用于光纤时间传递的多级数字精密时延控制方法及系统

1.本发明属于光纤时间传递技术领域，特别涉及一种用于光纤时间传递的多级数字精密时延控制方法及系统。


背景技术：

2.光纤时间传递以其传输介质稳定、损耗低、抗电磁干扰、受环境干扰较小、路径单一等明显的稳定性与安全性优势，逐渐成为国内外高精度时间传递的重要方式；在光纤时间传递系统中，往往是先通过估算或实测等方法获得两地之间的传输时延，再对传输时延进行补偿，从而实现时间的传递同步。
3.当前应用于光纤时间传递的时延控制技术，主要包括：移相器，利用移相器产生稳定的相位差；该技术可能存在信号间断，且控制范围极窄，一般为10ns；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ns一下；fpga(现场可编程门阵列)，利用fpga实现相位移动，由于fpga的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；两段式调节，采用fpga粗调和pll移相细调相结合的方式进行大范围精密时延控制，此方式主要采用模拟电路进行实现，对硬件电路中的选品、加工及调试要求较高且不能查看补偿中间状态。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种用于光纤时间传递的多级数字精密时延控制方法及系统，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明提供的多级数字精密时延控制方法，通过fpga技术和dpll移相技术的结合，能够实现相位时延的粗调和细调，可实现大范围时延的多级数字精密时延控制。
5.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.本发明的一种用于光纤时间传递的多级数字精密时延控制方法，包括以下步骤：
7.步骤1，获取本地端与远程端的初始时延控制量；
8.步骤2，基于所述初始时延控制量获得fpga移相的整数倍时钟周期，根据fpga移相的整数倍时钟周期进行补偿，获取补偿后的更新时延控制量；
9.步骤3，判断所述更新时延控制量是否处于预设阈值范围内；若否则跳转执行步骤4，若是则跳转执行步骤5；
10.步骤4，基于更新时延控制量获得fpga移相的整数倍时钟周期，根据fpga移相的整数倍时钟周期进行补偿，获取补偿后的更新时延控制量，并跳转执行步骤3；
11.步骤5，根据更新时延控制量采用dpll进行移相，完成多级数字精密时延控制。
12.本发明方法的进一步改进在于，步骤1具体包括：
13.由测量单元测得光纤链路传递来的外部1pps信号与fpga生成的1pps信号的实际时延量作为初始时延控制量。
14.本发明方法的进一步改进在于，步骤2具体包括：
15.确定fpga的时钟周期为t，按照公式处理初始时延控制量后，设定整周期移相的周期数n，fpga延迟n个周期后输出1pps信号。
16.本发明方法的进一步改进在于，步骤3具体包括：
17.判断所述更新时延控制量是否处于正负150ns之间；若否则跳转执行步骤4，若是则跳转执行步骤5。
18.本发明方法的进一步改进在于，步骤5具体包括：
19.步骤5.1，配置数控振荡器内部相位累加器的最大阈值ξ
max
、相位累加器最小阈值ξ
min
以及频率控制字中心值取ξm，ξm＝2
n-1
，n为数控振荡器内部相位累加器的位数；粗调相位累加器最大阈值ξ
max
、相位累加器最小阈值ξ
min
以及根据收发两端时间间隔测量值配置粗调频率控制字值ξ，β为相位累加器与频率控制字的比例因子；判定粗调频率控制字值ξ是否大于最大阈值ξ
max
或者小于最小阈值ξ
min
；若否则按照初设值配置粗调频率控制字值ξ，若是则按照最大阈值ξ
max
或者最小阈值ξ
min
配置粗调频率控制字值ξ；
20.步骤5.2，判定收发两端时间间隔测量值是否在正负300ps之间，若否则跳转执行步骤5.1，若是则跳转执行步骤5.3；
21.步骤5.3，由数控振荡器输出的10mhz与外部输入10mhz进行鉴相，并根据鉴相数值配置频率控制字值改变最小步长值δ，按照最小步长值δ正向或者反向精密改变频率控制字值ξ，ξ＝ξ
±
δ；
22.步骤5.4，判定收发两端时间间隔测量值是否在正负30ps之间；若否则跳转执行步骤5.3，若是则完成多级数字精密时延控制。
23.本发明提供的一种用于光纤时间传递的多级数字精密时延控制系统，包括：
24.测量获取模块，用于获取本地端与远程端的初始时延控制量；
25.补偿模块，用于基于所述初始时延控制量获得fpga移相的整数倍时钟周期，根据fpga移相的整数倍时钟周期进行补偿，获取补偿后的更新时延控制量；
