一种基于频域切割技术的时间传递系统 |
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| 申请号 | CN202310883069.2 | 申请日 | 2023-07-18 | 公开(公告)号 | CN116954053A | 公开(公告)日 | 2023-10-27 |
| 申请人 | 上海交通大学; | 发明人 | 吴龟灵; 谢昆峰; 胡亮; 陈建平; | ||||
| 摘要 | 一种基于频域切割技术的时间传递系统与传递方法，该系统包括近端装置、中间下载装置、远端装置；近端装置与远端装置包括双向连接器、宽带 信号 发生器S1、宽带信号发生器S2、发射机、接收机、 模数转换 与滤波单元F1、模数转换与滤波单元F2、 信号处理 单元；中间下载装置包括：下载装置、宽带信号发生器S1、宽带信号发生器S2、接收机、模数转换与滤波单元F1、信号处理单元。该方法将来自本地钟源的时间信息编码为宽带信号，一路通过发射机发送，另一路被切割成多个窄带信号，接收到的信号进行相同的操作，将相应的窄带信号分别进行互相关操作，并取所有窄带信号测量结果进行平均作为本次测量的结果。中间 站点 可以获取双向传输的信号，实现分布式授时。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于频域切割的时间传递系统，其特征在于，包括：通过传输信道相连的近端装置、中间下载装置和远端装置； |
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| 说明书全文 | 一种基于频域切割技术的时间传递系统技术领域背景技术[0002] 时间是七个国际基本单位之一，也是目前测量最精确的一个。精确的时间频率基准是现代科学研究和工业体系的基准之一。然而，高精度的时间频率基准往往体积庞大、系统复杂、价格高昂，通常只运行在国家计量中心。因此，高精度时间频率传递是一个重要的研究课题。 [0003] 目前主流的授时技术是基于卫星的微波授时技术和激光授时技术，其容易受到大气湍流、电离层干扰等因素的影响，因此精度受限在纳秒量级。基于激光的授时技术虽然可以实现亚皮秒级别的授时精度，但是这种授时系统往往需要引入系统复杂、价格高昂的光学频率梳，因此难以大规模应用。 发明内容[0004] 本发明旨在解决上述的技术问题，提出一种基于频域切割技术的时间传递系统与方法，该装置包括：通过传输信道相连的近端装置、中间下载装置、远端装置；可以提升微波授时技术的精度，并在不使用光学频率梳的前提下实现高精度激光授时。 [0006] 第一S2宽带信号发生器、第一发射机、第一接收机、第二F2模数转换与滤波单元、第一F2模数转换与滤波单元、第一信号处理单元。所述第一双向连接器的第一端口与所述第一发射机的第二端口相连，第二端口与传输信道相连，第三端口与所述第一接收机的第一端口相连；所述第一S1宽带信号发生器的第一端口为外部时间基准输入端口，第二端口与所述第一发射机的第一端口相连；所述第一S2宽带信号发生器的第一端口为外部时间基准输入端口，第二端口与所述第一F2模数转换与滤波单元的第一端口相连；所述第二F2模数转换与滤波单元的第一端口与所述第一接收机的第二端口相连，第二端口与所述第一信号处理单元的第二端口相连；所述第一F2模数转换与滤波单元的第二端口与所述第一信号处理单元的第一端口相连； [0007] 所述的远端装置包括第二双向连接器、第二S1宽带信号发生器、第二S2宽带信号发生器、第二发射机、第二接收机、第二F1模数转换与滤波单元、第一F1模数转换与滤波单元、第二信号处理单元。所述第二双向连接器的第一端口与所述第二发射机的第二端口相连，第二端口与传输信道相连，第三端口与所述第二接收机的第一端口相连；所述第二S1宽带信号发生器的第一端口为外部时间基准输入端口，第二端口与所述第二发射机的第一端口相连；所述第二S2宽带信号发生器的第一端口为外部时间基准输入端口，第二端口与所述第一F1模数转换与滤波单元的第一端口相连；所述第二F1模数转换与滤波单元的第一端口与所述第二接收机的第二端口相连，第二端口与所述第二信号处理单元的第二端口相连；所述第一F1模数转换与滤波单元的第二端口与所述第二信号处理单元的第一端口相连； [0008] 所述的中间下载装置包括第一下载装置、第三S1宽带信号发生器、第三S2宽带信号发生器、第三接收机、第四接收机、第三F1模数转换与滤波单元、第三F2模数转换与滤波单元、第三信号处理单元、第四信号处理单元、第四F1模数转换与滤波单元、第四F2模数转换与滤波单元。