阅读说明：本技术 一种利用曼彻斯特编码的光纤时间频率传递系统及方法 (Optical fiber time frequency transmission system and method using Manchester coding ) 是由 陈法喜 赵侃 郭新兴 刘涛 于 2020-06-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种利用曼彻斯特编码的光纤时间频率传递系统及方法,所述系统包括：发射端；所述发射端包括：时间频率源、N倍频器、第一TDC、第一编码器、第一激光器、第一环形器、第一光电探测器和第一解码器。本发明将具有高精度高稳定性能的光纤时间频率传递技术与具有包含自定时信息且易于从数据中提取出频率信号及易编/解码优点和高抗干扰能力的曼彻斯特编码方式相结合,能够在光纤上实现高精度和高可靠性的时间、频率、数据的同步传输。(The invention discloses an optical fiber time frequency transmission system and method using Manchester coding, wherein the system comprises: a transmitting end; the transmitting end includes: the device comprises a time frequency source, an N frequency multiplier, a first TDC, a first encoder, a first laser, a first circulator, a first photodetector and a first decoder. The invention combines the optical fiber time frequency transmission technology with high precision and high stability with the Manchester coding mode which contains self-timing information, is easy to extract frequency signals from data, is easy to encode/decode and has high anti-interference capability, and can realize the synchronous transmission of time, frequency and data with high precision and high reliability on the optical fiber.)

一种利用曼彻斯特编码的光纤时间频率传递系统及方法

技术领域

本发明属于时间频率信息技术领域，特别涉及一种利用曼彻斯特编码的光纤时间频率传递系统及方法。

背景技术

光纤时间频率传递技术以其安全、可靠、稳定的诸多优势，已经成为了航空航天、高速通信、大地测量、精密计量、深空探测、引力波探测等领域的关键支撑技术之一。光纤时间频率传递技术不仅具有高精度高稳定性能，由于以地面光纤为承载网络，还拥有通信资源丰富，通信能力较强的优势。随着社会进步，生活水平的提升，人们不仅仅满足于时间频率的高精度传递，对于通信过程中数据容量与通信即时性提出了更高要求；现有的光纤时间频率传递中往往只能传递时间信号，难以做到大容量数据传输与时间频率信号传递同时进行。

综上，亟需一种新的利用曼彻斯特编码的光纤时间频率传递系统及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用曼彻斯特编码的光纤时间频率传递系统及方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明能够在光纤上实现时间、频率、数据的同步传输。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种利用曼彻斯特编码的光纤时间频率传递系统，包括：发射端；

所述发射端包括：

时间频率源，用于发送时间信号和频率信号；

N倍频器，用于接收时间频率源发送的频率信号，放大后输出；

第一TDC，用于接收时间频率源发送的时间信号和返回的时间信号，输出发射端比对数据；

第一编码器，用于接收发射端网络数据、N倍频器放大输出的频率信号、时间频率源发送的时间信号以及第一TDC输出的发射端比对数据，输出利用曼彻斯特编码方式得到的包含时间、频率及数据信息的编码信号；

