高精度脈沖分配技術(shù)研究①

戴群雄，易卿武，尹繼凱

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第54研究所，河北 石家莊050081；2.河北省衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與設(shè)備工程技術(shù)研究中心，河北 石家莊050081）

0 引 言

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，授時(shí)和導(dǎo)航都以“時(shí)間”為基礎(chǔ)，要完成有效的定位、測(cè)速、定時(shí)等測(cè)量，需建立高精度時(shí)間頻率系統(tǒng)，提供連續(xù)、可靠和穩(wěn)定的時(shí)間頻率信號(hào)[1]。脈沖分配網(wǎng)絡(luò)作為時(shí)頻系統(tǒng)的重要組成部分，在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，為各分系統(tǒng)提供高穩(wěn)定的時(shí)間同步信號(hào)，確保導(dǎo)航設(shè)備工作在統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)上。

在脈沖分配網(wǎng)絡(luò)中，如何基于高精度時(shí)頻基準(zhǔn)分配和維持高穩(wěn)定性的脈沖信號(hào)成為研究重點(diǎn)。脈沖信號(hào)的主要參數(shù)包括上升／下降時(shí)間、傳輸時(shí)延一致性、幅度、重復(fù)頻率、占空比等，其中上升時(shí)間和傳輸時(shí)延一致性是體現(xiàn)其指標(biāo)的最重要的參數(shù)。設(shè)計(jì)了兩種脈沖分配方法，并在脈沖信號(hào)上升時(shí)間和傳輸時(shí)延一致性指標(biāo)測(cè)試和比較基礎(chǔ)上，對(duì)這兩種脈沖分配技術(shù)開展了研究和分析。

1 脈沖分配技術(shù)設(shè)計(jì)

脈沖分配技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法很多，既可以用硬件電路實(shí)現(xiàn)，也可以通過邏輯代數(shù)運(yùn)算用軟件的方法來實(shí)現(xiàn)[2]。設(shè)計(jì)了兩種高精度脈沖分配方法：“基于FPGA軟模塊的脈沖分配法”和“脈沖整形與驅(qū)動(dòng)分配法”，這兩種方法的脈沖分配原理框圖如圖1所示。

圖1（a）所示基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）軟模塊的脈沖分配法中，高精度時(shí)頻基準(zhǔn)源輸出1 PPS，經(jīng)FPGA和配套外圍整形電路分成多路1PPS輸出。圖1（b）所示脈沖整形與驅(qū)動(dòng)分配法中，高精度時(shí)頻基準(zhǔn)源輸出1PPS，經(jīng)過前級(jí)脈沖整形、驅(qū)動(dòng)及上升沿提升處理與后級(jí)脈沖分配電路，分成多路1PPS輸出；在對(duì)脈沖信號(hào)作前級(jí)的相應(yīng)處理時(shí)，脈沖信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力通常要考慮到后級(jí)分配電路輸出1PPS的數(shù)量，以保證輸出1PPS的指標(biāo)。

電路設(shè)計(jì)中，需采取保證信號(hào)輸入到每路信號(hào)輸出傳輸路徑等長、防止信號(hào)間相互串?dāng)_等措施提升信號(hào)指標(biāo)，以確保輸出高穩(wěn)定度的信號(hào)。

2 脈沖分配技術(shù)比較分析

針對(duì)圖1所述兩種脈沖分配方法，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)和搭建實(shí)物電路，對(duì)脈沖信號(hào)上升時(shí)間和傳輸時(shí)延一致性指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，得到了相應(yīng)的測(cè)試數(shù)據(jù)，并從穩(wěn)定性、適用性等方面對(duì)這兩種方法進(jìn)行了分析比較。測(cè)試涉及到的測(cè)試方法、測(cè)試設(shè)備和測(cè)試環(huán)境均保持一致，以保證分析比較的合理性。

2.1 上升時(shí)間測(cè)試比對(duì)

