基于北斗授時的時鐘馴服系統設計

劉鐵強，霍 婧

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室，河北 石家莊 050081)

0 引言

時間是物理學中7個基本物理量之一，與人們的日常生活、科技發展密切相關。在測控與通信系統中，隨著技術探索的進步，對時間頻率基準源的精度要求越來越高。高精度的頻率源(如氫原子鐘、銫原子鐘和銣原子鐘)能夠為測控與通信系統提供高精度的時間頻率基準，但價格高，難以普及使用[1]。常用的OCXO等二級頻標價格低廉，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，長期穩定度較差，很難滿足測控與通信系統需求[2]。

隨著我國北斗衛星導航系統的發展[3]，北斗授時在軍民各領域中得到了廣泛應用，本文利用北斗授時的特點對本地OCXO進行馴服，能夠有效解決OCXO由于老化以及長期穩定性差帶來頻率漂移等問題。

利用北斗授時校準本地OCXO，需要測量北斗授時1 pps信號與OCXO分頻產生1 pps信號的時間差，通過時間差計算頻率偏差，再根據頻率偏差改變OCXO的壓控電壓實現對OCXO的校準。因此，時差測量的精度在時鐘馴服系統中起著至關重要的作用。目前高精度的時差測量方法有多種，文獻[4]提出了基于FGPA的延遲線內插法測時差，其測量精度達到121 ps，但測量線性化較差、成本高，易受溫度變化的影響；文獻[5]介紹了一種模擬內插法測時差，其測量精度達到400 ps，但易受噪聲干擾、實現困難。

本文采用時間數字轉換器(Time Digital Converter，TDC)實現時差測量，其測量分辨率達到50 ps，測量精度優于250 ps[6]，設計簡單、成本低，能夠有效保證時鐘馴服的精度。

1 基于北斗授時馴服OCXO原理

采用時間比對方法[7]，用北斗接收機輸出1 pps信號與本地OCXO分頻輸出1 pps信號進行時差比對，每秒測量一次，根據頻率和周期互為倒數的關系，計算頻率準確度為[8]：

(1)

式中，A為頻率準確度；f0為頻標(10 MHz)；Δf為頻率偏差；Δtn為第Tn時刻測得的OCXO分頻輸出1 pps與北斗接收機輸出1 pps信號的時間差；Tn為測量時刻。

根據計算的頻率準確度以及絕對時差綜合產生OCXO的壓控電壓，實現對OCXO頻率的校準和本地時間調整[9]，達到時鐘馴服的目的。

2 系統設計

2.1 馴服系統總體架構

系統組成框圖如圖1所示。由北斗天線及授時接收機組成的北斗授時模塊、TDC組成的時差測量模塊、FPGA組成的數據處理及分頻模塊、數模轉換器(DAC)和運算放大器組成的壓控模塊以及頻率源OCXO等組成[10]。其中，北斗授時接收機輸出1 pps信號作為系統的參考；分頻模塊以OCXO輸出10 MHz信號為時鐘，分頻產生1 pps信號；時差測量模塊完成二者時差測量并將結果送入數據處理模塊，數據處理模塊對時差測量數據進行數字濾波，根據濾波結果調整壓控模塊的輸出電壓，校準本地時鐘和相位，實現對OCXO的馴服[11]。

圖1 系統組成

2.2 壓控模塊硬件電路設計

調整OCXO輸出頻率，需要改變OCXO控制電壓。系統根據測量時間差計算頻率差，通過控制DAC改變輸出電壓值，經過信號調理后控制OCXO，改變其輸出頻率。

本文選用遠東時頻公司的高性能的OCXO，型號為DOC36L5E19WS01-10.00M型，其牽引頻率范圍±5×10-8，壓控電壓范圍0～4 V；DAC轉換器選用ADI公司的16位高精度DA轉換器，其輸出電壓步進對OCXO的理論頻率調節分辨率達到1.53×10-12。為保證DAC輸出電壓精度，需選用專用的基準穩壓芯片，并設計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 時差測量模塊硬件設計

時差測量是系統的核心，其測量精度決定了時鐘馴服的速度和精度。為了克服直接時間間隔測量方法存在的誤差問題，設計了基于時間數字轉換器TDC-GP2的時差測量模塊。

TDC-GP2是德國ACAM公司出品的第二代時間數字轉換器，其分辨率的典型值達到50 ps，測量范圍500 ns～4 ms[12]。TDC-GP2采用量化延遲的時間間隔測量方法，利用器件所組成的延時鏈和器件本身延時特性，使時間信號通過一系列的延時單元，依靠延時單元的延時穩定性，在微控制器的控制下對延時單元的狀態進行高速采集與數據處理，從而實現短時間的精確測量[13]。TDC-GP2的時間間隔測量原理框圖如圖3所示，波形圖如圖4所示。

