劉鐵強(qiáng)，霍 婧

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081)

0 引言

時(shí)間是物理學(xué)中7個(gè)基本物理量之一，與人們的日常生活、科技發(fā)展密切相關(guān)。在測(cè)控與通信系統(tǒng)中，隨著技術(shù)探索的進(jìn)步，對(duì)時(shí)間頻率基準(zhǔn)源的精度要求越來(lái)越高。高精度的頻率源(如氫原子鐘、銫原子鐘和銣原子鐘)能夠?yàn)闇y(cè)控與通信系統(tǒng)提供高精度的時(shí)間頻率基準(zhǔn)，但價(jià)格高，難以普及使用[1]。常用的OCXO等二級(jí)頻標(biāo)價(jià)格低廉，體積較小，但受晶體老化和溫度等因素的影響，其輸出頻率漂移率較大，約為5×10-8/月，長(zhǎng)期穩(wěn)定度較差，很難滿足測(cè)控與通信系統(tǒng)需求[2]。

隨著我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展[3]，北斗授時(shí)在軍民各領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，本文利用北斗授時(shí)的特點(diǎn)對(duì)本地OCXO進(jìn)行馴服，能夠有效解決OCXO由于老化以及長(zhǎng)期穩(wěn)定性差帶來(lái)頻率漂移等問(wèn)題。

利用北斗授時(shí)校準(zhǔn)本地OCXO，需要測(cè)量北斗授時(shí)1 pps信號(hào)與OCXO分頻產(chǎn)生1 pps信號(hào)的時(shí)間差，通過(guò)時(shí)間差計(jì)算頻率偏差，再根據(jù)頻率偏差改變OCXO的壓控電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)OCXO的校準(zhǔn)。因此，時(shí)差測(cè)量的精度在時(shí)鐘馴服系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。目前高精度的時(shí)差測(cè)量方法有多種，文獻(xiàn)[4]提出了基于FGPA的延遲線內(nèi)插法測(cè)時(shí)差，其測(cè)量精度達(dá)到121 ps，但測(cè)量線性化較差、成本高，易受溫度變化的影響；文獻(xiàn)[5]介紹了一種模擬內(nèi)插法測(cè)時(shí)差，其測(cè)量精度達(dá)到400 ps，但易受噪聲干擾、實(shí)現(xiàn)困難。

本文采用時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Time Digital Converter，TDC)實(shí)現(xiàn)時(shí)差測(cè)量，其測(cè)量分辨率達(dá)到50 ps，測(cè)量精度優(yōu)于250 ps[6]，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低，能夠有效保證時(shí)鐘馴服的精度。

1 基于北斗授時(shí)馴服OCXO原理

采用時(shí)間比對(duì)方法[7]，用北斗接收機(jī)輸出1 pps信號(hào)與本地OCXO分頻輸出1 pps信號(hào)進(jìn)行時(shí)差比對(duì)，每秒測(cè)量一次，根據(jù)頻率和周期互為倒數(shù)的關(guān)系，計(jì)算頻率準(zhǔn)確度為[8]：

(1)

式中，A為頻率準(zhǔn)確度；f0為頻標(biāo)(10 MHz)；Δf為頻率偏差；Δtn為第Tn時(shí)刻測(cè)得的OCXO分頻輸出1 pps與北斗接收機(jī)輸出1 pps信號(hào)的時(shí)間差；Tn為測(cè)量時(shí)刻。

根據(jù)計(jì)算的頻率準(zhǔn)確度以及絕對(duì)時(shí)差綜合產(chǎn)生OCXO的壓控電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)OCXO頻率的校準(zhǔn)和本地時(shí)間調(diào)整[9]，達(dá)到時(shí)鐘馴服的目的。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 馴服系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。由北斗天線及授時(shí)接收機(jī)組成的北斗授時(shí)模塊、TDC組成的時(shí)差測(cè)量模塊、FPGA組成的數(shù)據(jù)處理及分頻模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)和運(yùn)算放大器組成的壓控模塊以及頻率源OCXO等組成[10]。其中，北斗授時(shí)接收機(jī)輸出1 pps信號(hào)作為系統(tǒng)的參考；分頻模塊以O(shè)CXO輸出10 MHz信號(hào)為時(shí)鐘，分頻產(chǎn)生1 pps信號(hào)；時(shí)差測(cè)量模塊完成二者時(shí)差測(cè)量并將結(jié)果送入數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)時(shí)差測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波，根據(jù)濾波結(jié)果調(diào)整壓控模塊的輸出電壓，校準(zhǔn)本地時(shí)鐘和相位，實(shí)現(xiàn)對(duì)OCXO的馴服[11]。