脈沖信號(hào)是指持續(xù)時(shí)間較短，按特定規(guī)律變化的電壓或電流[3]。它由無窮個(gè)正弦分量迭加而成。上升沿越陡，所包含的高頻分量越豐富，信號(hào)的上升時(shí)間越短；相反，信號(hào)的上升時(shí)間越長。脈沖信號(hào)具有很小的上升時(shí)間，是導(dǎo)航設(shè)備穩(wěn)健運(yùn)行的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

按照上升／下降沿的一般定義－幅度最大值10%～90%之間的時(shí)間為上升時(shí)間（下降時(shí)間相反）[4]，測(cè)試得出脈沖信號(hào)上升／下降時(shí)間。同時(shí)考慮到在導(dǎo)航設(shè)備布局較廣的情況下，往往會(huì)涉及到信號(hào)的長距離傳輸問題，而脈沖信號(hào)經(jīng)長距離傳輸后，由于受到雜波干擾以及帶寬等因素影響，其上升／下降沿指標(biāo)會(huì)有所衰減[5]。為了保證脈沖信號(hào)經(jīng)長距離傳輸后，其上升／下降時(shí)間仍然滿足指標(biāo)要求，保證導(dǎo)航設(shè)備對(duì)脈沖信號(hào)的需求，有必要對(duì)脈沖信號(hào)經(jīng)長距離傳輸后上升時(shí)間進(jìn)行測(cè)試分析。測(cè)試中，采用40m同軸高頻電纜模擬信號(hào)的長距離傳輸。

圖2所示為基于兩種脈沖分配方法的1PPS輸出信號(hào)經(jīng)1m和40m電纜傳輸后上升時(shí)間測(cè)試原理框圖，測(cè)試結(jié)果如圖3和圖4所示，測(cè)試結(jié)果從示波器顯示屏拍攝經(jīng)后處理得到。根據(jù)圖3和圖4所示測(cè)試結(jié)果得出：基于這兩種脈沖分配方法的1PPS輸出信號(hào)經(jīng)1m電纜傳輸后，上升時(shí)間分別為2.88ns和1.42ns，后者1PPS上升時(shí)間更短，信號(hào)高頻段得到有效提升，信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力更強(qiáng)；1PPS輸出信號(hào)經(jīng)40m電纜傳輸之后，前者1PPS上升時(shí)間為25.35ns，衰減很大，往往無法滿足指標(biāo)要求，而后者1PPS上升時(shí)間為6.34ns，明顯優(yōu)于前者，這表明1PPS經(jīng)過前后級(jí)整形、驅(qū)動(dòng)及分配電路后，信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力明顯增強(qiáng)，上升時(shí)間更短。

2.2 時(shí)延一致性測(cè)試比對(duì)

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，導(dǎo)航設(shè)備之間保證統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)至關(guān)重要[6]。從脈沖信號(hào)時(shí)延一致性指標(biāo)驗(yàn)證的有效性和合理性考慮，主要對(duì)信號(hào)經(jīng)長距離傳輸?shù)竭_(dá)導(dǎo)航設(shè)備終端時(shí)的時(shí)延一致性進(jìn)行分析。定義脈沖信號(hào)經(jīng)長距離傳輸?shù)竭_(dá)設(shè)備終端前的節(jié)點(diǎn)為末節(jié)點(diǎn)，時(shí)延一致性測(cè)試在末節(jié)點(diǎn)展開。

圖5為基于兩種脈沖分配方法的1PPS輸出信號(hào)時(shí)延一致性測(cè)試原理框圖，測(cè)試時(shí)間為8h，測(cè)試結(jié)果如圖6所示，測(cè)試結(jié)果由計(jì)算機(jī)保存的測(cè)試數(shù)據(jù)經(jīng)后處理得到。測(cè)試結(jié)果表明：基于這兩種脈沖分配方法的1PPS輸出信號(hào)經(jīng)過40m長距離傳輸之后，均保持了較好的時(shí)延一致性，圖6（a）示出了兩路1PPS時(shí)延差在0.61ns～0.659ns之間；圖6（b）示出了兩路1PPS時(shí)延差為0.505ns～0.548ns之間。后者1PPS時(shí)延一致性指標(biāo)略優(yōu)于前者。

