摘要：美國(guó)Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｓｙｎｃ公司研發(fā)的通用高精度時(shí)間比對(duì)模塊能使用戶方便地開發(fā)高精度同步系統(tǒng)，成本低，性能高。因此已在多種時(shí)間、頻率同步系統(tǒng)中得到了應(yīng)用（如ＧＰＳ、光纖、無線和時(shí)間雙向傳遞同步系統(tǒng)等）。文章詳細(xì)介紹了ＴＣＭ－２的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理和性能指標(biāo)，并給出了該模塊在高精度通用計(jì)數(shù)器、ＣＤＭＡ基站時(shí)鐘以及光纖ＣＤＭＡ同步時(shí)鐘方面的應(yīng)用電路。

    關(guān)鍵詞：時(shí)間比對(duì)；時(shí)間間隔測(cè)量；時(shí)間同步；頻率同步；TCM-2

１　概述

美國(guó)精密同步公司研發(fā)的通用高精度時(shí)間比對(duì)模塊，可提供四通道０．１ｎｓ 分辨率的時(shí)間比對(duì)或時(shí)間間隔測(cè)量，同時(shí)它還提供多種接口。因此，用戶可以很方便地用它構(gòu)成自己的系統(tǒng)或儀器，包括用于時(shí)間／頻率標(biāo)準(zhǔn)、電網(wǎng)電壓向量測(cè)量系統(tǒng)、電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)、移動(dòng)通信基站時(shí)鐘、ＳＤＨ中的ＢＩＴＳ、多基地雷達(dá)系統(tǒng)、ＯＴＤＲ、光纖通信網(wǎng)故障實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、激光測(cè)距以及高精度通用計(jì)數(shù)器（高精度時(shí)間間隔測(cè)量?jī)x）等。

２　結(jié)構(gòu)原理及引腳功能

ＴＣＭ－２采用雙列直插４８引腳封裝。各引腳的功能如表１所列。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖１所示，具有四通道擴(kuò)展器、微處理器和ＦＰＧＡ三個(gè)主要功能模塊。

    兩事件之間的時(shí)間差通常是用脈沖填充法進(jìn)行測(cè)量的。它的測(cè)量精度取決于參考時(shí)鐘的頻率。這種方法具有固定的±１計(jì)數(shù)的誤差。為了提高測(cè)量的分辨率，在高精度通用定時(shí)模塊中采用了模擬擴(kuò)展技術(shù)。

當(dāng)待測(cè)脈沖輸入模塊后，由模塊測(cè)量它們的時(shí)刻，并按要求將相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果通過串行移位寄存器輸出。

由于被測(cè)事件與測(cè)量時(shí)鐘之間沒有確定的相位關(guān)系?但它們之間有一小數(shù)周期的差。因此為了提高測(cè)量分辨率，系統(tǒng)中的擴(kuò)展器采用了模擬技術(shù)，并將不足一個(gè)計(jì)數(shù)的時(shí)間間隔展寬（例如展寬１０００倍），然后再用相同的１０ＭＨｚ時(shí)鐘對(duì)展寬了的脈沖計(jì)數(shù)以達(dá)到０．１ｎｓ的分辨率。

ＦＰＧＡ可實(shí)現(xiàn)所有的數(shù)字邏輯功能，包括輸入信號(hào)的選擇、擴(kuò)展邏輯、計(jì)數(shù)器、鎖存器、多路數(shù)據(jù)選擇、多個(gè)串行移位寄存器、ＰＷＭ等。其中串行移位寄存器又包括ＤＤＳ控制、ＬＥＤ顯示、與外部的數(shù)據(jù)交換等。

ＦＰＧＡ中的各輸出控制模塊可按使用的要求舍取，例如，當(dāng)使用ＤＤＳ時(shí)，一般不使用ＰＷＭ。實(shí)際上，在不單獨(dú)構(gòu)成儀器時(shí)也不用ＬＥＤ顯示。

模塊中的單片機(jī)可控制整個(gè)工作流程，包括控制各通道的測(cè)量、采集測(cè)量數(shù)據(jù)、計(jì)算測(cè)量數(shù)據(jù)、與母板的數(shù)據(jù)交換、接收ＧＰＳ信息或與外部主控制器（如ＰＣ）交換數(shù)據(jù)及指令等。當(dāng)以ＧＰＳ為參考源時(shí)，ＧＰＳ通道的測(cè)量值可用于計(jì)算秒間隔，從而計(jì)算基本時(shí)鐘的頻率，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可用另一串行移位寄存器來調(diào)整ＤＤＳ（ＡＤ９８５２）的輸出頻率。模塊的基本時(shí)鐘同時(shí)也是ＤＤＳ的時(shí)鐘。它可控制兩個(gè)ＤＤＳ，以便輸出兩個(gè)不同的頻率。它們共用一個(gè)串行移位寄存器，可由ＤＤＳＣＳ１和ＤＤＳＣＳ２來選擇。而外部ＤＤＳ（ＡＤ９８５２）則一般工作于串行輸入方式。實(shí)際上，設(shè)計(jì)時(shí)也可用其它定時(shí)脈沖作為外部參考以校準(zhǔn)時(shí)間和頻率。

