一种光纤双向传递模块及传递方法技术

本发明专利技术公开了一种光纤双向传递模块以及光纤双向环网时间与频率稳定传递方法，包括通过两根等长光纤连接、分别作为主站和从站的两个基于FPGA上TDC的传递模块板卡，每个传递模块板卡均包括左光电转换模块、右光电转换模块、TDC时间测量模块一和TDC时间测量模块二，主站同步于外部时间基准，获得较高精度时间和频率信号后，通过编解码模块和光电转换模块向左右两端传递时间信息，通过主从站之间来回转发高精度时间戳计算补偿光纤链路延时，完成光纤双向时间与频率的同步；主从站均拥有左右两个光纤接口，可以实现光纤环网传输，单根光纤线路故障不影响环网内时间频率的正常传递，时间和频率同步的过程中，不影响环网内站点间的信息交互。信息交互。信息交互。

【技术实现步骤摘要】
一种光纤双向传递模块及传递方法


[0001]本专利技术属于光纤与时频
，具体涉及一种光纤双向传递模块，以及其传递方法。

技术介绍

[0002]随着电力、通信、金融等行业领域的快速发展，对时间统一的精度要求越来越高，光纤授时凭借低成本、高稳定性和抗干扰性等优势，广泛应用于各行各业。
[0003]目前主流的光纤授时技术有光纤时间同步技术和光纤频率同步技术。
[0004]光纤时间同步技术主要是基于DWDM的时间同步，该方案通过链路对称等方式计算传输时延并补偿，使两端达到时间信息的高度同步。适用于远距离、高精度场景，是实现光纤时间同步常见的选择，目前主要通过环回法和双向比对法两种方式完成。
[0005]光纤频率同步技术能够达到极高的稳定度，被广泛应用于守时实验室间频率比对，精密测量领域各物理量的量值传递、溯源与比对。根据传输频率的不同可以分为微波频率传输、光频补偿传输、光梳信号传输三种同步技术。
[0006]但这些技术仅能实现时间或频率中的一种传递和同步，存在不足。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的之一在于根据现有技术的不足，提供一种能实现频率与时间同时传递的光纤双向传递模块。
[0008]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种光纤双向传递模块，包括通过两根等长光纤连接、分别作为主站和从站的两个基于FPGA上TDC的传递模块板卡，FPGA具有Niso II软核和数字锁相环，每个传递模块板卡均包括左光电转换模块、右光电转换模块、TDC时间测量模块一和TDC时间测量模块二，左光电转换模块和右光电转换模块均由两个E/O模块串联而成，右光电转换模块的一个E/O模块分别连接编码模块和左光电转换模块的一个E/O模块，编码模块连接恒温晶振，恒温晶振连接TDC时间测量模块二，右光电转换模块的另一个E/O模块分别连接解码模块和左光电转换模块的另一个E/O模块，解码模块连接TDC时间测量模块一，TDC时间测量模块一连接秒生成模块，秒生成模块连接恒温晶振，TDC时间测量模块一和TDC时间测量模块二分别接收外部秒参考信号和外部频率参考信号，完成钟差测量和频差测量后分别通过秒生成模块和恒温晶振进行秒输出和频率输出，恒温晶振同时向秒生成模块、编码模块和TDC时间测量模块二输出4M频率波形，从站的左光电转换模块作为扩展端连接主站的右光电转换模块，分别通过光纤进行收发通信。
[0009]进一步，所述的FPGA采用Altera公司的EP4CE115F23I7，所述的TDC采用TDC_GPX芯片。
[0010]本专利技术的目的之二是提供一种双向环网时间与频率稳定传递方法，包括以下步骤：
[0011]S1，将光纤通信网络进行分层处理，共四层，从低到高分别为物理层、编码与解码
层、链路控制层和通用服务层，根据各层功能分别处理对应数据流：物理层network layer
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0，包括中间介质的传输，光电转换模块的接口，接收器与发送器如何工作等；编码与解码层network layer
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1主要实现将物理层的高低电平信号转换为01信号，同时将链路控制层传来的字节数据转换为01信号，交给物理层处理；链路控制层network layer
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2主要负责对接收和发送的数据帧标记高精度时间戳，接收数据的校验与提取，发送数据帧的整合等；通用服务层network layer
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3主要包括上层应用程序的数据转发与接收，上层应用数据格式与协议可以自由定义，方便了后续的扩展与改进；
[0012]S2，从站对主站的频率实现跟随与同步，根据物理层传输进来的4M频率波形分频为2M信号，同时本地恒温晶振的10M频率信号也通过PLL分频为2M，通过TDC时间测量模块与本地频率分频后进行相位比对，测量两个信号的相位差，并进行数据滤波处理，实现数字锁相，采用PI控制器实现从站对主站的频率跟随与同步，保证主从站的频率稳定；
[0013]S3，对数据链路层中数据流编码解析，解析后对每一帧数据包的发送与接收时刻进行高精度时间戳标定，这些时间戳提供给上层服务应用，实现光纤双向数据链路延迟与钟差分析计算，其中数据链路延迟与钟差分析计算是通过主站和从站间进行双向通信，在来回数据链路延迟相等的情况下，计算得到钟差Δ，将钟差Δ传给秒生成模块，调整本地秒，实现主从站间的时间同步；
