陳法喜 趙侃 周旭劉濤 張首剛

1)(中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心,西安 710600)

2)(中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100039)

3)(中國(guó)科學(xué)院時(shí)間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710600)

長(zhǎng)距離多站點(diǎn)高精度光纖時(shí)間同步?

陳法喜1)3)?趙侃1)3)周旭1)2)3)劉濤1)3)張首剛1)3)

1)(中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心,西安 710600)

2)(中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100039)

3)(中國(guó)科學(xué)院時(shí)間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710600)

光纖光學(xué),時(shí)間同步,同步網(wǎng)絡(luò)

為了保證長(zhǎng)距離多站點(diǎn)間的高精度時(shí)間同步,在利用雙向時(shí)間比對(duì)法實(shí)現(xiàn)高精度長(zhǎng)距離時(shí)間同步的基礎(chǔ)上,提出了一種利用一個(gè)波長(zhǎng)信道同時(shí)對(duì)1 PPS(pluse per second)信號(hào)、時(shí)碼信號(hào)以及10 MHz信號(hào)進(jìn)行傳遞,并使用時(shí)分多址和凈化再生的方式實(shí)現(xiàn)多站點(diǎn)高精度光纖時(shí)間同步的方法.以自行研制的工程樣機(jī)在長(zhǎng)度約550 km的實(shí)驗(yàn)室光纖鏈路以及871.6 km的實(shí)地光纖鏈路上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.在實(shí)驗(yàn)室光纖鏈路上,同時(shí)在50,300,550 km處測(cè)量得到的時(shí)間同步標(biāo)準(zhǔn)差分別為16.7,16.8,18.4 ps,時(shí)間穩(wěn)定度分別為1.78 ps@1000 s,2.09 ps@1000 s,2.92 ps@1000 s.在實(shí)地光纖鏈路上,實(shí)現(xiàn)了光纖鏈路沿途11個(gè)站點(diǎn)的時(shí)間同步,測(cè)得871.6 km傳遞鏈路的時(shí)間同步標(biāo)準(zhǔn)差為29.8 ps,時(shí)間穩(wěn)定度為3.85 ps@1000 s,不確定度為25.4 ps.

1 引 言

近年來(lái),原子鐘技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步,不僅提高了時(shí)間頻率測(cè)量的精度,而且還為一些基礎(chǔ)物理研究提供了精密的測(cè)量手段[1?3],同時(shí)也促進(jìn)了全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位、深空探測(cè)等應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展研究[4?6].常用的銫束原子鐘的日穩(wěn)定度已達(dá)到10?14量級(jí),氫原子鐘的日穩(wěn)定度達(dá)到10?15量級(jí)[7],同時(shí)隨著光鐘的出現(xiàn),其日穩(wěn)定度已達(dá)到了10?18量級(jí)[8,9].為了能夠?qū)@些高精度的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行精確的傳輸,則需要一種傳輸精度遠(yuǎn)高于傳遞時(shí)間精度的傳輸手段對(duì)時(shí)間信號(hào)進(jìn)行傳輸,這對(duì)高精度時(shí)間頻率傳輸領(lǐng)域的研究帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn).

在利用同軸電纜對(duì)時(shí)間信號(hào)的傳輸方式中,由于傳遞電纜的帶寬及損耗的限制,傳輸距離一般限制在1 km以內(nèi),無(wú)法滿足遠(yuǎn)程高精度時(shí)間傳遞的要求.衛(wèi)星雙向比對(duì)時(shí)間傳遞[10,11]和全球定位系統(tǒng)共視[12,13]是目前最常見(jiàn)的時(shí)間授時(shí)手段,其傳輸距離可達(dá)數(shù)千乃至上萬(wàn)公里,但由于衛(wèi)星軌道的波動(dòng)、大氣層溫度變化、終端環(huán)境不穩(wěn)定等因素的影響,時(shí)間頻率傳輸?shù)娜辗€(wěn)定度最高為10?15量級(jí)[14],時(shí)間同步精度為納秒量級(jí).為了提高時(shí)間頻率傳輸?shù)姆€(wěn)定度,光纖以其受環(huán)境干擾較小、抗電磁干擾、路徑單一、低損耗及帶寬大等優(yōu)勢(shì),逐漸引起了國(guó)內(nèi)外各研究小組的關(guān)注.2013年,波蘭克拉科夫理工大學(xué)采用密集波分復(fù)用(DWDM)Roudtrip法,在420 km實(shí)地光纖鏈路上實(shí)現(xiàn)了時(shí)間傳遞的穩(wěn)定度優(yōu)于50 ps@1 s[15].2010年,捷克教育科研網(wǎng)中心所采用DWDM雙向時(shí)間比對(duì)方法,在744 km的光纖鏈路上實(shí)現(xiàn)了時(shí)間傳遞的穩(wěn)定度優(yōu)于100 ps@1 s,時(shí)間同步不確定度為112 ps[16].同時(shí),日本、瑞典、德國(guó)、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家也在利用光纖進(jìn)行時(shí)間頻率傳遞方面已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了不同方案的光纖時(shí)間頻率傳遞研究,為下一代高精度光纖時(shí)間頻率同步研究提供了重要的基礎(chǔ)[17?21].近幾年,國(guó)內(nèi)多個(gè)小組在光纖時(shí)間頻率傳遞方面也展開(kāi)了相關(guān)研究工作,并取得了突破性進(jìn)展[22?29].2016年,上海交通大學(xué)采用雙向時(shí)分復(fù)用同波光纖時(shí)間傳遞方案,并利用自循環(huán)的方式,在實(shí)驗(yàn)室光纖鏈路上實(shí)現(xiàn)了800,6000 km的光纖時(shí)間傳遞實(shí)驗(yàn),測(cè)得光纖時(shí)間傳遞的穩(wěn)定度分別為40 ps@1 s和5 ps@105s,190 ps@1 s和61 ps@105s,6000 km時(shí)間同步不確定度為69.5 ps[22].2017年,清華大學(xué)在光纖時(shí)間雙向比對(duì)的基礎(chǔ)上,在30 km的實(shí)驗(yàn)室光纖上實(shí)現(xiàn)了高精度多路由的光纖時(shí)間信號(hào)同步,測(cè)得光纖時(shí)間傳遞的穩(wěn)定度為100 ps@1 s,時(shí)間同步不確定度為100 ps[29].

