光纤传输通道时钟同步系统及其方法技术方案

一种光纤传输通道时钟同步系统，包括：为不同远端节点分发时钟和SYNC信号的时钟与SYNC处理子系统、用于完成信号的光/电、电/光转换及传输的信号传输子系统、用于实时调节时钟相位的时钟相位调节子系统、用于完成时钟和SYNC的相位重对齐的SYNC重采样子系统。其中，所述的时钟与SYNC处理子系统包括时钟周期延迟分发模块、SYNC分发和接收模块；所述的信号传输子系统包括电转光模块、光纤传输模块、光转电模块；所述的时钟相位调节子系统包括锁相环模块、可变相位延迟模块。本发明专利技术还包括使用光纤传输通道时钟同步系统的方法。本发明专利技术能够有效完成所有远端测量节点与本地数据处理中心的时钟同步、采样同步功能，可以适应不同长度的光纤，系统结构简单。

Optical fiber transmission channel clock synchronization system and its method

A clock synchronization system for optical fiber transmission channels, including clock and SYNC signals for different remote nodes, SYNC processing subsystem, light / electricity, electricity / light conversion and transmission subsystem for signal, clock phase modulation subsystem for real-time adjustment of clock phase, to complete clocks and S The YNC's phase realignment of the SYNC takes the look of the system. The clock and SYNC processing subsystems include the clock cycle delay distribution module, the SYNC distribution module and the receiving module. The signal transmission subsystem includes the electric transfer module, the optical fiber transmission module and the optical conversion module, and the clock phase adjusting subsystem includes the phase-locked loop module and the variable phase delay module. The invention also includes a method for using the optical fiber transmission channel clock synchronization system. The invention can effectively complete the clock synchronization and sampling synchronization of all remote measurement nodes and local data processing centers, and can adapt to the fiber of different lengths, and the system structure is simple.

【技术实现步骤摘要】
光纤传输通道时钟同步系统及其方法
本专利技术涉及多路光纤传输通道的时钟同步方法和装置。
技术介绍
