（机械电子工程专业论文）标准时延测试仪的设计和时间同步技术的研究.pdf

摘要 时间间隔测量技术在原子物理、定位定时、航天遥测遥控以及军事方面发挥 着不可或缺的作用，对国民经济与国防建设意义重大。本文主要探讨了各种时间 测量和授时方法，并研制开发了一套具有高精度、高分辨率、大测量范围、稳定 可靠的标准时延测试仪。 本文共分六章： 第一章首先综述了时间测量和时间同步技术的现状和发展趋势，并根据课题 背景对标准时延测试仪的要求，提出了课题的研究内容； 第二章通过对课题研究目标和相关关键技术的具体分析，详细阐述了标准时 延测试仪的总体设计方案； 第三章针对测试仪精度高、测量范围大等性能指标要求，详细阐述了时延测 量的实现方法，并就研制过程中遇到的一些难点以及解决方法进行了详细说明： 第四章详细介绍了标准时延测试仪的软件设计，主要包括d s p 和u s b 代码 的设计，以及用户应用平台的软件开发； 第五章详细介绍了标准时延测试仪各项功能的测试方案，并就测试数据以及 结果进行了分析； 第六章对全文进行了简要总结，并提出了进一步改进的方案。 本文的创新主要有以下两点： 1 ) 采用脉冲计数和量化时延原理相结合的方法，实现高精度、高分辨率、大测 量范围的时间测量。 2 ) 通过测量不同通道脉冲信号在电缆、器件以及电路板上传输时间之差，在软 件上进行补偿从而消除脉冲信号传输延时的不对称性，大大降低了测量误差。 关键词：标准时延测试仪、时间间隔测量、t d c g p i 、脉冲计数、高精度、大 测量范围 a b s t r a c t a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo f t i m ei n t e r v a lm e a s u r e m e n tp l a y sa ni n d i s p e n s a b l er o l ei nt h ef i e l d so f a t o m i cp h y s i c s ，l o c a l i z a t i o n & t i m i n gs y s t e m s ，s p a c e f l i g h tt e l e m e t r ya n dt e l e c o n t r o la n dm i l i t a r y t e c h n o l o g i e s t h ep a p e rm a i n l yp r o b e si n t ot h em e t h o d so f t i m em e a s u r e m e n ta n dt i m es e r v i c e ，a s w e l la st i m es y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g y as t a n d a r dt i m ei n t e r v a lm e a s u r i n gi n s t r u m e n tt h a ti s p r o v i d e dw i t hh i g h - p r e c i s i o n , w i d er a n g e ，s t a b l ea n dr e l i a b l et e s t i n gp e r f o r m a n c ei sd e v e l o p e d t h et h e s i si sc o m p o s e do f s e v e nc h a p t e r sa sf o l l o w i n g ： c h a p t e r1s u m su pt h ec u r r e n ts t a t u sa n dd e v e l o p m e n t so f t h et i m em e a s l f f e l n e m ta n dt h et i m e s y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g y , t h eo b j e c t sa n dt a s k so ft h i sp a p e r 眦a l s op u tf o r w a r da c c o r d i n gt o t h er e q u i r e m e n t so f t h es t a n d a r dt i m ei n t e r v a lm e a s u r i n gi n s t r u m e n t c h a p t e r2e l a b o r a t e st h ei n t e g r a ld e s i g ns c h e m eo ft h es t a n d a r dt i m e i n t e r v a lm e a s u r i n g i n s t r l m l e n tb ys t r i c t l ya n a l y z i n gt h er e s e a r c ho b j e c ta n dr e l a t i v ek e yt o c h n i q u e s c h a p t e r3e l a b o r a t e st h