本文主要介紹了國(guó)家授時(shí)中心在利用光纖進(jìn)行長(zhǎng)距離多站點(diǎn)高精度時(shí)間傳遞方面開(kāi)展的研究.在利用雙向時(shí)間比對(duì)法實(shí)現(xiàn)高精度長(zhǎng)距離時(shí)間同步的基礎(chǔ)上,提出了一種只占用一個(gè)波長(zhǎng)的信道就完成對(duì)1 PPS(pulse per second)信號(hào)、時(shí)碼信號(hào)及10 MHz信號(hào)同時(shí)進(jìn)行傳遞,并采用時(shí)分多址和凈化再生的方式對(duì)多個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間同步的新方案.首先,對(duì)實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)備進(jìn)行了詳細(xì)描述;其次,以自行研制的體積為1 U標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱的工程樣機(jī),在長(zhǎng)度約為550 km的實(shí)驗(yàn)室光纖及871.6 km的實(shí)地光纖鏈路上對(duì)本方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證.在55 km實(shí)驗(yàn)室光纖上,同時(shí)測(cè)得50,300,550 km處的時(shí)間同步標(biāo)準(zhǔn)差分別為16.7,16.8,18.4 ps,時(shí)間穩(wěn)定度分別為13.2 ps@1 s和1.78 ps@1000 s,13.8 ps@1 s和2.09 ps@1000 s,13.0 ps@1 s和2.92 ps@1000 s,550 km光纖鏈路的時(shí)間同步不確定度為22.5 ps.在871.6 km實(shí)地光纖鏈路上,以南京為起點(diǎn),對(duì)光纖鏈路沿途的10個(gè)城市站點(diǎn)進(jìn)行了時(shí)間同步.由于測(cè)量條件的限制,只對(duì)最長(zhǎng)距離光纖鏈路站點(diǎn)之間進(jìn)行了測(cè)量,測(cè)得時(shí)間同步標(biāo)準(zhǔn)差為29.8 ps,時(shí)間穩(wěn)定度為15.1 ps@1 s,3.85 ps@1000 s,通過(guò)分析得到871.6 km實(shí)地光纖的時(shí)間同步不確定度為25.4 ps.最后,對(duì)實(shí)驗(yàn)中影響時(shí)間同步精度的相關(guān)因素進(jìn)行了分析討論,并提出了相應(yīng)的解決方案,以備進(jìn)一步提高.