26.判断模块，用于判断所述更新时延控制量是否处于预设阈值范围内；若否则跳转执行迭代模块的步骤，若是则跳转执行移相模块的步骤；
27.迭代模块，用于基于更新时延控制量获得fpga移相的整数倍时钟周期，根据fpga移相的整数倍时钟周期进行补偿，获取补偿后的更新时延控制量，并跳转执行判断模块的步骤；
28.移相模块，用于根据更新时延控制量采用dpll进行移相，完成多级数字精密时延控制。
29.本发明系统的进一步改进在于，测量获取模块执行的步骤具体包括：
30.由测量单元测得光纤链路传递来的外部1pps信号与fpga生成的1pps信号的实际时延量作为初始时延控制量。
31.本发明系统的进一步改进在于，补偿模块执行的步骤具体包括：
32.确定fpga的时钟周期为t，按照公式处理初始时延控制量后，设定整周期移相的周期数n，fpga延迟n个周期后输出1pps信号。
33.本发明系统的进一步改进在于，判断模块执行的步骤具体包括：
34.判断所述更新时延控制量是否处于正负150ns之间；若否则跳转执行迭代模块的步骤，若是则跳转执行移相模块的步骤。
35.本发明系统的进一步改进在于，移相模块执行的步骤具体包括：
36.步骤5.1，配置数控振荡器内部相位累加器的最大阈值ξ
max
、相位累加器最小阈值ξ
min
以及频率控制字中心值取ξm，ξm＝2
n-1
，n为数控振荡器内部相位累加器的位数；粗调相位累加器最大阈值ξ
max
、相位累加器最小阈值ξ
min
以及根据收发两端时间间隔测量值配置粗调频率控制字值ξ，β为相位累加器与频率控制字的比例因子；判定粗调频率控制字值ξ是否大于最大阈值ξ
max
或者小于最小阈值ξ
min
；若否则按照初设值配置粗调频率控制字值ξ，若是则按照最大阈值ξ
max
或者最小阈值ξ
min
配置粗调频率控制字值ξ；
37.步骤5.2，判定收发两端时间间隔测量值是否在正负300ps之间，若否则跳转执行步骤5.1，若是则跳转执行步骤5.3；
38.步骤5.3，由数控振荡器输出的10mhz与外部输入10mhz进行鉴相，并根据鉴相数值配置频率控制字值改变最小步长值δ，按照最小步长值δ正向或者反向精密改变频率控制字值ξ，ξ＝ξ
±
δ；
39.步骤5.4，判定收发两端时间间隔测量值是否在正负30ps之间；若否则跳转执行步骤5.3，若是则完成多级数字精密时延控制。
40.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
41.本发明通过fpga和dpll移相技术的应用实现了一种应用于光纤时间传递的多级数字精密时延控制方法。本发明依托于高精度的光纤时间传递，为其提供了一种可对大范围时延量进行多级数字精密控制的方式。该发明可以通过调取数据，查看当前工作进度状态，在设备故障时，可提高问题定位效率，利于规范化、集成化生产以及智能化推广。具体示例性的，本发明可实现应用于光纤时间传递的多级数字精密时延控制，时延控制准确度优于30ps。
附图说明
42.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。
43.图1是本发明实施例的一种用于光纤时间传递的多级数字精密时延控制方法的流
程示意图；
44.图2是本发明实施例的一种用于光纤时间传递的多级数字精密时延控制系统的示意图。
具体实施方式
45.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
46.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
47.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
48.本发明实施例的一种用于光纤时间传递的多级数字精密时延控制方法，包括以下步骤：
49.步骤1，获取本地端与远程端的初始时延控制量；
50.步骤2，基于所述初始时延控制量获得fpga移相的整数倍时钟周期，根据fpga移相的整数倍时钟周期进行一级补偿，获取一级补偿后的更新时延控制量；
51.步骤3，判断所述更新时延控制量是否处于预设阈值范围内；若不在，则跳转执行步骤4，若在，则跳转执行步骤5；
52.步骤4，基于更新时延控制量获得fpga移相的整数倍时钟周期，根据fpga移相的整数倍时钟周期进行一级补偿，获取一级补偿后的更新时延控制量，并跳转执行步骤3；
53.步骤5，根据更新时延控制量采用dpll进行移相，完成多级数字精密时延控制。
54.本发明实施例基于fpga和dpll移相技术公开了一种应用于光纤时间传递的多级数字精密时延控制方法，依托于高精度的光纤时间传递可对大范围时延量进行多级数字精密控制，可通过调取数据查看当前工作进度状态，在设备故障时可提高问题定位效率，利于规范化、集成化生产以及智能化推广。
