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伴随着光纤通信技术的飞速发展与时间频率同步精度需求的不断提高,同时由于光纤具有传输速率快、损耗低,成本低、抗干扰能力强等特点,使用光纤作为媒介进行时间和频率信号的高精度高稳定传输,逐渐成为研究的热点,并且在许多高精尖的科研项目、国防建设和重大工程等领域具有不可替代的重要作用。依托商业电信光纤网络的长足发展和广泛分布,基于电信网的光纤时频传输逐渐成为研究的重点。现有电信网的时频传输方式主要有三种,即基于SDH系统的时频传递、基于MSTP和WDM系统的时频传递和基于PTN和OTN系统的时频传递。其中基于SDH系统的时频传递由于传输链路上双向信号路由的不确定性,会导致双向传输时延不对等不可控的因素,并且传输时要经过光/电和电/光转换等电处理过程,这使得SDH方案中时间频率的传递精度受很大的制约。基于MSTP和WDM系统的时频传递,虽然可以使用精度较高的时频传输协议,但是由于采用WDM透传方式和SDH业务也会造成较大的传输时延误差,故同步精度也无得到较大的提升。基于PTN和OTN系统的时频传递由于整合了SDH和WDM系统的优势,并且采用密集波分复用系统和全光网络的骨干网,所以更利于时频信息的远距离、大范围和高精度传输。但是现有基于电信骨干网OTN系统的时频传递精度最高只有ns级,无法满足高精度时频同步的迫切需要,并且目前国际/国内对OTN系统时间和频率同步技术的实现方式尚未形成共识,标准尚未完善。为了提高电信骨干网OTN系统的时频传递精度,本文首先研究了电信网光纤时频的传递机制和设备间频率相位及时间差的测量机制,之后根据电信网时频同步传递的特点,提出了基于电信骨干网OTN系统OSC通道层的时频传递建模方案,并根据建模方案完成了硬件测试平台的设计和采用单纤同波双向传输机制的实验系统搭建,最后完成了延时线法和钟控法的时频测量与同步设计。本论文结合某研究所科研项目,实现了时间和频率的高精度高稳定传输,这对电信网高精度时频同步传输方案的设计具有一定的参考意义。本文的主要工作内容和创新性如下:一、通过查阅文献资料和梳理研究现状,作为论文研究的基础和参考。围绕电信网光纤时频同步传递技术进行了详细研究,以通信网中骨干网OTN系统为应用场景,研究了数字通信时频传递机制,并对传递误差进行了仔细分析。采用双向比对法来测量时频传递的频率相位差和时间差,详细研究了光纤时频的三种传递机制,即双纤双向传输、单纤不同波双向传输和单纤同波双向传输,并对影响三种时频传递机制的传输精度因素进行了误差分析,进而选择了基于电信骨干网OTN系统光纤时频的单纤同波双向传输模式。二、本论文对OTN系统传输模块层次结构进行了仔细研究,分别设计了时频传递的光复用段层方案、光通道层方案和OSC通道层方案。通过对三种设计方案的研究分析和多方对比,选择了基于OSC通道层的时频传递方案。之后对基于OSC通道层的时频传递可行性进行了分析,并设计了基于OSC通道层传递系统结构的三种时频传递模型,利用这三种模型来满足不同场景下OSC通道层的时频传递方案,这对OTN系统实现时间和频率传递同步技术提供了一种参考,具有一定的利用价值。针对时频测量及同步需要选取不同时钟来做为系统时钟的要求,设计了延时线法和钟控法两种时频测量及同步方案。三、针对电信骨干网OTN系统OSC层的传输模型进行了仿真验证设计,利用Opti System软件设计了一套时间和频率同传的单纤双向光传输仿真系统。设计仿真链路系统与时间信号帧和频率信号帧的传输结构,进行了主从节点之间时间信号的传输。通过双向比对法的测量机制,将时间信号的传输分为四个过程,并且从中获取了主从节点之间时间戳信息。利用时间戳信息计算了仿真系统主从节点之间的理解时间差,并且进行了仿真系统传输误码率的测试,仿真结果表明该传输系统在较长的距离下具有较高的准确率,验证了基于OSC通道层传输模型的可行性。四、通过设计对应的硬件测试平台和搭建实际的光纤测试传递链路,利用项目自主研发的光纤时频同步传输样机,验证了时频同步传递模型和高精度光纤时频基准传递技术的可行性。实验结果表明,在室温17℃的56km光纤传输链路中,本系统时间同步的时间偏差精度为20ps,频率稳定度的短稳为5.43E-12/s,长稳为4.10E-15/10000s,均可以达到高精度时频传递的要求。