吴燕

摘 要： 现有卫星授时体系精度限制以及光网络的成熟发展，使得光纤授时成为高精度时间同步的方案之一。利用双向对比法授时原理设计光纤时间传递系统。介绍系统硬件组成，开发了一套基于Windows系统的控制测量软件，实现了整个系统的自动化控制。测量系统的时延并进行了分析，为后续补偿算法的设计提供了技术支撑。

关键词： 高精度授时； 双向对比法； 同步精度； 误差分析； 光纤时间传递； 自动化控制

中图分类号： TN919.6?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）14?0158?03

Design and error analysis of optical fiber time transfer system

WU Yan

（School of Physics and Telecommunication Engineering， Shaanxi University of Technology， Hanzhong 723003， China）

Abstract： The precision constraint of the current satellite timing system and the mature development of optical networks make the optical fiber timing become one of the high?precision time synchronization schemes. The optical fiber time transfer system is designed by using the timing principle of the two?way contrast method. The hardware composition of the system is introduced， and a set of control measurement software based on Windows system is developed， so as to realize the automatic control of the overall system. Time delay of the system is measured and analyzed， which provides a technical support for the design of the subsequent compensation algorithm.

Keywords： high?precision timing； two?way contrast method； synchronization precision； error analysis； optical fiber time transfer； automatic control

0 引 言

随着科技发展，系统的复杂性愈发趋于庞大。很多系统是由分布在不同地点的多个子系统组成的，那么怎样实现这多个子系统的时间同步，是十分有意义的研究课题。实现时间同步的方法有很多，现在应用较多的是卫星授时导航系统，有GPS授时和我国正在发展的北斗导航授时[1?2]。但卫星授时体系不仅受限于轨道频率资源，而且受限于复杂的建设环境，这些因素促进了光纤授时系统的发展。采用光纤进行频率传输时尽管与传统传输方法比较传输精度有很大提高，但是加载频率信息的光信号光程是变化的，因此需要补偿算法来提高传输精度。马龙生等人1994年提出共轭相位补偿法来克服光程变化[3?5]，随后又出现了光学补偿法和电学补偿法等多种补偿算法。随着研究的不断深入，在光纤时间传递和光学补偿传递上取得了一系列成果[6?9]。

1 光纤时间传递系统设计

利用光纤进行时间信息传递主要有两种方式：

1） 利用SDH网来实现。这种方法的优点是利用现成已组网络，便于推广和应用；缺点是时间传递精度不高[10?11]。

2） 利用WDM技术和设备来实现。这种方法适合长距离传输，且精度高。该技术传递时间主要有环回法和双向对比法两种方法，本文主要介绍双向对比法。

1.1 双向对比法原理

双向对比法原理图如图1所示。

授时A，B两站同时向对端发送自己的时间信息，并将该时间信息当作本地时间间隔计数器的Start信号。两站分别通过接收对端站发送过来的时间信息，当作本地时间间隔计数器的Stop信号。通过测量本地时间与对端发送过来的时间差，计算出两地钟差，从而以一端钟源为基准调整另一地钟源，使两地钟源同步。在这一过程中信号的延迟会随着两站距离使用波长以及信号处理时延等的变化而变化[12]。因此，A地时间间隔计数器的计数结果为：

[T1=TBEO+TBSO+TBA+TARO+TAOE+TA-TB] （1）

B地时间间隔计数器的计数结果为：

[T2=TAEO+TASO+TAB+TBRO+TBOE-TA-TB] （2）

式中：T1，[T2]分别为A，B两站时间间隔计数器测得的时间间隔；[TAEO]和[TBEO]分别为A，B两站的电光转换时延；[TAOE]和[TBOE]分别为A，B两站的光电转换时延；[TASO]和[TBSO]分别为A，B两站的光发送处理时延；[TARO]和[TBRO]分别为A，B两站的光接收处理时延；[TAB]为A站到B站的光纤链路传输时延。[TBA]为B站到A站的光纤链路传输时延；则两地钟差[TA-TB]可由式（1）与式（2）得到。

