才瀅，崔保健，趙海鷹

(中國(guó)人民解放軍92493 部隊(duì)89 分隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125000)

0 引言

GPS 全球定位系統(tǒng)與北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)在提供實(shí)時(shí)導(dǎo)航信息的同時(shí)提供精確的時(shí)間信息，導(dǎo)航電文中即包含授時(shí)信息［1］。一般授時(shí)型接收機(jī)可提供同步于UTC 或者GPS 的秒脈沖信號(hào)，例如M12T 型GPS 接收機(jī)、WGB12 北斗接收機(jī);該信號(hào)的授時(shí)準(zhǔn)確度優(yōu)于50 ns［2］，通常在電力、通訊領(lǐng)域作為時(shí)間基準(zhǔn)使用。但在實(shí)際應(yīng)用中，衛(wèi)星信號(hào)的調(diào)整、天線被干擾及GPS接收系統(tǒng)故障等因素都會(huì)造成衛(wèi)星失鎖或信號(hào)偏差，這時(shí)就需要本地時(shí)鐘同步于定位系統(tǒng)的授時(shí)信號(hào)，當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)失鎖時(shí)依靠本地鐘授時(shí)，衛(wèi)星信號(hào)恢復(fù)時(shí)，重新同步［3－5］。本地時(shí)鐘的秒信號(hào)通常由本地晶振、銣鐘或者銫鐘經(jīng)過(guò)分頻得到，這種依靠簡(jiǎn)單數(shù)字電路產(chǎn)生的信號(hào)的同步精度會(huì)受系統(tǒng)工作時(shí)鐘的限制，若系統(tǒng)時(shí)鐘10 MHz，其同步精度在100 ns 左右;而采用鎖相技術(shù)設(shè)計(jì)的同步電路雖然精度高，但電路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜［6］。

本文提出一種基于精密時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器、復(fù)雜可編程邏輯電路和硅延遲線技術(shù)的精密秒脈沖同步方法，同步精度可達(dá)0.25 ns，可在GPS 授時(shí)同步鐘項(xiàng)目中應(yīng)用。

1 脈沖同步原理

GPS 和北斗定位系統(tǒng)輸出的1 PPS 或100 PPS 脈沖信號(hào)作為授時(shí)信號(hào)，本地銣鐘或晶振的10 MHz 信號(hào)與該信號(hào)同步，GPS 接收機(jī)的秒脈沖信號(hào)作為分頻計(jì)數(shù)的開(kāi)門信號(hào);在GPS 接收機(jī)的秒脈沖上升沿，分頻電路產(chǎn)生的1 PPS 秒信號(hào)觸發(fā)分頻計(jì)數(shù)器，對(duì)OCX 輸出信號(hào)10 MHz 進(jìn)行分頻，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)脈沖信號(hào)的同步。同步精度依賴于OCX 信號(hào)與GPS 信號(hào)的初始相位差，最大同步誤差取決于OCX 信號(hào)頻率;頻率越高，同步精度越高，10 MHz 同步精度最大誤差100 ns。若要實(shí)現(xiàn)1 ns 同步精度，就要求工作時(shí)鐘頻率高達(dá)1 GHz，在電路設(shè)計(jì)上難于實(shí)現(xiàn)。

鎖相環(huán)同步技術(shù)是將晶振的10 MHz 輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)計(jì)數(shù)器分頻得到1PPS 信號(hào)，該信號(hào)與GPS 輸出的1PPS 信號(hào)同時(shí)送入鑒相器;鑒相輸出電壓調(diào)整壓控振蕩器輸出信號(hào)頻率和相位，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)信號(hào)的同步，從而提高同步精度;但是，對(duì)1PPS 同步，要求鑒相器工作頻率較低，鑒相器鑒相和環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)較為困難［6］?；赥DC 和硅延遲線脈沖同步原理如圖1 所示。

圖1 基于TDC 和硅延遲線脈沖同步結(jié)構(gòu)框圖

一是分頻處理，用于對(duì)壓控晶振、銣鐘或銫鐘的10 MHz 信號(hào)分頻產(chǎn)生1PPS 信號(hào);二是同步觸發(fā)單元，在微處理器控制下，對(duì)技術(shù)分頻鏈清零，重新計(jì)數(shù)。

