一種高精度時(shí)間同步器的研制與性能測(cè)試

黃長(zhǎng)江，華宇，胡永輝，李志剛，曾婷

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一種高精度時(shí)間同步器的研制與性能測(cè)試

黃長(zhǎng)江1,2,3，華宇1,2，胡永輝1,2，李志剛1,2，曾婷1,2

（1. 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心，西安 710600；2. 中國(guó)科學(xué)院精密導(dǎo)航定位與定時(shí)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600；3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

針對(duì)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)基站間需要建立高精度時(shí)間同步的需求，研制了一種具有高精度時(shí)間同步功能和高精度頻率輸出的時(shí)間同步器，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的性能測(cè)試方法。測(cè)試結(jié)果表明，在同等條件下，不同時(shí)間同步器輸出的1PPS平均同步精度優(yōu)于5ns/d，24h內(nèi)輸出的頻率準(zhǔn)確度優(yōu)于10-12/s，其他各項(xiàng)指標(biāo)基本合格，符合設(shè)計(jì)要求。

時(shí)間同步；同步精度；頻率準(zhǔn)確度

0 引言

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展，通信系統(tǒng)對(duì)時(shí)間同步的要求越來(lái)越高，尤其是3G技術(shù)的全面普及，3G/LTE基站工作的切換、漫游等都需要精確的時(shí)間控制，這不僅需要高精度的時(shí)鐘頻率，更需要高精度的時(shí)間同步[1]。近幾年來(lái)，利用無(wú)線通信網(wǎng)進(jìn)行定位和授時(shí)服務(wù)更成為各運(yùn)營(yíng)商和相關(guān)部門的研究熱點(diǎn)，這對(duì)基站間的時(shí)鐘頻率和時(shí)間同步服務(wù)提出了更高要求。然而，由于通信網(wǎng)的規(guī)模龐大以及地區(qū)分布的不平衡，對(duì)各基站間的高精度時(shí)間同步提出了挑戰(zhàn)。

本文研制的高精度時(shí)間同步器可解決這一難題，該同步器可接收同一衛(wèi)星信號(hào)（如GPS衛(wèi)星信號(hào)）使不同同步器間的時(shí)間同步輸出精度達(dá)到5 ns，并為其他設(shè)備提供高精度的頻率源。由于對(duì)時(shí)間同步的高精度要求，該時(shí)間同步器不僅在設(shè)計(jì)上具有獨(dú)特之處，同時(shí)也對(duì)同步器性能的測(cè)試提出了挑戰(zhàn)。該時(shí)間同步器可作為同一地區(qū)各基站間的時(shí)間同步和頻率標(biāo)準(zhǔn)，大大降低了通信系統(tǒng)時(shí)間同步的實(shí)施難度。

1 高精度時(shí)間同步器的設(shè)計(jì)

高精度時(shí)間同步器利用衛(wèi)星信號(hào)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和銣原子鐘的短期穩(wěn)定性，將其相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間同步和頻率輸出[2-4]。該時(shí)間同步器主要由以下幾部分組成：授時(shí)接收機(jī)單元、銣原子鐘PRS10、時(shí)間比對(duì)單元、主控單元、頻率分配單元、脈沖分配單元、人機(jī)接口單元和電源管理單元等，其單元組成如圖1所示。

圖1 高精度時(shí)間同步器單元組成示意圖

授時(shí)接收機(jī)單元可接收GPS/BD衛(wèi)星信號(hào)并輸出1PPS衛(wèi)星授時(shí)信號(hào)、接收機(jī)工作狀態(tài)信息和TOD（time of day）時(shí)間碼信號(hào)，接收機(jī)工作狀態(tài)信息和銣原子鐘工作狀態(tài)信息用于遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，接收機(jī)TOD時(shí)間碼信息經(jīng)主控單元協(xié)議轉(zhuǎn)換后作為同步器的時(shí)間碼輸出，接收機(jī)1PPS信號(hào)作為時(shí)間比對(duì)單元的輸入源用于馴服銣原子鐘的10 MHz輸出信號(hào)[5-6]。

銣原子鐘PRS10為時(shí)間比對(duì)單元提供具有高穩(wěn)定度的10MHz頻率信號(hào)，其短期穩(wěn)定度可達(dá)到 2×10-11/s，為設(shè)備提供穩(wěn)定的頻率驅(qū)動(dòng)[7]，并接收來(lái)自主控單元的控制指令，用于10 MHz頻率信號(hào)的輸出微調(diào)。

時(shí)間比對(duì)單元將銣原子鐘輸入的10 MHz信號(hào)通過(guò)分頻鏈分頻為1PPS信號(hào)，并將該1PPS信號(hào)與來(lái)自衛(wèi)星接收機(jī)的1PPS信號(hào)進(jìn)行時(shí)間比對(duì)，其比對(duì)誤差經(jīng)過(guò)平滑后作為銣原子鐘的控制信號(hào)通過(guò)主控單元對(duì)銣原子鐘進(jìn)行控制，從而改變銣原子鐘的輸出頻率，并將分頻鏈產(chǎn)生的1 PPS信號(hào)鎖定在衛(wèi)星接收機(jī)的1 PPS信號(hào)上，由于銣原子鐘具有很高的短期穩(wěn)定度，而衛(wèi)星接收機(jī)的1 PPS具有極高的長(zhǎng)期穩(wěn)定度，所以，本地1 PPS不僅具有很高的短期穩(wěn)定度，也具有極高的長(zhǎng)期穩(wěn)定度。

