基于光纖雙環網的高精度時頻同步技術研究

王 鵬 李世光 黨明朝 毛新凱

(北京無線電計量測試研究所，北京 100039)

1 引 言

我國正向信息化、網絡一體化高速發展，推動信息化技術的不斷革新，遠程時間同步系統對通用型高精度時頻同步的需求不斷增強[1]。

目前，遠程時間同步系統中，時頻傳遞的主要手段為共視衛星技術、衛星雙向技術以及北斗授時技術[2]。衛星共視時間傳遞技術是一種利用衛星導航系統進行遠程時間傳遞的技術方法[3]。兩個有一定距離的觀測站于同一時刻觀測相同一個導航衛星，從而獲取它們相應的本地時間與導航系統時間之間的偏差，然后通過交換數據求解兩站之間的時間偏差。衛星雙向時間比對技術利用系統的兩站之間各自將本地原子頻標1PPS利用導航衛星在同一時刻相互傳遞，由時差測量算法計算并記錄比對一方與另一方的時差數據，兩站交換比對數據，即可計算得到兩地鐘的鐘差，實現兩地時間的同步[4]。

但在實際使用中，共視衛星技術的所傳遞的時頻信號具有滯后效果；而衛星雙向技術在使用過程中需要租借商用衛星作為信道，大規模使用時成本很高。

因此，為滿足遠程時間同步系統高精度時頻同步需要，研制低成本、實時性較強的高精度時頻同步技術是必要的。

2 時頻同步技術

2.1 時頻同步原理

時頻同步技術采用1臺主機、若干臺從機的配置實現時頻同步技術實現。主機采用“同步-守時-發播”的基本原理工作。首先接收北斗、GPS、GLONASS、B(AC)碼、B(DC)碼、長波、短波、外部TOD+1PPS等外部定時信號，可對外部時間解調信號質量進行判斷，確定有效的時間源并按優先級進行時間源切換，并將內部銣原子鐘采用馴服技術鎖定到選定的外部時間源。采用高精度的守時模塊，確保在失去外部參考信號情況下輸出時間滿足精度要求，通過溫度補償、老化補償等多種手段，提高守時精度。通過主從機鏈路為從機提供時頻信號，利用10MHz、1PPS、TOD、NTP/PTP等信號主機附近時頻設備提供時頻信號。從機通過主從機鏈路從主機獲取時頻信號，利用馴服技術將本地晶振鎖定到主機時間源上，并將獲取到的高精度時頻信號通過10MHz、1PPS、TOD、NTP/PTP等時頻信號為附件時頻設備提供時頻信號，時間頻率同步技術原理如圖1所示。

圖1 時頻同步技術原理框圖Fig.1 Principle of time-frequency synchronization technology

2.2 馴服技術

馴服技術利用鑒相器獲取本地頻率源與外參考信號的相位偏差，依據該偏差馴服本地頻率源，使其更加精確的跟蹤于外參考。當外參考輸入消失時，本地頻率源將在之前馴服效果的基礎上持續運行[5]。濾波與PID控制單元從高精度時間間隔測量電路得到時差數據，將時差數據進行Kalman平滑濾波后，再經過PID比例積分環節得出當前的壓控電壓，通過D/A控制模塊轉換為兩組數據分別傳輸至兩塊16位D/A芯片中，由兩塊D/A協作輸出本地頻率源頻率調整量，經一段時間的調整，本地頻率源能夠同步于外部參考時鐘。在正常獲取相差的情況下，本地頻率源保持馴服狀態，輸出的頻率信號的長期穩定度和準確度能夠被保證；當受到外界干擾，參考信號出現短暫缺失的情況時，系統自身可通過之前獲得的時差數據預測未來的馴服調整量，從而保持自馴服一段時間，直至參考信號恢復。馴服原理框圖如圖2所示。

圖2 馴服原理框圖Fig.2 Taming principle block diagram

2.3 光纖雙環網技術

目前主從機鏈路方案主要有共視衛星及衛星雙向技術。

表1 各時頻同步技術指標Tab.1 Technical indexes of time-frequency synchronization序號傳遞技術同步精度穩定度(1d)1共視衛星5ns1E-142衛星雙向0.5ns1E-15

由表1可見，共視衛星技術受限于技術特點不能實時進行主從機之間時頻同步；衛星雙向技術可以實時進行同步，并具有良好的指標特性，但使用時需要借助商用衛星，成本昂貴。利用光纖技術傳遞時頻信號，既可以實時傳遞高指標時頻信號，同時又可以大大降低傳輸成本。因此，基于光纖雙環網技術實現時頻同步是最佳選擇。

在時頻傳遞過程中，采用相位補償法在主機通過測量信號源發送的時間信號和從機回傳到主機的時間信號的延時差，從而實時確定鏈路的延時值。在同一個光纖鏈路中傳輸的兩個信號，信號單向傳輸的延遲近似于測量出來的延遲的二分之一，鏈路以此數據做補償算法，近而獲取到高精度的時間頻率信號[6,7]。

