基于北斗授时的时钟驯服系统设计

刘铁强，霍 婧

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，河北 石家庄 050081)

0 引言

时间是物理学中7个基本物理量之一，与人们的日常生活、科技发展密切相关。在测控与通信系统中，随着技术探索的进步，对时间频率基准源的精度要求越来越高。高精度的频率源(如氢原子钟、铯原子钟和铷原子钟)能够为测控与通信系统提供高精度的时间频率基准，但价格高，难以普及使用[1]。常用的OCXO等二级频标价格低廉，体积较小，但受晶体老化和温度等因素的影响，其输出频率漂移率较大，约为5×10-8/月，长期稳定度较差，很难满足测控与通信系统需求[2]。

随着我国北斗卫星导航系统的发展[3]，北斗授时在军民各领域中得到了广泛应用，本文利用北斗授时的特点对本地OCXO进行驯服，能够有效解决OCXO由于老化以及长期稳定性差带来频率漂移等问题。

利用北斗授时校准本地OCXO，需要测量北斗授时1 pps信号与OCXO分频产生1 pps信号的时间差，通过时间差计算频率偏差，再根据频率偏差改变OCXO的压控电压实现对OCXO的校准。因此，时差测量的精度在时钟驯服系统中起着至关重要的作用。目前高精度的时差测量方法有多种，文献[4]提出了基于FGPA的延迟线内插法测时差，其测量精度达到121 ps，但测量线性化较差、成本高，易受温度变化的影响；文献[5]介绍了一种模拟内插法测时差，其测量精度达到400 ps，但易受噪声干扰、实现困难。

本文采用时间数字转换器(Time Digital Converter，TDC)实现时差测量，其测量分辨率达到50 ps，测量精度优于250 ps[6]，设计简单、成本低，能够有效保证时钟驯服的精度。

1 基于北斗授时驯服OCXO原理

采用时间比对方法[7]，用北斗接收机输出1 pps信号与本地OCXO分频输出1 pps信号进行时差比对，每秒测量一次，根据频率和周期互为倒数的关系，计算频率准确度为[8]：

(1)

式中，A为频率准确度；f0为频标(10 MHz)；Δf为频率偏差；Δtn为第Tn时刻测得的OCXO分频输出1 pps与北斗接收机输出1 pps信号的时间差；Tn为测量时刻。

根据计算的频率准确度以及绝对时差综合产生OCXO的压控电压，实现对OCXO频率的校准和本地时间调整[9]，达到时钟驯服的目的。

2 系统设计

2.1 驯服系统总体架构

系统组成框图如图1所示。由北斗天线及授时接收机组成的北斗授时模块、TDC组成的时差测量模块、FPGA组成的数据处理及分频模块、数模转换器(DAC)和运算放大器组成的压控模块以及频率源OCXO等组成[10]。其中，北斗授时接收机输出1 pps信号作为系统的参考；分频模块以OCXO输出10 MHz信号为时钟，分频产生1 pps信号；时差测量模块完成二者时差测量并将结果送入数据处理模块，数据处理模块对时差测量数据进行数字滤波，根据滤波结果调整压控模块的输出电压，校准本地时钟和相位，实现对OCXO的驯服[11]。

图1 系统组成

2.2 压控模块硬件电路设计

调整OCXO输出频率，需要改变OCXO控制电压。系统根据测量时间差计算频率差，通过控制DAC改变输出电压值，经过信号调理后控制OCXO，改变其输出频率。

本文选用远东时频公司的高性能的OCXO，型号为DOC36L5E19WS01-10.00M型，其牵引频率范围±5×10-8，压控电压范围0～4 V；DAC转换器选用ADI公司的16位高精度DA转换器，其输出电压步进对OCXO的理论频率调节分辨率达到1.53×10-12。为保证DAC输出电压精度，需选用专用的基准稳压芯片，并设计二阶有源低通滤波器滤除电压噪声，高精度DAC的电路原理框图如图2所示。

图2 高精度DAC电路原理

2.3 时差测量模块硬件设计

时差测量是系统的核心，其测量精度决定了时钟驯服的速度和精度。为了克服直接时间间隔测量方法存在的误差问题，设计了基于时间数字转换器TDC-GP2的时差测量模块。

TDC-GP2是德国ACAM公司出品的第二代时间数字转换器，其分辨率的典型值达到50 ps，测量范围500 ns～4 ms[12]。TDC-GP2采用量化延迟的时间间隔测量方法，利用器件所组成的延时链和器件本身延时特性，使时间信号通过一系列的延时单元，依靠延时单元的延时稳定性，在微控制器的控制下对延时单元的状态进行高速采集与数据处理，从而实现短时间的精确测量[13]。TDC-GP2的时间间隔测量原理框图如图3所示，波形图如图4所示。

