基于光电结合时间补偿的光纤时间同步装置及方法

1.本发明涉及时间同步技术领域，具体地，涉及一种基于光电结合时间补偿的光纤时间同步技术领域。


背景技术：

2.随着原子钟和现代通信技术的快速发展，同时依托光纤的低损耗、高带宽和抗电磁干扰等优势，通过光纤进行时间和频率信号的同步技术在基础科学研究、全球导航系统、移动通信网络等领域发挥着越来越重要的作用。光纤因受到外界温度和压力的变化，使得光纤的传输延时发生变化，导致光纤传输后的信号不稳定，需要进行相位或者时间的补偿以实现信号的同步。光纤延时变化的时间补偿主要包括以下两个方面：在电域方面通过电类器件进行补偿和在光域方面通过光类器件进行补偿。
3.第一种，在电域上的时间补偿技术，根据传输信号的不同，可以通过压控振荡器、电延时线器和脉冲延时器进行补偿。压控振荡器常应用于频率信号的相位补偿，借助锁相环技术通过鉴相器检测出传输信号的相位误差，然后经环路滤波积分控制压控振荡器的相位输出实现补偿。电延时线器和脉冲延时器因输入带宽的限制常应用于低频的频率信号和时间信号的补偿，通过检测信号的相位抖动或者延时信息来获得光纤的传输延时变化信息，然后在电域上对信号进行时间补偿或者脉冲信号的延时以实现信号的同步。上述方法中因光纤延时变化的测量精度较低影响了时间同步的精度，同时商用电延时线器和脉冲延时器的分辨率限制进一步降低了时间同步的精度。
4.第二种，在光域上的时间补偿技术，在传输光纤的基础上再外接部分光纤，然后通过将传输光纤延时变化的信息转换成电信号来控制外接光纤进行拉伸，以抵消传输光纤因外界环境变化导致的延时变化实现信号同步。外接光纤一般绕缠在压电陶瓷上和放置在温控箱里面，传输光纤导致的延时变化信息可以反馈控制压电陶瓷对光纤进行机械性拉伸，或者通过控制温控箱里的温度来改变光纤的长度。因光延时线响应速度慢，限制了控制环路的带宽，导致快速的抖动不能有效补偿，而且随着传输距离的增加，需要更长的外接光纤进行大范围的延时补偿，不仅补偿速度更慢，而且增加了光信号的功率损失，恶化了信号的信噪比。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于光电结合时间补偿的光纤时间同步装置及方法，首先采用光频梳技术获得高频的光载微波信号，然后通过光载微波信号对光纤进行传输延时感知，利用微波光子技术将在光纤中感知后的光载微波信号与参考信号进行相位检测，然后将相位检测获得的光载微波信号绝对相位差信息分为两路。第一路光载微波信号的绝对相位差除以信号频率得到光纤的延时变化，显然光载微波信号的频率越高，测量的精度越高，然后在电域上采用电延时线器进行时间补偿；第二路光载微波信号的绝对相位差通过环路滤波器进行积分输出电压，然后驱动控制基于压电陶瓷的光延时线器
在光域上进行时间补偿。本发明首先利用微波光子技术完成了光纤延时的高精度测量，然后采用电域和光域结合的时间补偿机制来实现时间同步，极大地提升了时间的补偿精度和补偿范围，同时兼有快速响应的优势。
6.本发明提供一种基于光电结合时间补偿的光纤时间同步装置，其特征在于，包括：光频梳生成模块、信号生成模块、相位检测模块、电延时线补偿模块、光延时线补偿模块、同步信号输出模块；
7.所述的光频梳生成模块，生成的光频梳信号经光耦合器分成两路，其中第一路光频梳信号用于光纤传输延时感知和时间同步，第二路光频梳信号用作回传光载微波信号相位检测的本地参考信号；
8.所述的信号生成模块，对所述第一路光频梳信号进行滤波得到三支光载波，所述的三支光载波进而生成用作光纤延时测量的光载微波信号和光载时间信号；
9.所述的相位检测模块，对所述光纤进行传输延时感知后的回传光载微波信号进行相位误差检测，获得因光纤延时变化导致光载微波信号的绝对相位差信息；
10.所述的电延时线补偿模块，将所述相位检测模块获得的所述绝对相位差进行相位-时间的转化，然后控制电延时线器的输出在电域上面进行时间的预补偿；
11.所述的光延时线补偿模块，将所述相位检测模块获得的所述绝对相位差通过环路滤波器积分输出电压信号，然后驱动光延时线器在光域上面进行时间的预补偿；
