孔維成，陳法喜，趙侃，鄧雪，臧琦，付桂濤，劉濤

光纖時(shí)間傳遞的大范圍高分辨率時(shí)延控制方法研究

孔維成1,2,3，陳法喜1,2,4，趙侃1,2，鄧雪1,2,3，臧琦1,2，付桂濤5，劉濤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)院大學(xué) 天文與空間科學(xué)學(xué)院，北京 101048；3. 中國(guó)科學(xué)院 時(shí)間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600；4. 西安電子科技大學(xué)，西安 710126；5. 北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094）

隨著原子鐘準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度的不斷提升，對(duì)于時(shí)間傳遞技術(shù)的要求越來(lái)越高。光纖時(shí)間傳遞以其高精度高穩(wěn)定性能以及安全、可靠等諸多優(yōu)勢(shì)已成為重要的時(shí)間傳遞方式。時(shí)延控制單元是光纖時(shí)間傳遞的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。光纖時(shí)間傳遞的基本原理是先通過(guò)估算或?qū)崪y(cè)等方法獲得兩地之間的傳輸時(shí)延，然后通過(guò)對(duì)傳輸時(shí)延進(jìn)行補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)時(shí)間的傳遞同步。通過(guò)FPGA（field-programmable gate array）和PLL（phase locked loop）移相技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了一種可用于光纖時(shí)間傳遞的大范圍高分辨率時(shí)延控制技術(shù)，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)證明，所述系統(tǒng)可對(duì)大范圍的時(shí)差值進(jìn)行有效控制，將實(shí)測(cè)時(shí)差值存在的偏差都控制在±20 ps以內(nèi)；并對(duì)時(shí)延控制模塊輸出的1PPS信號(hào)的實(shí)測(cè)時(shí)差數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得標(biāo)準(zhǔn)差值為8.2 ps，時(shí)延控制模塊輸出的1PPS信號(hào)的穩(wěn)定度為4.33ps@1s，0.94ps@1ks。

光纖時(shí)間傳遞；時(shí)延控制；FPGA；PLL移相

0 引言

近年來(lái)，新型原子鐘技術(shù)的發(fā)展非常迅速，隨著半導(dǎo)體激光技術(shù)、電磁囚禁技術(shù)、激光冷卻和陷俘原子技術(shù)、索莫飛秒脈沖激光技術(shù)以及相干布居囚禁（CPT）等新技術(shù)的發(fā)展以及新物理原理的應(yīng)用，原子鐘的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度已達(dá)到10-18數(shù)量級(jí)[1]。時(shí)間頻率的測(cè)量精度是目前所有物理量及物理常數(shù)中最高的，高精度時(shí)間頻率已經(jīng)成為一個(gè)國(guó)家科技、經(jīng)濟(jì)、軍事和社會(huì)生活中至關(guān)重要的參量，其應(yīng)用范圍從基礎(chǔ)研究（物理理論和基本物理常數(shù)等），滲透到了工程技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域（信息傳遞、導(dǎo)航定位、計(jì)量測(cè)試等），關(guān)系到人們生活的方方面面[2]。目前異地時(shí)鐘的時(shí)間頻率傳輸與同步主要是通過(guò)衛(wèi)星鏈路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。利用衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞（TWSTFT）[3]，衛(wèi)星共視（CV）[4]等方法可以實(shí)現(xiàn)10－15/d量級(jí)的頻率傳輸穩(wěn)定度以及納秒量級(jí)的時(shí)間同步精度。現(xiàn)有的時(shí)頻傳輸和同步技術(shù)已無(wú)法滿足高精度原子鐘時(shí)間頻率比對(duì)的需求，要發(fā)展具有更高精度的時(shí)頻傳輸與同步方法[5]。

當(dāng)前應(yīng)用于光纖時(shí)間傳遞的時(shí)延控制技術(shù)，主要依靠于移相器、可編程延遲線或FPGA（field-programmable gate array）實(shí)現(xiàn)。① 利用移相器產(chǎn)生穩(wěn)定的相位差，控制精度極高，可達(dá)到皮秒量級(jí)，但是該技術(shù)可能存在信號(hào)間斷，且控制范圍極窄，一般為10 ns；② 可編程延遲線，雖然分辨率高，但一樣難以實(shí)現(xiàn)大范圍的時(shí)延控制，一般僅為幾十納秒以下；③ 利用FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）實(shí)現(xiàn)相位移動(dòng)，由于FPGA移相的分辨率取決于FPGA的時(shí)鐘頻率，極大地限制了其分辨率，但也提高了控制范圍，如FPGA的時(shí)鐘周期為100 ns，我們可調(diào)節(jié)的范圍即為100 ns 的正整數(shù)倍，小于100 ns 的部分則無(wú)法控制。以上幾種方法對(duì)于控制范圍與控制精度均無(wú)法兼顧，本文介紹了一種綜合了FPGA控制范圍寬與移相器控制精度高的優(yōu)點(diǎn)，基于FPGA技術(shù)與PLL（phase locked loop）移相技術(shù)相結(jié)合的大范圍高分辨率時(shí)延控制方法。