图3 TDC-GP2时差测量原理

图3中将串在一起的延时单元所组成的延时链作为被测时间间隔的传输通道，每个延时单元的输出端接到锁存器的数据输入端，将被测时间间隔的Start信号作为延时链的输入信号，而以Stop信号作为取样锁存信号，则Start信号在延时链中所经过的延时单元的个数就正比于所测的时间间隔值[14]。

图4 TDC-GP2时差测量波形

从图4可以看出，在Stop信号到来时D触发器对其输入数据进行采样锁存，这样就可以得知此时Start开始信号已经通过了几个延时单元，根据其所通过的延时单元数目获取待测的时间间隔[15]：

tn=Nt，

(1)

式中，tn为待测延时间隔；N为Start信号通过的延时单元的个数；t为延时单元的延迟时间。

在时钟驯服系统中，将北斗接收机输出1 pps作为开门信号，本地OCXO分频产生的1 pps作为关门信号，分别输入TDC-GP2，用FPGA读取测量结果。本地1 pps送入TDC之前，使用北斗接收机输出的1 pps进行粗同步，并用FPGA加入固定时延，保证二者时差在TDC的测量范围内，时差测量模块电路原理框图如图5所示。

图5 时差测量模块电路原理

3 数据处理

整个系统的控制核心是Altera公司的CycloneII系列FPGA。时序逻辑处理部分采用VHDL语言[16]，数据处理和控制部分在FPGA的NOIS核上使用C语言实现。

根据式(1)可知，由时差结果能够获取OCXO相对于北斗系统的频率偏差，将频率偏差转化为OCXO的压控电压，通过控制高精度DAC完成对OCXO频率的修正，实现对OCXO的驯服。

由于电离层、对流层和多径等因素的影响，接收机输出1 pps存在较大噪声，其短期稳定度较差，标称授时精度50 ns，因此由TDC测量的时差结果要经过数字滤波处理后才能作为控制的输入量，本文采用滑动平均滤波算法，能够有效抑制北斗接收机输出1 pps信号的抖动。

以n为滤波窗口长度对测量的时差数据Δt1，Δt2，……，Δtn，……进行滑动平均值滤波，获得滤波后的时差结果ΔT1，ΔT2，……，ΔTn，……，由于授时1 pps包含的是随机误差，所以只要将n值取足够大，1 pps抖动趋近于零[17]。系统测量得到的OCXO分频产生1 pps相对于北斗接收机输出授时1 pps时差曲线，以及经过滑动平均滤波后的时差曲线如图6所示。经过滤波后时差数据的抖动明显减小，达到抑制授时1 pps信号抖动的目的。

图6 时差结果滤波后曲线

4 实验测试

搭建基于北斗授时的时钟驯服系统试验测试环境，在卫星信号接收正常的情况下对OCXO的驯服性能进行了测试。以铯钟5585B为参考，在驯服系统锁定后，测试驯服过程中OCXO分频产生的1 pps相对于铯钟输出1 pps相位变化如图7所示；以铯钟5585B为参考，在驯服系统锁定后，测试驯服过程中OCXO输出10 MHz信号频率准确度，如图8所示。

图7 1 pps相位变化测试框图

图8 10 MHz频率值测试框图

时差测试结果如图9所示，其峰峰值小于55 ns，结果表明驯服系统能够有效滤除北斗授时接收机输出秒信号的噪声，提高了授时精度；频率准确度测试结果如图10所示，结果表明OCXO的瞬时频率准确度优于1×10-10，24 h平均值优于8.7×10-13，提高了OCXO的长期稳定度，有效解决了自身老化漂移的问题。

图9 1 pps相位变化测量结果

图10 10 MHz频率准确度测试结果

5 结束语

随着北斗系统的快速发展，北斗授时在各行各业的应用越来越广泛，如何利用北斗授时提高本地时钟的精度、可靠性和适用性是北斗授时应用的一个研究重点。本文设计的基于北斗授时的时钟驯服系统，采用时间数字转换的方法实现高精度的时差测量，从而简化了驯服系统的硬件设计，提高了系统工作的可靠性；采用滑动平均滤波算法对测量结果进行滤波处理，有效抑制了北斗授时1 pps引入的抖动，大大提高了时钟驯服的精度。

试验结果表明，基于北斗授时驯服本地OCXO能有效解决晶振老化、准确度下降和长期稳定性能差的问题，为用时系统提供更准确、更可靠的频率基准和时间同步信号。

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