肖波，樊多盛，王文利，劉婭

（1.中國科學院 國家授時中心，西安710600；2.中國科學院 時間頻率基準重點實驗室，西安710600；3.中國科學院大學，北京100049）

0 引言

隨著科技的發(fā)展，在高速交通工具、深空探索、衛(wèi)星導航系統(tǒng)、武器精確打擊等多個領域要求時間同步的精度達到納秒級甚至更高。所謂時間同步，即以某一個信號為參考，通過調(diào)整另一個信號，使兩個信號保持同步[1]。精密相位微躍技術(shù)就是為滿足以原子鐘為頻率源的時頻系統(tǒng)間的時間同步需求發(fā)展起來的。以頻率源輸出的頻率信號為參考，產(chǎn)生系統(tǒng)時間頻率信號，通過高精度比對獲得系統(tǒng)間的時間偏差，然后利用相位微躍技術(shù)對其中一個系統(tǒng)的信號的頻率或相位進行微調(diào)，在不改變原子鐘輸出信號特性的前提下，實現(xiàn)系統(tǒng)間時間頻率信號的高精度同步[2-4]。

本文圍繞精密相位微躍方法及高精度1 PPS信號的產(chǎn)生原理展開研究，緊密結(jié)合實際需求進行了理論分析和工程實踐，提出了一種高精度相位微躍秒脈沖信號發(fā)生器的研制方法，以外部頻率為10 MHz的正弦信號作為參考輸入，利用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（DDS）和可編程邏輯器件（CPLD），實現(xiàn)了對秒脈沖信號相位的精密調(diào)節(jié)。

1 工作原理

本文所指的高精度相位微躍1 PPS信號，主要是指對1 PPS信號在1 s周期內(nèi)以500 ps的步進量進行偏移。目前能實現(xiàn)信號高精度相位微躍的方法有很多，如基于DDS的相位微躍技術(shù)和基于CPLD的脈沖信號合成及相位偏移技術(shù)等[5]。

DDS芯片內(nèi)部集成有相位偏置寄存器，通過改變相位控制字的值可以實現(xiàn)DDS合成信號的相位偏移。在相位控制字位數(shù)不變的情況下，DDS合成信號的頻率越大，則周期越小，DDS所能偏移的時間間隔步進量越小，相位偏移的分辨率越高[6]。但DDS技術(shù)只能對合成的信號在單個周期內(nèi)進行相位偏移，對于整周期的相位偏移會產(chǎn)生相位超前滯后的誤判。同時DDS技術(shù)為了實現(xiàn)高精度的相位偏移，不能合成秒脈沖信號。

CPLD技術(shù)通過計數(shù)原理來合成1 PPS信號，同時對外部輸入的參考脈沖信號進行計數(shù)延遲處理，可以對合成的1 PPS信號進行相位偏移[6]。對于以10 MHz的標準頻率信號作外部參考源，CPLD產(chǎn)生的秒脈沖信號的相位偏移分辨率理論上僅能達到0.1μs。CPLD外部輸入的參考信號頻率越高，其可實現(xiàn)相位偏移分辨率越高。要使相位偏移的分辨率達到1 ns甚至更高，則輸入的參考信號頻率要達到1 GHz以上，不適用于典型輸出頻率為5，10，100 MHz的頻率源作外部參考。

綜合考慮以上兩種相位偏移技術(shù)的特點，本文研制高精度相位微躍1PPS信號發(fā)生器，以頻率為10 MHz標準信號作為外部參考，結(jié)合CPLD的相位粗調(diào)（對參考信號進行整數(shù)周期時間長度的相位偏移）和DDS的相位細調(diào)技術(shù)（對DDS所合成的信號進行小數(shù)倍周期時間長度的相位偏移），既能滿足以標準頻率信號作為外部參考輸入，又能實現(xiàn)對秒脈沖信號相位的精密調(diào)節(jié)。

1.1 基于DDS技術(shù)的相位偏移原理

直接頻率合成技術(shù)（DDS）從相位的角度出發(fā)直接進行信號合成，具有分辨率高，信號轉(zhuǎn)換速度快，相位噪聲低等特點。DDS工作原理框圖如圖1所示。其主要由系統(tǒng)時鐘模塊、相位累加器、相位加法器、相位幅度轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器組成。其中系統(tǒng)時鐘模塊以外部輸入的頻率為10 MHz的信號為參考，為DDS內(nèi)部的各個部件提供統(tǒng)一的工作時鐘CLKf；N位字長的相位累加器以系統(tǒng)時鐘CLKf為取樣間隔，根據(jù)設定的頻率控制字FTW對相位進行線性累加；相位加法器將累加器產(chǎn)生的相位值與設定M位的相位控制字（frequency control word，PTW）相加，以此來實現(xiàn)對輸出信號的相位偏移[7]。

