頻率源對時間同步精度影響的定量分析

王 霞

山西省計量科學(xué)研究院 山西 太原 030032

引言

以銣頻標(biāo)為主用、石英晶振為備用的頻率源是時統(tǒng)系統(tǒng)的重要組成部分。受頻標(biāo)準(zhǔn)確度和漂移率的影響，頻率源輸出頻率會隨著時間推移而發(fā)生變化，從而引起時間同步精度的變化。對兩種頻標(biāo)影響時間同步精度的程度進(jìn)行了定量分析與對比，給出了具體的調(diào)整方法，保證了時統(tǒng)系統(tǒng)的可靠性。

1 精度時間間隔測量方法

時間間隔測量的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個過程：參考時鐘計數(shù)、模擬電路、數(shù)字電路。當(dāng)前高精度時間間隔測量主要是通過數(shù)字電路來實現(xiàn)的：兩個信號之間的時間間隔取決于開始時刻點和結(jié)束時刻點，在電路中分別被稱為開始(start)信號和結(jié)束(stop)信號，時間間隔測量結(jié)果是兩個信號對應(yīng)的量化數(shù)字值。目前常用的高精度時間間隔測量方法包括時鐘計數(shù)法、模擬擴(kuò)展方法、數(shù)字延時線法、游標(biāo)尺法、延時線矩陣法、脈寬縮減法、延時線振蕩器法、鎖相環(huán)法等。時鐘計數(shù)法是通過計數(shù)器計算待測時間間隔內(nèi)的時鐘周期的個數(shù)來實現(xiàn)高精度時間間隔測量，參考時鐘的頻率決定了時間間隔測量精度；模擬擴(kuò)展方法主要是利用待測窄脈沖對電容充電，然后利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣充電電壓或者利用比較器將電容充放電后的電壓信號整形為擴(kuò)展脈沖，然后用時鐘計數(shù)方法實現(xiàn)高精度時間間隔測量。延時線法、游標(biāo)尺法、延時線矩陣法、脈寬縮減法、延時線振蕩器法、鎖相環(huán)法等方法，都是基于數(shù)字測量方法的高精度時間間隔測量方法。這些方法主要是基于邏輯單元的時延實現(xiàn)的，利用高速精密采樣技術(shù)和存儲技術(shù)，通過事后數(shù)據(jù)處理(相關(guān)分析)可以實現(xiàn)高精度時間間隔測量。

2 于時間頻率基準(zhǔn)源

采用了先進(jìn)的數(shù)字集成及處理技術(shù)，而數(shù)字電路對輸出頻率的影響微乎其微，可以忽略不計，因此對時間頻率基準(zhǔn)源特性分析主要體現(xiàn)在對頻標(biāo)的特性分析上。頻標(biāo)的特性指標(biāo)主要用頻率準(zhǔn)確度、頻率漂移率和頻率穩(wěn)定度來衡量。(1)頻率準(zhǔn)確度是指頻標(biāo)的實際工作頻率測量值與頻標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)頻率之間的相對誤差，可以用頻率偏差率(即頻率準(zhǔn)確度)F來表示，即：

其中，f為頻率偏差，0f為頻標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)頻率，f為頻標(biāo)的實際工作頻率測量值。(2)頻率漂移率是指頻標(biāo)由于受內(nèi)部元器件的老化等因素影響，在工作過程中其輸出頻率值隨時間變化而引起的線性變化關(guān)系。根據(jù)實際測量的頻標(biāo)輸出的相對頻率值隨運(yùn)行時間變化的數(shù)值，用最小二乘法來計算，頻率漂移率可表示為：

其中，if為it時刻所測的相對頻率值，f為所有測量數(shù)據(jù)的平均值，頻率漂移率隨時間單位的不同有日漂移率、月漂移率和年漂移率，根據(jù)實際測量得到的結(jié)果，一般情況下月漂移率≈30×日漂移率，年漂移率≈150×日漂移率。

3 時間同步精度測試

3.1 時間傳遞精度測試 根據(jù)同步以太網(wǎng)以及時間統(tǒng)一系統(tǒng)的工作原理，時間信號的傳遞可采用2種方式，①在源端將時碼產(chǎn)生器產(chǎn)生的秒信號和時間信息經(jīng)線路適配器接入同步以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信設(shè)備，經(jīng)同步以太網(wǎng)傳輸至接收端，在接收端采用線路適配設(shè)備恢復(fù)出秒信號和時間信息；②時間信號傳輸技術(shù)為TOP(TIMINGOVERPACKET)技術(shù)，這種技術(shù)由源時鐘NTP、IEEE1588等網(wǎng)絡(luò)時間同步協(xié)議，定期地發(fā)送時間報文到從時鐘，從時鐘計算出本地時間和遠(yuǎn)端時間的差異，并將本地系統(tǒng)的時間與遠(yuǎn)端源時鐘的時間進(jìn)行同步。

3.2 于PTP技術(shù)的時間信號傳遞精度測試 采用PTP協(xié)議傳輸時間信號的設(shè)備連接關(guān)系如圖1所示

圖1基于PTP技術(shù)的時間信號傳遞的精度測量方法示意圖圖1中，時間信號產(chǎn)生設(shè)備的1PPS和IRIG-B碼信號作為PTP主時鐘的外同步信號，由PTP主時鐘產(chǎn)生精確的PTP報文，PTP交換機(jī)與PTP主時鐘同步后，向次級主時鐘發(fā)送同步PTP報文，接收端用PTP從時鐘接收PTP報文并恢復(fù)出1PPS和IRIG-B碼信號。將1PPS和IRIG-B碼與時間信號產(chǎn)生設(shè)備輸出的秒信號一同輸入時間同步精度測量設(shè)備，測量時間信號經(jīng)同步以太網(wǎng)傳輸?shù)木取?/p>

4 時差調(diào)整

從以上的分析中可以看出，無論是采用銣頻標(biāo)還是石英晶振，隨著時間的推移，受頻率準(zhǔn)確度和漂移率的影響，本地時鐘的時間與標(biāo)準(zhǔn)時間之間的時差會越來越大。當(dāng)時差超過一定范圍時，就必須對時差進(jìn)行調(diào)整。對于銣頻標(biāo)實際應(yīng)用中一般采用時刻調(diào)整方法，即時統(tǒng)站在運(yùn)行一段時間后，重新與標(biāo)準(zhǔn)時間進(jìn)行對時同步，則可以消除兩次對時之間累積的時差；對于石英晶振一般采用頻率調(diào)整方法，就是要對石英振蕩器的振蕩頻率進(jìn)行調(diào)整。同時為了滿足系統(tǒng)要求，我們應(yīng)經(jīng)常對頻標(biāo)進(jìn)行測量和調(diào)整，使其輸出值盡可能地接近標(biāo)稱值，以保證時統(tǒng)系統(tǒng)的可靠性。

結(jié)語

時間比對精度、頻率校準(zhǔn)時間、校頻準(zhǔn)確度與時間間隔測量的精度有直接的關(guān)系，高精度時間間隔測量的精度很大程度決定了時間比對以及頻率校準(zhǔn)的精度。在實際應(yīng)用中，選擇最適合的時間間隔測量方法是關(guān)鍵，不僅與測量需求和工作環(huán)境的匹配，也要考慮到實現(xiàn)成本。