基于光纖雙環(huán)網(wǎng)的高精度時頻同步技術(shù)研究

王 鵬 李世光 黨明朝 毛新凱

(北京無線電計量測試研究所，北京 100039)

1 引 言

我國正向信息化、網(wǎng)絡(luò)一體化高速發(fā)展，推動信息化技術(shù)的不斷革新，遠(yuǎn)程時間同步系統(tǒng)對通用型高精度時頻同步的需求不斷增強(qiáng)[1]。

目前，遠(yuǎn)程時間同步系統(tǒng)中，時頻傳遞的主要手段為共視衛(wèi)星技術(shù)、衛(wèi)星雙向技術(shù)以及北斗授時技術(shù)[2]。衛(wèi)星共視時間傳遞技術(shù)是一種利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程時間傳遞的技術(shù)方法[3]。兩個有一定距離的觀測站于同一時刻觀測相同一個導(dǎo)航衛(wèi)星，從而獲取它們相應(yīng)的本地時間與導(dǎo)航系統(tǒng)時間之間的偏差，然后通過交換數(shù)據(jù)求解兩站之間的時間偏差。衛(wèi)星雙向時間比對技術(shù)利用系統(tǒng)的兩站之間各自將本地原子頻標(biāo)1PPS利用導(dǎo)航衛(wèi)星在同一時刻相互傳遞，由時差測量算法計算并記錄比對一方與另一方的時差數(shù)據(jù)，兩站交換比對數(shù)據(jù)，即可計算得到兩地鐘的鐘差，實現(xiàn)兩地時間的同步[4]。

但在實際使用中，共視衛(wèi)星技術(shù)的所傳遞的時頻信號具有滯后效果；而衛(wèi)星雙向技術(shù)在使用過程中需要租借商用衛(wèi)星作為信道，大規(guī)模使用時成本很高。

因此，為滿足遠(yuǎn)程時間同步系統(tǒng)高精度時頻同步需要，研制低成本、實時性較強(qiáng)的高精度時頻同步技術(shù)是必要的。

2 時頻同步技術(shù)

2.1 時頻同步原理

時頻同步技術(shù)采用1臺主機(jī)、若干臺從機(jī)的配置實現(xiàn)時頻同步技術(shù)實現(xiàn)。主機(jī)采用“同步-守時-發(fā)播”的基本原理工作。首先接收北斗、GPS、GLONASS、B(AC)碼、B(DC)碼、長波、短波、外部TOD+1PPS等外部定時信號，可對外部時間解調(diào)信號質(zhì)量進(jìn)行判斷，確定有效的時間源并按優(yōu)先級進(jìn)行時間源切換，并將內(nèi)部銣原子鐘采用馴服技術(shù)鎖定到選定的外部時間源。采用高精度的守時模塊，確保在失去外部參考信號情況下輸出時間滿足精度要求，通過溫度補(bǔ)償、老化補(bǔ)償?shù)榷喾N手段，提高守時精度。通過主從機(jī)鏈路為從機(jī)提供時頻信號，利用10MHz、1PPS、TOD、NTP/PTP等信號主機(jī)附近時頻設(shè)備提供時頻信號。從機(jī)通過主從機(jī)鏈路從主機(jī)獲取時頻信號，利用馴服技術(shù)將本地晶振鎖定到主機(jī)時間源上，并將獲取到的高精度時頻信號通過10MHz、1PPS、TOD、NTP/PTP等時頻信號為附件時頻設(shè)備提供時頻信號，時間頻率同步技術(shù)原理如圖1所示。

圖1 時頻同步技術(shù)原理框圖Fig.1 Principle of time-frequency synchronization technology

2.2 馴服技術(shù)

馴服技術(shù)利用鑒相器獲取本地頻率源與外參考信號的相位偏差，依據(jù)該偏差馴服本地頻率源，使其更加精確的跟蹤于外參考。當(dāng)外參考輸入消失時，本地頻率源將在之前馴服效果的基礎(chǔ)上持續(xù)運(yùn)行[5]。濾波與PID控制單元從高精度時間間隔測量電路得到時差數(shù)據(jù)，將時差數(shù)據(jù)進(jìn)行Kalman平滑濾波后，再經(jīng)過PID比例積分環(huán)節(jié)得出當(dāng)前的壓控電壓，通過D/A控制模塊轉(zhuǎn)換為兩組數(shù)據(jù)分別傳輸至兩塊16位D/A芯片中，由兩塊D/A協(xié)作輸出本地頻率源頻率調(diào)整量，經(jīng)一段時間的調(diào)整，本地頻率源能夠同步于外部參考時鐘。在正常獲取相差的情況下，本地頻率源保持馴服狀態(tài)，輸出的頻率信號的長期穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度能夠被保證；當(dāng)受到外界干擾，參考信號出現(xiàn)短暫缺失的情況時，系統(tǒng)自身可通過之前獲得的時差數(shù)據(jù)預(yù)測未來的馴服調(diào)整量，從而保持自馴服一段時間，直至參考信號恢復(fù)。馴服原理框圖如圖2所示。

