光纤时间传递的大范围高分辨率时延控制方法研究

孔维成，陈法喜，赵侃，邓雪，臧琦，付桂涛，刘涛

光纤时间传递的大范围高分辨率时延控制方法研究

孔维成1,2,3，陈法喜1,2,4，赵侃1,2，邓雪1,2,3，臧琦1,2，付桂涛5，刘涛1,2

（1. 中国科学院 国家授时中心，西安 710600；2. 中国科学院大学 天文与空间科学学院，北京 101048；3. 中国科学院 时间频率基准重点实验室，西安 710600；4. 西安电子科技大学，西安 710126；5. 北京卫星导航中心，北京 100094）

随着原子钟准确度和稳定度的不断提升，对于时间传递技术的要求越来越高。光纤时间传递以其高精度高稳定性能以及安全、可靠等诸多优势已成为重要的时间传递方式。时延控制单元是光纤时间传递的一个重要环节。光纤时间传递的基本原理是先通过估算或实测等方法获得两地之间的传输时延，然后通过对传输时延进行补偿实现时间的传递同步。通过FPGA（field-programmable gate array）和PLL（phase locked loop）移相技术的应用实现了一种可用于光纤时间传递的大范围高分辨率时延控制技术，经多次实验证明，所述系统可对大范围的时差值进行有效控制，将实测时差值存在的偏差都控制在±20 ps以内；并对时延控制模块输出的1PPS信号的实测时差数据进行分析得标准差值为8.2 ps，时延控制模块输出的1PPS信号的稳定度为4.33ps@1s，0.94ps@1ks。

光纤时间传递；时延控制；FPGA；PLL移相

0 引言

近年来，新型原子钟技术的发展非常迅速，随着半导体激光技术、电磁囚禁技术、激光冷却和陷俘原子技术、索莫飞秒脉冲激光技术以及相干布居囚禁（CPT）等新技术的发展以及新物理原理的应用，原子钟的稳定度和准确度已达到10-18数量级[1]。时间频率的测量精度是目前所有物理量及物理常数中最高的，高精度时间频率已经成为一个国家科技、经济、军事和社会生活中至关重要的参量，其应用范围从基础研究（物理理论和基本物理常数等），渗透到了工程技术应用领域（信息传递、导航定位、计量测试等），关系到人们生活的方方面面[2]。目前异地时钟的时间频率传输与同步主要是通过卫星链路来实现的。利用卫星双向时间频率传递（TWSTFT）[3]，卫星共视（CV）[4]等方法可以实现10－15/d量级的频率传输稳定度以及纳秒量级的时间同步精度。现有的时频传输和同步技术已无法满足高精度原子钟时间频率比对的需求，要发展具有更高精度的时频传输与同步方法[5]。

当前应用于光纤时间传递的时延控制技术，主要依靠于移相器、可编程延迟线或FPGA（field-programmable gate array）实现。① 利用移相器产生稳定的相位差，控制精度极高，可达到皮秒量级，但是该技术可能存在信号间断，且控制范围极窄，一般为10 ns；② 可编程延迟线，虽然分辨率高，但一样难以实现大范围的时延控制，一般仅为几十纳秒以下；③ 利用FPGA（现场可编程门阵列）实现相位移动，由于FPGA移相的分辨率取决于FPGA的时钟频率，极大地限制了其分辨率，但也提高了控制范围，如FPGA的时钟周期为100 ns，我们可调节的范围即为100 ns 的正整数倍，小于100 ns 的部分则无法控制。以上几种方法对于控制范围与控制精度均无法兼顾，本文介绍了一种综合了FPGA控制范围宽与移相器控制精度高的优点，基于FPGA技术与PLL（phase locked loop）移相技术相结合的大范围高分辨率时延控制方法。

一般认为，高精度与大范围是一对难以兼顾的控制量，提升控制精度就意味着牺牲了控制范围，而提升了分辨范围以牺牲控制精度为代价。本文提出一种两全法，先由FPGA控制的大范围部分来消除100 ns的整数倍误差，小于100 ns的部分则由移相器部分调节。误差调节过程分为两步：先将原始误差值送入FPGA环节，进行大范围调节得到一个小于100 ns的修正误差值，再将修正误差值送入移相器环节，进一步对误差进行高精度修正。

