基于FPGA的高精度时间同步系统
发布时间：2020-04-22 13:05
【摘要】：高精度时间同步技术是全球导航定位、航空航天技术、以及导弹精确制导等领域的基础及关键性技术,这些领域对于时间精度有着非常高的要求,所以对于这些领域来说,一个高精度的时间同步系统至关重要。目前精度较高且应用范围较广的时间同步技术是卫星时间同步技术,卫星时间同步技术的精度已经可以基本满足纳秒级别以下各种时间同步精度应用的需求,但是无法满足深空探索等更高精度级别的需求。此外,卫星时间同步容易受外界各种环境条件影响,建设环境复杂,而且存在安全隐患。而光纤时间同步可以达到更高的精度,而且光纤本身具有抗干扰能力强,安全性高的特点,所以近年来光纤时间同步技术受到越来越多的关注。但是光纤时间同步需要考虑光纤的损耗以及光纤色散带来的影响,并且光放大器噪声累计也会对信号传输造成影响。为了研究光纤时间同步系统中各种因素带来的影响并且进一步对光纤时间同步系统进行优化,搭建一个高精度时间同步系统原型是非常重要的。本文研究了基于FPGA的高精度时间同步系统方案,使用FPGA作为系统的收发机,在发送端通过使用FPGA将秒脉冲信号转变为伪随机序列发送,随后在接收端根据伪随机序列的自相关特性恢复出秒脉冲信号,通过编解码的方式减少波形恶化对系统的影响,使得本地端经过1000km长距离光纤传输后与远端的时间偏差尽可能的小。而且使用精密时间测量的方法测出FPGA一个时钟周期内无法确定的时间,达到更精确的时间同步。本文主要完成以下几个方面的工作:1.设计了基于FPGA的高精度时间同步系统的方案,该方案基于DWDM光纤双向比对法,通过使用FPGA接收秒脉冲信号并且生成伪随机序列,将生成的数字信号进行数模转换后发送到光纤链路,在接收端使用模数转换接收到相应的伪随机序列并且使用伪随机序列的自相关特性恢复出秒脉冲。伪随机序列的特性为在接收到一个完整的伪随机码序列后其自相关值为1,其余时刻均为1/2。该自相关特性与秒脉冲信号一致,可以用来恢复出秒脉冲信号。而且通过使用伪随机序列,使得原本单一的秒脉冲信号变为了一个序列,即使在这个序列中的某些位上出现了误判,也不会影响其自相关值的判断,降低了长距离光纤给信号带来的恶化影响,增加了系统的时间同步精度;2.完成了 FPGA接收秒脉冲与生成伪随机序列的逻辑编程,完成了伪随机序列的自相关逻辑算法,并且使用FPGA驱动了子卡AD/DA进行模数与数模的转换。为了解决FPGA无法确定一个时钟周期内信号何时到来的局限性,在分析了传统的精密时间测量方法与本系统的需求后,提出了使用FPGA内的逻辑单元实现精密时间测量的方案,并且完成了该方案的相关理论研究与程序实现。而且在FGPA中实现了串口通信,完成了电脑与FPGA板的数据传输;3.对相关程序使用仿真软件进行了仿真测试,测试了程序中信号出现的时间点是否符合预期,传输的数据是否正确。并且搭建了相应的实际系统进行了测试。最终得到的系统性能为:在1000km的光纤时间同步系统中,时间同步精度为5ns,系统稳定度为160ps,最小测量精度为60ps。
