基于连续激光的自由空间同步技术研究
发布时间：2020-07-17 05:26
【摘要】：高精度的时间频率同步技术广泛应用于通信、雷达、导航系统、天文观测和基础科学研究等领域,随着科学技术的发展,特别是5G时代的到来,对时间频率同步精度的要求也越来越高。时间频率传递方法有光纤传输、卫星传输和自由空间激光传输。本文介绍了上述三种方法的发展现状,进而设计了基于激光的自由空间时间传递同步,它不像光纤传输需要专门的光纤信道,只需要在可视范围内即可。由于基于卫星的时间频率传输的微波频率信道越来越紧张,频率干扰问题经常出现,基于激光的时间频率传输速度快,抗干扰能力强,不存在频率之间的干扰。因此,基于激光的自由空间时间同步研究具有重要意义。本文设计了基于小型连续激光器往返时间传递同步方案,完成对激光传输的信号进行时间间隔测量和相位补偿,最后搭建光学实验平台。论文采用了粗细时间测量相结合的方法对时间间隔进行测量,结合FPGA的内部资源,采用抽头延迟法进行“细”时间测量,采用直接计数法进行“粗”时间测量,这样既保证了精度又能扩大测量范围。本文使用kintex-7内部资源CARRY4进位链级联来构建延迟线。由于超前进位产生“冒泡”现象以及需要对级联的进位链锁存的温度计码转换成二进制数,本设计采用二分求和法来进行译码。为了提高测量的精度,减少进位单元以及通道之间的布线延迟,设计采用了器件位置约束的方法是进位单元之间有序排列以及通道之间并行排列,之后通过板级测试进行验证,验证结果表明测量的时间间隔误差在±190ps之内。经过自由空间传输后的信号存在相位差,需要对信号进行相位补偿。结合FPGA内部的SelectIO资源,采用“粗”延迟和“精”延迟相结合的方法对信号相位进行补偿。采用高速IO对信号进行采样,并且使用解串器和串行器对信号进行转换,转换中间采用移位寄存编码模块对信号进行粗延迟,之后进行板级测试,测试结果显示延迟波动为625ps,精延迟为78ps。最后基于上面的时间间隔测量和相位补偿方法,搭建光学实验平台。本文设计了基于激光传输为40m的自由空间时间传递链路进行实验,测试结果显示所设计的同步系统在相位补偿后的时延波动标准差为440ps。整个测量结果表明时间稳定度优于200ps,在时间大于500s时,时间稳定度处于100ps左右。实验结果表明激光的自由空间时间稳定度优于卫星的时间稳定度。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN24;TN791
【图文】：
电子科技大学硕士学位论文1.2.3 自由空间激光的时间频率同步传递基于激光的自由空间进行时频传输同步的信号可以是微波信号或光频，微波信号一般是通过调幅的方式调制到激光光源上，之后利用光学准直镜把光载微波信号的激光发射到自由空间中，在远端利用准直镜将自由空间的激光信号聚焦到光电探测器上，来恢复微波信号。如图 1-4所示为最简单的自由空间同步。
第三章 基于 FPGA实现的高精度时间间隔测量设计传输数据的速率越来越高，进而出现的一些高端 FPGA 利用 DDR 寄存器可以支持高达 2Gbps 的数据速率。为了利于管理与适用多种电气标准，FPGA 的输入/输出模块被划分为若干个 bank，每个 bank 的接口电压不同决定了它的接口标准不一样。（2）可配置逻辑单元（CLB）CLB 是 FPGA 的基本逻辑单元。CLB 的数量和特性因不同 FPGA 芯片器件而不同，每个 CLB都含有一个可配置开关矩阵，此开关矩阵有 4或 6个输入、具有选型电路与触发器。开关矩阵的高度灵活使其可以进行配置来处理移位寄存器、组合逻辑或 RAM。在 Xilinx 公司的 FPGA 器件中，CLB 是由多个相同的 Slice 与附加逻辑构成，每个 CLB 可以进行配置来实现时序逻辑、组合逻辑，还可以实现分布式的 RAM 与分布式的 ROM。如图 3-2 所示，（a）为 CLB 内 Slice的排列，图中两个 slice都和开关矩阵相连。（b）为相邻的两个 CLB之间的连接。
