高精度時(shí)鐘分發(fā)和相位自動補(bǔ)償系統(tǒng)及其相位調(diào)節(jié)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高精度時(shí)鐘分發(fā)同步技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于現(xiàn)場可編程門陣列(Fiel d-programmab I e-gat e-array, FPGA)的大尺度空間(?lkm)下多節(jié)點(diǎn)的高精度時(shí)鐘分發(fā)和相位自動補(bǔ)償系統(tǒng)及其相位調(diào)節(jié)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]時(shí)鐘相位同步技術(shù)最初廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域，例如遠(yuǎn)程計(jì)費(fèi)，其同步精度可達(dá)百毫秒量級；IP網(wǎng)絡(luò)包延時(shí)監(jiān)控，其同步精度好于百微秒；LTE-TDD，WiMax-TDD,同步精度達(dá)到亞微秒量級。通信領(lǐng)域傳統(tǒng)的同步方法是基于全球定位系統(tǒng)(Global Posit1ningSystem, GPS)等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，能達(dá)到數(shù)十納秒的同步準(zhǔn)確度。2002年網(wǎng)絡(luò)精密時(shí)鐘同步委員會提出的精確時(shí)鐘同步協(xié)議(PTP，Precis1n Time Protocol，IEEE1588)可以使時(shí)鐘相位同步精度達(dá)到亞納秒級。
[0003]與網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域相比，大型物理實(shí)驗(yàn)對時(shí)鐘相位同步的性能要求更加苛刻。物理實(shí)驗(yàn)的一種傳統(tǒng)時(shí)鐘分發(fā)方法是采用時(shí)鐘鏈路分發(fā)時(shí)鐘，例如北京譜儀(BESIII)飛行時(shí)間探測器(TOF)的時(shí)鐘系統(tǒng)將加速器的RF信號通過80m的穩(wěn)相光纖引入VME機(jī)箱，該方法缺點(diǎn)是時(shí)鐘鏈路價(jià)格昂貴，花費(fèi)較高，而且往往根據(jù)不同環(huán)境和需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，通用性不強(qiáng)。
[0004]另一種常用的時(shí)鐘同步方法是使用GPS進(jìn)行時(shí)鐘分發(fā)，Auger實(shí)驗(yàn)使用GPS接收器進(jìn)行頻率和時(shí)間同步，在實(shí)驗(yàn)室提前標(biāo)定GPS接收器的固定偏差，在3000km2的1600個(gè)水契倫科夫探測器上安裝GPS接收器，其時(shí)間同步準(zhǔn)精度好于20ns，此方法的缺點(diǎn)是GPS接收系統(tǒng)價(jià)格昂貴，且接收器和電纜對溫度變化敏感，容易受溫漂影響。
[0005]還有一種方法采用微波和激光技術(shù)，可以獲得極高的精度，例如XFEL時(shí)鐘系統(tǒng)，美國直線加速器相干光源(Linac Coherent Light Source，LCLS)的泵浦探測實(shí)驗(yàn)等，然而這些基于高精度光學(xué)控制的時(shí)鐘同步系統(tǒng)造價(jià)極高。
[0006]為了兼顧大尺度空間范圍，高精度，價(jià)格等因素，CERN在IEEE1588的基礎(chǔ)上提出White Rabbit時(shí)鐘相位同步技術(shù)，White Rabbit基于光纖進(jìn)行時(shí)鐘分發(fā)，同時(shí)采用數(shù)字雙混頻鑒相器(Digital Dual Mixer Time Difference，DDMTD)測量相位差，使用片外 VCXO進(jìn)行相位調(diào)節(jié)，精度可達(dá)亞納秒，然而其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且并沒有采取措施減少溫度變化引起的調(diào)相誤差。
[0007]為了達(dá)到更高的調(diào)相精度，本發(fā)明在PTP的基礎(chǔ)上，采用對稱的FPGA PLL進(jìn)行相位細(xì)調(diào)，結(jié)構(gòu)簡單，同步精度可達(dá)百皮秒量級，同時(shí)對溫度引起的延遲變化采用增量調(diào)節(jié)算法，減少溫度變化造成的同步誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008](一 )要解決的技術(shù)問題
[0009]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于FPGA的大尺度空間下多節(jié)點(diǎn)的高精度時(shí)鐘分發(fā)和相位自動補(bǔ)償系統(tǒng)及其相位調(diào)節(jié)方法，以提高相位同步精度，減少溫度變化造成的調(diào)相誤差。
[0010](二)技術(shù)方案
[0011]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種高精度時(shí)鐘分發(fā)和相位自動補(bǔ)償系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括時(shí)鐘分發(fā)模塊(Master)和多個(gè)前端電子學(xué)節(jié)點(diǎn)(Slave) ,Master米用光纖將時(shí)鐘分發(fā)給多個(gè)Slave，其中:Master通過光纖將時(shí)鐘發(fā)送到Slave，Slave接收到時(shí)鐘后通過光纖將時(shí)鐘重新傳回到Master，Master對時(shí)鐘的往返時(shí)間之和進(jìn)行動態(tài)測量得到時(shí)鐘的上下行延時(shí)，并將測量結(jié)果發(fā)送到Slave，Slave根據(jù)測量結(jié)果對接收到的時(shí)鐘進(jìn)行動態(tài)相位調(diào)節(jié)，使Slave與Master保持相位同步。
