时钟原理培训讲义

时钟原理培训讲义

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交换接入网硬件业务二部

2001.10

陈继东/07833

目录

102.2.3同步质量对网络的影响 (10)

2.2.2同步原则 (9)

2.2.1滑动 (9)

2.2为什么要同步 (9)

2.1网络同步的概念 (9)

2数字同步网...........................................................91.3.13老化（Aging ）.. (8)

1.3.12时间方差和时间偏差（TVAR 、TDEV ） (8)

1.3.11阿伦方差（AVAR ） (7)

1.3.10最大相对时间间隔误差（MRTIE ） (7)

1.3.9最大时间间隔误差（MTIE ） (6)

1.3.8时间间隔误差（TIE ） (6)

1.3.7频率稳定度（frequency stability ） (6)

1.3.6频率准确度（frequency accuracy ） (6)

1.3.5飘动（wander ） (6)

1.3.4抖动（jitter ） (6)

1.3.3几个常用单位：UI 、ppm 、ppb (5)

1.3.2时延（time delay ） (5)

1.3.1频率 (5)

1.3时钟 (5)

1.2.6GLONASS 系统 (4)

1.2.5GPS 系统 (4)

1.2.4CDMA 时间 (4)

1.2.3协调世界时 (4)

1.2.2天文时 (3)

1.2.1原子时 (3)

1.2时间 (3)

1.1时钟和时间

........................................................31时钟基本原理

.........................................................

204.1DDS 技术.........................................................

20

4时钟专用器件 (19)

3.6时间间隔分析仪 (19)

3.5频率计（计数器） (19)

3.4频率合成器 (19)

3.3GPS 接收机 (19)

3.2铷频率基准 (19)

3.1铯频率基准 (19)

3时钟测试工具 (16)

2.5.2时钟指标 (14)

2.5.1时钟同步的相关规范 (14)

2.5同步质量规范 (12)

2.4.2SDH 网同步 (12)

2.4.1PDH 网同步 (12)

2.4同步信息传送 (11)

2.3.2我国数字同步网的等级结构 (11)

2.3.1同步方式 (11)

2.3数字同步网的组织结构

.............................................

时钟原理培训讲义

1时钟基本原理

1.1时钟和时间

首先我们要区分两个概念，时钟和时间。时钟只关心信号的频率和相位，而时间则是一个绝对时刻的概念。存在两种同步，一种为时钟同步，一种为时间同步。时钟同步一般是指频率的同步，指信号的频率跟踪到基准频率上，但不要求起始时刻保持一致。时间同步又称时刻同步，是指绝对时间的同步，要求信号的起始时刻与UTC时间保持一致。下面我们先看一下一些基本的术语。

1.2时间

1.2.1原子时

秒：1963年，第13届国际计量大会决定，以铯原子Cs-133 基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9192631770个周期的持续时间。

国际原子时：1971年10月，国际时间局定义了国际原子时（TAI），以世界上大约100台铯原子钟进行对比，再由国际时间局进行数据处理，求出统一的原子时。

我国位于陕西天文台的国家授时中心代表我国参加国际原子时合作。

1.2.2天文时

以天体运动的周期现象为标准源的时标统称为天文时。1820年法国科学院正式提出：一个平太阳日的1/86400为一个平太阳秒，称为世界时秒长。

零类世界时（UT0）：国际上将英国格林威治所在的子午线的平均太阳时，定义为零类世界时。

第一类世界时（UT1）：由于地球自转轴的摆动，使得UT0存在一定的差异。对地球自转轴微小移动效应进行修正后，得到第一类世界时。

1.2.3协调世界时

由于天文时和原子时存在差异，为了折衷，提出了协调世界时，即UTC时间（Coordinated Universal Time）。UTC时间采用国际原子时，但是通过闰秒调整的方法使得原子时与UT1时间的差距小于0.9秒。闰秒调整在6月30日或者12月31日通过加1秒或者减1秒的方式，来进行调整。一个正闰秒在23h 59 m 60s 结束后才是下一月的第一天的0h 0m 0s ，而一个负闰秒则在23h 59m 58s 以后接下来的1s就是下月的第一天的0h 0m 0s 。最近的一次跳秒日是1999年1月1日。国际时间局决定并通知跳秒，该通知至少要提前8周发出。