55.请参阅图1，本发明实施例的一种用于光纤时间传递的多级数字精密时延控制方法，包括以下步骤：
56.1、由测量单元测得光纤链路传递来的外部1pps信号与fpga生成的1pps信号的实际时延量作为一个时延控制量。
57.2、将步骤1所述该时延控制量送给控制单元处理，控制单元将其中为时钟周期整数倍的时延控制量发送给fpga，开始第一级时延补偿，进入状态a并锁
定。
58.3、在步骤2所述状态a锁定后，确定fpga的时钟周期为t，控制芯片收集收发两端时间间隔，按照公式处理测量数据后，设定整周期移相的周期数n，fpga延迟n个周期后输出1pps信号，进入状态b。
59.4、由步骤2所述主控单元判定收发两端时间间隔测量值是否在正负150ns之间，不符合判定条件则返回到状态a，符合判定条件则状态b锁定。
60.5、由步骤2所述主控单元开始配置nco内部相位累加器的最大阈值ξ
max
和相位累加器最小阈值ξ
min
，频率控制字中心值取ξm(ξm＝2
n-1
，n为nco内部相位累加器的位数)、粗调相位累加器最大阈值ξ
max
和相位累加器最小阈值ξ
min
以及根据收发两端时间间隔测量值配置粗调频率控制字值β为相位累加器与频率控制字的比例因子)。主控单元判定粗调的频率控制字值ξ是否大于最大阈值ξ
max
或者小于最小阈值ξ
min
，如果在两者之间，则nco按照初设值配置粗调频率控制字值ξ，若不在两者之间，则按照最大阈值ξ
max
或者最小阈值ξ
min
配置粗调频率控制字值ξ，进入状态c。
61.6、由步骤2所述主控单元进一步判定收发两端时间间隔测量值是否在正负300ps之间，不符合判定条件则返回到状态b，符合判定条件则状态c锁定；
62.7、此时时延量已控制在300ps之内，需由nco输出的10mhz与外部输入10mhz进行鉴相，并将鉴相数值反馈至由步骤2所述主控单元，进一步配置频率控制字值改变最小步长值δ，nco按照改变最小步长值δ正向或者反向精密改变频率控制字值ξ(ξ＝ξ
±
δ)，进入状态d。
63.8、由步骤2所述主控单元最终判定收发两端时间间隔测量值是否在正负30ps之间，如果是则进入最终锁定状态即状态d锁定，不满足判定条件则跳转至状态c继续调整时延，最终将时延控制在30ps之内，进行状态d的锁定。
64.至此实现了应用于光纤时间传递的多级数字精密时延控制，时延控制准确度优于30ps。
65.下述为本发明的装置实施例，可以用于执行本发明方法实施例。对于装置实施例中未纰漏的细节，请参照本发明方法实施例。
66.请参阅图2，本发明实施例的一种用于光纤时间传递的多级数字精密时延控制系统，包括：测量单元、主控单元、fpga、nco(数控振荡器)、dpd(数字鉴相鉴频器)、dlf(数字环路滤波器)组成，其中由nco、dpd、dlf构成dpll移相环。本地端通过光纤链路传递来的外部1pps信号、外部10mhz和fpga输出的1pps信号作为输入信号，输出信号是经过延时的时间信号。
67.本发明实施例针对当前技术的不足，以fpga粗调与pll移相细调为基础提出了一种应用于光纤时间传递的多级数字精密时延控制方法，从而实现了大范围时延的多级数字精密时延控制。此种方式可对内部时延控制状态，锁定状态有更直观的数字标识状态，可以通过调取数据，查看当前工作进度状态，利于规范化、集成化生产以及智能化推广；具体优
点包括：1.该系统具有很高的时延控制分辨率，采用dpll(数字锁相环)移相技术实现高分辨率的时延控制。2、采用fpga进行整周期移相，进入第一级状态，来进行粗调时延，可将大范围时延控制在一个fpga时钟周期之内。3、进入下一级状态，针对一个fpga时钟周期内的时延误差，采用多段循环式数字调节，直至控制时延在精密范围内，即进入最终锁定状态。
68.本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
69.本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
70.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
71.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
72.最后应当说明的是：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应当理解：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，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。