原子时信号传输系统及传输方法

摘要

一种原子时信号传输系统及传输方法。该系统通过处于发射端的发射补偿装置将待传输的原子时信号调制到光信号上以通过光纤传输，并补偿原子时信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声；通过在各中继端串联连接的多个中继补偿传输装置进一步补偿原子时信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声，使得传输至远端的原子时信号的相位锁定于发射端基准钟的相位。本发明的技术方案解决了超长基线原子时信号传输环路锁定带宽限制及信号衰减的问题，大大提高了原子时信号的传输距离和传递精度。

权利要求

1.一种原子时信号传输系统，该系统包括：

发射补偿装置，用于将待传输的原子时信号调制到光信号上以通过光纤传输，并补偿原子时信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声；和多个中继补偿传输装置，每个所述中继补偿传输装置用于进一步补偿原子时信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声；

其中，所述发射补偿装置和多个中继补偿传输装置之间通过光纤传输调制在光信号上的原子时信号；

其中，所述发射补偿装置包括：

辅助传输部，其生成辅助补偿信号并输出到第一相位噪声补偿部；

第一相位噪声补偿部，其将待传输的原子时信号调制到光信号上以通过光纤传输，并基于所述辅助补偿信号产生用于补偿所述原子时信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声的反馈补偿信号；

其中，所述第一相位噪声补偿部包括：

第三频率振荡器，其产生第三微波信号并输出给第一比相单元和第一激光器；

第一比相单元，其产生反馈补偿信号给第三频率振荡器以在所述第三微波信号中引入在光纤链路中传输时引入的相位噪声的补偿；

第一激光器，其将所述第三微波信号调制到光信号上并输出给光纤环形器以进入光纤链路；

光纤环形器，其将发射光与返回光分开，使经调制的光信号进入到光纤链路以传输至远端，并使由远端沿光纤链路返回的光信号输出给第一探测器；

第一探测器，通过光电转换将调制到光信号上的微波信号解调出来以得到第五微波信号，并输出给第一比相单元。

2.根据权利要求1所述的传输系统，其中，所述辅助传输部包括：第一频率振荡器，其产生相位锁定于基准钟的第一辅助补偿信号；

第二频率振荡器，其产生相位锁定于基准钟的第二辅助补偿信号；和所述第一辅助补偿信号和第二辅助补偿信号输出到第一相位噪声补偿部以辅助其产生反馈补偿信号。

3.根据权利要求1所述的传输系统，其中，第一比相单元对所述第一、第二辅助补偿信号和第三、第五微波信号进行比相处理以产生所述反馈补偿信号。

4.根据权利要求1所述的传输系统，所述中继补偿传输装置包括：原子时信号复现部，其接收来自光纤链路的调制在光信号上的微波信号，并复现出相位锁定于基准钟的原子时信号；

中继辅助传输部，其生成中继辅助补偿信号并输出到第二相位噪声补偿部；

第二相位噪声补偿部，其将待传输的原子时信号再次调制到光信号上以通过光纤传输，并基于该中继辅助补偿信号产生用于进一步补偿所述原子时信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声的中继反馈补偿信号。

5.根据权利要求4所述的传输系统，所述原子时信号复现部包括：第二探测器，其通过光电转换将调制在光信号上的微波信号解调出来以得到相位锁定于基准钟的第四微波信号，并提供给第四频率振荡器；

第四频率振荡器，其基于所述第四微波信号生成频率和相位锁定于该第四微波信号的微波信号。

6.根据权利要求5所述的传输系统，所述原子时信号复现部还包括连接至第四频率振荡器输出端的除法器，其将该第四频率振荡器输出的微波信号除至相应频率，供中继端的用户使用。

7.根据权利要求4所述的传输系统，所述中继辅助传输部包括：第五频率振荡器，其生成第一中继辅助补偿信号；

第六频率振荡器，其生成第二中继辅助补偿信号；

第二比相单元，其产生补偿信号给第六频率振荡器，使得所述第一、第二中继辅助补偿信号的相位和锁定于基准钟的相位。

8.根据权利要求4所述的传输系统，所述第二相位噪声补偿部包括：第七频率振荡器，其产生微波信号并输出给第三比相单元和第二激光器；

第三比相单元，其产生中继反馈补偿信号给第七频率振荡器，以在其产生的微波信号中引入在光纤链路中传输时引入的相位噪声的补偿；

第二激光器，其将所述第七频率振荡器产生的微波信号调制到光信号上并输出给光纤环形器以进入光纤链路；

第三探测器，通过光电转换将调制到光信号上的微波信号解调出来并输出给第三比相单元；

光纤环形器，其将发射光与返回光分开，使经调制的光信号进入到光纤链路以传输至远端，并使由远端沿光纤链路原路返回的光信号输出给第三探测器。

9.根据权利要求8所述的传输系统，其中，第三比相单元对所述第一、第二中继辅助补偿信号、所述第七频率振荡器产生的微波信号和所述第三探测器输出的微波信号进行比相处理以产生所述中继反馈补偿信号。

10.一种原子时信号传输方法，该方法包括：

接收基准钟产生的作为基准参考信号的原子时信号；

将待传输的原子时信号调制到光信号上以通过光纤传输；

在发射端补偿原子时信号在光纤链路中引入的相位噪声；

在中继端接收来自光纤链路的调制在光信号上的微波信号，并复现相位锁定于基准钟的原子时信号；

将待传输的原子时信号再次调制到光信号上以通过光纤传输；

在中继端进一步补偿所述原子时信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声；

其中，所述在发射端补偿原子时信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声的步骤包括：生成两个相位和锁定于基准钟的辅助补偿信号；

基于所述辅助补偿信号产生用于补偿所述原子时信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声的反馈补偿信号，并将该反馈补偿信号加载到待传输的原子时信号中；

其中，所述在中继端补偿原子时信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声的步骤包括：生成两个相位和锁定于基准钟的中继辅助补偿信号；

基于所述中继辅助补偿信号产生用于进一步补偿所述原子时信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声的中继反馈补偿信号，并将该中继反馈补偿信号加载到待传输的原子时信号中。

说明书

原子时信号传输系统及传输方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种原子时信号的传输系统及传输方法。特别的，涉及一种通过光纤实现超长基线(距离)的原子时信号传输的系统及方法。

背景技术

[0002] 当前，时间频率系统的研究及应用主要有3个大方向。一是时间频率源的制备，用于提供时间的基准。二是时间频率的传输系统，有了好的基准源，还需要将时间频率准确的发布出去。因此时间频率传输系统的好坏，直接决定了用户端接收到的时间频率信号的质量。而这一问题在超长距离的时间频率信号传输中尤其重要。三是时间频率信号的接收，目前这个领域的技术已经比较成熟，例如GPS接收机之类。

[0003] 对于提供时间频率源的基准钟，经过国际上多年的研究，基准钟的准确度和稳定-16度已经很高。例如目前国际上最好的原子钟天稳定度已经可以达到10 量级。对于时间频率的传输系统，目前超长基线原子时信号的传输与同步所采用的方法主要有搬运钟法、卫星共视法(CV)、卫星双向时间频率传递法(TWSTFT)等。其中，除了搬运钟法，其他几种方法都要依赖卫星的传递。

[0004] 但是，目前这些传输方法的天稳定度只能达到10-15量级，无法满足时间频率信号的精确传输与比对的要求。例如，如果要传输国际上最好的原子钟信号，则传输系统的稳定-16度应当优于该原子钟的稳定度(10 /天)。

