基于雙纖單向波分復用技術的時間同步系統

陳 丁,許江寧,譚小容,簡芳洪

(1.九江學院電子信息工程學院,江西 九江 332005;2.中國人民解放軍海軍工程大學電氣工程學院,湖北 武漢 430033;3.九江學院理學院,江西 九江 332005)

1 引 言

隨著光鐘的秒穩定度和天穩定度已達到10-16和10-18量級,時間已成為7個國際基本單位中測量精度最高的物理量[1]。不同站點之間時間同步技術成為了科學研究、導航定位、航空航天、電力傳輸、軍事安全等領域的關注熱點。由于光纖具有低損耗、高穩定、大帶寬等獨特優勢,光纖傳輸成為時頻同步技術的重要手段之一[2]。針對光纜網鋪設的實際情況研究遠距離高精度光纖時間傳遞方法具有十分重要的現實意義。

單纖雙向波分復用技術(Single fiber bidirectional wavelength division multiplexing,SFWDM)存在往返波長、折射率不相等導致往返時延不對稱,而往返波長的時延差的估算精度成為主從站點鐘差估算精度的關鍵[3-5]。實際光纖鏈路傳輸時延受到壓力、溫度變化等環境因素影響而波動,往返波長的時延差也隨溫度變化而波動[6]。由于光纖鏈路的環境溫度難以測量,授時系統缺乏對環境溫度變化引起時延差值變化的跟蹤估算。單纖雙向波分復用在估算往返時延差時往往采用常溫下時延差的固定值,這種方案可帶來納秒級的時間同步誤差[7]。對于實際鋪設的光纖,如果能準確掌握光纖纖芯的實時溫度,便可直接計算出往返時延差,從而更準確地計算主從站點鐘差。然而,在實際鏈路中光纖的表層、覆膜層、纖芯三者的溫度各不相同。由于鏈路距離長,即便僅僅測量光纖表面的溫度就已經難以實現,可見通過直接測量的方式獲取所需的溫度數據可行性不高[8-9]。針對溫度導致的時延差波動,目前尚未提出較好的方法。

此外,單纖波分復用技術為保證往返時延的對稱性,采用同一根光纖內雙向往返傳輸光信號[10]。而實際的光纖網絡中主要采用單纖單向的傳輸方式,光纖網絡中使用的光放大器等設備也以單向工作方式為主[11]。因此單纖波分復用難以與現有光纖網絡兼容,需鋪設專用光纖網,或對現有光纖網進行相應的改造,兩種方案的成本都非常高昂[12]。單纖雙向波分復用技術原理如圖1所示。

圖1 單纖波分復用時間同步技術Fig.1 SFWDM time synchronization technology

本文提出的雙纖單向波分復用(Dual fiber unidirectional wavelength division multiplexing,DFWDM)方案可解決上述技術問題。系統主從站點由兩根光纖連接,兩種波長在同一光纖內傳輸方向相同。在溫度變化條件下通過對雙光纖上4路時間信號的測量,并通過時延的比值關系,可直接求解主從站點的鐘差。本方案在算法中不僅消除了光纖長度受溫度變化的影響因素,同時消除了不同波長信號傳輸時延值隨溫度變化的影響因素。由于實際光纜中通常都布設了多根光纖,相比于傳統單纖波分復用雖然多采用了一根光纖,但并未增加工程成本。同時,光纜中環境溫度幾乎相同的光纖與本算法所需的雙纖溫度同步變化的前提條件高度一致。仿真實驗結果驗證了雙纖單向波分復用技術的授時精度相比于單纖雙向波分復用技術有明顯提高。

2 光纖傳輸時延特性

光纖鏈路傳輸時延值表示式如式(1)所示[13]:

(1)

其中,光速C為299792458 m/s;L0為光纖的物理長度;α為光纖的熱膨脹系數5.6×10-7/℃;T0取23 ℃;λ為光信號的波長;n為折射率,光纖的Sellmeier折射率公式如式(2)所示[14]:

(2)

其中,光信號波長λ的單位為 μm。式(2)中折射率參數A、B、C、D、E隨溫度T變化,文獻[14]測試了纖芯折射率隨溫度變化的情況,對于G.652光纖,式(2)中折射率參數如下:A=6.90754×10-6T+1.31552,B=2.35835×10-5T+0.788404,C=5.84758×10-7T+0.0110199,D=5.48368×10-7T+0.91326,E=100。

