[發明專利]光纖傳輸通道時鐘同步系統及其方法

有效

• 申請號: 201710831407.2
• 申請日: 2017-09-15
• 公開（公告）號: CN108111245B
• 公開（公告）日: 2019-05-07
• 發明（設計）人: 楊李杰;徐志偉;劉田;周文濤
• 申請（專利權）人: 浙江大學;西南電子技術研究所（中國電子科技集團公司第十研究所）
• 主分類號: H04J3/06
• 分類號: H04J3/06;H04J3/16;H04L7/00;H04L7/033
• 代理公司: 成飛(集團)公司專利中心 51121
• 代理人: 郭純武

1.一種光纖傳輸通道時鐘同步系統，其特征在于：所述時鐘同步系統包括：為不同遠端節點分發時鐘和SYNC信號的時鐘與SYNC處理子系統、用于完成信號的光/電、電/光轉換及傳輸的信號傳輸子系統、用于實時調節時鐘相位的時鐘相位調節子系統、用于完成時鐘和SYNC的相位重對齊的SYNC重采樣子系統；

其中，所述的時鐘與SYNC處理子系統包括：

時鐘周期延遲分發模塊，用于為每一個遠端測量節點提供一路時鐘信號；

具有輸出延遲粗調的相位失調選擇功能，最小延遲步進等于輸入時鐘周期的一半，每個輸出時鐘都可以單獨設置延遲量，該模塊的時鐘輸出延遲量的值由SYNC分發和接收模塊決定；

SYNC分發和接收模塊，用于為每一個遠端測量節點提供一路SYNC信號，同時接收每一個遠端測量節點回發的SYNC信號；該模塊測量出發送和接收SYNC信號所經歷的時鐘周期數，時鐘周期數決定時鐘周期延遲分發模塊每一路輸出的延遲量；

所述的信號傳輸子系統包括：

電轉光模塊，用于把以電信號形式存在的時鐘信號、SYNC信號轉化為光信號；

光纖傳輸模塊，利用光纖，把時鐘信號、SYNC信號從本地數據處理中心分發給不同的遠端測量節點；

光轉電模塊，用于接收光纖傳輸模塊的光信號，并轉換為電信號；

所述的時鐘相位調節子系統包括：

鎖相環模塊，用于比較發送的時鐘、接收的時鐘之間的相位差，輸出與該相位差成正比的調節電壓，控制可變相位延遲模塊；

可變相位延遲模塊，在時鐘發送鏈路和時鐘接收鏈路上各有一個可變相位延遲模塊，該模塊受鎖相環模塊的調節電壓的控制，對輸入的時鐘信號進行相位延遲；

所述的SYNC重采樣子系統，存在于每一個遠端測量節點上，接收本地數據處理中心發送過來的時鐘信號和SYNC信號，并把SYNC信號與時鐘信號進行相位對齊；輸出新的SYNC信號回傳給本地數據處理中心；

遠端測量節點把接收到的SYNC信號作為觸發事件，當觸發事件發生時，遠端測量節點開始執行相應的測控任務；遠端測量節點都與本地數據處理中心形成時鐘信號、SYNC信號的收發回路；遠端測量節點之間沒有數據交換；由本地數據處理中心完成遠端測量節點之間的時鐘和SYNC信號同步。

2.如權利要求1所述的光纖傳輸通道時鐘同步系統，其特征在于：所述SYNC分發和接收模塊測量SYNC信號經歷的時鐘周期數的方式是：在發送SYNC的同時，SYNC分發和接收模塊把內部計數器清零，并在每個時鐘信號的上升沿把計數器的值加1；當SYNC分發和接收模塊接收到遠端測量節點回發的SYNC信號時，計數器停止累加，把計數器的值發送給時鐘周期延遲分發模塊，對每一路時鐘輸出的周期延遲數進行調節。

3.如權利要求1所述的光纖傳輸通道時鐘同步系統，其特征在于：所述的信號傳輸子系統中，共有4類信號需要通過光纖進行傳輸，即本地數據處理中心發送給遠端測量節點的時鐘信號、SYNC信號，遠端測量節點回發給本地數據處理中心的時鐘信號、SYNC信號。

4.如權利要求1所述的光纖傳輸通道時鐘同步系統，其特征在于：時鐘與SYNC處理子系統運行在本地數據處理中心上，信號傳輸子系統運行在本地數據處理中心和遠端測量節點上，時鐘相位調節子系統運行在本地數據處理中心上，SYNC重采樣子系統運行在遠端測量節點上。

5.適用于權利要求1所述的光纖傳輸通道時鐘同步系統的方法，包括如下步驟：

步驟1、整個系統復位上電后，全局參考時鐘輸入時鐘周期延遲分發模塊（2）；SYNC分發和接收模塊（1）把時鐘周期延遲分發模塊（2）的輸出延遲量設置為0，時鐘周期延遲分發模塊（2）無延遲地輸出每一路參考時鐘，一路參考時鐘進入SYNC分發和接收模塊（1），一路參考時鐘進入鎖相環模塊（3）、可變相位延遲模塊（4a）；

