光纖時(shí)間傳遞系統(tǒng)中時(shí)鐘馴服模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

朱少華，盧麟，張寶富，朱勇，吳傳信

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光纖時(shí)間傳遞系統(tǒng)中時(shí)鐘馴服模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

朱少華1,2，盧麟1，張寶富1，朱勇1，吳傳信1

（1. 解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院，南京 210007；2. 中國(guó)人民解放軍94865部隊(duì)，杭州 310021）

提出了一種基于光纖時(shí)間傳遞系統(tǒng)的時(shí)鐘馴服模塊設(shè)計(jì)方案。介紹了系統(tǒng)硬件的組成。在對(duì)信道特性和壓控晶振進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了適用于光纖信道特性的卡爾曼濾波算法以及馴服流程控制程序。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明：該模塊能結(jié)合恒溫晶振短期穩(wěn)定度好和光纖時(shí)間傳遞系統(tǒng)秒脈沖長(zhǎng)期穩(wěn)定度好的優(yōu)點(diǎn)，時(shí)間傳遞的精度優(yōu)于0.25ns（1），輸出的秒脈沖的長(zhǎng)期穩(wěn)定度優(yōu)于10-14。

光纖時(shí)間傳遞；時(shí)鐘馴服；卡爾曼濾波

基于光纖網(wǎng)絡(luò)的高精度時(shí)間頻率網(wǎng)絡(luò)是構(gòu)建我國(guó)獨(dú)立時(shí)頻體系的重要組成部分，不但能夠勝任高精度的時(shí)間頻率傳遞與比對(duì)工作，還可與天基時(shí)頻網(wǎng)絡(luò)相互補(bǔ)充、相互支撐，形成空地一體化的高精度時(shí)頻網(wǎng)絡(luò)，并具有抗干擾和低成本的優(yōu)勢(shì)，因此構(gòu)建該網(wǎng)絡(luò)具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和戰(zhàn)略意義?？v觀國(guó)內(nèi)外目前的研究成果，利用光纖進(jìn)行時(shí)間信息的傳遞主要有2種途徑：1）利用目前應(yīng)用最廣泛的同步數(shù)字序列（SDH，synchronous digital hierarchy）網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)[1-2]，這種方法便于廣泛推廣和應(yīng)用，但時(shí)間傳遞精度不高；2）利用波分復(fù)用（WDM，wavelength division multiplexer）新技術(shù)和設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)[3]，這種方法便于長(zhǎng)距離傳輸，且時(shí)間傳遞精度高。其中，基于WDM新技術(shù)的光纖時(shí)間傳遞方式主要有2種：1）環(huán)回法，即通過(guò)測(cè)量時(shí)間信號(hào)從中心站到終端站，再?gòu)慕K端站返回中心站的環(huán)路時(shí)延來(lái)確定信號(hào)從中心站到終端站的單程時(shí)延，以此單程時(shí)延來(lái)補(bǔ)償終端站接收到的時(shí)間信號(hào)，從而使終端站的時(shí)間信號(hào)與中心站的時(shí)間信號(hào)同步；2）雙向比對(duì)法[4]，即通過(guò)分別在兩端站測(cè)量本地時(shí)間信號(hào)與對(duì)端站傳過(guò)來(lái)的時(shí)間信號(hào)的差進(jìn)行計(jì)算，得出兩地時(shí)差，從而以一端為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)另一端的鐘進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)時(shí)間信號(hào)同步。

利用授時(shí)系統(tǒng)遠(yuǎn)程傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)來(lái)鎖定本地的銣鐘或晶體振蕩器，能輸出高精度的時(shí)間頻率信號(hào)，此時(shí)間頻率信號(hào)能保持本地時(shí)鐘的短期穩(wěn)定度，且能在本地被控時(shí)鐘上有效地重現(xiàn)所接收的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)的長(zhǎng)期穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度。這種高精度低成本的時(shí)間伺服技術(shù)已在天基授時(shí)系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用，如GPS馴服時(shí)鐘。目前，基于WDM環(huán)回法的光纖時(shí)間傳遞系統(tǒng)中，在光纖鏈路中斷、光纖鏈路信號(hào)出現(xiàn)突發(fā)擾動(dòng)等情況下不能保證時(shí)間傳遞，同時(shí)無(wú)法克服在長(zhǎng)距離傳輸條件下因光纖鏈路信噪比劣化而導(dǎo)致的短期穩(wěn)定度劣化問(wèn)題；另外，時(shí)間馴服模塊也是雙向比對(duì)法時(shí)間傳遞系統(tǒng)中時(shí)頻信號(hào)恢復(fù)重生的關(guān)鍵部件。因此研究基于光纖時(shí)間傳遞系統(tǒng)的時(shí)鐘馴服模塊就顯得十分重要。本文在闡述時(shí)鐘馴服原理的基礎(chǔ)上提出了一種基于光纖環(huán)回法時(shí)間傳遞系統(tǒng)的時(shí)鐘馴服模塊方案，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了硬件系統(tǒng)及時(shí)鐘馴服的控制流程和算法，并對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。

