应用于光纤时间传递的高精度时间间隔测量方法及装置与流程

本发明属于时间同步技术领域，涉及高精度时间间隔测量方法，尤其是一种应用于光纤时间传递的高精度时间间隔测量方法及装置。

背景技术：

在诸多时间同步方法中，光纤时间传递的方法可以达到较高的的同步精度，而且设备价格远低于卫星双向比对法，所以光纤时间传递方法有广阔的应用前景。要实现高精度的光纤时间传递，首先要对时间信号在光纤中的传输时延进行精确测量，然后根据测量的结果对时间信号进行准确地控制，从而达到高精度的同步。制约光纤时间传递的同步精度的一个重要因素是对时间信号传输时延的测量，也就是时间间隔测量。

目前，光纤时间传递中用到时间间隔测量的方法很多，常用的有TDC芯片法、FPGA法、时间间隔测量模块法、通用计数器法等。但是这些方法在光纤时间传递中都有些不足。采用TDC芯片法，虽然成本低、体积小，但是其测量范围小，约为几百ns～到几ms难以满足长距离使用，而且测量精度只能到22ps；采用FPGA法，成本低、体积小测量范围大，但是测量精度低只能达到几百ps；采用时间间隔测量模块法，例如安捷伦的U1050A，虽然精度高达5ps，但是成本太高采用通用计数器法，如SR620和安捷伦53230，其测量精度可以达到20ps，测量范围也能很大，但是体积大成本高，不适合在光纤时间传递设备中使用。

本发明提出了一种应用于光纤时间传递的高精度时间间隔测量方法，其适用于光纤时间传递中，而且所传递的时间信号和频率信号是同源的情况。本发明充分考虑光纤时间传递系统的特点，利用传递过程频率信号与时间信号的相关性，采用脉冲填充粗测和频率信号鉴相细测想结合的方法，实现了高精度时间间隔测量，测量精度可达3ps，测量范围可达±10000s，而且成本低易于集成，非常适合在光纤时间传递设备中应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种应用于光纤时间传递的高精度时间间隔测量方法及装置，其充分考虑光纤时间传递系统的特点，利用传递过程频率信号与时间信号的相关性，采用脉冲填充粗测和频率信号鉴相细测想结合的方法，实现了高精度时间间隔测量，而且成本低易于集成。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明首先提出一种应用于光纤时间传递的高精度时间间隔测量方法，采用脉冲填充的方法完成对被测时间间隔的粗测；采用本振频率信号与恢复出的载波频率信号进行鉴相的方法完成对所述被测时间间隔的细测；运算单元结合粗测和细测的结果，修正系统误差后得到对时间间隔的精确测量结果。

本发明还提出一种实现上述应用于光纤时间传递的高精度时间间隔测量方法的时间间隔测量装置：包括光电探测器，所述光电探测器的输入端连接光纤，光电探测器的输出端一路连接有载波恢复器，另一路连接有解码器；所述载波恢复器的输出连接有线性鉴相器，所述线性鉴相器的输出连接有AD转换器；所述解码器的输出端连接有脉冲填充测量器，所述脉冲填充测量器的输出端连接有运算单元的输入端，所述运算单元的输入端还与AD转换器的输出端连接；所述运算单元的输出端作为时间间隔测量结果输出；所述脉冲填充测量器的输入端还连接有N倍频器，所述N倍频器和线性鉴相器均输入有同一参考频率信号。

进一步，以上所述装置的工作过程具体包括以下步骤：

1)来自光纤的光信号经过光电探测器转换为电信号；

2)将步骤1)所述的电信号分为两路，其中一路输入到解码器进行解码，得到时间信号；另外一路输入到载波恢复器，所述载波恢复器恢复出与所述时间信号相关的频率信号；

3)参考频率信号分为两路，第一路输入到N倍频器中，产生N倍于参考频率信号的信号，此处N为正整数，第二路与步骤2)中恢复出的频率信号一起输入到线性鉴相器中；

4)参考时间信号与步骤2)所述的解码器得到的时间信号一起输入到脉冲填充测量器中；步骤3)所述N倍于参考频率信号的信号，作为填充时钟信号也输入到脉冲填充测量器中，测得参考时间信号与步骤2)所述的解码器得到的时间信号的时间间隔的粗测结果；

