杨志刚

（中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南 郑州 450047）

1 前言

随着科学技术的进步，高精度时间频率同步系统越来越受到重视，特别是时间同步技术，已经在通信、交通、电力等民用领域和多基地雷达、卫星导航测量、精确武器打击系统等军用领域得到广泛应用。时间同步技术指实现本地标准秒脉冲与时间基准秒脉冲的参考沿对齐的技术，根据不同同步精度要求，还需选择相应时间传递和时间间隔的测量技术，对于要求不同站点时间同步应优于百皮秒量级的大型电子试验设备中，其实现时间同步过程中，进行脉冲相位精密微调是必不可少的条件。下面就秒脉冲同步原理、标准秒脉冲相位调整的软硬件设计给以介绍。

2 标准秒脉冲同步原理

2.1 标准秒脉冲产生原理

大多数高精度时频设备内部频率标准都采用原子频率或者高稳晶振，经过一定的处理，输出标准秒脉冲。标准秒脉冲产生过程是将原子频标或者高稳晶振输出10MHz的标准正弦信号进行整形，得到方波信号，然后利用数字芯片如FPGA、CPLD等进行计数，在适当的计数点产生标准秒脉冲信号。时频设备产生秒脉冲的原理如图1所示：采用标称10MHz信号，可使 N=107-1即可。如果通过校正发现该信号的频率不是标称10MHz，可以通过改变N的大小进行修正。

图1 标准秒脉冲产生原理示意图

2.2 标准秒脉冲同步原理

时频设备通过计数产生的秒脉冲信号其相位是随机的。需要通过外部同步信号将该秒脉冲信号同步到UTC时间基准上。外同步信号有多种选择，如 GPS、GLONSS、北斗等导航系统，长波、短波等地面无线授时信号，以及IRIG-B码等有线授时信号。对外同步信号的解码可以得到基准参考秒脉冲，通过测量时频设备产生的秒脉冲与基准秒脉冲的时间差，利用相位调整技术，实现设备产生的秒脉冲与UTC秒同步，过程如图2所示。

图2 秒脉冲信号外同步示意图

在图1中，秒脉冲信号是在计数器等于N的时侯产生的，在计数器的不同值时产生秒脉冲，可对秒脉冲进行超前或滞后的相位调整，如图3所示。这种调整方法属于预先设置在计数器的不同值时产生秒脉冲进行同步，下文称这种方法为预置计数同步法。

预置计数同步法实现相位调整，只能实现时钟周期步长的调整。如频标信号为10MHz时，只能实现100ns的整数倍的调整。当参考基准秒脉冲与设备产生秒脉冲的时间差不是100ns的整数倍时，这种调整只能保证1个时钟周期的同步精度，即100ns的同步精度。

图3 预置计数同步法实现相位调整示意图

对于图3中，相位调整前的秒脉冲信号作为可调整信号，假定其滞后外同步信号160ns，需要其相位前移160ns，才能与外同步信号同步，利用预置计数同步法进行调整时，前移1个时钟周期后，其同步精度为60ns，相当于图4中的T2，前移2个时钟周期，其同步精度为40ns，相当于图4中的T1。如图4所示，利用预置计数同步法控制脉冲的办法，都会带来T1或T2的误差。

为了提高同步精度，必须减小相位调整步长，从而减小误差。我们可通过提高时钟频率，减小时钟周期，以此提高同步精度。如果想实现优于1ns的调整同步精度，需要高达数GHz的频率信号，不但电路板布线难度加大，而且支持如此高频率的芯片也很难选择。何况要求同步精度更高时，单靠利用预置计数同步法进行相位调整，需要高达数10GHz的频率信号，支持如此高频的芯片几乎是不可能的。因此，要实现更高精度的同步需求，必须寻找新的相位调整方法，以此减轻电路设计难度和降低芯片的时钟频率。鉴于此，提出计数调整和时钟相位微调相结合的方法。

图4 通过计数器实现相位调整误差示意图

2.3 预置计数同步法和时钟相位微调相结合的方法

通过图4可知，利用预置计数同步法进行相位调整，无法消除因相位间隔不是整数倍时钟周期而产生的 T1或 T2误差。为了消除T1或T2误差，考虑在进行相位调整时，将调整的时间间隔分为两部分，一部分为整数倍的时钟周期，称为整数部分，另一部分为时间间隔除去整数部分，也就是小于时钟周期的部分，称为小数部分。秒脉冲相位调整时，提前将方波后移T1或前移T2，而后再利用预置计数同步调整，对于利用预置计数同步对秒脉冲的同步调整不再介绍，下面主要介绍利用时钟方波调整相位，对秒脉冲信号的微调。