圖3 TDC-GP2時差測量原理

圖3中將串在一起的延時單元所組成的延時鏈作為被測時間間隔的傳輸通道，每個延時單元的輸出端接到鎖存器的數據輸入端，將被測時間間隔的Start信號作為延時鏈的輸入信號，而以Stop信號作為取樣鎖存信號，則Start信號在延時鏈中所經過的延時單元的個數就正比于所測的時間間隔值[14]。

圖4 TDC-GP2時差測量波形

從圖4可以看出，在Stop信號到來時D觸發器對其輸入數據進行采樣鎖存，這樣就可以得知此時Start開始信號已經通過了幾個延時單元，根據其所通過的延時單元數目獲取待測的時間間隔[15]：

tn=Nt，

(1)

式中，tn為待測延時間隔；N為Start信號通過的延時單元的個數；t為延時單元的延遲時間。

在時鐘馴服系統中，將北斗接收機輸出1 pps作為開門信號，本地OCXO分頻產生的1 pps作為關門信號，分別輸入TDC-GP2，用FPGA讀取測量結果。本地1 pps送入TDC之前，使用北斗接收機輸出的1 pps進行粗同步，并用FPGA加入固定時延，保證二者時差在TDC的測量范圍內，時差測量模塊電路原理框圖如圖5所示。

圖5 時差測量模塊電路原理

3 數據處理

整個系統的控制核心是Altera公司的CycloneII系列FPGA。時序邏輯處理部分采用VHDL語言[16]，數據處理和控制部分在FPGA的NOIS核上使用C語言實現。

根據式(1)可知，由時差結果能夠獲取OCXO相對于北斗系統的頻率偏差，將頻率偏差轉化為OCXO的壓控電壓，通過控制高精度DAC完成對OCXO頻率的修正，實現對OCXO的馴服。

由于電離層、對流層和多徑等因素的影響，接收機輸出1 pps存在較大噪聲，其短期穩定度較差，標稱授時精度50 ns，因此由TDC測量的時差結果要經過數字濾波處理后才能作為控制的輸入量，本文采用滑動平均濾波算法，能夠有效抑制北斗接收機輸出1 pps信號的抖動。

以n為濾波窗口長度對測量的時差數據Δt1，Δt2，……，Δtn，……進行滑動平均值濾波，獲得濾波后的時差結果ΔT1，ΔT2，……，ΔTn，……，由于授時1 pps包含的是隨機誤差，所以只要將n值取足夠大，1 pps抖動趨近于零[17]。系統測量得到的OCXO分頻產生1 pps相對于北斗接收機輸出授時1 pps時差曲線，以及經過滑動平均濾波后的時差曲線如圖6所示。經過濾波后時差數據的抖動明顯減小，達到抑制授時1 pps信號抖動的目的。

圖6 時差結果濾波后曲線

4 實驗測試

搭建基于北斗授時的時鐘馴服系統試驗測試環境，在衛星信號接收正常的情況下對OCXO的馴服性能進行了測試。以銫鐘5585B為參考，在馴服系統鎖定后，測試馴服過程中OCXO分頻產生的1 pps相對于銫鐘輸出1 pps相位變化如圖7所示；以銫鐘5585B為參考，在馴服系統鎖定后，測試馴服過程中OCXO輸出10 MHz信號頻率準確度，如圖8所示。

圖7 1 pps相位變化測試框圖

圖8 10 MHz頻率值測試框圖

時差測試結果如圖9所示，其峰峰值小于55 ns，結果表明馴服系統能夠有效濾除北斗授時接收機輸出秒信號的噪聲，提高了授時精度；頻率準確度測試結果如圖10所示，結果表明OCXO的瞬時頻率準確度優于1×10-10，24 h平均值優于8.7×10-13，提高了OCXO的長期穩定度，有效解決了自身老化漂移的問題。

圖9 1 pps相位變化測量結果

圖10 10 MHz頻率準確度測試結果

5 結束語

隨著北斗系統的快速發展，北斗授時在各行各業的應用越來越廣泛，如何利用北斗授時提高本地時鐘的精度、可靠性和適用性是北斗授時應用的一個研究重點。本文設計的基于北斗授時的時鐘馴服系統，采用時間數字轉換的方法實現高精度的時差測量，從而簡化了馴服系統的硬件設計，提高了系統工作的可靠性；采用滑動平均濾波算法對測量結果進行濾波處理，有效抑制了北斗授時1 pps引入的抖動，大大提高了時鐘馴服的精度。

試驗結果表明，基于北斗授時馴服本地OCXO能有效解決晶振老化、準確度下降和長期穩定性能差的問題，為用時系統提供更準確、更可靠的頻率基準和時間同步信號。

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