分布式频谱监测系统时钟同步技术实现

秦固平，毛瑞娟，杨小勇

摘要：为了在分布式频谱监测系统中给时差定位(time difference of arrival ,TDOA)算法提供高精度的时钟信号,文中提出了一种基于外部时间基准校准本地晶振输出频率的时钟同步技术。通过以全球定位系统(global positioning system，GPS)为时钟基准，对本地晶振的频率和分频产生的秒脉冲进行测量和校正，获得和国际标准时间一致的秒脉冲信号和准确的100MHz频率输出，来替代本地晶振的输出提供准确的时间标准和频率标准，实验结果证明同步精度可达±25ns，满足系统要求。

关键词：全球定位系统；秒脉冲；时钟同步；时差定位

中图分类号：TN98              文献标志码：A                文章编号：

Implementation of clock synchronization

technology in Distributed Spectrum Monitoring System

QIN G P¹,MAO R J²,YANG X Y³

Abstract:In order to provide high precision clock signals to the time difference of arrival (TDOA) algorithm in the distributed spectrum monitoring system, a clock synchronization technique based on the external time datum to calibrate the local oscillator output frequency is proposed. By taking the global positioning system (GPS) as the clock benchmark, the second pulse generated by the frequency and frequency division of the local crystal oscillator is measured and corrected, and the second pulse signal and the accurate 100MHz frequency output are obtained in accordance with the international standard time, to provide an accurate time standard to replace the output of the local crystal oscillator. Frequency standard, experimental results prove that the synchronization accuracy can reach ± 25ns, meeting the system requirements.

Key words：global positioning system;second pulse;clock synchronization;time difference of arrival

0 引言

随着无线电通信事业的飞速发展，我国建设了大量的通信设施，有限的频率资源十分紧张，各种通信系统间的干扰时有发生^[1-3]，因此需要建设大量的监测站对电磁环境进行监测，及时了解重点区域的电磁环境状况，发现并消除干扰，保证通信系统畅通^[3-6]。

目前，电磁频谱监测系统主要由固定监测站为主、车载移动监测站为辅组成。这种集中式系统仅能实现粗粒度、大区域、少量孤立点的频谱监测，难以满足众多无线电通信业务和用频设备对频谱监测的精细化需求^[7-9]。因此小型化、便携式、高精度的分布式无线电监测系统将逐步成为电磁频谱监测领域的应用趋势^[10-12]。在分布式无线电监测系统中常用时差定位(time difference of arrival，TDOA)技术，定位精度的高低与时标的准确度和各联网监测接收机之间的同步程度有着密切的关系，因此时钟同步技术成为分布式无线电监测系统中的关键技术之一^[13-15]。

基于以上，本文介绍了一种基于外部时间基准校准本地晶振输出频率的授时校频系统。主要是通过GPS基准，对本地晶振的频率和分频产生的秒脉冲进行测量和校正，获得和国际标准时间一致的秒脉冲信号和准确的100MHz频率输出，来替代本地晶振的输出提供准确的时间标准和频率标准^[16-19]。

1 GPS时钟同步系统总体设计

时钟同步系统是用来校准本地晶体振荡器的频率，即用来同步本地晶体振荡器的输出秒脉冲，以确保本地输出秒脉冲信号与GPS接收模块输出的秒脉冲信号保持高度同步。它是将GPS接收模块输出信号的长期稳定性与恒温晶体振荡器输出频率的短期稳定性相结合，实现本地晶体振荡器输出频率的校准，从而输出与GPS秒脉冲信号高度同步的秒信号。时钟同步系统整体框图如图1。

图1 时钟同步系统框图

其中各个模块的功能如下：

（1）本地晶体振荡器模块：生成原始频率信号，通过分频产生秒脉冲与GPS接收模块产生的秒脉冲一起送入时间间隔测量模块，时差处理模块和校准模块，对原始时钟信号进行校正，实现更高精度的秒脉冲信号，作为同步系统的输出。

（2）时间间隔测量模块：通过现场可编程逻辑器件(field programmable gate array，FPGA)对GPS接收模块输出的秒脉冲和本地晶体振荡器分频产生的秒脉冲进行鉴相处理，得到时间差。

（3）时差处理模块：该算法在数字信号处理器(digital signal process，DSP)中完成，对时间间隔测量模块送出的时间差进行滤波处理，将处理之后数据送给之后的校准模块进行本地秒脉冲的校准。

