高精度光纖時頻環形組網系統和組網方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種高精度時頻信號環形組網系統和組網方法，通過利用拓撲學優 勢，在環形鏈路內構建多個鐘源中心站和時頻信號恢復站。實現多個時頻源在環形網絡內， 向多個時頻接收終端傳遞高精度時頻信號的功能。時頻接收終端可處于環形網絡的任意位 置，通過有效的補償措施，實現無損地恢復高精度時頻信號，完成網絡節點高精度授時、守 時。該方案可廣泛應用于可用于天線陣列間時頻信號傳輸、甚長基線干涉、北斗衛星及GPS 導航等領域，也完全滿足未來5G及6G通訊的時鐘同步需求。
【背景技術】
[0002] 現代生活中，高精密的時頻標準越來越受到發達國家的高度重視。它廣泛應用于 衛星導航定位、甚長基線干涉、天線陣列、未來超高速商用通信等。尤其在航天軍事領域，具 有其不可比擬的重要地位。現有的高精度原子鐘，如馴服銫鐘，其準確度可達HT 12量級，氫 鐘，其秒穩已達IX ΚΓ13,同時天穩定度也可小于HT15量級。然而現有的時頻傳遞手段，主要 以美國GPS和中國北斗為代表的衛星微波傳遞方式，已然難以滿足更高精度的工程需求。近 年來國內國際已有不少實驗室投入到基于光纖的時頻組網方法研究，已證實其在頻率傳輸 精度和時間同步的準確度上都有大幅度的提升。
[0003] 為解決光纖時頻傳遞鏈路中噪聲的干擾問題。常見的方法是通過單根光纖雙向還 回的手段（即由中心站發往接收站，再從接受站通過同一根光纖發回中心站），獲取鏈路往 返的噪聲，通過中心站內的光學或電學手段來進行鏈路噪聲抑制，實現遠端接收站無損地 恢復出高精度的時頻信號。參見文獻：F . Yang，D . Xu，Q . Liu，et al .. "Accurate transmission of time and frequency signals over optical fibers based on WDM and two way optical compensation techniques ,，：，CLEO: Science and Innovations, California'CA'USA'JTMA.ggjO^JPItukasz'Sliwczy'nskietal./'Opticalfibers in time and frequency transfer^Measurement Science and Technology,21,075302, 2010
[0004] 然而，進一步要實現"多對多"的高精度時頻傳遞，現有的點對點的傳輸方法，將使 系統變得格外復雜，每個中心站對每個接收站都需要有一套獨立的鏈路噪聲主動抑制裝 置，當網絡節點過多時，傳統方法成本高昂，且難以維護。此外，每個中心站和接收站之間都 需要有獨立的光纖鏈路，將大量浪費網絡資源。上述問題，都限制了高精度時頻傳遞的廣泛 應用。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在于彌補上述在先技術的不足，提出一種高精度光纖時頻環形組網 系統和組網方法，該裝置在保證無損地恢復高精度時頻信號的前提下，在中心站中僅需要 一個環形鏈路噪聲抑制裝置，即可實現多個頻率源在同一光纖環路中向多個接收站傳遞時 頻信號的功能。并且通過多個光纖環路交叉連接，實現不同環路間鐘源的時頻信號恢復。極 大發揮了環形網絡的拓撲學優勢，減少傳遞系統復雜性，優化網絡資源配置，提高了時頻傳 遞系統的穩健性。
[0006] 本發明的具體技術解決方案如下：
[0007] -種高精度光纖時頻環形組網系統，其基本結構至少包括一個主鐘源中心站、一 個以上從鐘源中心站、一個以上時頻信號接收站和光纖鏈路，每個中心站和接收站均有兩 個輸入輸出端口，主鐘源中心站、從鐘源中心站和時頻信號接收站之間通過光纖鏈路相連， 構成一個環形網絡結構。