一般認(rèn)為，高精度與大范圍是一對(duì)難以兼顧的控制量，提升控制精度就意味著犧牲了控制范圍，而提升了分辨范圍以犧牲控制精度為代價(jià)。本文提出一種兩全法，先由FPGA控制的大范圍部分來(lái)消除100 ns的整數(shù)倍誤差，小于100 ns的部分則由移相器部分調(diào)節(jié)。誤差調(diào)節(jié)過(guò)程分為兩步：先將原始誤差值送入FPGA環(huán)節(jié)，進(jìn)行大范圍調(diào)節(jié)得到一個(gè)小于100 ns的修正誤差值，再將修正誤差值送入移相器環(huán)節(jié)，進(jìn)一步對(duì)誤差進(jìn)行高精度修正。

為滿足實(shí)際工程應(yīng)用，本文將理論與實(shí)際相結(jié)合，把系統(tǒng)集成于光纖時(shí)間傳遞板卡與光學(xué)板卡上，此系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，不僅滿足了高精度光纖時(shí)間傳遞工程的切實(shí)需求，也使得系統(tǒng)的可操作性大大增強(qiáng)。

1 光纖時(shí)間傳遞系統(tǒng)與大范圍、高分辨率時(shí)延控制方法

時(shí)延控制單元是光纖時(shí)間傳遞的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。目前基于光纖的時(shí)間傳遞方法可分為單向法傳輸和雙向法傳輸，但是兩者所基于的基本原理是一樣的。光纖時(shí)間傳遞的基本原理是先通過(guò)估算或?qū)崪y(cè)等方法獲得兩地之間的傳輸時(shí)延，然后通過(guò)對(duì)傳輸時(shí)延進(jìn)行補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)時(shí)間的傳遞同步。本文所述光纖時(shí)間傳遞的大范圍高分辨率時(shí)延控制方法，通過(guò)FPGA技術(shù)和PLL移相技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)相位時(shí)延的粗調(diào)和細(xì)調(diào)，實(shí)現(xiàn)大范圍高分辨率的時(shí)延控制。

1.1 光纖時(shí)間傳遞系統(tǒng)

式（1）中，為光纖折射率，為光纖鏈路長(zhǎng)度，為真空中電磁波傳播速度。

由于光纖鏈路長(zhǎng)度和光纖折射率隨溫度的變化，及光纖折射率的波長(zhǎng)相關(guān)性使得光纖鏈路的時(shí)延隨外界環(huán)境溫度、激光器輸出波長(zhǎng)的變化而波動(dòng)，影響光纖時(shí)頻傳遞的穩(wěn)定性[18]。因此，克服或者補(bǔ)償時(shí)間信號(hào)的傳輸時(shí)延以及鏈路的干擾變化引起的相位抖動(dòng)是我們實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間傳遞的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。該系統(tǒng)主要包括光纖鏈路傳輸時(shí)延測(cè)量單元、運(yùn)算控制單元、光纖鏈路及其時(shí)延控制單元。圖1為光纖時(shí)間傳遞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 光纖時(shí)間傳遞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 時(shí)延控制方法

圖2 時(shí)延控制總體結(jié)構(gòu)示意圖

如圖2所示，通過(guò)時(shí)延控制單元MCU（micro control unit）對(duì)所采集的時(shí)延控制量進(jìn)行處理：

式（2）中，為時(shí)鐘周期，[ ]為取整符號(hào)，大范圍時(shí)延控制量（為正整數(shù)）被定義為對(duì)取整。

， （3）

式（3）中，為高精度時(shí)延控制量。

1.2.1 高分辨率時(shí)延控制方法

DA轉(zhuǎn)換器（digital analog converter）將小于時(shí)鐘周期的高精度時(shí)延控制量轉(zhuǎn)換為模擬電壓1，1用于控制PLL移相器內(nèi)部的鑒相電壓值2，從而完成對(duì)PLL移相器輸出信號(hào)相位的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間信號(hào)時(shí)延的細(xì)調(diào)。

時(shí)鐘信號(hào)與壓控晶振VCXO（voltage control x-tal [crystal] oscillator）信號(hào)經(jīng)過(guò)分頻（為正整數(shù)）同時(shí)輸入鑒相器，經(jīng)過(guò)鑒相器處理可得到兩個(gè)輸入信號(hào)之間的相位差，再使相位差信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器可得到代表時(shí)鐘信號(hào)與VCXO信號(hào)相位差的電壓值2。1與2同時(shí)輸入到比例積分PI（proportional integral）控制器中，使PI控制器的輸出控制VCXO信號(hào)的相位形成鎖相環(huán)，使得2＝1，從而實(shí)現(xiàn)PLL移相。圖3為PLL移相器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

