本發(fā)明屬于時(shí)間同步技術(shù)領(lǐng)域，涉及高精度時(shí)間間隔測量方法，尤其是一種應(yīng)用于光纖時(shí)間傳遞的高精度時(shí)間間隔測量方法及裝置。

背景技術(shù)：

在諸多時(shí)間同步方法中，光纖時(shí)間傳遞的方法可以達(dá)到較高的的同步精度，而且設(shè)備價(jià)格遠(yuǎn)低于衛(wèi)星雙向比對法，所以光纖時(shí)間傳遞方法有廣闊的應(yīng)用前景。要實(shí)現(xiàn)高精度的光纖時(shí)間傳遞，首先要對時(shí)間信號在光纖中的傳輸時(shí)延進(jìn)行精確測量，然后根據(jù)測量的結(jié)果對時(shí)間信號進(jìn)行準(zhǔn)確地控制，從而達(dá)到高精度的同步。制約光纖時(shí)間傳遞的同步精度的一個(gè)重要因素是對時(shí)間信號傳輸時(shí)延的測量，也就是時(shí)間間隔測量。

目前，光纖時(shí)間傳遞中用到時(shí)間間隔測量的方法很多，常用的有TDC芯片法、FPGA法、時(shí)間間隔測量模塊法、通用計(jì)數(shù)器法等。但是這些方法在光纖時(shí)間傳遞中都有些不足。采用TDC芯片法，雖然成本低、體積小，但是其測量范圍小，約為幾百ns～到幾ms難以滿足長距離使用，而且測量精度只能到22ps；采用FPGA法，成本低、體積小測量范圍大，但是測量精度低只能達(dá)到幾百ps；采用時(shí)間間隔測量模塊法，例如安捷倫的U1050A，雖然精度高達(dá)5ps，但是成本太高采用通用計(jì)數(shù)器法，如SR620和安捷倫53230，其測量精度可以達(dá)到20ps，測量范圍也能很大，但是體積大成本高，不適合在光纖時(shí)間傳遞設(shè)備中使用。

本發(fā)明提出了一種應(yīng)用于光纖時(shí)間傳遞的高精度時(shí)間間隔測量方法，其適用于光纖時(shí)間傳遞中，而且所傳遞的時(shí)間信號和頻率信號是同源的情況。本發(fā)明充分考慮光纖時(shí)間傳遞系統(tǒng)的特點(diǎn)，利用傳遞過程頻率信號與時(shí)間信號的相關(guān)性，采用脈沖填充粗測和頻率信號鑒相細(xì)測想結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了高精度時(shí)間間隔測量，測量精度可達(dá)3ps，測量范圍可達(dá)±10000s，而且成本低易于集成，非常適合在光纖時(shí)間傳遞設(shè)備中應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種應(yīng)用于光纖時(shí)間傳遞的高精度時(shí)間間隔測量方法及裝置，其充分考慮光纖時(shí)間傳遞系統(tǒng)的特點(diǎn)，利用傳遞過程頻率信號與時(shí)間信號的相關(guān)性，采用脈沖填充粗測和頻率信號鑒相細(xì)測想結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了高精度時(shí)間間隔測量，而且成本低易于集成。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明首先提出一種應(yīng)用于光纖時(shí)間傳遞的高精度時(shí)間間隔測量方法，采用脈沖填充的方法完成對被測時(shí)間間隔的粗測；采用本振頻率信號與恢復(fù)出的載波頻率信號進(jìn)行鑒相的方法完成對所述被測時(shí)間間隔的細(xì)測；運(yùn)算單元結(jié)合粗測和細(xì)測的結(jié)果，修正系統(tǒng)誤差后得到對時(shí)間間隔的精確測量結(jié)果。