[0008] 主鐘源中心站負責發射主鐘源的高精度時頻信號，并通過鏈路噪聲主動抑制裝置 穩定環形鏈路中的鏈路噪聲，同時通過濾波器防止主鐘源中心站發出的光載波多次通過環 形鏈路。所述的主鐘源中心站包括主原子鐘，該主原子鐘有兩路時頻信號輸出口，分別與波 長為λο的第一激光器的射頻信號調制口相連和第一鑒相器的參考信號輸入口相連，第一激 光器的光輸出端口和第一隔離器的輸入口相連，第一隔離器的輸出口與第一分束器的輸入 口相連，第一分束器的兩個輸出口分別和第一親合器的1端口和3端口相連，該第一親合器 的1端口的輸入信號由4端口輸出，第一親合器的4端口和第一環形器的2端口相連，第一親 合器的3端口的輸入信號由2端口輸出，該第一親合器的2端口和第二環形器的2端口相連， 第二環形器的2端口輸入信號由3端口輸出，第二環形器的3端口作為主鐘源中心站的第一 輸入輸出端口；逆時針光信號由第二環形器的3端口輸入，由該第二環形器的4端口輸出，第 二環形器的4端口和第一濾波器的輸入端口相連，第一濾波器濾除λ〇的光信號，第一濾波器 的輸出端口和第二環形器的1端口相連，其他波長的光由第二環形器的2端口進入與之相連 的第一親合器中，所述的第一環形器的2端口輸入信號由3端口輸出，第一環形器的3端口和 鏈路噪聲主動抑制裝置即第一光纖延時線的光端口相連，第一光纖延時線的另一個光端口 作為主鐘源中心站的第二輸入輸出端口，從環形鏈路順時針傳來的光信號，經第一光纖延 時線后，進入第一環形器的3端口，由4端口輸出，第一環形器的4端口與第一解復用器的公 共輸入端口相連，第一解復用器的的輸出端口與第一探測器的光輸入端口相連，第一探 測器的射頻信號輸出口與所述的第一鑒相器的射頻信號輸入口相連，該第一鑒相器的鑒相 信號輸出與第一反饋控制電路的輸入端口相連，該反饋控制電路的輸出驅動端口與所述的 第一光纖延時線的控制輸入端相連，所述的第一解復用器的其他波長的輸出端口與第一環 形器的1端口相連，其他波長的光由第一環形器的2端口輸出，進入第一親合器105中，最終 由第二環形器的3端口輸出，繼續在環形鏈路中傳輸。所述的主鐘源中心站通過該中心站的 第一輸入輸出端口和第二輸入輸出端口接入到光纖鏈路中。
[0009] 從鐘源中心站完成將從鐘源的時頻信號從兩個方向發射入環形光纖網絡中，并防 止相應的光載波多次通過光纖鏈路。第i從鐘源中心站的結構包括:第i從原子鐘，該原子鐘 的射頻信號輸出口與波長為M的第二激光器的調制輸入口相連，第二激光器的光輸出端口 和第二隔尚器的輸入口相連，第二隔尚器的輸出口與第二分束器的輸入口相連，第二分束 器的兩個輸出口和第二親合器的1端口和3端口相連。第二親合器中1端口的輸入信號，由4 端口輸出，該端口和第三環形器的2端口相連。第三環形器的3端口作為從鐘源中心站2的第 一輸入輸出端口，3端口作為輸入端口時，由環形器4端口輸出。第三環形器的4端口輸出與 第二濾波器的輸入端口相連，濾除M的時頻信號。第二濾波器輸出端口和第三環形器的1端 口相連。類似的，第二耦合器中3端口的輸入信號，由2端口輸出，該端口和第四環形器的2端 口相連。第四環形器中2端口的輸入信號由3端口輸出，3端口作為從鐘源中心站的第二輸入 輸出端口。第四環形器的3端口作為輸入端口時，由第四環形器的4端口輸出。第四環形器的 4端口與第三濾波器的輸入端口相連，濾除M的時頻信號。第三濾波器輸出端口和第四環形 器的1端口相連，其他波長的光信號將繼續在光環路中傳輸。所述的從鐘源中心站通過該中 心站的第一輸入輸出端口和第二輸入輸出端口接入到光纖鏈路中。
[0010]時頻信號接收站，實現無損地恢復出各個鐘源中心站傳來的時頻信號。所述的時 頻信號接收站可采用光學補償結構或電學補償結構。
