多通道時間間隔實時分析儀設計與實現

2021-08-17 06:02:50鄧智峰劉音華王嘉琛

宇航計測技術 2021年1期

鄧智峰劉婭劉音華肖波王嘉琛

(1.中國科學院國家授時中心，中國科學院時間頻率基準重點實驗室，陜西西安 710600；2.中國科學院大學，北京 100039)

1 引言

近現代科學研究中，時間間隔測量及分析技術，正在廣闊的領域里起著重要作用，如在雷達探測、衛星定軌等研究中，使用高頻電磁波的反射時間來測定距離，并利用多普勒和位置差分實時分析目標速度、朝向等信息。在原子物理中需要通過時間間隔測量技術來標定粒子的飛行速度從而推斷其性質；高頻電路、集成電路中的抖動(Jitter)測量、通信系統中的調制解調等也都用到了時間間隔測量和分析技術。

近十年來，國內外的研究多基于單現場可編輯邏輯門陣列(Field Programmable Gate Array，FPGA)或FPGA與專用芯片結合的方式，不斷提升時間間隔測量的分辨力。如基于FPGA內抽頭延遲線的方法，最高可以達到8ps的分辨力。基于專用的數字時間轉換芯片TDC-GPX，可以較方便地實現8個通道同時測量，分辨力達50ps。但學界的研究多致力于提升時間間隔測量的分辨力等性能，對于數據實時分析處理涉及較少。

隨著科學技術的進步，在一些新的應用場景下，現有的儀器已經不能滿足實際需求。守時實驗室中，需要同時測量并分析多路原子鐘的運行情況，而常用的SR620時間間隔計數器只能測量兩路信號的時間間隔，且沒有實時分析功能，不利于及時發現故障并排除。由Guidetech公司生產的GT668系列產品的測量分辨力最高可達1ps，配合控制器可以實現實時分析功能，但其仍只有兩個測量通道。國產的SYN5636型計數器可測量時間間隔和頻率，時間測量分辨力最高可達20ps，且有峰峰值、阿倫方差、頻率偏差等分析功能，其最多可以有3個通道。

2 時間間隔分析方法研究

2.1 時間間隔測量基本原理

基于前文分析，本文重點解決以上問題，設計了一款大量程、多通道、高精度的時間間隔分析儀，構建了兼顧測量范圍、測量精度和多通道并行測量需求的插值法測量方案。在時間間隔測量領域，插值法是指將待測的時間間隔分為整數周期的部分和小數周期的部分分別測量。通用計數器SR620就是將插值法和時間-幅度轉換法一起使用，分辨力可達25ps。本文所用的時間間隔測量原理如圖1所示。

圖1 插值法測量基本原理圖Fig.1 Basic principles of interpolation method

以一個啟動通道和一個停止通道為例，如圖1所示，待測的時間間隔

ΔT

由啟動信號的上升沿和停止信號的上升沿決定。在啟動通道信號上升沿到來之后，開始對系統時鐘計數，在停止通道的上升沿到來之后停止計數。此部分粗測的計數結果記為

，其中

為系統時鐘周期，即為粗測量部分的分辨力。在待測時間間隔的頭部和尾部，存在不足一個系統時鐘周期的時間間隔

ΔT

和

ΔT

，對其分別進行細測。抽頭延遲線是一種集成度高、精度高、死區時間極短的數字測量方法。其基本原理如圖2所示。

多個具有固定延時的延遲單元線性排列，構成一條延遲線。在每個延遲單元的輸出端引出抽頭連接一個觸發器。細測啟動信號上升沿到來后在延遲線中傳播，觸發器依次接受輸入。細測停止信號到來后同時觸發所有觸發器時鐘，鎖存觸發器陣列。此時通過計數所有觸發器輸出端“1”的個數，

圖2 抽頭延遲線原理圖Fig.2 Principle of the tapped delay line

可以知道細測啟動信號與細測停止信號之間的延遲單元個數，從而獲得時間間隔。由于延遲單元的時延直接決定了測量分辨力，延遲單元常由進位器、非門等傳播時間極短的門電路組成。只要延遲單元構造合適，很容易實現分辨力優于百皮秒量級的時間間隔測量。

結合整數周期計數及使用抽頭延遲線測量得到的圖1中

ΔT

和

ΔT

的值，可以得到

ΔT

(1)

2.2 時間間隔分析基本方法

在得到時間間隔測量結果之后，人們更進一步地，希望得到時間間隔序列的一些性質。由于頻率源信號中的調頻閃爍噪聲、頻率隨機游走噪聲等非平穩的噪聲過程的影響，在測時領域，傳統的標準方差常常不能保證收斂。故此，基于頻率的一階差分或時差的二階差分的阿倫方差(Allan variance，AVAR)或它的平方根(Allan deviation，ADEV)已成為表征頻率信號穩定度的常用手段。