[0012]上述方案中，所述Master對時(shí)鐘的往返時(shí)間之和進(jìn)行動態(tài)測量，采用數(shù)字雙混頻鑒相器配合計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)，其中計(jì)數(shù)器測量整周期部分，為粗時(shí)間；超出部分采用數(shù)字雙混頻鑒相器進(jìn)行測量，為細(xì)時(shí)間，兩者結(jié)合即得到精確時(shí)間。
[0013]上述方案中，每個(gè)Slave具有相位粗調(diào)單元和相位細(xì)調(diào)單元，Slave采用相位粗調(diào)和相位細(xì)調(diào)對接收到的時(shí)鐘進(jìn)行動態(tài)相位調(diào)節(jié)。
[0014]上述方案中，所述相位粗調(diào)單元基于精確時(shí)鐘同步協(xié)議(Precise TimingProtocol, PTP)來實(shí)現(xiàn)。
[0015]上述方案中，所述相位細(xì)調(diào)單元采用現(xiàn)場可編程門陣列鎖相環(huán)(FPGA PLL)實(shí)現(xiàn)，將需要調(diào)相的時(shí)鐘輸入FPGA PLL,經(jīng)延遲后輸出，實(shí)現(xiàn)對時(shí)鐘的精確調(diào)節(jié)。
[0016]上述方案中，所述相位細(xì)調(diào)單元采用FPGA PLL組成對稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行相位調(diào)節(jié)，Slave接收到時(shí)鐘后，使用FPGA PLL進(jìn)行相位調(diào)節(jié)得到系統(tǒng)時(shí)鐘，該系統(tǒng)時(shí)鐘發(fā)送到Master之前再經(jīng)過一次FPGA PLL相位調(diào)節(jié)，兩個(gè)FPGA PLL相位調(diào)節(jié)采用的調(diào)相值相同，保持對稱。
[0017]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種利用所述的高精度時(shí)鐘分發(fā)和相位自動補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行相位調(diào)節(jié)的方法，其中，該方法采用延遲增量算法計(jì)算相位調(diào)節(jié)值，并采用相位粗調(diào)和相位細(xì)調(diào)對時(shí)鐘進(jìn)行動態(tài)相位調(diào)節(jié)。
[0018]上述方案中，所述采用延遲增量算法計(jì)算相位調(diào)節(jié)值，包括:時(shí)鐘通過光纖從Master傳輸?shù)絊lave，然后再從Slave返回Master，測量時(shí)鐘的往返時(shí)間之和即得到時(shí)鐘的上下行延時(shí)，通過研宄上下行延時(shí)相對某參考溫度下的增量值的變化，測得上下行延時(shí)的增量的比例系數(shù)，按此比例系數(shù)結(jié)合往返延時(shí)的動態(tài)測量結(jié)果，在不需要溫度傳感電路的情況下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的高精度相位補(bǔ)償。
[0019]上述方案中，所述采用延遲增量算法計(jì)算相位調(diào)節(jié)值，具體包括:
[0020]在時(shí)間測量中，如圖2所示，測得T1, T2, T3, T4，其中Master發(fā)送同步幀的時(shí)刻記為T1, Slave接收同步幀的時(shí)刻記為T2，Slave發(fā)送應(yīng)答幀的時(shí)刻記為T3，Master接收應(yīng)答幀的時(shí)刻記為T4，由以下公式計(jì)算下行延遲Tdelay d_和上行延遲T delay up:
[0021]Tdelay down —T 2_T1_Toffset
[0022]Tdelay up= T 4_T3+Toffset
[0023]其中，Toffset^ Slave和Master之間的時(shí)間差，貝丨」上下行延遲和T delay—t()tal為，
[0024]Tde]_ay—total T delay—up+Tdelay—down
[0025]Tdelay total= T ^+T2-T1
[0026]在恒溫環(huán)境下，下行延遲和上行延遲保持不變，若環(huán)境溫度改變，將往返延遲減去標(biāo)定的延遲值，得到延遲值的溫漂，其中往返延遲溫漂為上下行溫漂之和:
[0027]Δ Tdelay total — Δ T (Jeiay up+ Δ Tdelay down
[0028]根據(jù)對光纖溫漂和基于對稱FPGA PLL調(diào)相的Slave電子學(xué)溫漂的研宄，Tdelay up,Tdelay-d。?中光纖和采用對稱FPGA PLL調(diào)相的Slave延遲隨溫度變化近似線性變化，則有
[0029]Tdelay down= k !t+V t+bi
[0030]Tdelay up= k 2t+k2，t+b2
[0031]其中kp k2為光纖的上下行延遲溫漂系數(shù)，k /，k2’為電子學(xué)的上下行延遲溫漂系數(shù)，由上式可得，
[0032]ATdelay down= (k ^k1' )*At
[0033]ATdelayup= (k2+k2’)*At
[0034]Δ Tdelay down/ Δ Tdelay up= (k !+k/ ) / (k2+k2，)
[0035]ATdelaydown= ΔΤ
delay—total
/ (1+ (k2+k2，) / (W ))