光纤作为一种新型的传输媒质，与传统的铜质电缆相比，具有许多明显的优点，如保密性好、抗电磁干扰、抗核辐射、尺寸小、重量轻等，使得光纤在民用和军用电子系统上得到了越来越多的应用。在雷达领域，作为相控阵雷达的一个重要发展方向，数字阵列雷达采用分布式发射与接收，收发节点数目多，传输数据量大，在工程上已经有利用光纤实现数字阵列雷达大容量数据传输的先例，但是由于采用等长光纤，使得应用范围大大缩小。采用不等长光纤作为数据传输通道，在工程上仍然存在许多问题需要解决。在电力系统领域，需要实时测定温度、电流等参数，如对高压变压器和大型电机的定子、转子温度的检测等，由于现场环境电磁干扰复杂，传统的铜导线数据传输效果差，将逐渐被光纤传输所替代，例如分布式光纤温度传感器就是近几年发展起来的一种用于实时测量空间温度场的高新技术。由于光纤具有非常多的优点，使得诸如以上所述的分布式测控系统越来越多地采用光纤作为数据和时钟的传输媒介。所有测量节点在空间上彼此分离且相互之间无信息交互，所有测量节点与数据处理中心通过光纤进行物理连接。然而，分布式测控系统的各个传输通道存在光纤传输长度不等长、光纤性能对外部温湿度变化、机械振动非常敏感等诸多问题，使得分布式测控系统利用光纤实现大规模高速传输存在通道间的时钟不同步，时钟的不同步会导致测控节点之间无法做到同时发送和接收信号，恶化系统的整体性能，甚至导致系统无法正常工作。因此需要一套能够校正系统通道间时钟不一致性的校正方法和装置，但截至目前尚无可行的实现方案。
技术实现思路
本专利技术要克服现有分布式测控系统利用光纤传输技术实现大规模数据传输时存在通道间时钟不一致性的问题，提出一种无需提前获取光纤长度，能自动测量并修正光纤传输通道时钟不一致性的光纤传输通道时钟同步系统和方法。本专利技术的上述目的可以通过下述技术方案予以实现：一种光纤传输通道时钟同步系统，包括：为不同远端节点分发时钟和SYNC信号的时钟与SYNC处理子系统、用于完成信号的光/电、电/光转换及传输的信号传输子系统、用于实时调节时钟相位的时钟相位调节子系统、用于完成时钟和SYNC的相位重对齐的SYNC重采样子系统。其中，所述的时钟与SYNC处理子系统包括：时钟周期延迟分发模块，用于为每一个远端测量节点提供一路时钟信号。具有输出延迟粗调的相位失调选择功能，最小延迟步进等于输入时钟周期的一半。每个输出时钟都可以单独设置延迟量。该模块的输出延迟量的值由SYNC分发和接收模块决定。SYNC分发和接收模块，用于为每一个远端测量节点提供一路SYNC信号，同时接收每一个远端测量节点回发的SYNC信号。该模块可以测量出发送和接收的SYNC信号所经历的时钟周期数，该值决定了时钟周期延迟分发模块每一路输出的延迟量。所述的信号传输子系统包括：电转光模块，用于把以电信号形式存在的时钟信号、SYNC信号转化为光信号。光纤传输模块，利用光纤，把时钟信号、SYNC信号从本地数据处理中心分发给不同的远端测量节点。光转电模块，用于接收光纤传输模块的光信号，并转换为电信号。所述的时钟相位调节子系统包括：锁相环模块，用于比较发送的时钟、接收的时钟之间的相位差，输出与该相位差成正比的调节电压，控制可变相位延迟模块。可变相位延迟模块，在时钟发送链路和时钟接收链路上各有一个可变相位延迟模块，该模块受锁相环模块的调节电压的控制，对输入的时钟信号进行相位延迟。所述的SYNC重采样子系统，存在于每一个远端测量节点上，接收本地数据处理中心发送过来的时钟信号和SYNC信号，并把SYNC信号与时钟信号进行相位对齐。输出新的SYNC信号回传给本地数据处理中心。所有远端测量节点把接收到的SYNC信号作为触发事件，当触发事件发生时，远端测量节点开始执行相应的测控任务。系统对远端测量节点的数目没有限制，不同远端测量节点与本地数据处理中心的距离没有限制。每个远端测量节点都与本地数据处理中心形成时钟信号、SYNC信号的收发回路。每个远端测量节点之间没有数据交换。由本地数据处理中心完成所有远端测量节点之间的时钟和SYNC信号同步。进一步，所述SYNC分发和接收模块中，所述SYNC信号所经历的时钟周期数的测量方法为：在发送SYNC的同时，SYNC分发和接收模块把内部计数器清零，并在每个时钟信号的上升沿把计数器的值加1。当SYNC分发和接收模块接收到远端测量节点回发的SYNC信号时，计数器停止累加，把计数器的值发送给时钟周期延迟分发模块，对每一路时钟输出的周期延迟数进行调节。更进一步，所述的信号传输子系统中，共有4类信号需要通过光纤进行传输，即本地数据处理中心发送给远端测量节点的时钟信号、SYNC信号，远端测量节点回发给本地数据处理中心的时钟信号、SYNC信号。所述的光纤传输模块有两种物理实现方式，其一是利用波分复用技术，把这4个信号分别调制到不同波长的载波上，并在一根光纤上进行传输，结构较复杂，但是可以节省光纤数目；其二是把这4个信号调制到相同波长的载波上，分别在不同的光纤上进行传输，结构简单，但是需要保证4根光纤等长。