一种基于双向扩频测距的光纤时间频率传递方法、装置及系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及时频测控领域，尤其涉及大型地面站分布式组网系统的时间同步技术，特别是在高精度时间同步技术范畴提出了一种基于双向扩频测距的光纤时间频率传递方法、装置及系统。
【背景技术】
[0002]在大型地面站(如:卫星导航系统、移动通信系统等)分布式组网机房之间进行时频信号传输时，实现传递前端节点与接收终端节点远距离高保真的时频信号传递是非常重要的，它要求传递到接收终端节点的时频信号在较长的距离内实现阻抗匹配、较低的幅度损耗、较少的噪声插损、较高的时间同步精度等的信号指标需求。
[0003]光纤时间频率传递技术因其传输衰减小、稳定度插损少、实现成本低、配置简单、方便灵活，在实现大型地面站系统组网时频信号传输时是一种比较理想的传递手段。其技术特点是将传递前端节点的时频信号通过光纤传递到接收终端节点，然后接收终端节点对接收到的时频信号进行再生式恢复、放大及分配，最后得到满足接收终端节点指标要求的各类时间频率信号。这种技术可以补偿长距离传输对信号质量的衰减，提供与传递前端节点相当的信号指标，保证了接收终端的信号质量。
[0004]在光纤时间频率传递技术中，由于距离较远使得传递前端节点与接收终端节点之间的时频信号无法直接恢复和测量，需要解决远程的时频信号传递、数据传递问题;此外，接收终端节点对时频信号进行恢复后的相位是任意的，这就要通过相位测控技术实现节点之间的相位及时间同步。
[0005]在光纤时间频率信号传递技术中目前常用的方法有单向传递法、双向环路传递法、双向比对传递法。单向传递法实现较为简单，传递前端节点将自己的时间频率信号以数字编码方式通过光模块传递给接收终端节点，接收终端节点恢复时频信号后对终端节点的用户进行单向时间同步，这种方法的同步精度最高只能到纳秒量级。双向环路传递法是将的传递前端节点的时间频率通过数字调制经过光模块传输到接收终端节点，接收终端节点恢复时频信号后再将恢复的信号反向回传到传递前端节点，传递前端节点的时间间隔计数器测量两个时频信号之间的来得到环路总时延，最后估算接收终端节点的与传递前端节点的时差并对发送终端节点进行时差补偿，实现时间同步。这种方法因为来回链路是对称的，比对精度也很高，可以优于0.5纳秒;但缺点主要是因为是在发送前端对链路传递时延补偿进行调整，当链路传递较远时存在调整滞后问题，影响接收终端的信号指标。
[0006]目前的双向比对传递法采用的是传递前端节点和接收终端节点互相收发时间信号(如1PPS、时间码)，收发信号一般通过复用技术耦合在一根光纤中传递，在恢复接收到的对方时间后，通过本地的时间间隔计数器测量两个时间信号之间相位差，然后交换对方的时延数据，利用时间比对算法得到与对方的时间差，通过本地相位调整与对方进行时间同步；另外，该方法结合单向时间频率传递法特点将传递前端节点的频率信号传递给接收终端节点，实现频率信号传递。目前，光纤双向时间频率传递法同步精度最高，参考国内外光纤双向时间比对应用研究报告，同步精度一般会优于0.1纳秒。
[0007]由于光纤双向时间频率传递比对法是在一根光纤内利用复用技术进行双向传输，双向比对的正向和反向链路对称，可有效抵消链路传输延时误差，得到较高的双向时间比对精度。但传统光纤双向比对方法对时频信号(如IPPS信号、B码信号)相位的编码和恢复影响比对精度，并且在双向比对过程中需要另外建立双向比对数据交换传输链路，导致装置实现复杂。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是针对上述光纤时间频率信号传递中传统双向时间比对法面对的一些困难，提出了一种基于双向扩频测距的光纤时间频率传递方法、装置及系统，解决大型地面站光纤拉远系统中时间频率信号传递及同步的问题。
[0009]本发明采用的技术方案是:
[0010]一种基于双向扩频测距的光纤时间频率传递系统，包括传递前端节点和接收终端节点以及连接在传递前端节点和接收终端节点之间的一条光纤传递链路;所述传递前端节点和接收终端节点的组成结构相同均分别包括一个双向时间比对模块、一个扩频发射模块、一个扩频码生成模块、一个扩频接收模块、两个模拟电光转换器(分别为1#模拟电光转换器和2#模拟电光转换器)、两个模拟光电转换器(分别为1#模拟光电转换器和2#模拟光电转换器)、一个波分复用器、一个频率恢复模块和一个时间生成与同步模块；