[0005] 对于现有技术中的搬运钟法，用一台高精度的小型化原子钟C，将长基线一端A站的时间标准传递给B站，从而实现A站与B站的同步。基本原理为：首先A站时钟与C钟并址，在某一坐标时t0，将A钟与C钟比对，分别读出A、C钟的读数τA0和τC0。然后C钟沿着已知的路径 搬运到B站，与B钟进行比对，读出B，C钟的读数τB1和τC1。这样，坐标时t1就可以由t0，τC0，τC1和 导出，再根据B站原时和坐标时的关系，来同步B站时钟。

[0006] 但是，利用搬运钟法传输原子时信号存在如下缺点。

[0007] (1)由于原子时信号传递精度直接受限于可搬运小型原子钟的稳定度，以及搬运过程和不同地点海拔对可搬运小型原子钟引入的系统误差，因而导致传输信号的精度较低。

[0008] (2)搬运钟法必须先在A地与A地的时钟比对后，再搬运至B地，与B地的时钟进行比对。因而无法实现A，B两地之间同时同步的测量比对，从而导致无法进行实时连续测量比对。

[0009] (3)搬运钟法必须以同一个搬运钟作为原子时信号传递媒介，所以无法同时在多地之间进行时间频率传递比对，即无法同时进行多点同步比对。

[0010] 现有技术中还存在利用卫星实现原子时信号传输的各种传递比对法。如图1所示，超长基线的两端A站和B站之间，通过卫星互相发射电磁波信号，测量电磁波信号的传播时延，或者同时接收来自同一颗卫星的时钟信号。通过两站之间交换数据，就能够获得两站间的相对钟差，从而实现两站之间的时钟比对与同步。

[0011] 但是，已有的卫星传递比对法也存在一些缺点。例如，由于受地球电离层及大气层-15扰动等因素的影响，利用卫星进行原子时信号的传递比对的天稳定度只能达到10 量级，即该方法的精度低。另外，由于进行A、B两地之间的时频传递时，A、B两地必须能够同时看到同一颗卫星。对于超长基线的原子时信号传递，在某些地点之间，这一条件不具备。也就是说，卫星传递比对法的实际使用受限于卫星覆盖范围，因而不能良好的适用于超长基线的原子时信号传递。

[0012] 如上所述，已有的搬运钟法采用一台小型化高精度原子钟作为原子时信号传递媒介，已有的卫星传递比对法利用人造卫星作为原子时信号的传递媒介，这些传递媒介及其传输方法都存在或多或少的缺陷。因此，有必要考虑采用新的传递媒介及相应的传输系统和传输方法，以避免或解决上述现有技术中存在的问题。

发明内容

[0013] 本发明正是为了解决现有技术中存在上述问题而提出。

[0014] 根据本发明的一个目的，提供了一种原子时信号传输系统，该系统包括：发射补偿装置，用于将待传输的原子时信号调制到光信号上以通过光纤传输，并补偿原子时信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声；和串联连接的多个中继补偿传输装置，每个所述中继补偿传输装置用于进一步补偿原子时信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声；其中，所述发射补偿装置和多个中继补偿传输装置之间通过光纤传输调制在光信号上的原子时信号。

[0015] 根据本发明的另一个目的，提供了一种原子时信号传输方法，该方法包括：接收基准钟产生的作为基准参考信号的原子时信号；将待传输的原子时信号调制到光信号上以通过光纤传输；在发射端补偿原子时信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声；在中继端接收来自光纤链路的调制在光信号上的微波信号，并复现相位锁定于基准钟的原子时信号；将待传输的原子时信号再次调制到光信号上以通过光纤传输；在中继端进一步补偿所述原子时信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声。

[0016] 优选的，在发射端补偿原子时信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声是这样实现的：生成两个相位和锁定于基准钟的辅助补偿信号；基于所述辅助补偿信号产生用于补偿所述原子时信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声的反馈补偿信号，并将该反馈补偿信号加载到待传输的原子时信号中。

[0017] 优选的在中继端补偿原子时信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声是这样实现的：生成两个相位和锁定于基准钟的中继辅助补偿信号；基于所述中继辅助补偿信号产生用于进一步补偿所述原子时信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声的中继反馈补偿信号，并将该中继反馈补偿信号加载到待传输的原子时信号中。

[0018] 根据本发明的原子时信号传输系统及传输方法，能够采用光纤作为原子时信号的传递媒介，把原子时信号调制到光信号上并通过光纤传输。此外，本发明通过实施相位噪声探测及补偿技术，实现对光纤传输链路(尤其是超长距离)的相位噪声的补偿。

[0019] 特别的，对于超长基线原子时信号的传输，本发明提供了一种利用多个中继站进行分段相位噪声补偿的方法，解决了超长基线原子时信号传输环路锁定带宽限制及信号衰减的问题，大大提高了原子时信号的传递精度。

附图说明

[0020] 图1显示了利用卫星实现原子时信号传输的示意图；

[0021] 图2显示了本发明的原子时信号传输系统的结构示意图；

[0022] 图3显示了本发明的发射补偿装置的结构示意图；

[0023] 图4显示了本发明的第一比相单元的工作原理示意图；

[0024] 图5显示了本发明的中继补偿传输装置的结构示意图；

[0025] 图6显示了中继辅助传输部的第二比相单元的工作原理示意图；

[0026] 图7显示了本发明的发射补偿装置的一个示例；

[0027] 图8显示了本发明的中继补偿传输装置的一个示例；

[0028] 图9显示了本发明的终端接收装置的一个示例；

[0029] 图10显示了本发明的原子时信号传输方法的流程图。

具体实施方式

[0030] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。

[0031] 图2显示了本发明的原子时信号传输系统的结构示意图。

[0032] 如图2所示，本发明的原子时信号传输系统包括：发射补偿装置，用于将待传输的原子时信号调制到光信号上以通过光纤传输，并补偿原子时信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声；多个中继补偿传输装置，用于进一步补偿原子时信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声。其中，所述发射补偿装置和多个中继补偿传输装置之间通过光纤传输调制在光信号上的原子时信号。

[0033] 如图2所示，本发明的多个中继补偿传输装置示例性的采用串联连接方式，但不限制于此。在实际应用中，根据需要可以采用并联连接以及串联、并联同时存在的混接方式，都能适用于本发明的技术方案，并实现长基线原子时信号的高精度传输。

[0034] 通过本发明的传输系统对原子时信号进行传输后，由一终端接收装置接收并复现相位锁定于基准钟的原子时信号，并根据需求将其转换至相应频率，供用户使用。如图2所示，该终端接收装置连接至传输系统的最后一个中继补偿传输装置。

[0035] 本发明中，每隔一定间隔设置一个中继补偿传输装置，各中继补偿传输装置串联连接。相邻两个中继补偿传输装置之间的间隔距离由系统相位噪声补偿环路带宽的设计值Δv＝c/(4πnl)决定，其中c为光速，l为相邻装置间光纤链路长度，n为光纤折射率。在一个优选实施例中，该间隔距离设置为100公里左右。

[0036] 下面分别介绍本发明的原子时信号传输系统的各组成部分。

[0037] <发射补偿装置>

[0038] 图3显示了本发明的发射补偿装置的结构示意图。

[0039] 如图3所示，本发明的发射补偿装置处于原子时信号传输系统的发射端，其包括辅助传输部1和第一相位噪声补偿部2。所述辅助传输部1生成辅助补偿信号并输出到第一相位噪声补偿部，该辅助补偿信号用于辅助第一相位噪声补偿部产生反馈补偿信号。具体来说，辅助传输部1包括第一频率振荡器F1和第二频率振荡器F2，其分别生成第一辅助补偿信号和第二辅助补偿信号，输出给第一相位噪声补偿部2(其中的第一比相单元)以辅助其产生反馈补偿信号。其中，该第一辅助补偿信号和第二辅助补偿信号的相位锁定于基准钟。

