本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種時(shí)間同步系統(tǒng)，尤其涉及一種高時(shí)間精度大空間信道同步采集系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

為了提高通信質(zhì)量，技術(shù)人員從未停止對信道的空間傳輸模型的研究。在研究中，空間和時(shí)間是兩個(gè)敏感的參數(shù)。在確定的場地或?qū)o止、慢速運(yùn)動目標(biāo)進(jìn)行研究的時(shí)候，空間的信息是確定的，時(shí)間信息不敏感。在這種狀況下，時(shí)間的信息通常會依賴于GPS授時(shí)，通過同軸電纜或者光纖傳遞同步參考時(shí)鐘和觸發(fā)信號。

然而，對于快速移動的發(fā)射機(jī)，在時(shí)間和空間上對信號進(jìn)行分辨具有非常重要的意義。以車載通信為例，在高速公路上車速為120Km/h相向行駛的的兩輛車，相對速度達(dá)到了240Km/h,這為車輛與車輛之間的通信以及車輛與路側(cè)設(shè)備之間的通信信道研究提出了新的挑戰(zhàn)。大空間尺度下高授時(shí)精度的信道測量設(shè)備為這一類研究提供了新的手段。

現(xiàn)有通信方式存在如下缺點(diǎn)：（1）依賴于GPS等衛(wèi)星授時(shí)的測試站在時(shí)間精度上可以達(dá)到100ns量級的精度，對于研究Mbps（兆比特/秒）級別的信道已經(jīng)可以分辨碼字，而對于更高速的通訊協(xié)議及更快運(yùn)動的通訊終端還無法提供更好的分辨能力。（2）從站之間的觸發(fā)信號精度依賴于傳輸介質(zhì)的長度，無論是同軸電纜還是光纖設(shè)備，均制約了現(xiàn)場的部署及功能拓展。（3）從站之間的時(shí)鐘信號同樣依賴同軸電纜或者光纖介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)。介質(zhì)容易受到溫度等外界條件的影響，無法進(jìn)行調(diào)節(jié)和反饋，只能通過前期校準(zhǔn)的參數(shù)對結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償，影響測試系統(tǒng)的精度。而同軸電纜形式的傳輸又容易受到外界干擾。（4）時(shí)間戳信號和數(shù)據(jù)記錄的同步存在節(jié)拍差。

存在上述缺陷的原因在于，從技術(shù)的發(fā)展角度來說，在大空間尺度同步一直缺乏有效的技術(shù)手段；

（1）GPS等衛(wèi)星授時(shí)技術(shù)，解決了大空間尺度授時(shí)的問題，但是信號容易受到天氣以及隧道等遮蔽環(huán)境的影響。在理想的工況下，定時(shí)精度也僅為百ns量級。

（2）受技術(shù)發(fā)展限制，現(xiàn)有技術(shù)中觸發(fā)依賴于信號上升沿或者下降沿的檢測，嚴(yán)重依賴于介質(zhì)長度。因此，部署的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、溫度等因素都會對信號質(zhì)量產(chǎn)生破壞，且傳輸協(xié)議相對簡單，抗干擾能力不強(qiáng)，容易受到空間噪聲干擾。

（3）參考時(shí)鐘依賴于光纖傳輸?shù)募夹g(shù)，傳輸協(xié)議簡單，無法方便實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)和補(bǔ)償。

（4）授時(shí)信號往往通過RS232，RS485，GPIB等手段傳遞給采集設(shè)備，觸發(fā)和參考時(shí)鐘通過專用的觸發(fā)端口和參考時(shí)鐘端口輸入，這些信號在同儀器通訊的時(shí)候無法精確控制時(shí)延。并且受到寄存器和CPU調(diào)度的影響，時(shí)間戳和數(shù)據(jù)信號合并時(shí)會產(chǎn)生異步誤差。若采集設(shè)備不提供接口支持則完全沒有辦法實(shí)現(xiàn)信號整合。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種高時(shí)間精度大空間信道同步采集系統(tǒng)，可提高信道測量精度，將信道測量的時(shí)間同步精度從100ns提升到亞ns量級。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種高時(shí)間精度大空間信道同步采集系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：信號采集單元、若干通信節(jié)點(diǎn)，所述信號采集單元分別連接通信節(jié)點(diǎn)；