（4）秒信号时差校准模块：根据滤波后的秒脉冲时间差，计算出需要调整的DAC控制字及对应的控制电压，完成频率校准，进而实现系统输出的秒脉冲与GPS接收模块输出的秒脉冲高度同步。

（5）DAC模块：接收秒信号时差校准模块发送的控制数据，将其转化为模拟控制电压，使得控制电压落在VCOCXO模块的有效控制范围内，进而通过电压控制端对本地晶振的输出频率进行调整。

2 时间同步各模块的具体实现

2.1 本地晶体振荡器

设计中，考虑到性价比以及整个监测系统的性能，我们选用广州大普公司生产的压控晶体振荡器VCOCXO 022B-G426-100MHz作为被校频标。该晶体振荡器输出标准频率为100MHz，频率短期稳定度为0.01×10^-9，准确度为±0.1ppm，还提供了一个电子频率控制(Electronic Frequency Control，EFC)端。通过向EFC端施加一个0～＋5V的直流电压，可使该晶振有最大±80Hz的频率调整范围。

2.2 时间间隔测量模块

为了使高精度恒温晶体振荡器与GPS接收模块的秒脉冲信号同步，需要准确测量GPS秒脉冲信号和晶体振荡器分频产生的秒脉冲信号之间的时间差，即时间间隔信号，只有得到了准确的时间间隔后才可以对本地秒信号进行校正。时间间隔测量的原理如图2所示。

图2 时间间隔测量原理

起始信号为GPS接收模块接收到的秒脉冲信号GPS_1pps，终止信号为本地晶体振荡器分频后产生的秒信号local_1s。为了简化后续的调频过程，我们人为地给本地秒脉冲信号延迟了固定时间T，我们将这两个脉冲信号输入到FPGA模块，用计数器测量GPS_1pps和local_1s之间的时间间隔。当GPS_1pps上升沿到达时，计数器开始计数，当local_1s上升沿到来时，计数停止。两个上升沿之间的时间间隔就是是本地晶体振荡器与GPS接收模块秒脉冲之间的时间差。这里的计数时钟是100MHz，最终测量的最小误差将达到10ns。

2.3 时差处理模块

理论上，我们可以直接使用GPS_1pps来实现时钟同步，但事实上，秒脉冲的上升沿相对于精确的GPS系统具有一定的随机抖动。这种随机抖动根据每个接收器的性能而不同，因此不能直接使用。

为了消除随机误差的影响，必须处理测量的时间间隔数据。本设计使用最小二乘线性拟合算法^[20]来过滤数据。

首先，对GPS输出的GPS_1pps信号与晶振分频输出的local_1s每秒取一次鉴相值，鉴相周期定为50s，当统计完一个鉴相周期后得到它们之间的一组相位时差序列，对这一相差序列与时间序列之间满足线性回归模型，在对这些数据做最小二乘拟合之前，我们需要对鉴相数据做初步的处理，剔除野值，这样可以使得到估计值更加精确，这里使用的滑动滤波算法对鉴相数值做平滑处理，此估计值已经减小了相位差中的随机抖动，获得了比较真实的相位差及对应的相对频差，再根据测试得到的DAC调整字每"1"对应的频偏，一除就得到需要的调整偏差。累加进行DAC调整即可。

由于最小二乘直线拟合算法中牵扯较多的累积和及乘法运算^[21]，用FPGA计算浪费资源且运算量较大，因此这部分算法在DSP中实现。

2.4 秒信号时差校准模块

秒信号时差校准模块由频率校准和秒脉冲同步校准两部分组成。频率校准是通过改变DAC的控制量去调整本地压控晶振的压控端，如果频率不同，即使在某一时刻两频率源达到时钟同步，经过一段时间后两个频率间也会产生一个与它们的频差成正比的时间差。所以要维持两频率间长时间高精度的时钟同步，就必须减小甚至消除频率差。

2.4.1 频率校准

在频率校准阶段，高稳晶振的分频秒local_1s开始跟踪外部时钟秒信号GPS_1pps。此时由于高稳晶振的频率还存在一定的偏差，该阶段主要进行频率的校准，并逐步消除相位差。

频差的调整我们在DSP中实现，对频差进行调整前需要进行频率超前和滞后的判断，不同的情况对应不同的调频方式，为了减少频率超前滞后的判断复杂性，在时间间隔测量模块中我们人为的将本地秒脉冲信号延迟了一个固定的时间T，始终认为本地秒脉冲滞后于标准秒脉冲，因此在判断频率超前滞后时分为三种情况，