1 光纖時(shí)鐘馴服系統(tǒng)的原理

在現(xiàn)有光纖環(huán)回法時(shí)間傳遞系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用終端站恢復(fù)的1 PPS來(lái)馴服光纖時(shí)鐘馴服系統(tǒng)中高穩(wěn)恒溫晶振，高穩(wěn)恒溫晶振則輸出調(diào)整后的1 PPS等，系統(tǒng)框圖如圖１所示。終端站接收并恢復(fù)中心站經(jīng)光纖傳輸過(guò)來(lái)的1 PPS具有很高的長(zhǎng)期穩(wěn)定性；恒溫晶振具有較好的短期穩(wěn)定度，而長(zhǎng)穩(wěn)受老化等因素影響存在漂移。該設(shè)備能夠充分結(jié)合上述2者的優(yōu)點(diǎn)，保證系統(tǒng)的短期和長(zhǎng)期高穩(wěn)定度。另外，如果系統(tǒng)中采用一定的算法對(duì)時(shí)間差值進(jìn)行均衡和過(guò)濾，則能夠較好地克服傳輸、測(cè)量等引起1 PPS相位抖動(dòng)的問(wèn)題。

圖1 光纖時(shí)鐘馴服系統(tǒng)框圖

2 光纖時(shí)鐘馴服模塊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光纖時(shí)鐘馴服模塊設(shè)計(jì)方案考慮在不影響光纖時(shí)間傳遞系統(tǒng)的情況下，如何應(yīng)用于現(xiàn)有系統(tǒng)中。時(shí)間傳遞終端站恢復(fù)從授時(shí)中心站傳輸?shù)降拿朊}沖，將其與馴服模塊輸出的秒脈沖進(jìn)行比對(duì)，然后利用時(shí)鐘馴服模塊內(nèi)部的高精度時(shí)間間隔測(cè)量芯片（TIC）將2者比對(duì)后測(cè)量得到的差值報(bào)告給現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA，field-programmable gate array）。馴服模塊利用此差值來(lái)對(duì)壓控晶振進(jìn)行頻率調(diào)整，然后分頻輸出調(diào)整后的秒脈沖。工作原理如圖2所示。

圖２ 光纖時(shí)鐘馴服模塊原理圖

時(shí)鐘馴服模塊的硬件設(shè)計(jì)需考慮測(cè)試方案修改是否方便，故采用FPGA＋單片機(jī)的方式。單片機(jī)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的算法處理，流程控制以及滿足日后硬件擴(kuò)展的需求。利用FPGA高密度、高速度和現(xiàn)場(chǎng)可編程的特點(diǎn)，以方便調(diào)試。整個(gè)系統(tǒng)包括電源部分、數(shù)據(jù)處理部分、頻率控制部分和接口部分，主要采用的器件包括單片機(jī)、FPGA、D/A（數(shù)模轉(zhuǎn)化器）以及壓控晶振。TIC將時(shí)差數(shù)據(jù)送至馴服模塊的FPGA，在FPGA里面完成數(shù)據(jù)接收和處理，而后單片機(jī)從FPGA讀取處理后的時(shí)差數(shù)據(jù)，并進(jìn)行運(yùn)算和流程控制，輸出相應(yīng)的壓控?cái)?shù)值用于對(duì)晶振頻標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，然后壓控晶振輸出經(jīng)調(diào)整后的10 MHz信號(hào)和1 PPS信號(hào)。

