頻率源對(duì)時(shí)間同步精度影響的定量分析

王 霞

山西省計(jì)量科學(xué)研究院 山西 太原 030032

引言

以銣頻標(biāo)為主用、石英晶振為備用的頻率源是時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)的重要組成部分。受頻標(biāo)準(zhǔn)確度和漂移率的影響，頻率源輸出頻率會(huì)隨著時(shí)間推移而發(fā)生變化，從而引起時(shí)間同步精度的變化。對(duì)兩種頻標(biāo)影響時(shí)間同步精度的程度進(jìn)行了定量分析與對(duì)比，給出了具體的調(diào)整方法，保證了時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)的可靠性。

1 精度時(shí)間間隔測(cè)量方法

時(shí)間間隔測(cè)量的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個(gè)過程：參考時(shí)鐘計(jì)數(shù)、模擬電路、數(shù)字電路。當(dāng)前高精度時(shí)間間隔測(cè)量主要是通過數(shù)字電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的：兩個(gè)信號(hào)之間的時(shí)間間隔取決于開始時(shí)刻點(diǎn)和結(jié)束時(shí)刻點(diǎn)，在電路中分別被稱為開始(start)信號(hào)和結(jié)束(stop)信號(hào)，時(shí)間間隔測(cè)量結(jié)果是兩個(gè)信號(hào)對(duì)應(yīng)的量化數(shù)字值。目前常用的高精度時(shí)間間隔測(cè)量方法包括時(shí)鐘計(jì)數(shù)法、模擬擴(kuò)展方法、數(shù)字延時(shí)線法、游標(biāo)尺法、延時(shí)線矩陣法、脈寬縮減法、延時(shí)線振蕩器法、鎖相環(huán)法等。時(shí)鐘計(jì)數(shù)法是通過計(jì)數(shù)器計(jì)算待測(cè)時(shí)間間隔內(nèi)的時(shí)鐘周期的個(gè)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間間隔測(cè)量，參考時(shí)鐘的頻率決定了時(shí)間間隔測(cè)量精度；模擬擴(kuò)展方法主要是利用待測(cè)窄脈沖對(duì)電容充電，然后利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣充電電壓或者利用比較器將電容充放電后的電壓信號(hào)整形為擴(kuò)展脈沖，然后用時(shí)鐘計(jì)數(shù)方法實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間間隔測(cè)量。延時(shí)線法、游標(biāo)尺法、延時(shí)線矩陣法、脈寬縮減法、延時(shí)線振蕩器法、鎖相環(huán)法等方法，都是基于數(shù)字測(cè)量方法的高精度時(shí)間間隔測(cè)量方法。這些方法主要是基于邏輯單元的時(shí)延實(shí)現(xiàn)的，利用高速精密采樣技術(shù)和存儲(chǔ)技術(shù)，通過事后數(shù)據(jù)處理(相關(guān)分析)可以實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間間隔測(cè)量。

2 于時(shí)間頻率基準(zhǔn)源

采用了先進(jìn)的數(shù)字集成及處理技術(shù)，而數(shù)字電路對(duì)輸出頻率的影響微乎其微，可以忽略不計(jì)，因此對(duì)時(shí)間頻率基準(zhǔn)源特性分析主要體現(xiàn)在對(duì)頻標(biāo)的特性分析上。頻標(biāo)的特性指標(biāo)主要用頻率準(zhǔn)確度、頻率漂移率和頻率穩(wěn)定度來(lái)衡量。(1)頻率準(zhǔn)確度是指頻標(biāo)的實(shí)際工作頻率測(cè)量值與頻標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)頻率之間的相對(duì)誤差，可以用頻率偏差率(即頻率準(zhǔn)確度)F來(lái)表示，即：

其中，f為頻率偏差，0f為頻標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)頻率，f為頻標(biāo)的實(shí)際工作頻率測(cè)量值。(2)頻率漂移率是指頻標(biāo)由于受內(nèi)部元器件的老化等因素影響，在工作過程中其輸出頻率值隨時(shí)間變化而引起的線性變化關(guān)系。根據(jù)實(shí)際測(cè)量的頻標(biāo)輸出的相對(duì)頻率值隨運(yùn)行時(shí)間變化的數(shù)值，用最小二乘法來(lái)計(jì)算，頻率漂移率可表示為：

