鐘巍，龔大亮，龔航

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一種時頻信號相位補償方法

鐘巍1，龔大亮1，龔航2

（1. 中國人民解放軍 61876部隊，三亞 572022；2. 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院 衛(wèi)星導(dǎo)航研發(fā)中心，長沙 410073）

為消除信號產(chǎn)生器內(nèi)溫度變化對信號相位的影響，提出了一種恒溫控制和實時相位調(diào)整相結(jié)合的方法。在這種方法中，除恒溫控制外，基于對信號產(chǎn)生器內(nèi)部溫度、相位測量值變化率、設(shè)備調(diào)相分辨率和相位波動指標等的分析研究，合理計算實時相位調(diào)整關(guān)鍵參數(shù)，進行實時相位調(diào)整，有效地減小信號產(chǎn)生器內(nèi)部溫度變化引起的相位波動，提高了輸出端信號相位的一致性和穩(wěn)定性。

溫度；相位補償；實時調(diào)整；時間頻率

在自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，時間頻率分系統(tǒng)為衛(wèi)星軌道精密測距、高精度時間同步、信號監(jiān)測和衛(wèi)星導(dǎo)航電文注入等，提供統(tǒng)一的1 PPS，1 PPM，10 MHz等脈沖和頻率信號，確保自主衛(wèi)星導(dǎo)航各分系統(tǒng)設(shè)備工作時序，完成地面站本地時守時任務(wù)。

為實現(xiàn)以上功能，保證自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)各分系統(tǒng)協(xié)同穩(wěn)定地工作，時間頻率分系統(tǒng)中信號產(chǎn)生器為其他分系統(tǒng)提供的時間脈沖和頻率信號必須一致、穩(wěn)定。但在實際工作中，信號產(chǎn)生器由于受環(huán)境溫度等影響，輸出的脈沖和頻率信號相位產(chǎn)生波動，從而影響時間頻率分系統(tǒng)后端設(shè)備的測距精度等。若對信號產(chǎn)生器進行恒溫控制，可以減小設(shè)備內(nèi)部溫度變化，改善輸出相位波動。然而由于條件限制，恒溫控制后信號產(chǎn)生器仍存在溫度殘余變化，導(dǎo)致依然存在設(shè)備輸出相位波動的情況。因此，還需研究設(shè)備輸出相位與內(nèi)部溫度的變化規(guī)律，開發(fā)相位實時監(jiān)測與控制手段，并對設(shè)備輸出相位的溫度變化進行補償，以消除殘余溫度變化對信號相位的影響，提高時間頻率分系統(tǒng)信號產(chǎn)生器在輸出端相位的一致性和穩(wěn)定性。

時間頻率分系統(tǒng)設(shè)備相位監(jiān)測與控制原理如圖1所示。信號產(chǎn)生器預(yù)留測量端口，并通過短線纜與信號選擇器相連。相位測量部分利用時間間隔計數(shù)器SR620實現(xiàn)，其單點相位測量精度為25 ps，對多點測量作統(tǒng)計平均后可減小測量誤差；氫原子鐘的1 PPS標準信號作為相位測量的開門信號；信號選擇器完成多通道信號間的切換，依次選擇一路產(chǎn)生器輸出信號作為相位測量的關(guān)門信號；監(jiān)控軟件記錄相位測量值，并根據(jù)測量值啟動實時相位調(diào)整程序，向信號產(chǎn)生器實時發(fā)送相位調(diào)整指令，調(diào)整信號產(chǎn)生器相位，實現(xiàn)信號相位補償。信號產(chǎn)生器的相位調(diào)整采用基于直接數(shù)字式頻率合成器的鎖相環(huán)相位控制方式實現(xiàn)，相位調(diào)整精度可優(yōu)于25 ps[1]。