2 實(shí)驗(yàn)原理與裝置

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

長(zhǎng)距離多站點(diǎn)高精度光纖時(shí)間同步系統(tǒng)的基本原理如圖1所示,光纖時(shí)間同步本地端設(shè)備首先將時(shí)間信號(hào)加載到光上,再通過(guò)光纖鏈路傳遞到第一個(gè)站點(diǎn)的中繼設(shè)備1,中繼設(shè)備1中的光學(xué)環(huán)形器(Ci1)將來(lái)自本地端下行方向的光信號(hào)分離出來(lái),并經(jīng)過(guò)光放大器(Am1)放大后由光學(xué)分束器分為兩路,一路輸出給站點(diǎn)1的光纖時(shí)間同步遠(yuǎn)程端設(shè)備,另一路輸入到中繼設(shè)備1內(nèi)的另一個(gè)光學(xué)環(huán)形器(Ci2)繼續(xù)傳遞到下一站點(diǎn).下行方向的光信號(hào)到達(dá)第二個(gè)站點(diǎn)的中繼設(shè)備2后,采取與在中繼設(shè)備1中相同的方法,一路輸出給站點(diǎn)2的光纖時(shí)間同步遠(yuǎn)程端設(shè)備,另一路繼續(xù)傳遞到下一站點(diǎn)的中繼設(shè)備.如此繼往傳遞到下一站點(diǎn)的中繼設(shè)備,直到最后一個(gè)站點(diǎn)的遠(yuǎn)程端設(shè)備,則可實(shí)現(xiàn)各個(gè)站點(diǎn)遠(yuǎn)程端設(shè)備持續(xù)接收來(lái)自本地端設(shè)備下行方向的光信號(hào).同時(shí),來(lái)自第n個(gè)站點(diǎn)的遠(yuǎn)程端設(shè)備的光信號(hào),到達(dá)第n?1站點(diǎn)的中繼設(shè)備后,通過(guò)環(huán)形器(Ci2n-2)后到達(dá)光放大器(Am2n-2),放大后的光信號(hào)經(jīng)環(huán)形器(Ci2n-3)到達(dá)第n?2個(gè)站點(diǎn)的中繼設(shè)備,同樣以此類推,直至本地端設(shè)備接收到來(lái)自遠(yuǎn)程端設(shè)備n的光信號(hào),則可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程端設(shè)備與本地端設(shè)備時(shí)間信號(hào)的雙向比對(duì)鏈路.

圖1 (網(wǎng)刊彩色)長(zhǎng)距離多站點(diǎn)光纖時(shí)間同步系統(tǒng)原理圖(Am,光放大器;Ci,光學(xué)環(huán)形器)Fig.1.(color online)Schematic diagram of the time synchronization on the multi-sites-connected longdistance fi ber link(Am,optical ampli fi er;Ci,optical circulator).

各個(gè)站點(diǎn)的遠(yuǎn)程端設(shè)備都有各自惟一的設(shè)備地址,本地端設(shè)備采用時(shí)分多址的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)站點(diǎn)的遠(yuǎn)程端設(shè)備進(jìn)行輪詢同步.當(dāng)某個(gè)站點(diǎn)處的遠(yuǎn)程設(shè)備接收到本地端設(shè)備的呼叫指令時(shí),該站點(diǎn)處中繼設(shè)備內(nèi)的光開(kāi)關(guān)將會(huì)被切換到遠(yuǎn)程設(shè)備的輸出激光上,未接收到呼叫指令時(shí),光開(kāi)關(guān)會(huì)切換到來(lái)自下一站點(diǎn)的上行光上.即本地端通過(guò)對(duì)某個(gè)站點(diǎn)的設(shè)備地址進(jìn)行呼叫來(lái)切換光開(kāi)關(guān),從而建立本地端設(shè)備與該站點(diǎn)遠(yuǎn)程端設(shè)備之間的雙向時(shí)間比對(duì)鏈路.通過(guò)雙向時(shí)間比對(duì),控制各個(gè)站點(diǎn)遠(yuǎn)程端設(shè)備內(nèi)的時(shí)延和相位控制模塊,實(shí)現(xiàn)各個(gè)站點(diǎn)與本地端設(shè)備的時(shí)間同步.

本地端與遠(yuǎn)程端設(shè)備間雙向信號(hào)的幀結(jié)構(gòu)如圖2所示.每幀信號(hào)的長(zhǎng)度為10 ms,其中前100μs包含設(shè)備地址、時(shí)碼信息、比對(duì)數(shù)據(jù)及其他數(shù)據(jù),剩余9.9 ms是10 MHz載波信號(hào).每個(gè)站點(diǎn)的遠(yuǎn)程端設(shè)備都可以連續(xù)接收到本地端設(shè)備發(fā)送的幀信號(hào),通過(guò)內(nèi)部解碼器進(jìn)行解析,其中10 MHz載波信號(hào)用于內(nèi)部守時(shí)模塊,使遠(yuǎn)程端設(shè)備具有良好的守時(shí)能力,為時(shí)分多址提供保障.

圖2 本地端與遠(yuǎn)程端設(shè)備間信號(hào)的幀結(jié)構(gòu)Fig.2.Frame structure of the timing signal between local and remote ends.

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖3 本地端與遠(yuǎn)程端實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.3.Experimental setup at the local and remote ends.