【图文】：
的时间从１００ｎｓ扩大到１２００ｎｓ。２０１６年，文献［３０］在光纤时间同步系统中使用逡逑ＦＰＧＡ接收秒脉冲信号，同时内部进行秒脉冲信号的同步并且生成时间码用于发逡逑送，最终时间同步精度为１１．８ｎｓ。如图１－１为该文献系统原理图。文献［３１］实现逡逑了频率和时间一起同步的系统，在光纤长度为５０ｋｍ时，时间同步精度为１．６ｐｓ，逡逑在光纤长度为１１０ｋｍ，时间同步精度为３０ｐｓ。逡逑时间同步站逦逡逑逦邋｜邋ＦＰＧＡ逦｜邋Ｒ推丨逦■逦■逡逑（ＩＴ）逦￥邋Ｉ邋时间邋１—信息逦一￣￣＾时间逡逑NB邋Ｕ逦？邋ｇ邋—同步邋解析邋１编码厂逡逑授时屮心站邋Ｉ邋｜邋ｐ丨—丨＿＿Ｌ—Ｊ逦１ＰＰＳ逦＾终Ｉ逡逑图１－１邋ＩＲＩＧ－Ｂ码在光纤时间同步中的应用原理图R[逡逑１．３论文结构安排逡逑本文通过理论分析与搭建实际链路实现并且验证了基于ＦＰＧＡ的高精度时逡逑间同步系统的整体方案，论文一共分为六章，，具体的结构安排如下：逡逑第一章：绪论。主要介绍了选题背景及意义，介绍了民用以及特殊领域对于逡逑时间同步都有着不同精度的需求并且介绍了搭建基于ＦＰＧＡ的高精度时间同步逡逑系统对于各行各业都非常重要。此外，介绍了国内外对于高精度时间同步系统的逡逑研究现状。逡逑第二章：时间基本概念及时间同步系统和方法。主要介绍了关于时间的基本逡逑概念以及关于时间同步的发展过程中出现的时间同步系统以及时间同步的方法。逡逑第三章：基于ＦＰＧＡ的高精度时间同步系统总体设计。主要介绍了本方案的逡逑方案设计与实现该方案所需的硬件介绍
图２－１卫星单向时间同步原理图逡逑（２）双向法［４５’５６’５７’５８］逡逑图２－２为卫星双向时间传递基本原理图［５６］，两地的地面站均使用卫星作为中逡逑转站发送时间同步信号给对方。假设Ａ、Ｂ分别在自己的钟面心和４（４邋＝心＋逡逑Ａ７０时刻向对方发送时间同步信号，这两个信号分别经过N希岛停颍樱档酱镂佬牵ㄥ义瞎佬窍蚨苑阶ⅲ停罚蓿词奔涞酱锒哉荆柚眯暮停薜氖笨套魑铃义险居耄抡镜氖奔浼涓艏剖鳎ǎ裕桑茫裕椋恚邋澹桑睿簦澹颍觯幔戾澹茫铮酰睿簦澹颍┑目判藕牛幼攀瑰义嫌霉孛判藕牛蘸停毡憧梢圆饬砍觯抡镜剑琳居耄琳镜剑抡镜拇ナ毖雍停罚蓿隆ｅ义细菟蚴奔涞谋榷栽肀憧梢缘贸鍪剑ǎ玻保哄义希粒颍藉澹埽ǎ剩幔猓裕猓幔埽裕幔箦澹澹裕螅猓裕猓螅裕螅幔╁危ǎ玻保╁义显谏鲜街校粒允橇秸镜闹硬睿褪牵琳居耄抡镜氖奔浼涓艏剖魉义喜饬康氖毖蛹剖担罚蕖ⅲ簦螅蟆ⅲ颍螅蠛停罚尬鹗鞘奔渫叫藕旁冢嵴尽ⅲ庹居胛佬清义现涞拇ナ毖印ｅ义衔佬撬蚴奔浯莘ㄔ谑奔渫焦讨胁恍枰牢佬腔蛘叩孛嬲镜淖既峰义衔恢茫也换岜谎≡裥员；び刖驴刂朴跋欤彼虼涞氖莘浅＝咏靛义鲜笔涑觯煜叻较虻亩嗑缎вΦ挠跋觳幻飨浴Ａ降卣久嬉约拔佬巧系姆⑺秃徒邮斟义仙璞傅氖毖邮怯跋煳佬撬蚴奔浯莘ǖ淖既范鹊闹饕颉ｅ义衔佬撬蚴奔浯莘ㄔ谝欢ǔ潭壬虾芎玫南舜ヂ肪妒毖雍臀佬亲㈠义鲜毖哟吹挠跋欤τ米罟愕模牵校铀蚍ㄊ奔浯菥扔庞冢桑睿蟆ｅ义希保村义
本文编号：2636548
【图文】：
