【摘要】：高精度時間同步技術是全球導航定位、航空航天技術、以及導彈精確制導等領域的基礎及關鍵性技術,這些領域對于時間精度有著非常高的要求,所以對于這些領域來說,一個高精度的時間同步系統(tǒng)至關重要。目前精度較高且應用范圍較廣的時間同步技術是衛(wèi)星時間同步技術,衛(wèi)星時間同步技術的精度已經可以基本滿足納秒級別以下各種時間同步精度應用的需求,但是無法滿足深空探索等更高精度級別的需求。此外,衛(wèi)星時間同步容易受外界各種環(huán)境條件影響,建設環(huán)境復雜,而且存在安全隱患。而光纖時間同步可以達到更高的精度,而且光纖本身具有抗干擾能力強,安全性高的特點,所以近年來光纖時間同步技術受到越來越多的關注。但是光纖時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也會對信號傳輸造成影響。為了研究光纖時間同步系統(tǒng)中各種因素帶來的影響并且進一步對光纖時間同步系統(tǒng)進行優(yōu)化,搭建一個高精度時間同步系統(tǒng)原型是非常重要的。本文研究了基于FPGA的高精度時間同步系統(tǒng)方案,使用FPGA作為系統(tǒng)的收發(fā)機,在發(fā)送端通過使用FPGA將秒脈沖信號轉變?yōu)閭坞S機序列發(fā)送,隨后在接收端根據(jù)偽隨機序列的自相關特性恢復出秒脈沖信號,通過編解碼的方式減少波形惡化對系統(tǒng)的影響,使得本地端經過1000km長距離光纖傳輸后與遠端的時間偏差盡可能的小。而且使用精密時間測量的方法測出FPGA一個時鐘周期內無法確定的時間,達到更精確的時間同步。本文主要完成以下幾個方面的工作:1.設計了基于FPGA的高精度時間同步系統(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序列,將生成的數(shù)字信號進行數(shù)模轉換后發(fā)送到光纖鏈路,在接收端使用模數(shù)轉換接收到相應的偽隨機序列并且使用偽隨機序列的自相關特性恢復出秒脈沖。偽隨機序列的特性為在接收到一個完整的偽隨機碼序列后其自相關值為1,其余時刻均為1/2。該自相關特性與秒脈沖信號一致,可以用來恢復出秒脈沖信號。而且通過使用偽隨機序列,使得原本單一的秒脈沖信號變?yōu)榱艘粋�序列,即使在這個序列中的某些位上出現(xiàn)了誤判,也不會影響其自相關值的判斷,降低了長距離光纖給信號帶來的惡化影響,增加了系統(tǒng)的時間同步精度;2.完成了 FPGA接收秒脈沖與生成偽隨機序列的邏輯編程,完成了偽隨機序列的自相關邏輯算法,并且使用FPGA驅動了子卡AD/DA進行模數(shù)與數(shù)模的轉換。為了解決FPGA無法確定一個時鐘周期內信號何時到來的局限性,在分析了傳統(tǒng)的精密時間測量方法與本系統(tǒng)的需求后,提出了使用FPGA內的邏輯單元實現(xiàn)精密時間測量的方案,并且完成了該方案的相關理論研究與程序實現(xiàn)。而且在FGPA中實現(xiàn)了串口通信,完成了電腦與FPGA板的數(shù)據(jù)傳輸;3.對相關程序使用仿真軟件進行了仿真測試,測試了程序中信號出現(xiàn)的時間點是否符合預期,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是否正確。并且搭建了相應的實際系統(tǒng)進行了測試。最終得到的系統(tǒng)性能為:在1000km的光纖時間同步系統(tǒng)中,時間同步精度為5ns,系統(tǒng)穩(wěn)定度為160ps,最小測量精度為60ps。
【圖文】：

的時間從１００ｎｓ擴大到１２００ｎｓ。２０１６年，文獻［３０］在光纖時間同步系統(tǒng)中使用逡逑ＦＰＧＡ接收秒脈沖信號，同時內部進行秒脈沖信號的同步并且生成時間碼用于發(fā)逡逑送，最終時間同步精度為１１．８ｎｓ。如圖１－１為該文獻系統(tǒng)原理圖。文獻［３１］實現(xiàn)逡逑了頻率和時間一起同步的系統(tǒng)，在光纖長度為５０ｋｍ時，時間同步精度為１．６ｐｓ，逡逑在光纖長度為１１０ｋｍ，時間同步精度為３０ｐｓ。逡逑時間同步站邐逡逑邐邋｜邋ＦＰＧＡ邐｜邋Ｒ推丨邐■邐■逡逑（ＩＴ）邐￥邋Ｉ邋時間邋１—信息邐一￣￣＾時間逡逑NB邋Ｕ邐？邋ｇ邋—同步邋解析邋１編碼廠逡逑授時屮心站邋Ｉ邋｜邋ｐ丨—丨＿＿Ｌ—Ｊ邐１ＰＰＳ邐＾終Ｉ逡逑圖１－１邋ＩＲＩＧ－Ｂ碼在光纖時間同步中的應用原理圖R[逡逑１．３論文結構安排逡逑本文通過理論分析與搭建實際鏈路實現(xiàn)并且驗證了基于ＦＰＧＡ的高精度時逡逑間同步系統(tǒng)的整體方案，論文一共分為六章，，具體的結構安排如下：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域對于逡逑時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，介紹了國內外對于高精度時間同步系統(tǒng)的逡逑研究現(xiàn)狀。逡逑第二章：時間基本概念及時間同步系統(tǒng)和方法。主要介紹了關于時間的基本逡逑概念以及關于時間同步的發(fā)展過程中出現(xiàn)的時間同步系統(tǒng)以及時間同步的方法。逡逑第三章：基于ＦＰＧＡ的高精度時間同步系統(tǒng)總體設計。主要介紹了本方案的逡逑方案設計與實現(xiàn)該方案所需的硬件介紹

圖２－１衛(wèi)星單向時間同步原理圖逡逑（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)星作為中逡逑轉站發(fā)送時間同步信號給對方。假設Ａ、Ｂ分別在自己的鐘面心和４（４邋＝心＋逡逑Ａ７０時刻向對方發(fā)送時間同步信號，這兩個信號分別經過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判藕牛幼攀瑰義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菟蚴奔淶謀榷栽肀憧梢緣貿鍪劍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鬧硬睿褪牽琳居耄掄鏡氖奔浼涓艏剖魎義喜飭康氖毖蛹剖擔罰�、ｔｓｓ、}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茫也換岜謊≡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扔龐冢桑睿蟆ｅ義希保村義

本文編號：2636548