對于一個非平穩的頻率信號，其差分結果是平穩的。同樣，一個非平穩的時間間隔信號，其二階差分結果是平穩的。Barnes和Allan根據此特性，提出了阿倫方差。實際的測量過程中，往往使用有限次的測量作為阿倫方差的無偏估計。根據時差與頻率的關系，以

表示系統的取樣時間，

表示時差的測量值，

表示取樣數。則基于時差數據的阿倫方差的無偏估計可以表示為

(2)

但是阿倫方差對于調相白噪聲和調相閃爍噪聲難以分辨，由此提出了修正阿倫方差(Modified Allan variance)，以及更多適用于時間測量的時間方差(Time variance,TVAR)和它的平方根(Time deviation,TDEV)。修正阿倫方差的估計式為

(3)

時間方差則定義為

(4)

由上式可知，時間方差具有與修正阿倫方差類似的基本結構，可以更好地辨別時間系統中的噪聲類型，更適合對于時間測量系統、分配系統等系統時間穩定度的測量與分析。在大多數時間間隔測量場景中，阿倫方差和時間方差是用戶最為關注的兩個參量，故此，本文的設計以時間測量領域較常用的ADEV和TDEV為例，完成時間時間間隔測量后的實時分析功能。

3 儀器設計與實現

時間間隔分析儀按功能可分為測量和分析兩部分，其系統框圖如圖3所示。

測量模塊包括粗測模塊、細測模塊、時鐘模塊、信號整形模塊、控制器等部分。各通道待測的信號接入后，首先經過高速比較器進行整形，整形后的各路信號分別接入粗測模塊，對各測量通道的信號

圖3 時間間隔分析儀硬件框圖Fig.3 Hardware diagram of multi-channel time interval real-time analyzer

進行時間間隔粗測量的同時，生成待細測信號提供給細測模塊進行細測量，測量得到的粗測和細測結果直接送入控制器。控制器讀取并計算粗測結果和細測結果，封包后發給分析模塊，同時也接受分析模塊發送的設置指令，進行內部/外部時鐘選擇、觸發電平設置等功能。恒溫壓控晶振會為粗測模塊提供穩定的系統時鐘。當外部參考頻率接入時，基于鑒頻器的壓控晶振馴服電路會將晶振輸出頻率鎖定到外部參考頻率上，以此提高時間間隔測量的準確度。

由圖1及式(1)可知，系統的量程只取決于計數結果中

的取值范圍。只要用于計數的邏輯單元數足夠多，量程可以非常大(如本文儀器設置為200s)。基于此，使用FPGA實現粗計數擁有天然優勢。另一方面，配置完成的計數器容易復用和拓展，可以較容易地實現多通道測量。控制器則主要要求運算速度快，易于完成通信和控制功能，故此選用基于ARM的微控制器LPC1700芯片。

在構建細測模塊時，可以利用FPGA器件內部的布線資源以及進位鏈資源設計一個抽頭延遲線測量模塊。但由于FPGA內部的各級進位鏈的延遲單元不能保證完全一致，且容易受到溫度等環境影響，加之本文的多通道并行測量方式，將占用相當多的進位鏈資源，對進位鏈單元進行手動布線靈活性和可移植性差。故本文設計使用已經集成相應資源的專用時間間隔測量芯片：AMS公司的TDC-GP22芯片。該芯片精度高，集成性好，且內部集成了溫度補償，可以配置為測量范圍3.5ns～2.4μs，測量分辨力優于45ps。

但受芯片最小量程3.5ns的限制，當待細測量間隔沒有位于此測量范圍時，不能滿足測試要求。本文針對此現狀設計了時間間隔延展方案，通過延展圖1中待細測時間間隔

ΔT

和

ΔT

，使之能夠滿足芯片測量范圍要求。具體過程如圖4所示。

圖4 待細測信號拓展原理圖Fig.4 Principle of expansion of signal

由于FPGA只能計數整數倍時鐘周期，圖1中小于一個時鐘周期的部分

ΔT

，需送入TDC芯片中測量。此時有

ΔT

=4ns

(5)

不能保證其位于細測部分的測量范圍內。故FPGA將待細測信號的關門時間延長四個時鐘周期，生成

ΔT

，再送入TDC芯片中測量。此時有16ns<

ΔT

<20ns

(6)

此時，可以保證

ΔT

位于TDC芯片測量范圍內，從而可以被測量。以圖1為例，總時間間隔測量結果為

ΔT

)-(

ΔT

(7)

可知，與式(1)中結果相同。

得到測量結果后，測量模塊將數據發送給分析模塊。分析模塊硬件上主要包括微控制器、存儲器和觸摸顯示屏。其中，微控制器作為核心，使用串口和測量模塊進行通信，且驅動觸摸屏進行交互，驅動存儲器完成存儲。

數據分析由運行在微控制器中的軟件完成。收到測量模塊發送的測量結果之后，首先對數據包進行校驗，排除亂碼與傳輸錯誤；其次更新屏幕上的顯示數據；然后在后臺進行數據的存儲及分析。屏幕上默認顯示數據實時測量結果，用戶選擇“數據分析”功能后，開始在屏幕上實時顯示數據的分析結果。

