基于双纤单向波分复用技术的时间同步系统

陈 丁,许江宁,谭小容,简芳洪

(1.九江学院电子信息工程学院,江西 九江 332005;2.中国人民解放军海军工程大学电气工程学院,湖北 武汉 430033;3.九江学院理学院,江西 九江 332005)

1 引 言

随着光钟的秒稳定度和天稳定度已达到10-16和10-18量级,时间已成为7个国际基本单位中测量精度最高的物理量[1]。不同站点之间时间同步技术成为了科学研究、导航定位、航空航天、电力传输、军事安全等领域的关注热点。由于光纤具有低损耗、高稳定、大带宽等独特优势,光纤传输成为时频同步技术的重要手段之一[2]。针对光缆网铺设的实际情况研究远距离高精度光纤时间传递方法具有十分重要的现实意义。

单纤双向波分复用技术(Single fiber bidirectional wavelength division multiplexing,SFWDM)存在往返波长、折射率不相等导致往返时延不对称,而往返波长的时延差的估算精度成为主从站点钟差估算精度的关键[3-5]。实际光纤链路传输时延受到压力、温度变化等环境因素影响而波动,往返波长的时延差也随温度变化而波动[6]。由于光纤链路的环境温度难以测量,授时系统缺乏对环境温度变化引起时延差值变化的跟踪估算。单纤双向波分复用在估算往返时延差时往往采用常温下时延差的固定值,这种方案可带来纳秒级的时间同步误差[7]。对于实际铺设的光纤,如果能准确掌握光纤纤芯的实时温度,便可直接计算出往返时延差,从而更准确地计算主从站点钟差。然而,在实际链路中光纤的表层、覆膜层、纤芯三者的温度各不相同。由于链路距离长,即便仅仅测量光纤表面的温度就已经难以实现,可见通过直接测量的方式获取所需的温度数据可行性不高[8-9]。针对温度导致的时延差波动,目前尚未提出较好的方法。

此外,单纤波分复用技术为保证往返时延的对称性,采用同一根光纤内双向往返传输光信号[10]。而实际的光纤网络中主要采用单纤单向的传输方式,光纤网络中使用的光放大器等设备也以单向工作方式为主[11]。因此单纤波分复用难以与现有光纤网络兼容,需铺设专用光纤网,或对现有光纤网进行相应的改造,两种方案的成本都非常高昂[12]。单纤双向波分复用技术原理如图1所示。

图1 单纤波分复用时间同步技术Fig.1 SFWDM time synchronization technology

本文提出的双纤单向波分复用(Dual fiber unidirectional wavelength division multiplexing,DFWDM)方案可解决上述技术问题。系统主从站点由两根光纤连接,两种波长在同一光纤内传输方向相同。在温度变化条件下通过对双光纤上4路时间信号的测量,并通过时延的比值关系,可直接求解主从站点的钟差。本方案在算法中不仅消除了光纤长度受温度变化的影响因素,同时消除了不同波长信号传输时延值随温度变化的影响因素。由于实际光缆中通常都布设了多根光纤,相比于传统单纤波分复用虽然多采用了一根光纤,但并未增加工程成本。同时,光缆中环境温度几乎相同的光纤与本算法所需的双纤温度同步变化的前提条件高度一致。仿真实验结果验证了双纤单向波分复用技术的授时精度相比于单纤双向波分复用技术有明显提高。

2 光纤传输时延特性

光纤链路传输时延值表示式如式(1)所示[13]:

(1)

其中,光速C为299792458 m/s;L0为光纤的物理长度;α为光纤的热膨胀系数5.6×10-7/℃;T0取23 ℃;λ为光信号的波长;n为折射率,光纤的Sellmeier折射率公式如式(2)所示[14]:

(2)

其中,光信号波长λ的单位为 μm。式(2)中折射率参数A、B、C、D、E随温度T变化,文献[14]测试了纤芯折射率随温度变化的情况,对于G.652光纤,式(2)中折射率参数如下:A=6.90754×10-6T+1.31552,B=2.35835×10-5T+0.788404,C=5.84758×10-7T+0.0110199,D=5.48368×10-7T+0.91326,E=100。

通过把温度和波长等相关参数带入式(1)和式(2)可精确模拟光纤链路随温度变化的传输时延值,结果如图2所示。

图2 100 km光纤链路传输时延特性Fig.2 Transmission delay characteristics of 100 km optical fiber link