第一激光器，用于接收第一编码器发送的编码信号，并输出激光；

第一环形器，用于接收第一激光器输出的激光，通过光纤链路输出给接收端；用于接收接收端输出的激光并输出；

第一光电探测器，用于接收第一环形器输出的接收端激光，转换为电信号，输出接收端的编码信号；

第一解码器，用于接收第一光电探测器输出的接收端的编码信号，输出返回的时间信号和接收端的网络数据。

本发明的一种利用曼彻斯特编码的光纤时间频率传递系统，包括：接收端；

所述接收端包括：

第二环形器，用于接收第二激光器输出的激光，通过光纤链路输出给发射端；用于接收发射端输出的激光并输出；

第二光电探测器，用于接收第二环形器输出的发射端激光，转换为电信号，输出发射端的编码信号；

第二解码器，用于接收第二光电探测器输出的发射端的编码信号，输出接收到的时间信号、频率信号、发射端的网络数据和发射端比对数据；

数字锁相环电路，用于接收第二解码器解调出的频率信号，输出接收端同步频率信号；

时间产生模块，用于接收数字锁相环电路输出的接收端同步频率信号，输出接收端再生时间信号；

可编程延迟器，用于接收时间产生模块输出的接收端再生时间信号，并进行时延调整，输出接收端同步时间信号；

第二TDC，用于接收第二解码器输出的接收到的时间信号和可编程延迟器输出的接收端同步时间信号，输出接收端比对数据；

运算控制单元，用于接收发射端比对数据与接收端比对数据，进行延时量运算，控制可编程延迟器对接收端再生时间信号进行时延调整；

第二编码器，用于接收接收端网络数据、数字锁相环电路输出的频率信号、运算控制单元输出的返回的时间信号以及第二TDC输出的接收端比对数据，输出利用曼彻斯特编码方式得到的包含时间、频率及数据信息的编码信号；

第二激光器，用于接收第二编码器发送的编码信号，并输出激光。

本发明的一种利用曼彻斯特编码的光纤时间频率传递系统，包括：发射端和接收端；发射端和接收端通过光纤链路进行数据传输；

所述发射端包括：

时间频率源，用于发送时间信号和频率信号；

N倍频器，用于接收时间频率源发送的频率信号，放大后输出；

第一TDC，用于接收时间频率源发送的时间信号和返回的时间信号，输出发射端比对数据；

第一编码器，用于接收发射端网络数据、N倍频器放大输出的频率信号、时间频率源发送的时间信号以及第一TDC输出的发射端比对数据，输出利用曼彻斯特编码方式得到的包含时间、频率及数据信息的编码信号；

第一激光器，用于接收第一编码器发送的编码信号，并输出激光；

第一环形器，用于接收第一激光器输出的激光，通过光纤链路输出给接收端；用于通过光纤链路接收接收端输出的激光并输出；

第一光电探测器，用于接收第一环形器输出的接收端激光，转换为电信号，输出接收端的编码信号；

第一解码器，用于接收第一光电探测器输出的接收端的编码信号，输出返回的时间信号和接收端的网络数据。

本发明的进一步改进在于，所述接收端包括：

第二环形器，用于接收第二激光器输出的激光，通过光纤链路输出给发射端；用于接收发射端输出的激光并输出；

第二光电探测器，用于接收第二环形器输出的发射端激光，转换为电信号，输出发射端的编码信号；

第二解码器，用于接收第二光电探测器输出的发射端的编码信号，输出接收到的时间信号、频率信号、发射端的网络数据和发射端比对数据；

数字锁相环电路，用于接收第二解码器解调出的频率信号，输出接收端同步频率信号；

时间产生模块，用于接收数字锁相环电路输出的接收端同步频率信号，输出接收端再生时间信号；

可编程延迟器，用于接收时间产生模块输出的接收端再生时间信号，并进行时延调整，输出接收端同步时间信号；

第二TDC，用于接收第二解码器输出的接收到的时间信号和可编程延迟器输出的接收端同步时间信号，输出接收端比对数据；

运算控制单元，用于接收发射端比对数据与接收端比对数据，进行延时量运算，控制可编程延迟器对接收端再生时间信号进行时延调整；

第二编码器，用于接收接收端网络数据、数字锁相环电路输出的频率信号、运算控制单元输出的返回的时间信号以及第二TDC输出的接收端比对数据，输出利用曼彻斯特编码方式得到的包含时间、频率及数据信息的编码信号；