本文設計中，由于兼顧多通道、大量程，故在實際計算中，為節省計算資源和內存資源，采用了間隔取樣保存的方式：對于每一個取樣間隔

，只將

的整數倍的數據存入內存中供分析，且限制取樣點數最大為200。以測量兩路秒脈沖的時間間隔為例，計算

=10s的Allan方差時，只需將數據點

…存入內存即可。此時使用的內存占用將遠小于所有數據均進入內存的常規做法。

在數據存儲過程中，將每次測量的數據編碼成文本文件，寫入到一個32G的存儲器中。假使8通道同時測量，每1s一組數據，則存儲器可以連續存儲超過5年的數據。如果存儲空間滿，用戶可以選擇停止存儲或者覆蓋最舊文件。儀器外觀及內部結構如圖5所示。

圖5 時間間隔分析儀實物圖Fig.5 The multi-channel time interval real-time analyzer

4 測試及數據分析

系統測試平臺如圖6所示。使用UTC(NTSC)主鐘輸出的10MHz信號作為時間間隔分析儀參考時鐘輸入；UTC(NTSC)主鐘輸出的1PPS信號，經過脈沖分配放大器產生多路相同的1PPS信號，送入時間間隔分析儀的啟動通道和各停止通道。理想情況下，由于被測信號同源，測試結果應無限接近零值，實測結果即能反映被測時間間隔分析儀的測試性能。將測量結果存儲于時間間隔分析儀的內部存儲中，將系統存儲器中的數據導出，使用專業頻率穩定度分析軟件Stable32進行事后分析對比。

圖6 時間間隔分析儀測試平臺框圖Fig.6 Block diagrams of test platform of multi-channel time interval real-time analyzer

本設計中，待測信號從不同通道接入，如果各通道的時延相同，則測量時可以互相抵消。但實際上，各通道的傳輸時延、器件時延都不完全相等，這部分系統誤差會以加性誤差的形式直接影響測量結果。故此，首先需要對各通道時延進行校準。由于傳輸時延、器件時延在短時間內不會變化，本文使用雙通道交換法，以啟動通道的時延為基準，標定啟動通道與每個停止通道之間的時延差。使用各通道對同一時間間隔進行測量，所得結果的最大值與最小值之差可以表征通道一致性。經過多次校準后的測量結果與未校準的測量結果對比見表1。

表1 校準前后測量結果對比Tab.1 Results before and after calibration通道校準前校準后測量結果(ps)與通道1差值(ps)測量結果(ps)與通道1差值(ps)CH1-196.46/153.53/CH22 677.562 874.02177.5624.03CH3195.22391.68145.22-8.31CH41 254.721 451.18204.7251.19CH5944.531 140.99194.5341.00CH61 724.751 921.21224.7571.22CH75 844.346 040.80144.34-9.19CH83 119.583 316.04219.5766.04

表1中，各測量結果均為連續采集5h測量結果的平均值。在校準前，各通道測量結果偏差較大，計算可得此時通道間不一致程度為6 040.80ps。對各通道依次使用雙通道交換法校準后，儀器的通道一致性明顯變好，通道間不一致程度為80.41ps。此時，各通道間的差異客觀反映了脈沖分配放大器各通道輸出信號間的不一致。

經過校準后，以通道1為例，其連續采集5h的測量結果如圖7所示。經過事后統計可知，峰-峰值為275ps，平均值為153.53ps，標準差41.36ps，測量穩定度(TDEV)可達5.68×10@1 000s。

圖7 通道1與起始通道時間間隔測試結果圖Fig.7 Measurement results of time interval between channel 1 and start channel

以通道1為例，圖8(a)為時間間隔分析儀實時分析ADEV的屏幕截圖，圖8(b)為事后分析7天數據生成的ADEV分析結果，表2列出了以上兩種方式得到的ADEV值。由圖8和表2可知，時間間隔分析儀實時分析值與專業頻率穩定度分析軟件Stable32的計算結果基本一致，說明本文為降低運算量設計的數據取樣實時分析方法能滿足穩定度分析需求。

圖8 阿倫方差實時分析與事后分析對比圖Fig.8 Results of ADEV real-time analysis and postmortem analysis

表2 實時分析與事后分析對比Tab.2 Results of real-time analysis and postmortem analysisτ/sADEV實時分析值ADEV Stable32分析值16.60×10-116.60×10-11107.01×10-127.06×10-121007.19×10-137.11×10-131 0006.70×10-146.97×10-1410 0006.72×10-157.62×10-15100 0004.66×10-164.33×10-16

5 結束語

本文研制的多通道精密時間間隔分析儀采用插值法，可同時測量8通道時間間隔。對于時差測量結果，實現了實時顯示、實時分析和存儲等功能。測試結果表明，系統量程達200s，測量標準差優于45ps，測量穩定度可達5.68ps@1 000s。可以實時分析時間間隔1s到10 000s的ADEV和TDEV。