圖2 馴服原理框圖Fig.2 Taming principle block diagram

2.3 光纖雙環(huán)網(wǎng)技術(shù)

目前主從機(jī)鏈路方案主要有共視衛(wèi)星及衛(wèi)星雙向技術(shù)。

表1 各時頻同步技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Technical indexes of time-frequency synchronization序號傳遞技術(shù)同步精度穩(wěn)定度(1d)1共視衛(wèi)星5ns1E-142衛(wèi)星雙向0.5ns1E-15

由表1可見，共視衛(wèi)星技術(shù)受限于技術(shù)特點不能實時進(jìn)行主從機(jī)之間時頻同步；衛(wèi)星雙向技術(shù)可以實時進(jìn)行同步，并具有良好的指標(biāo)特性，但使用時需要借助商用衛(wèi)星，成本昂貴。利用光纖技術(shù)傳遞時頻信號，既可以實時傳遞高指標(biāo)時頻信號，同時又可以大大降低傳輸成本。因此，基于光纖雙環(huán)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)時頻同步是最佳選擇。

在時頻傳遞過程中，采用相位補(bǔ)償法在主機(jī)通過測量信號源發(fā)送的時間信號和從機(jī)回傳到主機(jī)的時間信號的延時差，從而實時確定鏈路的延時值。在同一個光纖鏈路中傳輸?shù)膬蓚€信號，信號單向傳輸?shù)难舆t近似于測量出來的延遲的二分之一，鏈路以此數(shù)據(jù)做補(bǔ)償算法，近而獲取到高精度的時間頻率信號[6,7]。

雙環(huán)網(wǎng)技術(shù)可以使一臺主機(jī)同時為多臺從機(jī)提供高精度時頻同步服務(wù)，滿足為大規(guī)模、多種時頻終端設(shè)備提供高精度、時頻信息的能力。同時，雙環(huán)網(wǎng)技術(shù)具備自愈合能力，可以在單環(huán)故障、光纖鏈路故障、單節(jié)點故障情況下，起到保護(hù)時頻同步系統(tǒng)的能力，提高時頻同步系統(tǒng)的可靠性[8]。

3 光纖雙環(huán)網(wǎng)時頻同步技術(shù)

光纖雙環(huán)網(wǎng)時頻同步技術(shù)組成如圖3所示。

圖3 光纖雙環(huán)網(wǎng)時頻同步技術(shù)系統(tǒng)組成框圖Fig.3 Time-frequency synchronization technical system composition diagram of optical fiber double-loop network

時頻同步技術(shù)主要由時頻主機(jī)和時頻分機(jī)組成，通過主、分及級聯(lián)實現(xiàn)分布式時頻同步服務(wù)。主機(jī)通過光纖雙環(huán)網(wǎng)鏈路與從機(jī)構(gòu)成級聯(lián)環(huán)路，將高精度時頻信息在光線環(huán)路內(nèi)共享傳輸。分機(jī)從環(huán)路上獲取時頻信息，將本地時間和頻率與主機(jī)同步后，輸出時間和標(biāo)準(zhǔn)頻率信息至其他用時/用頻設(shè)備。環(huán)路內(nèi)分機(jī)數(shù)量不受限制，實現(xiàn)按需分配。