2.3 分析與比較

通過設(shè)計(jì)、分析和比較，脈沖整形與驅(qū)動(dòng)分配法在1PPS上升時(shí)間和時(shí)延一致性指標(biāo)上均優(yōu)于基于FPGA軟模塊的脈沖分配法，但結(jié)合穩(wěn)定性、適用性等因素綜合考慮，這兩種方法均存在優(yōu)缺點(diǎn)。

基于FPGA軟模塊的脈沖分配法優(yōu)點(diǎn)在于電路結(jié)構(gòu)簡單，便于小型化設(shè)計(jì)，缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)能力較弱，無法實(shí)現(xiàn)長距離傳輸，因此，這種方法適用于信號(hào)分配路數(shù)較少，傳輸距離小的場(chǎng)合。時(shí)頻應(yīng)用上結(jié)合這種方式，可以采用一種3U－PXI結(jié)構(gòu)板卡來實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)分配，這種板卡對(duì)于時(shí)頻信號(hào)設(shè)備內(nèi)部互聯(lián)等具有一定的優(yōu)勢(shì)。

脈沖整形與驅(qū)動(dòng)分配法主要用在信號(hào)分配路數(shù)較多，傳輸距離大的場(chǎng)合，其優(yōu)點(diǎn)是整形驅(qū)動(dòng)與分配電路組合靈活，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，各項(xiàng)指標(biāo)較好，能實(shí)現(xiàn)長距離傳輸，但是在具備這些優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，板卡尺寸較大，再加上電源和監(jiān)控，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，設(shè)備較為笨重。時(shí)頻應(yīng)用上結(jié)合這種方式，可以以機(jī)箱設(shè)備的形式來實(shí)現(xiàn)多路脈沖信號(hào)分配輸出。

3 結(jié) 論

立足于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)高精度脈沖分配技術(shù)的實(shí)際需求，從穩(wěn)定性與可靠性設(shè)計(jì)考慮，設(shè)計(jì)了兩種脈沖分配方法，對(duì)基于這兩種脈沖分配方法產(chǎn)生的脈沖信號(hào)上升時(shí)間和時(shí)延一致性等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試和比較，從測(cè)試結(jié)果來看，這兩種方法均達(dá)到了國內(nèi)外相關(guān)時(shí)頻設(shè)計(jì)的先進(jìn)水平，尤其是脈沖整形與驅(qū)動(dòng)分配法，在信號(hào)的長距離傳輸方面具有更好的優(yōu)勢(shì)。另外從時(shí)頻設(shè)備的實(shí)用性考慮，分析了這兩種方法的適用范疇。

從長遠(yuǎn)來看，全球衛(wèi)星導(dǎo)航事業(yè)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)對(duì)時(shí)頻應(yīng)用方面要求會(huì)不斷提高，單從脈沖分配技術(shù)來看，不能局限于一種或兩種傳統(tǒng)和固有的技術(shù)，而應(yīng)該立足高精度時(shí)頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，借鑒以往成功經(jīng)驗(yàn)，對(duì)各種技術(shù)進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，朝著小型化、高穩(wěn)定性、高性價(jià)比等方向發(fā)展，不斷創(chuàng)新，挑戰(zhàn)難度更高的時(shí)頻應(yīng)用。

[1]李 云，王玉林，鄒德財(cái).高精度連續(xù)時(shí)頻信號(hào)產(chǎn)生和控制系統(tǒng)的分析[J].宇航計(jì)測(cè)技術(shù)，2007，27（5）：45－46.

[2]田玉利，高 偉，楊光宏，等.CPLD在脈沖分配電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息，2008（26）：261－262.

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[4]林震鵲，姜秋喜，李 帥.基于脈沖信號(hào)上升／下降沿的雷達(dá)輻射源識(shí)別[J].艦船電子對(duì)抗，2009，32（3）：33－35.

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