光纤时间传递系统中时钟驯服模块的设计和实现

朱少华，卢麟，张宝富，朱勇，吴传信



光纤时间传递系统中时钟驯服模块的设计和实现

朱少华1,2，卢麟1，张宝富1，朱勇1，吴传信1

（1. 解放军理工大学 通信工程学院，南京 210007；2. 中国人民解放军94865部队，杭州 310021）

提出了一种基于光纤时间传递系统的时钟驯服模块设计方案。介绍了系统硬件的组成。在对信道特性和压控晶振进行理论和实验分析的基础上，设计实现了适用于光纤信道特性的卡尔曼滤波算法以及驯服流程控制程序。实验测试表明：该模块能结合恒温晶振短期稳定度好和光纤时间传递系统秒脉冲长期稳定度好的优点，时间传递的精度优于0.25ns（1），输出的秒脉冲的长期稳定度优于10-14。

光纤时间传递；时钟驯服；卡尔曼滤波

基于光纤网络的高精度时间频率网络是构建我国独立时频体系的重要组成部分，不但能够胜任高精度的时间频率传递与比对工作，还可与天基时频网络相互补充、相互支撑，形成空地一体化的高精度时频网络，并具有抗干扰和低成本的优势，因此构建该网络具有重要的经济价值和战略意义。纵观国内外目前的研究成果，利用光纤进行时间信息的传递主要有2种途径：1）利用目前应用最广泛的同步数字序列（SDH，synchronous digital hierarchy）网络来实现[1-2]，这种方法便于广泛推广和应用，但时间传递精度不高；2）利用波分复用（WDM，wavelength division multiplexer）新技术和设备来实现[3]，这种方法便于长距离传输，且时间传递精度高。其中，基于WDM新技术的光纤时间传递方式主要有2种：1）环回法，即通过测量时间信号从中心站到终端站，再从终端站返回中心站的环路时延来确定信号从中心站到终端站的单程时延，以此单程时延来补偿终端站接收到的时间信号，从而使终端站的时间信号与中心站的时间信号同步；2）双向比对法[4]，即通过分别在两端站测量本地时间信号与对端站传过来的时间信号的差进行计算，得出两地时差，从而以一端为标准对另一端的钟进行调整，实现时间信号同步。

利用授时系统远程传输的标准时间信号来锁定本地的铷钟或晶体振荡器，能输出高精度的时间频率信号，此时间频率信号能保持本地时钟的短期稳定度，且能在本地被控时钟上有效地重现所接收的标准时间信号的长期稳定度和准确度。这种高精度低成本的时间伺服技术已在天基授时系统中获得广泛应用，如GPS驯服时钟。目前，基于WDM环回法的光纤时间传递系统中，在光纤链路中断、光纤链路信号出现突发扰动等情况下不能保证时间传递，同时无法克服在长距离传输条件下因光纤链路信噪比劣化而导致的短期稳定度劣化问题；另外，时间驯服模块也是双向比对法时间传递系统中时频信号恢复重生的关键部件。因此研究基于光纤时间传递系统的时钟驯服模块就显得十分重要。本文在阐述时钟驯服原理的基础上提出了一种基于光纤环回法时间传递系统的时钟驯服模块方案，设计实现了硬件系统及时钟驯服的控制流程和算法，并对实验系统进行了测试。

1 光纤时钟驯服系统的原理

在现有光纤环回法时间传递系统的基础上，利用终端站恢复的1 PPS来驯服光纤时钟驯服系统中高稳恒温晶振，高稳恒温晶振则输出调整后的1 PPS等，系统框图如图１所示。终端站接收并恢复中心站经光纤传输过来的1 PPS具有很高的长期稳定性；恒温晶振具有较好的短期稳定度，而长稳受老化等因素影响存在漂移。该设备能够充分结合上述2者的优点，保证系统的短期和长期高稳定度。另外，如果系统中采用一定的算法对时间差值进行均衡和过滤，则能够较好地克服传输、测量等引起1 PPS相位抖动的问题。

图1 光纤时钟驯服系统框图

2 光纤时钟驯服模块的系统设计

光纤时钟驯服模块设计方案考虑在不影响光纤时间传递系统的情况下，如何应用于现有系统中。时间传递终端站恢复从授时中心站传输到的秒脉冲，将其与驯服模块输出的秒脉冲进行比对，然后利用时钟驯服模块内部的高精度时间间隔测量芯片（TIC）将2者比对后测量得到的差值报告给现场可编程门阵列（FPGA，field-programmable gate array）。驯服模块利用此差值来对压控晶振进行频率调整，然后分频输出调整后的秒脉冲。工作原理如图2所示。