时钟方波信号是将正弦信号经过整形而得到，整形的过程为通过过零比较器，正弦信号为正时对应高电平，为负时对应低电平，鉴于此可以通过改变比较器的门限电压，调整方波上升沿的时刻，在参考文献1中给出了详细介绍，这里主要介绍将正弦信号转换为方波信号之前，通过移相器直接将正弦信号进行相位调整，以此完成时钟信号的相位调整。为了保证产生的标准秒脉冲信号的周期大小不变，正弦信号相位调整时，不改变时钟频率，而是对正弦信号在某一时刻进行调整，达到对标准秒脉冲信号的相位调整。移相器采用AD公司的AD9852集成电路芯片实现时钟相位调整，这种设计电路简单，易于实现。

AD9852是AD公司采用先进的DDS 技术生产的具有高集成度DDS电路器件，其功能框图原理如图5所示。AD9852内部包含高速、高性能D/A转换器及高速比较器，以形成可编程、可灵活使用的频率合成功能。外接精密时钟源时，AD9852可以输出频谱纯净、变化为一个平稳的过渡过程，且相位是连续变化的。DDS这些优点使其非常适用于频率的跟踪与同步。

图5 AD9852系统功能原理图

在AD9852众多功能中，其中内含4～20 倍可编程参考时钟倍乘器，可方便地在内部产生高频时钟信号和内含双向14 位可编程相位偏移寄存器，相位可调的功能对完成预置计数同步调整和时钟相位微调相结合的秒脉冲同步是非常有利的。

利用AD9852完成时钟相位调整如图6所示，在相位调整过程中，仅对要求调整执行时刻的单周期正弦信号进行调整，而不影响后续正弦波上半幅和下半幅的占空比，保证了整形后仍然为方波。在利用10MHz作为时钟信号时，相位调整步长为为时钟周期），我们还可以利用其倍频的功能，将时钟信号倍频到 20MHz，此时的相位调整步长为，进一步提高同步精度。

图6 时钟相位调整示意图

3 标准秒脉冲的相位调整技术实现

3.1 标准秒脉冲相位调整的硬件实现

标准秒脉冲的产生主要由利用 FPGA设计的可预置分频电路、由AD9852设计的精密移相DDS电路和微控制器电路三部分组成，如图7所示。

图7 秒脉冲同步原理组成框图

微控制器接受监控信息，根据监控信息提供的本地秒脉冲相位需要调整的相位偏移量（由本地系统的时间间隔测量部分提供），对相位偏移量进行处理，分离出整数部分和小数部分。可预置分频电路利用整数部分数据，产生利用预置计数同步法的秒脉冲信号；精密移相DDS电路根据小数部分，通过对DDS的相位控制字调整，完成时钟相位微调，达到秒脉冲的同步。

可预置分频电路采用 10MHz1作为外部参考时钟源经过精密移相DDS产生的10MHz2频标信号作为分频时钟信号，在同步时，通过改变在计数器的不同计数时刻，作为脉冲1pps信号的上升沿位置，获得100ns同步精度；精密移相部分采用AD9852 数字频率合成器DDS电路，根据AD9852具有相位可调，双向 14 位可编程相位偏移寄存器的特性，在时钟频率为10MHz时，相位微调精度可达6.10ps。

3.2 标准秒脉冲相位微调的软件实现

可预置分频电路的时钟相位微调是完成秒脉冲相位精密调整的核心，AD9852对输出时钟正弦信号相位调整是双向的。以相位调整控制字为0时输出的时钟相位作为参考，通过改变相位调整控制字的大小，对输出正弦信号相位调整。通过实验，发现在相位调整过程中，相位在正负半个周期内调整，而且调整是以当前的相位偏移量作为参考。为了利于控制时钟方波相位调整，将正弦信号调整以初次调整前为参考，调整相位控制字不大于8192(213)，也就是说正弦信号的调整在半个周期内调整，且调整后的相位φ1与初次调整前的相位φ0的差始终为φ1- φ0≤180°。其时钟相位精密调整流程如图8所示，流程中利用计数器对秒脉冲相位的前移或后移1个时钟周期的执行，可在完成流程运算后，作为调整的整数部分同前面微控制器得到的部分一起运用可预置分频电路进行调整。

图8 时钟相位精密调整流程图

4 结束语

本文论述了一种利用预置分频电路和DDS AD9852电路相结合，实现标准秒脉冲信号的相位微调技术,经过理论分析，其实现精度可以优于10ps，这种相位微调技术实现简单，易于控制，在光纤时频传递技术的研究中得到了应用。对于时频实验室间的时间比对和对时间同步精度优于纳秒量级的军用领域方面的需求，具有很强的工程应用价值。

[1] Analog Devices AD9852 Rev.E datasheet[S].2000.

[2] 张廷,黄佩诚.高精度时间间隔测量技术与实现,天文学进展,2006:24(1).

[3] SUN J,PAN JF.Methods of high precision time-interval measurement Computer & Control 2007(2):145-148.

[4] 樊战友,樊西青,张首刚.基于AD9956的任意频率合成器研制,2010:33(2).

[5] 张明,仲崇霞,张升康,宋跃.标准秒脉冲信号高精度相位微跃技术研究.2011全国时间频率学术会议论文集, 2011.