光纖時間傳遞的大范圍高分辨率時延控制方法研究

孔維成，陳法喜，趙侃，鄧雪，臧琦，付桂濤，劉濤

光纖時間傳遞的大范圍高分辨率時延控制方法研究

孔維成1,2,3，陳法喜1,2,4，趙侃1,2，鄧雪1,2,3，臧琦1,2，付桂濤5，劉濤1,2

（1. 中國科學院 國家授時中心，西安 710600；2. 中國科學院大學 天文與空間科學學院，北京 101048；3. 中國科學院 時間頻率基準重點實驗室，西安 710600；4. 西安電子科技大學，西安 710126；5. 北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094）

隨著原子鐘準確度和穩(wěn)定度的不斷提升，對于時間傳遞技術(shù)的要求越來越高。光纖時間傳遞以其高精度高穩(wěn)定性能以及安全、可靠等諸多優(yōu)勢已成為重要的時間傳遞方式。時延控制單元是光纖時間傳遞的一個重要環(huán)節(jié)。光纖時間傳遞的基本原理是先通過估算或?qū)崪y等方法獲得兩地之間的傳輸時延，然后通過對傳輸時延進行補償實現(xiàn)時間的傳遞同步。通過FPGA（field-programmable gate array）和PLL（phase locked loop）移相技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)了一種可用于光纖時間傳遞的大范圍高分辨率時延控制技術(shù)，經(jīng)多次實驗證明，所述系統(tǒng)可對大范圍的時差值進行有效控制，將實測時差值存在的偏差都控制在±20 ps以內(nèi)；并對時延控制模塊輸出的1PPS信號的實測時差數(shù)據(jù)進行分析得標準差值為8.2 ps，時延控制模塊輸出的1PPS信號的穩(wěn)定度為4.33ps@1s，0.94ps@1ks。

光纖時間傳遞；時延控制；FPGA；PLL移相

0 引言

近年來，新型原子鐘技術(shù)的發(fā)展非常迅速，隨著半導(dǎo)體激光技術(shù)、電磁囚禁技術(shù)、激光冷卻和陷俘原子技術(shù)、索莫飛秒脈沖激光技術(shù)以及相干布居囚禁（CPT）等新技術(shù)的發(fā)展以及新物理原理的應(yīng)用，原子鐘的穩(wěn)定度和準確度已達到10-18數(shù)量級[1]。時間頻率的測量精度是目前所有物理量及物理常數(shù)中最高的，高精度時間頻率已經(jīng)成為一個國家科技、經(jīng)濟、軍事和社會生活中至關(guān)重要的參量，其應(yīng)用范圍從基礎(chǔ)研究（物理理論和基本物理常數(shù)等），滲透到了工程技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域（信息傳遞、導(dǎo)航定位、計量測試等），關(guān)系到人們生活的方方面面[2]。目前異地時鐘的時間頻率傳輸與同步主要是通過衛(wèi)星鏈路來實現(xiàn)的。利用衛(wèi)星雙向時間頻率傳遞（TWSTFT）[3]，衛(wèi)星共視（CV）[4]等方法可以實現(xiàn)10－15/d量級的頻率傳輸穩(wěn)定度以及納秒量級的時間同步精度?，F(xiàn)有的時頻傳輸和同步技術(shù)已無法滿足高精度原子鐘時間頻率比對的需求，要發(fā)展具有更高精度的時頻傳輸與同步方法[5]。

當前應(yīng)用于光纖時間傳遞的時延控制技術(shù)，主要依靠于移相器、可編程延遲線或FPGA（field-programmable gate array）實現(xiàn)。① 利用移相器產(chǎn)生穩(wěn)定的相位差，控制精度極高，可達到皮秒量級，但是該技術(shù)可能存在信號間斷，且控制范圍極窄，一般為10 ns；② 可編程延遲線，雖然分辨率高，但一樣難以實現(xiàn)大范圍的時延控制，一般僅為幾十納秒以下；③ 利用FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）實現(xiàn)相位移動，由于FPGA移相的分辨率取決于FPGA的時鐘頻率，極大地限制了其分辨率，但也提高了控制范圍，如FPGA的時鐘周期為100 ns，我們可調(diào)節(jié)的范圍即為100 ns 的正整數(shù)倍，小于100 ns 的部分則無法控制。以上幾種方法對于控制范圍與控制精度均無法兼顧，本文介紹了一種綜合了FPGA控制范圍寬與移相器控制精度高的優(yōu)點，基于FPGA技術(shù)與PLL（phase locked loop）移相技術(shù)相結(jié)合的大范圍高分辨率時延控制方法。