所述第一下载装置的第一端口与靠近近端装置的传递时间信息的传输信道相连，第二端口与靠近远端装置的传递时间信息的传输信道相连，第三端口与所述第三接收机的第一端口相连，第四端口与所述第四接收机的第一端口相连；所述第三S1宽带信号发生器的第一端口为外部时间基准输入端口，第二端口与所述第四F1模数转换与滤波单元的第一端口相连；所述第三S2宽带信号发生器的第一端口为外部时间基准输入端口，第二端口与所述第四F2模数转换与滤波单元的第一端口相连；所述第三F1模数转换与滤波单元的第一端口与所述第三接收机的第二端口相连，第二端口与所述第三信号处理单元的第一端口相连；所述第三F2模数转换与滤波单元的第一端口与所述第四接收机的第二端口相连，第二端口与所述第四信号处理单元的第一端口相连；所述第三信号处理单元的第二端口与所述第四F1模数转换与滤波单元的第二端口相连；所述第四信号处理单元的第二端口与所述第四F2模数转换与滤波单元的第二端口相连。 [0009] 所述的第一双向连接器和第二双向连接器的信号传输如下： [0010] 当信号分别从第一双向连接器的第一端口和第二双向连接器的第一端口进入，则从第一双向连接器的第二端口和第二双向连接器的第二端口输出； [0011] 当信号从第二端口输入，则信号从第三端口输出。 [0012] 所述的第一下载装置的信号传输如下： [0013] 如果信号从第一端口进入，则信号从第二端口和第三端口输出；信号从第二端口输入，则信号从第一端口和第四端口输出； [0014] 从第四端口输出的信号与近端装置中第一发射机的波长相同；从第三端口输出的信号与远端装置中第二发射机的波长相同。 [0015] 所述第一S1宽带信号发生器、第二S1宽带信号发生器和第三S1宽带信号发生器可以检测根据第一端口接收的时间信息，产生相同的宽带信号S1，并从第二端口输出。 [0016] 所述第一S2宽带信号发生器、第二S2宽带信号发生器和第三S2宽带信号发生器可以检测根据第一端口接收的时间信息，产生相同的宽带信号S2，并从第二端口输出。其中，宽带信号S1和宽带信号S2可以是相同的信号，也可以是不同的信号。 [0017] 所述第一F1模数转换与滤波单元、第二F1模数转换与滤波单元、第三F1模数转换与滤波单元、第四F1数模转换与滤波单元可以将将输入的宽带信号S1在频域上切割成若干个窄带信号，并输出这些窄带信号对应的数字量。 [0018] 所述第一F2模数转换与滤波单元、第二F2模数转换与滤波单元、第三F2模数转换与滤波单元、第四F2数模转换与滤波单元可以将将输入的宽带信号S2在频域上切割成若干个窄带信号，并输出这些窄带信号对应的数字量。 [0019] 所述第一信号处理单元、第二信号处理单元、第三信号处理单元和第四信号处理单元用于对输入的信号进行互相关运算，并对不同频率信号的互相关结果进行加权运算，并根据运算结果获取本地S1信号、S2信号与接收到的S1信号、S2信号的时间间隔。 [0020] 其可以用放大器延长传输距离、增加中间下载装置的个数，因此可以存在多个中间下载装置。 [0021] 所述第一发射机、第二发射机使用的载波波长可以相同、也可以不同。 [0022] 一种基于频域切割技术的时间传递方法包括下列步骤： [0023] 1)近端点的时钟源输出的时间信号经过S1宽带信号发生器、S2宽带信号发生器产生宽带信号，其中S1宽带信号发生器产生的信号经过调制后发送到对端，S2宽带信号发生器产生的信号被送到第二F2模数转换与滤波单元被转化成若干窄带的数字信号。经过接收机转化的来自对端的宽带信号被发送到第一F2模数转换与滤波单元被转化成若干窄带的数字信号。来自与第一F2模数转换与滤波单元的若干窄带信号与来自第二F2模数转换与滤波单元的若干窄带信号被发送到信号处理单元，通过对相应的窄带信号进行互相关得到相应窄带信号之间的延时量，并对所有窄带信号之间的延时量进行平均作为本地时间比对的结果； [0024] 2)远端点的时钟源输出的时间信号经过S1宽带信号发生器、S2宽带信号发生器产生宽带信号，其中S2宽带信号发生器产生的信号经过调制后发送到对端，S1宽带信号发生器产生的信号被送到第二F1模数转换与滤波单元被转化成若干窄带的数字信号。