所述信號采集單元包括第一FPGA模塊、信號采集模塊、信號處理單元，第一FPGA模塊分別連接信號采集模塊、信號處理單元；所述第一FPGA模塊包括數(shù)據(jù)打包單元、時(shí)鐘接收處理單元；

所述通信節(jié)點(diǎn)包括第二FPGA模塊，第二FPGA模塊包括UTC恢復(fù)單元、PPS恢復(fù)單元、DDMTD參考信號恢復(fù)單元、精密時(shí)延調(diào)節(jié)單元；UTC恢復(fù)單元連接數(shù)據(jù)打包單元，PPS恢復(fù)單元、DDMTD參考信號恢復(fù)單元、精密時(shí)延調(diào)節(jié)單元連接時(shí)鐘接收處理單元；

在每一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)中，由第二FPGA模塊處理從光纖獲得的信號，實(shí)現(xiàn)本地時(shí)鐘和主授時(shí)交換機(jī)的同步，恢復(fù)出UTC時(shí)鐘，PPS時(shí)鐘已經(jīng)為10MHz，還為該10MHz提供精密數(shù)字調(diào)節(jié)，以配合信號采集單元工作；

恢復(fù)出的信號使用內(nèi)部總線被傳送至信號采集單元的第一FPGA模塊，在第一FPGA模塊內(nèi)完成采樣頻率和起始觸發(fā)控制，并最終完成數(shù)據(jù)打包；在整個(gè)過程中沒有CPU的參與和調(diào)度，以硬件電路和硬件專用連接的形式保證了時(shí)間信號的準(zhǔn)確傳遞。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明提出的高時(shí)間精度大空間信道同步采集系統(tǒng)，系統(tǒng)更加簡潔，將之前的三套同步設(shè)備通過單光纖網(wǎng)絡(luò)完成定時(shí)。（1）本發(fā)明系統(tǒng)的通信精度更高；將信道測量的時(shí)間同步精度從100ns提升到亞ns量級。（2）大空間尺度。該方案可以支持10Km范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)部署，可以應(yīng)用于城市無線電監(jiān)測，車聯(lián)網(wǎng)信道測量，相共振雷達(dá)等方面。（3）平臺級同步。利用PXIe的商用標(biāo)準(zhǔn)，將整個(gè)平臺納入到同步系統(tǒng)中，通過平臺支持實(shí)現(xiàn)更多的測試測量功能。

在大空間尺度的部署中，使用光纖介質(zhì)，利用多次信號握手和延時(shí)計(jì)算現(xiàn)場可編程門陣列（Field－Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）內(nèi)核，實(shí)現(xiàn)了10Km量級多點(diǎn)的授時(shí)。節(jié)點(diǎn)之間通過單光纖聯(lián)通，部署難度低，對光纖長度沒有一致性要求。

在節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步的基礎(chǔ)之上，觸發(fā)信號通過數(shù)字信號以預(yù)約的形式在執(zhí)行終端生成，觸發(fā)時(shí)刻誤差不受傳輸介質(zhì)長度影響。數(shù)字信號傳輸時(shí)可以通過多次握手及誤碼檢測的方式降低誤差。

執(zhí)行終端本地恢復(fù)參考時(shí)鐘。使用多時(shí)鐘技術(shù)，減小誤差，F(xiàn)PGA高速內(nèi)核可實(shí)現(xiàn)以8ps單位的精細(xì)調(diào)節(jié)。

解決異步誤差問題。在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)，通過唯一介質(zhì)和唯一節(jié)點(diǎn)接收三組信號，信號處理在FPGA內(nèi)部完成，延時(shí)和抖動均可以預(yù)期，解決異步誤差問題。

附圖說明

圖1為白兔定時(shí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。

圖2為同步包信號測量示意圖。

圖3為NI PXIe-1075專用定時(shí)總線部署示意圖。

圖4為節(jié)點(diǎn)端同步實(shí)現(xiàn)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。