5)将步骤3)的线性鉴相器输出的相位差信息经过AD转换器转换为相位差的数值；

6)运算单元根据步骤5)得到的相位差的数值计算出参考时间信号与步骤2)所述的解码器得到的时间信号的时间间隔的细测结果；

7)运算单元根据步骤4)得到的粗测结果、步骤6)得到的细测结果，以及系统误差，计算出精确的时间间隔测量结果。

进一步，以上步骤3)中，N为大于3的正整数。

进一步，上述N倍频器为4倍频器。

本发明具有以下有益效果：

本发明采用脉冲填充的方法完成对被测时间间隔的粗测；采用本振频率信号与恢复出的载波频率信号进行鉴相的方法完成对所述被测时间间隔的细测；运算单元结合所述粗测和细测的结果，修正系统误差后得到对所述时间间隔的精确测量结果。本发明适用于光纤时间传递中，而且所传递的时间信号和频率信号是同源的情况。本发明在脉冲填充的方法完成对被测时间间隔的粗测的基础上，利用频率信号与时间信号的相关性，采用本振频率信号与恢复出的载波频率信号进行鉴相的方法法完成对所述被测时间间隔的细测，大大提高了时间间隔测量的分辨率，再经过运算单元对系统误差的修正，最终得到了精确的测量结果。目前时间间隔测量的精度一般难以优于20ps，而本发明的时间间隔测量精度可以达到3ps。与现有的时间间隔测量方法相比，本发明具有测量精度高，成本低的特点。

附图说明

图1为本发明时间间隔测量器的实施例的结构示意图；

图2为光纤时间传递装置图。

具体实施方式

本发明首先提出一种应用于光纤时间传递的高精度时间间隔测量方法：该方法采用脉冲填充的方法完成对被测时间间隔的粗测；采用本振频率信号与恢复出的载波频率信号进行鉴相的方法完成对所述被测时间间隔的细测；运算单元结合粗测和细测的结果，修正系统误差后得到对时间间隔的精确测量结果。

为了实现以上方法，本发明提出一种时间间隔测量装置，如图1所示：包括光电探测器，所述光电探测器的输入端连接光纤，光电探测器的输出端一路连接有载波恢复器，另一路连接有解码器；所述载波恢复器的输出连接有线性鉴相器，所述线性鉴相器的输出连接有AD转换器；所述解码器的输出端连接有脉冲填充测量器，所述脉冲填充测量器的输出端连接有运算单元的输入端，所述运算单元的输入端还与AD转换器的输出端连接；所述运算单元的输出端作为时间间隔测量结果输出；所述脉冲填充测量器的输入端还连接有N倍频器，所述N倍频器和线性鉴相器均输入有同一参考频率信号。该装置的工作过程具体包括以下步骤：

1)来自光纤的光信号经过光电探测器转换为电信号；

2)将步骤1)所述的电信号分为两路，其中一路输入到解码器进行解码，得到时间信号；另外一路输入到载波恢复器，所述载波恢复器恢复出与所述时间信号相关的频率信号；

3)参考频率信号分为两路，第一路输入到N倍频器中，产生N倍于参考频率信号的信号，此处N为正整数，第二路与步骤2)中恢复出的频率信号一起输入到线性鉴相器中；

4)参考时间信号与步骤2)所述的解码器得到的时间信号一起输入到脉冲填充测量器中；步骤3)所述N倍于参考频率信号的信号，作为填充时钟信号也输入到脉冲填充测量器中，测得参考时间信号与步骤2)所述的解码器得到的时间信号的时间间隔的粗测结果；