3 控制流程設(shè)計(jì)及算法分析

時(shí)鐘馴服模塊的流程設(shè)計(jì)主要包括初始化、初調(diào)、細(xì)調(diào)和鎖定4個(gè)部分，其流程如圖3所示。

在單片機(jī)內(nèi)主要利用程序完成流程控制，進(jìn)行壓控值的計(jì)算和轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)秒脈沖上升沿嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)的目標(biāo)。單片機(jī)從FPGA讀取時(shí)差數(shù)據(jù)時(shí)，2個(gè)脈沖間隔已經(jīng)控制在幾百納秒以內(nèi)。利用此時(shí)差數(shù)據(jù)，可以對(duì)晶振的壓控值進(jìn)行調(diào)整，使得2個(gè)1 PPS上升沿進(jìn)一步靠近。下面介紹一下控制流程的幾個(gè)主要步驟。

首先是初始化過(guò)程，即對(duì)壓控值及各個(gè)參數(shù)變量進(jìn)行初始賦值，使得晶振頻率能夠盡快調(diào)整至中心頻率，即10 MHz。

初始化之后進(jìn)入初調(diào)過(guò)程。在FPGA內(nèi)部設(shè)定1個(gè)初調(diào)判決門限，F(xiàn)PGA接收時(shí)差數(shù)據(jù)，當(dāng)時(shí)差大于初調(diào)判決門限時(shí)，F(xiàn)PGA對(duì)內(nèi)部計(jì)數(shù)器進(jìn)行整數(shù)周期調(diào)整，使得晶振輸出的秒脈沖迅速向鐘源秒脈沖靠攏，實(shí)現(xiàn)時(shí)差數(shù)據(jù)的快速調(diào)整。由于光纖時(shí)間傳遞信道不同于天基信道，其抖動(dòng)量一般只有幾個(gè)納秒，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1個(gè)時(shí)鐘周期的時(shí)間寬度，因此初調(diào)門限的設(shè)定更需從系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性等方面來(lái)考慮。一般初調(diào)門限設(shè)置越小則零點(diǎn)搜尋所需時(shí)間越短，但過(guò)小易引起在鎖定狀態(tài)下因個(gè)別野值而觸發(fā)該門限而引起初調(diào)，因此一般設(shè)定在4個(gè)時(shí)鐘周期，即400 ns為宜。初調(diào)完成后即進(jìn)入零點(diǎn)搜尋過(guò)程，通過(guò)零點(diǎn)搜尋，迅速改變壓控值找到時(shí)差數(shù)據(jù)為零的點(diǎn)，進(jìn)入初步鎖頻狀態(tài)。設(shè)定這個(gè)過(guò)程的主要目的是將壓差數(shù)據(jù)的變化范圍進(jìn)一步縮小，一般鎖定在1個(gè)時(shí)鐘周期寬度內(nèi)，防止時(shí)差大于初調(diào)門限而再次進(jìn)入初調(diào)。

圖３ 光纖時(shí)鐘馴服模塊控制流程圖

初步鎖頻過(guò)程主要根據(jù)時(shí)差數(shù)據(jù)并利用時(shí)差數(shù)據(jù)與壓控值的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)改變壓控值，達(dá)到頻率初步鎖定10 MHz的目的。根據(jù)前期測(cè)試壓控晶振所得到的控制模型，利用時(shí)差數(shù)據(jù)的變化量去計(jì)算得到壓控值，并對(duì)晶振輸出頻率進(jìn)行每秒調(diào)整，實(shí)現(xiàn)時(shí)差數(shù)據(jù)在較小的范圍內(nèi)抖動(dòng)。由于系統(tǒng)噪聲等影響，TIC芯片在上報(bào)時(shí)差數(shù)據(jù)過(guò)程中會(huì)有個(gè)別不連續(xù)且相對(duì)誤差較大的點(diǎn)，此時(shí)需要去野值，具體方法是設(shè)定標(biāo)志位，并判斷時(shí)差數(shù)據(jù)的變化量是否大于1個(gè)特定值，如果大于該特定值，則去除此秒時(shí)差數(shù)據(jù)并代之上一秒數(shù)據(jù)。