一般認為，高精度與大范圍是一對難以兼顧的控制量，提升控制精度就意味著犧牲了控制范圍，而提升了分辨范圍以犧牲控制精度為代價。本文提出一種兩全法，先由FPGA控制的大范圍部分來消除100 ns的整數(shù)倍誤差，小于100 ns的部分則由移相器部分調(diào)節(jié)。誤差調(diào)節(jié)過程分為兩步：先將原始誤差值送入FPGA環(huán)節(jié)，進行大范圍調(diào)節(jié)得到一個小于100 ns的修正誤差值，再將修正誤差值送入移相器環(huán)節(jié)，進一步對誤差進行高精度修正。

為滿足實際工程應(yīng)用，本文將理論與實際相結(jié)合，把系統(tǒng)集成于光纖時間傳遞板卡與光學板卡上，此系統(tǒng)具有操作簡單、體積小、重量輕、造價低等優(yōu)點，不僅滿足了高精度光纖時間傳遞工程的切實需求，也使得系統(tǒng)的可操作性大大增強。

1 光纖時間傳遞系統(tǒng)與大范圍、高分辨率時延控制方法

時延控制單元是光纖時間傳遞的一個重要環(huán)節(jié)。目前基于光纖的時間傳遞方法可分為單向法傳輸和雙向法傳輸，但是兩者所基于的基本原理是一樣的。光纖時間傳遞的基本原理是先通過估算或?qū)崪y等方法獲得兩地之間的傳輸時延，然后通過對傳輸時延進行補償實現(xiàn)時間的傳遞同步。本文所述光纖時間傳遞的大范圍高分辨率時延控制方法，通過FPGA技術(shù)和PLL移相技術(shù)的結(jié)合，實現(xiàn)相位時延的粗調(diào)和細調(diào)，實現(xiàn)大范圍高分辨率的時延控制。

1.1 光纖時間傳遞系統(tǒng)

式（1）中，為光纖折射率，為光纖鏈路長度，為真空中電磁波傳播速度。

由于光纖鏈路長度和光纖折射率隨溫度的變化，及光纖折射率的波長相關(guān)性使得光纖鏈路的時延隨外界環(huán)境溫度、激光器輸出波長的變化而波動，影響光纖時頻傳遞的穩(wěn)定性[18]。因此，克服或者補償時間信號的傳輸時延以及鏈路的干擾變化引起的相位抖動是我們實現(xiàn)高精度時間傳遞的一個重要環(huán)節(jié)。該系統(tǒng)主要包括光纖鏈路傳輸時延測量單元、運算控制單元、光纖鏈路及其時延控制單元。圖1為光纖時間傳遞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 光纖時間傳遞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 時延控制方法

圖2 時延控制總體結(jié)構(gòu)示意圖

如圖2所示，通過時延控制單元MCU（micro control unit）對所采集的時延控制量進行處理：

式（2）中，為時鐘周期，[ ]為取整符號，大范圍時延控制量（為正整數(shù)）被定義為對取整。

， （3）

式（3）中，為高精度時延控制量。

1.2.1 高分辨率時延控制方法

DA轉(zhuǎn)換器（digital analog converter）將小于時鐘周期的高精度時延控制量轉(zhuǎn)換為模擬電壓1，1用于控制PLL移相器內(nèi)部的鑒相電壓值2，從而完成對PLL移相器輸出信號相位的控制，實現(xiàn)對時間信號時延的細調(diào)。