ew a yt oa c q u i r eh i g h - p r e c i s i o na n dw i d e - r a n g et i m ei m e r v a l m e a s u r i n gi n s t r u m e n t , t h ed i f f i c u l t i e sw ew i l lm e e ta n dh o wt os o l v et h e md u r i n gt h er e a l i z a t i o n a r ea l s od i s c u s s e di nd e t a i l c h a p t e r4i n t r o d u c e st h es o f t w a r ed e v e l o p m e n to f t h em e a s u r i n gs y s t e m ；m a i n l yi n c l u d et h e c o d e so f d s pa n du s b ，a n dt h es o f t w a r ed e v e l o p m e n to f t b eu s e ra p p l i c a t i o ni n t e r f a c e c h a p t e r5 i n t r o d u c e st h et e s t i n gs o l u t i o n so ft h es t a n d a r dm e a s u r i n gi n s t r u m e n t , s o m e a n a l y s e sb a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ld a t aa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ep r o c e s s e d c h a p t e r6s u m su pa n de x p e c t sf o r t h er e s e a r c hi nt h et h e s i s i n n o v a t i o no f t h ep a p e rc a nb es u m m e dt ot h ea s p e c t sa sf o l l o w i n g ： 1 ) t h ew a yt oa c h i e v eh i g h p r e c i s i o n ，h i g h r e s o l u t i o n ，w i d e - r a n g et i m em e a s u r i n g ：i n t e g r a t i n g t h e o r yo f p u l s ec o u n t i n ga n dq u a l i f i e dt i m ei n t e r v a l 2 ) s o f t w a r ec o m p e n s a t i o nt ot h ed i f f e r e n c eo ft h ep u l s et r a n s m i s s i o nt i m ei nd i f f e r e n tc a b l e ， e l e c t r o n i cc o m p o n e n t sa n dc i r c u i tc h a n n e l se l i m i n a t e st h en o n s y m m e t r yo f t h et r a n s m i s s i o n d e l a yt i m ea n dr e d u c e st h em e a s u r i n ge r r o ro b v i o u s l y k e yw o r d l ：s t a n d a r dt i m ei n t e r v a lm e a s u r i n gi n s t r u m e n t , t d c - g p i h i g h - p r e c i s i o n , w i d e r a n g e l i 学号2 篮q 81 3 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得滥姿盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：身、女1 签字日期：知舶7 年z 月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏蠢鲎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：二k 捌0 岣 签字日期：为哆年z 月7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 宝石臣 签字日期：啊年z 月，日 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 在国际单位制中的7 个基本单位中，时间单位的定义与测量是历史最悠久、 情况最复杂、目前测量精度最高的一个基本单位，因此对其标准的建立和准确测 量就具有十分显著的意义和影响。