1.2.4CDMA时间

CDMA时间采用国际原子时，以1980年1月6日0时整为系统其始时间。由于不存在闰秒调整，因此它与UTC时间存在整秒的差距。

1.2.5GPS系统

一、GPS系统简介

GPS的全称是NAVSTAR GPS，即导航星全球定位系统，该系统是美国国防部从1973年开始，耗资一百多亿美元，经过20多年的开发，并于1994年正式建成的第二代卫星导航系统。GPS系统由美国海军天文台建立和维护。

GPS系统包括空间部分（卫星网），地面控制部分和用户设备部分。

空间部分包括24颗卫星（外加三颗在轨备用卫星），轨道高度为20183公里.这些卫星分布在6个轨道平面上，每个轨道平面上有4颗星，轨道斜角为55度，绕地球一圈的时间是12小时。地球上任意地点的用户在任何时刻均能收到4—10颗卫星的信号。每颗卫星在L波段的两个频率上（L1=1575.42兆，L2=1227.26兆）连续发射用C/A码（民用）、P码（军用）调制的扩频信号。C/A码仅在L1频率上发射。卫星发射信号中载有用于计算卫星实时位置的轨道参数、时钟校正等参数。卫星上携带有原子钟（铯原子钟或氢原子钟）其稳定度可达10-12至10-14量级。

地面测控部分由4个监测站、1个主控站和2个数据注入站组成。主控站内保持高稳定的时间，称GPS时间，它与美国海军天文台保持的协调世界时同步，精度优于100ns。监测站监测所有卫星发射的数据信息，并把结果送到主控站去处理；主控站把处理(修正)数据传给数据注入站，由注入站再把这些修正数据分别发送给相应的卫星。这些数据包括星上时钟差的修正、速率的修正、星历表的修正以及电离层对流层对电磁波传播速度影响的修正等。

用户设备主要指同导航数据计算机组合在一起的测量时间和频率的接收机。接收机内存有每颗卫星的编码信息，在微机控制下，用相关接收法找到欲接收的卫星，自动定位和进行实时时间、频率测量。

二、GPS定时定位原理

由于卫星位置是精确可知的，地面接收站可以通过卫星发射信号知道卫星轨道参数、时间信息。地面接收站的三维位置（x，y，z）为未知数，另外设本地时间为t，将本地时间与接收到的卫星时间进行比较可得到时间差Δt，根据时间差和光速可以计算卫星和接收站的距离，这一距离被称为伪距，（称为伪距是因为本地时间存在误差，以及存在大气层的延时效应，不是真正的距离）。因此，在观测到三颗卫星的情况下，可以得到三个方程组，求解出接收站的三维位置信息。如果观测到四颗以上的卫星，则可以计算出本地时间。

有的GPS接收卡具有位置保持功能，即在接收站位置不改变的情况下，通过长时间累积平均计算出本地的精确位置，此时只需要一颗卫星即可进行定时。

通过GPS接收到的时间是UTC时间。

1.2.6GLONASS系统

GLONASS是GLObal NAvigation Satellite System（全球导航卫星系统）的字头缩写，是前苏联从80年代初开始建设的与美国GPS系统相类似的卫星定位系统，也由卫星星座、地面监测控制站和用户设备三部分组成。现在由俄罗斯空间局管理。

GLONASS系统的卫星星座由24颗卫星组成（实际上由于卫星寿命和资金紧张原因，可用卫星只有8颗），均匀分布在3个近圆形的轨道平面上，每个轨道面8颗卫星，轨道高度19100公里，运行周期11小时15分，轨道倾角64.8°。