[0040] 第一相位噪声补偿部2用于将待传输的原子时信号调制到光信号上以通过光纤传输，并基于辅助传输部生成的辅助补偿信号产生用于补偿所述原子时信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声的反馈补偿信号。

[0041] 设基准钟的产生的基准微波信号为

[0042] Ω0＝A0cos(ω0t+φref)

[0043] 这里，A0表示基准钟信号的振幅，φref为基准钟信号的相位，ω0为基准钟信号的频率。本发明所述的基准钟可以是产生作为基准参考信号的原子时信号的任意微波信号源，优选的，可以采用氢钟、铯钟或铷钟等由国家基准钟(铯喷泉钟)校准的守时钟。

[0044] 第一频率振荡器F1产生相位锁定于基准钟的第一辅助补偿信号

[0045] Ω1＝A1cos(aω0t+aφref)

[0046] 其中A1表示第一辅助补偿信号的振幅，a为任意数(满足 为某一特定数的任意数，该特定数由所要传输的原子时信号频率除以基准钟信号频率得到)，通过锁相环及频率综合器可以产生相位锁定于基准钟信号的任意频率微波信号。

[0047] 第二频率振荡器F2产生相位锁定于基准钟的第二辅助补偿信号

[0048] Ω2＝A2cos(bω0t+bφref)

[0049] 其中A2表示第二辅助补偿信号的振幅，b为任意数(满足 为某一特定数的任意数，该特定数由所要传输的原子时信号频率除以基准钟信号频率得到)。

[0050] 本发明在发射端的发射补偿装置中设置有第一相位噪声补偿部2，其包括第三频率振荡器F3、第一比相单元、第一激光器、第一探测器和光纤环形器。

[0051] 其中，第三频率振荡器F3产生第三微波信号

[0052]

[0053] 其中，A3表示第三微波信号的振幅，该微波信号的频率为 相位表示为φ0，该相位可由反馈补偿信号Ω8控制，以满足特定的条件(见下文)。

[0054] 第一激光器将该第三微波信号调制到光信号上并输出给光纤环形器以进入光纤链路。其中，用微波信号Ω3调制第一激光器的方式是内调制或外调制方法。第一激光器输出的光信号传输至远端，并且所述第一激光器为输出波长对应于光纤通信窗口波段的激光器。

[0055] 如图3所示，第一激光器输出的光信号输入到一光纤环形器，其用于将发射光与返回光分开。光纤环形器使经调制的光信号通过光纤环行器进入到光纤链路并向远端(中继补偿传输装置或终端接收装置)传输，并使由远端沿光纤链路返回的光信号输出给第一探测器。另外，在远端的中继补偿传输装置接收该光信号，并通过其中的探测器(参见下文中图5所示的第二探测器)对该光信号进行光电转换可以得到第四微波信号(参见下文中有关中继补偿传输装置的原子时信号复现部的描述)：

[0056]

[0057] 其中，A4表示第四微波信号的振幅，φp为光纤链路引入的相位噪声，该相位噪声受到光纤链路所处环境温度变化，光纤所受机械应力(如振动引起，等等)的变化等因素影响。

[0058] 为了补偿上述相位噪声，本发明设置为使传输至远端的光信号(包含调制在光信号上的微波信号)的一部分沿光纤链路原路返回(参见下文中有关中继补偿传输装置的原子时信号复现部的描述)，并从光纤环行器的端口3输出。如图3所示，光纤环行器的端口3连接到第一探测器，其通过光电转换将调制在光信号上的微波信号解调出来并输出给第一比相单元。由此，该返回的光信号经第一探测器解调后得到第五微波信号[0059]

[0060] 这里，第五微波信号包含了两倍的光纤链路中的相位噪声2φp，其输出到第一比相单元以辅助第一比相单元生成反馈补偿信号。

[0061] 随后，通过第一比相单元反馈控制第三频率振荡器F3的输出相位。具体来说，第一比相单元将接收的所述第一、第二辅助补偿信号和第三、第五微波信号进行比相处理以产生反馈补偿信号，并将该反馈补偿信号输出到第三频率振荡器F3，使其输出的第三微波信号的相位中引入对光纤链路引入的相位噪声φp的补偿，从而使传输至远端的微波信号Ω4的相位锁定于发射端的基准钟的相位，该微波信号Ω4就是要传输的原子时信号。

[0062] 本发明中，所采用的频率振荡器中的至少一个是恒温压控晶体振荡器与外参考相位锁定介质振荡器或倍频器。

[0063] 图4显示了本发明的第一比相单元的工作原理示意图。

[0064] 图4中的 代表混频器，它使得两个输入信号做乘法运算，从而使得两个信号的频率和相位做加减法运算。

[0065] 本发明的第一比相单元用于将上述给出的信号Ω1，Ω2，Ω3和Ω5进行比相处理，以获取用于反馈控制第三频率振荡器F3的输出相位的反馈补偿信号Ω8。本发明中的比相处理是指通过电路运算，得到一个包含几个信号相位之间特定数学关系的电信号。具体来说，将微波信号Ω2与Ω5混频并低通滤波后得到信号

[0066]

[0067] 将微波信号Ω1与Ω3混频并低通滤波后得到信号

[0068]

[0069] 然后，将信号Ω6与Ω7混频并低通滤波后得到反馈补偿信号

[0070] Ω8＝A8cos(aφref+bφref-2φ0-2φp)

[0071] 应说明的是，上述比相单元的工作方法仅仅是示例性的，不构成对本发明的限制，实际上还可以采用其他的处理方法。例如，可以将Ω1和Ω2混频并高通滤波得到正比于cos[(a+b)ω0t+(a+b)φref]的信号，将Ω3和Ω5混频并高通滤波得到正比于cos[(a+b)ω0t+2φ0+2φp]的信号，然后再将这两个信号混频并低通滤波得到反馈补偿信号：

[0072] Ω8＝A8cos(aφref+bφref-2φ0-2φp)

[0073] 该反馈补偿信号用来反馈补偿第三频率振荡器F3的输出相位φ0，使其相位φ0满足关系式：

[0074]

[0075] 上式中，当系统锁定时，n为某一确定不变的整数。

[0076] 由上式可见，经相位补偿后，第三频率振荡器F3输出的第三微波信号的相位φ0在锁定于基准钟相位φref的基础上，进一步引入了光纤链路的相位噪声φp，使其跟随光纤链路的相位噪声φp而不断变化，由此实现对光纤链路引入的相位噪声φp的动态补偿。因此，经补偿后的第三微波信号可以保证远端(中继补偿传输装置或终端接收装置)接收的原子时信号相位能够锁定于基准钟相位φref，即相对基准钟是稳定的。

[0077] 例如，通过伺服反馈电路，可使Ω8＝0，从而得到

[0078]

[0079] 进而得到上式。

[0080] 本发明中，只要实现接收端微波信号相位相对于发射端基准钟相位锁定即可，并不严格要求其相位完全等于发射端相位。因此，为了表述方便，在本发明的优选实施方式中可以略去固定的相位差项 这样传输至远端(中继补偿传输装置或终端接收装置)的原子时信号(第四微波信号)为

[0081]

[0082]

[0083] 由上式可见，传输到远端(中继补偿传输装置或终端接收装置)的原子时信号的相位锁定于基准钟的相位φref。这样，就相当于在用户端(中继补偿传输装置或终端接收装置)得到了与发射端基准钟品质相同的原子时信号，从而实现了很干净(噪声很低)的原子时信号传输通道。