圖1 系統(tǒng)組成

2.2 壓控模塊硬件電路設(shè)計(jì)

調(diào)整OCXO輸出頻率，需要改變OCXO控制電壓。系統(tǒng)根據(jù)測(cè)量時(shí)間差計(jì)算頻率差，通過(guò)控制DAC改變輸出電壓值，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理后控制OCXO，改變其輸出頻率。

本文選用遠(yuǎn)東時(shí)頻公司的高性能的OCXO，型號(hào)為DOC36L5E19WS01-10.00M型，其牽引頻率范圍±5×10-8，壓控電壓范圍0～4 V；DAC轉(zhuǎn)換器選用ADI公司的16位高精度DA轉(zhuǎn)換器，其輸出電壓步進(jìn)對(duì)OCXO的理論頻率調(diào)節(jié)分辨率達(dá)到1.53×10-12。為保證DAC輸出電壓精度，需選用專用的基準(zhǔn)穩(wěn)壓芯片，并設(shè)計(jì)二階有源低通濾波器濾除電壓噪聲，高精度DAC的電路原理框圖如圖2所示。

圖2 高精度DAC電路原理

2.3 時(shí)差測(cè)量模塊硬件設(shè)計(jì)

時(shí)差測(cè)量是系統(tǒng)的核心，其測(cè)量精度決定了時(shí)鐘馴服的速度和精度。為了克服直接時(shí)間間隔測(cè)量方法存在的誤差問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC-GP2的時(shí)差測(cè)量模塊。

TDC-GP2是德國(guó)ACAM公司出品的第二代時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其分辨率的典型值達(dá)到50 ps，測(cè)量范圍500 ns～4 ms[12]。TDC-GP2采用量化延遲的時(shí)間間隔測(cè)量方法，利用器件所組成的延時(shí)鏈和器件本身延時(shí)特性，使時(shí)間信號(hào)通過(guò)一系列的延時(shí)單元，依靠延時(shí)單元的延時(shí)穩(wěn)定性，在微控制器的控制下對(duì)延時(shí)單元的狀態(tài)進(jìn)行高速采集與數(shù)據(jù)處理，從而實(shí)現(xiàn)短時(shí)間的精確測(cè)量[13]。TDC-GP2的時(shí)間間隔測(cè)量原理框圖如圖3所示，波形圖如圖4所示。

圖3 TDC-GP2時(shí)差測(cè)量原理

圖3中將串在一起的延時(shí)單元所組成的延時(shí)鏈作為被測(cè)時(shí)間間隔的傳輸通道，每個(gè)延時(shí)單元的輸出端接到鎖存器的數(shù)據(jù)輸入端，將被測(cè)時(shí)間間隔的Start信號(hào)作為延時(shí)鏈的輸入信號(hào)，而以Stop信號(hào)作為取樣鎖存信號(hào)，則Start信號(hào)在延時(shí)鏈中所經(jīng)過(guò)的延時(shí)單元的個(gè)數(shù)就正比于所測(cè)的時(shí)間間隔值[14]。

圖4 TDC-GP2時(shí)差測(cè)量波形

從圖4可以看出，在Stop信號(hào)到來(lái)時(shí)D觸發(fā)器對(duì)其輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣鎖存，這樣就可以得知此時(shí)Start開始信號(hào)已經(jīng)通過(guò)了幾個(gè)延時(shí)單元，根據(jù)其所通過(guò)的延時(shí)單元數(shù)目獲取待測(cè)的時(shí)間間隔[15]：

tn=Nt，

(1)

式中，tn為待測(cè)延時(shí)間隔；N為Start信號(hào)通過(guò)的延時(shí)單元的個(gè)數(shù)；t為延時(shí)單元的延遲時(shí)間。

在時(shí)鐘馴服系統(tǒng)中，將北斗接收機(jī)輸出1 pps作為開門信號(hào)，本地OCXO分頻產(chǎn)生的1 pps作為關(guān)門信號(hào)，分別輸入TDC-GP2，用FPGA讀取測(cè)量結(jié)果。本地1 pps送入TDC之前，使用北斗接收機(jī)輸出的1 pps進(jìn)行粗同步，并用FPGA加入固定時(shí)延，保證二者時(shí)差在TDC的測(cè)量范圍內(nèi)，時(shí)差測(cè)量模塊電路原理框圖如圖5所示。