[0011] 所述的時頻信號接收站采用光學補償結構按照以下方式連接:第三耦合器的1端 口、2端口作為時頻信號接收站的第一輸入輸出端口和第二輸入輸出端口，所述的時頻信號 接收站通過第一輸入輸出端口和第二輸入輸出端口接入到光纖鏈路中。第三耦合器的1端 口的輸入信號，由2端口輸出繼續進入光纖鏈路，4端口輸出與第二解復用器的公共端相連， 第三耦合器的2端口的輸入信號，由1端口輸出繼續進入光纖鏈路，3端口的輸出與第三解復 用器的公共端相連，第三解復用器中λ〇的輸出端口與第三分束器的輸入端相連，\的輸出口 與第二探測器光信號輸入端相連，第二解復用器中輸出端口與第四分束器的輸入端相 連，的輸出口與第三探測器光信號輸入端相連，第三分束器的兩個輸出端口分別與第二 光纖延時線的光端口和第四探測器的光信號輸入端相連，第四分束器的兩個輸出端口分別 與第三光纖延時線的光端口和第五探測器的光信號輸入端相連，第四探測器和第三探測器 的射頻信號輸出口接入第一混頻器的兩個輸入端口中，其差頻信號輸出口接入到第二反饋 控制電路的輸入端口中，第二探測器和第五探測器的射頻信號輸出口接入第二混頻器的兩 個輸入端口中，其差頻信號輸出口接入到第三反饋控制電路的輸入端口中，第二反饋控制 電路的驅動信號輸出口，與第二光纖延時線的控制輸入端口相連，第二光纖延時線的光端 口輸出與第六探測器的光輸入端口相連，第六探測器的射頻信號輸出端，為經過噪聲抑制 后恢復出來的主中心站時頻信號，第三反饋控制電路的驅動信號輸出口，與第三光纖延時 線的控制輸入端口相連，第三光纖延時線的光端口輸出與第七探測器的光輸入端口相連， 第七探測器的時頻信號輸出端。
[0012] 所述的時頻信號接收站采用電學補償結構按照以下方式連接:第四耦合器的1端 口、2端口作為時頻信號接收站的第一輸入輸出端口和第二輸入輸出端口，所述的時頻信號 接收站通過第一輸入輸出端口和第二輸入輸出端口接入到光纖鏈路中。第四耦合器的2端 口的輸入信號，由1端口輸出繼續進入光纖鏈路，另一部分由3端口輸出與第四解復用器的 公共端相連，第四耦合器的1端口的輸入信號，由3端口輸出繼續進入光纖鏈路，4端口的輸 出與第五解復用器的公共端相連，第五解復用器中λ〇的輸出端口與第八探測器的光信號輸 入端相連，λ〇的輸出口與第九探測器光信號輸入端相連，第四解復用器中λ〇的輸出端口與第 十探測器的光信號輸入端相連，1,的輸出口與第十一探測器光信號輸入端相連，第九探測 器和第十一探測器的射頻信號輸出口，分別與第三混頻器的兩個輸入端口相連，第三混頻 器的和頻信號輸出端口與第一帶通濾波器的輸入端口相連，獲得其和頻信號，第一帶通濾 波器的輸出端口與第一分頻器的輸入端口相連，其分頻輸出為噪聲抑制后的穩定時頻信 號，即恢復出的從鐘源時頻信號，第八探測器和第十探測器的射頻信號輸出口，分別與第四 混頻器的兩個輸入端口相連，第四混頻器的和頻信號輸出端口與第二帶通濾波器的輸入端 口相連，獲得其和頻信號，第二帶通濾波器的輸出端口與第二分頻器的輸入端口相連，第二 分頻器的輸出端口為時頻信號輸出端。
[0013]所述的高精度光纖時頻環形網系統的組網方法，包括以下步驟：
[0014] 1)啟動所述的主鐘源中心站：
[0015] 所述的主鐘源中心站將原子鐘產生的時頻信號調制在第一激光器上輸出的波長 為的光載波，由所述的第一輸入輸出端口和第二輸入輸出端口，分別從順時針和逆時針 兩個方向輸入環形光纖網絡中：
[0016] 順時針的光載波，經過多段光纖鏈路，并依次通過多個從鐘源中心站和多個時頻 信號接收站，主鐘源中心站和第一從鐘源中心站之間的光纖鏈路的相位波動記為，第 一從鐘源中心站到第N從鐘源中心站之間的N-I段光纖鏈路的總相位波動記為#&，第從人鐘源 中心站到第M時頻信號接收站之間的光纖鏈路的相位波動記為?％，第1時頻信號接收站到第M 時頻信號接收站之間的M-I段光纖鏈路之間的總相位波動記為，第一時頻信號接收站到主鐘源 中心站之間的相位波動記為態衡，經環形鏈路一周后，Α〇