【摘要】：高精度的時(shí)間頻率同步技術(shù)廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)、導(dǎo)航系統(tǒng)、天文觀測(cè)和基礎(chǔ)科學(xué)研究等領(lǐng)域,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,特別是5G時(shí)代的到來,對(duì)時(shí)間頻率同步精度的要求也越來越高。時(shí)間頻率傳遞方法有光纖傳輸、衛(wèi)星傳輸和自由空間激光傳輸。本文介紹了上述三種方法的發(fā)展現(xiàn)狀,進(jìn)而設(shè)計(jì)了基于激光的自由空間時(shí)間傳遞同步,它不像光纖傳輸需要專門的光纖信道,只需要在可視范圍內(nèi)即可。由于基于衛(wèi)星的時(shí)間頻率傳輸?shù)奈⒉l率信道越來越緊張,頻率干擾問題經(jīng)常出現(xiàn),基于激光的時(shí)間頻率傳輸速度快,抗干擾能力強(qiáng),不存在頻率之間的干擾。因此,基于激光的自由空間時(shí)間同步研究具有重要意義。本文設(shè)計(jì)了基于小型連續(xù)激光器往返時(shí)間傳遞同步方案,完成對(duì)激光傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行時(shí)間間隔測(cè)量和相位補(bǔ)償,最后搭建光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。論文采用了粗細(xì)時(shí)間測(cè)量相結(jié)合的方法對(duì)時(shí)間間隔進(jìn)行測(cè)量,結(jié)合FPGA的內(nèi)部資源,采用抽頭延遲法進(jìn)行“細(xì)”時(shí)間測(cè)量,采用直接計(jì)數(shù)法進(jìn)行“粗”時(shí)間測(cè)量,這樣既保證了精度又能擴(kuò)大測(cè)量范圍。本文使用kintex-7內(nèi)部資源CARRY4進(jìn)位鏈級(jí)聯(lián)來構(gòu)建延遲線。由于超前進(jìn)位產(chǎn)生“冒泡”現(xiàn)象以及需要對(duì)級(jí)聯(lián)的進(jìn)位鏈鎖存的溫度計(jì)碼轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù),本設(shè)計(jì)采用二分求和法來進(jìn)行譯碼。為了提高測(cè)量的精度,減少進(jìn)位單元以及通道之間的布線延遲,設(shè)計(jì)采用了器件位置約束的方法是進(jìn)位單元之間有序排列以及通道之間并行排列,之后通過板級(jí)測(cè)試進(jìn)行驗(yàn)證,驗(yàn)證結(jié)果表明測(cè)量的時(shí)間間隔誤差在±190ps之內(nèi)。經(jīng)過自由空間傳輸后的信號(hào)存在相位差,需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行相位補(bǔ)償。結(jié)合FPGA內(nèi)部的SelectIO資源,采用“粗”延遲和“精”延遲相結(jié)合的方法對(duì)信號(hào)相位進(jìn)行補(bǔ)償。采用高速IO對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣,并且使用解串器和串行器對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換中間采用移位寄存編碼模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行粗延遲,之后進(jìn)行板級(jí)測(cè)試,測(cè)試結(jié)果顯示延遲波動(dòng)為625ps,精延遲為78ps。最后基于上面的時(shí)間間隔測(cè)量和相位補(bǔ)償方法,搭建光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。本文設(shè)計(jì)了基于激光傳輸為40m的自由空間時(shí)間傳遞鏈路進(jìn)行實(shí)驗(yàn),測(cè)試結(jié)果顯示所設(shè)計(jì)的同步系統(tǒng)在相位補(bǔ)償后的時(shí)延波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差為440ps。整個(gè)測(cè)量結(jié)果表明時(shí)間穩(wěn)定度優(yōu)于200ps,在時(shí)間大于500s時(shí),時(shí)間穩(wěn)定度處于100ps左右。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明激光的自由空間時(shí)間穩(wěn)定度優(yōu)于衛(wèi)星的時(shí)間穩(wěn)定度。
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN24;TN791
【圖文】：

電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文1.2.3 自由空間激光的時(shí)間頻率同步傳遞基于激光的自由空間進(jìn)行時(shí)頻傳輸同步的信號(hào)可以是微波信號(hào)或光頻，微波信號(hào)一般是通過調(diào)幅的方式調(diào)制到激光光源上，之后利用光學(xué)準(zhǔn)直鏡把光載微波信號(hào)的激光發(fā)射到自由空間中，在遠(yuǎn)端利用準(zhǔn)直鏡將自由空間的激光信號(hào)聚焦到光電探測(cè)器上，來恢復(fù)微波信號(hào)。如圖 1-4所示為最簡(jiǎn)單的自由空間同步。

第三章 基于 FPGA實(shí)現(xiàn)的高精度時(shí)間間隔測(cè)量設(shè)計(jì)傳輸數(shù)據(jù)的速率越來越高，進(jìn)而出現(xiàn)的一些高端 FPGA 利用 DDR 寄存器可以支持高達(dá) 2Gbps 的數(shù)據(jù)速率。為了利于管理與適用多種電氣標(biāo)準(zhǔn)，F(xiàn)PGA 的輸入/輸出模塊被劃分為若干個(gè) bank，每個(gè) bank 的接口電壓不同決定了它的接口標(biāo)準(zhǔn)不一樣。（2）可配置邏輯單元（CLB）CLB 是 FPGA 的基本邏輯單元。CLB 的數(shù)量和特性因不同 FPGA 芯片器件而不同，每個(gè) CLB都含有一個(gè)可配置開關(guān)矩陣，此開關(guān)矩陣有 4或 6個(gè)輸入、具有選型電路與觸發(fā)器。開關(guān)矩陣的高度靈活使其可以進(jìn)行配置來處理移位寄存器、組合邏輯或 RAM。在 Xilinx 公司的 FPGA 器件中，CLB 是由多個(gè)相同的 Slice 與附加邏輯構(gòu)成，每個(gè) CLB 可以進(jìn)行配置來實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯、組合邏輯，還可以實(shí)現(xiàn)分布式的 RAM 與分布式的 ROM。如圖 3-2 所示，（a）為 CLB 內(nèi) Slice的排列，圖中兩個(gè) slice都和開關(guān)矩陣相連。（b）為相鄰的兩個(gè) CLB之間的連接。

圖 3-3 時(shí)鐘管理模塊框圖4）嵌入式塊 RAM多 FPGA 都有內(nèi)嵌的塊 RAM，它具有數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與讀取功能，這 FPGA的使用范圍。塊 RAM可以靈活的配置單/雙端口的 RAM與配置 FIFO 等存儲(chǔ)模塊。除了內(nèi)嵌的塊 RAM，還可以利用芯片內(nèi)部來實(shí)現(xiàn)分布的 RAM，同樣可以配置單/雙端口的 RAM 與 ROM。在兩種 RAM 的選擇不僅影響芯片的內(nèi)部資源，還會(huì)對(duì)芯片的性能與的影響。一般應(yīng)用時(shí)，如果對(duì) RAM 的深度要求不高，可以用查找，若對(duì) RAM 的深度要求高，可以用內(nèi)嵌的塊 RAM 來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然 RAM 的方式組成更大的 RAM 進(jìn)行應(yīng)用。表 3-1 KIntex-7 的容量和功能容量 Kintex-7發(fā)送速率 12.5Gbit/s

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2759035