任何一种物质都是在一定的时间和空间里完成 其变化、运动和发展的过程的。随着科技的发展，对于空间问题的处理越来越多 地依靠对时间的测量和处理。长度单位米就是根据光在真空中一定的时间间隔内 所经历路径的长度来定义的。近年来测试计量技术的一个明显的发展趋势也表现 在尽可能地把不同的量值转换成为频率或者时间进行测量。电压标准方面，应用 交流约瑟夫森效应把电压基准的测量转换成为对频率进行测量。大量的被测量值 都有转换成频率量进行高精度测量的可制。 1 1 时间测量的基本方法 从古代人类为生存需要本能观察某些自然现象，到自觉地制造测量器具去测 量时间，经历了漫长的粗犷时代。近代科学的兴起，特别是某些自然科学理论的 建立，为精密时间测量开辟了广阔前景。尽管人类在漫长时间长河中发明了各式 各样巧夺天工的时间测量器具，直到今天，人类测量时问的基本方法，归纳起来 只有两种【2 l 。 1 1 1 复制型时间测量方法 人类早期测量时间的方法是复制型时间测量方法。中国古人有“日出而作， 日落而息”的传统，古埃及人把尼罗河两次泛滥的间隔时间定为1 年，游牧民族 的先民们以草木枯荣记岁。即使是以太阳东升西落计日，也不能说那个时代的人 们已经学会观察天象并掌握其运动规律。他们只是把太阳升落、河水泛滥、草木 枯荣同视为具有不便周期的自然现象，并“复制”这些周期“计时”，籍以安排 自己的起居和生存活动【2 j 。 中国古代发明的水钟，特别是宋代苏颂设计制造的水运仪象台以及后来意大 利天文学家伽利略提出的摆的等时性原理，使复制型时i 日j 测量方法发生了革命性 变化：真正的人造周期代替了自然现象周期。它为提高时间测量精度提供了宽广 的活动舞台。于是出现了各种精巧的机械钟，进而出现了晶体振荡器，以及当今 最高水平的分子和原子振荡器分子钟和原子钟。 复制型时间测量的理论基础是周期不变性和可复制性原理。严格地说，前者 是不成立的。不仅自然界中没有严格不变的周期运动现象，就是人造周期运动也 1 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 会因各种原因引入误差。至于可复制性，在一定精度范围内可以实现，但它必然 受复制对象、复制方法和复制工艺的制约，而带有或多或少的复制“制作”误差。 因此，复制型模式的关键问题尽力保持周期时间单位的稳定性和复制精度， 这就是现代原子钟追求频率稳定度和复现性的理论原因。 1 1 2 动力学时间测量方法 动力学时间测量方法的理论基础是经典力学和天体力学。它所依据的是人们 对特定天体( 例如地球) 运动规律的认识和掌握，由此得到所谓天文时间标准。 应该说，同复制模式测量相比，这是一个进步。因为它观测的对象是客观的、唯 一的天体运动，有利于建立全球统一的时问测量系统。但是，2 0 世纪5 0 年代， 人们发明了原子钟，随之出现了世界范围的原子时系统。时间测量又回归于复制 型模式1 2 j 。 1 2 时间问隔测量方法 我们大量面对的频率与时间量值的计量中，同时包括了宽的时间和频率范围 内的各种测量问题和只是频率标准之间的精密比对问题。前者同时包括了对测量 范围和测量精度的要求；而后者则主要用于有限的频率标称值之问的很高精度的 频率信号之间的比对。在所有的频率与时间量值的计量中时间间隔计量是最基本 的。对于具有相同标称频率的信号，在本质上时间间隔和相位差具有相同的意义。 在时间间隔计量的基础上，时间间隔或相位差的变化量能够被获得，而它随比对 时间的变化正可以反映被测信号的频率值1 1 , 3 1 。在频率值的基础上频率起伏和频 率稳定度也可以获得。但是，反过来则不可能有相应的推导关系。也就是说，我 们不可能从频率稳定度中得到被测信号的频率值，也不可能从被测信号的频率值 得到时间间隔或相位差的变化量，更不可能从时间间隔或相位差的变化量中得到 时间间隔的实际值。从获得高精度考虑，高精度的难易程度从低到高依次表现在 频率稳定度、频率、时间间隔或相位差的变化以及时间间隔的实际值【7 ”j 。 1 2 1 脉冲计数法 基于计数技术的时间间隔测量法一般采用高速的格雷码计数器。计数器在 “s t a r t ”和“s t o p ”脉冲的控制下开始和停止计数，计数值和计数器工作脉冲周 期的乘积即为要测量的“s t a r t ”和“s t o p ”脉冲间隔的时间值i l 。 采用脉冲计数法，其时间测量动态范围可以做的很大，但是由于该技术的时 间分辨率和测量准确度取决于计数器计数脉冲的频率和频率的稳定度，当需要较 高的时间间隔分辨率时，计数脉冲的频率要求很高，通常要达到g h z 量级。这 2 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 就需要高速逻辑器件，对电路设计提出较高的要求，同时功耗非常大。 如图1 1 为计数器测量时间间隔的基本原理方框图。图1 2 为脉冲计数法的 波形图。 图1 1 通用计数器时问间隔测量功能原理图 司间隔 t r 7 i 嘲- l 洱t l h + t 2 l m i 冲i 图1 2 脉冲计数法波形图 被测讯号作为开门和关门讯号输入，经放大整形，形成标准触发脉冲，以使 闸门在开门讯号到来时打开，在关门讯号到来时关闭。在闸门打开期间，来自时 基电路的钟脉冲( 通称为时标讯号) 被送到后面的计数电路记数。