[0084] 如上所述，在本发明的一个优选实施例中，发射补偿装置采用两个相位锁定于基准钟的第一频率振荡器F1和第二频率振荡器F2辅助产生反馈补偿信号，实现对要传输的原子时信号的相位补偿，使得传输至远端(中继补偿传输装置和终端接收装置)的原子时信号的相位锁定于基准钟的相位。

[0085] 上述第一辅助补偿信号和第二辅助补偿信号的相位和是发射端基准钟的相位的(a+b)倍。但是，本发明不限制于此，也可以是其他的正比关系，或者在成正比的基础上有一固定值的偏移(即在上述等式右边存在一常数项)。也就是说，只要使得两个辅助补偿信号的相位和与发射端基准钟的相位成线性关系，就能确保两个辅助补偿信号的相位和锁定于发射端基准钟的相位。

[0086] 进一步，本发明还可以设置为第一频率振荡器F1和第二频率振荡器F2产生的两个辅助补偿信号的频率和为所传输的原子时信号频率 的任意倍数，相位和锁定于基准钟的相位。即只要使得两个辅助补偿信号的频率和与所传输的原子时信号的频率成比例关系，两个辅助补偿信号的相位和锁定于发射端基准钟的相位即可。

[0087] 例如，以两个辅助补偿信号的频率和为ξ(a+b)ω0，相位和锁定于发射端基准钟为例。如图4(b)所示，在第一比相单元中，将来自第一频率振荡器F1和第二频率振荡器F2的两个辅助补偿信号混频并高通滤波可得到正比于cos[ξ(a+b)ω0t+ξ(a+b)φref]的信号(以Ω10表示)，可以看出该信号频率为所传输的原子时信号频率的ξ/2倍，相位锁定于发射端基准钟相位；将Ω3和Ω5混频并高通滤波得到正比于cos[(a+b)ω0t+2φ0+2φp]的信号，然后将该信号进行倍频运算(图中的×ξ表示ξ倍的倍频运算)，得到正比于cos[ξ(a+b)ω0t+2ξ(φ0+φp)]的信号(以Ω11表示)；将Ω10与Ω11混频并低通滤波，可以得到正比于cos[ξ(a+b)φref-2ξ(φ0+φp)]的信号(以Ω12表示)；这样以Ω12作为反馈补偿信号来反馈补偿第三频率振荡器F3的输出相位φ0，就可使其相位满足为了方便表述，这里同样将固定相位差项 略去。

[0088] 如上所述，本发明的传输系统通过动态补偿第三频率振荡器F3的相位(其相位跟随光纤链路噪声在不断变化)来补偿光纤传输链路中的相位噪声，从而保证远端(中继补偿传输装置或终端接收装置)的原子时信号相位能够锁定于基准钟，即相对基准钟是稳定的。

[0089] <中继补偿传输装置>

[0090] 图5显示了本发明的中继补偿传输装置的结构示意图。

[0091] 如前所述，本发明的原子时信号传输系统中设置有多个串联连接的中继补偿传输装置，其主要用于进一步补偿原子时信号在光纤链路(第n中继补偿传输装置至第n+1中继补偿传输装置)中传输时引入的相位噪声。可选的，中继补偿传输装置还具有下述作用：(1)接收来自光纤链路的调制在光信号上的微波信号，并复现相位锁定于基准钟的原子时信号，供中继端使用，并起到补偿原子时信号传输衰减的作用；(2)解决由于原子时信号长距离传输的时间延迟所导致的补偿环路锁定带宽限制的问题。

[0092] 如图5所示，本发明的中继补偿传输装置包括原子时信号复现部A、中继辅助传输部B和第二相位噪声补偿部C，分别用于实现复现相位锁定于基准钟的原子时信号、中继传输、相位噪声补偿这三个功能。

[0093] 原子时信号复现部A包括第二探测器和第四频率振荡器，其接收来自光纤链路的调制在光信号上的微波信号，并复现相位锁定于基准钟的原子时信号。如图5所示，来自光纤链路的光信号(其上加载着前述的第四微波信号Ω4)由端口2进入光纤环行器，从端口3输出，再由一分二光纤耦合器FC分成两部分。其中，一部分从端口1输入光纤环行器，并从端口2再次进入光纤链路，沿光纤链路原路返回，另一部分输入第二探测器。

[0094] 第二探测器通过光电转换将调制在光信号上的第四微波信号Ω4解调出来，得到相位稳定的第四微波信号

[0095]

[0096] 然后，第二探测器将该第四微波信号提供给第四频率振荡器T1，使其生成频率等于且相位锁定于该第四微波信号的微波信号：

[0097]

[0098] 上式中，a，b为任意数(满足 为某一特定数的任意数，该特定数由所要传输的原子时信号频率除以基准钟信号频率得到)，φref为基准钟信号相位，ω0为基准钟的频率，AT1表示该信号的振幅。为了方便表述，这里同样将固定相位差项 略去。这样，就在中继端复现出相位锁定于基准钟的原子时信号，从而起到了补偿原子时信号传输衰减的作用。

[0099] 可选的，如图5所示，原子时信号复现部还包括连接至第四频率振荡器输出端的除法器“÷”，其将该第四频率振荡器输出的微波信号除至相应频率，供中继端的用户使用。

[0100] 另外，第二探测器与第四频率振荡器T1之间的 表示混频器，其用于使两个输入信号做乘法运算，即使两个信号的频率和相位做加、减法运算。

[0101] 中继辅助传输部B用于原子时信号的中继传输，其在中继端生成中继辅助补偿信号并输出到第二相位噪声补偿部C，该中继辅助补偿信号用于辅助第二相位噪声补偿部产生中继反馈补偿信号，以在该中继端进一步补偿原子时信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声。

[0102] 如图5所示，中继辅助传输部B包括第五频率振荡器T2，第六频率振荡器T3以及第二比相单元。其中频率振荡器T2、T3分别产生第一中继辅助补偿信号和第二中继辅助补偿信号，输出给第二相位噪声补偿部C(其中的第三比相单元)以辅助其产生中继反馈补偿信号。

[0103] 第五频率振荡器T2产生第一中继辅助补偿信号：

[0104] ΩT2＝AT2cos(ωT2t+φT2)

[0105] 其中，AT2、ωT2、φT2分别表示信号的振幅、频率和相位。

[0106] 第六频率振荡器T3产生第二中继辅助补偿信号：

[0107] ΩT3＝AT3cos(ωT3t+φT3)

[0108] 其中，AT3、ωT3、φT3分别表示信号的振幅、频率和相位。

[0109] 在一个优选实施例中，设置为上述两个中继辅助补偿信号中的其中之一的频率低于光纤链路中传输的原子时信号的频率 另一个高于传输的原子时信号频率但两者的频率和满足等式：

[0110] ωT2+ωT3＝(a+b)ω0

[0111] 上述第一中继辅助补偿信号和第二中继辅助补偿信号的频率和是光纤链路中传输的原子时信号的频率的2倍。但是，本发明不限制于此，也可以是其他的比例关系。也就是说，只要使得两个中继辅助补偿信号的频率和与所传输的原子时信号的频率成比例关系即可。

[0112] 进一步，通过第二比相单元反馈控制第六频率振荡器T3产生的第二中继辅助补偿信号的相位，使得频率振荡器T2和T3产生的两个中继辅助补偿信号的相位和满足等式：

[0113] φT2+φT3＝(a+b)φref

[0114] 上述第一中继辅助补偿信号和第二中继辅助补偿信号的相位和是发射端基准钟的相位的(a+b)倍。但是，本发明不限制于此，也可以是其他的正比关系，或者在成正比的基础上有一固定值的偏移(即在上述等式右边存在一常数项)。也就是说，只要使得两个中继辅助补偿信号的相位和与发射端基准钟的相位成线性关系，就能确保两个中继辅助补偿信号的相位和锁定于发射端基准钟的相位。