12.所述的同步信号输出模块，用于获得和本地时钟标准源同步的时间信号，同时对由光纤输入过来的光载微波信号进行二次频移，避免后向瑞利散射噪声。
13.优选地，所述光频梳生成模块包括光纤激光器、信号发生器、光频梳发生器；其中，所述光纤激光器输出的光信号经所述信号发生器驱动的所述光频梳发生器调制后产生光频梳信号，然后经光耦合器分成所述第一路光频梳信号和所述第二路光频梳信号。
14.优选地，所述信号生成模块包括第一环形器、保偏阵列波导光栅、第一声光调制器、马赫曾德尔调制器；其中，所述第一路光频梳信号进入所述第一环形器1口，然后从所述第一环形器2口输出进入所述保偏阵列波导光栅，然后经所述保偏阵列波导光栅滤出三支光载波，其中一支光载波先经所述第一声光调制器上变频后，再与另一支载波经1
×
2光耦合器耦合形成光载微波信号；第三支光载波经电延时线器驱动的马赫曾德尔调制器调制后生成光载时间信号，所述的光载时间信号再与所述的光载微波信号由光耦合器耦合后依次进入所述光延时线器和所述光纤。
15.优选地，所述同步信号输出模块包括第二环形器、波分复用器、第二声光调制器、第一平衡探测器；其中，所述光载时间信号与所述光载微波信号耦合后经所述光纤传输进入所述第二环形器的2口，然后从所述第二环形器的3口进入所述波分复用器以滤出光载时间信号和光载微波信号，其中滤出的光载微波信号经所述第二声光调制器进行二次频移进入所述第二环形器的1口，然后从所述第二环形器的2口输出，再依次经过所述光纤、所述光延时线器、所述第一声光调制器和所述保偏阵列波导光栅返回进入所述第一环形器2口，最后从所述第一环形器3口输出回传到测量端的回传光载微波信号；滤出的所述光载时间信号送入所述第一平衡探测器进行光电转换，可获得与本地时钟标准源同步的时间信号。
16.优选地，所述相位检测模块包括第二平衡探测器、时钟标准源、相位检测器、相位比较器；其中，所述第二路光频梳信号作为回传光载微波信号的相位检测的参考信号，与所
述回传的光载微波信号在2
×
2光耦合器进行光混频；混频后的输出信号通过所述第二平衡光电探测器转换为电信号后，再经所述相位检测器产生相位抖动信号，然后产生的所述相位抖动信号与所述时钟标准源输出的频率信号在所述相位比较器进行相位比较，以检测出因光纤延时变化导致光载微波信号的绝对相位差。
17.优选地，电延时线补偿模块包括微型处理器、电延时线器；其中，所述微型处理器根据所述相位比较器获得的绝对相位差，除以光载微波信号的频率，计算出所述光纤的延时变化，同时所述时钟标准源输出的时间信号送入电延时线器，然后所述微型处理器根据获得的光纤延时实时地控制电延时线器以进行电域上的时间补偿。
18.优选地，所述光延时线补偿模块包括环路滤波器、光延时线器；其中，所述环路滤波器将所述相位比较器获得的绝对相位差进行积分，积分产生的电压信号用来驱动所述光延时线器以进行光域上的时间补偿。
19.本发明还提供一种基于光电结合时间补偿的光纤时间同步方法，其特征在于，包括以下步骤：
20.步骤1，生成用于光纤传输延时感知和时间同步的第一路光频梳信号，以及用作本地参考的第二路光频梳信号；
21.步骤2，对所述第一路光频梳信号进行滤波得到三支光载波，其中一支载波先上变频后，再与另一支载波耦合生成用来进行光纤延时测量的光载微波信号；第三支光载波经电延时线器驱动的马赫增德尔调制器调制后生成光载时间信号，所述的光载时间信号再与所述的光载微波信号耦合后依次进入光延时线器和光纤；
22.步骤3，耦合进入所述光纤传输的光载微波信号和光载时间信号依次再进入第二环形器、波分复用器进而滤出光载时间信号和光载微波信号，其中滤出的所述光载微波信号经二次频移后经所述第二环形器输出，然后沿同一链路回传到测量端以获得回传的光载微波信号；
23.步骤4，所述第二路光频梳信号作为回传光载微波信号相位检测的参考信号，与所述回传的光载微波信号经光耦合器进行光混频；混频后的输出信号通过第二平衡光电探测器转换为电信号后，再经相位检测器产生相位抖动信号，然后产生的相位抖动信号与时钟标准源输出的频率信号在相位比较器进行相位比较，以检测出因光纤延时变化导致光载微波信号的绝对相位差；