如果钟脉冲的 重复频率为f ，被记数的脉冲个数为n ，则闸门的持续时间，即被测两讯号之间 的时问间隔r 为： 1 正= n x 二， ( 卜1 ) | 利用计数器测量时间间隔，测量误差来源于下列因素： 1 ) 1 个字误差，它是由于控制闸门的开、关讯号与计数器内部产生的脉冲 不同步引起，其绝对值等于所选用的时标值； 2 ) 伴随输入讯号丽来的噪声和计数器内部产生的噪声。这些噪声会使闸门 提前或推后打开和关闭。由此而引起的闸门时间误差叫触发误差。对于脉冲讯号， 它可用下式估计： 触发误差= 0 0 0 2 5 ( 讯号斜率v s )( 卜2 ) 3 ) 时基的不准确度 总的测量误差通常用下式表示： 测量误差= 1 个字误差触发误差时基误差 = 1 时标值( 用s 表示) 0 0 0 2 5 ( 讯号斜率v s ) r 时基准确度( 卜3 ) 1 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 式中，i 为被测时间间隔，以p s 为单位。 1 2 2 模拟内插法 上节所述的个字误差对于通用计数器测量时间间隔分辨率的影响可以从 图1 2 中看出a 被测间隔i = o p + l 一五，而计数器实际测得的值为n o x p ， 两者之差为7 i 一五。在一般计数器中，这个差是不能被精确测量的，只能给出等 于一个钟脉冲周期的误差估计，即平常所说的1 个字误差“，。 被鞠情弓h l 删钟擘挣 扩髓錾 甜氆【 起始终i 卜 _ - l 扫卜一 o i li 。1 3l 粕 ： 一n 缸肺而 t 一- - ， ；n 厅 图1 3 内插法原理图 内插法是以测量时间间隔为基础的测量方法，它主要解决的问题是测出量化 单位以下的尾数，如图1 3 所示。内插法实际要进行三次测量，即分别测出矗、 五、正。时间的测量和通用电子计数器测量时间间隔的方法没有区别。互、正 的测量，要用内插器( 扩展器) ，将它们扩大1 0 0 0 倍，用“起始”扩展器测量z ， 在巧时间内，用一个恒流源将一个电容器充电，随后以充电时间z 的9 9 9 倍的时 间放电至电容原电平。内插扩展器控制门由起始脉冲开启，在电容c 恢复至原电 平时关闭。图1 4 为内插时间扩展器原理示意图。扩展器控制的开门时间为z 的 1 0 0 0 倍，即t = 石+ 9 9 9 石= i 0 0 0 巧；在，的时间内计得时钟脉冲数为l ，得 互= l t o ，故 正= 盟( 1 - 4 ) 1 0 0 0 j 类似地，终止内插器将实际测量时问五扩展1 0 0 0 倍，这时正= 2 磊，故 r , - 尘盟( 1 - 5 ) 1 0 0 0 由此可见，用模拟内插技术，虽然测正和l 时1 个字的误差依然存在，但其 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 相对大小可缩小1 0 0 0 倍，使计数器的分辨力提高了三个量级。 利用上述原理可以测量周期和频率。这时，计数器计得的仍然是时间间隔。 在这种情况下，除了测量瓦、五、五之外，还要确定在这个时间问隔内被测信 号有多少个周期札。这样就可以通过如下计算得到周期t ： z ：盥! 丝二丝! ! ! ! 旦哑 ( 1 6 ) 。 。 图1 4 内插时问扩展原理图 模拟内插法的误差来源主要有： i ) 原理误差。在将模拟量k 互转换成数字量1 t o 的过程中产生的，其大小为 瓦k ，该误差是测量原理误差，无法克服。 2 ) 时问扩展非线性( 主要误差来源) 。由于时间扩展采用的都是模拟器件， 因此本身存在不可预测的误差，可以通过采用高精度电容减小非线性误差。 3 ) 随即误差，如触发误差。 4 ) 时钟稳定度带来的误差。 采用模拟内插原理制成的时间间隔计数器产品的主要代表是h p 公司的 h p 5 3 6 0 a 型计数器，该计数器的电容放电时间比充电时间长1 0 0 0 倍，即k = 1 0 0 0 ， 计数器的时钟频率为i o m h z ，其分辨率已经达到0 1 n s 。 1 2 3 游标内插法 另一种内插法的测量原理类似于长度测量中所使用的游标尺方法，因此我们 称游标内插法。游标内插又分单游标和双游标两种。单游标内插的原理如图1 。5 所示。 浙江大学硕上学位论文 第一章绪论 开门脉冲j 一 主钟脉冲 关门脉冲 副钟脉冲 闸门讯号 n 旷个计数脉冲_ l _ 上_ j l _ 上j j 一 图1 5 单游标法内插原理图 在这种方法中，需要一个辅助的钟脉冲产生器。为了区别起见，我们把前面 所说的钟脉冲称为主钟脉冲，而把辅助钟脉冲产生器的输出脉冲称为副钟脉冲。 副钟脉冲的重复频率相对于主钟脉冲偏开一个已知数。测量时，开门讯号同步主 钟脉冲，关门讯号同步副钟脉冲，这样被测间隔c = 0 p + 五。关门讯号与主钟 脉冲之间的时间差正由记数副脉冲的个数确定，这个记数直到副脉冲当中的一个 与主钟脉冲当中的一个重合为止。如果副钟脉冲比主钟脉冲在重复频率上偏高 1 n ，则这个记数的持续时间为胛五。令所记的副脉冲个数为，则 正= 争= 鲁c 者尸= 备尸( 1 - 7 ) 胛 n疗+ l疗+ l 所以 t = ( n o 一兰9 p ( 1 8 ) 若r l 选的比较大，则 * ( o 一三竺) p ( 卜9 ) 选择n = 1 0 0 ，p = 1 0 0 n s ，即所选的主钟脉冲的重复频率为l o 船t z ，副钟脉冲的重 复频率为1 0 1 m * l z ，于是 t * ( 1 0 0 n o 一2 ) x l n s ( 卜1 0 ) 双游标内插与单游标内插的不同，在于开门讯号也同步一个辅助钟脉冲产生 器。