實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示,本地端設(shè)備與遠(yuǎn)程端設(shè)備間的雙向時(shí)間比對(duì)是由兩個(gè)波長(zhǎng)相等的激光器通過(guò)光學(xué)環(huán)形器實(shí)現(xiàn)的.本地端設(shè)備將輸入的時(shí)碼信息、10 MHz信號(hào)、時(shí)間信號(hào)及雙向時(shí)間比對(duì)的時(shí)差數(shù)據(jù)輸入到控制編碼器內(nèi),將編碼后的信號(hào)加載到激光器的輸出激光上,激光器發(fā)出的光信號(hào)作為下行光信號(hào),經(jīng)過(guò)環(huán)形器、光纖鏈路及中繼設(shè)備后到達(dá)某一個(gè)站點(diǎn)處的遠(yuǎn)程端設(shè)備.遠(yuǎn)程端設(shè)備內(nèi)將來(lái)自本地端設(shè)備的下行光信號(hào)通過(guò)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并分為兩路,一路通過(guò)載波恢復(fù)模塊獲得10 MHz載波信號(hào),另一路通過(guò)解碼器解調(diào)出時(shí)間信號(hào)、時(shí)碼信息以及雙向時(shí)間比對(duì)的數(shù)據(jù).恢復(fù)得到的10 MHz載波信號(hào)經(jīng)過(guò)鎖相環(huán)(PLL)模塊凈化后作為遠(yuǎn)程端設(shè)備內(nèi)部守時(shí)模塊的時(shí)鐘源.當(dāng)該站點(diǎn)的遠(yuǎn)程端設(shè)備被呼叫時(shí),該遠(yuǎn)程端設(shè)備將守時(shí)模塊輸出的時(shí)間信號(hào)與解調(diào)出的時(shí)間信號(hào)通過(guò)時(shí)差測(cè)量模塊進(jìn)行比對(duì),將得到的比對(duì)結(jié)果輸入到運(yùn)算控制模塊中,通過(guò)時(shí)延和相位控制對(duì)守時(shí)模塊輸出的時(shí)間信號(hào)進(jìn)行反饋修正,最后再將輸出的時(shí)間信號(hào)、10 MHz信號(hào)以及當(dāng)前進(jìn)行雙向時(shí)間比對(duì)的數(shù)據(jù)經(jīng)編碼器編碼后,加載到激光器輸出的激光上,經(jīng)過(guò)環(huán)形器的上行光路、中繼設(shè)備、光纖鏈路和環(huán)形器后到達(dá)本地端設(shè)備.本地端設(shè)備利用光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),將解碼器解調(diào)出來(lái)的時(shí)間信號(hào)與輸入的參考時(shí)間信號(hào)進(jìn)行時(shí)間比對(duì),實(shí)現(xiàn)光纖鏈路的雙向時(shí)間比對(duì).遠(yuǎn)程端設(shè)備再將雙向時(shí)間比對(duì)的數(shù)據(jù)經(jīng)解碼器解調(diào)出后,通過(guò)運(yùn)算控制器控制其內(nèi)部的時(shí)延和相位控制模塊,使其輸出的時(shí)間信號(hào)與輸入到本地端設(shè)備的時(shí)間信號(hào)同步.

為了保證各個(gè)站點(diǎn)之間互不影響,各個(gè)遠(yuǎn)程端都設(shè)置了不同的設(shè)備地址號(hào).各個(gè)站點(diǎn)的遠(yuǎn)程端設(shè)備都是持續(xù)接收來(lái)自本地端設(shè)備的信號(hào),利用PLL模塊對(duì)其中的載波頻率信號(hào)進(jìn)行凈化處理,凈化后的載波頻率信號(hào)通過(guò)守時(shí)模塊再生出時(shí)間信號(hào),這樣不僅使遠(yuǎn)程端設(shè)備具有良好的時(shí)間和相位保持能力,而且提高了遠(yuǎn)程端設(shè)備時(shí)間頻率信號(hào)的短期穩(wěn)定度,減小光纖鏈路引入的噪聲.

3 實(shí)驗(yàn)方案與結(jié)果分析

在長(zhǎng)距離多站點(diǎn)高精度光纖時(shí)間同步的實(shí)驗(yàn)測(cè)試中,通常由于本地端和遠(yuǎn)程端設(shè)備不在同一個(gè)地點(diǎn)、測(cè)量設(shè)備及測(cè)量人員數(shù)量等條件的限制,給本方案在實(shí)地光纖鏈路中的驗(yàn)證帶來(lái)了一定的困難,因此在對(duì)實(shí)地光纖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證之前,首先采用實(shí)驗(yàn)室光纖對(duì)本方案進(jìn)行了測(cè)試評(píng)估,最后再采用實(shí)地光纖鏈路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

3.1 實(shí)驗(yàn)室光纖鏈路測(cè)量結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)室光纖鏈路的測(cè)試結(jié)構(gòu)如圖4所示.將1臺(tái)本地端設(shè)備、11臺(tái)接收端設(shè)備以及測(cè)量設(shè)備放置在同一個(gè)地點(diǎn),便于對(duì)本地端的輸入信號(hào)與各個(gè)遠(yuǎn)程端的輸出信號(hào)進(jìn)行精確比對(duì),測(cè)試中以11捆50 km的實(shí)驗(yàn)室光纖作為傳遞鏈路.由于實(shí)驗(yàn)測(cè)試中使用的儀器設(shè)備數(shù)量有限,抽取“遠(yuǎn)程端1”,“遠(yuǎn)程端6”和“遠(yuǎn)程端11”作為時(shí)間同步的比對(duì)測(cè)試對(duì)象,并同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試.