24.步骤5，微型处理器根据相位比较器获得的绝对相位差计算出光纤的延时变化，同时时钟标准源输出的时间信号送入电延时线器，然后所述微型处理器根据获得的光纤延时实时地控制所述电延时线器以进行电域上的时间补偿；
25.步骤6，环路滤波器则将相位比较器获得的所述绝对相位差进行积分，积分产生的电压信号用来驱动基于压电陶瓷的光延时线器以进行光域上的时间补偿；
26.步骤7，波分复用器滤出的所述光载时间信号送入所述第一平衡探测器进行光电转换，便可获得与本地时钟标准源同步的时间信号。
27.优选地，所述时钟标准源可以输出相位同步的不同频率的频率信号和时间信号。
28.优选地，所述的信号发生器与时钟标准源是相位同步的。
29.优选地，所述的第一声光调制器驱动信号由时钟标准源输出的频率信号提供。
30.优选地，所述的信号发生器采用微波信号发生器。
31.优选地，所述的相位检测器由带通滤波器和混频器组成。
32.优选地，所述的相位比较器内置可编程的分频器。
33.本发明提供的基于光电结合时间补偿的光纤时间同步装置及方法，是根据微波光子技术获得高精度的光纤延时变化后，对时间信号在电域上利用电延时线器进行时间补偿，同时在光域上利用光延时线器进行时间补偿，通过光电结合的时间补偿方式，极大地提升了时间的补偿精度和补偿范围，同时兼有快速响应的优势。
34.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
35.1、通过使用光频梳技术获得高频光载微波信号，然后根据信号的相位抖动与光纤延时变化的关系便可获得光纤延时变化，而且光载微波信号的频率越高，光纤延时变化测量的精度越高；
36.2、利用电延时线器和光延时线器分别在电域和光域进行时间补偿，采用光电结合的方式可提升时间补偿的精度和补偿范围，同时具有快速响应的特点；
37.3、实现方法简单，电域和光域的时间补偿值都通过光载微波信号的绝对相位差来获得，可满足光通信、光纤传感、微波光子学等领域的应用需求。
附图说明
38.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
39.图1为本发明提供的一实施例基于光电结合时间补偿的光纤时间同步装置的结构框图；
40.图2为本发明提供的一实施例基于光电结合时间补偿的光纤时间同步装置的电气连接图；
41.图中：
42.101-光纤激光器；
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102-光频梳发生器；
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103-信号发生器；
43.104-第一环形器；
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105-保偏阵列波导光栅；
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106-第一声光调制器；
44.107-马赫曾德尔调制器；
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108-光延时线器；
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109-第二环形器；
45.110-波分复用器；
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111-第一平衡探测器；
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112-第二声光调制器；
46.113-第二平衡探测器；
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114-相位检测器；
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115-时钟标准源；
47.116-相位比较器；
