一種時(shí)頻信號(hào)相位補(bǔ)償方法

鐘巍，龔大亮，龔航

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一種時(shí)頻信號(hào)相位補(bǔ)償方法

鐘巍1，龔大亮1，龔航2

（1. 中國人民解放軍 61876部隊(duì)，三亞 572022；2. 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院 衛(wèi)星導(dǎo)航研發(fā)中心，長沙 410073）

為消除信號(hào)產(chǎn)生器內(nèi)溫度變化對(duì)信號(hào)相位的影響，提出了一種恒溫控制和實(shí)時(shí)相位調(diào)整相結(jié)合的方法。在這種方法中，除恒溫控制外，基于對(duì)信號(hào)產(chǎn)生器內(nèi)部溫度、相位測(cè)量值變化率、設(shè)備調(diào)相分辨率和相位波動(dòng)指標(biāo)等的分析研究，合理計(jì)算實(shí)時(shí)相位調(diào)整關(guān)鍵參數(shù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)相位調(diào)整，有效地減小信號(hào)產(chǎn)生器內(nèi)部溫度變化引起的相位波動(dòng)，提高了輸出端信號(hào)相位的一致性和穩(wěn)定性。

溫度；相位補(bǔ)償；實(shí)時(shí)調(diào)整；時(shí)間頻率

在自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，時(shí)間頻率分系統(tǒng)為衛(wèi)星軌道精密測(cè)距、高精度時(shí)間同步、信號(hào)監(jiān)測(cè)和衛(wèi)星導(dǎo)航電文注入等，提供統(tǒng)一的1 PPS，1 PPM，10 MHz等脈沖和頻率信號(hào)，確保自主衛(wèi)星導(dǎo)航各分系統(tǒng)設(shè)備工作時(shí)序，完成地面站本地時(shí)守時(shí)任務(wù)。

為實(shí)現(xiàn)以上功能，保證自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)各分系統(tǒng)協(xié)同穩(wěn)定地工作，時(shí)間頻率分系統(tǒng)中信號(hào)產(chǎn)生器為其他分系統(tǒng)提供的時(shí)間脈沖和頻率信號(hào)必須一致、穩(wěn)定。但在實(shí)際工作中，信號(hào)產(chǎn)生器由于受環(huán)境溫度等影響，輸出的脈沖和頻率信號(hào)相位產(chǎn)生波動(dòng)，從而影響時(shí)間頻率分系統(tǒng)后端設(shè)備的測(cè)距精度等。若對(duì)信號(hào)產(chǎn)生器進(jìn)行恒溫控制，可以減小設(shè)備內(nèi)部溫度變化，改善輸出相位波動(dòng)。然而由于條件限制，恒溫控制后信號(hào)產(chǎn)生器仍存在溫度殘余變化，導(dǎo)致依然存在設(shè)備輸出相位波動(dòng)的情況。因此，還需研究設(shè)備輸出相位與內(nèi)部溫度的變化規(guī)律，開發(fā)相位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制手段，并對(duì)設(shè)備輸出相位的溫度變化進(jìn)行補(bǔ)償，以消除殘余溫度變化對(duì)信號(hào)相位的影響，提高時(shí)間頻率分系統(tǒng)信號(hào)產(chǎn)生器在輸出端相位的一致性和穩(wěn)定性。

時(shí)間頻率分系統(tǒng)設(shè)備相位監(jiān)測(cè)與控制原理如圖1所示。信號(hào)產(chǎn)生器預(yù)留測(cè)量端口，并通過短線纜與信號(hào)選擇器相連。相位測(cè)量部分利用時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器SR620實(shí)現(xiàn)，其單點(diǎn)相位測(cè)量精度為25 ps，對(duì)多點(diǎn)測(cè)量作統(tǒng)計(jì)平均后可減小測(cè)量誤差；氫原子鐘的1 PPS標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)作為相位測(cè)量的開門信號(hào)；信號(hào)選擇器完成多通道信號(hào)間的切換，依次選擇一路產(chǎn)生器輸出信號(hào)作為相位測(cè)量的關(guān)門信號(hào)；監(jiān)控軟件記錄相位測(cè)量值，并根據(jù)測(cè)量值啟動(dòng)實(shí)時(shí)相位調(diào)整程序，向信號(hào)產(chǎn)生器實(shí)時(shí)發(fā)送相位調(diào)整指令，調(diào)整信號(hào)產(chǎn)生器相位，實(shí)現(xiàn)信號(hào)相位補(bǔ)償。信號(hào)產(chǎn)生器的相位調(diào)整采用基于直接數(shù)字式頻率合成器的鎖相環(huán)相位控制方式實(shí)現(xiàn)，相位調(diào)整精度可優(yōu)于25 ps[1]。