圖1 DDS工作原理框圖

由DDS的工作原理可知，DDS合成的信號頻率與頻率控制字FTW有關(guān)，其關(guān)系表達式為

式（1）中：fout表示輸出信號的頻率，RFTW表示頻率控制字，fCLK表示DDS內(nèi)部工作的系統(tǒng)時鐘。FTW參數(shù)的選擇，關(guān)系到DDS的小數(shù)和整數(shù)分頻，通常可以根據(jù)要得到的輸出頻率值去逆推FTW的值[8]?？紤]到DDS本身的截斷誤差對輸出信號頻譜雜散的影響，F(xiàn)TW取值一般為2的冪次方[9-11]。

如圖2所示為DDS相位偏移的示意圖。圖中圓周的弧度對應著一個信號的相位周期2π，將圓周分

圖2 DDS相位偏移示意圖

成2M等份，則每一份表示DDS相位偏移的最小步進量（即相位偏移的分辨率），其表達式為

通過設置M位的相位控制字PTW的大小，可以對生成信號進行相位偏移[12]。生成信號的相位偏移量表達式為

對于輸出頻率fout不同的信號，時間周期Tout（Tout=1fout）相同。即使在具有相同的相位偏移量情況下，其時間的偏移量也不相同。因此可以根據(jù)式（4）將相位的偏移轉(zhuǎn)換為時間的偏移，時間偏移的分辨率表達式為

生成信號的時間偏移量表達式為

由式（5）可知，信號的高精度的時間偏移不僅與相位累加器的字長M有關(guān)，還與合成信號的頻率大小有關(guān)。為了滿足高精度時間偏移的要求，應綜合考慮字長M與信號頻率的取值。常見DDS的相位累加器字長M一般可以達到14位，對于頻率為100 kHz的信號，則其時間步進量（分辨率）理論上可以達到0.6 ns。因此可以采用DDS技術(shù)來合成信號并對其進行高精度相位偏移，以此達到相位細調(diào)的目的。

1.2 基于CPLD的脈沖信號合成及相位偏移原理

基于CPLD的脈沖信號合成及相位偏移原理如圖3所示。其中計數(shù)器1用來合成1 PPS信號，計數(shù)器2用來確定要偏移的時間間隔。

圖3 基于CPLD技術(shù)的脈沖信號合成及相位偏移原理框圖

1 PPS信號的合成和相位偏移采用CPLD中的兩個預置計數(shù)器分別對輸入的參考信號通過周期計數(shù)的方式實現(xiàn)分頻和相位延遲。在1 PPS信號產(chǎn)生之前的初始化階段，需先給兩個計數(shù)器設置預置數(shù)，其中計數(shù)器1中的預置基數(shù)表示分頻系數(shù)，計數(shù)器2中的預置數(shù)表示相位延遲的周期數(shù)[13-15]。

圖4所示為1 PPS信號合成及相位粗調(diào)波形示意圖。在信號移相之前，CPLD根據(jù)計數(shù)器1中預置數(shù)對參考信號進行周期計數(shù)，以此實現(xiàn)分頻，產(chǎn)生1 PPS信號[16]。若要實現(xiàn)相位偏移功能，則需首先使CPLD根據(jù)計數(shù)器2中預置數(shù)的值對參考信號進行周期計數(shù)，當達到設定的延遲時間后，啟動計數(shù)器1進行1 PPS信號的合成[17]。