在微處理器控制下，TDC 時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器件測(cè)量CPLD 分頻輸出的1PPS 信號(hào)與GPS 接收機(jī)輸出的1 PPS 信號(hào)的脈沖相位的時(shí)間間隔;該時(shí)間間隔在0 ～100 ns 之間;微處理器通過(guò)控制硅延遲線對(duì)分頻輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行退后或前移，從而實(shí)現(xiàn)脈沖同步，同步分辨率0.25 ns。

2 脈沖同步硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 脈沖相位測(cè)量單元

為實(shí)現(xiàn)兩個(gè)脈沖序列的同步，必須測(cè)量?jī)擅}沖序列的相位差。脈沖相位差可用兩個(gè)脈沖上升沿的時(shí)間差表示，通常采用計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)這一功能。考慮小型化和技術(shù)成本的要求，本文采用德國(guó)ACAM 公司研發(fā)的時(shí)間間隔測(cè)量芯片實(shí)現(xiàn)時(shí)間間隔的數(shù)字化測(cè)量。時(shí)間間隔測(cè)量芯片已在高精度激光測(cè)距儀、頻率和相位信號(hào)分析等多種領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，可提供兩通道250 ps 或單通道125 ps 分辨率的時(shí)間間隔測(cè)量;每個(gè)通道可采樣四次，測(cè)量范圍3 ns ～200 ms;通過(guò)軟件可對(duì)分辨率進(jìn)行精確性調(diào)節(jié)，校正和控制時(shí)鐘的頻率在500 KHz ～350 MHz 之間。TQFP44 芯片封裝方式便于手持，工業(yè)溫度范圍40 ～85 ℃，工作電壓2.7 ～5.5 V，功耗較低。時(shí)間間隔測(cè)量原理如圖2 所示。

圖2 TDC 時(shí)間間隔測(cè)量原理

TDC 內(nèi)部包含兩個(gè)計(jì)數(shù)器，一個(gè)是整周期計(jì)數(shù)器，用來(lái)保存起始和停止信號(hào)之間內(nèi)部計(jì)數(shù)器對(duì)參考時(shí)鐘的計(jì)數(shù)值CC，它是在起始信號(hào)到來(lái)后，參考脈沖第一個(gè)上升沿開(kāi)始至停止脈沖到來(lái)后第一個(gè)參考脈沖的上升沿為止;FC1 是起始脈沖和之后第一個(gè)時(shí)鐘脈沖上升沿的計(jì)數(shù)，F(xiàn)C2 是停止脈沖和之后第一個(gè)時(shí)鐘脈沖上升沿的計(jì)數(shù)，Cal1 是一個(gè)參考脈沖的計(jì)數(shù)，Cal2 是兩個(gè)參考脈沖的計(jì)數(shù)。

起始脈沖和停止脈沖的時(shí)間間隔ΔT 為

2.2 可編程硅延遲線

DS1023 是DALLAS 公司的8 位可編程延遲線，步進(jìn)調(diào)整分辨率0.25 ns，具有片上延時(shí)參考端，可以配置成延遲線、脈寬調(diào)制器或者自由振蕩器;采用并行或串行控制接口設(shè)計(jì)，具有5V 和3.3V 供電方式，方便與微處理器接口，可以多個(gè)延遲線級(jí)聯(lián)使用;對(duì)脈沖寬度沒(méi)有要求，可以實(shí)現(xiàn)一周期和多周期延遲，可用于脈沖延遲、脈寬調(diào)制和設(shè)計(jì)振蕩器等。用微處理器控制DS1023 可以實(shí)現(xiàn)脈沖序列延遲時(shí)間的精確控制。

2.3 CPLD 脈沖同步結(jié)構(gòu)

2.3.1 脈沖粗同步

在GPS 秒脈沖信號(hào)上升沿，微處理器響應(yīng)中斷，并將SYNC 信號(hào)置為低電平，啟動(dòng)分頻計(jì)數(shù)鏈對(duì)晶振輸出的10 MHz 信號(hào)進(jìn)行107 分頻，分頻輸出1PPS 脈沖信號(hào)與GPS 直接輸出的1PPS 脈沖的相位差為0 ～100 ns，由于以GPS 秒脈沖作為分頻鏈的觸發(fā)脈沖，所以晶振分頻輸出的秒脈沖只能滯后于GPS 秒脈沖，即同步精度為0 ～100 ns，可實(shí)現(xiàn)GPS 秒脈沖和晶振分頻秒脈沖的粗略同步。