经过接收机转化的来自对端的宽带信号被发送到第一F1模数转换与滤波单元被转化成若干窄带的数字信号。来自与第一F1模数转换与滤波单元的若干窄带信号与来自第二F1模数转换与滤波单元的若干窄带信号被发送到信号处理单元，通过对相应的窄带信号进行互相关得到相应窄带信号之间的延时量，并对所有窄带信号之间的延时量进行平均作为本地时间比对的结果； [0025] 3)双向传输的信号可以在中继下载装置被下载，通过接收机分别恢复来自近端的宽带信号S1与来自远端站的宽带信号S2。本地的时间基准出的时间信号经过S1宽带信号发生器产生宽带信号S1、S2宽带信号发生器产生宽带信号产生宽带信号S2。两路S1信号被发送到F1模数转换与滤波单元(转化成若干窄带的数字信号，并送入信号处理单元通过对相应的窄带信号进行互相关得到相应窄带信号之间的延时量，并对所有窄带信号之间的延时量进行平均作为本地时间比对的结果。两路S2信号被发送到F1模数转换与滤波单元被转化成若干窄带的数字信号，并送入信号处理单元通过对相应的窄带信号进行互相关得到相应窄带信号之间的延时量，并对所有窄带信号之间的延时量进行平均作为本地时间比对的结果。 [0026] 与现有技术相比，本发明的有益效果 [0028] 图1是本发明一种基于频域切割技术的时间传递系统的结构图。 [0029] 图2是本发明一种基于频域切割技术的时间传递系统模数转换与滤波单元工作一种可行原理图。 [0030] 图3是本发明本发明一种基于频域切割技术的时间传递系统模数转换与滤波单元工作另一种可行原理图。 [0031] 图4是本发明一种基于频域切割技术的时间传递系统系统实施例结构示意图。 具体实施方式[0032] 下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。 [0033] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语‘近端’仅代表时间频率参考源所在的端点，并不是一个固定的端点。术语‘宽带’、‘窄带’仅代表相对频频谱的宽窄，并不特指频谱宽于或窄于于某个特定的频率范围。 [0034] 以下结合附图和描述根据本发明实施的一种基于频域切割技术的时间传递系统。 [0035] 先请参阅图1，图1是本发明一种基于频域切割技术的时间传递系统的结构图，由图可见，本发明一种基于频域切割技术的时间传递系统，包括：通过传输信道相连的近端装置、中间下载装置、远端装置；可以实现高精度授时。 [0036] 所述的近端装置包括第一双向连接器、第一S1宽带信号发生器、第一S2宽带信号发生器、第一发射机、第一接收机、第二F2模数转换与滤波单元、第一F2模数转换与滤波单元、第一信号处理单元。所述第一双向连接器的第一端口与所述第一发射机的第二端口相连，第二端口与传输信道相连，第三端口与所述第一接收机的第一端口相连；所述第一S1宽带信号发生器的第一端口为外部时间基准输入端口，第二端口与所述第一发射机的第一端口相连；所述第一S2宽带信号发生器的第一端口为外部时间基准输入端口，第二端口与所述第一F2模数转换与滤波单元的第一端口相连；所述第二F2模数转换与滤波单元的第一端口与所述第一接收机的第二端口相连，第二端口与所述第一信号处理单元的第二端口相连；所述第一F2模数转换与滤波单元的第二端口与所述第一信号处理单元的第一端口相连； [0037] 所述的远端装置包括第二双向连接器、第二S1宽带信号发生器、第二S2宽带信号发生器、第二发射机、第二接收机、第二F1模数转换与滤波单元、第一F1模数转换与滤波单元、第二信号处理单元。所述第二双向连接器的第一端口与所述第二发射机的第二端口相连，第二端口与传输信道相连，第三端口与所述第二接收机的第一端口相连；所述第二S1宽带信号发生器的第一端口为外部时间基准输入端口，第二端口与所述第二发射机的第一端口相连；所述第二S2宽带信号发生器的第一端口为外部时间基准输入端口，第二端口与所述第一F1模数转换与滤波单元的第一端口相连；所述第二F1模数转换与滤波单元的第一端口与所述第二接收机的第二端口相连，第二端口与所述第二信号处理单元的第二端口相连；所述第一F1模数转换与滤波单元的第二端口与所述第二信号处理单元的第一端口相连； [0038] 所述的中间下载装置包括第一下载装置、第三S1宽带信号发生器、第三S2宽带信号发生器、第三接收机、第四接收机、第三F1模数转换与滤波单元、第三F2模数转换与滤波单元、第三信号处理单元、第四信号处理单元、第四F1模数转换与滤波单元、第四F2模数转换与滤波单元。