由于采用单纤双向传输，来回光信号在同一根光纤中传输，物理上客服了传输链路的不对称性，故可以忽略不对称性的影响，既可以认为[TBA]=[TAB]终端站和中心站采用相同的硬件设备和调制解调方式，故理论上可以认为[TBSO=TASO，TARO=TBRO，TAOE=TBOE，][TBEO=TAEO，]所以最终时间简化为：

[ΔT=TA-TB=12T1-T2] （3）

由式（3）可得两地钟差即为两个计数器测量值的一半。利用该单向时延对终端站进行补偿，可使终端站的1 pps和中心站的1 pps相同步。

1.2 光纤时间传递系统设计

由光纤DWDM双向对比法授时的原理设计了光纤时间传递系统，系统由以下设备器件组成：时间间隔计数器、搭载高稳压控晶振的FPGA控制电路板、计算机、单纤双向光模块、光纤。

系统实物图如图2a）所示。

本次实验设计的实验电路板，搭载FPGA，ARM微处理器芯片和一块高稳晶振，晶振的输出频率为10 MHz，频率短期稳定度[≤5×10-11/s] ，频率调整范围[≥±0.8 ppm（0～4 V）] 。

电路板输出的1 pps秒脉冲由此高稳晶振分频而来，授时主站和从站同时向对端发送1 pps秒脉冲，一路秒脉冲信号启动各自的时间计数器，另一路信号经由单纤双向光模块处理（包括电光转换，波分复用）后分别以波长1 330 nm，1 550 nm的光信號在单模光纤中向对端发送，信号在各自对端被接收后经过处理（包括光电转换，解复用）恢复为1 pps秒脉冲信号，作为接收端计数器的Stop信号。此时，2台计数器所测量的数值即为式（1），式（2）的T1，T2。

2 自动控制测量功能的实现

自动控制测量要实现的目的为时间的精准传递， 完成从站B地与主站A地的时钟同步。首先要知道每秒钟B站与A站的时间差，根据此时间差系统不间断循环进行补偿，最终达到两站时间同步精度在纳秒级别，此时间差可由T1和T2算出。因此首先要实现系统测量的实时性，即A，B两地时间间隔数据的一秒一测，测量数据要能够实时自动发送给PC并保存，以便进行数据分析并补偿。要实现这些功能，设计的系统必须具备自动测量功能。

基于此开发了一套基于Windows操作系统的控制软件，可以实现对2台计数器的控制，包括实现2台计数器的初始化设置，实现2台计数器自动进行数据采集、控制、串口发送、Excel表格形式的数据保存。自动测量控制软件工作状态如图2b）所示。

搭建好自动测试软硬件平台后，可以测试T1和T2，从而可以进一步通过计算得到A，B两地的钟差，再通过补偿算法可以实现高精度时间的传递。图3为所测量的T1-T2时间变化曲线。

3 结 论

由式（1）得知T1时间数据主要由以下几部分组成：B站（从站）电光转换时延，B站（从站）光发送时延，把这一部分称之为B站发送光域时延；从A站（主站）经过光纤路径到B站（从站）时间码产生的时延，称之为B?A路径时延，A站（主站）电光转换时延，A站（主站）光接收时延，称之为A站光接收时延，以及A地与B地的实际钟差。分别测量这六个部分，分析图3所得实验数据，得到以下结论：

1） 测量T1-T2方差比较大主要是因为A，B两地的实际钟差的方差很大，导致T1-T2的方差很大。

2） 根据双向对比法授时原理搭建的时间传递系统，不可忽略的误差主要是晶振分频1 pps抖动误差，以及不等价的A钟到B钟的光链路时延，B钟到A钟的光链路时延。在双向对比法中假设了这两个链路路径等价，但是测量的路径误差却在60多纳秒，这对整个系统来说是不能忽略不计的。这说明在实际硬件系统中由于激光器发光波长不稳定性，电、光、电转换时延不稳定等因素的影响，不能简单的认为TBSO=TASO，TARO=TBRO，TAOE=TBOE，即不能简单的由式（3）进行时间的补偿，要想达到纳秒级别的高精度授时，在进行后续时间补偿算法的时必须考虑实际硬件系统中的各种误差。

参考文献

[1] 王丽秋.基于LEA?5T的快速高精度授时系统[J].现代电子技术，2012，35（21）：184?186.