[0115] 图6显示了中继辅助传输部的第二比相单元的工作原理示意图。

[0116] 如图6所示，中继辅助传输部的第二比相单元将输入的微波信号ΩT1，中继辅助补偿信号ΩT2和ΩT3进行比相处理，以获取用于反馈控制第六频率振荡器T3的输出相位的补偿信号ΩT7。具体来说，将微波信号ΩT1与信号ΩT2混频并低通滤波后得到信号[0117]

[0118] 将微波信号ΩT1与信号ΩT3混频并低通滤波后得到信号

[0119]

[0120] 将信号ΩT5与ΩT6混频并低通滤波后可得到补偿信号

[0121] ΩT7＝AT7cos{[(a+b)ω0-(ωT2+ωT3)]t+(a+b)φref-(φT2+φT3)}[0122] ＝AT7cos[(a+b)φref-(φT2+φT3)]

[0123] 应注意的是，本发明的上述第二比相单元的实现原理仅仅是示例性的，而不构成对本发明的限制，实际上，还可以采用其他类似的实现原理。例如，可以将ΩT1倍频得到正比于cos[(a+b)ω0t+(a+b)φref]的信号，将ΩT2和ΩT3混频并高通滤波得到正比于cos[(ωT2+ωT3)t+φT2+φt3]的信号，然后将这两个信号混频并低通滤波得到信号[0124] ΩT7＝AT7cos[(a+b)φref-(φT2+φT3)]。

[0125] 上述补偿信号用于反馈控制第六频率振荡器T3产生的第二中继辅助补偿信号的相位，使其相位满足

[0126] φT3＝(a+b)φref-φT2

[0127] 进而得到

[0128] φT2+φT3＝(a+b)φref

[0129] 其中，φref为发送端基准钟的信号的相位。为了方便表述，这里同样将固定相位差项 略去。

[0130] 可见，两个中继辅助补偿信号的相位和与基准钟的相位成线性关系，从而能够锁定于基准钟的相位(即与基准钟保持同步)。

[0131] 如上所述，本发明的中继辅助传输部B产生两个中继辅助补偿信号，该两个信号各自的相位并不直接锁定于发送端的基准钟相位，但是两者的相位和锁定于发射端基准钟的相位。

[0132] 由前述处于发射端的发射补偿装置的原子时信号相位噪声补偿原理可知，两个辅助补偿信号的频率和与光纤链路中传输的原子时信号的频率成比例关系，相位和锁定于基准钟的相位。同理，对于在中继端(中继补偿传输装置)继续向下一中继端(或接收端)传输的原子时信号来说，两个中继辅助补偿信号的频率和与光纤链路中传输的原子时信号的频率成比例关系，相位和锁定于基准钟的相位。因此，在中继端的光纤链路中传输的原子时信号与发射端的一样，都是相位锁定于基准钟的信号。

[0133] 中继补偿传输装置的第二相位噪声补偿部C的原理与发射端的相位噪声补偿原理类似，用于将待传输的原子时信号调制到光信号上以通过光纤传输，并基于中继辅助传输部B生成的中继辅助补偿信号产生用于进一步补偿所述原子时信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声的中继反馈补偿信号。如图5所示，第二相位噪声补偿部C包括第三比相单元，第七频率振荡器，第二激光器，第三探测器以及光纤环形器。

[0134] 第七频率振荡器产生频率为 相位为φ1的微波信号

[0135]

[0136] 第二激光器将该微波信号ΩT4调制到光信号上并输出给光纤环形器以进入光纤链路。其中，调制第二激光器的方式是内调制或外调制方法。该经调制的激光信号输入到光纤链路，使得传输至远端的信号(图中未示出)变为

[0137]

[0138] 该传输至远端的微波信号ΩT8与前面的第四微波信号Ω4类似，就是在光纤链路中传输的原子时信号。这里，远端指原子时信号传输到得下一中继端或接收端。其中φp1为原子时信号在该中继端对应的光纤链路中传输时引入的相位噪声，光纤环形器将传输至远端的光信号的一部分沿光纤链路原路返回，该返回的光信号经第三探测器，得到微波信号[0139]

[0140] 信号ΩT9包含了两倍的光纤链路中的相位噪声2φp1，其输出到第三比相单元以辅助第三比相单元生成中继反馈补偿信号。

[0141] 随后，通过第三比相单元产生中继反馈补偿信号以反馈控制第七频率振荡器的输出相位，使其相位中引入对光纤链路引入的相位噪声φp1的补偿，从而使传输至远端的微波信号ΩT8的相位满足下式：

[0142]

[0143] 可见，传输至远端的微波信号ΩT8的相位锁定于发射端的基准钟，该微波信号ΩT8就是要传输的原子时信号。

[0144] 第三比相单元的原理与前述的第一比相单元类似，将微波信号ΩT3与ΩT9混频并低通滤波得到信号

[0145]

[0146] 将微波信号ΩT2与ΩT4混频并低通滤波得到信号

[0147]

[0148] 将信号ΩT10与ΩT11混频并低通滤波得到信号

[0149] ΩT12＝AT12cos(φT2+φT3-2φ1-2φp1)

[0150] 然后，将ΩT12比例放大后作为中继反馈补偿信号反馈控制第七频率振荡器的输出相位，使其相位φ1满足关系式：

[0151]

[0152] 即

[0153] 由上式可见，与前面的第三频率振荡器类似，经相位补偿后，第七频率振荡器输出的微波信号的相位φ1在锁定于基准钟相位φref的基础上，进一步引入了光纤链路的相位噪声φp1，使其跟随光纤链路的相位噪声φp1而不断变化，由此实现对光纤链路引入的相位噪声φp的动态补偿。因此，第七频率振荡器输出的微波信号经补偿后可以保证远端(中继补偿传输装置或终端接收装置)接收的原子时信号相位能够锁定于基准钟相位φref，即相对基准钟是稳定的。

[0154] 相应的，传输至远端的微波信号ΩT8为

[0155]

[0156]

[0157] 由上式可见，微波信号ΩT8的频率和相位与前面的第四微波信号Ω4相同。因此，经过本发明的中继补偿传输装置传输后继续传输到远端的微波信号的相位仍然锁定于基准钟的参考相位φref。这样，通过将用户端得到的微波信号(几百乃至几千公里之外)相位锁定于发射端基准钟的相位，就相当于在接收端得到了与发射端基准钟品质相同的原子时信号，从而实现了很干净(噪声很低)的原子时信号传输通道。

[0158] 如上所述，本发明的传输系统通过在中继端不断补偿第七频率振荡器T4的相位(其相位跟随光纤链路噪声在不断变化)来补偿传输链路中的相位噪声，使得传输至远端(后续的中继补偿传输装置或终端接收装置)的原子时信号相位锁定于基准钟，即相对基准钟是稳定的。

[0159] 类似的，第二相位噪声补偿部C中的第三比相单元与前述的原子时信号发射补偿装置中的第一比相单元的结构和原理相同，并且实现方法不限于一种。

[0160] 另外，本发明中用到的频率振荡器中至少一个是恒温压控晶体振荡器与外参考相位锁定介质振荡器或倍频器。

[0161] 应注意的是，本发明中的比相单元实现的混频、倍频、低通滤波和高通滤波等处理属于本领域的技术人员熟知的技术，因此不在本发明的讨论之列。

[0162] <优选实施例>

[0163] 下面介绍本发明的原子时信号传输系统的一个优选实施例。

[0164] 图7显示了本发明的发射补偿装置的一个示例。

[0165] 在图7所示实施例中，以传输频率为9.1GHz的原子时信号为例，但不限制于此，其他传输频率的情形类似。

[0166] 本实施例的发射补偿装置包括辅助传输部100和第一相位噪声补偿部200，下面分别介绍各组成部分的结构和工作方式。

[0167] 一、辅助传输部

[0168] 100为辅助传输部，用于产生频率为9.0GHz和9.2GHz且相位锁定于基准钟的辅助补偿信号。这里，基准钟例如采用铯喷泉钟校准的氢钟，但不限制于此，现有技术中已有的其它类型的基准钟也能适用于本发明。