所述第一下载装置的第一端口与靠近近端装置的传递时间信息的传输信道相连，第二端口与靠近远端装置的传递时间信息的传输信道相连，第三端口与所述第三接收机的第一端口相连，第四端口与所述第四接收机的第一端口相连；所述第三S1宽带信号发生器的第一端口为外部时间基准输入端口，第二端口与所述第四F1模数转换与滤波单元的第一端口相连；所述第三S2宽带信号发生器的第一端口为外部时间基准输入端口，第二端口与所述第四F2模数转换与滤波单元的第一端口相连；所述第三F1模数转换与滤波单元的第一端口与所述第三接收机的第二端口相连，第二端口与所述第三信号处理单元的第一端口相连；所述第三F2模数转换与滤波单元的第一端口与所述第四接收机的第二端口相连，第二端口与所述第四信号处理单元的第一端口相连；所述第三信号处理单元的第二端口与所述第四F1模数转换与滤波单元的第二端口相连；所述第四信号处理单元的第二端口与所述第四F2模数转换与滤波单元的第二端口相连。 [0039] 所述的第一双向连接器和第二双向连接器的信号传输如下： [0040] 当信号分别从第一双向连接器的第一端口和第二双向连接器的第一端口进入，则从第一双向连接器的第二端口和第二双向连接器的第二端口输出； [0041] 当信号从第二端口输入，则信号从第三端口输出。 [0042] 所述的第一下载装置的信号传输如下： [0043] 如果信号从第一端口进入，则信号从第二端口和第三端口输出；信号从第二端口输入，则信号从第一端口和第四端口输出。 [0044] 所述第一S1宽带信号发生器、第二S1宽带信号发生器和第三S1宽带信号发生器可以检测根据第一端口接收的时间信息，产生相同的宽带信号S1，并从第二端口输出。 [0045] 所述第一S2宽带信号发生器、第二S2宽带信号发生器和第三S2宽带信号发生器可以检测根据第一端口接收的时间信息，产生相同的宽带信号S2，并从第二端口输出。其中，宽带信号S1和宽带信号S2可以是相同的信号，也可以是不同的信号。 [0046] 所述第一F1模数转换与滤波单元、第二F1模数转换与滤波单元、第三F1模数转换与滤波单元、第四F1数模转换与滤波单元可以将将输入的宽带信号S1在频域上切割成若干个窄带信号，并输出这些窄带信号对应的数字量。 [0047] 所述第一F2模数转换与滤波单元、第二F2模数转换与滤波单元、第三F2模数转换与滤波单元、第四F2数模转换与滤波单元可以将将输入的宽带信号S2在频域上切割成若干个窄带信号，并输出这些窄带信号对应的数字量。 [0048] 所述第一信号处理单元、第二信号处理单元、第三信号处理单元和第四信号处理单元用于对输入的信号进行互相关运算，并对不同频率信号的互相关结果进行加权运算，并根据运算结果获取本地S1信号、S2信号与接收到的S1信号、S2信号的时间间隔。 [0049] 其可以用放大器延长传输距离、增加中间下载装置的个数，因此可以存在多个中间下载装置。 [0050] 所述第一发射机、第二发射机使用的载波波长可以相同、也可以不同。 [0051] 一种基于频域切割技术的时间传递方法包括下列步骤： [0052] 1)近端点的时钟源输出的时间信号经过S1宽带信号发生器、S2宽带信号发生器产生宽带信号，其中S1宽带信号发生器产生的信号经过调制后发送到对端，S2宽带信号发生器产生的信号被送到第二F2模数转换与滤波单元被转化成若干窄带的数字信号。经过接收机转化的来自对端的宽带信号被发送到第一F2模数转换与滤波单元被转化成若干窄带的数字信号。来自与第一F2模数转换与滤波单元的若干窄带信号与来自第二F2模数转换与滤波单元的若干窄带信号被发送到信号处理单元，通过对相应的窄带信号进行互相关得到相应窄带信号之间的延时量，并对所有窄带信号之间的延时量进行平均作为本地时间比对的结果； [0053] 2)远端点的时钟源输出的时间信号经过S1宽带信号发生器、S2宽带信号发生器产生宽带信号，其中S2宽带信号发生器产生的信号经过调制后发送到对端，S1宽带信号发生器产生的信号被送到第二F1模数转换与滤波单元被转化成若干窄带的数字信号。