第二激光器，用于接收第二编码器发送的编码信号，并输出激光。

本发明的进一步改进在于，曼彻斯特码的解码和频率、时间信号恢复过程包括：

1)检测编码信号中码元上升沿及下降沿，将所有上升沿及下降沿全部转化为上升沿，得到Data-Turn信号；

2)采用数字锁相环电路中的本地振荡器对Data-Turn信号进行采样，恢复出频率信号，实现频率信号的同步；

3)利用步骤2)恢复出的频率信号，对编码进行解析得到网络数据和发射端比对数据；

4)在步骤3)的解码过程中，每一帧数据的帧头作为时间信号输出，实现时间信号的回复。

本发明的进一步改进在于，步骤1)中，将所有上升沿及下降沿全部转化为上升沿的步骤包括：将编码信号Data输入到异或门，另一路Data经过延迟器后输入到异或门，通过异或门将上升沿及下降沿全部转化为上升沿得到Data-Turn信号。

本发明的进一步改进在于，步骤2)中，数字锁相环电路中的PFD包括：第一边沿D触发器和第二边沿D触发器；

第一边沿D触发器的时钟CLK₁接入本地振荡器的2分频信号，D端接Vcc，置位高电平，Q端输出UP信号，用于作为LPF的输入信号；

第二边沿D触发器的时钟CLK₂接入Data-Pulse信号，D端接第一边沿D触发器Q端输出的UP信号，Q端输出清零信号，用于同时控制第一边沿D触发器与第二边沿D触发器CLR端。

本发明的一种利用曼彻斯特编码的光纤时间频率传递方法，包括以下步骤：

步骤1，通过时间频率源输出一路时间信号至第一编码器；

步骤2，将发射端网络数据输入至第一编码器；

步骤3，将时间频率源输出的频率信号输入N倍频器，将N倍频输出的频率信号输入第一编码器；

步骤4，来自接收端的编码信号输入第一解码器进行曼彻斯特码的解码和频率、时间信号恢复，获得接收端的网络数据、频率信号和返回的时间信号；将获得的接收端返回的时间信号与时间频率源输出的时间信号一同输入到第一TDC中进行时间间隔测量，获得发射端比对数据；

步骤5，将步骤4获得的发射端比对数据输入第一编码器，利用曼彻斯特编码方式得到包含时间、频率及数据信息的编码信号，使编码信号调制第一激光器输出激光，激光经过第一环形器，一路通过光纤链路传送至接收端，另一路输入至第一光电探测器；

步骤6，步骤5传送至接收端的激光经第二环形器输入至第二光电探测器转换为电信号，获得发射端的编码信号；

步骤7，将步骤6得到的发射端的编码信号输入至第二解码器进行曼彻斯特码的解码和频率、时间信号恢复，获得发射端的网络数据、比对数据、频率信号以及接收到的发射端的时间信号；