圖4 脈沖信號合成及相位粗調(diào)波形示意圖

2 1 PPS信號發(fā)生器總體設計

高精度相位微躍秒脈沖信號發(fā)生器主要分為相位細調(diào)和粗調(diào)兩個部分來實現(xiàn)1PPS信號的精密移相。其中相位細調(diào)部分通過改變DDS的相位控制字來實現(xiàn)，工作流程如下：首先外部輸入頻率為10 MHz的參考信號作為DDS的系統(tǒng)工作時鐘，由單片機驅(qū)動控制DDS，設置合適的頻率控制字，使DDS輸出一個特定頻率fout的中間信號，DDS輸出信號頻率的大小取決于系統(tǒng)設計所要求偏移的最小時間間隔；然后DDS輸出的中間信號經(jīng)過放大后再由低通濾波器進行平滑處理形成正弦波形，再經(jīng)由整形電路轉(zhuǎn)換成方波作為CPLD的參考輸入信號；最后計算機通過RS232接口將相位偏移數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機，單片機根據(jù)接收到的相位偏移數(shù)據(jù)來判斷相位偏移的粗調(diào)量和細調(diào)量，通過串口通信的方式把粗調(diào)值發(fā)送給CPLD，通過設置CPLD內(nèi)部計數(shù)器1、計數(shù)器2的基數(shù)值，使CPLD合成1 PPS信號并對其進行相位粗調(diào)。同時單片機將細調(diào)值轉(zhuǎn)換成相位控制字，使DDS實現(xiàn)相位細調(diào)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本文研制的秒脈沖信號發(fā)生器要求移相精度達到0.5 ns，由式（5）可知，DDS輸出中間信號的周期最大值或頻率最小值應滿足：

對于外部輸入頻率為10 MHz的參考信號，為了避免DDS截斷誤差對輸出信號頻譜雜散的影響，綜合考慮整個電路系統(tǒng)的可行性，選取頻率控制字RFTW=244，DDS輸出信號頻率fout或周期Tout的大小可設定為：

當fout=625 kHz 時，fout＞fmin，時間偏移的最小間隔理論上可達到ΔTres=98 ps，因此可以利用具有14位相位控制字的DDS芯片實現(xiàn)。整個DDS電路系統(tǒng)可實現(xiàn)0.5ns～1.6μs范圍的相位偏移，步進為0.5 ns。對于1.6μs以上的時間偏移，則可以分為1.6μs的整數(shù)周期時間長度的偏移和小于單個周期時間長度范圍內(nèi)的偏移兩部分來進行。首先1.6μs的整數(shù)周期時間偏移由CPLD的粗調(diào)來實現(xiàn)，然后小于單個周期時間長度范圍內(nèi)的偏移由DDS的細調(diào)來實現(xiàn)。

2.1 系統(tǒng)硬件組成

該系統(tǒng)選用的是ARM單片機，型號為STM32F103ZET6。該單片機采用Cortex-M3內(nèi)核，IO控制端口數(shù)量多，同時具有多個串口通信端口，電源供電為3.3 V。IO輸出電平與CPLD、DDS的控制端口電平保持一致[18]。

DDS器件選用AD公司生產(chǎn)研制的AD9854芯片。AD9854具有48位頻率控制字和14位相位控制字（即N=48，M=14），具有較高的頻率分辨率和相位分辨率。AD9854內(nèi)部集成有高速比較器，DA輸出性能良好，具有極好的動態(tài)特性：80 dBSFDR@100 MHz（±1 MHz）模擬輸出[19-20]。

低通濾波電路采用的是7階LC巴特沃斯無源低通濾波器[21]，其電路結(jié)構(gòu)和傳輸特性分別如圖6、圖7所示。圖6所示的巴特沃斯無源低通濾波輸入輸出阻抗均為50Ω，圖7所表示的濾波器傳輸特性，其-3 dB截止頻率點約為880 kHz。在設計制作低通濾波電路的過程中，應該考慮PCB引線和過孔的寄生參數(shù)對電路的影響，使濾波電路達到理想特性[22]。

圖6 LC巴特沃斯低通濾波器電路結(jié)構(gòu)

圖7 LC低通濾波器傳輸特性

CPLD器件選用的是Altera公司MAXII系列EPM1270T144C5N，該芯片功耗低、性能穩(wěn)定。由于CPLD是對DDS產(chǎn)生的頻率為625 kHz（周期為1.6μs）經(jīng)整形后的方波信號進行計數(shù)，當CPLD內(nèi)部計數(shù)器1計數(shù)到624 999時，CPLD的計數(shù)器1輸出一個秒脈沖信號，改變CPLD中計數(shù)器2的基數(shù)值，可以對計數(shù)器1產(chǎn)生的1 PPS信號進行1.6μs時間長度的整數(shù)倍延遲。