WANG Liqiu. High precision and fast timing system based on LEA?5T [J]. Modern electronics technique， 2012， 35（21）： 184?186.

[2] 陈淡，郑应航.基于蓝牙技术的北斗终端通信模块的设计[J].现代电子技术，2013，36（23）：16?18.

CHEN Dan， ZHENG Yinghang. Design of terminal communication module of Beidou based on Bluetooth technology [J]. Modern electronics technique， 2013， 36（23）： 16?18.

[3] PRINKERT T J， B?LL O， WILLMANN L， et al. Effect of soil temperature on optical frequency transfer through unidirectional dense?wavelength?division?multiplexing fiber?opticlinks [J]. Applied optics， 2015， 54（4）： 728?738.

[4] PAN Shilong， WEI Juan， ZHANG Fangzheng. Passive phase correction for stable radio frequency transfer via optical fiber [J]. Photonic network communications， 2016， 31（2）： 327?335.

[5] LEVINE J. A review of time and frequency transfer methods [J]. Metrologia， 2008， 45（6）： 162?174.

[6] 陈瑞昊，吴龟灵，邹卫文，等.光纤频率传递光学相位补偿系统设计[J].光通信技術，2014，38（4）：1?4.

CHEN Ruihao， WU Guiling， ZOU Weiwen， et al. Optical phase compensation system design for frequency transfer over optical fiber [J]. Optical communication technology， 2014， 38（4）： 1?4.

[7] 张杰，周栋明.单波长单光纤时间双向传递的研究[J].光电子·激光，2014，25（10）：1968?1976.

ZHANG Jie， ZHOU Dongming. Research on time two?way transfer with single wavelength single fiber [J]. Journal of optoelectronics·laser， 2014， 25（10）： 1968?1976.

[8] 程楠，陈炜，刘琴，等.光纤时间频率同时传递系统中时间同步方法的研究[J].中国激光，2015，42（7）：146?152.

CHENG Nan， CHEN Wei， LIU Qin， et al. Time synchronization technique for joint time and frequency transfer via optical fiber [J]. Chinese journal of lasers， 2015， 42（7）： 146?152.

[9] LIU J， GAO J， XU G， et al. Experimental study on optical frequency transfer via communication fibers [C]// Proceedings of IEEE International Frequency Control Symposium. Taipei： IEEE， 2014： 1?3.

[10] 张大元，谢毅，孟艾立，等.利用光纤数字同步传送网2.048 Mbit/s支路传送高精度标准时间信号[J].现代电信科技，2006，12（12）：17?20.

ZHANG Dayuan， XIE Yi， MENG Aili， et al. Transferring high accuracy standard time signal by SDH 2.048 Mbit/s branch [J]. Modern science & technology of telecommunications， 2006， 12（12）： 17?20.

[11] 胡迪，薛强，刘楠楠，等.利用SDH实现高精度时间同步[J].现代电信科技，2012，42（9）：58?62.

HU Di， XUE Qiang， LIU Nannan， et al. High precision time synchronization using SDH [J]. Modern science & technology of telecommunications， 2012， 42（9）： 58?62.

[12] 黄璜.光纤双向时间传递时钟驯服技术研究[D].上海：上海交通大学，2015：5?7.

HUANG Huang. The study on disciplining technique of clock in two?way fiber?optic time transfer system [D]. Shanghai： Shanghai Jiao Tong University， 2015： 5?7.