TCM-2通用時(shí)間比對模塊及其應(yīng)用

　　摘要：美國PrecisionSync公司研發(fā)的通用高精度時(shí)間比對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；時(shí)間間隔測量；時(shí)間同步；頻率同步；TCM-2
　　
　　1概述
　　
　　美國精密同步公司研發(fā)的通用高精度時(shí)間比對模塊，可提供四通道0.1ns分辨率的時(shí)間比對或時(shí)間間隔測量，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、激光測距以及高精度通用計(jì)數(shù)器（高精度時(shí)間間隔測量儀）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)行測量的。它的測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)待測脈沖輸入模塊后，由模塊測量它們的時(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。
　　
　　由于被測事件與測量時(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量、采集測量數(shù)據(jù)、計(jì)算測量數(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)輸入待測脈沖多于四種時(shí)，可采用時(shí)分復(fù)用的方法進(jìn)行測量。通�？捎赡�塊內(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量相應(yīng)通道的信號，然后經(jīng)計(jì)算送回外部控制器。
　　
　　TCM-2高精度通用時(shí)間比對模塊還能自動(dòng)識別參考定時(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1TCM-2引腳分配及功能表
　　
　　引腳名引腳號I/O
　　
　　功能
　　
　　DDSD18ODDS串行數(shù)據(jù)線DDSCK19ODDS串行時(shí)鐘線DDSUD/PWM12ODDS輸入數(shù)據(jù)更新或PWM輸出DDSRST10ODDS芯片復(fù)位DDSIORST31ODDS數(shù)據(jù)口復(fù)位DDSCS233O第二片DDS的片選DDSCS135O第一生DDS的片選LEDSD13O串行顯示口數(shù)據(jù)線LEDSCK14O串行顯示口時(shí)鐘線SDDM2O輸出移位寄存器數(shù)據(jù)SCKDM3O輸出移位寄存器時(shí)鐘MBUSY4I外部接收移位寄存器滿標(biāo)志SDMD42I輸入移位寄存器數(shù)據(jù)SCKMD43I輸入移位寄存器時(shí)鐘DBUSY44O內(nèi)部移位寄存器滿標(biāo)志CKO17I輸出時(shí)鐘信號，用于生成定時(shí)脈沖及與對方盤時(shí)鐘比較CKOX46I對方盤輸出時(shí)鐘，用于在主/備工作時(shí)與本盤比較GPS1PPS48IGPS秒脈沖輸入G1PPSD47IGPS秒脈沖直接輸入，用于測量天線延時(shí)1PPSO1O秒脈沖輸出W/FSNCI41I光纖/微波輸入同步脈沖（用于時(shí)間雙向傳遞同步）W/FSNCO40I光纖/微波輸出同步脈沖（用于時(shí)間雙向傳遞同步）W/FORQU45O光纖/微波輸出同步脈沖發(fā)送請求FR9I基準(zhǔn)時(shí)鐘輸入WDO30O“看門狗”定時(shí)器輸出ALEF15I與PIN21相連TXD27OTS-232串行數(shù)據(jù)輸出，TTL電平RXD28IRS-232串行數(shù)據(jù)輸入，TTL電平RST29I內(nèi)部單片機(jī)復(fù)位VPP20I編程電壓，對內(nèi)部單片機(jī)編程時(shí)此引腳接VCCALE21O內(nèi)部單片機(jī)編程時(shí)此引腳接VCCPSEN22O內(nèi)部單片機(jī)編程時(shí)此引腳接地VCC7I+5V電源VCC16I+5V電源GND5地+15V8I+15V電源-15V11I-15V電源SPR1,SPR2,SPR36,38,39O備用引腳，供調(diào)試用XTAL123外接11.0592MHz晶振XTAL224外接晶振
　　
　　表2TCM-2的主要指標(biāo)
　　
　　參數(shù)數(shù)值單位內(nèi)部時(shí)鐘10（TTL）MHz測量精度1——3ns分辨率0.1ns測量時(shí)間<0.5ms環(huán)境溫度-10——50℃相對濕度<90%R.H.輸入信號電平TTL<10MHz輸出信號電平TTL@20mA>電源5@200mA
　　
　　15@20mA
　　
　　-15@20mAV
　　
　　3TCM-2的應(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)間比對或時(shí)間間隔測量，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。利用它不僅可以測量兩輸入脈沖的時(shí)間間隔或相位差，還可測量輸入信號的頻率和周期。該電路的時(shí)間分辨率為0.1ns,測量精度為1——3ns,因此可以進(jìn)行高精度的時(shí)間間隔、頻率和周期的測量。它的測量速率優(yōu)于0.5ms/次。這種高精度通用計(jì)數(shù)器可用內(nèi)部10MHz晶振作為基本測量時(shí)鐘，也可選外部10MHz信號（如銣鐘或銫鐘）作測量時(shí)鐘。PA和PB是兩路輸入信號。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，以便輸出測量數(shù)據(jù)或?qū)崿F(xiàn)遙控操作測量功能。
　　
　　3.2CDMA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。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，各信號的具體含義如下：
　　
　　10MC:用于本模塊的基本測量時(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；
　　
　　GPS1PPS:GPS秒脈沖輸入信號，用作時(shí)鐘參考；
　　
　　GPS1PPSD:GPS秒脈沖直接輸入，用于測量電纜的時(shí)延，以便修正測量結(jié)果；
　　
　　DDS1/DDS2:兩路DDS,可分別生成兩個(gè)不同頻率的信號；
　　
　　DDS1X/DDS2X:對應(yīng)盤的兩DDS輸出信號，用于測量與本盤信號的相位差并進(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信號主要用于通用時(shí)間比對模塊的基本測量時(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)間比對模塊測量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，可以測量本站基本測量時(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的輸出信號和對應(yīng)盤DDS的輸出信號可在通用時(shí)間比對模塊中比較相位。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時(shí)鐘也基本相同，只是結(jié)構(gòu)和功能更簡單些。

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