雙環網技術可以使一臺主機同時為多臺從機提供高精度時頻同步服務，滿足為大規模、多種時頻終端設備提供高精度、時頻信息的能力。同時，雙環網技術具備自愈合能力，可以在單環故障、光纖鏈路故障、單節點故障情況下，起到保護時頻同步系統的能力，提高時頻同步系統的可靠性[8]。

3 光纖雙環網時頻同步技術

光纖雙環網時頻同步技術組成如圖3所示。

圖3 光纖雙環網時頻同步技術系統組成框圖Fig.3 Time-frequency synchronization technical system composition diagram of optical fiber double-loop network

時頻同步技術主要由時頻主機和時頻分機組成，通過主、分及級聯實現分布式時頻同步服務。主機通過光纖雙環網鏈路與從機構成級聯環路，將高精度時頻信息在光線環路內共享傳輸。分機從環路上獲取時頻信息，將本地時間和頻率與主機同步后，輸出時間和標準頻率信息至其他用時/用頻設備。環路內分機數量不受限制，實現按需分配。

3.1 時頻同步主機設計

時頻同步主機原理框圖如圖4所示。

主機通過北斗/GPS/GLONASS接收機、短波接收機、長波接收機、B時間碼接收單元、外部TOD+1PPS接收單元獲取對應的TOD+1PPS信息，將獲取的1PPS脈沖信號及本地1PPS脈沖信號利用高精度時間間隔計數器測量時差，得到的時差數據送到嵌入式處理器與相應的時間源TOD進行合并判斷操作，選擇最優時間源的TOD、1PPS作為參考源送入高精度守時單元及馴服處理單元進行進一步操作。馴服處理單元將參考1PPS利用馴服技術對銣原子鐘進行頻率調整，輸出高精度頻率信號；高精度守時單元利用所選則的TOD及馴服處理單元輸出的馴服1PPS產生高精度時間信號TOD、1PPS，提供給PTP/NTP服務器、1PPS+TOD輸出單元及光纖鏈路單元；光纖鏈路單元同時從銣鐘獲取高精度頻率信號并將高精度時頻信息傳遞到光纖雙環網鏈路。

圖4 時頻同步主機原理框圖Fig.4 Principle block diagram of time-frequency synchronization host

3.2 時頻同步從機設計

時間頻率同步從機系統原理如圖5所示。

從機通過光纖鏈路獲取到主機傳遞的時頻同步信息進行解析獲取與主機同步的TOD、1PPS作為參考TOD、1PPS，分別送到高精度守時單元及馴服處理單元。馴服處理單元將參考1PPS利用馴服技術對銣原子鐘進行頻率調整，輸出高精度頻率信號；高精度守時單元利用所選則的TOD及馴服處理單元輸出的馴服1PPS產生高精度時間信號TOD、1PPS，提供給PTP/NTP服務器、1PPS+TOD輸出單元。

圖5 時頻同步從機原理框圖Fig.5 Schematic diagram of time-frequency synchronization slave

4 實驗數據

分別采用鐘組守時系統和北斗/GPS/GLONASS作為系統時間源對時頻同步進行了測試，得到了較好的結果。

當系統時間源采用北斗/GPS/GLONASS時，將1臺主機與3臺從機分別利用1km光纖組成雙環網系統，分別將從機1、從機2、從機3與主機進行對比，獲得主分機同步實驗數據見表2。

以UTC(BIRMM)標準時間輸出的TOD+1PPS做系統時間源，UTC(BIRMM)的準確度優于1E-15，頻率穩定度優于1E-15@1d，將1臺主機與3臺從機分別利用1km光纖組成雙環網系統，分別將時間頻率同步系統從機1、時間頻率同步系統從機2、時間頻率同步系統從機3與時間頻率同步系統主機比較獲得的主分機同步實驗數據，見表3。

根據試驗數據，光纖雙環網上任意節點均能很好的從主機獲取高精度時頻同步信息。

表2 采用北斗/GPS/GLONASS時間源的實驗數據Tab.2 Main extension synchronization experiment data of beidou /GPS/GLONASS time source序號比對鏈路同步精度穩定度(1d)1主機-從機14.2E-134.6E-132主機-從機24.5E-134.9E-133主機-從機33.6E-134.3E-13

表3 采用UTC(BIRMM)時間源的實驗數據Tab.3 Main extension synchronization experiment data with UTC(BIRMM)time source序號比對鏈路同步精度穩定度(1d)1主機-從機13.7E-134.8E-142主機-從機23.8E-134.9E-143主機-從機33.5E-135.2E-14

5 結束語

本文介紹一種基于光纖雙環網的高精度時頻同步技術設計方法，針對低成本高精度這一問題提出新的設計思路。根據文中給出的測試數據可見，本方法原理簡單，適合小型化設計，相對于衛星雙向等手段成本低廉，適合在時頻同步領域推廣。