采用这种方法，可进一步提高分辨力。 应用游标法进行时间问隔的测量，需要注意以下几个问题。”： 1 ) 时钟频率的稳定度要求极高。 2 ) 当分辨率很高时，主、副钟的频率非常接近，因此两个时钟电路必须进 行严格屏蔽，否则，可能因为频率牵引而不能正常工作。 3 ) 要实现高精度、高分辨率的测量，符合电路的工作速度也应该很高。 6 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 由于存在上述困难，所以游标法长期以来没有得到实际的应用。目前，采用 游标内插法原理制作成功的计数器代表产品是h p 公司的h p 5 3 7 0 a 型时间间隔计 数器。在这个计数器中，相邻两个脉冲分别控制两个触发锁相振荡器，可获得 2 0 p s 的分辨率。 1 2 4 量化时延法 利用模拟内插技术和游标法测量技术虽然能够大幅度地提高时间间隔的测 量精度，但是测量设备的造价以及复杂程度高，在某些方面限制了它们的使用。 低成本的可以实际应用的高分辨率时间间隔测量技术采用了器件的量化延时原 理。这是利用器件所组成的延时链和器件本身的延时特性，使时间信号通过一系 列的延时单元，依靠延时单元的延时稳定性，在计算机的控制下对延时单元的状 态进行高速采集与数据处理，从而可以实现对短时问间隔的精确测量。这种方法 可以广泛地被应用于高精度频率、相位、时间等信号的测量。量化时延方法不是 单纯依赖器件及线路的响应速度，而是利用信号在煤质中传播的时延稳定性这一 自然现象进行研究。该方法具有电路实现简单、响应速度快等优点。 测量过中，用串联在一起的延时单元( 如门电路) 所组成的延时链作为被测 时间间隔的传输通道。这些延时单元具有相同的、稳定的时问延迟特性。每个延 时单元的输出端接到锁存器( 如d 触发器) 的数据输入端，将被测时间间隔的开 始信号作为延时链的输入信号，而以其结束信号作为锁存器的取样锁存信号，则 开始信号在延时链中所经过的延时单元的个数就正比于所测的时间间隔值。其原 理和波形图如图1 6 和1 7 所示e 1 6 。 开 结 图1 6 量化时延法时问间隔测量原理图 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 开始信号 结束信号 陌万了一 一 n 丽一 l 厂萄石一l 难州， 1 。j i 酾6 一 l 延时 1。1。11。11。1。11。1。1。_。1。一 图1 7 量化时延法波形图 在波形图中，当结束信号到来时，延时状态被采样保存。在图中开始与结束 信号的附加延时( 由电路中其它元件产生) 没有画出来。如果这部分附加延时是 相同的，那么对测量精度不造成影响。否则，必须要做一定的修正。 从波形图可以看出，当结束信号到来时d 触发器对其输入数据进行采样锁存。 这样就可以得知此时开始已经通过了几个延时单元。根据其所通过的延时单元数 目，就能够得到待测的时间间隔： z = n x t( 1 1 2 ) 式中，r 为被测时间间隔； n 为其所通过的延时单元数目； t 为单个延时单元的延迟时间。 在这种方法中也存在扭的测量误差。 延迟器件可以采用无源延迟线、有源门电路或者其他具有延迟作用的电路 等。其中，导线的延迟时间较短( 接近光速传播的延迟) ，门电路的延迟时间相 对较长。 延迟线法的误差来源主要包括以下几个方面。”： 1 ) 量化误差，即一个延迟单元的时间。 2 ) 延迟线集成非线性，由于集成过程中不可能做到各个延迟单元完全一致， 导致各个延迟单元的延迟时问不相等，对外表现为非线性效应，矫正的方法有平 均法、矢量法等。 3 ) 随机变化，由延迟单元的自身温度和供电电压变化引起。 4 ) 时间抖动，包括时钟的抖动和延迟单元信号触发开关的时间抖动。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 5 小结 以上主要介绍了目前比较流行的几种时问间隔测量方法。主要有以下特点： 1 ) 在脉冲计数法的基础上，对量化误差z 、五进行再次测量。 5 ) 除脉冲计数法之外，适合于两个脉冲时间间隔的测量，即单次测量，对 于连续测量难度很大。 2 ) 部分测量方法还不适合于大时间间隔的测量。 时间间隔测量方法需要着重解决的问题包括以下几个方面： 1 ) 测量精度和测量分辨率的提高。 2 ) 测量实时性问题。 3 ) 先进的测量方法与连续测量的矛盾。 4 ) 测量范围与溯薰精度矛盾的解决。 5 ) 测量方法与实际应用问题。 实际应用中，根据需要，往往将多种方法结合使用。本课题所设计的标准时 延测试仪即将脉冲计数和量化时延思想相结合，很好地解决了测量精度、测量范 围以及测量分辨率相互矛盾的问题，设计了一种高精度、高分辨率、大测量范围 的时间间隔测量方法。“。 1 3 时间同步技术 将通信网上各种通信设备或计算机设备的时间信息( 年月日时分秒) 基于u t c ( 协调世界时) 时间偏差限定在足够小的范围内( 如l m s ) ，这种同步过程叫做 时间同步“7 1 “。