一種分布式納秒級精度時(shí)頻同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)

包 健，王小青

（總參謀部第六十研究所 江蘇 南京 210016）

在大量的時(shí)頻設(shè)備中存在同步的要求，特別是一些分布式設(shè)備對時(shí)基同步有著更高的要求，如GPS系統(tǒng)對每顆在軌衛(wèi)星的同步；某些科研試驗(yàn)及測量測試過程中同樣需要同步，如在頻率測量時(shí)為了消除測量誤差我們會對信號源和頻率計(jì)進(jìn)行同步。同步的方法和方式各有不同，可以通過無線介質(zhì)傳輸同步信號，也可以通過有線介質(zhì)傳輸同步信號；可以通過主站分發(fā)同步信號，也可以在分布設(shè)備中分別使用更高穩(wěn)定度的時(shí)基。文中設(shè)計(jì)的是一種基于有線介質(zhì)的主從站[1]分布式高精度同步系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)概述

該系統(tǒng)采取了一種主從站分布式射頻發(fā)射的方案實(shí)現(xiàn)高精度的同步，這種方式的自主性和穩(wěn)定性相對較高，不像GPS授時(shí)同步方式會受GPS衛(wèi)星限制和無線鏈路相位脈沖模糊特性的影響。系統(tǒng)中各從站發(fā)射信號的上升沿相位差控制在5 ns以內(nèi)，發(fā)射設(shè)備采用5MHz的信號作為從站時(shí)基。同步誤差控制原理如圖1所示。

圖1 誤差控制精度示意圖Fig.1 diagram of the error control accuracy

從站間5 ns的同步精度的實(shí)現(xiàn)需要從站同主站間的同步誤差必須控制在2.5 ns內(nèi)，為了達(dá)到這一要求，主站穩(wěn)定度最低要求為2.5×10-9/s。同時(shí)考慮所采取的數(shù)字測頻技術(shù)對時(shí)間的要求，大約每10 s進(jìn)行一次主從站間的頻率同步和上升沿相位誤差測量。這樣穩(wěn)定度就要提高一個(gè)數(shù)量等級，即-10次方量級[2]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主從站同步方式與時(shí)基選擇

主站通過有線屏蔽介質(zhì)分發(fā)同步信號到各個(gè)從站的同步方式，這種方式可以有效避免無線通信方式中可能存在的強(qiáng)電磁干擾。

主站選擇短期穩(wěn)定度、飄移等指標(biāo)控制在1×10-11/s量級的銣原子鐘[3]作為時(shí)基信號；從站選擇短穩(wěn)指標(biāo)每10 s漂移[4]小于2.5 ns的高穩(wěn)晶體振蕩器[5]作為同步前的時(shí)基信號。這種主站采用高精度時(shí)基，從站采用低精度時(shí)基的方式，可以有效地降低整個(gè)系統(tǒng)的成本。

2.2 主站工作原理

主站的功能是生成同步信號。主站的銣原子鐘輸出信號經(jīng)過放大整形、增加驅(qū)動能力后作為同步信號輸出到各個(gè)從站，其工作原理框圖如圖2所示。

圖2 主站工作原理結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of themaster station’swork principle

2.3 從站工作原理

從站接收主站的同步信號，并將從站的高穩(wěn)晶體振蕩器輸出信號作為DDS芯片的參考信號。CPU采用ST公司的STM32F407芯片ARM處理器，利用FSMC總線從CPLD周期性的讀取相頻差計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)并計(jì)算，然后通過改變相位增量的方式修改DDS輸出信號的頻率，實(shí)現(xiàn)和主站的頻率同步，并通過控制延時(shí)元件進(jìn)行相位調(diào)節(jié)，其實(shí)現(xiàn)原理框圖如圖3所示。

圖3 從站工作原理結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of the slave station’swork principle

CPLD采用Lattice公司的ispli1032E芯片實(shí)現(xiàn)，用于測量同步信號和本從站信號之間的頻差和相差；此芯片共有84腳，具體芯片腳定義如圖4所示。

圖4 CPLD引腳定義圖Fig.4 diagram of CPLD pin definitions

2.3.1 模擬內(nèi)插法等精度頻率測量實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵點(diǎn)在于是否能將主從站之間的頻率誤差測量和調(diào)節(jié)的范圍控制在100μHz以內(nèi)。系統(tǒng)中使用的等精度頻率測量時(shí)序原理如圖5所示。

等精度測量方法通過計(jì)數(shù)閘門[7]的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了時(shí)基（T）計(jì)數(shù)器同步于事件（E）計(jì)數(shù)器，保證了測量精度。但傳統(tǒng)的等精度測量誤差引入的一個(gè)途徑就在圖5的T1和T2處。我們發(fā)現(xiàn)T計(jì)數(shù)器并沒有完全同步于事件，從而產(chǎn)生了不完整的計(jì)數(shù)脈沖，局部放大后如圖6所示。