實(shí)施例一

請參閱圖4，本發(fā)明揭示了一種高時(shí)間精度大空間信道同步采集系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：信號采集單元、若干通信節(jié)點(diǎn)，所述信號采集單元分別連接通信節(jié)點(diǎn)；

所述信號采集單元包括第一FPGA模塊、信號采集模塊、信號處理單元，第一FPGA模塊分別連接信號采集模塊、信號處理單元；所述第一FPGA模塊包括數(shù)據(jù)打包單元、時(shí)鐘接收處理單元；

所述通信節(jié)點(diǎn)包括第二FPGA模塊，第二FPGA模塊包括UTC恢復(fù)單元、PPS恢復(fù)單元、DDMTD參考信號恢復(fù)單元、精密時(shí)延調(diào)節(jié)單元；UTC恢復(fù)單元連接數(shù)據(jù)打包單元，PPS恢復(fù)單元、DDMTD參考信號恢復(fù)單元、精密時(shí)延調(diào)節(jié)單元連接時(shí)鐘接收處理單元；

在每一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)中，由第二FPGA模塊處理從光纖獲得的信號，實(shí)現(xiàn)本地時(shí)鐘和主授時(shí)交換機(jī)的同步，恢復(fù)出UTC時(shí)鐘，PPS時(shí)鐘已經(jīng)為10MHz，還為該10MHz提供精密數(shù)字調(diào)節(jié)，以配合信號采集單元工作；

從第二FPGA模塊中恢復(fù)出的信號以同步異步兩種形式送往PXIe總線，一路為觸發(fā)信號，送往星狀觸發(fā)總線，該總線的星狀布局保證了每一個(gè)連接在總線上的功能模組都可以同步接收到該觸發(fā)信號。另一路為時(shí)間戳信號，以異步的形式傳輸，異步時(shí)延誤差最大值不超過1/2的同步觸發(fā)間隙，保證在異步傳輸?shù)倪^程中不會產(chǎn)生節(jié)拍誤差。

第一FPGA模組在接到第一個(gè)同步信號后，將該信號用于觸發(fā)信號采集電路和FPGA內(nèi)部的存儲邏輯，在收到第二個(gè)異步時(shí)間戳信號后，觸發(fā)本地的數(shù)據(jù)打包邏輯，將兩個(gè)用于授時(shí)的信號和采集數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)層面實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一。

實(shí)施例二

為了實(shí)現(xiàn)大空間尺度部署的應(yīng)用，本發(fā)明引入了兩種技術(shù)對整體方案提供支撐：一種被稱之為白兔定時(shí)技術(shù)（White Rabbit，WR），一種是總線技術(shù)（PCI Express Extensions for Instruments，PXIe）。

WR技術(shù)是在精確時(shí)鐘同步協(xié)議（Precision Time Protocol，PTP）的基礎(chǔ)上做針對性的擴(kuò)展和兼容性的修改發(fā)展而來的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議。PTP協(xié)議中將時(shí)間標(biāo)記下移到PHY硬件層，并通過最優(yōu)主時(shí)鐘（Best Master Clock，BMC）算法自動確定網(wǎng)絡(luò)中最穩(wěn)定的時(shí)鐘源作為Master（主時(shí)鐘），系統(tǒng)同步精度可達(dá)亞微秒級。通過對PTP的修改，新的WR技術(shù)可使相距數(shù)十公里的數(shù)千個(gè)節(jié)點(diǎn)的同步精度達(dá)到亞納秒級。WR技術(shù)相較PTP技術(shù)有如下改進(jìn)：（1）Slave（從時(shí)鐘）端本地時(shí)鐘源（晶振）與Master端的時(shí)鐘源同步；（2）提升時(shí)間標(biāo)記的最小分辨率，之前為8ns（納秒）；（3）支持不固定收發(fā)鏈路，支持多級路由器接入。

網(wǎng)絡(luò)形式設(shè)定為分層級的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同步僅在相鄰兩級之間進(jìn)行，使用光纖作為傳輸介質(zhì)，如圖1所示。