圖4 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方案Fig.4.Scheme of laboratory test.

一般在實(shí)際應(yīng)用中,由于相鄰兩個(gè)站點(diǎn)之間的距離較長(zhǎng),需利用中繼對(duì)傳輸信號(hào)進(jìn)行放大.直接采用摻鉺光纖放大器(EDFA)進(jìn)行級(jí)聯(lián)放大,引入的噪聲會(huì)惡化時(shí)間信號(hào)的傳輸質(zhì)量,影響系統(tǒng)的正常工作.本實(shí)驗(yàn)采用光-電-光中繼放大的方式,避免了光纖鏈路噪聲和EDFA自身噪聲被逐級(jí)疊加放大帶來(lái)的影響.在采用光-電-光中繼放大的方式中,激光器輸出光波長(zhǎng)的一致性和穩(wěn)定性對(duì)時(shí)間同步的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度起著至關(guān)重要的作用.在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中,采用了32個(gè)輸出中心波長(zhǎng)為1542.936 nm的激光器,其中20個(gè)激光器用在10個(gè)中繼設(shè)備內(nèi),11個(gè)激光器用在11個(gè)遠(yuǎn)程端設(shè)備內(nèi),1個(gè)激光器用在本地端設(shè)備內(nèi).這32個(gè)激光器的輸出波長(zhǎng)是通過(guò)波長(zhǎng)計(jì)進(jìn)行逐一測(cè)量標(biāo)定,誤差小于0.0002 nm.為了避免實(shí)驗(yàn)室溫度變化(峰-峰值為2°C/d)對(duì)激光器輸出波長(zhǎng)的影響,對(duì)激光器外部進(jìn)行了溫度控制,使輸出波長(zhǎng)隨環(huán)境溫度的變化小于0.0001 nm/°C.

在測(cè)試過(guò)程中,遠(yuǎn)程端1與本地端間的光纖傳輸時(shí)延為251458378 ps,時(shí)延變化峰值為3886 ps,遠(yuǎn)程端6與本地端設(shè)備間的光纖傳輸時(shí)延為1500799014 ps,時(shí)延變化峰值為24305 ps,遠(yuǎn)程端11與本地端間的光纖傳輸時(shí)延為2772999504 ps,時(shí)延變化峰值為44641 ps.當(dāng)整個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)正常工作時(shí),同時(shí)對(duì)這三個(gè)遠(yuǎn)程端設(shè)備輸出的1 PPS信號(hào)與輸入到本地端的1 PPS信號(hào)進(jìn)行比對(duì)測(cè)試,時(shí)延測(cè)量結(jié)果如圖5所示,紅色線段表示遠(yuǎn)程端1輸出的1 PPS信號(hào)與輸入到本地端的1 PPS信號(hào)的時(shí)差變化,其標(biāo)準(zhǔn)差值為16.7 ps,峰-峰值為121 ps;黑色線段表示遠(yuǎn)程端6輸出的1 PPS信號(hào)與輸入到本地端的1 PPS信號(hào)的時(shí)差變化,其標(biāo)準(zhǔn)差值為16.8 ps,峰-峰值為132 ps;藍(lán)色線段表示遠(yuǎn)程端11輸出的1 PPS信號(hào)與輸入到本地端的1 PPS信號(hào)的時(shí)差變化,其標(biāo)準(zhǔn)差值為18.4 ps,峰-峰值為158 ps.將采集到的時(shí)差數(shù)據(jù)經(jīng)處理,得到的時(shí)間穩(wěn)定度如圖6所示,遠(yuǎn)程端1的時(shí)間信號(hào)穩(wěn)定度為13.2 ps@1 s,1.78 ps@1000 s,遠(yuǎn)程端6的時(shí)間信號(hào)穩(wěn)定度為13.0 ps@1 s,2.09 ps@1000 s,遠(yuǎn)程端11的時(shí)間信號(hào)穩(wěn)定度為13.8 ps@1 s,2.92 ps@1000 s.

圖5 (網(wǎng)刊彩色)實(shí)驗(yàn)室光纖時(shí)差測(cè)量結(jié)果圖(紅色線段為50 km光纖,黑色線段為300 km光纖,藍(lán)色線段為550 km光纖)Fig.5.(color online)Time interval measurement results of laboratory fi ber link(red line,50 km fi ber link;black line,300 km fi ber link;blue line,550 km fi ber link).

