楊志剛

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南 鄭州 450047）

1 前言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，高精度時(shí)間頻率同步系統(tǒng)越來(lái)越受到重視，特別是時(shí)間同步技術(shù)，已經(jīng)在通信、交通、電力等民用領(lǐng)域和多基地雷達(dá)、衛(wèi)星導(dǎo)航測(cè)量、精確武器打擊系統(tǒng)等軍用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。時(shí)間同步技術(shù)指實(shí)現(xiàn)本地標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖與時(shí)間基準(zhǔn)秒脈沖的參考沿對(duì)齊的技術(shù)，根據(jù)不同同步精度要求，還需選擇相應(yīng)時(shí)間傳遞和時(shí)間間隔的測(cè)量技術(shù)，對(duì)于要求不同站點(diǎn)時(shí)間同步應(yīng)優(yōu)于百皮秒量級(jí)的大型電子試驗(yàn)設(shè)備中，其實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步過(guò)程中，進(jìn)行脈沖相位精密微調(diào)是必不可少的條件。下面就秒脈沖同步原理、標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖相位調(diào)整的軟硬件設(shè)計(jì)給以介紹。

2 標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖同步原理

2.1 標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖產(chǎn)生原理

大多數(shù)高精度時(shí)頻設(shè)備內(nèi)部頻率標(biāo)準(zhǔn)都采用原子頻率或者高穩(wěn)晶振，經(jīng)過(guò)一定的處理，輸出標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖。標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖產(chǎn)生過(guò)程是將原子頻標(biāo)或者高穩(wěn)晶振輸出10MHz的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)進(jìn)行整形，得到方波信號(hào)，然后利用數(shù)字芯片如FPGA、CPLD等進(jìn)行計(jì)數(shù)，在適當(dāng)?shù)挠?jì)數(shù)點(diǎn)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)。時(shí)頻設(shè)備產(chǎn)生秒脈沖的原理如圖1所示：采用標(biāo)稱10MHz信號(hào)，可使 N=107-1即可。如果通過(guò)校正發(fā)現(xiàn)該信號(hào)的頻率不是標(biāo)稱10MHz，可以通過(guò)改變N的大小進(jìn)行修正。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖產(chǎn)生原理示意圖

2.2 標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖同步原理

時(shí)頻設(shè)備通過(guò)計(jì)數(shù)產(chǎn)生的秒脈沖信號(hào)其相位是隨機(jī)的。需要通過(guò)外部同步信號(hào)將該秒脈沖信號(hào)同步到UTC時(shí)間基準(zhǔn)上。外同步信號(hào)有多種選擇，如 GPS、GLONSS、北斗等導(dǎo)航系統(tǒng)，長(zhǎng)波、短波等地面無(wú)線授時(shí)信號(hào)，以及IRIG-B碼等有線授時(shí)信號(hào)。對(duì)外同步信號(hào)的解碼可以得到基準(zhǔn)參考秒脈沖，通過(guò)測(cè)量時(shí)頻設(shè)備產(chǎn)生的秒脈沖與基準(zhǔn)秒脈沖的時(shí)間差，利用相位調(diào)整技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備產(chǎn)生的秒脈沖與UTC秒同步，過(guò)程如圖2所示。

圖2 秒脈沖信號(hào)外同步示意圖

在圖1中，秒脈沖信號(hào)是在計(jì)數(shù)器等于N的時(shí)侯產(chǎn)生的，在計(jì)數(shù)器的不同值時(shí)產(chǎn)生秒脈沖，可對(duì)秒脈沖進(jìn)行超前或滯后的相位調(diào)整，如圖3所示。這種調(diào)整方法屬于預(yù)先設(shè)置在計(jì)數(shù)器的不同值時(shí)產(chǎn)生秒脈沖進(jìn)行同步，下文稱這種方法為預(yù)置計(jì)數(shù)同步法。

預(yù)置計(jì)數(shù)同步法實(shí)現(xiàn)相位調(diào)整，只能實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘周期步長(zhǎng)的調(diào)整。如頻標(biāo)信號(hào)為10MHz時(shí)，只能實(shí)現(xiàn)100ns的整數(shù)倍的調(diào)整。當(dāng)參考基準(zhǔn)秒脈沖與設(shè)備產(chǎn)生秒脈沖的時(shí)間差不是100ns的整數(shù)倍時(shí)，這種調(diào)整只能保證1個(gè)時(shí)鐘周期的同步精度，即100ns的同步精度。

圖3 預(yù)置計(jì)數(shù)同步法實(shí)現(xiàn)相位調(diào)整示意圖

對(duì)于圖3中，相位調(diào)整前的秒脈沖信號(hào)作為可調(diào)整信號(hào)，假定其滯后外同步信號(hào)160ns，需要其相位前移160ns，才能與外同步信號(hào)同步，利用預(yù)置計(jì)數(shù)同步法進(jìn)行調(diào)整時(shí)，前移1個(gè)時(shí)鐘周期后，其同步精度為60ns，相當(dāng)于圖4中的T2，前移2個(gè)時(shí)鐘周期，其同步精度為40ns，相當(dāng)于圖4中的T1。如圖4所示，利用預(yù)置計(jì)數(shù)同步法控制脈沖的辦法，都會(huì)帶來(lái)T1或T2的誤差。

