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《北京邮电大学》 2019年
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基于FPGA的高精度时间同步系统

刘鑫毅  
【摘要】:高精度时间同步技术是全球导航定位、航空航天技术、以及导弹精确制导等领域的基础及关键性技术,这些领域对于时间精度有着非常高的要求,所以对于这些领域来说,一个高精度的时间同步系统至关重要。目前精度较高且应用范围较广的时间同步技术是卫星时间同步技术,卫星时间同步技术的精度已经可以基本满足纳秒级别以下各种时间同步精度应用的需求,但是无法满足深空探索等更高精度级别的需求。此外,卫星时间同步容易受外界各种环境条件影响,建设环境复杂,而且存在安全隐患。而光纤时间同步可以达到更高的精度,而且光纤本身具有抗干扰能力强,安全性高的特点,所以近年来光纤时间同步技术受到越来越多的关注。但是光纤时间同步需要考虑光纤的损耗以及光纤色散带来的影响,并且光放大器噪声累计也会对信号传输造成影响。为了研究光纤时间同步系统中各种因素带来的影响并且进一步对光纤时间同步系统进行优化,搭建一个高精度时间同步系统原型是非常重要的。本文研究了基于FPGA的高精度时间同步系统方案,使用FPGA作为系统的收发机,在发送端通过使用FPGA将秒脉冲信号转变为伪随机序列发送,随后在接收端根据伪随机序列的自相关特性恢复出秒脉冲信号,通过编解码的方式减少波形恶化对系统的影响,使得本地端经过1000km长距离光纤传输后与远端的时间偏差尽可能的小。而且使用精密时间测量的方法测出FPGA一个时钟周期内无法确定的时间,达到更精确的时间同步。本文主要完成以下几个方面的工作:1.设计了基于FPGA的高精度时间同步系统的方案,该方案基于DWDM光纤双向比对法,通过使用FPGA接收秒脉冲信号并且生成伪随机序列,将生成的数字信号进行数模转换后发送到光纤链路,在接收端使用模数转换接收到相应的伪随机序列并且使用伪随机序列的自相关特性恢复出秒脉冲。伪随机序列的特性为在接收到一个完整的伪随机码序列后其自相关值为1,其余时刻均为1/2。该自相关特性与秒脉冲信号一致,可以用来恢复出秒脉冲信号。而且通过使用伪随机序列,使得原本单一的秒脉冲信号变为了一个序列,即使在这个序列中的某些位上出现了误判,也不会影响其自相关值的判断,降低了长距离光纤给信号带来的恶化影响,增加了系统的时间同步精度;2.完成了 FPGA接收秒脉冲与生成伪随机序列的逻辑编程,完成了伪随机序列的自相关逻辑算法,并且使用FPGA驱动了子卡AD/DA进行模数与数模的转换。为了解决FPGA无法确定一个时钟周期内信号何时到来的局限性,在分析了传统的精密时间测量方法与本系统的需求后,提出了使用FPGA内的逻辑单元实现精密时间测量的方案,并且完成了该方案的相关理论研究与程序实现。而且在FGPA中实现了串口通信,完成了电脑与FPGA板的数据传输;3.对相关程序使用仿真软件进行了仿真测试,测试了程序中信号出现的时间点是否符合预期,传输的数据是否正确。并且搭建了相应的实际系统进行了测试。最终得到的系统性能为:在1000km的光纤时间同步系统中,时间同步精度为5ns,系统稳定度为160ps,最小测量精度为60ps。
【学位授予单位】:北京邮电大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TN791

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