[0169] 如图7所示，辅助传输部100示例性的包括下述组件。101和107：100MHz恒温压控晶体振荡器(VCXO)；102：外参考相位锁定介质振荡器(DRO)，输入参考频率100MHz，输出振荡频率9.0GHz；103：相位平衡一分三微波功率分配器；104：微波频率除法器；除法因子90，将9.0GHz信号的频率除至100MHz；105和112：射频频率混频器，该混频器的LO和RF端频率覆盖100MHz，IF端频率从DC起始；106和113：比例积分伺服电路(Servo)，其响应带宽应大于1kHz；108：外参考相位锁定介质振荡器(DRO)，输入参考频率100MHz，输出振荡频率9.2GHz；109：相位平衡一分二微波功率分配器；110：微波频率混频器，该混频器得LO和RF端频率覆盖9.0-9.2GHz，IF端频率覆盖DC至200MHz；111：射频频率除法器，除法因子2，将200MHz信号的频率除至100MHz。

[0170] 本实施例中，9.0GHz辅助补偿信号的产生方式如下：101产生100MHz射频信号，输入到102的外参考信号输入端。102通过其内部的相位锁定电路，输出相位锁定于101的9.0GHz微波信号。103将102的输出信号分成功率相等、相位平衡的三等份。104将其中一路9.0GHz信号的频率除以90，得到100MHz的射频信号输出。105将104的输出信号与来自氢钟的100MHz信号混频(来自氢钟的信号输至105的LO端，来自104的信号输至105的RF端)，得到的IF端输出信号作为反馈补偿信号输入106，经过106进行比例积分放大后输至101的电压控制端，反馈控制101输出信号的相位，从而获得一个相位锁定于氢钟的
9.0GHz辅助补偿信号。

[0171] 本实施例中9.2GHz辅助补偿信号的产生方式如下：107产生100MHz射频信号，输入到108的外参考信号输入端。108通过其内部的相位锁定电路，输出相位锁定于107的9.2GHz微波信号。109将102的输出信号分成功率相等、相位平衡的两等份。110将其中一路9.2GHz信号与一路来自9.0GHz辅助补偿信号的信号混频，在110的IF端得到200MHz的射频信号。111将200MHz信号除以2得到100MHz的射频信号。112将111的输出信号与来自氢钟的100MHz信号混频(来自氢钟的信号输至112的LO端，来自111的信号输至
112的RF端)，得到的IF端输出信号作为反馈补偿信号输入113，经过113进行比例积分放大后输至107的电压控制端，反馈控制107输出信号的相位，从而获得一个相位锁定于氢钟的9.2GHz辅助补偿信号。

[0172] 二、相位噪声补偿部

[0173] 200为第一相位噪声补偿部，用于将待传输的9.1GHz微波信号调制到波长为1550nm激光上，进入光纤链路传输。并探测和补偿光纤传输链路的相位噪声。

[0174] 如图7所示，第一相位噪声补偿部200包括下述组件：201：100MHz恒温压控晶体振荡器(VCXO)；202：外参考相位锁定介质振荡器(DRO)，其输入参考频率100MHz，输出振荡频率9.1GHz；203：相位平衡一分二微波功率分配器；204：低相位噪声微波功率放大器，其工作频率范围覆盖9.1GHz，增益10dB左右，P1dB输出20dBm左右；205：1550nm电吸收调制半导体激光器，输出功率-3dBm左右；206：半导体光学放大器(SOA)，其工作范围覆盖1550nm，增益大于10dB，饱和输出7dBm左右。这里也可以用指标相同的掺铒光纤放大器(EDFA)代替SOA；207：光纤环行器，由端口1入射的光只能由端口2输出，由端口2入射的光只能由端口3输出；208：半导体光学放大器(SOA)，其工作范围应覆盖1550nm，增益20-30dB，饱和输出7dBm左右。这里也可以用指标相同的掺铒光纤放大器(EDFA)代替SOA；209：高速光探测器，其工作波长应覆盖1550nm，3dB响应带宽应高于10GHz；210：低相位噪声微波功率放大器，其工作频率范围覆盖9.1GHz，增益33dB左右，P1dB输出10-13dBm；211，212：微波频率混频器，混频器LO和RF端频率覆盖9.0-9.2GHz，IF端频率覆盖DC至
200MHz；213：射频频率混频器，混频器LO和RF端频率须覆盖100MHz，IF端频率须从DC起始；214：比例积分伺服电路(Servo)，其响应带宽应大于1kHz。

[0175] 第一相位噪声补偿部200的具体工作方式如下。201产生100MHz射频信号，输入到202的外参考信号输入端。202通过其内部的相位锁定电路，输出相位锁定于201的9.1GHz微波信号。203将202的输出信号分成功率相等、相位平衡的两等份，一路输入至204。204将9.1GHz微波信号的功率放大至20dBm，然后输入至205的电吸收调制端口，实现对205输出1550nm激光的振幅调制，即实现对待传9.1GHz微波信号的电光转换过程。205输出光经过206放大后得到约7dBm的输出光，用作原子时光纤传递的载波光场。206输出的光信号耦合到207的端口1，光信号将通过环行器207从端口2进入到光纤链路。光信号通过光纤链路传递至远端的用户端，有90％的光信号从用户端沿光纤原路返回(详见中继补偿传输装置的相关内容)，并由环行器207的端口3输出。输出的光信号经过208放大后，耦合到高速光探测器209。209实现对返回光信号的光电转换，由其微波输出端口输出频率为
9.1GHz的微波信号。这一微波信号经过210放大后，与来自109的一路9.2GHz微波信号通过211混频(来自109的微波信号接211的LO端口，来自210的信号接211的RF端口)，在211的IF端得到100MHz的射频信号。来自103的9.0GHz微波信号与来自203的9.1GHz微波信号通过212混频(来自103的微波信号接212的LO端口，来自203的信号接212的RF端口)，在212的IF端口得到100MHz的射频信号。将此信号与来自211的100MHz信号通过213混频，得到的IF端输出信号作为反馈补偿信号输入214，由214进行比例积分放大后输至201的电压控制端，反馈控制201输出信号的相位，从而实现对整个光纤链路传输噪声的补偿，即保证在远端(接收端)得到相位锁定于氢钟频率参考源的9.1GHz微波信号。

[0176] 应注意的是，上述具体实施示例中的基准钟不仅限于铯喷泉钟校准的氢钟，也可以是任何由铯喷泉钟校准的守时钟，例如：铯钟、铷钟等。

[0177] 部件101和102，107和108，以及201和202分别组成三个频率振荡器。这里以VCXO加DRO的实现方式为例，但不限于此方法。其他相位可由外部电压控制的频率振荡器都可以用于此。例如：VCXO加倍频器。

[0178] 部件101和102，以及107和108分别组成的两个频率振荡器的频率不只限于9.0GHz和9.2GHz。根据本发明的传输原理，任何可以将相位锁定于基准钟的频率振荡器产生的频率都可以。