頻率分配單元分為2部分，一部分將銣原子鐘輸出的10 MHz信號(hào)直接經(jīng)過(guò)頻率分配后多路輸出，另一部分將銣原子鐘生成的10 MHz信號(hào)經(jīng)過(guò)倍頻后生成80 MHz信號(hào)并經(jīng)過(guò)80 MHz頻率分配單元后多路輸出。

時(shí)間比對(duì)單元產(chǎn)生的1 PPS經(jīng)本地時(shí)延修正，補(bǔ)償1 PPS在時(shí)間同步器內(nèi)部的傳播時(shí)延，并通過(guò)脈沖分配單元進(jìn)行上升沿修正后多路輸出。

主控單元除完成銣原子鐘控制、衛(wèi)星接收機(jī)數(shù)據(jù)接收以及監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分發(fā)之外，還提供人機(jī)接口的功能，通過(guò)指示燈對(duì)同步器的工作狀態(tài)進(jìn)行指示。

2 技術(shù)指標(biāo)測(cè)試方法

2.1 時(shí)間同步精度測(cè)試方法

高精度時(shí)間同步器所要求的1PPS輸出精度為5 ns，即要求任意2臺(tái)同步器在相同的一段時(shí)間內(nèi)的輸出時(shí)延差的均值小于5ns，為達(dá)到測(cè)量的高效，我們采用計(jì)數(shù)器測(cè)量絕對(duì)時(shí)延的方法進(jìn)行測(cè)量[8]。該測(cè)量以國(guó)家授時(shí)中心的鐘房1PPS（NTSC）作為參考，測(cè)量該1PPS與任意一臺(tái)同步器輸出的1PPS之間的時(shí)延差，事后再對(duì)各臺(tái)同步器的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。測(cè)量連接圖如圖2所示。

圖2 時(shí)間同步精度測(cè)試方法原理圖

電纜線的傳輸延時(shí)測(cè)定是通過(guò)SR620計(jì)數(shù)器進(jìn)行的，SR620的一個(gè)重要功能就是可以測(cè)定電纜線的傳輸時(shí)延，將電纜線一端連接在前面板的REFOUT通道上，另一端連接在B通道上，參考信號(hào)經(jīng)過(guò)待測(cè)電纜延時(shí)后進(jìn)入B通道，從而可以測(cè)量出該電纜線延時(shí)，其測(cè)量方法如圖3所示。

2.2 頻率準(zhǔn)確度的測(cè)試方法

圖5 頻率準(zhǔn)確度測(cè)試方法原理圖

由此可見(jiàn)，待測(cè)信號(hào)的準(zhǔn)確度與差拍頻率和待測(cè)頻率有關(guān)，一般地，為提高測(cè)量準(zhǔn)確度，可適當(dāng)降低差拍頻率。所以，在滿足測(cè)量精度的情況下，差拍頻率可有多種選擇。

2.3 其他技術(shù)指標(biāo)的測(cè)試

頻率信號(hào)的相位噪聲和頻率穩(wěn)定度測(cè)試可采用Symmetricom公司的5125A測(cè)試儀直接測(cè)試，5125A測(cè)試儀可測(cè)量1～400 MHz的正弦波信號(hào)，其阿倫方差可達(dá)到3×10-15/s；頻率信號(hào)的輸出功率和雜散可直接采用頻譜儀進(jìn)行測(cè)試，而路間一致性測(cè)試則既可以利用高精度時(shí)間同步器的任一路1 PPS輸出作為參考信號(hào)測(cè)量其他輸出與該路輸出之間的相位差，也可以利用鐘房1 PPS輸出作為參考信號(hào)測(cè)量同步器的輸出與該參考信號(hào)之間的相位差。

3 高精度時(shí)間同步器性能測(cè)試結(jié)果

在高精度時(shí)間同步器的技術(shù)指標(biāo)測(cè)試過(guò)程中，頻率信號(hào)的準(zhǔn)確度測(cè)試、相位噪聲測(cè)試和同步器之間的同步精度測(cè)試需要較長(zhǎng)時(shí)間，本文重點(diǎn)針對(duì)以上指標(biāo)進(jìn)行分析，而其他指標(biāo)均可從相關(guān)測(cè)量?jī)x器直接讀取，僅記錄測(cè)量結(jié)果。