在基于异步通信网络环境的时钟同步情况下，一般只要保证分布 在网络上的各个节点具有统一的时间概念，而不需要具有绝对的物理时间。前者 称其为时间的绝对同步，后者为相对同步。”。 1 3 1 时钟同步问题的分类 时钟同步问题一般分为两类：外部时钟同步和内部时钟同步，即时间的绝对 同步和相对同步。它们关键的不同就是看系统中是否存在着一个标准的参考时钟 ( 中央时钟) 。如果存在着这个标准参考时钟，则此类问题一般称为外部时钟同 步问题。如果不存在一个标准参考时钟，则此类问题一般归结为内部时钟同步问 题。在实际应用中，由于内部时钟同步系统缺乏标准的时间参考系，这就使内部 时钟同步问题变得非常复杂。为了简化内部时钟同步系统的设计和实现，我们将 “领导”选择算法引入到内部时钟同步研究领域，将内部时钟同步问题转化为外 部时钟同步问题。通过“领导”选择算法，选择出一个“领导”节点，并将此节 9 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 点看成是参考时钟节点。由于采用的是一个参考节点与多个子节点的通信模型， 所以本系统将很容易扩充成为一个多层的树型结构，从而提高了系统的扩展性。 内部时钟同步是通过时钟节点之间大量的信息交换来完成的。它通常使用三 种通信模型：全部时钟信息分布模型( t c i d ) 、本地时钟信息分布模型( l c i d ) 和局部带延时的时钟信息分布模型( p c i d ) 。系统中的每个节点采用这些通信模 型，来获得其它全部或部分时钟节点信息，然后再根据这些收集到的时间信息再 计算出一个新的时间值。在分布式应用和网格计算中，时间作为表示系统中各个 事件的顺序关系是非常重要的。尽管在内部时钟同步中，系统中的处理器不能够 存取一个标准的时钟，但各个处理器之间可通过信息的交换来获得时间的修正和 调整。做到各个处理器的相对同步，而非绝对同步。 外部时钟同步是存在一个或多个时间源的时钟同步系统。有时，我们也把这 个时间源叫做参考时钟或主时钟。对于外部时钟同步模型来说，拥有一个可靠的 时间基准是非常重要的。在实际应用中，外部时钟同步系统中往往存在一个时间 服务器。这个服务器通常使用无线接收设备从标准的时间信号源接收标准时间， 例如全球定位系统。从而实现时间的绝对同步。 可见，内部时钟同步，一般只要解决时间的相对同步即可；而外部时钟同步 则往往能够实现时间的绝对同步。 1 3 2 时钟同步的方法 根据时钟同步的实现机制来看，具体的时钟同步实现方法分为硬件时钟同 步、软件时钟同步和混合时钟同步。 ( 1 ) 硬件时钟同步 硬件时钟同步是指利用一定的硬件设施，如g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n g s y s t e m ) 接收机、u t c ( u n i v e r s a lc o o r d i n a t e dt i m e ) 接收机、专用的时钟信 号线路等进行的局部时钟的同步，操作对象往往是计算机的硬件时钟。硬件同步 可以获得很高的同步精度( 一般为1 0 4 s 至1 0 1 s ) ，但需引入专用的硬件同步设 备，这使得时钟同步的代价较高，且操作不便。硬件同步方法适合小规模网络系 统，在一个大规模分布式网络中完全采用硬件同步方法是不现实的。 ( 2 ) 软件时钟同步 软件时钟同步是利用时钟同步算法进行的节点局部时钟之间的同步。软件时 钟同步工作量很大，且节点问的同步偏差容易积累。更重要的是，同步信息在广 域网上传输的延迟大且有很大的不确定性，这使得软件同步可以达到的精度比较 低( 通常为1 0 1 s 到1 0 。3 s ) 。但是，由于软件同步的操作对象通常是各节点的逻 辑时钟，一般并不需要对节点的硬件时钟进行操作，所以软件同步更加灵活，成 本也较硬件同步低。 1 0 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 ( 3 ) 混合时钟同步 混合时钟同步是把硬件时钟同步和软件时钟同步的优点结合起来。混合时钟 同步主要由两种，一种基于软件时钟同步的，这种同步方法是在原有的软件同步 方法中引入专用的硬件设施，实现原来由软件时钟同步算法完成的功能；另外一 种是分层式混合同步，该方案将大规模分布式的节点网络划分为多个网段。在每 个网段设置一个专门的节点为时间服务节点，在该节点上引入g p s 和u t c 接收机 及其相应的时钟接口设备，实现不同网段的时钟同步。然后，在每个网段内部通 过软件同步方法使本网段其它节点的时钟与本网段时间服务节点的时钟同步，从 而实现分布式网络的时钟同步。混合同步方案的同步精度一般要比硬件时钟同步 低，但却比软件时钟同步高，且实现成本可以接受。 1 4 授时技术 时间信息传递的主要方式有：短波、长波、低频时码、导航卫星、通讯卫星、 电话网络、计算机网络等。下面就短波授时、长波授时和卫星授时技术作简单介 绍。 1 4 1 短波授时 利用短波时号进行时频传递与校准是一种廉价而方便的方法，对于要求同步 偏差在l m s 量级的用户特别有利。同时对于某些高精度同步要求的用户，作为 粗( 初) 同步方法也是必不可少的。短波授时的基本方法是由无线电台发播时间 信号( 简称时号) ，用户用无线电接收机接收时号，然后进行本地对时。