为满足实际工程应用，本文将理论与实际相结合，把系统集成于光纤时间传递板卡与光学板卡上，此系统具有操作简单、体积小、重量轻、造价低等优点，不仅满足了高精度光纤时间传递工程的切实需求，也使得系统的可操作性大大增强。

1 光纤时间传递系统与大范围、高分辨率时延控制方法

时延控制单元是光纤时间传递的一个重要环节。目前基于光纤的时间传递方法可分为单向法传输和双向法传输，但是两者所基于的基本原理是一样的。光纤时间传递的基本原理是先通过估算或实测等方法获得两地之间的传输时延，然后通过对传输时延进行补偿实现时间的传递同步。本文所述光纤时间传递的大范围高分辨率时延控制方法，通过FPGA技术和PLL移相技术的结合，实现相位时延的粗调和细调，实现大范围高分辨率的时延控制。

1.1 光纤时间传递系统

式（1）中，为光纤折射率，为光纤链路长度，为真空中电磁波传播速度。

由于光纤链路长度和光纤折射率随温度的变化，及光纤折射率的波长相关性使得光纤链路的时延随外界环境温度、激光器输出波长的变化而波动，影响光纤时频传递的稳定性[18]。因此，克服或者补偿时间信号的传输时延以及链路的干扰变化引起的相位抖动是我们实现高精度时间传递的一个重要环节。该系统主要包括光纤链路传输时延测量单元、运算控制单元、光纤链路及其时延控制单元。图1为光纤时间传递系统结构示意图。

图1 光纤时间传递系统结构示意图

1.2 时延控制方法

图2 时延控制总体结构示意图

如图2所示，通过时延控制单元MCU（micro control unit）对所采集的时延控制量进行处理：

式（2）中，为时钟周期，[ ]为取整符号，大范围时延控制量（为正整数）被定义为对取整。

， （3）

式（3）中，为高精度时延控制量。

1.2.1 高分辨率时延控制方法

DA转换器（digital analog converter）将小于时钟周期的高精度时延控制量转换为模拟电压1，1用于控制PLL移相器内部的鉴相电压值2，从而完成对PLL移相器输出信号相位的控制，实现对时间信号时延的细调。

时钟信号与压控晶振VCXO（voltage control x-tal [crystal] oscillator）信号经过分频（为正整数）同时输入鉴相器，经过鉴相器处理可得到两个输入信号之间的相位差，再使相位差信号经过低通滤波器可得到代表时钟信号与VCXO信号相位差的电压值2。1与2同时输入到比例积分PI（proportional integral）控制器中，使PI控制器的输出控制VCXO信号的相位形成锁相环，使得2＝1，从而实现PLL移相。图3为PLL移相器内部结构示意图。

本文需要用DA转换输出的模拟电压来控制PLL移相器内部的鉴相电压值，故而DA转换的精度直接影响到对于小于100 ns时延控制的细调分辨率。本文采用20位DA转换器，且图3中取为4，则时延控制分辨率约为0.4 ps。

图3 PLL移相器内部结构示意图

1.2.2 大范围时延控制方法

通过FPGA控制时钟周期整数倍的时延以实现对时间信号时延的粗调。图4为FPGA的内部结构示意图。如图4所示，FPGA内部计数器模块的3个引脚分别为：CLK时钟信号输入、CLR清零信号输入、Q计数器输出。

图4 FPGA的内部结构示意图

当检测到1 PPS的上升沿时，将计数器数值清零，不用考虑1 PPS信号的脉冲宽度（脉宽最低为100 ns）。每当检测到OUT信号的一个上升沿即经过输入信号的一个周期时值加1，将值送给比较器，与比较器的另一输入量作比较，当＝时，输出1 PPS信号。图5为大范围时延控制方法说明图。

图5 大范围时延控制方法说明图

由于异步信号的输入及边沿检测的延迟性，实际计算中需要减去由延迟带来的固定时延值，固定时延值可通过仿真及实测等方法得到[19-20]。

2 实验装置

本文为验证时延控制方法所采用的实验装置结构图如图6所示，信号源输出的一路10 MHz和1 PPS信号输入到时延控制模块中，时延控制模块输出经过时延控制后的1 PPS信号，作为时间间隔计数器SR620的关门信号。信号源输出另一路的信号10 MHz作为时间间隔计数器SR620的参考频率信号，输出另一路1 PPS信号作为SR620的开门信号。通过计算机设定时延控制量，并采集SR620的测量结果数据进行分析。图7为实验装置图。