[0014]S4，通用服务层将需要发送的数据信息、源地址核目标地址打包传递给FPGA的(软核Niso II下方纯verilog编写的)底层，FPGA将上电后各模块初始化后的初始参数，根据各外部接口的转换数据格式，缓存的光纤通信解析数据发送至Niso II，供上层Niso II程序读取调用，并生成FPGA到Niso II的中断信号，底层实现信息的自动转发，数据内容可自定义，方便了后续的上层协议扩充与调整，自定义协议是为了给上层应用留下通用的数据接口，上层应用可以通过自定义协议实现链路拓扑结构的构建；Niso II初始化软核各中断响应程序的变量，读取EEprom中初始化信息，用于区分板卡初始工作模式，响应FPGA到Niso II的中断，辨别中断触发源，根据不同触发源进入不同响应函数，同步处理的程序有：光纤发送处理，光纤接收处理，晶振驯服，外部秒同步等。
[0015]进一步，所述步骤S1中的编码与解码借鉴IRIG
‑
B(DC)码的编码方式，使用不同的脉宽表示逻辑“1”和逻辑“0”，去除了标志位“P”，每个码元时长250ns，逻辑“1”脉宽100ns，逻辑“0”脉宽200ns；数据以字节形式在光纤链路中串行传输，数据字节包含10位bit，数据字节包含1bit起始位，8bit数据位，以及1个停止位，光纤数据传输线在空闲时保持逻辑“1”信号，当设备发出逻辑“0”信号时，起始位表示数据的开始，在正式字节中，光纤有效数据传输完成后，停止位表示为逻辑“1”，在起始字节和停止字节中，停止位表示为逻辑“0”，数据位的宽度一般为8位，跟ACSII码一致；光纤数据以数据帧的形式在链路中传输，每一帧数据由若干个字节构成，数据字节分为起始字节，停止字节和正式字节，起始字节是数据帧第一个字节，代表数据包的开始，停止字节是数据帧最后一个字节，代表数据包的结束，正式字节代表数据包有效的数据，停止位为1。
[0016]进一步，所述步骤S2中的频率跟随与同步为：光纤接口输入的光信号，经过光电转换模块生成4M的脉宽调制信号，通过FPGA的数字锁相环分频为2M，二分频的信号进入相位测量模块，进行相位比较，得到相位差由Niso II核滤波以及奇异值剔除处理后，作为PI控
制器的输入参数，PI控制器通过算法模型后的输出经DA转化模块进行校频，电压信号进入恒温晶振，根据相位差标称频率通过频差测量公式可以得到恒温晶振的频率偏移。
[0017]进一步，所述步骤S3中作为服务器的主站和作为客户端的从站之间的钟差θ通过公式计算，其中T1为客户端发出请求的时间，T2为服务器接收到请求的时间，T3为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光纤双向传递模块，其特征在于：包括通过两根等长光纤连接、分别作为主站和从站的两个基于FPGA上TDC的传递模块板卡，FPGA具有Niso II核和数字锁相环，每个传递模块板卡均包括左光电转换模块、右光电转换模块、TDC时间测量模块一和TDC时间测量模块二，左光电转换模块和右光电转换模块均由两个E/O模块串联而成，右光电转换模块的一个E/O模块分别连接编码模块和左光电转换模块的一个E/O模块，编码模块连接恒温晶振，恒温晶振连接TDC时间测量模块二，右光电转换模块的另一个E/O模块分别连接解码模块和左光电转换模块的另一个E/O模块，解码模块连接TDC时间测量模块一，TDC时间测量模块一连接秒生成模块，秒生成模块连接恒温晶振，TDC时间测量模块一和TDC时间测量模块二分别接收外部秒参考信号和外部频率参考信号，完成钟差测量和频差测量后分别通过秒生成模块和恒温晶振进行秒输出和频率输出，从站的左光电转换模块作为扩展端连接主站的右光电转换模块，分别通过光纤进行收发通信。2.根据权利要求1所述的一种光纤双向传递模块，其特征在于，所述的FPGA具有采用Altera公司的EP4CE115F23I7，所述的TDC采用TDC_GPX芯片。3.一种如权利要求1所述光纤双向传递模块的双向环网时间与频率稳定传递方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，将光纤通信网络从低到高分别为物理层、编码与解码层、链路控制层和通用服务层；所述的物理层包括光电转换模块的接口以及主站和从站的发送接收模块，所述的编码与解码层用于将物理层的高低电平信号转换为01信号，同时将链路控制层传来的字节数据转换为01信号并发送给物理层处理，所述的链路控制层用于对接收和发送的数据帧标记高精度时间戳、接收数据的校验与提取以及发送数据帧的整合，所述的通用服务层用于数据转发与接收；S2，从站对主站的频率实现跟随与同步，将物理层传输进来的4M频率信号分频为2M信号，本地恒温晶振的10M频率信号也通过PLL分频为2M，通过TDC时间测量模块与本地频率分频后进行相位比对，测量两个信号的相位差，并进行数据滤波处理，实现数字锁相，采用PI控制器实现从站对主站的频率跟随与同步；S3，对数据链路层中数据流编码解析，解析后对每一帧数据包的发送与接收时刻进行高精度时间戳标定，提供给上层服务应用，实现光纤双向数据链路延迟与钟差分析计算，其中数据链路延迟与钟差分析计算是通过主站和从站间进行双向通信，在来回数据链路延迟相等的情况下，将计算得到的钟差传给秒生成模块，调整本地秒实现主从站间的时间同步；S4，通用服务层将需要发...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚张顺，杨晚晴，李涛，刘岸杰，
申请(专利权)人：武汉华中天纬测控有限公司，
类型：发明
国别省市：