時鐘信號與壓控晶振VCXO（voltage control x-tal [crystal] oscillator）信號經(jīng)過分頻（為正整數(shù)）同時輸入鑒相器，經(jīng)過鑒相器處理可得到兩個輸入信號之間的相位差，再使相位差信號經(jīng)過低通濾波器可得到代表時鐘信號與VCXO信號相位差的電壓值2。1與2同時輸入到比例積分PI（proportional integral）控制器中，使PI控制器的輸出控制VCXO信號的相位形成鎖相環(huán)，使得2＝1，從而實現(xiàn)PLL移相。圖3為PLL移相器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

本文需要用DA轉(zhuǎn)換輸出的模擬電壓來控制PLL移相器內(nèi)部的鑒相電壓值，故而DA轉(zhuǎn)換的精度直接影響到對于小于100 ns時延控制的細調(diào)分辨率。本文采用20位DA轉(zhuǎn)換器，且圖3中取為4，則時延控制分辨率約為0.4 ps。

圖3 PLL移相器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.2 大范圍時延控制方法

通過FPGA控制時鐘周期整數(shù)倍的時延以實現(xiàn)對時間信號時延的粗調(diào)。圖4為FPGA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。如圖4所示，F(xiàn)PGA內(nèi)部計數(shù)器模塊的3個引腳分別為：CLK時鐘信號輸入、CLR清零信號輸入、Q計數(shù)器輸出。

圖4 FPGA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

當檢測到1 PPS的上升沿時，將計數(shù)器數(shù)值清零，不用考慮1 PPS信號的脈沖寬度（脈寬最低為100 ns）。每當檢測到OUT信號的一個上升沿即經(jīng)過輸入信號的一個周期時值加1，將值送給比較器，與比較器的另一輸入量作比較，當＝時，輸出1 PPS信號。圖5為大范圍時延控制方法說明圖。

圖5 大范圍時延控制方法說明圖

由于異步信號的輸入及邊沿檢測的延遲性，實際計算中需要減去由延遲帶來的固定時延值，固定時延值可通過仿真及實測等方法得到[19-20]。

2 實驗裝置

本文為驗證時延控制方法所采用的實驗裝置結(jié)構(gòu)圖如圖6所示，信號源輸出的一路10 MHz和1 PPS信號輸入到時延控制模塊中，時延控制模塊輸出經(jīng)過時延控制后的1 PPS信號，作為時間間隔計數(shù)器SR620的關(guān)門信號。信號源輸出另一路的信號10 MHz作為時間間隔計數(shù)器SR620的參考頻率信號，輸出另一路1 PPS信號作為SR620的開門信號。通過計算機設(shè)定時延控制量，并采集SR620的測量結(jié)果數(shù)據(jù)進行分析。圖7為實驗裝置圖。

圖6 實驗裝置結(jié)構(gòu)圖

圖7 實驗裝置圖

3 實驗及結(jié)果分析

實驗一，時延控制模塊的準確度測試。計算機設(shè)定時延控制量，并連續(xù)5 min采集SR620的數(shù)據(jù)，將測量的平均值記錄為實測的時延值；重復(fù)上述步驟多次改變設(shè)定的時延控制量，采集數(shù)據(jù)。表1為時延控制模塊準確實驗數(shù)據(jù)表。

表1 時延控制模塊準確實驗數(shù)據(jù)表 ns

當時延控制量設(shè)定為0.000 ns時，實驗裝置存在系統(tǒng)誤差19.831 ns，這個偏差主要由同軸線的時延、芯片傳輸時延、SR620測量的系統(tǒng)等因素引入。在扣除這個系統(tǒng)偏差影響后，計算出各個時延設(shè)定值下的實測時差值存在的時間偏差都在±20 ps以內(nèi)，這個偏差基本上與SR620測量非線性引入的偏差相當。理論上時延控制范圍為無窮大，本次實驗所測定的時延控制量的范圍為51 657 894.341 ns，當設(shè)定時延值為5 165 7894.341 ns時，時間偏差依然可以控制在20 ns以內(nèi)。

實驗證明，基于FPGA技術(shù)與PLL移相技術(shù)相結(jié)合的時延控制方法不僅可控制大范圍時延且精度水平已經(jīng)遠可以滿足在目前高精度光纖時間傳遞系統(tǒng)中的應(yīng)用，在未來中國科學院國家授時中心正在建設(shè)的高精度國家地基授時系統(tǒng)中也將發(fā)揮重要作用。