图6 实验装置结构图

图7 实验装置图

3 实验及结果分析

实验一，时延控制模块的准确度测试。计算机设定时延控制量，并连续5 min采集SR620的数据，将测量的平均值记录为实测的时延值；重复上述步骤多次改变设定的时延控制量，采集数据。表1为时延控制模块准确实验数据表。

表1 时延控制模块准确实验数据表 ns

当时延控制量设定为0.000 ns时，实验装置存在系统误差19.831 ns，这个偏差主要由同轴线的时延、芯片传输时延、SR620测量的系统等因素引入。在扣除这个系统偏差影响后，计算出各个时延设定值下的实测时差值存在的时间偏差都在±20 ps以内，这个偏差基本上与SR620测量非线性引入的偏差相当。理论上时延控制范围为无穷大，本次实验所测定的时延控制量的范围为51 657 894.341 ns，当设定时延值为5 165 7894.341 ns时，时间偏差依然可以控制在20 ns以内。

实验证明，基于FPGA技术与PLL移相技术相结合的时延控制方法不仅可控制大范围时延且精度水平已经远可以满足在目前高精度光纤时间传递系统中的应用，在未来中国科学院国家授时中心正在建设的高精度国家地基授时系统中也将发挥重要作用。

实验二，时延控制模块输出1 PPS信号的稳定度。设定时延量为304.171 ns，采集24 h的数据，测得的时差数据图如图8所示，对于所测得时延控制模块输出的1 PPS信号的实测时差数据进行分析得标准差值为8.2 ps。

为了进一步分析测量的稳定度，将采集到的时差数据经处理得到的时延控制模块输出的1 PPS信号稳定度如图9所示，图中所示曲线时间偏差TDEV（time deviation）为4.33 ps@1 s，0.94 ps@1 ks。

图8 实测时差数据图

图9 时延控制模块输出1 PPS信号稳定度图

4 结语

本文通过FPGA和PLL移相技术的应用实现了一种可用于光纤时间传递的大范围高分辨率时延控制技术，经多次实验证明，本文所述系统可对大范围的时差值进行有效控制，将实测时差值存在的偏差都控制在±20 ps以内，相比于FPGA时延技术，控制精度由纳秒量级提升至皮秒量级。时延控制模块输出的1 PPS信号的标准差值为8.2 ps，时延控制模块输出的1 PPS信号的稳定度为4.33 ps@1 s，0.94 ps@1 ks。

光纤时间传递以其较高的精度指标优势，在未来有着重要而广阔的应用前景。本文所介绍的时延控制方法具有大动态范围和高分辨率的特点，已成功应用于光纤时间传递研究与应用领域，为国家授时中心研制的光纤时间传递系统在不同复杂环境条件下实现较高的时间传递指标提供了基础，为十三五国家重大科技基础设施“高精度地基授时系统”提供了支撑。

[1] 翟造成, 杨佩红. 新型原子钟及其在我国的发展[J]. 激光与电子学进展, 2009, 46(3): 21-31.

[2] 刘杰. 光纤光学频率传递研究[D]. 西安: 中国科学院国家授时中心, 2015.

[3] 单晓庆，杨俊. 卫星驯服时钟系统的新进展[J]. 测试技术学报, 2009, 23(5): 396-401.

[4] DAVID W A, MARC A W. Accurate time and frequency transfer during common-view of a GPS satellite[C] // 34th Annual Symposium on Frequency Contro, Philadelphia: IEEE, 1980.

[5] 王力军. 超高精度时间频率同步及其应用[J]. 物理学报, 2014, 43(6): 360-363.

[6] JEFFERTS S R, WEISS M A, LEVINES J, et al. Two-way time transfer through SDH and SONET systems[C]//European Frequency and Time Forum, York: EFTF 2016 Local, Scientific and Executive Organising Committee, 1996.

[7] WEISS M A, JEFFERTS S R, LEVINE J, et al. Two-way time and frequency transfer in SONET[C]//Frequency Control Symposium, Hawaii: IEEE, 1996.