1) 频差>0为频率滞后；

2) 频差<0为频率超前；

3) 频差=0为频率相等；

我们在得到了频率真正的超前滞后关系后，根据这个关系，就可以制定DAC值的控制策略。

整个调频过程的流程图如图3所示。

图3 调频流程图

（1） DAC粗调

定义一个常量EPSILON，这里取值为1，时差处理模块得到的频差值y落入此区间之前，我们进行粗调，粗调的参考模型如式(1)：

                        (1)

当初始时刻y很大时，DAC的值调整较多，而随着频率的逼近，y逐渐收敛，DacValue也趋于稳定。注意比例系数K的取值，K取值越小，调整的斜率越缓慢，相应的锁定时间越长；K值取值越大，斜率越陡，锁定时间越短，理论上如果K值过大，则不会收敛，震荡。

我们选用的DAC是12位的，所以最大控制字为4095，而晶振的最大调整量为±80Hz，因此晶振每1Hz对应的控制字为25.59。所以K的取值先定为25.59，在经过反复的测试和实验后发现这个值使得频率锁定值在100MHz附近震荡较大，最终将K值定为20.48。

（2） DAC微调

因环境温度变化导致本地晶振的频率飘移，不能一次性地认为频差调整为0就是真正的锁定了。我们还需要在此基础上进行微调。当y的绝对值小于等于EPSILON时，进入微调流程，参考模型如式(2)：

                          (2)

步进精度D越小，理论上抖动越小，但温度变化导致频漂，较小的步进精度不一定跟踪上频率的变化，调整几次之后，y可能会超出EPSILON的范围，变回粗调。如果DAC值与晶振的频率成线性正比关系，那么DAC步进1，调整的频率应该是±△f*（1/4095），△f为晶振可调频率范围，我们选用的晶振的最大可调范围是±80Hz。如果步进精度D取值过大，又会使精调抖动加大，达不到精调的效果。这里就将D取为1。

（3） 锁定判断

当y第一次落入EPSILON区间时，频率差仍然是存在的，需要经过多次调整，才能逼近频率相同的点。如果此时立即采用微调策略，收敛时间会变得很长。

因此定义了一个y落入EPSILON区间的次数（DAC_LOCK_NUM），当y连续DAC_LOCK_NUM次落入EPSILON区间后，就认为频率真正锁定了。而在此过程中，仍然采用粗调策略。这里的DAC_LOCK_NUM我们取值为20。

2.4.2秒脉冲同步校准

因为在频率校准的同时又要产生秒脉冲，所以校准的本质就是在外部时间基准时刻来产生本地秒脉冲的上升沿。得出GPS_1pps与local_1s的时间差后，将时间差即秒脉冲的校正值传给时间差校正模块进行校准。这里的时间差是真实的时间间隔差，是时差处理模块滤波后的时间间隔减去固定时间T后的值，因为在时间间隔测量模块中我们对本地晶振产生的秒脉冲人为的进行了时间T的延迟。秒脉冲校准模块整体设计如图4所示，整个校准模块由计数器、比较器和分频计数器构成。

图4 秒脉冲校准框图

其中计数器在开始校准时计数，把校正值与计数器输出数值进行比较，如果计数器输出值小于待校正值，分频计数器不工作，产生秒脉冲信号停止并保持现状，秒脉冲信号就相当于延迟了。当计数器输出值大于等于待校正值时，分频计数器继续工作，假设校正值为n，则输出的秒脉冲相当于延迟了n个时钟周期。如果计数器采用100MHz时钟，则向后延迟了n×10ns。分频计数器用于产生校正后的秒信号。

2.5 DAC模块

DSP输出的是数字量，所以要用数模转换器把其转化为模拟信号。为了使本系统达到校频的理想状态，考虑到DAC的转换速率与稳定时间有关，它的高低对输出的阶梯波有直接的影响，转换速率高可以使DAC输出更接近理想情况。并且DAC分辨率越高，幅度量化误差越小。本设计决定采用AD5320进行系统的数模转换。

时间间隔测量结束后，我们将所得数据送入DSP进行平滑处理并计算控制电压后，将控制电压数值送入D/A转换器，DAC再将数据转化成相应的电压送往晶振，通过晶振的EFC端控制晶振的频率和相位，最终得到需要的频率输出。当D/A转换器输出的电压值趋近于一个定值且相对稳定时，晶振频率被校准并达到相对稳定状态。

