在同一时刻到达所有的远端测量节点。

参照图1和图2，一种光纤传输通道时钟同步系统，包括：为不同远端节点分发时钟和SYNC信号的时钟与SYNC处理子系统、用于完成信号的光/电、电 /光转换及传输的信号传输子系统、用于实时调节时钟相位的时钟相位调节子系统、用于完成时钟和SYNC的相位重对齐的SYNC重采样子系统。

其中时钟与SYNC处理子系统包括：时钟周期延迟分发模块1、SYNC分发和接收模块2；信号传输子系统包括：电转光模块6、光纤传输模块7、光转电模块5；时钟相位调节子系统包括：锁相环模块3、可变相位延迟模块4。

由于所有远端测量节点的结构是一样的，因此仅对一个远端测量节点进行阐述。方法同样适用于其他远端测量节点。

图2的时钟周期延迟分发模块2产生系统参考时钟信号，同时送给SYNC 分发和接收模块1的第一输入口、锁相环模块3的第一输入口、可变相位延迟模块4a的输入口；可变相位延迟模块4a输出的时钟信号在经过电转光模块6a、光纤传输通道7a、光转电模块5a之后到达远端测量节点；远端测量节点将CLK 信号分成3路，一路作为远端测量节点的参考时钟，一路进入SYNC重采样模块8的第一输入口，另一路经过电转光模块6b、光纤传输通道7b、光转电模块 5b、可变相位延迟模块4b后进入锁相环模块3的第二输入口；锁相环模块3通过比较第一输入口和第二输入口的时钟信号的相位差，输出与该相位差成正比的调节电压，控制两个可变相位延迟模块4a、4b，从而改变两个可变相位延迟模块4a、4b的相移量，直至锁相环模块3两个输入口的信号之间的相位差为0，整个回路处于动态平衡状态，可变相位延迟模块4a、4b的相移量不再变化，远端测量节点的参考时钟与本地数据处理中心的参考时钟的相位差为0；由于采用多组远端测量节点，不同测量节点使用不等长光纤和本地数据处理中心相连，上述方法可以保证每一个远端测量节点的参考时钟与本地数据处理中心的参考时钟的相位差为0，但是不等长光纤会导致从本地数据处理中心发送的同一个参考时钟要经历不同的参考时钟周期数到达不同的远端测量节点；当需要测量并校正该周期数时，由SYNC分发和接收模块1产生SYNC信号，该SYNC信号与参考时钟上升沿对齐；SYNC信号经过电转光模块6c、光纤传输通道7c、光转电模块5c后进入远端测量节点上的SYNC重采样模块8的第二输入口；SYNC 重采样模块8在第一输入口的参考时钟的上升沿对第二输入口的SYNC信号进行重采样，用以消除可变相位延迟模块4a带来的参考时钟与SYNC的相位差； SYNC重采样模块8输出新的SYNC信号分成两路，一路作为远端测量节点上的SYNC信号，另一路经过电转光模块6d、光纤传输通道7d、光转电模块5d 进入SYNC分发和接收模块1；SYNC分发和接收模块1通过记录发送SYNC 与接收SYNC之间的参考时钟数目，就可以知道本地数据处理中心与不同的远端测量节点之间的参考时钟周期数；SYNC分发和接收模块1控制时钟周期延迟分发模块2，使时钟周期延迟分发模块2针对不同的远端测量节点，补偿不一样的时钟周期延迟数，最终使得不同的远端测量节点相对于全局参考时钟9有一样的参考时钟周期延迟量。

参阅图1。在以下描述的实施例中，光纤传输通道时钟同步系统包括一个本地数据处理中心、多个远端测量节点，每个节点各使用一组4根光纤与本地数据处理中心进行时钟传输和SYNC控制。每组光纤之间不等长，每组光纤内部的4根光纤保证等长。本地数据处理中心需要将10MHz参考时钟传输到远端测量节点，由于与本地数据处理中心互连的光纤长度分布于60米～120米，光纤中的信号传输速率约为2×10⁸m/s，故10MHz时钟波长约为2×10⁸/(10× 10⁶)m＝20m，相当于光纤上有3～6个周期的时钟信号。即使本地数据处理中心在同一时刻将参考时钟分发给不同的远端测量节点，经过不等长光纤的作用，参考时钟也会在不同时刻到达不同的远端测量节点，从而导致不同的远端测量节点之间时钟不同步。同样的问题也存在于SYNC信号，由于SYNC信号用来向不同的远端测量节点发送同步信号，经过不等长光纤的作用，SYNC信号同样会在不同时刻到达不同的远端测量节点，导致不同的远端测量节点之间SYNC信号不同步。

以第一远端测量节点和本地数据处理中心为例，参阅图2，具体实施步骤如下：

1、整个系统复位上电后，全局参考时钟输入时钟周期延迟分发模块2。SYNC 分发和接收模块1把时钟周期延迟分发模块2的输出延迟量设置为0，时钟周期延迟分发模块2无延迟地输出每一路参考时钟，一路参考时钟进入SYNC分发和接收模块1，一路参考时钟进入锁相环模块3、可变相位延迟模块4a。