经过接收机转化的来自对端的宽带信号被发送到第一F1模数转换与滤波单元被转化成若干窄带的数字信号。来自与第一F1模数转换与滤波单元的若干窄带信号与来自第二F1模数转换与滤波单元的若干窄带信号被发送到信号处理单元，通过对相应的窄带信号进行互相关得到相应窄带信号之间的延时量，并对所有窄带信号之间的延时量进行平均作为本地时间比对的结果； [0054] 3)双向传输的信号可以在中继下载装置被下载，通过接收机分别恢复来自近端的宽带信号S1与来自远端站的宽带信号S2。本地的时间基准出的时间信号经过S1宽带信号发生器产生宽带信号S1、S2宽带信号发生器产生宽带信号产生宽带信号S2。两路S1信号被发送到F1模数转换与滤波单元被转化成若干窄带的数字信号，并送入信号处理单元通过对相应的窄带信号进行互相关得到相应窄带信号之间的延时量，并对所有窄带信号之间的延时量进行平均作为本地时间比对的结果。两路S2信号被发送到F1模数转换与滤波单元被转化成若干窄带的数字信号，并送入信号处理单元通过对相应的窄带信号进行互相关得到相应窄带信号之间的延时量，并对所有窄带信号之间的延时量进行平均作为本地时间比对的结果。 [0055] 图2是本发明一种基于频域切割技术的时间传递系统系统模数转换与滤波单元工作一种可行原理图。先将宽带模拟信号变成数字信号，再对其进行数字滤波，实现多个窄带信号数字量的输出。 [0056] 图3是本发明一种基于频域切割技术的时间传递系统系统模数转换与滤波单元工作一种可行原理图。先将宽带模拟信号分成若干路，并使用窄带滤波器提取出若干个窄带信号，再用模数转换器将不同的模拟窄带信号变成数字信号，实现多个窄带信号数字量的输出。 [0057] 而后在信号处理单元中对对应的窄带信号进行互相关运算并提取互相关函数的峰值位置，转化为两个函数输入的时间差。 [0058] 所述相关信号可以为啁啾信号、伪随机码信号等。设两个互相关信号分别为g1(t)与g2(t)。并且两个信号为相关信号，因此两个信号具有两个信号可以写作： [0059] g2(t)＝g1(t‑Δt) [0060] 对其进行傅里叶变换可得： [0061] G2(w)＝G1(w)e‑2πi(uΔt) [0062] 并且由互相关函数的计算方法可知： [0063] Rccf(t)＝g1(t)*g2(t) [0064] 结合卷积定理，可以得到： [0065] [0066] 其中 对其进行反傅里叶变换可得 [0067] R(t)＝F(t)*δ(t‑Δt)＝F(t‑Δt) [0068] 由自相关的性质可知，F(t)函数的峰值出现在原点处，R(t)函数的峰值出现在Δt处，也就是g1(t)与g2(t)的偏移量。 [0069] 之后对所有窄带信号提取出的时间差进行加权运算从而实现单次高精度时间间隔测量。 [0070] 本发明一种基于频域切割技术的时间传递系统系统实施例结构示意图如图4所示。近端站点的外部基准将时间信息输入分别到两个相同的中心频率为f啁啾信号发生器，用于产生宽带信号。其中一路信号输入到模数转换器中，并进行数字滤波，将其分为10个窄带信号，并将数字量发给计算机。另一路宽带信号经过光发送机调制到波长1的光载波上并通过波分复用装置发送到光纤中，在中间下载装置通过波分复用装置滤出波长1的信号，并被接收机接收ADC采样转化为数字量，然后通过与近端装置中相同的数字滤波器分为10个窄带信号，并将数字量发给计算机，并与本地产生的中心频率为f1相关信号经过相同的ADC与数字滤波器后在计算机信号处理单元中进行互相关运算，并转化为20个窄带信号的输入时间差，对这10个时间差进行平均，获取两个宽带信号的输入时延差，在远端站点通过相似的过程获得两个信号的输入时间差。在远端站点的时间基准将时间信息分别输入两个相同的中心频率为f啁啾信号发生器，用于产生宽带信号。其中一路信号输入到模数转换器中，并进行数字滤波，将其分为10个窄带信号，并将数字量发给计算机。另一路宽带信号经过光发送机调制到波长2的光载波上并通过波分复用装置发送到光纤中，在中间下载装置通过波分复用装置滤出波长2的信号，中间下载站通过与之前类似的过程获取两个信号的输入时间差。 |
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