[0179] 部件201和202组成的频率振荡器的频率不只限于9.1GHz。其频率为两个辅助补偿信号频率和的一半。

[0180] 部件205不只限于波长1550nm的电吸收调制半导体激光器。其波长对应光纤通信的窗口波段，例如是840nm，1310nm，1550nm。调制方法不只限于电吸收调制，其他可以将传输频率调制到激光上的内调制及外调制方法都可以。

[0181] 部件206和208不只限于SOA或EDFA，也可以是其他激光放大器，工作波长与所选的传输激光波长相对应。

[0182] 本实施例中用到的其他器件(103-106，109-113，203，204，207，209-214等)参数都是根据本实施例传输的9.1GHz原子时信号所作的优化选择。在传输其他频率时，可根据具体情况优化选择各器件的参数。

[0183] 图8显示了本发明的中继补偿传输装置的一个示例。

[0184] 本实施例的中继补偿传输装置包括原子时信号复现部400、中继辅助传输部500和第二相位噪声补偿部300，下面分别介绍各组成部分的结构和工作方式[0185] 一、原子时信号复现部

[0186] 400为原子时信号复现部，用于接收来自光纤链路的调制在光信号上的微波信号，并复现相位锁定于基准钟的原子时信号。可选的，通过频率下转换过程，获得相位锁定于基准钟的100MHz(或10MHz)微波信号供用户使用。

[0187] 如图8所示，原子时信号复现部400示例性的包括下述组件：401：光纤环行器，其端口2入射的光只能由端口3输出，由端口1入射的光只能由端口2输出；402：一分二光纤耦合器，将入射光功率按1∶9的比例分至两路光纤中；403：半导体光学放大器(SOA)，其工作范围应覆盖1550nm，增益20-30dB，饱和输出7dBm左右。这里也可以用指标相同的掺铒光纤放大器(EDFA)代替SOA；404：高速光探测器，其工作波长覆盖1550nm，3dB响应带宽高于10GHz；405：低相位噪声微波功率放大器，其工作频率范围覆盖9.1GHz，增益30dB左右，P1dB输出12dBm左右；406：微波频率混频器，混频器LO和RF端频率覆盖9.1GHz，IF端频率覆盖100MHz；407和413：100MHz恒温压控晶体振荡器(VCXO)；408：外参考相位锁定介质振荡器(DRO)，其输入参考频率100MHz，输出振荡频率9.1GHz；409：相位平衡一分四微波功率分配器；410和415：比例积分伺服电路(Servo)，其响应带宽应大于1kHz；411：微波频率除法器，除法因子91，将9.1GHz信号频率除至100MHz；412：射频频率混频器，混频器LO和RF端频率须覆盖100MHz，IF端频率须从DC起始；414：相位平衡一分二微波功率分配器。

[0188] 原子时信号复现部400的具体工作方式如下。

[0189] 来自光纤链路的1550nm光信号耦合至光纤环行器401的端口2，401的端口3与光纤耦合器402的输入端口熔接在一起。402的90％输出端口与401的端口1熔接在一起，使90％的光信号沿光纤链路原路返回。402的10％输出端口与403的光纤输入端口熔接在一起，经过403放大后输入404，将调制在1550nm激光上的9.1GHz微波信号解调出来。9.1GHz微波信号经405放大后，输入至406的RF端口。407产生100MHz射频信号，输入到
408的外部参考信号输入端口。408通过其内部的锁相电路，输出相位锁定于407的9.1GHz微波信号。409将408的输出信号分为相位平衡、功率相等的四等份。其中一路与来自405的9.1GHz信号经406混频，406的IF端口输出信号经410进行比例积分放大后输至407的电压控制端，反馈控制407输出信号的相位。这样就使得408输出信号的相位锁定于发射端的基准钟上。409的另一路输出信号经过411将其频率除以91，然后输至412的LO端口。
413输出的100MHz信号经414分成相位平衡、功率相等的两等份。一路输出供用户使用，另一路输出至412的RF端口与来自411的信号混频。412的IF端口输出信号经415进行比例积分放大后输出至413的电压控制端，反馈控制413输出信号的相位。这样就使得413输出信号的相位锁定于发射端的基准钟上，从而在中继装置端复现发射端的基准钟(例如氢钟)。

[0190] 二、中继辅助传输部

[0191] 500为中继辅助传输部，用来产生相位和锁定于基准钟的9GHz与9.2GHz微波信号以作为中继辅助补偿信号。

[0192] 如图8所示，中继辅助传输部500示例性的包括下述组件：501和505：100MHz恒温压控晶体振荡器(VCXO)；502：外参考相位锁定介质振荡器(DRO)，其输入参考频率100MHz，输出振荡频率9.0GHz；503和507：相位平衡一分二微波功率分配器；504和508：微波频率混频器，混频器LO和RF端频率须覆盖9至9.2GHz，IF端频率须覆盖100MHz；506：外参考相位锁定介质振荡器(DRO)，其输入参考频率100MHz，输出振荡频率9.2GHz；509：射频频率混频器，该混频器的LO和RF端频率须覆盖100MHz，IF端频率须从DC起始；510：比例积分伺服电路(Servo)，其响应带宽应大于1kHz。

[0193] 中继辅助传输部500的具体工作方式如下。

[0194] 501产生100MHz射频信号，输入到502的外部参考信号输入端口。502通过其内部的锁相电路，输出相位锁定于501的9.0GHz微波信号。503将502的输出信号分为相位平衡、功率相等的两等份。其中一路与来自409的9.1GHz信号经504混频(来自409的微波信号接504的LO端口，来自503的信号接504的RF端口)。505产生100MHz射频信号，输入到506的外部参考信号输入端口。506通过其内部的锁相电路，输出相位锁定于505的9.2GHz微波信号。507将506的输出信号分为相位平衡、功率相等的两等份。其中一路与来自409的9.1GHz信号经过508混频(来自409的微波信号接508的LO端口，来自507的信号接508的RF端口)。504和508的IF端输出信号经过509混频，并将其IF端口输出信号输入510，经过510比例积分放大后输至505的电压控制端，反馈控制505输出信号的相位。本方案的创新点在于，在中继端不需要制备绝对频率稳定的9.0GHz和9.2GHz中继辅助补偿信号，而是两者的和频为18.2GHz，且两信号相位和锁定于发射端基准钟相位。

[0195] 三、第二相位噪声补偿部

[0196] 第二相位噪声补偿部300的结构和工作方式与前述的发射补偿装置中的第一相位噪声补偿部200相同，所用器件的参数指标也相同，这里不再赘述。

[0197] 应注意的是，在图8所示的具体实施示例中，部件407和408，501和502，505和506，以及301和302分别组成四个频率振荡器。这里以VCXO加DRO的实现方式为例，但不限于此方法。其他相位可由外部电压控制的频率振荡器都可以用于此。例如：VCXO加倍频器。

[0198] 部件407和408，以及301和302分别组成的频率振荡器的频率不只限于9.1GHz。其频率须与被传输原子时信号的频率一致。

[0199] 部件501和502，以及506和507分别组成的两个频率振荡器的频率不只限于9.0GHz和9.2GHz。根据本发明的原理，两个频率振荡器的频率之和须为被传输原子时信号频率的一倍，且两者频率不相等。

[0200] 部件305不只限于波长1550nm电吸收调制半导体激光器。其波长对应光纤通信的窗口波段，例如为840nm，1310nm，1550nm。调制方法不只限于电吸收调制，其他可以将传输频率调制到激光上的内调制及外调制方法都可以。