通過把溫度和波長等相關參數帶入式(1)和式(2)可精確模擬光纖鏈路隨溫度變化的傳輸時延值,結果如圖2所示。

圖2 100 km光纖鏈路傳輸時延特性Fig.2 Transmission delay characteristics of 100 km optical fiber link

3 雙纖波分復用時間同步系統原理

雙纖波分復用時間同步系統包括主授時站點和從授時站點,主授時站點和從授時站點之間通過雙光纖鏈路連接。主站包括時鐘Clock A、激光發射器、波分復用模塊、時間間隔測量模塊、光探測器等設備。從站包括時鐘Clock B、激光發射器、波分復用模塊、時間間隔測量模塊、光探測器、時延補償模塊等設備。其中,激光發射器用于把時鐘輸出的時間信號轉換為光信號；波分復用模塊用于把時間信號調制到兩個不同波長發送到光纖鏈路中；時間間隔計數模塊用于測量發送到接收信號起止時間間隔值；光探測器用于接收對方站點發送來的時間信號；時延補償模塊用于根據系統計算的主從站點的鐘差對從站時鐘進行補償。雙纖波分復用時間同步系統原理圖如圖3所示。

圖3 雙纖波分復用時間同步系統原理圖Fig.3 Schematic diagram of DFWDM time synchronization system

系統的主從站點由兩根光纖鏈路連接,光纖長度分別為L1和L2。主授時站點時鐘Clock A作為參考鐘源,從授時站點時鐘Clock B作為待馴服時鐘,時鐘Clock A與時鐘Clock B鐘差為ΔT。在同一時刻,主授時站點時鐘Clock A的時間信號經過調制后以波長λ1和λ2經光纖L1向從站發送；從授時站點時鐘Clock B的時間信號經過調制后以波長λ1和λ2經光纖L2向主站發送。

主站經長度為L1的光纖向從授時站點發送的波長λ1時間信號在光纖鏈路中的傳輸時延為τ1:

(3)

主站經長度為L1的光纖向從站發送的波長λ2時間信號在光纖鏈路中的傳輸時延為τ2:

(4)

從站經長度為L2的光纖向主授時站點發送的波長λ1時間信號在光纖鏈路中的傳輸時延為τ3:

(5)

從站點經長度為L2的光纖向主授時站點發送的波長λ2時間信號在光纖鏈路中的傳輸時延為τ4:

(6)

在公式(3)～(6)中,L為光纖鏈路長度;C為光速;n為折射率;λ為光信號的波長。

根據公式(3)和(4)可得:

(7)

根據公式(5)和(6)可得:

(8)

(9)

主站安裝時間間隔計數模塊TIC1和TIC2。其中,TIC1在主站Clock A發出波長λ1的時刻開始計時,在主站接收到由從站Clock B發送波長λ2的時刻停止計數,測量結果為:

TIC1=τ4+ΔT

(10)

TIC2在主站Clock A發出波長λ2的時刻開始計時,在主站接收到由從站Clock B發送波長λ1的時刻停止計數,測量結果為:

TIC2=τ3+ΔT

(11)

從站安裝了時間間隔計數模塊TIC3和TIC4。其中,TIC3在從站Clock B發出波長λ1的時刻開始計時,在從站接收到由主站Clock A發送波長λ2的時刻停止計數,測量結果為:

TIC3=τ2-ΔT

(12)

TIC4在從站Clock B發出波長λ2的時刻開始計時,在從站接收到由主站Clock A發送波長λ1的時刻停止計數,測量結果為:

TIC4=τ1-ΔT

(13)

雙纖波分復用時間同步系統時序圖如圖4所示:

圖4 雙纖波分復用時間同步系統時序圖Fig.4 Sequence diagram of DFWDM time synchronization system

根據(9)-(13)五個方程可求解主站Clock A和從站Clock B的鐘差ΔT:

(14)

將計算出的鐘差ΔT送入時延補償模塊,并在從站補差時鐘Clock B,從而實現主從站點時間同步。

4 實驗驗證與分析

4.1 系統平臺搭建

圖5 光纖鏈路溫度變化圖Fig.5 Temperature variation of optical fiber link

表1 實驗設置參數表Tab.1 Physical parameters of experimental setup

4.2 實驗結果與分析

當系統采用第一組波長1310～1550 nm時,溫度變化條件下時間間隔計數器測量結果如圖6所示。其中,在圖6(a)中,TIC1測量波長1550 nm在光纖L2上的傳輸時延τ4與主從站站點鐘差ΔT之和；TIC2測量波長1310 nm在光纖L2上的傳輸時延τ3與主從站站點鐘差ΔT之和。在圖6(b)中,TIC3測量波長1550 nm在光纖L1上的傳輸時延τ1與主從站站點鐘差ΔT之差；TIC4測量波長1310 nm在光纖L1上的傳輸時延τ1與主從站站點鐘差ΔT之差。