步驟2、進入可變相位延遲模塊（4a）的參考時鐘信號將通過電轉光模塊（6a）、光纖（7a）、光轉電模塊（5a）發送到遠端測量節點；遠端測量節點從光轉電模塊（5a）的輸出口獲得參考時鐘信號，并以此作為整個節點的參考時鐘基準；該參考時鐘此外還要分成兩路，一路輸入SYNC重采樣模塊（8），另一路進入電轉光模塊（6b），并通過光纖回傳給本地數據處理中心；

步驟3、由于光纖長度的隨機性，鎖相環模塊（3）的兩個輸入信號之間的相位差隨機分布于0°~360°之間；鎖相環模塊（3）內部的鑒相器比較兩個輸入信號之間的相位差，產生一個與該相位差成比例的信號；隨后鎖相環模塊（3）內部的環路濾波器將鑒相器輸出的含有紋波成分的直流信號平均化，將此變化為交流成分較少的直流信號，范圍為0~5V，鎖相環模塊的最后一級是運算放大器構成的有源環路濾波器；鎖相環模塊（3）結構有兩種選擇，反相拓撲結構和正相拓撲結構；反相拓撲結構的輸入阻抗低，相當于給前一級增加了負載，改變了鎖相環模塊的環路特性；同相拓撲結構的輸入阻抗高，不會使前級承受負載；使用反相拓撲結構時，鎖相環模塊中的鑒相器必須具有極性反轉功能，以抵消反相拓撲結構帶來的相位反轉效應；以正確的極性驅動可變相位延遲模塊4；有源環路濾波器將輸入的0~5V直流信號放大為0~12V直流信號，同時輸入兩個可變相位延遲模塊（4a、4b）；

步驟4、可變相位延遲模塊（4a、4b）根據輸入的直流信號的大小改變相位延遲量，使可變相位延遲模塊（4a、4b）的輸出時鐘相對于輸入時鐘產生0~180°范圍內的相位延遲；當直流信號值為0V時，可變相位延遲模塊（4）的相位延遲量為0°，當直流信號值為12V時，可變相位延遲模塊（4）的相位延遲量略大于180°；從本地數據處理中心到遠端測量節點的路徑有1個可變相位延遲模塊（4a），從遠端測量節點到本地數據處理中心的路徑上也有1個可變相位延遲模塊（4b），整個時鐘傳輸回路上就包含兩個可變相位延遲模塊（4a、4b），可以覆蓋0~360°一個完整周期的時鐘相位偏移量；

步驟5、當可變相位延遲模塊（4a、4b） 改變自身的相位延遲量時，遠端測量節點上的參考時鐘基準信號的相位也相應的發生變化；直到鎖相環模塊（3）的兩個輸入信號的相位差為0°，此時鎖相環模塊（3）的輸出直流信號不再變化，可變相位延遲模塊（4a、4b）的相位延遲量也不再變化，遠端測量節點的參考時鐘基準信號與時鐘周期延遲分發模塊（2）輸出的參考時鐘相位對齊；

步驟6、由于光纖長度的不一致性，還會帶來遠端本地數據處理中心發送的10MHz參考時鐘需要在光纖上經歷不同的時鐘周期數才能到達每個遠端測量節點；此時系統需要啟動SYNC分發和接收模塊（1）測量時鐘周期數；SYNC分發和接收模塊（1）在參考時鐘的上升沿，將SYNC信號置高，同時啟動內部的計數器，在每一個參考時鐘的上升沿將計數器的值加1；電轉光模塊（6c）將該SYNC信號轉化為光信號，并通過光纖傳輸到遠端測量節點，由光轉電模塊（5c）將SYNC信號變為電信號，并送入SYNC重采樣模塊（8）；由于SYNC分發和接收模塊（1）發送的SYNC信號與參考時鐘的上升沿是對齊的，發送參考時鐘的鏈路比發送SYNC的鏈路多了一個可變相位延遲模塊（4a），使得到達遠端測量節點的參考時鐘比SYNC信號滯后了0~180°范圍內的隨機相位，遠端測量節點上的SYNC重采樣模塊（8）作用是消除這個隨機相位偏差，使得輸出的SYNC信號重新實現與參考時鐘的上升沿對齊；SYNC再回傳給本地數據處理中心的SYNC分發和接收模塊（1），此時SYNC分發和接收模塊（1）停止內部計數器，計數器的當前值即為參考時鐘在單根光纖上經歷的時鐘周期數的兩倍；

步驟7、SYNC分發和接收模塊（1）依據步驟6獲得了所有遠端測量節點與本地數據處理中心互連的光纖上經歷的時鐘周期數，計算出時鐘周期延遲分發模塊（2）每一個輸出時鐘端口相對于全局參考時鐘的周期延遲數；此時時鐘周期延遲分發模塊（2）設定每個輸出端口的周期延遲數，補償光纖帶來的時鐘周期延遲數的不一致性，若記時鐘周期延遲分發模塊（2）輸出給第一遠端測量節點的延遲數為N1，輸出給第二遠端測量節點的延遲數為N2，那么滿足8+N1=10+N2；

步驟8、由于SYNC信號與參考信號所使用的光纖等長，SYNC信號與參考時鐘在光纖上的傳播時間一樣，SYNC分發和接收模塊（1）可以利用參考時鐘信號在光纖上經歷的時鐘周期數，調節發送給不同的遠端測量節點的SYNC信號發送間隔，使得所有SYNC信號可以在同一時間到達所有的遠端測量節點。