圖1 時頻設(shè)備相位監(jiān)測與控制原理框圖

信號產(chǎn)生器等設(shè)備的環(huán)境溫度由精密空調(diào)調(diào)節(jié)。長期觀察表明，精密空調(diào)恒溫調(diào)節(jié)能力有限，恒溫控制后設(shè)備環(huán)境仍存在殘余溫度變化，信號產(chǎn)生器內(nèi)部溫度亦隨之波動，且輸出端信號相位與設(shè)備內(nèi)部溫度變化呈明顯反比關(guān)系，以10 MHz產(chǎn)生器為例，其相位-溫度變化系數(shù)約為-80 ps/oC[2]。因此，為保證輸出的時間頻率信號相位的高度一致，必須根據(jù)設(shè)備內(nèi)部溫度與相位間的對應(yīng)關(guān)系進行建模，計算相位調(diào)整關(guān)鍵參數(shù)，作為實時相位調(diào)整程序的輸入，對隨溫度變化的相位進行實時補償[3]，保證輸出脈沖和頻率信號相位一致和穩(wěn)定。

1 實時相位調(diào)整參數(shù)的計算方法

實時相位調(diào)整的基本方法是：統(tǒng)計點測量值均值，若均值大于實時相位調(diào)整門限，則發(fā)送調(diào)相指令至信號產(chǎn)生器，調(diào)整設(shè)備輸出相位[1,4]，消除相位偏差，以滿足信號產(chǎn)生器輸出端相位穩(wěn)定和一致的要求。

1.1 實時相位調(diào)整步進量及實時相位調(diào)整門限

1.2 實時相位調(diào)整統(tǒng)計點數(shù)

在實時相位調(diào)整時，需根據(jù)測量值統(tǒng)計點的平均值，從而得到實時相位調(diào)整量。如何確定能反映溫度變化對相位影響的統(tǒng)計點數(shù)，是進行實時相位調(diào)整的關(guān)鍵。

相位與溫度可近似為線性關(guān)系，如式（2）所示：

1.3 實時相位調(diào)整指令間隔

實時相位調(diào)整指令間隔是發(fā)送2條實時相位調(diào)整指令之間的時間間隔。若指令間隔過小，設(shè)備沒有足夠時間完成相位調(diào)整，將導(dǎo)致相位測量值出現(xiàn)異常波動；若指令間隔過大，則當測量值的點均值超過門限時無法實時發(fā)送指令調(diào)整設(shè)備相位，使得設(shè)備輸出相位仍隨溫度變化而明顯波動。因此，應(yīng)該根據(jù)相位測量值平均變化率確定實時相位調(diào)整指令間隔時間，具體算法為

2 實驗及結(jié)果分析

2.1 計算實時相位調(diào)整參數(shù)

圖2 設(shè)備內(nèi)部溫度-1

圖3 無實時調(diào)整的10 MHz信號相位測量值

2.2 實驗結(jié)果

將2.1節(jié)中的實時相位調(diào)整參數(shù)寫入實時相位調(diào)整程序配置文件，進行相位調(diào)整。圖4和圖5是無實時相位調(diào)整時某日10 MHz信號產(chǎn)生器內(nèi)部溫度變化和相應(yīng)的相位測量值；圖6和圖7是開啟實時相位調(diào)整后某日10 MHz信號產(chǎn)生器內(nèi)部溫度變化和相應(yīng)的相位測量值；圖8和圖9是開啟實時相位調(diào)整后另一日10 MHz信號產(chǎn)生器內(nèi)部溫度變化和相應(yīng)的相位測量值。圖6、圖7和圖8、圖9表明，開啟實時相位調(diào)整即對設(shè)備輸出相位補償后，相位測量值與溫度變化之間已無明顯反比關(guān)系，基本補償了圖6和圖8所示設(shè)備內(nèi)部溫度變化對輸出信號相位的影響。

表1給出不同情況的4 d時間里，10 MHz產(chǎn)生器內(nèi)部溫度變化幅度及對應(yīng)的相位測量值的平均值和標準差。由表1和圖5、圖7、圖8可見，當使用恒溫措施減小設(shè)備內(nèi)部溫度變化時，設(shè)備輸出信號一致性和標準差得到一定改善；同時，開啟實時相位調(diào)整后，10 MHz產(chǎn)生器輸出信號一致性得到顯著提高。因此，加強恒溫控制并開啟實時相位調(diào)整，信號相位均值完全可以控制在很小的范圍內(nèi)，使信號產(chǎn)生器輸出信號相位更加一致和穩(wěn)定。