圖6 (網(wǎng)刊彩色)實(shí)驗(yàn)室光纖鏈路時(shí)間穩(wěn)定度測(cè)量結(jié)果(紅色曲線為50 km光纖,黑色曲線為300 km光纖,藍(lán)色曲線為550 km光纖)Fig.6.(color online)Time deviation measurement results of laboratory fi ber link time stability(red line,50 km fi ber link;black line,300 km fi ber link;blue line,550 km fi ber link).

3.2 實(shí)地光纖鏈路測(cè)量結(jié)果與分析

以自行研制的工程樣機(jī)在江蘇南部871.6 km的實(shí)地光纖鏈路上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試的地理位置圖如圖7所示.光纖鏈路以南京中心機(jī)房為出發(fā)點(diǎn),途徑鎮(zhèn)江、常州、無(wú)錫、蘇州、常熟、南通、海安、泰州、揚(yáng)州、六合10個(gè)站點(diǎn),最后回到南京中心機(jī)房.圖8是本次測(cè)試的方案示意圖,在南京中心機(jī)房放置一臺(tái)光纖時(shí)間同步本地端設(shè)備和一臺(tái)遠(yuǎn)程端設(shè)備,在其余站點(diǎn)各放置一臺(tái)遠(yuǎn)程端設(shè)備和一臺(tái)中繼設(shè)備.以南京機(jī)房為中心機(jī)房,對(duì)各個(gè)站點(diǎn)(包括南京站點(diǎn))遠(yuǎn)程端設(shè)備進(jìn)行時(shí)間同步,并在南京機(jī)房測(cè)試遠(yuǎn)程端11輸出的時(shí)間信號(hào).

圖7 實(shí)地光纖鏈路地理位置Fig.7.Geographical distribution of the fi eld fi ber link.

圖8 實(shí)地光纖測(cè)試方案Fig.8.Scheme of fi eld fi ber test.

表1 光纖鏈路的詳細(xì)參數(shù)Table 1.Detailed parameters of the individual sites in the fi eld fi ber link.

實(shí)驗(yàn)前,利用光時(shí)域反射計(jì)(OTDR)對(duì)實(shí)地光纖鏈路的長(zhǎng)度和衰減情況進(jìn)行分段測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如表1所列.經(jīng)統(tǒng)計(jì),光纖鏈路全程為871.6 km,總衰減為203 dB.其中表1第5列表示實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)備內(nèi)部的實(shí)時(shí)時(shí)延測(cè)量功能測(cè)得的本地端與各個(gè)站點(diǎn)遠(yuǎn)程端之間的光纖鏈路時(shí)延及其變化情況.從表1中可以看出,871.6 km光纖鏈路的總傳輸時(shí)延平均值為4303540527 ps,時(shí)延變化的峰值為66423 ps.

在南京中心機(jī)房,將南京遠(yuǎn)程端設(shè)備輸出的1 PPS信號(hào)與輸入到南京本地端設(shè)備的1 PPS信號(hào)進(jìn)行比對(duì)測(cè)試,并將測(cè)量結(jié)果與550 km實(shí)驗(yàn)室光纖的情況進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖9所示.550 km實(shí)驗(yàn)室光纖鏈路時(shí)差變化的標(biāo)準(zhǔn)差值為18.4 ps,峰-峰值為158 ps;871.6 km實(shí)地光纖鏈路時(shí)差變化的標(biāo)準(zhǔn)差值為29.8 ps,峰-峰值為285 ps.時(shí)間同步穩(wěn)定度如圖10所示,紅色曲線表示經(jīng)過(guò)550 km實(shí)驗(yàn)室光纖后,其時(shí)間穩(wěn)定度為13.8 ps@1 s,2.92 ps@1000 s,黑色曲線表示經(jīng)過(guò)871.6 km實(shí)地光纖鏈路后,其時(shí)間穩(wěn)定度為15.1 ps@1 s,3.85 ps@1000 s.

從測(cè)量結(jié)果可以看出,實(shí)地光纖鏈路時(shí)間同步結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差值及時(shí)間穩(wěn)定度相對(duì)采用實(shí)驗(yàn)室光纖鏈路的測(cè)量結(jié)果有較大惡化,這是由于實(shí)地光纖鏈路受到的機(jī)械振動(dòng)、聲音及各種噪聲的影響較大,并且這些噪聲的頻譜比較寬,采用光電光中繼和PLL凈化的方式難以徹底消除,從而對(duì)時(shí)間同步的結(jié)果帶來(lái)了一定的影響.這從測(cè)量結(jié)果可以看出,實(shí)地光纖鏈路前100 s的時(shí)間穩(wěn)定度明顯比實(shí)驗(yàn)室光纖鏈路較差;同時(shí)由于測(cè)量環(huán)境溫度的變化,導(dǎo)致本地端、遠(yuǎn)程端及中繼設(shè)備內(nèi)的激光器的輸出波長(zhǎng)和電子線路的傳輸時(shí)延發(fā)生變化,這將對(duì)時(shí)間同步的長(zhǎng)期穩(wěn)定度產(chǎn)生嚴(yán)重的影響,從時(shí)間穩(wěn)定度測(cè)量的結(jié)果中也可以看出,其穩(wěn)定度在1000 s之后發(fā)生了嚴(yán)重的惡化.