步骤8，将经步骤7解码恢复出来的频率信号，经过时间产生模块和可编程延迟模块，获得接收端本地的时间信号；

步骤9，将步骤7接收到的发射端的时间信号与步骤8获得的接收端本地的时间信号一同输入至第二TDC中进行时间间隔测量，得到接收端比对数据；

步骤10，将步骤9获得的接收端比对数据与步骤7获得的发射端比对数据一同输入至运算控制单元，获得需要调整的延时增量ΔT；

步骤11，通过可编程延迟器对步骤8获得的接收端本地的时间信号进行延时控制，延时控制量为ΔT，实现时间信号接收端与发射端的稳定同步。

本发明的进一步改进在于，曼彻斯特码的解码和频率、时间信号恢复过程包括：

1)检测编码信号中码元上升沿及下降沿，将所有上升沿及下降沿全部转化为上升沿，得到Data-Turn信号；

2)采用数字锁相环电路中的本地振荡器对Data-Turn信号进行采样，恢复出频率信号，实现频率信号的同步；

3)利用步骤2)恢复出的频率信号，对编码进行解析得到网络数据和发射端比对数据；

4)在步骤3)的解码过程中，每一帧数据的帧头作为时间信号输出，实现时间信号的回复。

本发明的进一步改进在于，步骤1)中，将所有上升沿及下降沿全部转化为上升沿的步骤包括：将编码信号Data输入到异或门，另一路Data经过延迟器后输入到异或门，通过异或门将上升沿及下降沿全部转化为上升沿得到Data-Turn信号。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的系统，将具有高精度高稳定性能的光纤时间频率传递技术与具有包含自定时信息且易于从数据中提取出频率信号及易编/解码优点和高抗干扰能力的曼彻斯特编码方式相结合，能够在光纤上实现高精度和高可靠性的时间、频率、数据的同步传输。

本发明的方法，在光纤时间频率高精度高稳定度的传递基础上，结合了曼彻斯特编码方式包含自定时信息易于从数据中提取出频率信号及易编/解码优点和高抗干扰能力的优点，提取码元内的上升/下降沿作为时钟，并把上升/下降沿全部转化为上升沿，使得时钟的周期稳定，实现了时间频率及大容量数据的同时传输并简化了编/解码步骤，保证了高准确度、高精度和高可靠性的光纤时间频率数据同步传输。

本发明中，所传递时间信号1PPS的指标：准确度可达到10ps，稳定度可达到[email protected]。所传递频率信号100MHz的频率稳定度可以达到1E-13/s。所传递网络数据的传输速率可到到50Mbit/s。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的一种利用曼彻斯特编码的光纤时间频率传递系统的总体结构示意图；

图2是本发明实施例中，曼彻斯特码频率脉冲恢复时序示意图；

图3是本发明实施例中，跳变脉冲提取逻辑示意图；

图4是本发明实施例中，高稳定恢复频率信号原理示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例的一种利用曼彻斯特编码的光纤时间频率传递系统，包括：发射端与接收端两台设备，通过光纤链路进行数据传输；其中，发射端包含时间频率源、N倍频器、第一TDC(Time-to Digital converter，高精度时间数字测量电路)、第一编码器、第一解码器、第一激光器、第一光电探测器及第一环形器，接收端包含第二环形器、第二光电探测器、第二激光器、第二解码器、PLL(Phase Locked Loop，数字锁相环电路)、时间产生模块、第二TDC、第二编码器、运算控制单元及可编程延迟器；图2是实施例的曼彻斯特码频率脉冲恢复时序图；图3是实施例的跳变脉冲提取逻辑图；图4是实施例的高稳定恢复频率信号原理图，由图4可知，PLL高稳定恢复频率信号需要两个D触发器构成的PFD，LPF，PI，LO本振模块及2倍分频器。

本发明实施例中，时间频率源输出的参考频率信号为100MHz，时间频率源输出的参考时间信号为1PPS信号。本发明实施例中的频率信号为100MHz，对应于图2码元信号的周期为T＝10ns，对应于图3Data信号及Data-Turn信号与图4Data-Pulse信号。

本发明实施例中，LO本振模块输出周期为T/2的脉冲信号，经2分频后作为第一个边沿D触发器的时钟CLK₁，将Data-Turn信号作为第二个边沿D触发器的时钟CLK₂，使第一个D触发器的Q₁端控制第二个D触发器的D₂端，而第二个边沿D触发器的输出作为清零信号对两个D触发器同时进行清零，那么在Q₁端得到鉴相信号。鉴相信号通过LPF(低通滤波器)进行滤波，并通过PI(比例积分器)进行调整，经由LO本振模块输出高稳定度的频率信号。

本发明实施例的一种利用曼彻斯特编码的光纤时间频率传递方法，具体包括以下步骤：

步骤1，时间频率源输出一路1PPS时间信号至第一编码器；

步骤2，将发射端网络数据输入至第一编码器；

步骤3，时间频率源输出100MHz频率信号经N倍频器，将经过N倍频的N*100MHz频率信号输入到第一编码器；

步骤4，来自接收端的编码信号经第一解码器进行曼彻斯特码的解码和频率、时间信号恢复，分别得到接收端的网络数据、100MHz频率信号、1PPS时间信号，得到的1PPS时间信号与时间频率源输出的1PPS时间信号一同输入到TDC1(时间间隔测量器)中进行时间间隔测量，得到发射端比对数据；