[0201] 部件306，308，和403不只限于SOA或EDFA。也可以是其他激光放大器，工作波长与所选的传输激光波长对应。

[0202] 部件413不只限于100MHz的VCXO，根据实际需要可以选择不同频率的压控振荡器，将原子时频率下转换至10MHz，50MHz等常用频率。

[0203] 图8示例中用到的其他器件(如401，402，404-406，409-412，414，415，503，504，507-510，303，304，307，309-314等)的参数都是根据本示例传输的9.1GHz原子时信号所作的优化选择。在传输其他频率时，可根据具体情况优化选择各器件的参数。

[0204] 图9显示了本发明的终端接收装置的一个示例。

[0205] 本发明的终端接收装置600，用于在长基线终端接收原子时信号，并获得一个相位锁定于发射端基准钟的微波输出。

[0206] 如图9所示，终端接收装置600示例性的包括下述组件：601：光纤环行器，其端口2入射的光只能由端口3输出，由端口1入射的光只能由端口2输出；602：一分二光纤耦合器，将入射光功率按1∶9的比例分至两路光纤中；603：半导体光学放大器(SOA)，其工作范围应覆盖1550nm，增益20-30dB，饱和输出7dBm左右。这里也可以用指标相同的掺铒光纤放大器(EDFA)代替SOA；604：高速光探测器，其工作波长应覆盖1550nm，3dB响应带宽应高于10GHz；605：低相位噪声微波功率放大器，其工作频率范围应覆盖9.1GHz，增益30dB左右，P1dB输出12dBm左右；606：微波频率混频器，混频器LO和RF端频率覆盖9.1GHz，IF端频率覆盖100MHz；607和613：100MHz恒温压控晶体振荡器(VCXO)；608：外参考相位锁定介质振荡器(DRO)，输入参考频率100MHz，输出振荡频率9.1GHz；609：相位平衡一分二微波功率分配器；610和615：比例积分伺服电路，其响应带宽应大于1kHz；611：微波频率除法器，包含除法因子91，将9.1GHz信号频率除至100MHz；612：射频频率混频器，混频器LO和RF端频率须覆盖100MHz，IF端频率须从DC起始；614：相位平衡一分二微波功率分配器。

[0207] 终端接收装置600的具体工作方式如下。

[0208] 来自光纤链路的1550nm光信号耦合至光纤环行器601的端口2，601的端口3与光纤耦合器602的输入端口熔接在一起。602的90％输出端口与601的端口1熔接在一起，使90％的光信号沿光纤链路原路返回。602的10％输出端口与603的光纤输入端口熔接在一起，经过603放大后输入604，将调制在1550nm激光上的9.1GHz微波信号解调出来。9.1GHz微波信号经605放大后，输入至606的RF端口。607产生100MHz射频信号，输入到
608的外部参考信号输入端口。608通过其内部的锁相电路，输出相位锁定于607的9.1GHz微波信号。609将608的输出信号分为相位平衡、功率相等的两等份。其中一路与来自605的9.1GHz信号经606混频，606的IF端口输出信号经610进行比例积分放大后输至607的电压控制端，反馈控制607输出信号的相位。这样就使得608输出信号的相位锁定于发射端的基准钟上。609的另一路输出信号经过611将其频率除以91，然后输至612的LO端口。
613输出的100MHz信号经614分成相位平衡、功率相等的两等份。一路输出供用户使用，另一路输至612的RF端口与来自611的信号混频。612的IF端口输出信号经615进行比例积分放大后输至613的电压控制端，反馈控制613输出信号的相位。这样就使得613输出信号的相位锁定于发射端的基准钟上，从而在中继装置端复现发射端的基准钟(氢钟)。

[0209] 应注意的是，在图9所示的具体实施示例中，部件607和608组成一个频率振荡器。这里以VCXO加DRO的实现方式为例，但不限于此方法。其他相位可由外部电压控制的频率振荡器都可以用于此。例如：VCXO加倍频器。该频率振荡器的频率不只限于9.1GHz，其频率与被传输原子时信号的频率一致。

[0210] 部件613不只限于100MHz的VCXO，根据实际需要可以选择不同频率的压控振荡器，将原子时频率下转换至10MHz，50MHz等常用频率。

[0211] 部件603不只限于SOA或EDFA，也可以是其他激光放大器，工作波长与所选的传输激光波长对应。

[0212] 此外，图9示例中用到的其他器件(如601，602，604-606，609-612，614，615等)参数都是根据本示例传输的9.1GHz原子时信号所作的优化选择。在传输其他频率时，可根据具体情况优化选择各器件的参数。

[0213] <原子时信号传输方法>

[0214] 下面介绍根据本发明的原子时信号传输系统所实施的原子时信号传输方法。

[0215] 图10显示了本发明的原子时信号传输方法的流程图。

[0216] 如图10所示，本发明的原子时信号传输方法包括如下步骤：接收基准钟产生的作为基准参考信号的原子时信号；将待传输的原子时信号调制到光信号上以通过光纤传输；在发射端补偿原子时信号在光纤链路中引入的相位噪声，使得传输至远端的原子时信号的相位锁定于基准钟的相位；在中继端接收来自光纤链路的调制在光信号上的微波信号，并复现相位锁定于基准钟的原子时信号；将待传输的原子时信号再次调制到光信号上以通过光纤传输；在中继端进一步补偿所述原子时信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声，使得传输至远端的原子时信号的相位锁定于基准钟的相位。

[0217] 其中，所述在发射端补偿原子时信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声的步骤包括：生成两个相位和锁定于基准钟的辅助补偿信号；基于所述辅助补偿信号产生用于补偿所述原子时信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声的反馈补偿信号，并将该反馈补偿信号加载到待传输的原子时信号中。

[0218] 其中，所述在中继端补偿原子时信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声的步骤包括：生成两个相位和锁定于基准钟的中继辅助补偿信号；基于所述中继辅助补偿信号产生用于进一步补偿所述原子时信号在光纤链路中传输时引入的相位噪声的中继反馈补偿信号，并将该中继反馈补偿信号加载到待传输的原子时信号中。

[0219] 综上所述，本发明旨在保护一种原子时信号传输系统及传输方法，本发明的技术方案相对比于现有技术具有如下显著的技术效果：

[0220] (1)提高原子时信号的传递精度。

[0221] 通过将原子时信号调制到波长1550nm激光上，并进行光纤传递和噪声补偿，可以实现高精度的原子时信号传递。目前已经在86公里商用光纤中成功演示，可实现的秒稳定-14 -18度优于2×10 ，天稳定度优于4×10 。

[0222] (2)实现超长基线的原子时传递。

[0223] 通过本发明提出的相位噪声中继补偿方法，可以实现超长基线的高精度原子时传递。以3000公里超长基线传递为例，需要30个相位噪声中继补偿装置。可实现秒稳定度-13 -17优于1×10 ，天稳定度优于6×10 。该指标远远优于现有技术方案，并优于基准钟(氢-15 -15
钟)的长期稳定度(天稳定度约为1×10 或2×10 )。

[0224] (3)多地之间实时连续的原子时传输与比对。

[0225] 本发明的技术方案可以利用现有的光纤通信网络作为原子时信号的传输媒介，在多地之间同时进行原子时信号的传输与比对，且所有装置都可以长时间连续运行。

[0226] (4)可以在接收端和中继补偿端复现发射端的基准钟。

[0227] 由于本发明所使用的光纤传输信道的长期稳定度远优于基准钟的长期稳定度，因此可以在接收端和中继补偿端，通过将一个具有很好短稳(秒稳)的晶体振荡器相位锁定在被传输的原子时信号上，来复现基准钟。

[0228] (5)发射端原子时与接收端复现原子时之间的相对稳定度差别远小于氢钟之间的差别，可以大大提高卫星监测和天体观测的精度。

[0229] 应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。