[8] JEFFERTS S R, WEISS M A, LEVINE J, et al. Two-way time and frequency transfer using optical fibers[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 1997, 46(2): 209-211.

[9] PRIMAS L, LUTES G, SYDNOR R. Fiber optic frequency transfer link[C] // Frequency Control Symposium, Baltimore: IEEE 1988.

[10] LORI E, PRIMAS L, RONALD T, et al. Applications of ultra-stable fiber optic distribution systems[C] // Proceedings of the 43rd Annual Symposium on Frequency Control 1989, Denver: IEEE, 1989.

[11] LOGAN R T, LUTES G F. High stability microwave fiber optic systems: demonstrations and applications[C] // Frequency Control Symposium,Hershey: IEEE, 1992.

[12] SATO K, HARA T, KUJI S, et al. Development of an ultras table fiber optic frequency distribution system using an optical delay control module[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2000, 49(1): 19-24.

[13] HOLMAN K W, JONES D J, HUDSON D D, et al. Precise frequency transfer through a fiber network using 1.5-μmmode-locked sources[J]. Opt. Lett., 2004, 29(13): 1554-1556.

[14] EBENHAG S C, HEDEKVIST P O, RIECK C, et al. Evaluation of output phase stability in a giber-optic two-way frequency distribution system[C] // Proceedings of Annual Precise Time & Time Interval Systems & Applications Meeting, 2008.

[15] 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): 17-25.

[16] 丁小玉, 张宝富, 卢麟, 等. 高精度时间信号的光纤传递[J]. 激光与光电子学进展, 2010, 47(11): 1-7.

[17] 王翔, 卢麟, 王荣, 等. 基于光纤的时间伺服传递距离拓展研究[J]. 光通信技术, 2015, 39(2): 28-30.

[18] 江少平, 张浩, 姜文宁, 等. 链路实验波动对光纤时间传递稳定性的影响[J]. 激光雨光电子学进展, 2016, 53(4): 1-7.

[19] 周旭, 陈法喜, 赵侃, 等. 光纤时间传递的时延测量技术研究[J]. 激光与电子学进展, 2018(8): 298-303.

[20] 陈法喜, 赵侃, 周旭, 等. 长距离多站点高精度光纤时间同步[J]. 物理学报, 2017, 66(20): 200701.

Study on the time delay control method with large range and high resolution in optical fiber time transfer

KONG Wei-cheng1,2,3, CHEN Fa-xi1,2,4, ZHAO Kan1,2, DENG Xue1,2,3, ZANG Qi1,2, FU Gui-tao5, LIU Tao1,2

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;2. School of Astronomy and Space Science, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;3. Key Laboratory of Time and Frequency Standards, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;4. Xidian University, Xi’an 710126, China;5. Beijing Satellite Navigation Center, Beijing 100094, China)

With the increasing accuracy and stability of atomic clocks, the requirements for time transfer technology are getting higher and higher. Optical fiber time transfer has become an important time transfer method due to its high accuracy and high stability, as well as safety, reliability and stability. The delay control unit is an important part of fiber optic time transfer. The basic principle of optical fiber time transmission is to obtain the transmission delay between the two places through estimation or actual measurement, and then realize the synchronization of the transmission of time by compensating for the transmission delay. In this paper, a large-range high-resolution time-delay control technology that can be used for fiber time transfer is realized by the application of FPGA and PLL phase shifting technology. It has been proved by many experiments that the system described in this paper can effectively control a large range of time difference, and control the deviation of measured time difference to within ±20 ps. The measured time difference data of 1 PPS signal output by the time delay control module was analyzed to obtain a standard deviation of 8.2 ps. The stability of 1 PPS signal output from the delay control module is 4.33 ps@1 s, 0.94 ps@1 ks.

optical fiber time transfer; time delay control; field-programmable gate array(FPGA); phase locked loop(PLL) phase shift

10.13875/j.issn.1674-0637.2019-03-0206-08

2019-01-23；

2019-03-28

国家自然科学基金重大研究计划资助项目（91636101，91836301）；国家重点研发计划资助项目（2016YFF0200200）；中国科学院战略性先导科技专项（B类）资助项目（XDB21000000）

孔维成，女，硕士研究生，主要从事通信与信息系统研究。