最后進(jìn)入算法鎖頻過(guò)程。利用多次求平均、卡爾曼濾波等算法對(duì)時(shí)差數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，去除因光纖信道傳輸和機(jī)器內(nèi)部噪聲引起的誤差，得到更趨于真實(shí)值的時(shí)差數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源。在處理時(shí)差數(shù)據(jù)時(shí)，主要利用卡爾曼濾波能實(shí)現(xiàn)信號(hào)實(shí)時(shí)估計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，從包含測(cè)量噪聲以及晶振自身噪聲的測(cè)量數(shù)據(jù)中得到時(shí)差變化的中長(zhǎng)期趨勢(shì)，再利用濾波后的時(shí)差值控制壓控晶振。在此過(guò)程中，可以通過(guò)設(shè)定平均算法中歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)長(zhǎng)度、時(shí)差與壓控值的比例系數(shù)以及卡爾曼算法中的觀測(cè)噪聲協(xié)方差和激勵(lì)噪聲協(xié)方差參數(shù)，得到不同的濾波效果，從而實(shí)現(xiàn)精確的頻率調(diào)控。在鎖定模式下，如果外部秒脈沖丟失，馴鐘模塊將處于失鎖狀態(tài)。此時(shí)鎖定標(biāo)志位將置低位，并且晶振壓控值將按照原先設(shè)定的老化特性繼續(xù)控制壓控晶振。當(dāng)外部參考秒脈沖恢復(fù)后，時(shí)鐘馴服過(guò)程將迅速回到零點(diǎn)搜尋過(guò)程，并再次進(jìn)入鎖定過(guò)程。

4 實(shí)驗(yàn)配置及測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)配置如圖4所示，鐘源送出的標(biāo)準(zhǔn)1PPS時(shí)間信息和10MHz頻率信號(hào)同時(shí)送至被測(cè)時(shí)間傳遞系統(tǒng)，在發(fā)送端經(jīng)過(guò)處理后調(diào)制至光纖鏈路，經(jīng)過(guò)100 km光纖傳輸后在被測(cè)時(shí)間傳遞系統(tǒng)的接收端恢復(fù)1PPS時(shí)間信息并提供給時(shí)鐘馴服模塊，時(shí)鐘馴服模塊根據(jù)接收到的1PPS調(diào)整晶振頻率，完成時(shí)鐘馴服功能。馴服效果主要依靠對(duì)馴鐘恢復(fù)的1PPS與鐘源輸出的1PPS進(jìn)行相位比對(duì)測(cè)試，如果2者時(shí)間間隔越小，時(shí)間間隔波動(dòng)越小，時(shí)間傳遞的精度就越高。從長(zhǎng)期來(lái)看，如果測(cè)得的時(shí)間間隔很穩(wěn)定，則可以推斷馴鐘輸出的秒脈沖具備與鐘源一樣的長(zhǎng)期穩(wěn)定特性，因此馴鐘秒脈沖的穩(wěn)定度是相對(duì)于鐘源來(lái)定義的。如果定義鐘源為時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，那么該測(cè)量方法得到的時(shí)間間隔穩(wěn)定度即為馴鐘輸出秒脈沖的穩(wěn)定度。實(shí)驗(yàn)利用銣鐘FS725作為鐘源提供10 M時(shí)鐘和1 PPS秒脈沖，采用時(shí)間間隔測(cè)量?jī)x表Agilent53132A進(jìn)行鐘源輸出秒脈沖和時(shí)鐘馴服模塊輸出秒脈沖之間的時(shí)間間隔測(cè)試。對(duì)儀表測(cè)試輸出的結(jié)果進(jìn)行分析，即可得到包含時(shí)間馴服模塊的光纖時(shí)間傳遞系統(tǒng)的傳遞精度和馴鐘模塊輸出秒脈沖的穩(wěn)定度。

圖4 實(shí)驗(yàn)配置圖

處理時(shí)差數(shù)據(jù)時(shí)，利用卡爾曼算法進(jìn)行濾波，噪聲得到有效抑制，圖5（a）為加入卡爾曼濾波算法的實(shí)測(cè)圖，圖5（b）為采用一般校頻算法的實(shí)測(cè)圖。進(jìn)行以上2個(gè)實(shí)驗(yàn)的時(shí)間很靠近，確保了測(cè)試環(huán)境的一致，選取測(cè)試數(shù)據(jù)時(shí)段為2 000 s。由測(cè)試數(shù)據(jù)分析得到，加入卡爾曼算法后，均方差為234.9 ps，相比于直接調(diào)控式的校頻算法的277.7 ps，均方差減小了40 ps，峰峰值也減小了200 ps左右。