3 同步效果实验

将单个的监测接收机与GPS进行时间同步最终是要实现各联网监测接收机之间的同步从而实现辐射源的定位功能。因此，我们在验证时间同步效果时可以随机选取两台固化过同步算法程序的监测接收机，将两台接收机同步后的1pps输出从设备中引出接到示波器的两路通道观测同步效果。实验环境如图5所示。

图5 时间同步效果实验环境

使用泰克的TDS 784D观测实验结果，在上电、同步使能有效后大约十分钟，两个秒脉冲已经在±25ns范围内变化，由图6可以看到。之所以会有一定的变化范围，是因为我们使用的晶振本身会有一定的频漂，如要得到更好的同步效果可以使用指标更高的晶体振荡器。这里的同步效果已经能够满足定位系统的要求。

图6 同步效果图

4 结束语

文中以GPS为时钟基准，对分布式频谱监测系统中晶振频率和分频产生的秒脉冲进行测量和校正，获得和国际标准时间一致的秒脉冲信号和准确的100MHz频率输出。该时钟同步技术的同步精度可达±25ns，已应用在分布式无线电频谱监测系统的TDOA定位中，运行稳定、可靠，并达到了预期的定位精度。可以通过进一步对时钟同步算法进行优化，缩短时钟锁定时间，以达到更好的用户体验。该技术还可广泛应用于微机监控系统、数据采集系统、大型网络设备、移动通信网络系统等。

参考文献：

[1] 曹建军.基于GPS和无线传感网络的时钟同步系统.南京理工大学硕士论文,2008年:1-10.

[2] 陈丕龙.分布式测试系统中的GPS时钟同步系统设计[D].中北大学,2011:1-16.

[3] 刘懿.基于FPGA分布式采集系统时钟同步控制技术[D].成都理工大学硕士论文,2009:1-15.

[4] 吴宁,潘小龙,虞皆侠高精度GPS同步时钟的研究与实现[D].电力系统自动化,2008年32卷第10期.

[5] 刘凯.时间统一技术研究及应用[D].西安电子科技大学硕士论文,2010:15-32.

[6] 周德海,崔保健,赵海鹰.GPS锁定晶体振荡器的数据处理方法研究[J].宇航计测技术,2009年29卷第1期.

[7] 荣文钲.分布式地震数据采集同步技术研究[D].西南科技大学,2017.17-24.

[8] 郑恭明,沈媛媛.基于FPGA的GPS同步时钟系统设计[J].桂林理工大学学报,2015,35(01):198-201.

[9] 邓伟.基于GPS时钟同步系统的实现与应用[D].北京邮电大学,2015.

[10] 张亚元.基于GPS和高精度实时时钟的时间同步方法研究[D].天津大学,2014.

[11] 陈超.基于GPS的智能变电站高精度时钟设计与实现[D].南京理工大学,2014.

[12] 王暘.无线通信信号测试系统时钟同步控制方法研究及实现[D].中国科学院大学(工程管理与信息技术学院),2013.

[13] 李成.大型物理实验装置高精度时间同步技术研究[D].中国科学技术大学,2012.

[14] 陈丕龙,韩焱.基于GPS时钟同步的计时脉冲信号发生器设计[J].计算机测量与控制,2010,18(11):2675-2676+2680.

[15] 祝婧,刘水,朱亮,胡岸,赵燕,王琼,汤振华,刘经昊.时钟同步在用电信息采集系统中的应用[J].电测与仪表,2016,53(S1):157-159.

[16] 李芳,杨德华,罗存.时钟同步技术及其在地铁综控系统中的应用[J].交通科技与经济,2013,15(06):6-8+13.

[17] 范业明,刘增武.基于时钟同步技术在数据采集系统中的应用[J].计算机与数字工程,2011,39(02):98-101.

[18] 陈子,许枫.GPS时钟同步在水下定位系统中的应用[J].微计算机应用,2008(08):86-89.

[19] 张信权,梁德胜,赵希才.时钟同步技术及其在变电站中的应用[J].继电器,2008(09):69-72+86.

[20] 贾小勇,徐传胜,白欣.最小二乘法的创立及其思想方法[J].西北大学学报(自然科学版),2006(03):507-511.

[21] 田垅,刘宗田.最小二乘法分段直线拟合[J].计算机科学,2012,39(S1):482-484.