圖9 (網(wǎng)刊彩色)實(shí)驗(yàn)室光纖與實(shí)地光纖鏈路時(shí)差變化測(cè)量結(jié)果(紅色曲線表示實(shí)驗(yàn)室光纖,黑色曲線表示實(shí)地光纖)Fig.9.(color online)The measured time interval variation results of the laboratory fi ber link(red line)and the fi led fiber link(black line).

圖10 (網(wǎng)刊彩色)實(shí)驗(yàn)室光纖與實(shí)地光纖鏈路時(shí)間傳遞穩(wěn)定度測(cè)量結(jié)果(紅色曲線表示實(shí)驗(yàn)室光纖鏈路,黑色曲線表示實(shí)地光纖鏈路)Fig.10.(color online)The measured time deviation results of the laboratory fi ber link(red line)and the fi led fi ber link time stability(black line).

3.3 時(shí)間同步標(biāo)準(zhǔn)差及不確定度分析

3.3.1 時(shí)間同步標(biāo)準(zhǔn)差分析

表2列出了550 km實(shí)驗(yàn)室光纖鏈路與871.6 km實(shí)地光纖的時(shí)間傳遞的穩(wěn)定度主要因素影響.其中電子線路延時(shí)誤差主要是由工作溫度變化引起的,實(shí)驗(yàn)室溫度變化峰-峰值約2°C,各個(gè)站點(diǎn)機(jī)房總溫度變化峰-峰值約4°C;補(bǔ)償滯后誤差、測(cè)量模塊誤差及校準(zhǔn)誤差由系統(tǒng)自身決定;光纖殘余噪聲是由光纖鏈路噪聲導(dǎo)致系統(tǒng)中信噪比降低而產(chǎn)生的,主要是由外界環(huán)境振動(dòng)及聲音引起的.

表2 光纖時(shí)間同步標(biāo)準(zhǔn)差分析Table 2.Instability analysis of the fi ber synchronized timing signal.

3.3.2 時(shí)間同步不確定度分析

表3列出了550 km實(shí)驗(yàn)室光纖鏈路與871.6 km實(shí)地光纖的時(shí)間傳遞的不確定度主要因素影響.其中主要包括以下幾個(gè)方面:本地端和遠(yuǎn)程端設(shè)備時(shí)延溫漂,每臺(tái)設(shè)備的漂移約為3 ps/°C,實(shí)驗(yàn)室溫度變化峰-峰值約2°C,各個(gè)站點(diǎn)機(jī)房總溫度變化峰-峰值約4°C;時(shí)差測(cè)量的誤差(本地端和遠(yuǎn)程端設(shè)備的時(shí)延校準(zhǔn)誤差以及設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)光纖鏈路傳輸時(shí)延的測(cè)量誤差);激光器波長(zhǎng)變化引起的光纖色散誤差,經(jīng)過(guò)對(duì)激光器外部的溫度控制,輸出波長(zhǎng)隨環(huán)境溫度的變化小于0.0001 nm/°C;中繼放大器引入的時(shí)延不對(duì)稱性誤差約5 ps.表3中,D為光纖的色散系數(shù),典型值為17 ps/(nm·km),L為光纖鏈路長(zhǎng)度.

本方案采用時(shí)分多址的方式,當(dāng)接入設(shè)備數(shù)量增加時(shí)會(huì)延長(zhǎng)系統(tǒng)的輪詢周期,對(duì)時(shí)間同步穩(wěn)定度及不確定度會(huì)產(chǎn)生一定影響.下一步我們計(jì)劃對(duì)遠(yuǎn)程端設(shè)備內(nèi)的PLL采用數(shù)字鎖相方式,這樣不僅可增大鎖相環(huán)路的時(shí)常數(shù),也可更大程度地抑制帶外噪聲,獲得更好的時(shí)間同步短期穩(wěn)定度,并對(duì)激光器、本地端設(shè)備及遠(yuǎn)程端設(shè)備的溫控進(jìn)行改進(jìn),以減小溫度變化對(duì)時(shí)間同步長(zhǎng)期穩(wěn)定度及不確定度的影響.

表3 光纖時(shí)間傳遞不確定度分析Table 3.Uncertainty analysis of the fi ber synchronized timing signal.