圖1 時(shí)頻設(shè)備相位監(jiān)測(cè)與控制原理框圖

信號(hào)產(chǎn)生器等設(shè)備的環(huán)境溫度由精密空調(diào)調(diào)節(jié)。長期觀察表明，精密空調(diào)恒溫調(diào)節(jié)能力有限，恒溫控制后設(shè)備環(huán)境仍存在殘余溫度變化，信號(hào)產(chǎn)生器內(nèi)部溫度亦隨之波動(dòng)，且輸出端信號(hào)相位與設(shè)備內(nèi)部溫度變化呈明顯反比關(guān)系，以10 MHz產(chǎn)生器為例，其相位-溫度變化系數(shù)約為-80 ps/oC[2]。因此，為保證輸出的時(shí)間頻率信號(hào)相位的高度一致，必須根據(jù)設(shè)備內(nèi)部溫度與相位間的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行建模，計(jì)算相位調(diào)整關(guān)鍵參數(shù)，作為實(shí)時(shí)相位調(diào)整程序的輸入，對(duì)隨溫度變化的相位進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償[3]，保證輸出脈沖和頻率信號(hào)相位一致和穩(wěn)定。

1 實(shí)時(shí)相位調(diào)整參數(shù)的計(jì)算方法

實(shí)時(shí)相位調(diào)整的基本方法是：統(tǒng)計(jì)點(diǎn)測(cè)量值均值，若均值大于實(shí)時(shí)相位調(diào)整門限，則發(fā)送調(diào)相指令至信號(hào)產(chǎn)生器，調(diào)整設(shè)備輸出相位[1,4]，消除相位偏差，以滿足信號(hào)產(chǎn)生器輸出端相位穩(wěn)定和一致的要求。

1.1 實(shí)時(shí)相位調(diào)整步進(jìn)量及實(shí)時(shí)相位調(diào)整門限

1.2 實(shí)時(shí)相位調(diào)整統(tǒng)計(jì)點(diǎn)數(shù)

在實(shí)時(shí)相位調(diào)整時(shí)，需根據(jù)測(cè)量值統(tǒng)計(jì)點(diǎn)的平均值，從而得到實(shí)時(shí)相位調(diào)整量。如何確定能反映溫度變化對(duì)相位影響的統(tǒng)計(jì)點(diǎn)數(shù)，是進(jìn)行實(shí)時(shí)相位調(diào)整的關(guān)鍵。

相位與溫度可近似為線性關(guān)系，如式（2）所示：

1.3 實(shí)時(shí)相位調(diào)整指令間隔

實(shí)時(shí)相位調(diào)整指令間隔是發(fā)送2條實(shí)時(shí)相位調(diào)整指令之間的時(shí)間間隔。若指令間隔過小，設(shè)備沒有足夠時(shí)間完成相位調(diào)整，將導(dǎo)致相位測(cè)量值出現(xiàn)異常波動(dòng)；若指令間隔過大，則當(dāng)測(cè)量值的點(diǎn)均值超過門限時(shí)無法實(shí)時(shí)發(fā)送指令調(diào)整設(shè)備相位，使得設(shè)備輸出相位仍隨溫度變化而明顯波動(dòng)。因此，應(yīng)該根據(jù)相位測(cè)量值平均變化率確定實(shí)時(shí)相位調(diào)整指令間隔時(shí)間，具體算法為

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 計(jì)算實(shí)時(shí)相位調(diào)整參數(shù)

圖2 設(shè)備內(nèi)部溫度-1

圖3 無實(shí)時(shí)調(diào)整的10 MHz信號(hào)相位測(cè)量值

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將2.1節(jié)中的實(shí)時(shí)相位調(diào)整參數(shù)寫入實(shí)時(shí)相位調(diào)整程序配置文件，進(jìn)行相位調(diào)整。圖4和圖5是無實(shí)時(shí)相位調(diào)整時(shí)某日10 MHz信號(hào)產(chǎn)生器內(nèi)部溫度變化和相應(yīng)的相位測(cè)量值；圖6和圖7是開啟實(shí)時(shí)相位調(diào)整后某日10 MHz信號(hào)產(chǎn)生器內(nèi)部溫度變化和相應(yīng)的相位測(cè)量值；圖8和圖9是開啟實(shí)時(shí)相位調(diào)整后另一日10 MHz信號(hào)產(chǎn)生器內(nèi)部溫度變化和相應(yīng)的相位測(cè)量值。圖6、圖7和圖8、圖9表明，開啟實(shí)時(shí)相位調(diào)整即對(duì)設(shè)備輸出相位補(bǔ)償后，相位測(cè)量值與溫度變化之間已無明顯反比關(guān)系，基本補(bǔ)償了圖6和圖8所示設(shè)備內(nèi)部溫度變化對(duì)輸出信號(hào)相位的影響。

表1給出不同情況的4 d時(shí)間里，10 MHz產(chǎn)生器內(nèi)部溫度變化幅度及對(duì)應(yīng)的相位測(cè)量值的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。由表1和圖5、圖7、圖8可見，當(dāng)使用恒溫措施減小設(shè)備內(nèi)部溫度變化時(shí)，設(shè)備輸出信號(hào)一致性和標(biāo)準(zhǔn)差得到一定改善；同時(shí)，開啟實(shí)時(shí)相位調(diào)整后，10 MHz產(chǎn)生器輸出信號(hào)一致性得到顯著提高。因此，加強(qiáng)恒溫控制并開啟實(shí)時(shí)相位調(diào)整，信號(hào)相位均值完全可以控制在很小的范圍內(nèi)，使信號(hào)產(chǎn)生器輸出信號(hào)相位更加一致和穩(wěn)定。