為了提高同步精度，必須減小相位調(diào)整步長(zhǎng)，從而減小誤差。我們可通過(guò)提高時(shí)鐘頻率，減小時(shí)鐘周期，以此提高同步精度。如果想實(shí)現(xiàn)優(yōu)于1ns的調(diào)整同步精度，需要高達(dá)數(shù)GHz的頻率信號(hào)，不但電路板布線難度加大，而且支持如此高頻率的芯片也很難選擇。何況要求同步精度更高時(shí)，單靠利用預(yù)置計(jì)數(shù)同步法進(jìn)行相位調(diào)整，需要高達(dá)數(shù)10GHz的頻率信號(hào)，支持如此高頻的芯片幾乎是不可能的。因此，要實(shí)現(xiàn)更高精度的同步需求，必須尋找新的相位調(diào)整方法，以此減輕電路設(shè)計(jì)難度和降低芯片的時(shí)鐘頻率。鑒于此，提出計(jì)數(shù)調(diào)整和時(shí)鐘相位微調(diào)相結(jié)合的方法。

圖4 通過(guò)計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)相位調(diào)整誤差示意圖

2.3 預(yù)置計(jì)數(shù)同步法和時(shí)鐘相位微調(diào)相結(jié)合的方法

通過(guò)圖4可知，利用預(yù)置計(jì)數(shù)同步法進(jìn)行相位調(diào)整，無(wú)法消除因相位間隔不是整數(shù)倍時(shí)鐘周期而產(chǎn)生的 T1或 T2誤差。為了消除T1或T2誤差，考慮在進(jìn)行相位調(diào)整時(shí)，將調(diào)整的時(shí)間間隔分為兩部分，一部分為整數(shù)倍的時(shí)鐘周期，稱為整數(shù)部分，另一部分為時(shí)間間隔除去整數(shù)部分，也就是小于時(shí)鐘周期的部分，稱為小數(shù)部分。秒脈沖相位調(diào)整時(shí)，提前將方波后移T1或前移T2，而后再利用預(yù)置計(jì)數(shù)同步調(diào)整，對(duì)于利用預(yù)置計(jì)數(shù)同步對(duì)秒脈沖的同步調(diào)整不再介紹，下面主要介紹利用時(shí)鐘方波調(diào)整相位，對(duì)秒脈沖信號(hào)的微調(diào)。

時(shí)鐘方波信號(hào)是將正弦信號(hào)經(jīng)過(guò)整形而得到，整形的過(guò)程為通過(guò)過(guò)零比較器，正弦信號(hào)為正時(shí)對(duì)應(yīng)高電平，為負(fù)時(shí)對(duì)應(yīng)低電平，鑒于此可以通過(guò)改變比較器的門(mén)限電壓，調(diào)整方波上升沿的時(shí)刻，在參考文獻(xiàn)1中給出了詳細(xì)介紹，這里主要介紹將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)之前，通過(guò)移相器直接將正弦信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)整，以此完成時(shí)鐘信號(hào)的相位調(diào)整。為了保證產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)的周期大小不變，正弦信號(hào)相位調(diào)整時(shí)，不改變時(shí)鐘頻率，而是對(duì)正弦信號(hào)在某一時(shí)刻進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到對(duì)標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)的相位調(diào)整。移相器采用AD公司的AD9852集成電路芯片實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘相位調(diào)整，這種設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。

AD9852是AD公司采用先進(jìn)的DDS 技術(shù)生產(chǎn)的具有高集成度DDS電路器件，其功能框圖原理如圖5所示。AD9852內(nèi)部包含高速、高性能D/A轉(zhuǎn)換器及高速比較器，以形成可編程、可靈活使用的頻率合成功能。外接精密時(shí)鐘源時(shí)，AD9852可以輸出頻譜純凈、變化為一個(gè)平穩(wěn)的過(guò)渡過(guò)程，且相位是連續(xù)變化的。DDS這些優(yōu)點(diǎn)使其非常適用于頻率的跟蹤與同步。

圖5 AD9852系統(tǒng)功能原理圖

在AD9852眾多功能中，其中內(nèi)含4～20 倍可編程參考時(shí)鐘倍乘器，可方便地在內(nèi)部產(chǎn)生高頻時(shí)鐘信號(hào)和內(nèi)含雙向14 位可編程相位偏移寄存器，相位可調(diào)的功能對(duì)完成預(yù)置計(jì)數(shù)同步調(diào)整和時(shí)鐘相位微調(diào)相結(jié)合的秒脈沖同步是非常有利的。

利用AD9852完成時(shí)鐘相位調(diào)整如圖6所示，在相位調(diào)整過(guò)程中，僅對(duì)要求調(diào)整執(zhí)行時(shí)刻的單周期正弦信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，而不影響后續(xù)正弦波上半幅和下半幅的占空比，保證了整形后仍然為方波。在利用10MHz作為時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，相位調(diào)整步長(zhǎng)為為時(shí)鐘周期），我們還可以利用其倍頻的功能，將時(shí)鐘信號(hào)倍頻到 20MHz，此時(shí)的相位調(diào)整步長(zhǎng)為，進(jìn)一步提高同步精度。