本文需要用DA轉(zhuǎn)換輸出的模擬電壓來(lái)控制PLL移相器內(nèi)部的鑒相電壓值，故而DA轉(zhuǎn)換的精度直接影響到對(duì)于小于100 ns時(shí)延控制的細(xì)調(diào)分辨率。本文采用20位DA轉(zhuǎn)換器，且圖3中取為4，則時(shí)延控制分辨率約為0.4 ps。

圖3 PLL移相器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.2 大范圍時(shí)延控制方法

通過(guò)FPGA控制時(shí)鐘周期整數(shù)倍的時(shí)延以實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間信號(hào)時(shí)延的粗調(diào)。圖4為FPGA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。如圖4所示，F(xiàn)PGA內(nèi)部計(jì)數(shù)器模塊的3個(gè)引腳分別為：CLK時(shí)鐘信號(hào)輸入、CLR清零信號(hào)輸入、Q計(jì)數(shù)器輸出。

圖4 FPGA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)檢測(cè)到1 PPS的上升沿時(shí)，將計(jì)數(shù)器數(shù)值清零，不用考慮1 PPS信號(hào)的脈沖寬度（脈寬最低為100 ns）。每當(dāng)檢測(cè)到OUT信號(hào)的一個(gè)上升沿即經(jīng)過(guò)輸入信號(hào)的一個(gè)周期時(shí)值加1，將值送給比較器，與比較器的另一輸入量作比較，當(dāng)＝時(shí)，輸出1 PPS信號(hào)。圖5為大范圍時(shí)延控制方法說(shuō)明圖。

圖5 大范圍時(shí)延控制方法說(shuō)明圖

由于異步信號(hào)的輸入及邊沿檢測(cè)的延遲性，實(shí)際計(jì)算中需要減去由延遲帶來(lái)的固定時(shí)延值，固定時(shí)延值可通過(guò)仿真及實(shí)測(cè)等方法得到[19-20]。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

本文為驗(yàn)證時(shí)延控制方法所采用的實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖如圖6所示，信號(hào)源輸出的一路10 MHz和1 PPS信號(hào)輸入到時(shí)延控制模塊中，時(shí)延控制模塊輸出經(jīng)過(guò)時(shí)延控制后的1 PPS信號(hào)，作為時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器SR620的關(guān)門信號(hào)。信號(hào)源輸出另一路的信號(hào)10 MHz作為時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器SR620的參考頻率信號(hào)，輸出另一路1 PPS信號(hào)作為SR620的開(kāi)門信號(hào)。通過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)定時(shí)延控制量，并采集SR620的測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖7為實(shí)驗(yàn)裝置圖。

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖

圖7 實(shí)驗(yàn)裝置圖

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)一，時(shí)延控制模塊的準(zhǔn)確度測(cè)試。計(jì)算機(jī)設(shè)定時(shí)延控制量，并連續(xù)5 min采集SR620的數(shù)據(jù)，將測(cè)量的平均值記錄為實(shí)測(cè)的時(shí)延值；重復(fù)上述步驟多次改變?cè)O(shè)定的時(shí)延控制量，采集數(shù)據(jù)。表1為時(shí)延控制模塊準(zhǔn)確實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表。

表1 時(shí)延控制模塊準(zhǔn)確實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表 ns

當(dāng)時(shí)延控制量設(shè)定為0.000 ns時(shí)，實(shí)驗(yàn)裝置存在系統(tǒng)誤差19.831 ns，這個(gè)偏差主要由同軸線的時(shí)延、芯片傳輸時(shí)延、SR620測(cè)量的系統(tǒng)等因素引入。在扣除這個(gè)系統(tǒng)偏差影響后，計(jì)算出各個(gè)時(shí)延設(shè)定值下的實(shí)測(cè)時(shí)差值存在的時(shí)間偏差都在±20 ps以內(nèi)，這個(gè)偏差基本上與SR620測(cè)量非線性引入的偏差相當(dāng)。理論上時(shí)延控制范圍為無(wú)窮大，本次實(shí)驗(yàn)所測(cè)定的時(shí)延控制量的范圍為51 657 894.341 ns，當(dāng)設(shè)定時(shí)延值為5 165 7894.341 ns時(shí)，時(shí)間偏差依然可以控制在20 ns以內(nèi)。