3.1 80MHz頻率輸出信號(hào)的準(zhǔn)確度測(cè)量結(jié)果

3.2 10MHz頻率信號(hào)的測(cè)量結(jié)果

3.3 相位噪聲測(cè)量結(jié)果

圖8為10MHz和80 MHz頻率輸出信號(hào)的相位噪聲測(cè)試結(jié)果，圖中橫坐標(biāo)為測(cè)量頻點(diǎn)，縱坐標(biāo)為相位噪聲，對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)的相位噪聲值已在圖中標(biāo)注。

圖8 相位噪聲測(cè)量結(jié)果

3.4 不同時(shí)間同步器的時(shí)間同步測(cè)試結(jié)果

圖9為不同時(shí)間同步器間的1PPS時(shí)間同步輸出測(cè)量結(jié)果。測(cè)試過(guò)程中，將所有5臺(tái)時(shí)間同步器的接收機(jī)天線以一定的幾何形狀放置在一起，使天線的位置近似相同，并固定天線至接收機(jī)的電纜線長(zhǎng)度。待所有同步器正常工作后開(kāi)始連續(xù)測(cè)量，每秒鐘取得一次測(cè)量結(jié)果。圖中橫坐標(biāo)為測(cè)量時(shí)間（共測(cè)量24 h），縱坐標(biāo)為5臺(tái)同步器輸出的1PPS與標(biāo)準(zhǔn)1PPS（NTSC）的時(shí)延差，其中不同的灰度曲線對(duì)應(yīng)不同時(shí)間同步器的輸出測(cè)量結(jié)果。由此曲線圖可知，不同同步器的輸出與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的時(shí)延差在1d內(nèi)有 40ns的波動(dòng)，但各同步器在相同時(shí)間段內(nèi)具有相似的時(shí)延差波動(dòng)曲線。為更進(jìn)一步了解這種波動(dòng)，我們?nèi)我膺x取兩組數(shù)據(jù)直接求取差值，如圖10所示。由圖可見(jiàn)，24h內(nèi)2者的時(shí)延差均值為4ns，方差為2 ns，差值基本在平均值上下±5ns內(nèi)波動(dòng)。

圖9 不同設(shè)備間的時(shí)間同步結(jié)果

圖10 兩臺(tái)設(shè)備之間的時(shí)延差

3.5 技術(shù)指標(biāo)測(cè)量結(jié)果

以5臺(tái)時(shí)間同步器其中之一為例，將其測(cè)量結(jié)果示于表1。

表1 5號(hào)機(jī)技術(shù)指標(biāo)測(cè)量結(jié)果

由測(cè)量結(jié)果可以看出，10 MHz的頻率輸出信號(hào)技術(shù)指標(biāo)符合要求，80 MHz信號(hào)頻率準(zhǔn)確度與相位噪聲以及雜散指標(biāo)符合要求，穩(wěn)定度和輸出功率略差，在以后的工作中，只要采用具有更高穩(wěn)定度的銣原子鐘，并降低輸出功率，這一問(wèn)題容易得到解決。測(cè)量中最重要的時(shí)間同步器間的1 PPS輸出精度和同一時(shí)間同步器1 PPS各路輸出一致性均符合技術(shù)要求。

4 結(jié)論

高精度時(shí)間同步器以其高精度的頻率輸出和時(shí)間同步性能尤其適合應(yīng)用在移動(dòng)通信基站中為基站其他設(shè)備提供高精度的頻率源和時(shí)間同步。本文對(duì)高精度時(shí)間同步器的研制方法和性能技術(shù)指標(biāo)測(cè)試方法進(jìn)行了分析，經(jīng)測(cè)試表明，高精度時(shí)間同步器的各項(xiàng)性能技術(shù)指標(biāo)基本合格，滿足需要。目前，該時(shí)間同步器主要采用GPS作為單一時(shí)間源，如果采用GPS和北斗雙模時(shí)間源，并處理好2者之間時(shí)間源的相互切換，將會(huì)大大改善時(shí)間同步器工程應(yīng)用的可靠性。

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Development of a high-precision time synchronizer and its performance test

HUANG Chang-jiang1,2,3, HUA Yu1,2, HU Yong-hui1,2, LI Zhi-gang1,2, ZENG Ting1,2

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;2. Key Laboratory of Precision Navigation and Timing Technology, National Time Service Center,Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

According to the demand of high-precision time synchronization among the stations of mobile network, a time-synchronizer with high-precision time synchronization function and stable frequency outputs was developed, and a corresponding performance test method was designed. The test showed that the average time-synchronous precision for the signals of 1PPS outputted from different time-synchronizers in same conditions is better than 5ns/d, the frequency accuracy is better than 10-12/s within 24 h, and the other technical indicators are up to standard basically, being in accord with the design targets.

time synchronization; synchronization precision; frequency accuracy

P127.1

A

1674-0637(2014)01-0010-08

2013-02-26

中國(guó)科學(xué)院科研裝備研制資助項(xiàng)目（YZ201208）；中國(guó)科學(xué)院“西部之光”聯(lián)合學(xué)者資助項(xiàng)目（2012LH01）

黃長(zhǎng)江，男，博士研究生，主要從事數(shù)字電視定位技術(shù)研究。