高精度双向时间比对同步技术原理与应用_舒炳江

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图 2 双向时间比对系统工作原理
如图所示 , Δt为 A、B两站时差 , A、B站发射设
备与接收设备的时延分别为 (tA, rA)和 (tB, rB), A到
B站路径传播时延为 τA, B到 A站路径传播时延为
τB, 则两计数器测量值分别为
TA =Δt+tB +τB +rA
(1)
TB =-Δt+tA +τA +rB
级 , 长波为微秒级 。而双向比对法采用的是中心站 和外地站互相收发校时信号 , 由于中心站和外地站 同时在收发信号 , 双向传输路径完全相同 , 其传播延 时可以有效对消 , 使得时间的比对精度要明显高于 单向授时法 。如 “北斗一代 ”卫星 导航系统使用双 向授时法 , 其时间同步精度约为 20 ns。
由于时间同步的前提是要求取两站之间的时差 , 而
时差是由两站各自解出的伪距得到的 , 所以 , 就转换
为伪距的精度问题 。接收机伪距测量精度由接收机
的系统误差和随机误差决定 , 系统误差可作为设备
的硬件时延通过标定后用软件扣除的措施处理 , 扩
频体制伪码测距 , 随机误差主要是伪距测量噪声引
起的 , 用非相关早迟功率鉴相器的时候 , 热噪声可以
5 实验及分析
通过一系列的实验 , 得到的数据如图 4所示 。
4 源自文库计实现
本系统中单个设备的原理框图如图 3所示 。
图 4 中频测试数据
图 4的曲线图是有线试验情况下得到的数据结 果 , 两套设备均工作在中频 , 时间同步数据很平稳 , 中间没有跳动的情况出现 , 这是由于发端在中频上 , 信号质量较好 , 时间同步的精度在 2 ns以内 。
本文的微波通信链路是对称的 , 信号传输的延 迟将得到很好地对消 , 能大大提高系统的授时精度 , 使其能达到 5 ns以下的量级 , 远高于无线电单向授 时的微秒量级 。 实际测试的结果和计算的理论值还 有一定的差距 , 如果更好地控制系统设备零值的漂 移 , 进一步提高信号的相 噪 , 改善系 统的群时延的 话 , 系统的授时精度还有进一步提高的空间 。 该时 间同步系统已在某系统中成功应用 , 时间同步精度 满足该系统的指标要求 , 值得进一步推广应用 。
图 1 双向时间比对系统组成
双向时间比对系统的时间差信息是由时间间隔 计数器 (TIC)测量得到的 , 进行时间比对的两站都 遵循这样的原则 :1 pulse/s(PPS)在触发本地 TIC开 始时计数的同时向外发射 , 根据收到的信号恢复出 对方发送的 1 PPS信号时终止计数 。 A、B站将各自 TIC测得的时差数据通过通信数据相互交换 , 把两 站 TIC测量得到的时差数据求差 , 就可以求得两站 之间的真实时间差 。 微波双向时间比对系统工作原 理见图 2。
式中 , σtDLL是鉴相器伪距测量精度 (基码数 );Bn是
码环路噪声带宽 , 单位为赫兹 (Hz);Bfe是双边带前
端信道带宽 ;Tc是码片周期 , 单位是秒 (s);C/N0 是 载波与噪声的功率比 ;D是相关延迟锁定环的窗宽 ;
T是预检测积分时间 。
从上式可以看出 , 减小码环热噪声的思路有 :提
3 精度分析
在本文中采用扩频体制的方案实现双向时间比
对 , 利用扩频技术 的好处是 :利用伪码实现 时差测
量 ;具有码分多址的功能 , 用以区分不同地址 (不同
的站用不同的码来代表 );搭载遥控信息 、计算出的
时延等信息 , 扩频体制具有较好的抗干扰和保密性
能。
本系统中 , 关键的是双向比对时间同步的精度 。
Abstract:Timesynchronizationiscriticalintime-basedmulti-stationsystems.Onthebasisofintroductiontotheprincipleoftwo-waytimetransfersynchronization, thispaperproposesadetailedrealization scheme, andgivestheclockerrorcurveandthetimingaccuracycurveinradiofrequency(RF)andintermediatefrequency(IF)tests.Thetimingaccuracyislessthan3 nanosecond, whichconfirmsthehighperformanceofthesynchronizationalgorithm andrealizationscheme.Theschemehasbeensuccessfullyappliedinaradarsystem, anditisworthytobeusedinmoreareas. Keywords:multi-stationsystem;timesynchronization;two-waytimetransfer;CDMA;clockerror
图 5的曲线图是无线试验情况下得到的数据的 结果 , 两套设备均工作在 C频段 , 由于在射频条件 下 , 空间其它信号的干扰 、射频本振相噪不理想等因 素 , 时间同步数据有波动 , 时间同步精度峰 -峰值在 5 ns以内 。
图 3 单个设备的原理框图
在图 3的框图中 , 监控及数据处理计算机完成 遥控指令的发送 、站间时差的计算 , 接受远端网络的 控制 , 扩频接收部分完成接收到扩频信号的解扩 、解 调 、时差测量 , 频综产生系统所需的各种频率 , 1PPS 模块产生系统所需的 1PPS标准 , 伪 码产生模块产 生扩频所需的扩频伪码 , 调制器模块将扩频数据调 制到载波上 , 通过天线发送出去 。
TMS3206713。 EP2S60 有 600 万门 的规模 , 易 于实 现快速的伪码捕获和有多个站同时工作时 , 易于实 现多个通道的接收机 。 接收机码环的滤波 、数据的 解调 、数据的调制在 DSP上处理 , TMS3206713能工 作在 200 MHz至最高达 300 MHz的系统时钟上 , 即 使有更多的接收机通道 , 也能有效地进行环路的滤 波处理 、时差的提取和监控计算机的数据交换 , 保证 系统的正常工作 。