圖5 時(shí)差測(cè)量模塊電路原理

3 數(shù)據(jù)處理

整個(gè)系統(tǒng)的控制核心是Altera公司的CycloneII系列FPGA。時(shí)序邏輯處理部分采用VHDL語(yǔ)言[16]，數(shù)據(jù)處理和控制部分在FPGA的NOIS核上使用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)式(1)可知，由時(shí)差結(jié)果能夠獲取OCXO相對(duì)于北斗系統(tǒng)的頻率偏差，將頻率偏差轉(zhuǎn)化為OCXO的壓控電壓，通過(guò)控制高精度DAC完成對(duì)OCXO頻率的修正，實(shí)現(xiàn)對(duì)OCXO的馴服。

由于電離層、對(duì)流層和多徑等因素的影響，接收機(jī)輸出1 pps存在較大噪聲，其短期穩(wěn)定度較差，標(biāo)稱授時(shí)精度50 ns，因此由TDC測(cè)量的時(shí)差結(jié)果要經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波處理后才能作為控制的輸入量，本文采用滑動(dòng)平均濾波算法，能夠有效抑制北斗接收機(jī)輸出1 pps信號(hào)的抖動(dòng)。

以n為濾波窗口長(zhǎng)度對(duì)測(cè)量的時(shí)差數(shù)據(jù)Δt1，Δt2，……，Δtn，……進(jìn)行滑動(dòng)平均值濾波，獲得濾波后的時(shí)差結(jié)果ΔT1，ΔT2，……，ΔTn，……，由于授時(shí)1 pps包含的是隨機(jī)誤差，所以只要將n值取足夠大，1 pps抖動(dòng)趨近于零[17]。系統(tǒng)測(cè)量得到的OCXO分頻產(chǎn)生1 pps相對(duì)于北斗接收機(jī)輸出授時(shí)1 pps時(shí)差曲線，以及經(jīng)過(guò)滑動(dòng)平均濾波后的時(shí)差曲線如圖6所示。經(jīng)過(guò)濾波后時(shí)差數(shù)據(jù)的抖動(dòng)明顯減小，達(dá)到抑制授時(shí)1 pps信號(hào)抖動(dòng)的目的。

圖6 時(shí)差結(jié)果濾波后曲線

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

搭建基于北斗授時(shí)的時(shí)鐘馴服系統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)試環(huán)境，在衛(wèi)星信號(hào)接收正常的情況下對(duì)OCXO的馴服性能進(jìn)行了測(cè)試。以銫鐘5585B為參考，在馴服系統(tǒng)鎖定后，測(cè)試馴服過(guò)程中OCXO分頻產(chǎn)生的1 pps相對(duì)于銫鐘輸出1 pps相位變化如圖7所示；以銫鐘5585B為參考，在馴服系統(tǒng)鎖定后，測(cè)試馴服過(guò)程中OCXO輸出10 MHz信號(hào)頻率準(zhǔn)確度，如圖8所示。

圖7 1 pps相位變化測(cè)試框圖

圖8 10 MHz頻率值測(cè)試框圖

時(shí)差測(cè)試結(jié)果如圖9所示，其峰峰值小于55 ns，結(jié)果表明馴服系統(tǒng)能夠有效濾除北斗授時(shí)接收機(jī)輸出秒信號(hào)的噪聲，提高了授時(shí)精度；頻率準(zhǔn)確度測(cè)試結(jié)果如圖10所示，結(jié)果表明OCXO的瞬時(shí)頻率準(zhǔn)確度優(yōu)于1×10-10，24 h平均值優(yōu)于8.7×10-13，提高了OCXO的長(zhǎng)期穩(wěn)定度，有效解決了自身老化漂移的問(wèn)題。

圖9 1 pps相位變化測(cè)量結(jié)果

圖10 10 MHz頻率準(zhǔn)確度測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著北斗系統(tǒng)的快速發(fā)展，北斗授時(shí)在各行各業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，如何利用北斗授時(shí)提高本地時(shí)鐘的精度、可靠性和適用性是北斗授時(shí)應(yīng)用的一個(gè)研究重點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的基于北斗授時(shí)的時(shí)鐘馴服系統(tǒng)，采用時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換的方法實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)差測(cè)量，從而簡(jiǎn)化了馴服系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)工作的可靠性；采用滑動(dòng)平均濾波算法對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行濾波處理，有效抑制了北斗授時(shí)1 pps引入的抖動(dòng)，大大提高了時(shí)鐘馴服的精度。

試驗(yàn)結(jié)果表明，基于北斗授時(shí)馴服本地OCXO能有效解決晶振老化、準(zhǔn)確度下降和長(zhǎng)期穩(wěn)定性能差的問(wèn)題，為用時(shí)系統(tǒng)提供更準(zhǔn)確、更可靠的頻率基準(zhǔn)和時(shí)間同步信號(hào)。

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