圖4 設(shè)備內(nèi)部溫度-2

圖5 無實時調(diào)整的10 MHz信號相位測量值

圖7 有實時調(diào)整的10 MHz信號相位測量值

圖9 有實時調(diào)整的10 MHz信號相位測量值

表1 設(shè)備輸出信號相位測量值均值及標準差

對脈沖信號的情況，以1 PPS產(chǎn)生器為例來作分析。無實時相位調(diào)整時，圖2所示1 PPS產(chǎn)生器內(nèi)部溫度曲線所對應(yīng)的相位測量值如圖10所示。采用與對10 MHz產(chǎn)生器所采用的相同的實時相位調(diào)整算法，計算實時相位調(diào)整參數(shù)，并開啟實時相位調(diào)整后，圖8所示設(shè)備內(nèi)部溫度變化趨勢對應(yīng)的相位測量值如圖11所示，其均值為0.000 4 ns，標準差0.062 ns。對比圖10與圖11后可見，開啟實時相位調(diào)整后，可以得到與上述對10 MHz信號所得相同的結(jié)論。

圖11 有實時調(diào)整的1 PPS信號相位測量值

3 結(jié)語

通過對自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時間頻率分系統(tǒng)信號產(chǎn)生器內(nèi)部溫度、相位測量值變化率、設(shè)備調(diào)相分辨率和相位波動指標等的研究分析，確定實時相位調(diào)整參數(shù)，進行實時相位調(diào)整，能較好地補償信號產(chǎn)生器內(nèi)部溫度變化對相位的影響，提高脈沖和頻率信號相位的一致性和穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明，在加強信號產(chǎn)生器環(huán)境恒溫控制，減小信號產(chǎn)生器內(nèi)部溫度變化的同時，采用實時相位補償，是提高脈沖和頻率信號一致性和穩(wěn)定性的有效途徑。目前，結(jié)合恒溫控制和實時相位補償?shù)男盘栂辔豢刂品椒?，已在自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)地面站時間頻率分系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，保證了自主衛(wèi)星導(dǎo)航各分系統(tǒng)協(xié)同工作。

[1] 龔航, 朱祥維, 雍少為. 一種基于DDS的PLL相位控制技術(shù)[C] // 2008年全國頻率控制技術(shù)年會會議論文集. 2008: 344-349.

[2] 張艷鋒, 嚴家明. 基于最小二乘法的壓力傳感器溫度補償算法[J]. 計算機測量與控制, 2007, 15(12): 1870-1871.

[3] 李挺, 朱金剛. 傳感器溫度誤差補償?shù)挠嬎銠C軟件實現(xiàn)方法[J]. 黑龍江商學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版). 2002, 16(4): 46-49.

[4] EBENHAG S C, HEDEKVIST P O, RIECK C, et al. Evaluation of output phase stability in a fiber-optic two-way frequency distribution system[C] // 40th Annual Precise Time and Time Interval Meeting, 2008: 117-124.

A phase compensation method for time-frequency signal

ZHONG Wei1, GONG Da-liang1, GONG Hang2

(1. PLA Army 61876, Sanya 572022, China; 2. Satellite Navigation Research and Development Center, College of Electronic Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

In order to eliminate the influence of the temperature of signal generator on the phase of the time/frequency signals, a method combining temperature control and real-time phase adjustment is put forward. In this method, besides controlling the temperature, the key parameters for real-time phase adjustment are calculated based on the analyses of the temperature of signal generator, the change rate of the measured signal phase, the phase-adjustment resolution, the phase variation index, etc. Thus, the phase fluctuation caused by the temperature change is effectively reduced and the stability and consistency of the phases of output signals are improved.

temperature; phase compensation; real-time adjustment; time and frequency

TN967.1

A

1674-0637(2011)01-0016-07

2010-07-05

鐘巍，男，碩士研究生，主要從事時間頻率技術(shù)等研究。