3.1 時頻同步主機(jī)設(shè)計

時頻同步主機(jī)原理框圖如圖4所示。

主機(jī)通過北斗/GPS/GLONASS接收機(jī)、短波接收機(jī)、長波接收機(jī)、B時間碼接收單元、外部TOD+1PPS接收單元獲取對應(yīng)的TOD+1PPS信息，將獲取的1PPS脈沖信號及本地1PPS脈沖信號利用高精度時間間隔計數(shù)器測量時差，得到的時差數(shù)據(jù)送到嵌入式處理器與相應(yīng)的時間源TOD進(jìn)行合并判斷操作，選擇最優(yōu)時間源的TOD、1PPS作為參考源送入高精度守時單元及馴服處理單元進(jìn)行進(jìn)一步操作。馴服處理單元將參考1PPS利用馴服技術(shù)對銣原子鐘進(jìn)行頻率調(diào)整，輸出高精度頻率信號；高精度守時單元利用所選則的TOD及馴服處理單元輸出的馴服1PPS產(chǎn)生高精度時間信號TOD、1PPS，提供給PTP/NTP服務(wù)器、1PPS+TOD輸出單元及光纖鏈路單元；光纖鏈路單元同時從銣鐘獲取高精度頻率信號并將高精度時頻信息傳遞到光纖雙環(huán)網(wǎng)鏈路。

圖4 時頻同步主機(jī)原理框圖Fig.4 Principle block diagram of time-frequency synchronization host

3.2 時頻同步從機(jī)設(shè)計

時間頻率同步從機(jī)系統(tǒng)原理如圖5所示。

從機(jī)通過光纖鏈路獲取到主機(jī)傳遞的時頻同步信息進(jìn)行解析獲取與主機(jī)同步的TOD、1PPS作為參考TOD、1PPS，分別送到高精度守時單元及馴服處理單元。馴服處理單元將參考1PPS利用馴服技術(shù)對銣原子鐘進(jìn)行頻率調(diào)整，輸出高精度頻率信號；高精度守時單元利用所選則的TOD及馴服處理單元輸出的馴服1PPS產(chǎn)生高精度時間信號TOD、1PPS，提供給PTP/NTP服務(wù)器、1PPS+TOD輸出單元。

圖5 時頻同步從機(jī)原理框圖Fig.5 Schematic diagram of time-frequency synchronization slave

4 實驗數(shù)據(jù)

分別采用鐘組守時系統(tǒng)和北斗/GPS/GLONASS作為系統(tǒng)時間源對時頻同步進(jìn)行了測試，得到了較好的結(jié)果。

當(dāng)系統(tǒng)時間源采用北斗/GPS/GLONASS時，將1臺主機(jī)與3臺從機(jī)分別利用1km光纖組成雙環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)，分別將從機(jī)1、從機(jī)2、從機(jī)3與主機(jī)進(jìn)行對比，獲得主分機(jī)同步實驗數(shù)據(jù)見表2。

以UTC(BIRMM)標(biāo)準(zhǔn)時間輸出的TOD+1PPS做系統(tǒng)時間源，UTC(BIRMM)的準(zhǔn)確度優(yōu)于1E-15，頻率穩(wěn)定度優(yōu)于1E-15@1d，將1臺主機(jī)與3臺從機(jī)分別利用1km光纖組成雙環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)，分別將時間頻率同步系統(tǒng)從機(jī)1、時間頻率同步系統(tǒng)從機(jī)2、時間頻率同步系統(tǒng)從機(jī)3與時間頻率同步系統(tǒng)主機(jī)比較獲得的主分機(jī)同步實驗數(shù)據(jù)，見表3。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，光纖雙環(huán)網(wǎng)上任意節(jié)點均能很好的從主機(jī)獲取高精度時頻同步信息。

表2 采用北斗/GPS/GLONASS時間源的實驗數(shù)據(jù)Tab.2 Main extension synchronization experiment data of beidou /GPS/GLONASS time source序號比對鏈路同步精度穩(wěn)定度(1d)1主機(jī)-從機(jī)14.2E-134.6E-132主機(jī)-從機(jī)24.5E-134.9E-133主機(jī)-從機(jī)33.6E-134.3E-13

表3 采用UTC(BIRMM)時間源的實驗數(shù)據(jù)Tab.3 Main extension synchronization experiment data with UTC(BIRMM)time source序號比對鏈路同步精度穩(wěn)定度(1d)1主機(jī)-從機(jī)13.7E-134.8E-142主機(jī)-從機(jī)23.8E-134.9E-143主機(jī)-從機(jī)33.5E-135.2E-14

5 結(jié)束語

本文介紹一種基于光纖雙環(huán)網(wǎng)的高精度時頻同步技術(shù)設(shè)計方法，針對低成本高精度這一問題提出新的設(shè)計思路。根據(jù)文中給出的測試數(shù)據(jù)可見，本方法原理簡單，適合小型化設(shè)計，相對于衛(wèi)星雙向等手段成本低廉，適合在時頻同步領(lǐng)域推廣。