當(dāng)輸入待測(cè)脈沖多于四種時(shí)，可采用時(shí)分復(fù)用的方法進(jìn)行測(cè)量。通?？捎赡K內(nèi)部實(shí)現(xiàn)時(shí)分復(fù)用，也可由外部控制實(shí)現(xiàn)時(shí)分復(fù)用。

外部控制器通過串行移位寄存器向模塊發(fā)送操作指令。模塊根據(jù)外部控制器的指令來測(cè)量相應(yīng)通道的信號(hào)，然后經(jīng)計(jì)算送回外部控制器。

ＴＣＭ－２高精度通用時(shí)間比對(duì)模塊還能自動(dòng)識(shí)別參考定時(shí)脈沖和基準(zhǔn)時(shí)鐘的類別，同時(shí)可調(diào)整相應(yīng)的算法。表２給出了ＴＣＭ－２的主要參數(shù)指標(biāo)。

表1 TCM-2引腳分配及功能表

表2 TCM-2的主要指標(biāo)

３?。裕茫停驳膽?yīng)用

ＴＣＭ－２ 內(nèi)含所有同步方式算法，因此它不僅可用于進(jìn)行高精度時(shí)間比對(duì)或時(shí)間間隔測(cè)量，還可用于各種高精度同步系統(tǒng)。

３．１ 高精度通用計(jì)數(shù)器

通用時(shí)間比對(duì)模塊只要外接電源、晶振、鍵盤和ＬＥＤ顯示，就能構(gòu)成一個(gè)高精度通用計(jì)數(shù)器?圖２所示為由ＴＣＭ－２構(gòu)成的高精度通用計(jì)數(shù)器的原理圖。利用它不僅可以測(cè)量?jī)奢斎朊}沖的時(shí)間間隔或相位差，還可測(cè)量輸入信號(hào)的頻率和周期。該電路的時(shí)間分辨率為０．１ｎｓ，測(cè)量精度為１～３ｎｓ，因此可以進(jìn)行高精度的時(shí)間間隔、頻率和周期的測(cè)量。它的測(cè)量速率優(yōu)于０．５ｍｓ／次。這種高精度通用計(jì)數(shù)器可用內(nèi)部１０ＭＨｚ晶振作為基本測(cè)量時(shí)鐘，也可選外部１０ＭＨｚ信號(hào)（如銣鐘或銫鐘）作測(cè)量時(shí)鐘。ＰＡ和ＰＢ是兩路輸入信號(hào)。面板鍵盤通過串行移位或矩陣接法直接連到通用時(shí)間比對(duì)模塊上。ＬＥＤ顯示可采用串行移位方式。另外，ＴＣＭ－２還提供有ＲＳ－２３２接口，因而可與計(jì)算機(jī)相連，以便輸出測(cè)量數(shù)據(jù)或?qū)崿F(xiàn)遙控操作測(cè)量功能。

３．２ ＣＤＭＡ基站時(shí)鐘

ＣＤＭＡ基站時(shí)鐘主要用于為ＣＤＭＡ移動(dòng)通信基站提供時(shí)鐘信號(hào)。為了保證正常的通信和基站之間的平滑切換，要求ＣＤＭＡ基站時(shí)鐘的頻率準(zhǔn)確度應(yīng)達(dá)到１×１０－１１，時(shí)間同步精度應(yīng)達(dá)到１００ｎｓ以上。

ＣＤＭＡ基站時(shí)鐘有兩個(gè)方案，一個(gè)是以ＧＰＳ或ＧＰＳ／ＧＬＯＮＡＳＳ為參考源的自主同步方式，另一個(gè)是通過光纖傳輸同步信息的主／從同步方式。前者是各基站都以ＧＰＳ或ＧＬＯＮＡＳＳ為基準(zhǔn)，且各站都與ＧＰＳ或ＧＬＯＮＡＳＳ同步，從而實(shí)現(xiàn)各基站之間的同步。后者是主站通過光纖向各基站發(fā)送同步脈沖，從而使各基站都與主站的同步脈沖同步，最終使各基站之間保持同步。由于各基站本來就是通過光纖與主站聯(lián)系的，因此后者并不因?yàn)橥ㄟ^光纖傳遞同步脈沖而增加成本。圖３和圖４分別是這兩種方案的結(jié)構(gòu)框圖。圖３中，各信號(hào)的具體含義如下：