[0011 ]在传递前端节点中，扩频码生成模块接收本地时间基准IPPSA和本地频率基准fc，扩频码生成模块的输出端分别与扩频发射模块和扩频接收模块连接，扩频接收模块的输入端连接扩频码生成模块和1#光电转换器，双向时间比对模块的输入端与扩频接收模块连接，所述双向时间比对模块有两个输出端，其中一个输出端与扩频发射模块连接，另一个输出端与频率恢复模块连接，扩频发射模块的输入端与双向时间对比模块和扩频码生成模块连接，扩频发射模块的输出端与1#模拟电光转换器连接，波分复用器与1#模拟电光转换器、2#模拟电光转换器、1#光电转换器和2#光电转换器连接，频率恢复模块的输入端连接双向时间比对模块和2#光电转换器，频率恢复模块的输出端连接时间生成与同步模块；
[0012]在接收终端节点中，扩频码生成模块接收本地时间基准IPPSB和本地频率基准fg，扩频码生成模块的输出端分别与扩频发射模块和扩频接收模块连接，扩频接收模块的输入端连接扩频码生成模块和1#光电转换器，双向时间比对模块的输入端与扩频接收模块连接，所述双向时间比对模块有两个输出端，其中一个输出端与扩频发射模块连接，另一个输出端与频率恢复模块连接，扩频发射模块的输入端与双向时间对比模块和扩频码生成模块连接，扩频发射模块的输出端与1#模拟电光转换器连接，波分复用器与1#模拟电光转换器、2#模拟电光转换器、1#光电转换器和2#光电转换器连接，频率恢复模块的输入端连接双向时间比对模块和2#光电转换器，频率恢复模块的输出端连接时间生成与同步模块。
[0013]—个模拟电光转换器和一个模拟光电转换器为一对收发光模块，传递前端节点中的两个模拟电光转换器和两个模拟光电转换器组成两对收发光模块，在接收终端节点中的两个模拟电光转换器和两个模拟光电转换器组成两对收发光模块，传递前端节点中的一对收发光模块和接收终端节点中的一对收发光模块用于双向传递频率基准信号，传递前端节点中的另一对收发光模块和接收终端节点中的另一对收发光模块用于双向比对传递时间基准信号;传递前端节点和接收终端节点中的波分复用器均为四波分复用器，用于将上述四对收发光模块中的双向比对传递时间基准信号及频率基准复用在一根光纤中，实现传递前端节点与接收终端节点之间时间基准、频率基准的全双工信号传递。
[0014]在传递前端节点中，扩频码生成模块130根据本地时间基准IPPSA的相位控制发射的扩频码信号初相，然后利用本地频率基准f。控制扩频码的速率，并将该扩频码输出至扩频发射模块120及扩频接收模块140; 1#光电转换器161将从光纤传递链路接收的来自接收终端节点的光信号转换成模拟中频调制电信号后输出给扩频接收模块140，扩频接收模块140将该模拟中频调制电信号进行解调解扩，并把解调出来的扩频码和本地扩频码生成模块130输出的扩频码进行扩频伪码相关运算，得到本地时间基准IPPSA与光纤传递前时间基准IPPSB的扩频伪码测量时间比对值Ta，并将该值Ta与接收数据中恢复的接收终端节点扩频伪码测量时间比对值Tb送至双向时间比对模块110;双向时间比对模块110利用接收扩频接收模块140传递过来的Ta、Tb，求得接收终端节点与传递前端节点的时差Tab为:Tab = (Ta+Tb ) /2，双向时间比对模块110将其测量出的时差Tab输出给频率恢复模块180;同时双向时间比对模块110将包含Ta、Tb、Tab的通信数据输出给扩频发射模块120;扩频发射模块120接收来自双向时间对比模块110输出的通信数据(包含Ta、Tb、Tab)与扩频码生成模块130输出的扩频码进行异或相加生成扩频组合码，再通过BPSK(双相移位键控)调制方法将扩频组合码调制在本地载波f。上，最终通过1#模拟电光转换器151将中频调制信号转换为光信号后，通过波分复用器170以及光纤传递链路播发给接收终端节点;频率恢复模块180用于恢复接收终端节点的频率基准，2#光电转换器162将从光纤传递链路接收的来自接收终端节点的光信号转换成模拟中频电信号后输出fg—η给频率恢复模块，频率恢复模块180接收双向时间比对模块110传递的时差Tab，并利用该时差Tab对恢复后生成的频率基准fg—η进行相位、频差补偿，得到与光纤链路传递前频率基准fg相当指标的频率基准信号fg」。时间生成与同步模块190用于恢复传递前端节点的时间基准1PPSB_1，它利用