發(fā)布時(shí)間：2021-02-28 16:36

　　在UTC（NTSC）遠(yuǎn)程復(fù)現(xiàn)終端中,時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器的分辨率和測(cè)量精度直接影響著最后的復(fù)現(xiàn)精度,為更準(zhǔn)確地將我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC（NTSC）傳遞給用戶,不僅要尋求性能更高的授時(shí)手段,時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)也尤為重要。介紹了一種基于無(wú)間隙衛(wèi)星共視的UTC（NTSC）遠(yuǎn)程復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)及其核心部分——時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器基于FPGA（field-programmable gate array）加法進(jìn)位鏈設(shè)計(jì),實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其測(cè)量誤差小于100ps,對(duì)UTC（NTSC）遠(yuǎn)程復(fù)現(xiàn)終端的復(fù)現(xiàn)誤差貢獻(xiàn)小于1%,滿足UTC（NTSC）遠(yuǎn)程復(fù)現(xiàn)終端對(duì)時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器的應(yīng)用需求。 

【文章來(lái)源】：時(shí)間頻率學(xué)報(bào). 2019,42(01)

【文章頁(yè)數(shù)】：7 頁(yè)

【部分圖文】：

圖１ＵＴＣ（ＮＴＳＣ）遠(yuǎn)程復(fù)現(xiàn)原理圖

在這個(gè)過(guò)程中起到了決定性作用，其測(cè)量精度直接影響著最后的時(shí)間復(fù)現(xiàn)精度。因此，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)而言，設(shè)計(jì)一個(gè)高精度、穩(wěn)定性好的時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器是必須的。２時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器在ＵＴＣ（ＮＴＳＣ）復(fù)現(xiàn)終端中，時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器主要是測(cè)量?jī)蓚�(gè)不同來(lái)源的１ＰＰＳ信號(hào)之間的時(shí)間間隔，針對(duì)此應(yīng)用需求，筆者基于精密時(shí)間內(nèi)插法設(shè)計(jì)了測(cè)量范圍為０～１ｓ的時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器。２．１時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器的測(cè)量原理時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)采用“粗＋細(xì)”的測(cè)量模式，原理如圖２所示。圖２時(shí)間間隔測(cè)量原理粗測(cè)量部分采用脈沖計(jì)數(shù)法，通過(guò)周期為ＴＰ的基準(zhǔn)時(shí)鐘進(jìn)行直接脈沖計(jì)數(shù)，粗測(cè)量部分計(jì)數(shù)結(jié)果為Ｎ，則該部分測(cè)量的時(shí)間間隔為ＮＴＰ［８］。但是該部分測(cè)量分辨率為ＴＰ，對(duì)于小于ＴＰ的時(shí)間間隔，如圖２所示的ΔＴ１和ΔＴ２的測(cè)量則通過(guò)細(xì)測(cè)量實(shí)現(xiàn)。最終待測(cè)量的起始信號(hào)與停止信號(hào)之間的時(shí)間間隔為：Ｔ＝ＮＴＰ＋ΔＴ１－ΔＴ２。（１）細(xì)測(cè)量部分通過(guò)利用ＦＰＧＡ內(nèi)部的加法進(jìn)位延遲鏈資源實(shí)現(xiàn)時(shí)間的精密內(nèi)插，從而有效提升測(cè)量的分辨率。ＦＰＧＡ芯片中具有大量的邏輯單元ＬＥ，ＬＥ之間具有用于快速進(jìn)位功能的進(jìn)位鏈，其ｃａｒｒｙ－ｉｎ到ｃａｒｒｙ－ｏｕｔ的進(jìn)位延遲一般都在幾十皮秒，且各級(jí)ＬＥ之間沒(méi)有多余的走線延遲［９］。將ＬＥ之間的進(jìn)位延遲作為精密時(shí)間內(nèi)插的最小延遲單元，理論上可以將時(shí)間間隔測(cè)量的分辨率至少提高到１００ｐｓ，足夠滿足時(shí)間復(fù)現(xiàn)精度的需求。２．２進(jìn)位鏈的設(shè)計(jì)ＦＰＧＡ中進(jìn)位連線是為了加

得起始信號(hào)上升沿和緊接著的下一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)上升沿之間的時(shí)間間隔，達(dá)到細(xì)測(cè)量的目的［１０］。圖３進(jìn)位鏈的設(shè)計(jì)２．３進(jìn)位鏈的校準(zhǔn)由于制作工藝等因素的影響，不同型號(hào)的ＦＰＧＡ器件的進(jìn)位鏈時(shí)延是不同的；同一器件各級(jí)進(jìn)位延時(shí)單元的時(shí)延也并不完全相同，并且很容易隨著工作環(huán)境（溫度、電壓等）的改變而改變。為了使測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確，需對(duì)進(jìn)位鏈的各級(jí)進(jìn)位延遲單元的時(shí)延進(jìn)行實(shí)時(shí)校準(zhǔn)［１１］。本文采用基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的碼密度法對(duì)各個(gè)延遲單元的時(shí)延進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)原理如圖４所示［１２］。圖４碼密度校準(zhǔn)原理示意圖大量具有隨機(jī)跳變特性的脈沖信號(hào)在進(jìn)位鏈中傳播，同時(shí)用周期為ＴＰ的粗計(jì)數(shù)基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行采樣，則隨機(jī)脈沖的跳變將均勻地分布在［０，ＴＰ）的區(qū)間內(nèi)，隨機(jī)跳變落入第ｉ級(jí)延遲單元內(nèi)的次數(shù)ｎｉ正比于第ｉ級(jí)延時(shí)單元的時(shí)延ｄｉ，當(dāng)樣本數(shù)Ｎ足夠大時(shí)，則有：ｎｉＮ≈ｄｉＴＰ。（２）可以近似認(rèn)為進(jìn)位鏈中各個(gè)延遲單元的時(shí)延為：ｄｉ＝ｎｉＮ×ＴＰ。（３）當(dāng)隨機(jī)跳變落入到第ｉ級(jí)延遲單元時(shí)，總時(shí)延ｔｉ介于∑ｉ－１ｊ＝０ｄｊ（記為ｔ１）和∑ｉｊ＝０ｄｊ（記為ｔ２）之間，若校準(zhǔn)值取ｔｃ，則測(cè)量結(jié)果的誤差（標(biāo)準(zhǔn)方差）為：δ２＝１ｔ２－ｔ１∫ｔ２ｔ１（ｔ－ｔｃ）２ｄｔ＝（ｔ２－ｔｃ）２－（ｔ１－ｔｃ）２３（ｔ２－ｔ１）。（４）當(dāng)進(jìn)位鏈校準(zhǔn)值ｔｃ＝ｔ１＋ｔ２

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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博士論文
[1]UTC（NTSC）遠(yuǎn)程復(fù)現(xiàn)方法研究與工程實(shí)現(xiàn)[D]. 陳瑞瓊.中國(guó)科學(xué)院研究生院(國(guó)家授時(shí)中心) 2016
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碩士論文
[1]基于FPGA時(shí)間內(nèi)插技術(shù)的TDC設(shè)計(jì)[D]. 黃海艦.華中師范大學(xué) 2013



本文編號(hào)：3056136