说明书

高精度时钟分发和相位自动补偿系统及其相位调节方法 有效

申请号:CN201510390265.1

申请日:2015-06-30

公告号:CN104917582B

公告日:2018-05-01

主分类号:H04J3/06

分类号: H04J3/06

申请/专利权人: 中国科学技术大学

说明书:

技术领域

本发明涉及高精度时钟分发同步技术领域,尤其涉及一种基于现场可编程门阵列(Field-programmable-gate-array,FPGA)的大尺度空间(~1km)下多节点的高精度时钟分发和相位自动补偿系统及其相位调节方法。

背景技术

时钟相位同步技术最初广泛应用于网络通信领域,例如远程计费,其同步精度可达百毫秒量级;IP网络包延时监控,其同步精度好于百微秒;LTE-TDD,WiMax-TDD,同步精度达到亚微秒量级。通信领域传统的同步方法是基于全球定位系统(Global Positioning System,GPS)等卫星导航系统,能达到数十纳秒的同步准确度。2002年网络精密时钟同步委员会提出的精确时钟同步协议(PTP,Precision Time Protocol,IEEE1588)可以使时钟相位同步精度达到亚纳秒级。

与网络通信领域相比,大型物理实验对时钟相位同步的性能要求更加苛刻。物理实验的一种传统时钟分发方法是采用时钟链路分发时钟,例如北京谱仪(BESIII)飞行时间探测器(TOF)的时钟系统将加速器的RF信号通过80m的稳相光纤引入VME机箱,该方法缺点是时钟链路价格昂贵,花费较高,而且往往根据不同环境和需求进行设计,通用性不强。

另一种常用的时钟同步方法是使用GPS进行时钟分发,Auger实验使用GPS接收器进行频率和时间同步,在实验室提前标定GPS接收器的固定偏差,在3000km2的1600个水契伦科夫探测器上安装GPS接收器,其时间同步准精度好于20ns,此方法的缺点是GPS接收系统价格昂贵,且接收器和电缆对温度变化敏感,容易受温漂影响。

还有一种方法采用微波和激光技术,可以获得极高的精度,例如XFEL时钟系统,美国直线加速器相干光源(Linac Coherent Light Source,LCLS)的泵浦探测实验等,然而这些基于高精度光学控制的时钟同步系统造价极高。

为了兼顾大尺度空间范围,高精度,价格等因素,CERN在IEEE1588的基础上提出White Rabbit时钟相位同步技术,White Rabbit基于光纤进行时钟分发,同时采用数字双混频鉴相器(Digital Dual Mixer Time Difference,DDMTD)测量相位差,使用片外VCXO进行相位调节,精度可达亚纳秒,然而其结构复杂,且并没有采取措施减少温度变化引起的调相误差。

为了达到更高的调相精度,本发明在PTP的基础上,采用对称的FPGA PLL进行相位细调,结构简单,同步精度可达百皮秒量级,同时对温度引起的延迟变化采用增量调节算法,减少温度变化造成的同步误差。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此,本发明的目的在于提供一种基于FPGA的大尺度空间下多节点的高精度时钟分发和相位自动补偿系统及其相位调节方法,以提高相位同步精度,减少温度变化造成的调相误差。

(二)技术方案

为达到上述目的,本发明提供了一种高精度时钟分发和相位自动补偿系统,该系统包括时钟分发模块(Master)和多个前端电子学节点(Slave),Master采用光纤将时钟分发给多个Slave,其中:Master通过光纤将时钟发送到Slave,Slave接收到时钟后通过光纤将时钟重新传回到Master,Master对时钟的往返时间之和进行动态测量得到时钟的上下行延时,并将测量结果发送到Slave,Slave根据测量结果对接收到的时钟进行动态相位调节,使Slave与Master保持相位同步。

上述方案中,所述Master对时钟的往返时间之和进行动态测量,采用数字双混频鉴相器配合计数器来实现,其中计数器测量整周期部分,为粗时间;超出部分采用数字双混频鉴相器进行测量,为细时间,两者结合即得到精确时间。

上述方案中,每个Slave具有相位粗调单元和相位细调单元,Slave采用相位粗调和相位细调对接收到的时钟进行动态相位调节。

上述方案中,所述相位粗调单元基于精确时钟同步协议(Precise Timing Protocol,PTP)来实现。

上述方案中,所述相位细调单元采用现场可编程门阵列锁相环(FPGA PLL)实现,将需要调相的时钟输入FPGA PLL,经延迟后输出,实现对时钟的精确调节。

上述方案中,所述相位细调单元采用FPGA PLL组成对称结构进行相位调节,Slave接收到时钟后,使用FPGA PLL进行相位调节得到系统时钟,该系统时钟发送到Master之前再经过一次FPGA PLL相位调节,两个FPGA PLL相位调节采用的调相值相同,保持对称。

为达到上述目的,本发明提供了一种利用所述的高精度时钟分发和相位自动补偿系统进行相位调节的方法,其中,该方法采用延迟增量算法计算相位调节值,并采用相位粗调和相位细调对时钟进行动态相位调节。

上述方案中,所述采用延迟增量算法计算相位调节值,包括:时钟通过光纤从Master传输到Slave,然后再从Slave返回Master,测量时钟的往返时间之和即得到时钟的上下行延时,通过研究上下行延时相对某参考温度下的增量值的变化,测得上下行延时的增量的比例系数,按此比例系数结合往返延时的动态测量结果,在不需要温度传感电路的情况下实现实时的高精度相位补偿。

上述方案中,所述采用延迟增量算法计算相位调节值,具体包括:

在时间测量中,如图2所示,测得T1,T2,T3,T4,其中Master发送同步帧的时刻记为T1,Slave接收同步帧的时刻记为T2,Slave发送应答帧的时刻记为T3,Master接收应答帧的时刻记为T4,由以下公式计算下行延迟Tdelay_down和上行延迟Tdelay_up

Tdelay_down=T2-T1-Toffset

Tdelay_up=T4-T3+Toffset

其中,Toffset为Slave和Master之间的时间差,则上下行延迟和Tdelay_total为,

Tdelay_total=Tdelay_up+Tdelay_down

Tdelay_total=T4-T3+T2-T1

在恒温环境下,下行延迟和上行延迟保持不变,若环境温度改变,将往返延迟减去标定的延迟值,得到延迟值的温漂,其中往返延迟温漂为上下行温漂之和:

ΔTdelay_total=ΔTdelay_up+ΔTdelay_down

根据对光纤温漂和基于对称FPGA PLL调相的Slave电子学温漂的研究,Tdelay_up,Tdelay_down中光纤和采用对称FPGA PLL调相的Slave延迟随温度变化近似线性变化,则有

Tdelay_down=k1t+k1't+b1

Tdelay_up=k2t+k2't+b2

其中k1,k2为光纤的上下行延迟温漂系数,k1’,k2’为电子学的上下行延迟温漂系数,由上式可得,

ΔTdelay_down=(k1+k1')*Δt

ΔTdelay_up=(k2+k2')*Δt

ΔTdelay_down/ΔTdelay_up=(k1+k1')/(k2+k2')

ΔTdelay_down=ΔTdelay_total/(1+(k2+k2')/(k1+k1'))

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