射電天文陣列遠程光纖同步系統(tǒng)及其方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種低頻射電天文望遠鏡分布天線陣列領域的技術，具體是一種 射電天文陣列遠程光纖同步系統(tǒng)及其方法。
【背景技術】
[0002] 射電天文學的觀測對象為廣闊宇宙中天體輻射的微弱電磁信號。為了提升天文觀 測的分辨率和靈敏度，需要不斷增加射電天文陣列的天線口徑?，F(xiàn)代射電天文陣列正在向 著大規(guī)模、長距離、分布式的方向發(fā)展，這也對射電天文陣列的遠程時鐘同步性能提出了更 高的要求?，F(xiàn)代射電天文陣列的時鐘同步主要用于射電天文陣列的采樣時鐘同步，需要在 長距離，其距離一般超過1公里的陣元節(jié)點之間實現(xiàn)極高的時鐘同步精度，通常在皮秒量 級，以滿足陣元節(jié)點之間的采樣相干性要求;而且，現(xiàn)代射電天文陣列的陣列規(guī)模巨大、陣 元節(jié)點數(shù)量眾多，因此需要相對低廉的實現(xiàn)成本。
[0003] 遠程時鐘同步技術被廣泛應用于網(wǎng)絡傳輸、通信、射電天文等領域。不同領域對于 時鐘同步的精度要求不同，因此采用的技術實現(xiàn)手段也有差異。在網(wǎng)絡傳輸領域，時鐘同步 的精度通常要求不高、一般在毫秒量級，因此主要采用的是基于網(wǎng)絡時間協(xié)議(Network Time Protocol，NTP)的時鐘同步方法。在通信領域，時鐘同步的精度要求一般在幾十納秒 量級，因此通常采用基于空域無線的同步方式或基于GPS的時鐘同步方式。而在射電天文領 域，為了實現(xiàn)皮秒量級的遠程時鐘同步精度，目前比較合適的方式是光纖時鐘同步技術。 [0004]光纖時鐘同步技術，即通過對光纖傳輸?shù)男盘栠M行時鐘恢復，在遠程接收端將光 纖上傳遞的時鐘信息提取出來，得到與本地同步的時鐘信號，實現(xiàn)遠程時鐘與本地時鐘同 步。由于光纖具有良好的傳輸特性和低廉的價格，非常適合射電天文望遠鏡陣列的遠距離、 高精度時鐘同步。但是由于光纖介質受溫度變化會發(fā)生長度的變化，在光纖較長的情況下， 會使得遠程恢復的時鐘產(chǎn)生較大的抖動。
[0005] 經(jīng)過對現(xiàn)有技術的檢索發(fā)現(xiàn)，L.J. Wang等人發(fā)表在2012年Nature子刊Scientific Report第二期的論文"Precise and Continuous Time and Frequency Synchronisation at the 5Xl(T19Accuracy Level"提出了在本地節(jié)點采用原子鐘作為時鐘源，將時鐘信息 以模擬信號的形式通過光纖傳輸。遠程節(jié)點將接收到的時鐘同步信息反饋給本地節(jié)點，本 地節(jié)點根據(jù)反饋的時鐘信息對發(fā)送時鐘進行校正，以補償光纖長度變化給遠程同步時鐘帶 來的抖動。但該方案設備成本高，系統(tǒng)復雜，且傳送的時鐘信號為模擬信號，需要單獨的光 纖通路傳輸。
[0006] 中國專利文獻號CN104917582A，公開日為2015年09月16日，公開了一種高精度時 鐘分發(fā)和相位自動補償系統(tǒng)及其相位調(diào)節(jié)方法，該系統(tǒng)包括時鐘分發(fā)模塊Master和多個前 端電子學節(jié)點Slave，Master采用光纖將時鐘分發(fā)給多個Slave，其中:Master通過光纖將時 鐘發(fā)送到Slave，Slave接收到時鐘后通過光纖將時鐘重新傳回到Master，Master對時鐘的 往返時間之和進行動態(tài)測量得到時鐘的上下延時，并將測量結果發(fā)送到Slave，Sla Ve根據(jù) 測量結果對接收到的時鐘進行動態(tài)相位調(diào)節(jié)，使Slave與Master保持相位同步。但該技術所 能達到的同步精度在幾十皮秒量級，無法滿足射電天文陣列的采樣時鐘同步的精度要求。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術存在的上述不足，提出一種射電天文陣列遠程光纖同步系統(tǒng) 及其方法。
[0008] 本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的：
[0009] 本發(fā)明涉及一種射電天文陣列遠程光纖同步系統(tǒng)，包括:設置于本地節(jié)點的本地 鎖相控制模塊和設置于遠程節(jié)點的時鐘凈化模塊，其中：遠程節(jié)點和本地節(jié)點通過光纖相 連，本地節(jié)點將本地參考時鐘和從時鐘凈化模塊接收到的本地光纖接收時鐘輸入本地鎖相 控制模塊，通過PID控制本地參考時鐘進行相位調(diào)整得到本地光纖發(fā)送時鐘。