2.2 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件由STM32單片機程序和CPLD程序兩部分組成。STM32單片機作為系統(tǒng)主控芯片，系統(tǒng)初始化后寫入頻率控制字，控制DDS合成信號，同時通過串口接收來自計算機的相位偏移值，對相位偏移值進行分析處理后換算成1.6μs的整數(shù)倍和1.6μs時間內(nèi)兩部分。首先通過單片機的串口將1.6μs的整數(shù)倍值發(fā)送給CPLD并賦值給計數(shù)器2的基數(shù)值Q，通過判斷基數(shù)值Q是否為0來確定是否進行相位粗調(diào)。若Q≠0，則由計數(shù)器2進行周期計數(shù)延遲后再由計數(shù)器1合成秒脈沖信號；若Q=0，則計數(shù)器2不工作，直接由計數(shù)器1合成秒脈沖信號[23]。對于小于1.6μs時間內(nèi)的相位偏移，可通過轉(zhuǎn)換成相位控制字來驅(qū)動DDS進行相位偏移。軟件流程圖如圖8所示。

圖8 軟件設計流程圖

3 實驗分析

實驗測試的目的主要是驗證所研制系統(tǒng)輸出1 PPS信號的抖動（jitter）性能和相位偏移分辨率。通過設計1 PPS信號抖動性能測試實驗及其相位偏移測試實驗，對所研制的設備的工作性能進行評估。

3.1 1 PPS信號抖動性能測試

在秒脈沖信號抖動性能測試實驗中，使用的是中國科學院國家授時中心UTC（NTSC）的主鐘10 MHz信號作為參考，經(jīng)頻率分配放大器輸出多路信號，一路作為相位微躍1 PPS信號發(fā)生器的參考輸入。另一路作為時間間隔計數(shù)器SR620的外部參考時鐘。使用時間間隔計數(shù)器SR620，以UTC（NTSC）主鐘的1 PPS信號為參考，測量相位微躍1 PPS信號發(fā)生器輸出1 PPS信號與參考1 PPS的時差，以此來評估產(chǎn)生的1 PPS信號的抖動性能。測試框圖如圖9所示。

圖9 1 PPS信號測試框圖

使用SR620計數(shù)器每秒測一個數(shù)據(jù)，測量時間持續(xù)24 h，總共采樣86 400個數(shù)據(jù)。對所采樣的數(shù)據(jù)進行分析和歸一化處理，得到測試結(jié)果如圖10所示。

圖10 1 PPS信號時間間隔波動圖

由采樣數(shù)據(jù)計算得到該相位微躍1 PPS信號發(fā)生器產(chǎn)生的1 PPS信號與參考1 PPS信號的相位偏差的標準差為95.8 ps。

3.2 1 PPS信號相位偏移測試

在秒脈沖信號相位偏移的測試實驗中，測試實驗框圖與圖9相同，使用SR620計數(shù)器持續(xù)測試，測試過程中發(fā)送步進量為500 ps的相位偏移命令給單片機，使相位微躍秒脈沖信號發(fā)生器輸出的1 PPS信號產(chǎn)生500 ps的相位偏移。對測量數(shù)據(jù)進行分析和歸一化處理后，得到如圖11所示的3組時間間隔為500 ps的相位偏移圖。

圖11 時間間隔為500 ps的相位偏移圖

圖11中的水平直線表示相位偏移前后1PSS信號的時差均值，本文用相位偏移前后的時差均值差判斷1 PPS信號的相位偏移的分辨率。圖11所示的3次相位偏移后均值差分別約為522，554和474 ps，與實際調(diào)偏量500 ps的偏差分別是22，54和-26 ps，存在偏差的主要原因是相位微躍秒脈沖信號發(fā)生器輸出的秒脈沖信號存在隨機起伏，如圖10所示，24 h時差的標準差為95.8 ps。該相位微躍秒脈沖信號發(fā)生器可以在±50 ps的誤差范圍內(nèi)實現(xiàn)500 ps的相位偏移。

4 結(jié)語

文章對相位微躍秒脈沖信號發(fā)生器的工作原理進行了詳細闡述，并給出了硬件和軟件設計方法。實驗結(jié)果表明，信號發(fā)生器合成的1 PPS與參考1 PPS信號時差的標準差為95.8 ps，相位偏移分辨率為500 ps。信號發(fā)生器集1 PPS信號合成和相位微躍于一體，解決了時間同步過程中高精度相位偏移的問題。本文研制的高精度相位微躍1 PPS信號發(fā)生器采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)和CPLD數(shù)字分頻技術(shù)，設計簡潔明了。它既可以用于合成高穩(wěn)定度的1 PPS信號，又能對秒脈沖信號進行高精度的相位微躍。