實(shí)驗(yàn)證明，基于FPGA技術(shù)與PLL移相技術(shù)相結(jié)合的時(shí)延控制方法不僅可控制大范圍時(shí)延且精度水平已經(jīng)遠(yuǎn)可以滿足在目前高精度光纖時(shí)間傳遞系統(tǒng)中的應(yīng)用，在未來(lái)中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心正在建設(shè)的高精度國(guó)家地基授時(shí)系統(tǒng)中也將發(fā)揮重要作用。

實(shí)驗(yàn)二，時(shí)延控制模塊輸出1 PPS信號(hào)的穩(wěn)定度。設(shè)定時(shí)延量為304.171 ns，采集24 h的數(shù)據(jù)，測(cè)得的時(shí)差數(shù)據(jù)圖如圖8所示，對(duì)于所測(cè)得時(shí)延控制模塊輸出的1 PPS信號(hào)的實(shí)測(cè)時(shí)差數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得標(biāo)準(zhǔn)差值為8.2 ps。

為了進(jìn)一步分析測(cè)量的穩(wěn)定度，將采集到的時(shí)差數(shù)據(jù)經(jīng)處理得到的時(shí)延控制模塊輸出的1 PPS信號(hào)穩(wěn)定度如圖9所示，圖中所示曲線時(shí)間偏差TDEV（time deviation）為4.33 ps@1 s，0.94 ps@1 ks。

圖8 實(shí)測(cè)時(shí)差數(shù)據(jù)圖

圖9 時(shí)延控制模塊輸出1 PPS信號(hào)穩(wěn)定度圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)FPGA和PLL移相技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了一種可用于光纖時(shí)間傳遞的大范圍高分辨率時(shí)延控制技術(shù)，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)證明，本文所述系統(tǒng)可對(duì)大范圍的時(shí)差值進(jìn)行有效控制，將實(shí)測(cè)時(shí)差值存在的偏差都控制在±20 ps以內(nèi)，相比于FPGA時(shí)延技術(shù)，控制精度由納秒量級(jí)提升至皮秒量級(jí)。時(shí)延控制模塊輸出的1 PPS信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差值為8.2 ps，時(shí)延控制模塊輸出的1 PPS信號(hào)的穩(wěn)定度為4.33 ps@1 s，0.94 ps@1 ks。

光纖時(shí)間傳遞以其較高的精度指標(biāo)優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)有著重要而廣闊的應(yīng)用前景。本文所介紹的時(shí)延控制方法具有大動(dòng)態(tài)范圍和高分辨率的特點(diǎn)，已成功應(yīng)用于光纖時(shí)間傳遞研究與應(yīng)用領(lǐng)域，為國(guó)家授時(shí)中心研制的光纖時(shí)間傳遞系統(tǒng)在不同復(fù)雜環(huán)境條件下實(shí)現(xiàn)較高的時(shí)間傳遞指標(biāo)提供了基礎(chǔ)，為十三五國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“高精度地基授時(shí)系統(tǒng)”提供了支撐。

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Study on the time delay control method with large range and high resolution in optical fiber time transfer

KONG Wei-cheng1,2,3, CHEN Fa-xi1,2,4, ZHAO Kan1,2, DENG Xue1,2,3, ZANG Qi1,2, FU Gui-tao5, LIU Tao1,2

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;2. School of Astronomy and Space Science, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;3. Key Laboratory of Time and Frequency Standards, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;4. Xidian University, Xi’an 710126, China;5. Beijing Satellite Navigation Center, Beijing 100094, China)

With the increasing accuracy and stability of atomic clocks, the requirements for time transfer technology are getting higher and higher. Optical fiber time transfer has become an important time transfer method due to its high accuracy and high stability, as well as safety, reliability and stability. The delay control unit is an important part of fiber optic time transfer. The basic principle of optical fiber time transmission is to obtain the transmission delay between the two places through estimation or actual measurement, and then realize the synchronization of the transmission of time by compensating for the transmission delay. In this paper, a large-range high-resolution time-delay control technology that can be used for fiber time transfer is realized by the application of FPGA and PLL phase shifting technology. It has been proved by many experiments that the system described in this paper can effectively control a large range of time difference, and control the deviation of measured time difference to within ±20 ps. The measured time difference data of 1 PPS signal output by the time delay control module was analyzed to obtain a standard deviation of 8.2 ps. The stability of 1 PPS signal output from the delay control module is 4.33 ps@1 s, 0.94 ps@1 ks.

optical fiber time transfer; time delay control; field-programmable gate array(FPGA); phase locked loop(PLL) phase shift

10.13875/j.issn.1674-0637.2019-03-0206-08

2019-01-23；

2019-03-28

國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃資助項(xiàng)目（91636101，91836301）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2016YFF0200200）；中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）資助項(xiàng)目（XDB21000000）

孔維成，女，碩士研究生，主要從事通信與信息系統(tǒng)研究。