TCM-2通用時間比對模塊及其應用

關鍵詞：時間比對；時間間隔測量；時間同步；頻率同步；TCM-2

１　概述

美國精密同步公司研發的通用高精度時間比對模塊，可提供四通道０．１ｎｓ 分辨率的時間比對或時間間隔測量，同時它還提供多種接口。因此，用戶可以很方便地用它構成自己的系統或儀器，包括用于時間／頻率標準、電網電壓向量測量系統、電網故障定位系統、移動通信基站時鐘、ＳＤＨ中的ＢＩＴＳ、多基地雷達系統、ＯＴＤＲ、光纖通信網故障實時監測、激光測距以及高精度通用計數器（高精度時間間隔測量儀）等。

２　結構原理及引腳功能

ＴＣＭ－２采用雙列直插４８引腳封裝。各引腳的功能如表１所列。其內部結構如圖１所示，具有四通道擴展器、微處理器和ＦＰＧＡ三個主要功能模塊。

兩事件之間的時間差通常是用脈沖填充法進行測量的。它的測量精度取決于參考時鐘的頻率。這種方法具有固定的１計數的誤差。為了提高測量的分辨率，在高精度通用定時模塊中采用了模擬擴展技術。

當待測脈沖輸入模塊后，由模塊測量它們的時刻，并按要求將相應的計算結果通過串行移位寄存器輸出。

由于被測事件與測量時鐘之間沒有確定的相位關系?但它們之間有一小數周期的差。因此為了提高測量分辨率，系統中的擴展器采用了模擬技術，并將不足一個計數的時間間隔展寬（例如展寬１０００倍），然后再用相同的１０ＭＨｚ時鐘對展寬了的脈沖計數以達到０．１ｎｓ的分辨率。

ＦＰＧＡ可實現所有的數字邏輯功能，包括輸入信號的選擇、擴展邏輯、計數器、鎖存器、多路數據選擇、多個串行移位寄存器、ＰＷＭ等。其中串行移位寄存器又包括ＤＤＳ控制、ＬＥＤ顯示、與外部的數據交換等。

ＦＰＧＡ中的各輸出控制模塊可按使用的要求舍取，例如，當使用ＤＤＳ時，一般不使用ＰＷＭ。實際上，在不單獨構成儀器時也不用ＬＥＤ顯示。

模塊中的單片機可控制整個工作流程，包括控制各通道的測量、采集測量數據、計算測量數據、與母板的數據交換、接收ＧＰＳ信息或與外部主控制器（如ＰＣ）交換數據及指令等。當以ＧＰＳ為參考源時，ＧＰＳ通道的測量值可用于計算秒間隔，從而計算基本時鐘的頻率，根據計算結果可用另一串行移位寄存器來調整ＤＤＳ（ＡＤ９８５２）的輸出頻率。模塊的基本時鐘同時也是ＤＤＳ的時鐘。它可控制兩個ＤＤＳ，以便輸出兩個不同的頻率。它們共用一個串行移位寄存器，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。實際上，設計時也可用其它定時脈沖作為外部參考以校準時間和頻率。