步骤5，步骤4所述发射端比对数据输入至第一编码器，利用曼彻斯特编码方式得到包含时间频率及数据信息的编码信号(以码元为单位，Data编码信号是周期的，周期为T)，使编码信号调制第一激光器输出激光，激光经过第一环形器，一路通过光纤链路传送至接收端，另一路输入至第一光电探测器；

步骤6，步骤5所述传送至接收端的激光经第二环形器输入至第二光电探测器转换为电信号，得到编码信号；

步骤7，步骤6所述得到的编码信号输入至第二解码器进行曼彻斯特码的解码和频率、时间信号恢复，分别得到发射端的网络数据、比对数据、100MHz频率信号、接收到的1PPS时间信号；

步骤8，将经步骤7解码恢复出来的100MHz频率信号，经过时间产生模块和可编程延迟模块，产生接收端本地的1PPS时间信号。

步骤9，经步骤7所述接收到的1PPS时间信号与步骤8所述接收端本地的1PPS时间信号一同输入至第二TDC(时间间隔测量器)中进行时间间隔测量，得到接收端比对数据；

步骤10，将步骤9所述接收端比对数据和步骤7得到的发射端比对数据一起输入至运算控制单元，运算得到需要调整的延时增量ΔT；

步骤11，由可编程延迟器对步骤8所述接收端本地的时间信号进行延时控制，延时控制量为ΔT；

至此实现了1PPS时间信号接收端与发射端的高稳定同步，同步精度达到ps量级。

本发明实施例中，曼彻斯特码的解码和频率、时间信号恢复过程主要包括：

1)检测编码信号中码元上升沿及下降沿，将所有上升沿及下降沿全部转化为上升沿得到Data-Turn信号。

本发明实施例中，上升沿及下降沿全部转化为上升沿的方法为将编码信号直接输入到异或门，另一路经过一个延迟器后输入到异或门，此时异或门就将上升沿及下降沿全部转化为上升沿。

2)采用本地振荡器LO对Data-Turn信号进行采样，恢复出100MHz频率信号；

对恢复出的100MHz频率信号进行进一步说明。

将Data-Turn信号经过PFD(频率相位检测器)，PFD由两个边沿D触发器构成，LO本振模块输出周期为T/2的脉冲信号，经2分频后作为第一个边沿D触发器的时钟CLK₁，将Data-Turn信号作为第二个边沿D触发器的时钟CLK₂，使第一个D触发器的Q₁端控制第二个D触发器的D₂端，而第二个边沿D触发器的输出作为清零信号对两个D触发器同时进行清零，那么在Q₁端得到鉴相信号。鉴相信号通过LPF(低通滤波器)进行滤波，并通过PI(比例积分器)进行调整，经由LO本振模块输出高稳定度的100MHz频率信号；

至此实现了100MHz频率信号的高稳定度同步，稳定度达到E-16/day；

3)利用恢复出的频率信号对编码进行解析得到网络数据和发射端比对数据；

4)在3)的解码过程中每一帧数据的帧头作为时间信号输出，从而恢复出了1PPS时间信号。

本发明在光纤时间频率高精度高稳定度的传递基础上，结合了曼彻斯特编码方式包含自定时信息易于从数据中提取出频率信号及易编/解码优点和高抗干扰能力的优点，提取码元内的上升/下降沿作为时钟，并把上升/下降沿全部转化为上升沿，使得时钟的周期稳定，实现了时间频率及大容量数据的同时传输并简化了编/解码步骤，保证了高准确度、高精度和高可靠性的光纤时间频率数据同步传输。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。