圖4 設(shè)備內(nèi)部溫度-2

圖5 無實(shí)時(shí)調(diào)整的10 MHz信號(hào)相位測(cè)量值

圖7 有實(shí)時(shí)調(diào)整的10 MHz信號(hào)相位測(cè)量值

圖9 有實(shí)時(shí)調(diào)整的10 MHz信號(hào)相位測(cè)量值

表1 設(shè)備輸出信號(hào)相位測(cè)量值均值及標(biāo)準(zhǔn)差

對(duì)脈沖信號(hào)的情況，以1 PPS產(chǎn)生器為例來作分析。無實(shí)時(shí)相位調(diào)整時(shí)，圖2所示1 PPS產(chǎn)生器內(nèi)部溫度曲線所對(duì)應(yīng)的相位測(cè)量值如圖10所示。采用與對(duì)10 MHz產(chǎn)生器所采用的相同的實(shí)時(shí)相位調(diào)整算法，計(jì)算實(shí)時(shí)相位調(diào)整參數(shù)，并開啟實(shí)時(shí)相位調(diào)整后，圖8所示設(shè)備內(nèi)部溫度變化趨勢(shì)對(duì)應(yīng)的相位測(cè)量值如圖11所示，其均值為0.000 4 ns，標(biāo)準(zhǔn)差0.062 ns。對(duì)比圖10與圖11后可見，開啟實(shí)時(shí)相位調(diào)整后，可以得到與上述對(duì)10 MHz信號(hào)所得相同的結(jié)論。

圖11 有實(shí)時(shí)調(diào)整的1 PPS信號(hào)相位測(cè)量值

3 結(jié)語

通過對(duì)自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間頻率分系統(tǒng)信號(hào)產(chǎn)生器內(nèi)部溫度、相位測(cè)量值變化率、設(shè)備調(diào)相分辨率和相位波動(dòng)指標(biāo)等的研究分析，確定實(shí)時(shí)相位調(diào)整參數(shù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)相位調(diào)整，能較好地補(bǔ)償信號(hào)產(chǎn)生器內(nèi)部溫度變化對(duì)相位的影響，提高脈沖和頻率信號(hào)相位的一致性和穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明，在加強(qiáng)信號(hào)產(chǎn)生器環(huán)境恒溫控制，減小信號(hào)產(chǎn)生器內(nèi)部溫度變化的同時(shí)，采用實(shí)時(shí)相位補(bǔ)償，是提高脈沖和頻率信號(hào)一致性和穩(wěn)定性的有效途徑。目前，結(jié)合恒溫控制和實(shí)時(shí)相位補(bǔ)償?shù)男盘?hào)相位控制方法，已在自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)地面站時(shí)間頻率分系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，保證了自主衛(wèi)星導(dǎo)航各分系統(tǒng)協(xié)同工作。

[1] 龔航, 朱祥維, 雍少為. 一種基于DDS的PLL相位控制技術(shù)[C] // 2008年全國頻率控制技術(shù)年會(huì)會(huì)議論文集. 2008: 344-349.

[2] 張艷鋒, 嚴(yán)家明. 基于最小二乘法的壓力傳感器溫度補(bǔ)償算法[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2007, 15(12): 1870-1871.

[3] 李挺, 朱金剛. 傳感器溫度誤差補(bǔ)償?shù)挠?jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)方法[J]. 黑龍江商學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2002, 16(4): 46-49.

[4] EBENHAG S C, HEDEKVIST P O, RIECK C, et al. Evaluation of output phase stability in a fiber-optic two-way frequency distribution system[C] // 40th Annual Precise Time and Time Interval Meeting, 2008: 117-124.

A phase compensation method for time-frequency signal

ZHONG Wei1, GONG Da-liang1, GONG Hang2

(1. PLA Army 61876, Sanya 572022, China; 2. Satellite Navigation Research and Development Center, College of Electronic Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

In order to eliminate the influence of the temperature of signal generator on the phase of the time/frequency signals, a method combining temperature control and real-time phase adjustment is put forward. In this method, besides controlling the temperature, the key parameters for real-time phase adjustment are calculated based on the analyses of the temperature of signal generator, the change rate of the measured signal phase, the phase-adjustment resolution, the phase variation index, etc. Thus, the phase fluctuation caused by the temperature change is effectively reduced and the stability and consistency of the phases of output signals are improved.

temperature; phase compensation; real-time adjustment; time and frequency

TN967.1

A

1674-0637(2011)01-0016-07

2010-07-05

鐘巍，男，碩士研究生，主要從事時(shí)間頻率技術(shù)等研究。