图 3-3 时钟管理模块框图4）嵌入式块 RAM多 FPGA 都有内嵌的块 RAM，它具有数据的存储与读取功能，这 FPGA的使用范围。块 RAM可以灵活的配置单/双端口的 RAM与配置 FIFO 等存储模块。除了内嵌的块 RAM，还可以利用芯片内部来实现分布的 RAM，同样可以配置单/双端口的 RAM 与 ROM。在两种 RAM 的选择不仅影响芯片的内部资源，还会对芯片的性能与的影响。一般应用时，如果对 RAM 的深度要求不高，可以用查找，若对 RAM 的深度要求高，可以用内嵌的块 RAM 来实现，当然 RAM 的方式组成更大的 RAM 进行应用。表 3-1 KIntex-7 的容量和功能容量 Kintex-7发送速率 12.5Gbit/s
本文编号：2759035
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN24;TN791
【图文】：
电子科技大学硕士学位论文1.2.3 自由空间激光的时间频率同步传递基于激光的自由空间进行时频传输同步的信号可以是微波信号或光频，微波信号一般是通过调幅的方式调制到激光光源上，之后利用光学准直镜把光载微波信号的激光发射到自由空间中，在远端利用准直镜将自由空间的激光信号聚焦到光电探测器上，来恢复微波信号。如图 1-4所示为最简单的自由空间同步。
第三章 基于 FPGA实现的高精度时间间隔测量设计传输数据的速率越来越高，进而出现的一些高端 FPGA 利用 DDR 寄存器可以支持高达 2Gbps 的数据速率。为了利于管理与适用多种电气标准，FPGA 的输入/输出模块被划分为若干个 bank，每个 bank 的接口电压不同决定了它的接口标准不一样。（2）可配置逻辑单元（CLB）CLB 是 FPGA 的基本逻辑单元。CLB 的数量和特性因不同 FPGA 芯片器件而不同，每个 CLB都含有一个可配置开关矩阵，此开关矩阵有 4或 6个输入、具有选型电路与触发器。开关矩阵的高度灵活使其可以进行配置来处理移位寄存器、组合逻辑或 RAM。在 Xilinx 公司的 FPGA 器件中，CLB 是由多个相同的 Slice 与附加逻辑构成，每个 CLB 可以进行配置来实现时序逻辑、组合逻辑，还可以实现分布式的 RAM 与分布式的 ROM。如图 3-2 所示，（a）为 CLB 内 Slice的排列，图中两个 slice都和开关矩阵相连。（b）为相邻的两个 CLB之间的连接。
图 3-3 时钟管理模块框图4）嵌入式块 RAM多 FPGA 都有内嵌的块 RAM，它具有数据的存储与读取功能，这 FPGA的使用范围。块 RAM可以灵活的配置单/双端口的 RAM与配置 FIFO 等存储模块。除了内嵌的块 RAM，还可以利用芯片内部来实现分布的 RAM，同样可以配置单/双端口的 RAM 与 ROM。在两种 RAM 的选择不仅影响芯片的内部资源，还会对芯片的性能与的影响。一般应用时，如果对 RAM 的深度要求不高，可以用查找，若对 RAM 的深度要求高，可以用内嵌的块 RAM 来实现，当然 RAM 的方式组成更大的 RAM 进行应用。表 3-1 KIntex-7 的容量和功能容量 Kintex-7发送速率 12.5Gbit/s
【参考文献】
相关期刊论文 前2条
1 周磊;王春娥;;基于FPGA的时间数字转换器的编码器[J];盐城工学院学报(自然科学版);2015年02期
2 金功伟,金雪雁;GPS技术在遥测时统中的应用[J];制导与引信;1997年04期
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1 武文俊;卫星双向时间频率传递的误差研究[D];中国科学院研究生院(国家授时中心);2012年
2 李滚;GPS载波相位时间频率传递研究[D];中国科学院研究生院（国家授时中心）;2007年
3 杨旭海;GPS共视时间频率传递应用研究[D];中国科学院研究生院（国家授时中心）;2003年
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1 董续胜;多通道高精度符合计数器的研究与设计[D];电子科技大学;2016年
本文编号：2759035
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