１０ＭＣ：用于本模塊的基本測(cè)量時(shí)鐘及ＤＤＳ的輸入時(shí)鐘。為了滿足頻率準(zhǔn)度要求，設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使用銣鐘或雙層恒溫的晶振來提供１０ＭＣ信號(hào)；

ＧＰＳ１ＰＰＳ：ＧＰＳ秒脈沖輸入信號(hào)，用作時(shí)鐘參考；

ＧＰＳ１ＰＰＳＤ：ＧＰＳ秒脈沖直接輸入，用于測(cè)量電纜的時(shí)延，以便修正測(cè)量結(jié)果；

ＤＤＳ１／ＤＤＳ２： 兩路ＤＤＳ，可分別生成兩個(gè)不同頻率的信號(hào)；

ＤＤＳ１Ｘ／ＤＤＳ２Ｘ：對(duì)應(yīng)盤的兩ＤＤＳ輸出信號(hào)，用于測(cè)量與本盤信號(hào)的相位差并進(jìn)行修正，以保證主／備無縫切換；

Ｍ／Ｓ：主／備狀態(tài)標(biāo)志輸入；

１ＰＰ２Ｓ：用于輸出兩秒一次的定時(shí)脈沖；

ＳＩＯ：串行輸入輸出接口，用于與外部控制器交換信息；

ＲＳ－２３２：通用ＲＳ－２３２串行口，用于與ＧＰＳ交換信息。

在圖４所示的光纖同步ＣＤＭＡ基站時(shí)鐘原理圖中?ＲＸＰ是由中心站發(fā)來的光纖同步脈沖或從站傳來的返回脈沖；而ＴＸＰ則是由本站發(fā)給中心站的返回脈沖或中心站發(fā)出的同步脈沖；

銣鐘產(chǎn)生的１０ＭＣ信號(hào)主要用于通用時(shí)間比對(duì)模塊的基本測(cè)量時(shí)鐘及ＤＤＳ的輸入時(shí)鐘。當(dāng)用溫度穩(wěn)定性優(yōu)于５×１０－１０、日漂移優(yōu)于１×１０－１０的晶振時(shí)，一般均可以滿足要求。

用通用時(shí)間比對(duì)模塊測(cè)量ＲＸＰ和ＴＸＰ時(shí)，主站將發(fā)送和接收時(shí)刻傳給從站，從站在收到主站傳來的兩個(gè)脈沖數(shù)據(jù)后，將根據(jù)本站脈沖的發(fā)送和接收時(shí)刻來計(jì)算傳輸時(shí)延，從而計(jì)算出本站的時(shí)間誤差并修正本站的時(shí)鐘，以使其保持與主站時(shí)鐘的同步。此外，根據(jù)兩組同步脈沖的時(shí)間間隔，可以測(cè)量本站基本測(cè)量時(shí)鐘的頻率并修正ＤＤＳ，這樣可使本站時(shí)鐘頻率與主站的時(shí)鐘頻率保持一致。

ＲＸＰ和ＴＸＰ可以是直接由光纖傳輸?shù)拿}沖，也可以在多路復(fù)接方式中提供一個(gè)定時(shí)通道?并將ＲＸＰ和ＴＸＰ組織在定時(shí)通道的幀結(jié)構(gòu)中。

本盤ＤＤＳ的輸出信號(hào)和對(duì)應(yīng)盤ＤＤＳ的輸出信號(hào)可在通用時(shí)間比對(duì)模塊中比較相位。如果它們之間存在相位差，則從站應(yīng)調(diào)整相應(yīng)的ＤＤＳ以使其輸出信號(hào)的相位與主站保持一致。

需要說明的是：采用光纖同步比ＧＰＳ同步成本低，且在相同配置時(shí)的同步精度也高。其同步精度可達(dá)到１０ｎｓ以上，基本能夠滿足基站定位應(yīng)用中高精度同步的要求。

微波同步時(shí)鐘的原理和結(jié)構(gòu)與此完全相同。ＧＰＳ時(shí)間／頻率標(biāo)準(zhǔn)與ＧＰＳ同步ＣＤＭＡ?xí)r鐘也基本相同，只是結(jié)構(gòu)和功能更簡(jiǎn)單些。