3 双纤波分复用时间同步系统原理

双纤波分复用时间同步系统包括主授时站点和从授时站点,主授时站点和从授时站点之间通过双光纤链路连接。主站包括时钟Clock A、激光发射器、波分复用模块、时间间隔测量模块、光探测器等设备。从站包括时钟Clock B、激光发射器、波分复用模块、时间间隔测量模块、光探测器、时延补偿模块等设备。其中,激光发射器用于把时钟输出的时间信号转换为光信号；波分复用模块用于把时间信号调制到两个不同波长发送到光纤链路中；时间间隔计数模块用于测量发送到接收信号起止时间间隔值；光探测器用于接收对方站点发送来的时间信号；时延补偿模块用于根据系统计算的主从站点的钟差对从站时钟进行补偿。双纤波分复用时间同步系统原理图如图3所示。

图3 双纤波分复用时间同步系统原理图Fig.3 Schematic diagram of DFWDM time synchronization system

系统的主从站点由两根光纤链路连接,光纤长度分别为L1和L2。主授时站点时钟Clock A作为参考钟源,从授时站点时钟Clock B作为待驯服时钟,时钟Clock A与时钟Clock B钟差为ΔT。在同一时刻,主授时站点时钟Clock A的时间信号经过调制后以波长λ1和λ2经光纤L1向从站发送；从授时站点时钟Clock B的时间信号经过调制后以波长λ1和λ2经光纤L2向主站发送。

主站经长度为L1的光纤向从授时站点发送的波长λ1时间信号在光纤链路中的传输时延为τ1:

(3)

主站经长度为L1的光纤向从站发送的波长λ2时间信号在光纤链路中的传输时延为τ2:

(4)

从站经长度为L2的光纤向主授时站点发送的波长λ1时间信号在光纤链路中的传输时延为τ3:

(5)

从站点经长度为L2的光纤向主授时站点发送的波长λ2时间信号在光纤链路中的传输时延为τ4:

(6)

在公式(3)～(6)中,L为光纤链路长度;C为光速;n为折射率;λ为光信号的波长。

根据公式(3)和(4)可得:

(7)

根据公式(5)和(6)可得:

(8)

(9)

主站安装时间间隔计数模块TIC1和TIC2。其中,TIC1在主站Clock A发出波长λ1的时刻开始计时,在主站接收到由从站Clock B发送波长λ2的时刻停止计数,测量结果为:

TIC1=τ4+ΔT

(10)

TIC2在主站Clock A发出波长λ2的时刻开始计时,在主站接收到由从站Clock B发送波长λ1的时刻停止计数,测量结果为:

TIC2=τ3+ΔT

(11)

从站安装了时间间隔计数模块TIC3和TIC4。其中,TIC3在从站Clock B发出波长λ1的时刻开始计时,在从站接收到由主站Clock A发送波长λ2的时刻停止计数,测量结果为:

TIC3=τ2-ΔT

(12)

TIC4在从站Clock B发出波长λ2的时刻开始计时,在从站接收到由主站Clock A发送波长λ1的时刻停止计数,测量结果为:

TIC4=τ1-ΔT

(13)

双纤波分复用时间同步系统时序图如图4所示:

图4 双纤波分复用时间同步系统时序图Fig.4 Sequence diagram of DFWDM time synchronization system

根据(9)-(13)五个方程可求解主站Clock A和从站Clock B的钟差ΔT:

(14)

将计算出的钟差ΔT送入时延补偿模块,并在从站补差时钟Clock B,从而实现主从站点时间同步。

4 实验验证与分析

4.1 系统平台搭建

图5 光纤链路温度变化图Fig.5 Temperature variation of optical fiber link

表1 实验设置参数表Tab.1 Physical parameters of experimental setup

4.2 实验结果与分析

当系统采用第一组波长1310～1550 nm时,温度变化条件下时间间隔计数器测量结果如图6所示。其中,在图6(a)中,TIC1测量波长1550 nm在光纤L2上的传输时延τ4与主从站站点钟差ΔT之和；TIC2测量波长1310 nm在光纤L2上的传输时延τ3与主从站站点钟差ΔT之和。在图6(b)中,TIC3测量波长1550 nm在光纤L1上的传输时延τ1与主从站站点钟差ΔT之差；TIC4测量波长1310 nm在光纤L1上的传输时延τ1与主从站站点钟差ΔT之差。