本發(fā)明還提出一種實(shí)現(xiàn)上述應(yīng)用于光纖時(shí)間傳遞的高精度時(shí)間間隔測量方法的時(shí)間間隔測量裝置：包括光電探測器，所述光電探測器的輸入端連接光纖，光電探測器的輸出端一路連接有載波恢復(fù)器，另一路連接有解碼器；所述載波恢復(fù)器的輸出連接有線性鑒相器，所述線性鑒相器的輸出連接有AD轉(zhuǎn)換器；所述解碼器的輸出端連接有脈沖填充測量器，所述脈沖填充測量器的輸出端連接有運(yùn)算單元的輸入端，所述運(yùn)算單元的輸入端還與AD轉(zhuǎn)換器的輸出端連接；所述運(yùn)算單元的輸出端作為時(shí)間間隔測量結(jié)果輸出；所述脈沖填充測量器的輸入端還連接有N倍頻器，所述N倍頻器和線性鑒相器均輸入有同一參考頻率信號。

進(jìn)一步，以上所述裝置的工作過程具體包括以下步驟：

1)來自光纖的光信號經(jīng)過光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號；

2)將步驟1)所述的電信號分為兩路，其中一路輸入到解碼器進(jìn)行解碼，得到時(shí)間信號；另外一路輸入到載波恢復(fù)器，所述載波恢復(fù)器恢復(fù)出與所述時(shí)間信號相關(guān)的頻率信號；

3)參考頻率信號分為兩路，第一路輸入到N倍頻器中，產(chǎn)生N倍于參考頻率信號的信號，此處N為正整數(shù)，第二路與步驟2)中恢復(fù)出的頻率信號一起輸入到線性鑒相器中；

4)參考時(shí)間信號與步驟2)所述的解碼器得到的時(shí)間信號一起輸入到脈沖填充測量器中；步驟3)所述N倍于參考頻率信號的信號，作為填充時(shí)鐘信號也輸入到脈沖填充測量器中，測得參考時(shí)間信號與步驟2)所述的解碼器得到的時(shí)間信號的時(shí)間間隔的粗測結(jié)果；

5)將步驟3)的線性鑒相器輸出的相位差信息經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為相位差的數(shù)值；

6)運(yùn)算單元根據(jù)步驟5)得到的相位差的數(shù)值計(jì)算出參考時(shí)間信號與步驟2)所述的解碼器得到的時(shí)間信號的時(shí)間間隔的細(xì)測結(jié)果；

7)運(yùn)算單元根據(jù)步驟4)得到的粗測結(jié)果、步驟6)得到的細(xì)測結(jié)果，以及系統(tǒng)誤差，計(jì)算出精確的時(shí)間間隔測量結(jié)果。

進(jìn)一步，以上步驟3)中，N為大于3的正整數(shù)。

進(jìn)一步，上述N倍頻器為4倍頻器。

本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明采用脈沖填充的方法完成對被測時(shí)間間隔的粗測；采用本振頻率信號與恢復(fù)出的載波頻率信號進(jìn)行鑒相的方法完成對所述被測時(shí)間間隔的細(xì)測；運(yùn)算單元結(jié)合所述粗測和細(xì)測的結(jié)果，修正系統(tǒng)誤差后得到對所述時(shí)間間隔的精確測量結(jié)果。本發(fā)明適用于光纖時(shí)間傳遞中，而且所傳遞的時(shí)間信號和頻率信號是同源的情況。本發(fā)明在脈沖填充的方法完成對被測時(shí)間間隔的粗測的基礎(chǔ)上，利用頻率信號與時(shí)間信號的相關(guān)性，采用本振頻率信號與恢復(fù)出的載波頻率信號進(jìn)行鑒相的方法法完成對所述被測時(shí)間間隔的細(xì)測，大大提高了時(shí)間間隔測量的分辨率，再經(jīng)過運(yùn)算單元對系統(tǒng)誤差的修正，最終得到了精確的測量結(jié)果。目前時(shí)間間隔測量的精度一般難以優(yōu)于20ps，而本發(fā)明的時(shí)間間隔測量精度可以達(dá)到3ps。與現(xiàn)有的時(shí)間間隔測量方法相比，本發(fā)明具有測量精度高，成本低的特點(diǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明時(shí)間間隔測量器的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為光纖時(shí)間傳遞裝置圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明首先提出一種應(yīng)用于光纖時(shí)間傳遞的高精度時(shí)間間隔測量方法：該方法采用脈沖填充的方法完成對被測時(shí)間間隔的粗測；采用本振頻率信號與恢復(fù)出的載波頻率信號進(jìn)行鑒相的方法完成對所述被測時(shí)間間隔的細(xì)測；運(yùn)算單元結(jié)合粗測和細(xì)測的結(jié)果，修正系統(tǒng)誤差后得到對時(shí)間間隔的精確測量結(jié)果。