圖6 TIC測量值(1310～1550 nm)Fig.6 TIC measurement value(1310～1550 nm)

將以上測量的TIC1、TIC2、TIC3、TIC4數據代入式(14),可直接求解主從站點Clock A與Clock B的瞬時鐘差ΔT,求解可用于從站補償Clock B,從而實現主從站點時間同步。ΔT的求解精度也就是時間同步系統的授時精度。

通過對ΔT的計算值與實際測量值的比較分析,可估算本方案的授時精度。波長1310～1550 nm時間同步精度結果如圖7所示。同時,在相同的溫度環境和波長組合實驗條件下,將雙纖波分復用系統與傳統的單纖波分復用系統進行比較。結果顯示,60 min內傳統的單纖波分復用系統授時精度為1.335 ns,雙纖波分復用系統授時精度為27 ps,采用本方案可使授時精度提高約1.3 ns。

圖7 單纖波分復用與雙纖波分復用系統時間同步精度(1310～1550 nm)Fig.7 Time synchronization accuracy of SFWDM and DFWDM systems(1310～1550 nm)

當系統采用第二組波長1490～1550 nm時,溫度變化條件下時間間隔計數器測量結果如圖8所示。其中,在圖8(a)中,TIC1測量波長1550 nm在光纖L2上的傳輸時延τ4與主從站站點鐘差ΔT之和；TIC2測量波長1490 nm在光纖L2上的傳輸時延τ3與主從站站點鐘差ΔT之和。在圖8(b)中,TIC3測量波長1550 nm在光纖L1上的傳輸時延τ1與主從站站點鐘差ΔT之差；TIC4測量波長1490 nm在光纖L1上的傳輸時延τ1與主從站站點鐘差ΔT之差。

圖8 TIC測量值(1490～1550 nm)Fig.8 TIC measurement value(1490～1550 nm)

同樣將以上測量的TIC1、TIC2、TIC3、TIC4數據代入式(11),求解主從站點Clock A與Clock B的瞬時鐘差ΔT。通過對ΔT的計算值與實際測量值的比較分析,可估算本方案的授時精度。波長1490～1550 nm時間同步精度結果如圖9所示。同時,在相同的溫度環境和波長組合實驗條件下,將雙纖波分復用系統與傳統的單纖波分復用系統進行比較。結果顯示,60 min內傳統的單纖波分復用系統授時精度為285 ps,雙纖波分復用系統授時精度為76 ps,采用本方案可使授時精度提高約200 ps。

圖9 單纖波分復用與雙纖波分復用系統時間同步精度(1490～1550 nm)Fig.9 Time synchronization accuracy of SFWDM and DFWDM systems(1490～1550 nm)

系統時間同步殘余誤差主要來源為時間間隔計數器測量誤差。理論上系統仿真的光纖鏈路時延值可精確至1×10-17s量級,但本系統選用的時間間隔計數器測量精度為10 ps。10 ps級別的測量精度造成本鐘差估算精度只能達到幾十皮秒。如果時間間隔計數器的精度更高,本方案的授時精度也可相應提高。但目前常用時間間隔計數設備測量精度一般為10 ps級。

需要指出的是,圖7與圖9的授時精度僅針對主站到從站光纖鏈路的時延誤差的估算,并不包含主站與從站兩端的終端收發設備產生誤差。同時在實際工程中,受激光器發射波長抖動,時間間隔計數器測量精度、從站馴服模塊等儀器設備的影響,授時精度將有所降低。

5 結 論

本文提供基于雙纖波分復用技術的時間同步系統,系統主從站點之間由雙光纖鏈路連接,通過4臺時間間隔計數器對兩種波長、4路時間信號的傳輸時延值測量,可直接求解主從站點的時鐘鐘差。最后在從站時延補償模塊對從站時鐘進行補償,實現主從站點時間同步。本方法可消除環境溫度對光纖長度、折射率、傳輸群時延等因素的影響,彌補了傳統單纖波分復用方法對溫度導致的往返時延差變化的跟蹤不足的問題。結果表明,主從站點分別由100 km和90 km兩根光纖相連,當光纖鏈路溫度在-20～40 ℃變化環境下,采用1310～1550 nm波長時,能夠將主從站點鐘差估算誤差降低約1.3 ns,采用1490～1550 nm波長時,授時精度將提升約200 ps。