图6 TIC测量值(1310～1550 nm)Fig.6 TIC measurement value(1310～1550 nm)

将以上测量的TIC1、TIC2、TIC3、TIC4数据代入式(14),可直接求解主从站点Clock A与Clock B的瞬时钟差ΔT,求解可用于从站补偿Clock B,从而实现主从站点时间同步。ΔT的求解精度也就是时间同步系统的授时精度。

通过对ΔT的计算值与实际测量值的比较分析,可估算本方案的授时精度。波长1310～1550 nm时间同步精度结果如图7所示。同时,在相同的温度环境和波长组合实验条件下,将双纤波分复用系统与传统的单纤波分复用系统进行比较。结果显示,60 min内传统的单纤波分复用系统授时精度为1.335 ns,双纤波分复用系统授时精度为27 ps,采用本方案可使授时精度提高约1.3 ns。

图7 单纤波分复用与双纤波分复用系统时间同步精度(1310～1550 nm)Fig.7 Time synchronization accuracy of SFWDM and DFWDM systems(1310～1550 nm)

当系统采用第二组波长1490～1550 nm时,温度变化条件下时间间隔计数器测量结果如图8所示。其中,在图8(a)中,TIC1测量波长1550 nm在光纤L2上的传输时延τ4与主从站站点钟差ΔT之和；TIC2测量波长1490 nm在光纤L2上的传输时延τ3与主从站站点钟差ΔT之和。在图8(b)中,TIC3测量波长1550 nm在光纤L1上的传输时延τ1与主从站站点钟差ΔT之差；TIC4测量波长1490 nm在光纤L1上的传输时延τ1与主从站站点钟差ΔT之差。

图8 TIC测量值(1490～1550 nm)Fig.8 TIC measurement value(1490～1550 nm)

同样将以上测量的TIC1、TIC2、TIC3、TIC4数据代入式(11),求解主从站点Clock A与Clock B的瞬时钟差ΔT。通过对ΔT的计算值与实际测量值的比较分析,可估算本方案的授时精度。波长1490～1550 nm时间同步精度结果如图9所示。同时,在相同的温度环境和波长组合实验条件下,将双纤波分复用系统与传统的单纤波分复用系统进行比较。结果显示,60 min内传统的单纤波分复用系统授时精度为285 ps,双纤波分复用系统授时精度为76 ps,采用本方案可使授时精度提高约200 ps。

图9 单纤波分复用与双纤波分复用系统时间同步精度(1490～1550 nm)Fig.9 Time synchronization accuracy of SFWDM and DFWDM systems(1490～1550 nm)

系统时间同步残余误差主要来源为时间间隔计数器测量误差。理论上系统仿真的光纤链路时延值可精确至1×10-17s量级,但本系统选用的时间间隔计数器测量精度为10 ps。10 ps级别的测量精度造成本钟差估算精度只能达到几十皮秒。如果时间间隔计数器的精度更高,本方案的授时精度也可相应提高。但目前常用时间间隔计数设备测量精度一般为10 ps级。

需要指出的是,图7与图9的授时精度仅针对主站到从站光纤链路的时延误差的估算,并不包含主站与从站两端的终端收发设备产生误差。同时在实际工程中,受激光器发射波长抖动,时间间隔计数器测量精度、从站驯服模块等仪器设备的影响,授时精度将有所降低。

5 结 论

本文提供基于双纤波分复用技术的时间同步系统,系统主从站点之间由双光纤链路连接,通过4台时间间隔计数器对两种波长、4路时间信号的传输时延值测量,可直接求解主从站点的时钟钟差。最后在从站时延补偿模块对从站时钟进行补偿,实现主从站点时间同步。本方法可消除环境温度对光纤长度、折射率、传输群时延等因素的影响,弥补了传统单纤波分复用方法对温度导致的往返时延差变化的跟踪不足的问题。结果表明,主从站点分别由100 km和90 km两根光纤相连,当光纤链路温度在-20～40 ℃变化环境下,采用1310～1550 nm波长时,能够将主从站点钟差估算误差降低约1.3 ns,采用1490～1550 nm波长时,授时精度将提升约200 ps。