圖5 等精度測量的時(shí)序Fig.5 Sequence in time of the same accuracy frequencymeasurement

圖6 測量誤差引入點(diǎn)Fig.6 Entry points of themesurement error

在引入內(nèi)插法前提高等精度頻率測量的精度一般有兩個(gè)途徑：1)提高計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率；2)延長閘門時(shí)間。以100 MHz時(shí)鐘，1s閘門為例，理論測量精度只有1×10-8。模擬內(nèi)插法的引入就是為了對T1和T2誤差時(shí)間進(jìn)行測量，在T計(jì)數(shù)器的時(shí)間中去除，從而提高測量精度。這種方法的原理是對誤差時(shí)間進(jìn)行放大，然后對放大后的誤差計(jì)數(shù)，完成計(jì)數(shù)后再縮小相應(yīng)的倍數(shù)，從而計(jì)算出誤差時(shí)間。

系統(tǒng)中采用電容充放電方法實(shí)現(xiàn)模擬內(nèi)插。CPLD計(jì)數(shù)模塊采用計(jì)數(shù)法測得時(shí)間間隔T0，并對展寬1 000倍并整形后的擴(kuò)展信號時(shí)間間隔的T1和T2脈沖進(jìn)行采樣計(jì)數(shù)，再由CPU對計(jì)數(shù)進(jìn)行計(jì)算，就可以得到實(shí)際信號的時(shí)間間隔，如式(1)所示。

模擬內(nèi)插電路實(shí)現(xiàn)原理框圖如圖7所示。

圖7 模擬內(nèi)插實(shí)現(xiàn)原理圖Fig.7 diagram of the simulate interpolationmethod

將輸入同步信號經(jīng)整形處理后作為圖5中的閘門控制信號，用來測量主站同步信號和從站時(shí)基信號的上升沿誤差，然后通過延時(shí)元件進(jìn)行調(diào)整，從而提高測量精度。在引入內(nèi)插模塊后能在同等時(shí)鐘和閘門條件下提高3個(gè)數(shù)量級別的測量精度。

2.3.2 DDS調(diào)頻電路實(shí)現(xiàn)

隨著器件技術(shù)的發(fā)展，DDS[8]的相位累加器位數(shù)已經(jīng)很高，相位累加器的位數(shù)越高合成信號的頻率分辨率越高。在本系統(tǒng)中我們選擇一款48位相位累加器的AD9852芯片，可以提供1μHz的頻率分辨率。當(dāng)我們測量出主站同步信號和從站時(shí)基信號的頻率差后，通過修改DDS的輸出信號頻率來消除主站和從站之間的頻差。在本系統(tǒng)中我們可以把主站和從站間的頻率誤差縮小到100μHz以內(nèi)。

DDS的正弦波輸出信號需經(jīng)過內(nèi)部的超高速比較器轉(zhuǎn)換成數(shù)字方波信號才能供CPLD芯片測量。本系統(tǒng)中方波是以正弦波為源，接入AD9852內(nèi)部比較器的負(fù)端（VINN），而正端（VINP）參考電壓為零電位，這樣就可輸出標(biāo)準(zhǔn)的方波，其關(guān)鍵原理圖如圖8所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

在頻率測量的過程中需要不斷進(jìn)行動態(tài)修正，這是由于：1)頻率測量不可能零誤差，主從站之間的信號還是存在一個(gè)微小的頻差；2)同時(shí)無論是銣原子鐘還是高穩(wěn)晶體振蕩器都存在頻率漂移現(xiàn)象。因此從站軟件運(yùn)行過程中也需要不斷的測量修正頻差，調(diào)節(jié)信號的相位差，才能實(shí)現(xiàn)長期同步。從站軟件循環(huán)工作流程為初始化→預(yù)設(shè)閘門1S→脈沖計(jì)數(shù)→取數(shù)計(jì)算→相頻設(shè)置→鐵電存儲→送顯→脈沖計(jì)數(shù)……。

圖8 DDS調(diào)頻原理圖Fig.8 diagram of the DDS frequencymodulation

同步運(yùn)行期間，若主站同步信號丟失，從站則調(diào)用正常同步周期內(nèi)測得的相頻差參數(shù)進(jìn)行動態(tài)修正；若主站同步信號丟失且從站死機(jī)重啟，從站初始化時(shí)將讀入重啟前保存于鐵電內(nèi)的相頻差參數(shù)進(jìn)行動態(tài)修正。這使得系統(tǒng)能在同步中斷的一定時(shí)間內(nèi)還能保持在系統(tǒng)要求的同步誤差范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

這種主從站工作方式的分布式時(shí)頻同步系統(tǒng)能有效避免強(qiáng)電磁干擾，從站成本低，不受GPS衛(wèi)星限制和無線鏈路相位脈沖模糊的影響，從站間同步精度在5ns以內(nèi)，是一種有效的高精度時(shí)頻同步的方法，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，具備良好的工程應(yīng)用價(jià)值。

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