其中，if為it時(shí)刻所測(cè)的相對(duì)頻率值，f為所有測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值，頻率漂移率隨時(shí)間單位的不同有日漂移率、月漂移率和年漂移率，根據(jù)實(shí)際測(cè)量得到的結(jié)果，一般情況下月漂移率≈30×日漂移率，年漂移率≈150×日漂移率。

3 時(shí)間同步精度測(cè)試

3.1 時(shí)間傳遞精度測(cè)試 根據(jù)同步以太網(wǎng)以及時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)的工作原理，時(shí)間信號(hào)的傳遞可采用2種方式，①在源端將時(shí)碼產(chǎn)生器產(chǎn)生的秒信號(hào)和時(shí)間信息經(jīng)線路適配器接入同步以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信設(shè)備，經(jīng)同步以太網(wǎng)傳輸至接收端，在接收端采用線路適配設(shè)備恢復(fù)出秒信號(hào)和時(shí)間信息；②時(shí)間信號(hào)傳輸技術(shù)為TOP(TIMINGOVERPACKET)技術(shù)，這種技術(shù)由源時(shí)鐘NTP、IEEE1588等網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議，定期地發(fā)送時(shí)間報(bào)文到從時(shí)鐘，從時(shí)鐘計(jì)算出本地時(shí)間和遠(yuǎn)端時(shí)間的差異，并將本地系統(tǒng)的時(shí)間與遠(yuǎn)端源時(shí)鐘的時(shí)間進(jìn)行同步。

3.2 于PTP技術(shù)的時(shí)間信號(hào)傳遞精度測(cè)試 采用PTP協(xié)議傳輸時(shí)間信號(hào)的設(shè)備連接關(guān)系如圖1所示

圖1基于PTP技術(shù)的時(shí)間信號(hào)傳遞的精度測(cè)量方法示意圖圖1中，時(shí)間信號(hào)產(chǎn)生設(shè)備的1PPS和IRIG-B碼信號(hào)作為PTP主時(shí)鐘的外同步信號(hào)，由PTP主時(shí)鐘產(chǎn)生精確的PTP報(bào)文，PTP交換機(jī)與PTP主時(shí)鐘同步后，向次級(jí)主時(shí)鐘發(fā)送同步PTP報(bào)文，接收端用PTP從時(shí)鐘接收PTP報(bào)文并恢復(fù)出1PPS和IRIG-B碼信號(hào)。將1PPS和IRIG-B碼與時(shí)間信號(hào)產(chǎn)生設(shè)備輸出的秒信號(hào)一同輸入時(shí)間同步精度測(cè)量設(shè)備，測(cè)量時(shí)間信號(hào)經(jīng)同步以太網(wǎng)傳輸?shù)木取?/p>

4 時(shí)差調(diào)整

從以上的分析中可以看出，無(wú)論是采用銣頻標(biāo)還是石英晶振，隨著時(shí)間的推移，受頻率準(zhǔn)確度和漂移率的影響，本地時(shí)鐘的時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間之間的時(shí)差會(huì)越來(lái)越大。當(dāng)時(shí)差超過一定范圍時(shí)，就必須對(duì)時(shí)差進(jìn)行調(diào)整。對(duì)于銣頻標(biāo)實(shí)際應(yīng)用中一般采用時(shí)刻調(diào)整方法，即時(shí)統(tǒng)站在運(yùn)行一段時(shí)間后，重新與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間進(jìn)行對(duì)時(shí)同步，則可以消除兩次對(duì)時(shí)之間累積的時(shí)差；對(duì)于石英晶振一般采用頻率調(diào)整方法，就是要對(duì)石英振蕩器的振蕩頻率進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)為了滿足系統(tǒng)要求，我們應(yīng)經(jīng)常對(duì)頻標(biāo)進(jìn)行測(cè)量和調(diào)整，使其輸出值盡可能地接近標(biāo)稱值，以保證時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)的可靠性。

結(jié)語(yǔ)

時(shí)間比對(duì)精度、頻率校準(zhǔn)時(shí)間、校頻準(zhǔn)確度與時(shí)間間隔測(cè)量的精度有直接的關(guān)系，高精度時(shí)間間隔測(cè)量的精度很大程度決定了時(shí)間比對(duì)以及頻率校準(zhǔn)的精度。在實(shí)際應(yīng)用中，選擇最適合的時(shí)間間隔測(cè)量方法是關(guān)鍵，不僅與測(cè)量需求和工作環(huán)境的匹配，也要考慮到實(shí)現(xiàn)成本。