2、进入可变相位延迟模块4a的参考时钟信号将通过电转光模块6a、光纤 7a、光转电模块5a发送到远端测量节点。远端测量节点从光转电模块5a的输出口获得参考时钟信号，并以此作为整个节点的参考时钟基准。该参考时钟此外还要分成两路，一路输入SYNC重采样模块8，另一路进入电转光模块6b，并通过光纤回传给本地数据处理中心。

3、由于光纤长度的随机性，锁相环模块3的两个输入信号之间的相位差随机分布于0°～360°之间。锁相环模块3内部的鉴相器比较两个输入信号之间的相位差，产生一个与该相位差成比例的信号。随后锁相环模块3内部的环路滤波器将鉴相器输出的含有纹波成分的直流信号平均化，将此变化为交流成分较少的直流信号，范围为0～5V，锁相环模块的最后一级是运算放大器构成的有源环路滤波器。该结构有两种选择，反相拓扑结构和正相拓扑结构。反相拓扑结构的输入阻抗低，相当于给前一级增加了负载，改变了锁相环模块的环路特性，如附图3所示。同相拓扑结构的输入阻抗高，不会使前级承受负载，如附图4 所示。但是使用反相拓扑结构时，锁相环模块中的鉴相器必须具有极性反转功能，以抵消反相拓扑结构带来的相位反转效应。以正确的极性驱动可变相位延迟模块4。有源环路滤波器将输入的0～5V直流信号放大为0～12V直流信号，同时输入两个可变相位延迟模块4a、4b。

4、可变相位延迟模块4a、4b根据输入的直流信号的大小改变相位延迟量，使可变相位延迟模块4a、4b的输出时钟相对于输入时钟产生0～180°范围内的相位延迟。当直流信号值为0V时，可变相位延迟模块4的相位延迟量为0°，当直流信号值为12V时，可变相位延迟模块4的相位延迟量略大于180°。可变相位延迟模块的控制电压与相位延迟量的关系如附图6所示。因为从本地数据处理中心到远端测量节点的路径有1个可变相位延迟模块4a，从远端测量节点到本地数据处理中心的路径上也有1个可变相位延迟模块4b，整个时钟传输回路上就包含两个可变相位延迟模块4a、4b，可以覆盖0～360°一个完整周期的时钟相位偏移量。

5、当可变相位延迟模块4a、4b改变自身的相位延迟量时，远端测量节点上的参考时钟基准信号的相位也相应的发生变化。直到锁相环模块3的两个输入信号的相位差为0°，此时锁相环模块3的输出直流信号不再变化，可变相位延迟模块4a、4b的相位延迟量也不再变化，远端测量节点的参考时钟基准信号与时钟周期延迟分发模块2输出的参考时钟相位对齐。

6、由于光纤长度的不一致性，还会带来远端本地数据处理中心发送的 10MHz参考时钟需要在光纤上经历不同的时钟周期数才能到达每个远端测量节点。此时系统需要启动SYNC分发和接收模块1测量时钟周期数。SYNC分发和接收模块1在参考时钟的上升沿，将SYNC信号置高，同时启动内部的计数器，在每一个参考时钟的上升沿将计数器的值加1。电转光模块6c将该SYNC 信号转化为光信号，并通过光纤传输到远端测量节点，由光转电模块5c将SYNC 信号变为电信号，并送入SYNC重采样模块8。由于SYNC分发和接收模块1 发送的SYNC信号与参考时钟的上升沿是对齐的，发送参考时钟的链路比发送 SYNC的链路多了一个可变相位延迟模块4a，使得到达远端测量节点的参考时钟比SYNC信号滞后了0～180°范围内的随机相位，远端测量节点上的SYNC 重采样模块8作用是消除这个随机相位偏差，使得输出的SYNC信号重新实现与参考时钟的上升沿对齐，如附图5所示。SYNC再回传给本地数据处理中心的 SYNC分发和接收模块1，此时SYNC分发和接收模块1停止内部计数器，计数器的当前值即为参考时钟在单根光纤上经历的时钟周期数的两倍。

7、SYNC分发和接收模块1依据步骤6获得了所有远端测量节点与本地数据处理中心互连的光纤上经历的时钟周期数，计算出时钟周期延迟分发模块2 每一个输出时钟端口相对于全局参考时钟的周期延迟数。例如当第一远端测量节点与本地数据处理中心互连的光纤长度为65米，第二远端测量节点与本地数据中心互连的光纤长度为85米时，SYNC分发和接收模块1测得的对应于第一远端测量节点的时钟周期延迟数为8，对应于第二远端测量节点的时钟周期延迟数为10。此时时钟周期延迟分发模块2设定每个输出端口的周期延迟数，补偿光纤带来的时钟周期延迟数的不一致性，若记时钟周期延迟分发模块2输出给第一远端测量节点的延迟数为N1，输出给第二远端测量节点的延迟数为N2，那么满足8+N1＝10+N2。

8、由于SYNC信号与参考信号所使用的光纤等长，SYNC信号与参考时钟在光纤上的传播时间一样，SYNC分发和接收模块1可以利用参考时钟信号在光纤上经历的时钟周期数，调节发送给不同的远端测量节点的SYNC信号发送间隔，使得所有SYNC信号可以在同一时间到达所有的远端测量节点。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。