1.Slave端通過恢復(fù)接收鏈路的隨路時(shí)鐘并用于馴服本地時(shí)鐘源，達(dá)到與Master端時(shí)鐘源同頻的目的。

2.利用數(shù)字雙時(shí)鐘類似于游標(biāo)卡尺原理的測量微小脈沖間隔模塊（Digital Dual Mixer Time Difference, DDMTD），精確測量出PTP同步數(shù)據(jù)包達(dá)到的時(shí)間T2、T4，如圖2所示。

3.對鏈路的不對稱性進(jìn)行建模，提前測算出本地一些固有延遲和鏈路的折射相關(guān)參數(shù)，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償和計(jì)算。

4.根據(jù)精確測算的時(shí)間差調(diào)整時(shí)鐘源相位和本地時(shí)間。

另一種是PXIe技術(shù)，PXIe是基于PXI和PCIe技術(shù)發(fā)展而來的，該技術(shù)在定義之初就考慮到了在工業(yè)和測試測量領(lǐng)域中對定時(shí)和同步的要求，在其總線上預(yù)留的用于觸發(fā)的總線及用于同步10MHz參考時(shí)鐘和100MHz參考時(shí)鐘的總線如圖3所示。

正是通過把這兩種技術(shù)通過整合，并且訂制開發(fā)相應(yīng)的FPGA及操作系統(tǒng)代碼，實(shí)現(xiàn)了大空間尺度信道測量的同步（如圖3所示）。在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)中，由FPGA處理從光纖獲得的信號，實(shí)現(xiàn)本地時(shí)鐘和主授時(shí)交換機(jī)的同步，恢復(fù)出UTC時(shí)鐘，PPS時(shí)鐘已經(jīng)10MHz，還為該10MHz提供精密數(shù)字調(diào)節(jié)，以配合信道采集模塊工作。

恢復(fù)出的信號使用圖3所示的專用內(nèi)部總線被傳送至信號采集單元的FPGA模組，在FPGA內(nèi)完成采樣頻率和起始觸發(fā)控制，并最終完成數(shù)據(jù)打包（如圖4所示）。在整個(gè)過程中沒有CPU的參與和調(diào)度，以硬件電路和硬件專用連接的形式保證了時(shí)間信號的準(zhǔn)確傳遞。

注：PXIe 為面向儀器擴(kuò)展的高速外圍互連總線；PXI 面向儀器系統(tǒng)的PCI擴(kuò)展；PCIe 高速外圍互連總線；UTC 世界協(xié)調(diào)時(shí)間；PPS 秒脈沖；MHz單位：兆赫茲。

基于PXIe和WR技術(shù)的同步信道采集設(shè)備，包括該系統(tǒng)的硬件配置單元?；赪R的節(jié)點(diǎn)間同步的實(shí)現(xiàn)。節(jié)點(diǎn)信號處理的流程；將時(shí)間戳，觸發(fā)信號以及參考時(shí)鐘信號同數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)打包整合。

綜上所述，本發(fā)明提出的高時(shí)間精度大空間信道同步采集系統(tǒng)，系統(tǒng)更加簡潔，將之前的三套同步設(shè)備通過單光纖網(wǎng)絡(luò)完成定時(shí)。（1）本發(fā)明系統(tǒng)的通信精度更高；將信道測量的時(shí)間同步精度從100ns提升到亞ns量級。（2）大空間尺度。該方案可以支持10Km范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)部署，可以應(yīng)用于城市無線電監(jiān)測，車聯(lián)網(wǎng)信道測量，相共振雷達(dá)等方面。（3）平臺級同步。利用PXIe的商用標(biāo)準(zhǔn)，將整個(gè)平臺納入到同步系統(tǒng)中，通過平臺支持實(shí)現(xiàn)更多的測試測量功能。

這里本發(fā)明的描述和應(yīng)用是說明性的，并非想將本發(fā)明的范圍限制在上述實(shí)施例中。這里所披露的實(shí)施例的變形和改變是可能的，對于那些本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說實(shí)施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該清楚的是，在不脫離本發(fā)明的精神或本質(zhì)特征的情況下，本發(fā)明可以以其它形式、結(jié)構(gòu)、布置、比例，以及用其它組件、材料和部件來實(shí)現(xiàn)。在不脫離本發(fā)明范圍和精神的情況下，可以對這里所披露的實(shí)施例進(jìn)行其它變形和改變。