當輸入待測脈沖多于四種時，可采用時分復用的方法進行測量。通常可由模塊內部實現時分復用，也可由外部控制實現時分復用。

外部控制器通過串行移位寄存器向模塊發送操作指令。模塊根據外部控制器的指令來測量相應通道的信號，然后經計算送回外部控制器。

ＴＣＭ－２高精度通用時間比對模塊還能自動識別參考定時脈沖和基準時鐘的類別，同時可調整相應的算法。表２給出了ＴＣＭ－２的主要參數指標。

表1 TCM-2引腳分配及功能表

表2 TCM-2的主要指標

３　ＴＣＭ－２的應用

ＴＣＭ－２ 內含所有同步方式算法，因此它不僅可用于進行高精度時間比對或時間間隔測量，還可用于各種高精度同步系統。

３．１ 高精度通用計數器

通用時間比對模塊只要外接電源、晶振、鍵盤和ＬＥＤ顯示，就能構成一個高精度通用計數器?圖２所示為由ＴＣＭ－２構成的高精度通用計數器的原理圖。利用它不僅可以測量兩輸入脈沖的時間間隔或相位差，還可測量輸入信號的頻率和周期。該電路的時間分辨率為０．１ｎｓ，測量精度為１～３ｎｓ，因此可以進行高精度的時間間隔、頻率和周期的測量。它的測量速率優于０．５ｍｓ／次。這種高精度通用計數器可用內部１０ＭＨｚ晶振作為基本測量時鐘，也可選外部１０ＭＨｚ信號（如銣鐘或銫鐘）作測量時鐘。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，因而可與計算機相連，以便輸出測量數據或實現遙控操作測量功能。

３．２ ＣＤＭＡ基站時鐘

ＣＤＭＡ基站時鐘主要用于為ＣＤＭＡ移動通信基站提供時鐘信號。為了保證正常的通信和基站之間的平滑切換，要求ＣＤＭＡ基站時鐘的頻率準確度應達到１１０－１１，時間同步精度應達到１００ｎｓ以上。

ＣＤＭＡ基站時鐘有兩個方案，一個是以ＧＰＳ或ＧＰＳ／ＧＬＯＮＡＳＳ為參考源的自主同步方式，另一個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，且各站都與ＧＰＳ或ＧＬＯＮＡＳＳ同步，從而實現各基站之間的同步。后者是主站通過光纖向各基站發送同步脈沖，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系的，因此后者并不因為通過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構框圖。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鐘及ＤＤＳ的輸入時鐘。為了滿足頻率準度要求，設計時，應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，用作時鐘參考；

ＧＰＳ１ＰＰＳＤ：ＧＰＳ秒脈沖直接輸入，用于測量電纜的時延，以便修正測量結果；

ＤＤＳ１／ＤＤＳ２： 兩路ＤＤＳ，可分別生成兩個不同頻率的信號；

ＤＤＳ１Ｘ／ＤＤＳ２Ｘ：對應盤的兩ＤＤＳ輸出信號，用于測量與本盤信號的相位差并進行修正，以保證主／備無縫切換；

Ｍ／Ｓ：主／備狀態標志輸入；

１ＰＰ２Ｓ：用于輸出兩秒一次的定時脈沖；

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基站時鐘原理圖中?ＲＸＰ是由中心站發來的光纖同步脈沖或從站傳來的返回脈沖；而ＴＸＰ則是由本站發給中心站的返回脈沖或中心站發出的同步脈沖；

銣鐘產生的１０ＭＣ信號主要用于通用時間比對模塊的基本測量時鐘及ＤＤＳ的輸入時鐘。當用溫度穩定性優于５１０－１０、日漂移優于１１０－１０的晶振時，一般均可以滿足要求。

用通用時間比對模塊測量ＲＸＰ和ＴＸＰ時，主站將發送和接收時刻傳給從站，從站在收到主站傳來的兩個脈沖數據后，將根據本站脈沖的發送和接收時刻來計算傳輸時延，從而計算出本站的時間誤差并修正本站的時鐘，以使其保持與主站時鐘的同步。此外，根據兩組同步脈沖的時間間隔，可以測量本站基本測量時鐘的頻率并修正ＤＤＳ，這樣可使本站時鐘頻率與主站的時鐘頻率保持一致。

ＲＸＰ和ＴＸＰ可以是直接由光纖傳輸的脈沖，也可以在多路復接方式中提供一個定時通道?并將ＲＸＰ和ＴＸＰ組織在定時通道的幀結構中。

本盤ＤＤＳ的輸出信號和對應盤ＤＤＳ的輸出信號可在通用時間比對模塊中比較相位。如果它們之間存在相位差，則從站應調整相應的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，且在相同配置時的同步精度也高。其同步精度可達到１０ｎｓ以上，基本能夠滿足基站定位應用中高精度同步的要求。

微波同步時鐘的原理和結構與此完全相同。ＧＰＳ時間／頻率標準與ＧＰＳ同步ＣＤＭＡ時鐘也基本相同，只是結構和功能更簡單些。