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117-微型处理器；
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118-电延时线器；
48.119环路滤波器；
49.图3为本发明提供的另一实施例基于光电结合时间补偿的光纤时间同步方法的流程图；
50.图4为在40km光纤上采用本发明的时间补偿和未进行时间补偿的同步时间信号的延时变化；
51.图5为在40km光纤上采用本发明的时间补偿和仅用电延时线器时间补偿的同步时间信号的延时变化；
具体实施方式
52.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术
人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
53.下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：
54.图1所示为本发明一实施例基于光电结合时间补偿的光纤时间同步装置的结构框图，包括：光频梳生成模块、信号生成模块、相位检测模块、电延时线补偿模块、光延时线补偿模块和同步信号输出模块。
55.参见图1，本发明提供一种基于光电结合时间补偿的光纤时间同步装置，其特征在于，包括：光频梳生成模块、信号生成模块、相位检测模块、电延时线补偿模块、光延时线补偿模块、同步信号输出模块；
56.所述的光频梳生成模块，生成的光频梳信号经光耦合器分成两路，其中第一路光频梳信号用于光纤传输延时感知和时间同步，第二路光频梳信号用作回传光载微波信号相位检测的本地参考信号；
57.所述的信号生成模块，对所述第一路光频梳信号进行滤波得到三支光载波，所述的三支光载波进而生成用作光纤延时测量的光载微波信号和光载时间信号；
58.所述的相位检测模块，对所述光纤进行传输延时感知后的回传光载微波信号进行相位误差检测，得到因光纤延时变化导致光载微波信号的绝对相位差信息；
59.所述的电延时线补偿模块，将所述相位检测模块获得的所述绝对相位差进行相位-时间的转化，然后控制电延时线器的输出在电域上面进行时间的预补偿；
60.所述的光延时线补偿模块，将所述相位检测模块获得的所述绝对相位差通过环路滤波器积分输出电压信号，然后驱动光延时线器在光域上面进行时间的预补偿；
61.所述的同步信号输出模块，用于获得和本地时钟标准源同步的时间信号，同时对由光纤输入过来的光载微波信号进行二次频移，以避免后向瑞利散射噪声。
62.图2所示为本实施例基于光电结合时间补偿的光纤时间同步装置的电气连线图。本实施例的光载微波信号的频率可通过保偏阵列波导光栅不同输出通道进行选择，两只光载波的频率间隔(光载微波信号的频率)越大，光纤延时变化测量的精度越高，保偏阵列波导光栅也可用光带通滤波器替换。
63.优选的实施例中，参见图2，本发明提供的一实施例基于光电结合时间补偿的光纤时间同步装置电气连接图。其中，所述光频梳生成模块包括光纤激光器101、信号发生器103、光频梳发生器102；其中，所述光纤激光器101输出的光信号经所述信号发生器103驱动的所述光频梳发生器102调制后产生光频梳信号，然后经光耦合器分成所述第一路光频梳信号和所述第二路光频梳信号。
64.优选的实施例中，所述信号生成模块包括第一环形器104、保偏阵列波导光栅105、第一声光调制器106、马赫曾德尔调制器107；其中，所述第一路光频梳信号进入所述第一环形器104的1口，然后从所述第一环形器104的2口输出进入所述保偏阵列波导光栅105，然后经所保偏阵列波导光栅105滤出三支光载波，其中一支光载波先经第一声光调制器106上变频后，再与另一只光载波经1
×
2光耦合器耦合形成光载微波信号；第三支光载波经电延时线器118驱动的马赫曾德尔调制器107调制后生成光载时间信号，所述光载时间信号再与所述光载微波信号由1
×
2光耦合器耦合后依次进入所述光延时线器108和所述光纤。