實驗二，時延控制模塊輸出1 PPS信號的穩(wěn)定度。設(shè)定時延量為304.171 ns，采集24 h的數(shù)據(jù)，測得的時差數(shù)據(jù)圖如圖8所示，對于所測得時延控制模塊輸出的1 PPS信號的實測時差數(shù)據(jù)進行分析得標準差值為8.2 ps。

為了進一步分析測量的穩(wěn)定度，將采集到的時差數(shù)據(jù)經(jīng)處理得到的時延控制模塊輸出的1 PPS信號穩(wěn)定度如圖9所示，圖中所示曲線時間偏差TDEV（time deviation）為4.33 ps@1 s，0.94 ps@1 ks。

圖8 實測時差數(shù)據(jù)圖

圖9 時延控制模塊輸出1 PPS信號穩(wěn)定度圖

4 結(jié)語

本文通過FPGA和PLL移相技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)了一種可用于光纖時間傳遞的大范圍高分辨率時延控制技術(shù)，經(jīng)多次實驗證明，本文所述系統(tǒng)可對大范圍的時差值進行有效控制，將實測時差值存在的偏差都控制在±20 ps以內(nèi)，相比于FPGA時延技術(shù)，控制精度由納秒量級提升至皮秒量級。時延控制模塊輸出的1 PPS信號的標準差值為8.2 ps，時延控制模塊輸出的1 PPS信號的穩(wěn)定度為4.33 ps@1 s，0.94 ps@1 ks。

光纖時間傳遞以其較高的精度指標優(yōu)勢，在未來有著重要而廣闊的應(yīng)用前景。本文所介紹的時延控制方法具有大動態(tài)范圍和高分辨率的特點，已成功應(yīng)用于光纖時間傳遞研究與應(yīng)用領(lǐng)域，為國家授時中心研制的光纖時間傳遞系統(tǒng)在不同復(fù)雜環(huán)境條件下實現(xiàn)較高的時間傳遞指標提供了基礎(chǔ)，為十三五國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“高精度地基授時系統(tǒng)”提供了支撐。

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Study on the time delay control method with large range and high resolution in optical fiber time transfer

KONG Wei-cheng1,2,3, CHEN Fa-xi1,2,4, ZHAO Kan1,2, DENG Xue1,2,3, ZANG Qi1,2, FU Gui-tao5, LIU Tao1,2

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;2. School of Astronomy and Space Science, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;3. Key Laboratory of Time and Frequency Standards, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;4. Xidian University, Xi’an 710126, China;5. Beijing Satellite Navigation Center, Beijing 100094, China)

With the increasing accuracy and stability of atomic clocks, the requirements for time transfer technology are getting higher and higher. Optical fiber time transfer has become an important time transfer method due to its high accuracy and high stability, as well as safety, reliability and stability. The delay control unit is an important part of fiber optic time transfer. The basic principle of optical fiber time transmission is to obtain the transmission delay between the two places through estimation or actual measurement, and then realize the synchronization of the transmission of time by compensating for the transmission delay. In this paper, a large-range high-resolution time-delay control technology that can be used for fiber time transfer is realized by the application of FPGA and PLL phase shifting technology. It has been proved by many experiments that the system described in this paper can effectively control a large range of time difference, and control the deviation of measured time difference to within ±20 ps. The measured time difference data of 1 PPS signal output by the time delay control module was analyzed to obtain a standard deviation of 8.2 ps. The stability of 1 PPS signal output from the delay control module is 4.33 ps@1 s, 0.94 ps@1 ks.

optical fiber time transfer; time delay control; field-programmable gate array(FPGA); phase locked loop(PLL) phase shift

10.13875/j.issn.1674-0637.2019-03-0206-08

2019-01-23；

2019-03-28

國家自然科學基金重大研究計劃資助項目（91636101，91836301）；國家重點研發(fā)計劃資助項目（2016YFF0200200）；中國科學院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）資助項目（XDB21000000）

孔維成，女，碩士研究生，主要從事通信與信息系統(tǒng)研究。