最后，时钟与SYNC处理子系统运行在本地数据处理中心上，信号传输子系统运行在本地数据处理中心和远端测量节点上，时钟相位调节子系统运行在本地数据处理中心上，SYNC重采样子系统运行在远端测量节点上。适用于前述的光纤传输通道时钟同步系统的方法，包括如下步骤：步骤1、整个系统复位上电后，全局参考时钟输入时钟周期延迟分发模块2。SYNC分发和接收模块1把时钟周期延迟分发模块2的输出延迟量设置为0，时钟周期延迟分发模块2无延迟地输出每一路参考时钟，一路参考时钟进入SYNC分发和接收模块1，一路参考时钟进入锁相环模块3、可变相位延迟模块4a。步骤2、进入可变相位延迟模块4a的参考时钟信号将通过电转光模块6a、光纤7a、光转电模块5a发送到远端测量节点。远端测量节点从光转电模块5a的输出口获得参考时钟信号，并以此作为整个节点的参考时钟基准。该参考时钟此外还要分成两路，一路输入SYNC重采样模块8，另一路进入电转光模块6b，并通过光纤回传给本地数据处理中心。步骤3、由于光纤长度的随机性，锁相环模块3的两个输入信号之间的相位差随机分布于0°～360°之间。锁相环模块3内部的鉴相器比较两个输入信号之间的相位差，产生一个与该相位差成比例的信号。随后锁相环模块3内部的环路滤波器将鉴相器输出的含有纹波成分的直流信号平均化，将此变化为交流成分较少的直流信号，范围为0～5V，锁相环模块的最后一级是运算放大器构成的有源环路滤波器。该结构有两种选择，反相拓扑结构和正相拓扑结构。反相拓扑结构的输入阻抗低，相当于给前一级增加了负载，改变了锁相环模块的环路特性；同相拓扑结构的输入阻抗高，不会使前级承受负载；但是使用反相拓扑结构时，锁相环模块中的鉴相器必须具有极性反转功能，以抵消反相拓扑结构带来的相位反转效应。以正确的极性驱动可变相位延迟模块4。有源环路滤波器将输入的0～5V直流信号放大为0～12V直流信号，同时输入两个可变相位延迟模块4a、4b。步骤4、可变相位延迟模块4a、4b根据输入的直流信号的大小改变相位延迟量，使可变相位延迟模块本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光纤传输通道时钟同步系统，其特征在于：所述时钟同步系统包括：为不同远端节点分发时钟和SYNC信号的时钟与SYNC处理子系统、用于完成信号的光/电、电/光转换及传输的信号传输子系统、用于实时调节时钟相位的时钟相位调节子系统、用于完成时钟和SYNC的相位重对齐的SYNC重采样子系统；其中，所述的时钟与SYNC处理子系统包括：时钟周期延迟分发模块，用于为每一个远端测量节点提供一路时钟信号。具有输出延迟粗调的相位失调选择功能，最小延迟步进等于输入时钟周期的一半，每个输出时钟都可以单独设置延迟量，该模块的时钟输出延迟量的值由SYNC分发和接收模块决定；SYNC分发和接收模块，用于为每一个远端测量节点提供一路SYNC信号，同时接收每一个远端测量节点回发的SYNC信号；该模块测量出发送和接收SYNC信号所经历的时钟周期数，时钟周期数决定时钟周期延迟分发模块每一路输出的延迟量；所述的信号传输子系统包括：电转光模块，用于把以电信号形式存在的时钟信号、SYNC信号转化为光信号；光纤传输模块，利用光纤，把时钟信号、SYNC信号从本地数据处理中心分发给不同的远端测量节点；光转电模块，用于接收光纤传输模块的光信号，并转换为电信号；所述的时钟相位调节子系统包括：锁相环模块，用于比较发送的时钟、接收的时钟之间的相位差，输出与该相位差成正比的调节电压，控制可变相位延迟模块；可变相位延迟模块，在时钟发送链路和时钟接收链路上各有一个可变相位延迟模块，该模块受锁相环模块的调节电压的控制，对输入的时钟信号进行相位延迟；所述的SYNC重采样子系统，存在于每一个远端测量节点上，接收本地数据处理中心发送过来的时钟信号和SYNC信号，并把SYNC信号与时钟信号进行相位对齐；输出新的SYNC信号回传给本地数据处理中心；远端测量节点把接收到的SYNC信号作为触发事件，当触发事件发生时，远端测量节点开始执行相应的测控任务；远端测量节点都与本地数据处理中心形成时钟信号、SYNC信号的收发回路；远端测量节点之间没有数据交换；由本地数据处理中心完成远端测量节点之间的时钟和SYNC信号同步。...