我国目 前有国家授时中心的b p m ，上海天文台的x s g ( 每天世界时3 h ，9 h 前后发播 几分钟，主要为附近航海者服务) 以及台北的b s f ( 每天世界时1 h 至9 h 发播) 。 短波电波主要是依靠电离层与地面间的来回反射和折射进行传播的，不管白 天黑夜，短波都可以传播很远，故收音机的短波段可以收听到远距离的电台声音。 但是，电离层是不稳定的，它的厚度、高度和电离层密度随时在发生变化，尤其 白天更加明显，到达收音机的短波信号也时强时弱。所以，在接收时应避开日出、 日落时问，电离层扰动期间应尽量接收载频较高的时号，以保证接收时号的清晰 可辨和稳定p 2 3 1 * 1 4 2 长波授时 利用长波( 低频) 进行时问频率传递与校准，是一种覆盖能力比短波强，校 准的准确度更高的授时方法。我国在2 0 世纪7 0 年代初开始建设自己的专门用于 时频传递的罗兰一c 体制长波授时台，呼号为1 3 p l ，其载频信号由国家授时中心 1 1 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 铯原子钟组产生。 b p l 长波授时台是我国目前唯一微秒量级的高精度授时系统，信号覆盖我国 整个陆地和近海海域。系统运行二十多年来，为我国国民经济诸多行业和部门提 供了可靠的高精度授时服务，发挥着极为重要的、不可替代的作用。发播时号时 刻准确度：l g s 。发播时问：每天开机l o 小时，发播8 小时，发播时间为1 3 ：3 0 2 1 ：3 0 利用长波校频进行时频校准，造成测量数据不一致性的变动，主要有地波识 别和周期判定的系统性影响因素，传播时延变动的随机性影响因素1 8 2 3 1 o 1 4 3 卫星授时 对于一个进入信息社会的现代化大国，导航定位和授时系统是最重要、而且 也是最关键的国家基础设旌之一。现代武器试验、战争需要它保障，智能化交通 运输系统的建立和数字化地球的实现需要它支持。现代通信网和电力网建设也越 来越增强了对精度时间和频率的依赖。从建立一个现代化国家的大系统工程总体 考虑，导航定位和授时系统应该说是基础的基础i s j 。它对整体社会的支撑几乎是 全方位的，星基导航和授时是未发展的必然趋势。目前，主要的导航卫星组有美 国的全球卫星定位系统g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 、俄罗斯的全球导航卫 星系统g l o n a s s ( g l o b a ln a v i g a t i o ns y s t e m ) 、中国的北斗导航系统和欧盟的伽 利略全球导航系统g a l i l e o 。它们的特征和应用状况如表1 1 所示： 表1 1 现存导航卫星系统的特征与状态 g p s 2 4 颗卫星，单向信号通信，全天候导航 g l o n a s s 2 4 颗卫星，单向信号通信仅有8 颗卫星在 全球导航运行，可指导某时段的导航 3 0 颗卫星，单向或双向信号通信正在开发 g a l i l e o 初期，还不能使用 局域导航北斗2 颗卫星，地面中心站干预双向信号通信 g p s 全球定位系统由美国国防部于1 9 7 3 年开始设计、试验，历时2 0 年，耗 资2 0 0 亿美元，于1 9 9 4 年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导 航与定位能力的新一代卫星与定位导航系统。经近1 0 年我国测绘等部门的使用 表明，g p s 以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作 者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航 和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资助勘查、地球动力学等多种学科，从 而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。 g p s 系统包括三大部分：空间部分一g p s 卫星星座；地面控制部分一地面监 控系统；用户设备部分- - g p s 信号接收机。由2 1 颗工作卫星和3 颗在轨备用卫 12 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 星组成卫星星座，记作( 2 1 + 3 ) g p s 星座。2 4 颗卫星均匀分布在6 个轨道平面 内，轨道倾角为5 5 度，各个轨道平面之间相距6 0 度，如图1 8 所示。 图1 8 g 玮 ! 星星座 全球定位系统具有性能好、精度高、应用广的特点，是迄今最好的导航定位 系统。随着全球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断 地开拓，目前已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。但是 g p s 卫星信息的接收受到环境条件的限制，在水下、矿井、隧道甚至室内不能随 时接收卫星信号1 2 3 , 2 4 】。 1 5 标准时钟源 时间频率标准包括精密钟、音叉、高稳定度石英晶体振荡器和各种原子频率 标准，另外近年来又发展了光频标，并可能成为新一代的频率基准。