圖6 時(shí)鐘相位調(diào)整示意圖

3 標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖的相位調(diào)整技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1 標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖相位調(diào)整的硬件實(shí)現(xiàn)

標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖的產(chǎn)生主要由利用 FPGA設(shè)計(jì)的可預(yù)置分頻電路、由AD9852設(shè)計(jì)的精密移相DDS電路和微控制器電路三部分組成，如圖7所示。

圖7 秒脈沖同步原理組成框圖

微控制器接受監(jiān)控信息，根據(jù)監(jiān)控信息提供的本地秒脈沖相位需要調(diào)整的相位偏移量（由本地系統(tǒng)的時(shí)間間隔測(cè)量部分提供），對(duì)相位偏移量進(jìn)行處理，分離出整數(shù)部分和小數(shù)部分?？深A(yù)置分頻電路利用整數(shù)部分?jǐn)?shù)據(jù)，產(chǎn)生利用預(yù)置計(jì)數(shù)同步法的秒脈沖信號(hào)；精密移相DDS電路根據(jù)小數(shù)部分，通過(guò)對(duì)DDS的相位控制字調(diào)整，完成時(shí)鐘相位微調(diào)，達(dá)到秒脈沖的同步。

可預(yù)置分頻電路采用 10MHz1作為外部參考時(shí)鐘源經(jīng)過(guò)精密移相DDS產(chǎn)生的10MHz2頻標(biāo)信號(hào)作為分頻時(shí)鐘信號(hào)，在同步時(shí)，通過(guò)改變?cè)谟?jì)數(shù)器的不同計(jì)數(shù)時(shí)刻，作為脈沖1pps信號(hào)的上升沿位置，獲得100ns同步精度；精密移相部分采用AD9852 數(shù)字頻率合成器DDS電路，根據(jù)AD9852具有相位可調(diào)，雙向 14 位可編程相位偏移寄存器的特性，在時(shí)鐘頻率為10MHz時(shí)，相位微調(diào)精度可達(dá)6.10ps。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖相位微調(diào)的軟件實(shí)現(xiàn)

可預(yù)置分頻電路的時(shí)鐘相位微調(diào)是完成秒脈沖相位精密調(diào)整的核心，AD9852對(duì)輸出時(shí)鐘正弦信號(hào)相位調(diào)整是雙向的。以相位調(diào)整控制字為0時(shí)輸出的時(shí)鐘相位作為參考，通過(guò)改變相位調(diào)整控制字的大小，對(duì)輸出正弦信號(hào)相位調(diào)整。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在相位調(diào)整過(guò)程中，相位在正負(fù)半個(gè)周期內(nèi)調(diào)整，而且調(diào)整是以當(dāng)前的相位偏移量作為參考。為了利于控制時(shí)鐘方波相位調(diào)整，將正弦信號(hào)調(diào)整以初次調(diào)整前為參考，調(diào)整相位控制字不大于8192(213)，也就是說(shuō)正弦信號(hào)的調(diào)整在半個(gè)周期內(nèi)調(diào)整，且調(diào)整后的相位φ1與初次調(diào)整前的相位φ0的差始終為φ1- φ0≤180°。其時(shí)鐘相位精密調(diào)整流程如圖8所示，流程中利用計(jì)數(shù)器對(duì)秒脈沖相位的前移或后移1個(gè)時(shí)鐘周期的執(zhí)行，可在完成流程運(yùn)算后，作為調(diào)整的整數(shù)部分同前面微控制器得到的部分一起運(yùn)用可預(yù)置分頻電路進(jìn)行調(diào)整。

圖8 時(shí)鐘相位精密調(diào)整流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文論述了一種利用預(yù)置分頻電路和DDS AD9852電路相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)的相位微調(diào)技術(shù),經(jīng)過(guò)理論分析，其實(shí)現(xiàn)精度可以優(yōu)于10ps，這種相位微調(diào)技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，易于控制，在光纖時(shí)頻傳遞技術(shù)的研究中得到了應(yīng)用。對(duì)于時(shí)頻實(shí)驗(yàn)室間的時(shí)間比對(duì)和對(duì)時(shí)間同步精度優(yōu)于納秒量級(jí)的軍用領(lǐng)域方面的需求，具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值。

[1] Analog Devices AD9852 Rev.E datasheet[S].2000.

[2] 張廷,黃佩誠(chéng).高精度時(shí)間間隔測(cè)量技術(shù)與實(shí)現(xiàn),天文學(xué)進(jìn)展,2006:24(1).

[3] SUN J,PAN JF.Methods of high precision time-interval measurement Computer & Control 2007(2):145-148.

[4] 樊戰(zhàn)友,樊西青,張首剛.基于AD9956的任意頻率合成器研制,2010:33(2).

[5] 張明,仲崇霞,張升康,宋躍.標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)高精度相位微躍技術(shù)研究.2011全國(guó)時(shí)間頻率學(xué)術(shù)會(huì)議論文集, 2011.