【技术特征摘要】
1.一种光纤传输通道时钟同步系统，其特征在于：所述时钟同步系统包括：为不同远端节点分发时钟和SYNC信号的时钟与SYNC处理子系统、用于完成信号的光/电、电/光转换及传输的信号传输子系统、用于实时调节时钟相位的时钟相位调节子系统、用于完成时钟和SYNC的相位重对齐的SYNC重采样子系统；其中，所述的时钟与SYNC处理子系统包括：时钟周期延迟分发模块，用于为每一个远端测量节点提供一路时钟信号。具有输出延迟粗调的相位失调选择功能，最小延迟步进等于输入时钟周期的一半，每个输出时钟都可以单独设置延迟量，该模块的时钟输出延迟量的值由SYNC分发和接收模块决定；SYNC分发和接收模块，用于为每一个远端测量节点提供一路SYNC信号，同时接收每一个远端测量节点回发的SYNC信号；该模块测量出发送和接收SYNC信号所经历的时钟周期数，时钟周期数决定时钟周期延迟分发模块每一路输出的延迟量；所述的信号传输子系统包括：电转光模块，用于把以电信号形式存在的时钟信号、SYNC信号转化为光信号；光纤传输模块，利用光纤，把时钟信号、SYNC信号从本地数据处理中心分发给不同的远端测量节点；光转电模块，用于接收光纤传输模块的光信号，并转换为电信号；所述的时钟相位调节子系统包括：锁相环模块，用于比较发送的时钟、接收的时钟之间的相位差，输出与该相位差成正比的调节电压，控制可变相位延迟模块；可变相位延迟模块，在时钟发送链路和时钟接收链路上各有一个可变相位延迟模块，该模块受锁相环模块的调节电压的控制，对输入的时钟信号进行相位延迟；所述的SYNC重采样子系统，存在于每一个远端测量节点上，接收本地数据处理中心发送过来的时钟信号和SYNC信号，并把SYNC信号与时钟信号进行相位对齐；输出新的SYNC信号回传给本地数据处理中心；远端测量节点把接收到的SYNC信号作为触发事件，当触发事件发生时，远端测量节点开始执行相应的测控任务；远端测量节点都与本地数据处理中心形成时钟信号、SYNC信号的收发回路；远端测量节点之间没有数据交换；由本地数据处理中心完成远端测量节点之间的时钟和SYNC信号同步。2.如权利要求1所述的光纤传输通道时钟同步系统，其特征在于：所述SYNC分发和接收模块测量SYNC信号经历的时钟周期数的方式是：在发送SYNC的同时，SYNC分发和接收模块把内部计数器清零，并在每个时钟信号的上升沿把计数器的值加1；当SYNC分发和接收模块接收到远端测量节点回发的SYNC信号时，计数器停止累加，把计数器的值发送给时钟周期延迟分发模块，对每一路时钟输出的周期延迟数进行调节。3.如权利要求1所述的光纤传输通道时钟同步系统，其特征在于：所述的信号传输子系统中，共有4类信号需要通过光纤进行传输，即本地数据处理中心发送给远端测量节点的时钟信号、SYNC信号，远端测量节点回发给本地数据处理中心的时钟信号、SYNC信号。4.如权利要求1所述的光纤传输通道时钟同步系统，其特征在于：时钟与SYNC处理子系统运行在本地数据处理中心上，信号传输子系统运行在本地数据处理中心和远端测量节点上，时钟相位调节子系统运行在本地数据处理中心上，SYNC重采样子系统运行在远端测量节点上。5.适用于权利要求1所述的光纤传输通道时钟同步系统的方法，包括如下步骤：步骤1、整个系统复位上电后，全局参考时钟输入时钟周期延迟分发模块(2)；SYNC分发和接收模块(1)把时钟周期延迟分发模块(2)的输出延迟量设置为0，时钟周期延迟分发模块(2)无延迟地输出每一路参考时钟，一路参考时钟进入SYNC分发和接收模块(1)，一路参考时钟进入锁相环模块(3)、可变相位延迟模块(4a)；步骤2、进入可变相位延迟模块(4a)的参考时钟信号将通过电转光模块(6a)、光纤(7a)、光转电模块(5a)发送到远端测量节点；远端测量节点从光转电模块(5a)的输出口获得参考时钟信号，并以此作为整个节点的参考时钟基准；该参考时钟此外还要分成两路，一路输入SYNC重采样模块(8)，另一路进入电转光模块(6b)，并通过光纤回传给本地数据处理中心；步骤3、由于光纤长度的随机...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨李杰，徐志伟，刘田，周文涛，
申请(专利权)人：浙江大学，西南电子技术研究所中国电子科技集团公司第十研究所，
类型：发明
国别省市：浙江,33