2.3.2 脈沖精細(xì)同步

在兩個(gè)秒脈沖序列粗同步后，脈沖同步范圍在0 ～100 ns 之間，同步精度依賴于微處理器響應(yīng)速度和晶振的頻率，晶振頻率越高，同步精度越高。而延遲線只能將脈延遲推后，因此，粗同步分頻的分頻數(shù)為107－1，粗分頻脈沖比GPS 秒脈沖提前0 ～100 ns。由TDC 測(cè)量GPS 秒脈沖和OCX 分頻后秒脈沖的時(shí)間差，控制DS1023 延遲線延遲同樣時(shí)間，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)脈沖的精確同步;其同步準(zhǔn)確度依賴于TDC 測(cè)量準(zhǔn)確度和DS1023 的延遲調(diào)節(jié)步進(jìn)量，TDC 測(cè)量精度和DS1023延遲的最大分辨率均在0.1 ns。因此，這種方法可以實(shí)現(xiàn)亞納秒級(jí)的脈沖同步。

由于GPS 和晶振的頻率存在較大偏差，GPS 輸出1PPS 秒脈沖雖然具有20 ～30 ns 的抖動(dòng)，但不存在漂移。晶振頻率準(zhǔn)確度較低，漂移較大，因此，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，GPS 輸出的1 PPS 和晶振分頻輸出1PPS 兩個(gè)信號(hào)的相位差會(huì)逐漸增大，甚至超過(guò)100 ns，達(dá)到微秒和毫秒量級(jí)，僅通過(guò)DS1023 延遲線不能滿足要求。若通過(guò)延遲線級(jí)聯(lián)，對(duì)于相位差較大的延遲需要的延遲芯片數(shù)量會(huì)大大增加硬件設(shè)計(jì)成本，而通過(guò)微處理器控制CPLD 增大和減小分頻計(jì)數(shù)鏈的系數(shù)，可實(shí)現(xiàn)脈沖的任意時(shí)間間隔推后和前移，將脈沖相位差調(diào)整到DS1023 的控制范圍內(nèi)，精細(xì)調(diào)整依靠DS1023 實(shí)現(xiàn)。寬范圍脈沖同步原理如圖3 所示。

3 同步實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3 寬范圍脈沖同步原理框圖

通常，若NORMAL 和SYNC 為同一分頻值，T0 時(shí)刻兩者同步。在START_ PULSE 上升沿，如果INC_DEC 為高電平，分頻技術(shù)鏈數(shù)值為正常分頻系數(shù)減1，T1 時(shí)刻分頻后脈沖較正常分頻脈沖前移一個(gè)時(shí)鐘周期;如果INC_ DEC 為低電平，分頻技術(shù)鏈數(shù)值為正常分頻系數(shù)加1，T2 時(shí)刻分頻后脈沖較正常分頻脈沖推后一個(gè)時(shí)鐘周期。CPLD 控制脈沖前移和推后軟件仿真結(jié)果如圖4 所示。GPS 馴服銣鐘設(shè)計(jì)中的GPS 秒脈沖和銣鐘分頻秒脈沖同步效果如圖5 所示。微處理器通過(guò)串口接收GPS 接收機(jī)的輸出信息，當(dāng)GPS 接收機(jī)鎖定衛(wèi)星后，微處理器發(fā)送同步信號(hào)，實(shí)現(xiàn)GPS 秒脈沖信號(hào)與OCX分頻秒脈沖信號(hào)粗同步，同步精度大約70 ns;TDC 測(cè)量粗同步后的脈沖時(shí)間差，通過(guò)硅延遲線將OCX 分頻秒脈沖推后，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)脈沖的精確同步，同步精度0.5 ns。

圖4 CPLD 脈沖同步仿真結(jié)果

4 結(jié)論

本文針對(duì)GPS 同步時(shí)鐘研究設(shè)計(jì)中的脈沖同步問(wèn)題，提出了基于微處理器和TDC 實(shí)現(xiàn)脈沖相位精確測(cè)量及控制CPLD 器件和硅延遲線實(shí)現(xiàn)脈沖精確同步的方法。該方法具有同步范圍寬、穩(wěn)定性好、同步精度高的特點(diǎn)，完全滿足GPS 同步時(shí)鐘設(shè)計(jì)要求，可以廣泛應(yīng)用于電力統(tǒng)、通信統(tǒng)、時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)和授時(shí)、守時(shí)及計(jì)量測(cè)試領(lǐng)域。

圖5 GPS 秒脈沖和銣鐘分頻秒脈同步效果

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