的时间从１００ｎｓ扩大到１２００ｎｓ。２０１６年，文献［３０］在光纤时间同步系统中使用逡逑ＦＰＧＡ接收秒脉冲信号，同时内部进行秒脉冲信号的同步并且生成时间码用于发逡逑送，最终时间同步精度为１１．８ｎｓ。如图１－１为该文献系统原理图。文献［３１］实现逡逑了频率和时间一起同步的系统，在光纤长度为５０ｋｍ时，时间同步精度为１．６ｐｓ，逡逑在光纤长度为１１０ｋｍ，时间同步精度为３０ｐｓ。逡逑时间同步站逦逡逑逦邋｜邋ＦＰＧＡ逦｜邋Ｒ推丨逦■逦■逡逑（ＩＴ）逦￥邋Ｉ邋时间邋１—信息逦一￣￣＾时间逡逑NB邋Ｕ逦？邋ｇ邋—同步邋解析邋１编码厂逡逑授时屮心站邋Ｉ邋｜邋ｐ丨—丨＿＿Ｌ—Ｊ逦１ＰＰＳ逦＾终Ｉ逡逑图１－１邋ＩＲＩＧ－Ｂ码在光纤时间同步中的应用原理图R[逡逑１．３论文结构安排逡逑本文通过理论分析与搭建实际链路实现并且验证了基于ＦＰＧＡ的高精度时逡逑间同步系统的整体方案，论文一共分为六章，，具体的结构安排如下：逡逑第一章：绪论。主要介绍了选题背景及意义，介绍了民用以及特殊领域对于逡逑时间同步都有着不同精度的需求并且介绍了搭建基于ＦＰＧＡ的高精度时间同步逡逑系统对于各行各业都非常重要。此外，介绍了国内外对于高精度时间同步系统的逡逑研究现状。逡逑第二章：时间基本概念及时间同步系统和方法。主要介绍了关于时间的基本逡逑概念以及关于时间同步的发展过程中出现的时间同步系统以及时间同步的方法。逡逑第三章：基于ＦＰＧＡ的高精度时间同步系统总体设计。主要介绍了本方案的逡逑方案设计与实现该方案所需的硬件介绍
图２－１卫星单向时间同步原理图逡逑（２）双向法［４５’５６’５７’５８］逡逑图２－２为卫星双向时间传递基本原理图［５６］，两地的地面站均使用卫星作为中逡逑转站发送时间同步信号给对方。假设Ａ、Ｂ分别在自己的钟面心和４（４邋＝心＋逡逑Ａ７０时刻向对方发送时间同步信号，这两个信号分别经过N希岛停颍樱档酱镂佬牵ㄥ义瞎佬窍蚨苑阶ⅲ停罚蓿词奔涞酱锒哉荆柚眯暮停薜氖笨套魑铃义险居耄抡镜氖奔浼涓艏剖鳎ǎ裕桑茫裕椋恚邋澹桑睿簦澹颍觯幔戾澹茫铮酰睿簦澹颍┑目判藕牛幼攀瑰义嫌霉孛判藕牛蘸停毡憧梢圆饬砍觯抡镜剑琳居耄琳镜剑抡镜拇ナ毖雍停罚蓿隆ｅ义细菟蚴奔涞谋榷栽肀憧梢缘贸鍪剑ǎ玻保哄义希粒颍藉澹埽ǎ剩幔猓裕猓幔埽裕幔箦澹澹裕螅猓裕猓螅裕螅幔╁危ǎ玻保╁义显谏鲜街校粒允橇秸镜闹硬睿褪牵琳居耄抡镜氖奔浼涓艏剖魉义喜饬康氖毖蛹剖担罚蕖ⅲ簦螅蟆ⅲ颍螅蠛停罚尬鹗鞘奔渫叫藕旁冢嵴尽ⅲ庹居胛佬清义现涞拇ナ毖印ｅ义衔佬撬蚴奔浯莘ㄔ谑奔渫焦讨胁恍枰牢佬腔蛘叩孛嬲镜淖既峰义衔恢茫也换岜谎≡裥员；び刖驴刂朴跋欤彼虼涞氖莘浅＝咏靛义鲜笔涑觯煜叻较虻亩嗑缎вΦ挠跋觳幻飨浴Ａ降卣久嬉约拔佬巧系姆⑺秃徒邮斟义仙璞傅氖毖邮怯跋煳佬撬蚴奔浯莘ǖ淖既范鹊闹饕颉ｅ义衔佬撬蚴奔浯莘ㄔ谝欢ǔ潭壬虾芎玫南舜ヂ肪妒毖雍臀佬亲㈠义鲜毖哟吹挠跋欤τ米罟愕模牵校铀蚍ㄊ奔浯菥扔庞冢桑睿蟆ｅ义希保村义
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