图２ 光纤时钟驯服模块原理图

时钟驯服模块的硬件设计需考虑测试方案修改是否方便，故采用FPGA＋单片机的方式。单片机主要实现对数据的算法处理，流程控制以及满足日后硬件扩展的需求。利用FPGA高密度、高速度和现场可编程的特点，以方便调试。整个系统包括电源部分、数据处理部分、频率控制部分和接口部分，主要采用的器件包括单片机、FPGA、D/A（数模转化器）以及压控晶振。TIC将时差数据送至驯服模块的FPGA，在FPGA里面完成数据接收和处理，而后单片机从FPGA读取处理后的时差数据，并进行运算和流程控制，输出相应的压控数值用于对晶振频标进行调整，然后压控晶振输出经调整后的10 MHz信号和1 PPS信号。

3 控制流程设计及算法分析

时钟驯服模块的流程设计主要包括初始化、初调、细调和锁定4个部分，其流程如图3所示。

在单片机内主要利用程序完成流程控制，进行压控值的计算和转换，实现秒脉冲上升沿严格对准的目标。单片机从FPGA读取时差数据时，2个脉冲间隔已经控制在几百纳秒以内。利用此时差数据，可以对晶振的压控值进行调整，使得2个1 PPS上升沿进一步靠近。下面介绍一下控制流程的几个主要步骤。

首先是初始化过程，即对压控值及各个参数变量进行初始赋值，使得晶振频率能够尽快调整至中心频率，即10 MHz。

初始化之后进入初调过程。在FPGA内部设定1个初调判决门限，FPGA接收时差数据，当时差大于初调判决门限时，FPGA对内部计数器进行整数周期调整，使得晶振输出的秒脉冲迅速向钟源秒脉冲靠拢，实现时差数据的快速调整。由于光纤时间传递信道不同于天基信道，其抖动量一般只有几个纳秒，远远小于1个时钟周期的时间宽度，因此初调门限的设定更需从系统性能和稳定性等方面来考虑。一般初调门限设置越小则零点搜寻所需时间越短，但过小易引起在锁定状态下因个别野值而触发该门限而引起初调，因此一般设定在4个时钟周期，即400 ns为宜。初调完成后即进入零点搜寻过程，通过零点搜寻，迅速改变压控值找到时差数据为零的点，进入初步锁频状态。设定这个过程的主要目的是将压差数据的变化范围进一步缩小，一般锁定在1个时钟周期宽度内，防止时差大于初调门限而再次进入初调。

图３ 光纤时钟驯服模块控制流程图

初步锁频过程主要根据时差数据并利用时差数据与压控值的对应关系来改变压控值，达到频率初步锁定10 MHz的目的。根据前期测试压控晶振所得到的控制模型，利用时差数据的变化量去计算得到压控值，并对晶振输出频率进行每秒调整，实现时差数据在较小的范围内抖动。由于系统噪声等影响，TIC芯片在上报时差数据过程中会有个别不连续且相对误差较大的点，此时需要去野值，具体方法是设定标志位，并判断时差数据的变化量是否大于1个特定值，如果大于该特定值，则去除此秒时差数据并代之上一秒数据。

最后进入算法锁频过程。利用多次求平均、卡尔曼滤波等算法对时差数据进行处理，去除因光纤信道传输和机器内部噪声引起的误差，得到更趋于真实值的时差数据作为数据源。在处理时差数据时，主要利用卡尔曼滤波能实现信号实时估计的优点，从包含测量噪声以及晶振自身噪声的测量数据中得到时差变化的中长期趋势，再利用滤波后的时差值控制压控晶振。在此过程中，可以通过设定平均算法中历史数据的存储长度、时差与压控值的比例系数以及卡尔曼算法中的观测噪声协方差和激励噪声协方差参数，得到不同的滤波效果，从而实现精确的频率调控。在锁定模式下，如果外部秒脉冲丢失，驯钟模块将处于失锁状态。此时锁定标志位将置低位，并且晶振压控值将按照原先设定的老化特性继续控制压控晶振。当外部参考秒脉冲恢复后，时钟驯服过程将迅速回到零点搜寻过程，并再次进入锁定过程。

4 实验配置及测试结果

实验配置如图4所示，钟源送出的标准1PPS时间信息和10MHz频率信号同时送至被测时间传递系统，在发送端经过处理后调制至光纤链路，经过100 km光纤传输后在被测时间传递系统的接收端恢复1PPS时间信息并提供给时钟驯服模块，时钟驯服模块根据接收到的1PPS调整晶振频率，完成时钟驯服功能。驯服效果主要依靠对驯钟恢复的1PPS与钟源输出的1PPS进行相位比对测试，如果2者时间间隔越小，时间间隔波动越小，时间传递的精度就越高。从长期来看，如果测得的时间间隔很稳定，则可以推断驯钟输出的秒脉冲具备与钟源一样的长期稳定特性，因此驯钟秒脉冲的稳定度是相对于钟源来定义的。如果定义钟源为时间标准，那么该测量方法得到的时间间隔稳定度即为驯钟输出秒脉冲的稳定度。实验利用铷钟FS725作为钟源提供10 M时钟和1 PPS秒脉冲，采用时间间隔测量仪表Agilent53132A进行钟源输出秒脉冲和时钟驯服模块输出秒脉冲之间的时间间隔测试。对仪表测试输出的结果进行分析，即可得到包含时间驯服模块的光纤时间传递系统的传递精度和驯钟模块输出秒脉冲的稳定度。