[0010] 所述的本地鎖相控制模塊包括：第一濾波器、第二濾波器、鑒相器、模數(shù)轉換器 (ADC)、數(shù)字信號處理單元和直接數(shù)字頻率合成器(DDS)，其中：第二濾波器、鑒相器、ADC、 DDS和數(shù)字信號處理單元依次串聯(lián)成環(huán)路，第一濾波器兩端與鑒相器和本地光纖接收模塊 相連，DDS連有本地光纖發(fā)送模塊。
[0011]
其中u(n)為PID輸出控 制量，e (η)為PID輸入量，KP為比例系數(shù)，Ki為積分系數(shù)，Kd為微分系數(shù)。
[0012] 所述的遠程節(jié)點設有遠程光纖發(fā)送模塊和遠程光纖接收模塊，該遠程光纖發(fā)送模 塊與時鐘凈化模塊和本地光纖接收模塊相連，該遠程光纖接收模塊與時鐘凈化模塊和本地 光纖發(fā)送模塊相連。
[0013] 所述的數(shù)字信號處理單元和ADC由現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)實現(xiàn)，本地光纖接收 模塊和本地光纖發(fā)送模塊由FPGA的高速串行收發(fā)器(GTX)實現(xiàn)。
[0014] 所述的時鐘凈化模塊將接收到的時鐘信息進行消抖處理得到遠程同步時鐘，并反 饋回本地節(jié)點。
[0015] 本發(fā)明涉及一種利用上述射電天文陣列遠程光纖同步系統(tǒng)進行溫漂補償?shù)姆椒ǎ?包括以下步驟：
[0016] 步驟1、本地參考時鐘和本地光纖接收時鐘分別經(jīng)過濾波器，然后經(jīng)過鑒相器進行 鑒相；
[0017] 步驟2、將鑒相結果通過低速的模數(shù)轉換器進行數(shù)字化，輸入到數(shù)字信號處理單 元，通過PID控制算法處理，得到相位補償控制量；
[0018] 步驟3、將相位補償控制量輸入DDS，對本地參考時鐘進行相位調(diào)整，獲得本地光纖 發(fā)送時鐘，實現(xiàn)光纖溫漂補償。 技術效果
[0019] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明通過數(shù)字化方式進行光纖溫漂補償，具有時鐘同步精度 高，達到皮秒量級，環(huán)境適應能力強，成本低廉，采用數(shù)字化方式傳輸時鐘信息，抗干擾能力 強，傳輸距離長，只需一路光纖通路就可以實現(xiàn)采樣時鐘、采樣數(shù)據(jù)、系統(tǒng)控制指令的傳輸， 從而實現(xiàn)了高度的系統(tǒng)集成，降低了光纖布線的復雜度。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發(fā)明原理結構不意圖；
[0021] 圖2為本發(fā)明實現(xiàn)結構示意圖；
[0022] 圖3為無溫漂補償時本地采樣信號和遠程采樣信號的相位差變化曲線示意圖；
[0023] 圖4為經(jīng)溫漂補償后本地采樣信號和遠程采樣信號的相位差變化曲線示意圖。
【具體實施方式】
[0024]下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施 例。 實施例1
[0025] 如圖1所示，本實施例包括:設置于本地節(jié)點的本地鎖相控制模塊和設置于遠程節(jié) 點的時鐘凈化模塊，其中：遠程節(jié)點和本地節(jié)點通過光纖相連，本地節(jié)點將本地參考時鐘和 從時鐘凈化模塊接收到的本地光纖接收時鐘輸入本地鎖相控制模塊，通過PID控制本地參 考時鐘進行相位調(diào)整得到本地光纖發(fā)送時鐘，從而實現(xiàn)光纖溫漂補償。
[0026] 所述的本地鎖相控制模塊包括：第一濾波器、第二濾波器、鑒相器、模數(shù)轉換器 (ADC)、數(shù)字信號處理單元和直接數(shù)字頻率合成器(DDS)，其中：第二濾波器、鑒相器、ADC、 DDS和數(shù)字信號處理單元依次串聯(lián)成環(huán)路，第一濾波器兩端與鑒相器和本地光纖接收模塊 相連，DDS連有本地光纖發(fā)送模塊。
[0027] 所述的遠程節(jié)點設有遠程光纖發(fā)送模塊和遠程光纖接收模塊，該遠程光纖發(fā)送模 塊與時鐘凈化模塊和本地光纖接收模塊相連，該遠程光纖接收模塊與時鐘凈化模塊和本地 光纖發(fā)送模塊相連。
[0028] 所述的本地節(jié)點將本地參考時鐘作為變頻采樣單元的變頻采樣時鐘，采用現(xiàn)場可 編程門陣列(FPGA)作為核心器件，而遠程同步時鐘作為遠程節(jié)點的變頻采樣單元的變頻采 樣時鐘，實現(xiàn)本地節(jié)點和遠程節(jié)點的相干采集。
[0029]所述的本地節(jié)點通過本地光纖接收模塊，接收遠程節(jié)點反饋的時鐘信息，從而獲 得本地光纖接收時鐘。將本地參考時鐘和本地光纖接收時鐘輸入到本地鎖相控制模塊，處 理后得到本地光纖發(fā)送時鐘，將本地光纖發(fā)送時鐘輸出到本地光纖