為了實(shí)現(xiàn)以上方法，本發(fā)明提出一種時(shí)間間隔測量裝置，如圖1所示：包括光電探測器，所述光電探測器的輸入端連接光纖，光電探測器的輸出端一路連接有載波恢復(fù)器，另一路連接有解碼器；所述載波恢復(fù)器的輸出連接有線性鑒相器，所述線性鑒相器的輸出連接有AD轉(zhuǎn)換器；所述解碼器的輸出端連接有脈沖填充測量器，所述脈沖填充測量器的輸出端連接有運(yùn)算單元的輸入端，所述運(yùn)算單元的輸入端還與AD轉(zhuǎn)換器的輸出端連接；所述運(yùn)算單元的輸出端作為時(shí)間間隔測量結(jié)果輸出；所述脈沖填充測量器的輸入端還連接有N倍頻器，所述N倍頻器和線性鑒相器均輸入有同一參考頻率信號。該裝置的工作過程具體包括以下步驟：

1)來自光纖的光信號經(jīng)過光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號；

2)將步驟1)所述的電信號分為兩路，其中一路輸入到解碼器進(jìn)行解碼，得到時(shí)間信號；另外一路輸入到載波恢復(fù)器，所述載波恢復(fù)器恢復(fù)出與所述時(shí)間信號相關(guān)的頻率信號；

3)參考頻率信號分為兩路，第一路輸入到N倍頻器中，產(chǎn)生N倍于參考頻率信號的信號，此處N為正整數(shù)，第二路與步驟2)中恢復(fù)出的頻率信號一起輸入到線性鑒相器中；

4)參考時(shí)間信號與步驟2)所述的解碼器得到的時(shí)間信號一起輸入到脈沖填充測量器中；步驟3)所述N倍于參考頻率信號的信號，作為填充時(shí)鐘信號也輸入到脈沖填充測量器中，測得參考時(shí)間信號與步驟2)所述的解碼器得到的時(shí)間信號的時(shí)間間隔的粗測結(jié)果；

5)將步驟3)的線性鑒相器輸出的相位差信息經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為相位差的數(shù)值；

6)運(yùn)算單元根據(jù)步驟5)得到的相位差的數(shù)值計(jì)算出參考時(shí)間信號與步驟2)所述的解碼器得到的時(shí)間信號的時(shí)間間隔的細(xì)測結(jié)果；

7)運(yùn)算單元根據(jù)步驟4)得到的粗測結(jié)果、步驟6)得到的細(xì)測結(jié)果，以及系統(tǒng)誤差，計(jì)算出精確的時(shí)間間隔測量結(jié)果。

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：

參見圖1：假定源端發(fā)射站的參考時(shí)間信號為1PPS(one pulse per second)信號，頻率信號為10MHz信號。具體的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)如下：

1、來自光纖的光信號經(jīng)過光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號。

2、步驟1所述的電信號分為兩路，其中一路輸入到解碼器進(jìn)行解碼，得到1PPS時(shí)間信號；另外一路輸入到載波恢復(fù)器，所述載波恢復(fù)器恢復(fù)出與所述1PPS時(shí)間信號相關(guān)的10MHz頻率信號。

3、參考10MHz分為兩路，第一路輸入到4倍頻器中，產(chǎn)生40MHz頻率信號；第二路與步驟2中所述的恢復(fù)出的10MHz頻率信號一起輸入到線性鑒相器中。