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TelecommunicationEngineering
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的 , 那么双向信号传输的延迟将得到很好地对消 , 这 就是双向时间比对系统所依据的基本原理 。双向时 间比对系统组成如图 1所示 。
站时差 Δt。 得到两站 的时差 Δt之后 , 外地站就可 以依据时差 Δt调整本地的时间 , 保持与中心站的时 间同步 。
1 引 言
当前 , 越来越多的系统 , 如各种雷达系统 、测控 系统等 , 由多个分布在不同位置的站 (设备 )组成 , 各站为了 确保测 量数据 的时 间一 致 , 要求各 个站 (设备 )之间有一个统一的时间标准 。
利用地面微波通信实现站间时间同步的方法可 分为两种 , 即单向授时法和双向比对法 。 单向授时 法是把中心站的时间基准信号单向发出 , 在外地站 接收基准信号 , 实现和中心站的时间同步 。 该方法 实现起来相对简单 , 但授时精度难以做到很高 , 尤其 是达到纳秒的量级 , 如短波的授时精度一般为毫秒
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以内 。
6 结束语
在多站工作 , 站间需要有统一时间标准的系统 中 , 双向比对时间同步技术是获得站间较高时钟钟 差的方法 。 由于本方案采用了扩频体制 , 码分多址 的特性使得在不增加信道带宽的情况下 , 能同时保 正多个站之间的正常工作 , 并且有效地提高了系统 的抗干扰和抗多径的能力 。
象 ;当相关间距减小到 Rc/Bfe(Rc是码速率 , Bfe是双 边带前端信道带宽 )时 , 再减小间距就没有价值了 。
本文中所采用的扩频码速率为 10.23 MHz, 前 端中 频率 波器 带 宽为 2 倍码 速 率 , 即 Bfe =20.46 MHz, 所以 , 依据前述将相关间距选取为 D=1 /2, 本 系 统 为 地 面 站 工 作 , 信 号 功 率 较 强 , C/N0 = 55 dB-Hz, Tc=(1/10 230 000)s, 选取预检测积分 时间 T=0.001 s, Bn =1 Hz, 所以 σtDLL =0.01 ns。
高预积分时间 T;在满足码环动态跟踪的前提下减
小带宽 Bn;提高信号质量 C/N0。 另外 , 特别值得重
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视的是窄相关间距 。 减小相关延迟 锁定环的窗宽 D, 理论上也可以提高伪距精度 , 这是因为超前和滞 后噪声与延迟窗宽相关并成一定的比率 , 同时减小 相关间距对多径效应也有一定的抑制作用 。 因此 , 相关间距在条件允许的情况下 , 应尽可能选取得窄 一些 。 窄相关技术要求必须保持峰值处的线性 , 即 应使自相关的峰值形状更尖 , 因此要减小相关间距 , 需同时相应地提高信道双边带前端带宽 , 否则会出 现窄相关操作的地方出现在扁平相 关峰值处的现
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文章编号 :1001 -893X(2009)01 -0063 -04
高精度双向时间比对同步技术原理与应用*
舒炳江
(中国西南电子技术研 究所 , 成都 610036)
在硬件实现上 , 主要采用 ALTERA公司的大规 模 FPGA芯 片 EP2S60 和 TI公 司 的 DSP芯 片
图 5 射频测试数据
根据以上的结果 , 在中频有线试验的条件下 , 测 试得到的系统误差的峰 -峰值在 2 ns以内 ;无线试 验条件下 , 测试得到的系统误差的峰 -峰值在 5 ns
(2)
因为 A、B两站双向传播路径相同 , 即 τA =τB,
由式 (1)~ (2), 得 :
Δt=TA -TB +(tA -rA)-(tB -rB) (3)
2
2
式中 , (tA, rA)和 (tB, rB)是设备的硬件时延 , 可以通 过事先标定得到 , 计数器测量值已知 , 因此可得到两
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本文方案采用地面微波双向授时法 , 授时试验 结果精度峰 -峰值在 5 ns以内 , 高于单向授时法 。
2 高精度双向比对时间同步技术原理
双向时间比对设备通过微波 交换时间同步信 号 , 如果这个微波通信链路是对称的或者近似对称
* 收稿日期 :2008 -06 -01;修回日期 :2008 -11 -27
摘 要 :在当前越来越多需要统一时间的多站系统中 , 时间同步是一个关健的问题 。 在详细介绍了 双向时间比对同步原理的基础上 , 提出了双向时间比对同步的具体实现方案 , 并给出了实际工程应 用中射频和中频试验的授时精度曲线 , 授时精度标准差小于 3 ns, 确认了本方案和算法的高精度性 能 。本方案已在实际系统中成功应用 , 值得进一步推广 。 关键词 :多站系统 ;时间同步 ;双向时间比对 ;码分多址 ;钟差 中图分类号 :TN911 文献标识码 :A
由以下公式估算 :
A=
Bn 2C/N0
E
=TC/N0
2 (2
-D)
F =Bfe1Tc
G =πBfe-Tc1
A· D(1 +E),
D≥
πRc Bfe
σtDLL =
A (F+G(D-F)2
(1
+E),
Rc Bfe
<D <πBRfec
AF 1 +TC1/N0 ,
D≤
Rc Bfe
(4)
TheoryandApplicationofTwo-WayTimeTransfer SynchronizationTechnology
SHU Bing-jiang
(SouthwestChinaInstituteofElectronicTechnology, Chengdu610036, China)
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