發(fā)布時(shí)間：2020-04-22 13:05

【摘要】：高精度時(shí)間同步技術(shù)是全球?qū)Ш蕉ㄎ�、航空航天技術(shù)、以及導(dǎo)彈精確制導(dǎo)等領(lǐng)域的基礎(chǔ)及關(guān)鍵性技術(shù),這些領(lǐng)域?qū)τ跁r(shí)間精度有著非常高的要求,所以對于這些領(lǐng)域來說,一個(gè)高精度的時(shí)間同步系統(tǒng)至關(guān)重要。目前精度較高且應(yīng)用范圍較廣的時(shí)間同步技術(shù)是衛(wèi)星時(shí)間同步技術(shù),衛(wèi)星時(shí)間同步技術(shù)的精度已經(jīng)可以基本滿足納秒級別以下各種時(shí)間同步精度應(yīng)用的需求,但是無法滿足深空探索等更高精度級別的需求。此外,衛(wèi)星時(shí)間同步容易受外界各種環(huán)境條件影響,建設(shè)環(huán)境復(fù)雜,而且存在安全隱患。而光纖時(shí)間同步可以達(dá)到更高的精度,而且光纖本身具有抗干擾能力強(qiáng),安全性高的特點(diǎn),所以近年來光纖時(shí)間同步技術(shù)受到越來越多的關(guān)注。但是光纖時(shí)間同步需要考慮光纖的損耗以及光纖色散帶來的影響,并且光放大器噪聲累計(jì)也會對信號傳輸造成影響。為了研究光纖時(shí)間同步系統(tǒng)中各種因素帶來的影響并且進(jìn)一步對光纖時(shí)間同步系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,搭建一個(gè)高精度時(shí)間同步系統(tǒng)原型是非常重要的。本文研究了基于FPGA的高精度時(shí)間同步系統(tǒng)方案,使用FPGA作為系統(tǒng)的收發(fā)機(jī),在發(fā)送端通過使用FPGA將秒脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)閭坞S機(jī)序列發(fā)送,隨后在接收端根據(jù)偽隨機(jī)序列的自相關(guān)特性恢復(fù)出秒脈沖信號,通過編解碼的方式減少波形惡化對系統(tǒng)的影響,使得本地端經(jīng)過1000km長距離光纖傳輸后與遠(yuǎn)端的時(shí)間偏差盡可能的小。而且使用精密時(shí)間測量的方法測出FPGA一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)無法確定的時(shí)間,達(dá)到更精確的時(shí)間同步。本文主要完成以下幾個(gè)方面的工作:1.設(shè)計(jì)了基于FPGA的高精度時(shí)間同步系統(tǒng)的方案,該方案基于DWDM光纖雙向比對法,通過使用FPGA接收秒脈沖信號并且生成偽隨機(jī)序列,將生成的數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換后發(fā)送到光纖鏈路,在接收端使用模數(shù)轉(zhuǎn)換接收到相應(yīng)的偽隨機(jī)序列并且使用偽隨機(jī)序列的自相關(guān)特性恢復(fù)出秒脈沖。偽隨機(jī)序列的特性為在接收到一個(gè)完整的偽隨機(jī)碼序列后其自相關(guān)值為1,其余時(shí)刻均為1/2。該自相關(guān)特性與秒脈沖信號一致,可以用來恢復(fù)出秒脈沖信號。而且通過使用偽隨機(jī)序列,使得原本單一的秒脈沖信號變?yōu)榱艘粋�(gè)序列,即使在這個(gè)序列中的某些位上出現(xiàn)了誤判,也不會影響其自相關(guān)值的判斷,降低了長距離光纖給信號帶來的惡化影響,增加了系統(tǒng)的時(shí)間同步精度;2.完成了 FPGA接收秒脈沖與生成偽隨機(jī)序列的邏輯編程,完成了偽隨機(jī)序列的自相關(guān)邏輯算法,并且使用FPGA驅(qū)動了子卡AD/DA進(jìn)行模數(shù)與數(shù)模的轉(zhuǎn)換。為了解決FPGA無法確定一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)信號何時(shí)到來的局限性,在分析了傳統(tǒng)的精密時(shí)間測量方法與本系統(tǒng)的需求后,提出了使用FPGA內(nèi)的邏輯單元實(shí)現(xiàn)精密時(shí)間測量的方案,并且完成了該方案的相關(guān)理論研究與程序?qū)崿F(xiàn)。而且在FGPA中實(shí)現(xiàn)了串口通信,完成了電腦與FPGA板的數(shù)據(jù)傳輸;3.對相關(guān)程序使用仿真軟件進(jìn)行了仿真測試,測試了程序中信號出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)是否符合預(yù)期,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是否正確。并且搭建了相應(yīng)的實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行了測試。最終得到的系統(tǒng)性能為:在1000km的光纖時(shí)間同步系統(tǒng)中,時(shí)間同步精度為5ns,系統(tǒng)穩(wěn)定度為160ps,最小測量精度為60ps。
【圖文】：