4、參考1PPS時(shí)間信號與步驟2所述的解碼器得到的1PPS時(shí)間信號一起輸入到脈沖填充測量器中。步驟3所述40Mz頻率信號，作為填充時(shí)鐘信號也輸入到脈沖填充測量器中，測得參考1PPS時(shí)間信號與步驟2所述的解碼器得到的1PPS時(shí)間信號的時(shí)間間隔的粗測結(jié)果。

5、步驟3所述線性鑒相器，其輸出的相位差信息經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換器(模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器)轉(zhuǎn)換為相位差的數(shù)值。

6、運(yùn)算單元根據(jù)步驟5得到的相位差的數(shù)值計(jì)算出參考1PPS時(shí)間信號與步驟2所述的解碼器得到的1PPS時(shí)間信號的時(shí)間間隔的細(xì)測結(jié)果。

7、運(yùn)算單元根據(jù)步驟4得到的粗測結(jié)果、步驟6得到的細(xì)測結(jié)果，以及系統(tǒng)誤差，計(jì)算出精確的時(shí)間間隔測量結(jié)果。

圖2為光纖時(shí)間傳遞裝置圖，本發(fā)明的光纖時(shí)間傳遞裝置的另一實(shí)施例工作步驟如下：

1、參考10MHz信號、參考1PPS信號和時(shí)間間隔測量器輸出的時(shí)間間隔測量結(jié)果數(shù)據(jù)一起輸入到編碼器；

2、步驟1的編碼器輸出的信號作為激光器的調(diào)制信號；

3、步驟2的激光器輸出的光信號通過環(huán)形器1輸入到光纖鏈路，并通過環(huán)形器2輸出；

4、環(huán)形器2輸出的光信號分為兩路，其中一路輸入到光電探測器2轉(zhuǎn)換為電信號，另一路輸入到EDFA(光纖放大器)；

5、步驟4的EDFA輸出的光信號通過環(huán)形器2輸入到光纖鏈路，并通過環(huán)形器1到達(dá)光電探測器1轉(zhuǎn)換為電信號；

6、步驟5的光電探測器1轉(zhuǎn)換出的電信號、參考10MHz信號和參考1PPS信號一起輸入到時(shí)間間隔測量器中，得到時(shí)間間隔測量結(jié)果數(shù)據(jù)；

7、步驟4的光電探測器2轉(zhuǎn)換出的電信號輸入到輸入到時(shí)延補(bǔ)償器，時(shí)延補(bǔ)償器輸出1PPS信號。此處的1PPS信號就實(shí)現(xiàn)了與參考1PPS信號的同步。

綜上所述，本發(fā)明采用脈沖填充的方法完成對被測時(shí)間間隔的粗測；采用本振頻率信號與恢復(fù)出的載波頻率信號進(jìn)行鑒相的方法完成對所述被測時(shí)間間隔的細(xì)測；運(yùn)算單元結(jié)合所述粗測和細(xì)測的結(jié)果，修正系統(tǒng)誤差后得到對所述時(shí)間間隔的精確測量結(jié)果。本發(fā)明適用于光纖時(shí)間傳遞中，而且所傳遞的時(shí)間信號和頻率信號是同源的情況。本發(fā)明在脈沖填充的方法完成對被測時(shí)間間隔的粗測的基礎(chǔ)上，利用頻率信號與時(shí)間信號的相關(guān)性，采用本振頻率信號與恢復(fù)出的載波頻率信號進(jìn)行鑒相的方法法完成對所述被測時(shí)間間隔的細(xì)測，大大提高了時(shí)間間隔測量的分辨率，再經(jīng)過運(yùn)算單元對系統(tǒng)誤差的修正，最終得到了精確的測量結(jié)果。目前時(shí)間間隔測量的精度一般難以優(yōu)于20ps，而本發(fā)明的時(shí)間間隔測量精度可以達(dá)到3ps。與現(xiàn)有的時(shí)間間隔測量方法相比，本發(fā)明具有測量精度高，成本低的特點(diǎn)。