5)将步骤3)的线性鉴相器输出的相位差信息经过AD转换器转换为相位差的数值；

6)运算单元根据步骤5)得到的相位差的数值计算出参考时间信号与步骤2)所述的解码器得到的时间信号的时间间隔的细测结果；

7)运算单元根据步骤4)得到的粗测结果、步骤6)得到的细测结果，以及系统误差，计算出精确的时间间隔测量结果。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述：

参见图1：假定源端发射站的参考时间信号为1PPS(one pulse per second)信号，频率信号为10MHz信号。具体的技术方案实现如下：

1、来自光纤的光信号经过光电探测器转换为电信号。

2、步骤1所述的电信号分为两路，其中一路输入到解码器进行解码，得到1PPS时间信号；另外一路输入到载波恢复器，所述载波恢复器恢复出与所述1PPS时间信号相关的10MHz频率信号。

3、参考10MHz分为两路，第一路输入到4倍频器中，产生40MHz频率信号；第二路与步骤2中所述的恢复出的10MHz频率信号一起输入到线性鉴相器中。

4、参考1PPS时间信号与步骤2所述的解码器得到的1PPS时间信号一起输入到脉冲填充测量器中。步骤3所述40Mz频率信号，作为填充时钟信号也输入到脉冲填充测量器中，测得参考1PPS时间信号与步骤2所述的解码器得到的1PPS时间信号的时间间隔的粗测结果。

5、步骤3所述线性鉴相器，其输出的相位差信息经过AD转换器(模拟数字转换器)转换为相位差的数值。

6、运算单元根据步骤5得到的相位差的数值计算出参考1PPS时间信号与步骤2所述的解码器得到的1PPS时间信号的时间间隔的细测结果。

7、运算单元根据步骤4得到的粗测结果、步骤6得到的细测结果，以及系统误差，计算出精确的时间间隔测量结果。

图2为光纤时间传递装置图，本发明的光纤时间传递装置的另一实施例工作步骤如下：

1、参考10MHz信号、参考1PPS信号和时间间隔测量器输出的时间间隔测量结果数据一起输入到编码器；

2、步骤1的编码器输出的信号作为激光器的调制信号；

3、步骤2的激光器输出的光信号通过环形器1输入到光纤链路，并通过环形器2输出；

4、环形器2输出的光信号分为两路，其中一路输入到光电探测器2转换为电信号，另一路输入到EDFA(光纤放大器)；

5、步骤4的EDFA输出的光信号通过环形器2输入到光纤链路，并通过环形器1到达光电探测器1转换为电信号；

6、步骤5的光电探测器1转换出的电信号、参考10MHz信号和参考1PPS信号一起输入到时间间隔测量器中，得到时间间隔测量结果数据；

7、步骤4的光电探测器2转换出的电信号输入到输入到时延补偿器，时延补偿器输出1PPS信号。此处的1PPS信号就实现了与参考1PPS信号的同步。

综上所述，本发明采用脉冲填充的方法完成对被测时间间隔的粗测；采用本振频率信号与恢复出的载波频率信号进行鉴相的方法完成对所述被测时间间隔的细测；运算单元结合所述粗测和细测的结果，修正系统误差后得到对所述时间间隔的精确测量结果。本发明适用于光纤时间传递中，而且所传递的时间信号和频率信号是同源的情况。本发明在脉冲填充的方法完成对被测时间间隔的粗测的基础上，利用频率信号与时间信号的相关性，采用本振频率信号与恢复出的载波频率信号进行鉴相的方法法完成对所述被测时间间隔的细测，大大提高了时间间隔测量的分辨率，再经过运算单元对系统误差的修正，最终得到了精确的测量结果。目前时间间隔测量的精度一般难以优于20ps，而本发明的时间间隔测量精度可以达到3ps。与现有的时间间隔测量方法相比，本发明具有测量精度高，成本低的特点。