图4 实验配置图

处理时差数据时，利用卡尔曼算法进行滤波，噪声得到有效抑制，图5（a）为加入卡尔曼滤波算法的实测图，图5（b）为采用一般校频算法的实测图。进行以上2个实验的时间很靠近，确保了测试环境的一致，选取测试数据时段为2 000 s。由测试数据分析得到，加入卡尔曼算法后，均方差为234.9 ps，相比于直接调控式的校频算法的277.7 ps，均方差减小了40 ps，峰峰值也减小了200 ps左右。

图5 加入卡尔曼滤波算法与未加入时的时差测试结果比对

光纤时钟驯服模块在设计流程中，加入了去野值和时间中断自恢复功能，能够在链路突然中断的情况下继续保持高精度和高稳定的时间信号，当链路信号恢复后继续进入时钟驯服过程，此功能在实验中经测试得到验证。

对时钟驯服模块通过多次测试，设定了最优化可调参数，对所得结果进行了测试与分析。图6是应用数据分析监控软件得到的时差数据（即每秒秒脉冲的比对值）曲线图，测试时长为14 000 s。从实验数据测得，该时差均方差为239.27 ps，优于250 ps，峰峰值为1 800 ps，小于2 ns。

通过数据分析可得，驯钟模块输出的秒脉冲稳定度（以Allan偏差表征）如图7所示，其长期稳定度优于10-14。

图6 时差曲线图

图7 秒脉冲稳定度的测试图

5 结语

本文提出了一种适用光纤时间传递系统的时钟驯服模块设计方案，制作了实验样机并进行了测试。该模块能较好地滤除时间信号在传输过程中引入的误差，同时也为研究基于双向比对法的光纤时间传递系统提供了可行方案。实验表明，在100km光纤时间传递系统中，时间传递精度优于250ps，秒脉冲长期稳定度优于10-14，并能在短时间内实现守时功能。但由于压控晶振的稳定度有限，系统的噪声控制尚需改进，驯服模块克服链路噪声和长时间守时的效果还不能满足亚纳秒量级的甚高精度时频传递的需求。下一步将对模块硬件进行升级，并改进控制算法，有望使时间传递的精度优于100 ps（1），长期稳定度优于10-15。

[1] IMAOKA A, KIHARA M. Time signal distribution in communication networks based on synchronous digital hierarchy[J]. IEEE Transactions on Communications, 1997, 45(2): 247-253.

[2] 张大元, 谢毅, 孟艾立, 等. 利用光纤数字同步传送网2.048Mbit/s支路传送高精度标准时间信号[J]. 现代电信技术, 2006, 12: 17-25.

[3] IMAOKA A, KIHARA M. Accurate time/frequency transfer method using bidirectional WDM transmission[J]. IEEE Transaction on Instrumentation and Measurement, 1998, 47(2): 537-542.

[4] AMEMIYA M, IMAE M. Time and frequency transfer and dissemination methods using optical fiber network[J]. IEEJ Transactions on Fundamentals and Materials, 2006, 126(6): 458-463.

[5] WELCH G, BISHOP G. An introduction to the Kalman filter[R]. Carolina: Proc of SIGGRAPH, 2004.

Design and realization of a disciplined clock module used in time transfer system with optical fiber

ZHU Shao-hua1, 2, LU Lin1, ZHANG Bao-fu1, ZHU Yong1, WU Chuan-xin1

(1. Institute of Communications Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China; 2. PLA Army 94865, Hangzhou 310021, China)

A design approach of disciplined clock module used in time transfer system with optical fiber is presented and the hardware system is introduced. On the basis of analyzing the transfer characteristic of optical fiber and the VCXO(voltage controlled crystal oscillator) theoretically and experimentally, a time disciplined program with kalman filtering algorithm has been developed, which is suitable for optical fiber channel. The tests show that the disciplined clock model can take the advantages from the oscillator with good short-term stability and from the optical time transfer system with good long-term stability, and the time-transfer precision and the long-term stability of output 1 PPS are better than 0.25 ns（1）and better than 10-14respectively.

time transfer via optical fiber; clock discipline; kalman filterring

P127.1

A

1674-0637(2011)02-0106-06

2010-11-11

国家自然科学基金资助项目（61174199）

朱少华，男，硕士，主要从事光纤高精度时间频率传递研究。