65.优选的实施例中，所述同步信号输出模块包括第二环形器109、波分复用器110、第二声光调制器112、第一平衡探测器111；其中，所述光载时间信号与所述光载微波信号耦合后经所述光纤传输进入所述第二环形器109的2口，然后从第二环形器109的3口进入所述波分复用器110以滤出光载时间信号和光载微波信号，其中滤出的光载微波信号经所述第二声光调制器112进行二次频移进入所述第二环形器109的1口，然后从所述第二环形器109的2口输出，再依次经过所述光纤、所述光延时线器、所述第一声光调制器106和所述保偏阵列波导光栅105返回进入所述第一环形器104的2口，最后从所述第一环形器104的3口输出回传到测量端的回传光载微波信号；滤出的所述光载时间信号送入所述第一平衡探测器111，可获得与本地时钟标准源同步的时间信号。
66.优选的实施例中，所述相位检测模块包括第二平衡探测器113、时钟标准源115、相位检测器114、相位比较器116；其中，所述第二路光频梳信号作为回传的光载微波信号相位检测的参考信号，与所述回传的光载微波信号在2
×
2光耦合器进行光混频；混频后的输出信号通过所述第二平衡光电探测器113转换为电信号后，再经所述相位检测器114产生相位抖动信号，然后产生的所述相位抖动信号与所述时钟标准源115输出的频率信号在所述相位比较器116进行相位比较，以检测出因光纤延时变化导致光载微波信号的绝对相位差。
67.优选的实施例中，所述电延时线补偿模块包括微型处理器117、电延时线器118；其中，所述微型处理器117根据所述相位比较器116获得的绝对相位差，除以光载微波信号的频率，计算出所述光纤的延时变化，同时所述时钟标准源115输出的时间信号送入电延时线器118，然后所述微型处理器117根据获得的光纤延时实时地控制电延时线器118以进行电域上的时间补偿。
68.优选的实施例中，所述光延时线补偿模块包括环路滤波器119、光延时线器108；其中，所述环路滤波器119将所述相位比较器116获得的绝对相位差进行积分，积分产生的电压信号用来驱动所述光延时线器108以进行光域上的时间补偿。
69.优选的实施例中，所述的信号发生器103可采用微波信号发生器，所述的时钟标准源115具有不同频率基准的输出口和时间信号的输出口，且所有的输出信号的相位同步；所述的相位检测器114内置带通滤波器和混频器；所述的相位比较器116内置可编程的分频器。
70.本发明的另一实施例还提供一种基于光电结合时间补偿的光纤时间同步方法，如图3所示，为本实施例基于光电结合时间补偿的光纤时间同步方法的流程图。一种基于光电结合时间补偿的光纤时间同步方法，其特征在于，包括以下步骤：
71.步骤1，生成用于光纤传输延时感知和时间同步的第一路光频梳信号，以及用作本地参考的第二路光频梳信号。
72.具体地，在该步骤中，光纤激光器101产生的本振光信号经信号发生器103驱动的光频梳发生器102调制后产生光频梳信号，包括用于光纤传输延时感知和时间同步的第一路光频梳信号，以及用作本地参考的第二路光频梳信号；
73.进一步地，所述的信号发生器103与时钟标准源115是相位同步的；
74.步骤2，对所述第一路光频梳信号进行滤波得到三支光载波，其中一支光载波先上变频后，再与另一支光载波耦合生成用来进行光纤延时测量的光载微波信号；第三支光载波经电延时线器驱动的马赫增德尔调制器调制后生成光载时间信号，所述的光载时间信号
再与所述的光载微波信号耦合后依次进入光延时线器和光纤。
75.具体地，在该步骤中，第一路光频梳信号进入第一环形器104的1口，然后从2口输出进入保偏阵列波导光栅105，保偏阵列光栅105滤出三支光载波，其中一支光载波先经第一声光调制器106上变频后，再与另一支光载波经1
×
2光耦合器耦合形成用来进行光纤延时测量的光载微波信号；第三支光载波经电延时线器118驱动的马赫曾德尔调制器107调制后生成光载时间信号，所述光载时间信号再与所述光载微波信号经由光耦合器耦合，然后依次进入光延时线器108和光纤。
76.进一步地，所述的第一声光调制器106的驱动电路由时钟标准源115提供以保证光载微波信号相位的同步性，所述的时钟标准源115输出的时间信号送入电延时线器118以保证时间信号相位的同步性。