4 結(jié) 論

介紹了中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心在高精度光纖時(shí)間同步方面的研究進(jìn)展.以自行研制的工程樣機(jī),在長(zhǎng)度為550 km長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)室光纖及871.6 km的實(shí)地光纖鏈路上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試.在長(zhǎng)度為550 km的實(shí)驗(yàn)室光纖鏈路上,測(cè)得50,300,550 km處的時(shí)間同步的標(biāo)準(zhǔn)差分別為16.7,16.8,18.4 ps,時(shí)間同步的穩(wěn)定度分別為1.78 ps@1000 s,2.09 ps@1000 s,2.92 ps@1000 s.在實(shí)地光纖鏈路上,由于條件的限制,只對(duì)經(jīng)過(guò)871.6 km光纖鏈路后的時(shí)間信號(hào)進(jìn)行了測(cè)量,測(cè)得時(shí)間同步的標(biāo)準(zhǔn)差為29.8 ps,時(shí)間同步的穩(wěn)定度為3.85 ps@1000 s,時(shí)間同步不確定度為25.4 ps.通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了光纖鏈路中多個(gè)站點(diǎn)的遠(yuǎn)程端設(shè)備與本地端設(shè)備的時(shí)間同步,也驗(yàn)證了本方案的可行性,并對(duì)實(shí)驗(yàn)中的主要影響因素進(jìn)行了分析.在本文提出的方案的基礎(chǔ)上,下一步將采用星形和鏈形連接相組合的多站點(diǎn)同步方法和級(jí)聯(lián)傳遞方式進(jìn)行高精度的時(shí)間同步,這將為全國(guó)性的網(wǎng)絡(luò)化光纖時(shí)間同步研究奠定一定的基礎(chǔ).

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High-precision long-haul fi ber-optic time transfer between multi stations?

Chen Fa-Xi1)3)?Zhao Kan1)3)Zhou Xu1)2)3)Liu Tao1)3)Zhang Shou-Gang1)3)

1)(National Time Service Centre,Chinese Academy of Sciences,Xi’an 710600,China)
2)(University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100039,China)
3)(Key Laboratory of Time and Frequency Standards,Chinese Academy of Sciences,Xi’an 710600,China)

7 May 2017;revised manuscript

5 July 2017)

To achieve high-precision fi ber-optic time transfer,the method of two-way transmission is usually used.Therefore in this paper we propose to develop a high-precision long-haul fi ber-optic time transfer between multi stations by simultaneously transferring the 1 pluse per second signal,time code signal and 10 MHz frequency signal over single fi ber with the same wavelength,and adopting the time division multi address(TDMA)as well as the puri fi cation and regeneration method at individual station.In this proposal,the equipment at each remote station has its own address,and the equipment at the local station can establish the periodic two-way time transfer with any remote station by using the TDMA method,therefore each remote station is synchronized with the local station.To avoid the superimposed e ff ect of optical noises during propagation in fi ber,the optical-electro-optical relay ampli fi ers are utilized.In the meantime the propagation delay of the fi ber link is compensated for at each remote station.With the self-developed engineering prototypes,the experimental veri fi cations are subsequently conducted both in laboratory and real fi eld.In the laboratory,the experimental setup is built by cascading 11 rolls of 50 km-long fi ber coils,and locating three monitoring devices at different fi ber distances of 50,300,and 550 km from the local station.The stabilities of the time transfer at these three points are achieved to be 16.7,16.8,and 18.4 ps in standard deviation,and the time deviations are 1.78,2.09,and 2.92 ps at an averaging time of 1000 s respectively.In the real fi eld test,a fi eld fi ber link of 871.6 km in length is utilized,along which 11 self-developed time-frequency transceivers are set at the cascaded fi ber-optic stations.Since only the 11th remote station is co-located at the local station,the performance and the time transfer between the 11th remote station and the local station are measured accurately.The time transfer is experimentally demonstrated with the time standard deviation of 29.8 ps and the time deviations of 3.85 ps/1000 s.The timing uncertainty on the fi eld fi ber link is also checked and gives a value of 25.4 ps.To further improve the long-term stability of time transfer,the more accurate thermal control of the lasers used in the system should be adopted to reduce the optical wavelength drift.By compressing the bandwidth of the phase locked loop module in each remote device,the short-term stability of time synchronization can also be better.This proposal can also be extended to the fi ber networks with star-shaped and chain-shaped connections.Therefore time synchronization in even larger areas and more stations can be realized.

fi ber optics,time synchronization,synchronization network

(2017年5月7日收到;2017年7月5日收到修改稿)

10.7498/aps.66.200701

?國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):91636101)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(批準(zhǔn)號(hào):2016YFF0200200)和國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):11273024)資助的課題.

?通信作者.E-mail:cfx2006xd@163.com

?2017中國(guó)物理學(xué)會(huì)Chinese Physical Society

http://wulixb.iphy.ac.cn

PACS:07.60.Vg,06.30.–k,42.81.UvDOI:10.7498/aps.66.200701

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.91636101,11273024)and the National Key Research and Development Plan of China(Grant No.2016YFF0200200).

?Corresponding author.E-mail:cfx2006xd@163.com