的時(shí)間從１００ｎｓ擴(kuò)大到１２００ｎｓ。２０１６年，文獻(xiàn)［３０］在光纖時(shí)間同步系統(tǒng)中使用逡逑ＦＰＧＡ接收秒脈沖信號，同時(shí)內(nèi)部進(jìn)行秒脈沖信號的同步并且生成時(shí)間碼用于發(fā)逡逑送，最終時(shí)間同步精度為１１．８ｎｓ。如圖１－１為該文獻(xiàn)系統(tǒng)原理圖。文獻(xiàn)［３１］實(shí)現(xiàn)逡逑了頻率和時(shí)間一起同步的系統(tǒng)，在光纖長度為５０ｋｍ時(shí)，時(shí)間同步精度為１．６ｐｓ，逡逑在光纖長度為１１０ｋｍ，時(shí)間同步精度為３０ｐｓ。逡逑時(shí)間同步站邐逡逑邐邋｜邋ＦＰＧＡ邐｜邋Ｒ推丨邐■邐■逡逑（ＩＴ）邐￥邋Ｉ邋時(shí)間邋１—信息邐一￣￣＾時(shí)間逡逑NB邋Ｕ邐？邋ｇ邋—同步邋解析邋１編碼廠逡逑授時(shí)屮心站邋Ｉ邋｜邋ｐ丨—丨＿＿Ｌ—Ｊ邐１ＰＰＳ邐＾終Ｉ逡逑圖１－１邋ＩＲＩＧ－Ｂ碼在光纖時(shí)間同步中的應(yīng)用原理圖R[逡逑１．３論文結(jié)構(gòu)安排逡逑本文通過理論分析與搭建實(shí)際鏈路實(shí)現(xiàn)并且驗(yàn)證了基于ＦＰＧＡ的高精度時(shí)逡逑間同步系統(tǒng)的整體方案，論文一共分為六章，，具體的結(jié)構(gòu)安排如下：逡逑第一章：緒論。主要介紹了選題背景及意義，介紹了民用以及特殊領(lǐng)域?qū)τ阱义蠒r(shí)間同步都有著不同精度的需求并且介紹了搭建基于ＦＰＧＡ的高精度時(shí)間同步逡逑系統(tǒng)對于各行各業(yè)都非常重要。此外，介紹了國內(nèi)外對于高精度時(shí)間同步系統(tǒng)的逡逑研究現(xiàn)狀。逡逑第二章：時(shí)間基本概念及時(shí)間同步系統(tǒng)和方法。主要介紹了關(guān)于時(shí)間的基本逡逑概念以及關(guān)于時(shí)間同步的發(fā)展過程中出現(xiàn)的時(shí)間同步系統(tǒng)以及時(shí)間同步的方法。逡逑第三章：基于ＦＰＧＡ的高精度時(shí)間同步系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。主要介紹了本方案的逡逑方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)該方案所需的硬件介紹

圖２－１衛(wèi)星單向時(shí)間同步原理圖逡逑（２）雙向法［４５’５６’５７’５８］逡逑圖２－２為衛(wèi)星雙向時(shí)間傳遞基本原理圖［５６］，兩地的地面站均使用衛(wèi)星作為中逡逑轉(zhuǎn)站發(fā)送時(shí)間同步信號給對方。假設(shè)Ａ、Ｂ分別在自己的鐘面心和４（４邋＝心＋逡逑Ａ７０時(shí)刻向?qū)Ψ桨l(fā)送時(shí)間同步信號，這兩個(gè)信號分別經(jīng)過N希島停潁櫻檔醬鏤佬牽ㄥ義瞎佬竅蚨苑階�，经过和ＡP蓿詞奔淶醬鋃哉荊柚瞇暮停薜氖笨套魑鈴義險(xiǎn)居耄掄鏡氖奔浼涓艏剖鰨ǎ裕桑�，Ｔｉｍｅ邋Ｉｎｔｅ}觶幔戾澹茫錚酰睿簦澹潁┑目判藕�，接着使辶x嫌霉孛判藕牛蘸停氈憧梢圓飭砍觶掄鏡劍琳居耄琳鏡劍掄鏡拇ナ毖雍停罰蓿�。辶x細(xì)菟蚴奔淶謀榷栽肀憧梢緣貿(mào)鍪劍ǎ玻保哄義希粒潁藉澹埽ǎ剩幔猓裕猓幔埽裕幔簀澹澹裕螅猓裕猓螅裕螅幔╁危ǎ玻保╁義顯諫鮮街�，ＡＴ是两甄R鬧硬�，和薁苛站与噻R氖奔浼涓艏剖魎義喜飭康氖毖蛹剖擔(dān)罰蕖ⅲ簦螅�、}螅蠛停罰尬鶚鞘奔渫叫藕旁冢嵴盡ⅲ庹居胛佬清義現(xiàn)淶拇ナ毖�。辶x銜佬撬蚴奔浯莘ㄔ謔奔渫焦討脅恍枰牢佬腔蛘叩孛嬲鏡淖既峰義銜恢�，而且矒Q岜謊≡裥員；び刖驢刂樸跋歟彼虼淶氖莘淺＝詠靛義鮮筆涑觶煜叻較虻畝嗑緞вΦ撓跋觳幻饗�。两地站面壹s拔佬巧系姆⑺禿徒郵斟義仙璞傅氖毖郵怯跋煳佬撬蚴奔浯莘ǖ淖既范鵲鬧饕頡ｅ義銜佬撬蚴奔浯莘ㄔ諞歡ǔ潭壬蝦芎玫南舜ヂ肪妒毖雍臀佬親㈠義鮮毖喲吹撓跋歟τ米罟愕模牽校鈾蚍ㄊ奔浯菥扔龐冢桑睿�。辶x希保村義

本文編號：2636548