77.步骤3，耦合进入所述光纤传输的光载微波信号和光载时间信号依次再进入第二环形器、波分复用器，进而滤出光载时间信号和光载微波信号，其中滤出的所述光载微波信号经二次频移后经所述第二环形器输出，然后沿同一链路回传到测量端以获得回传的光载微波信号。
78.具体地，在该步骤中，光载微波信号和光载时间信号经光纤传输后进入第二环形器109的2口，然后从所述第二环形器109的3口进入波分复用器110以滤出光载时间信号和光载微波信号，其中滤出的所述光载微波信号经第二声光调制器112进行二次频移进入第二环形器109的1口，然后从第二环形器109的的2口输出，再依次经过光纤、光延时线器108、第一声光调制器106和保偏阵列波导光栅105进入第一环形器104的2口，最后从第一环形器104的3口输出回传到测量端的回传光载微波信号。
79.步骤4，所述第二路光频梳信号作为回传光载微波信号的相位检测的参考信号，与所述回传的光载微波信号经光耦合器进行光混频；混频后的输出信号通过第二平衡光电探测器转换为电信号后，再经相位检测器产生相位抖动信号，然后产生的相位抖动信号与时钟标准源输出的频率信号在相位比较器进行相位比较，以检测出因光纤延时变化导致光载微波信号的绝对相位差。
80.具体地，在该步骤中，所述第二路光频梳信号作为回传光载微波信号相位检测的参考信号，与所述回传的光载微波信号在2
×
2光耦合器进行混频；混频后的输出信号通过第二平衡光电探测器113转换为电信号后，再经相位检测器114产生相位抖动信号，然后产生的所述相位抖动信号与时钟标准源115输出的频率信号在相位比较器116进行相位比较，以检测出因光纤延时变化导致的光载微波信号的绝对相位差。
81.进一步地，所述的相位检测器114先对所述电信号进行带通滤波后再进行电混频，然后再滤波输出带有光载微波信号相位抖动信息的差频信号；
82.进一步地，所述的相位比较器116内置可编程的分频器，以保证不同频率信号之间可进行同频相位比较；
83.步骤5，微型处理器根据相位比较器获得的绝对相位差计算出光纤的延时变化，同时时钟标准源输出的时间信号送入电延时线器，然后所述微型处理器根据获得的光纤延时实时地控制所述电延时线器以进行电域上的时间补偿。
84.具体地，在该步骤中，微型处理器117根据相位比较器116获得的所述绝对相位差，除以光载微波信号的频率，计算出光纤的延时变化，同时时钟标准源115输出的时间信号送
入电延时线器118，然后微型处理器117根据获得的光纤延时实时地控制电延时线器118以进行电域上的时间补偿。
85.步骤6，环路滤波器则将相位比较器获得的所述绝对相位差进行积分，积分产生的电压信号用来驱动基于压电陶瓷的光延时线器以进行光域上的时间补偿；
86.具体地，在该步骤中，环路滤波器119则将相位比较器116获得的绝对相位差进行积分，积分产生的电压信号用来驱动基于压电陶瓷的光延时线器108以进行光域上的时间补偿。
87.步骤7，波分复用器滤出的所述光载时间信号送入所述第一平衡探测器进行光电转换，可获得与本地时钟标准源同步的时间信号。
88.具体地，在该步骤中，波分复用器110滤出的所述光载时间信号送入第一平衡探测器111，经过解调可获得与本地时钟标准源同步的时间信号。
89.图4为在40km光纤上采用本发明的时间补偿方法和未进行时间补偿两种情形下同步时间信号的延时变化情况。未进行时间补偿的情形下，时间信号延时变化高达2ns，而进行时间补偿后，延时变化在
±
20ps内，该实验可以验证本发明基于光电结合的时间补偿方法的有效性。
90.图5为在40km光纤上采用本发明光电结合时间补偿的方法和仅采用电延时线器时间补偿的方法两种情形下的同步时间信号的延时变化情况。仅采用电延时线器时间补偿方法的抖动约在100ps内，计算得均方根同步抖动误差约为23ps，而采用本发明的时间补偿方法的抖约在40ps内，均方根同步抖动误差约为6ps。可以发现相比于仅用电延时线器补偿法，本发明的补偿精度提升了约4倍。
91.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。