目前，在时 间频率计量中应用最多的是晶体振荡器，同时它也是各类原子频标构成的基础之 1 5 1 石英晶体振荡器 石英晶体振荡器是利用石英晶体的压电效应制成的一种谐振器件，简称晶 振。根据晶振的不同使用要求及特点，通常分为以下几类：普通晶振( x o ) 、温 补晶振( t c x 0 ) 、压控晶振( v c x o ) 、恒温晶振( o c x o ) 等l jj 。 普通晶体振荡器是使用量最大、应用最普遍的一种晶体振荡器。它只含有主 振电路和输出电路，而没有对温度振荡器频率的影响采取任何措施，在整个温度 范围内，晶振的频率稳定度取决于其内部所用晶体的性能，频率稳定度在l f f 量级，一般用于普通场所作为本振源或中间信号，是晶振中最廉价的产品。 温度补偿晶体振荡器是对振荡器中所用晶体的频率温度变化进行了自动温 1 3 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 度补偿，它可以在宽的温度范围内保证1 0 一1 0 。6 的频率稳定度。温度於偿方法 可以有模拟的、数字的和微机补偿几种。高精度的微机补偿晶体振荡器可以在宽 的温度范围内保证1 0 的频率稳定度。其中使用量最大的是模拟方法补偿的温补 晶振，由于它体积小、功耗小、成本低而得到了广泛的应用。 恒温晶体振荡器是使用了精密的恒温控制槽，将槽内温度调节到晶体谐振器 的零温度系数点上。因此，它能最大限度地克服温度对晶体振荡器频率的影响。 中精度产品频率稳定度为1 0 一1 0 一，高精度产品频率稳定度在1 0 9 量级以上。主 要用作频率源或标准信号。在所有晶体振荡器中，恒温晶体振荡器的稳定度最好， 老化率最小，被广泛用作标准频率源。 1 5 2 原子钟 原予钟是目前人类最精确的时阔测量仪器，它主要是利用原子不受温度和压 力影响的固定频率振荡器的原理构成。根据量子物理学的基本原理，原子是按照 不同电子排序的能量差，也就是围绕在原子核周围不同电子层的能量差，来吸收 或释放电磁能量。这里电磁能量是不连续的，当原子从一个“能量态”跃迁至低 的“能量态”时，它便会释放电磁波。这种电磁波特征频率是不连续的，也就是 人们所说的共振频率。但是，同一种原子的共振频率是一定的，例如铯1 3 3 的共 振频率为每秒9 1 9 2 6 3 1 7 7 0 周。经过近半个世纪的发展，时间频率测量的精度己 使任何其它量值测量无法同日而语。目前，原子钟主要包括氢钟、铯钟以及铷原 子钟。 氢钟、铯钟的长期短期稳定度都很好，但价格非常昂贵、体积大，且对使用 环境要求很高，因此一般只用于国家守时实验室。相对来说，铷原子钟的准确度 较差，但是它体积小、重量轻、预热时间短，价格相对低廉，而受到广大用户的 青睐。在通信网、导弹等高精度时间同步应用中，通常使用g p s 可驯铷原子钟 作为时钟基准，它将铷原子钟优良的短期频率稳定度( l d a y ) 结合起来。 1 5 3 光晶格钟 目前世界上最精确的时钟是用原子量为1 3 3 的铯原子制成的，即铯原子钟。 但“铯钟”有它的局限：和光波相比，电磁波的频率要低得多。“光晶格钟”以 获得2 0 0 5 年度诺贝尔物理学奖的“光梳”技术为基础。“光梳”拥有一系列频率 均匀分布的频谱，这些频谱仿佛一把梳子上的齿或一根尺予上的刻度。它可以用 来测定未知频谱的具体频率，其精确度目前已经达n d , 数点后1 5 位。研究人员 把用红色激光冷却的超低温锶原子封闭到被称为“光晶格”的容器里，这样原子 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 的各种外来扰动被消除，可以充当钟的振荡器。 “光晶格钟”理论上每天仅误差1 0 一1 8 ，要比现在的铯原子钟精确1 0 0 0 倍。 科学家认为，1 0 年内可以制造出比目前的原子钟精确百倍的时钟。 1 5 4 小结 综上所述，各时钟源的准确度、稳定性等指标如表1 2 所示。 表1 2 各时钟源性能指标比较 指标 t c x om c x 0o c x 0 铷频标铷晶振铯频标 年准确度2 1 0 65 x 1 0 8 1 1 0 85 x 1 0 1 07 x 1 0 1 02 1 0 一 年老化率 5 1 0 72 1 0 85 x 1 0 82 1 0 1 02 1 0 1 0 o 温度稳定性 5 1 0 12 1 0 31 x 1 0 83 x 1 0 1 05 x 1 0 1 02 x 1 0 1 l 温度范围 一5 5 8 55 5 8 55 5 8 5 5 5 6 85 5 8 55 5 6 5 尺寸c m 3 1 0 5 0 2 0 2 0 0 8 0 01 2 0 06 0 0 0 预热时间 o 10 1 4j2 0 m m 1 1 0 1 1 0 一1 1 0 5 1 0 5 1 0 2 x 1 0 一 6881 01 01 1 注： x o ：普通晶振 t c x o ：温度补偿型晶振 m c x o ：数字补偿型晶振 o c x o ：恒温控制型晶振 1 6 课题概况 1 6 1 课题背景及研究意义 时间间隔测量技术对国民经济与国防建设意义重大。精确的时间间隔测量技 术，尤其是皮秒量级的测量技术更为重要。它不仅在原子物理、天文实验、激光 测距、定位定时、航天遥测遥控等方面，还在i c ( i n g r a t e dc i r c u i t ) 设计中的 抖动测