圖5 加入卡爾曼濾波算法與未加入時(shí)的時(shí)差測(cè)試結(jié)果比對(duì)

光纖時(shí)鐘馴服模塊在設(shè)計(jì)流程中，加入了去野值和時(shí)間中斷自恢復(fù)功能，能夠在鏈路突然中斷的情況下繼續(xù)保持高精度和高穩(wěn)定的時(shí)間信號(hào)，當(dāng)鏈路信號(hào)恢復(fù)后繼續(xù)進(jìn)入時(shí)鐘馴服過(guò)程，此功能在實(shí)驗(yàn)中經(jīng)測(cè)試得到驗(yàn)證。

對(duì)時(shí)鐘馴服模塊通過(guò)多次測(cè)試，設(shè)定了最優(yōu)化可調(diào)參數(shù)，對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行了測(cè)試與分析。圖6是應(yīng)用數(shù)據(jù)分析監(jiān)控軟件得到的時(shí)差數(shù)據(jù)（即每秒秒脈沖的比對(duì)值）曲線圖，測(cè)試時(shí)長(zhǎng)為14 000 s。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)得，該時(shí)差均方差為239.27 ps，優(yōu)于250 ps，峰峰值為1 800 ps，小于2 ns。

通過(guò)數(shù)據(jù)分析可得，馴鐘模塊輸出的秒脈沖穩(wěn)定度（以Allan偏差表征）如圖7所示，其長(zhǎng)期穩(wěn)定度優(yōu)于10-14。

圖6 時(shí)差曲線圖

圖7 秒脈沖穩(wěn)定度的測(cè)試圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種適用光纖時(shí)間傳遞系統(tǒng)的時(shí)鐘馴服模塊設(shè)計(jì)方案，制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)并進(jìn)行了測(cè)試。該模塊能較好地濾除時(shí)間信號(hào)在傳輸過(guò)程中引入的誤差，同時(shí)也為研究基于雙向比對(duì)法的光纖時(shí)間傳遞系統(tǒng)提供了可行方案。實(shí)驗(yàn)表明，在100km光纖時(shí)間傳遞系統(tǒng)中，時(shí)間傳遞精度優(yōu)于250ps，秒脈沖長(zhǎng)期穩(wěn)定度優(yōu)于10-14，并能在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)守時(shí)功能。但由于壓控晶振的穩(wěn)定度有限，系統(tǒng)的噪聲控制尚需改進(jìn)，馴服模塊克服鏈路噪聲和長(zhǎng)時(shí)間守時(shí)的效果還不能滿足亞納秒量級(jí)的甚高精度時(shí)頻傳遞的需求。下一步將對(duì)模塊硬件進(jìn)行升級(jí)，并改進(jìn)控制算法，有望使時(shí)間傳遞的精度優(yōu)于100 ps（1），長(zhǎng)期穩(wěn)定度優(yōu)于10-15。

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Design and realization of a disciplined clock module used in time transfer system with optical fiber

ZHU Shao-hua1, 2, LU Lin1, ZHANG Bao-fu1, ZHU Yong1, WU Chuan-xin1

(1. Institute of Communications Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China; 2. PLA Army 94865, Hangzhou 310021, China)

A design approach of disciplined clock module used in time transfer system with optical fiber is presented and the hardware system is introduced. On the basis of analyzing the transfer characteristic of optical fiber and the VCXO(voltage controlled crystal oscillator) theoretically and experimentally, a time disciplined program with kalman filtering algorithm has been developed, which is suitable for optical fiber channel. The tests show that the disciplined clock model can take the advantages from the oscillator with good short-term stability and from the optical time transfer system with good long-term stability, and the time-transfer precision and the long-term stability of output 1 PPS are better than 0.25 ns（1）and better than 10-14respectively.

time transfer via optical fiber; clock discipline; kalman filterring

P127.1

A

1674-0637(2011)02-0106-06

2010-11-11

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61174199）

朱少華，男，碩士，主要從事光纖高精度時(shí)間頻率傳遞研究。