高精度脈沖分配技術研究①

戴群雄，易卿武，尹繼凱

（1.中國電子科技集團公司第54研究所，河北 石家莊050081；2.河北省衛星導航技術與設備工程技術研究中心，河北 石家莊050081）

0 引 言

衛星導航系統中，授時和導航都以“時間”為基礎，要完成有效的定位、測速、定時等測量，需建立高精度時間頻率系統，提供連續、可靠和穩定的時間頻率信號[1]。脈沖分配網絡作為時頻系統的重要組成部分，在衛星導航系統中，為各分系統提供高穩定的時間同步信號，確保導航設備工作在統一的時間基準上。

在脈沖分配網絡中，如何基于高精度時頻基準分配和維持高穩定性的脈沖信號成為研究重點。脈沖信號的主要參數包括上升／下降時間、傳輸時延一致性、幅度、重復頻率、占空比等，其中上升時間和傳輸時延一致性是體現其指標的最重要的參數。設計了兩種脈沖分配方法，并在脈沖信號上升時間和傳輸時延一致性指標測試和比較基礎上，對這兩種脈沖分配技術開展了研究和分析。

1 脈沖分配技術設計

脈沖分配技術的實現方法很多，既可以用硬件電路實現，也可以通過邏輯代數運算用軟件的方法來實現[2]。設計了兩種高精度脈沖分配方法：“基于FPGA軟模塊的脈沖分配法”和“脈沖整形與驅動分配法”，這兩種方法的脈沖分配原理框圖如圖1所示。

圖1（a）所示基于現場可編程門陣列（FPGA）軟模塊的脈沖分配法中，高精度時頻基準源輸出1 PPS，經FPGA和配套外圍整形電路分成多路1PPS輸出。圖1（b）所示脈沖整形與驅動分配法中，高精度時頻基準源輸出1PPS，經過前級脈沖整形、驅動及上升沿提升處理與后級脈沖分配電路，分成多路1PPS輸出；在對脈沖信號作前級的相應處理時，脈沖信號的驅動能力通常要考慮到后級分配電路輸出1PPS的數量，以保證輸出1PPS的指標。

電路設計中，需采取保證信號輸入到每路信號輸出傳輸路徑等長、防止信號間相互串擾等措施提升信號指標，以確保輸出高穩定度的信號。

2 脈沖分配技術比較分析

針對圖1所述兩種脈沖分配方法，通過優化設計和搭建實物電路，對脈沖信號上升時間和傳輸時延一致性指標進行了測試，得到了相應的測試數據，并從穩定性、適用性等方面對這兩種方法進行了分析比較。測試涉及到的測試方法、測試設備和測試環境均保持一致，以保證分析比較的合理性。

2.1 上升時間測試比對

脈沖信號是指持續時間較短，按特定規律變化的電壓或電流[3]。它由無窮個正弦分量迭加而成。上升沿越陡，所包含的高頻分量越豐富，信號的上升時間越短；相反，信號的上升時間越長。脈沖信號具有很小的上升時間，是導航設備穩健運行的一項重要指標。

按照上升／下降沿的一般定義－幅度最大值10%～90%之間的時間為上升時間（下降時間相反）[4]，測試得出脈沖信號上升／下降時間。同時考慮到在導航設備布局較廣的情況下，往往會涉及到信號的長距離傳輸問題，而脈沖信號經長距離傳輸后，由于受到雜波干擾以及帶寬等因素影響，其上升／下降沿指標會有所衰減[5]。為了保證脈沖信號經長距離傳輸后，其上升／下降時間仍然滿足指標要求，保證導航設備對脈沖信號的需求，有必要對脈沖信號經長距離傳輸后上升時間進行測試分析。測試中，采用40m同軸高頻電纜模擬信號的長距離傳輸。

圖2所示為基于兩種脈沖分配方法的1PPS輸出信號經1m和40m電纜傳輸后上升時間測試原理框圖，測試結果如圖3和圖4所示，測試結果從示波器顯示屏拍攝經后處理得到。根據圖3和圖4所示測試結果得出：基于這兩種脈沖分配方法的1PPS輸出信號經1m電纜傳輸后，上升時間分別為2.88ns和1.42ns，后者1PPS上升時間更短，信號高頻段得到有效提升，信號驅動能力更強；1PPS輸出信號經40m電纜傳輸之后，前者1PPS上升時間為25.35ns，衰減很大，往往無法滿足指標要求，而后者1PPS上升時間為6.34ns，明顯優于前者，這表明1PPS經過前后級整形、驅動及分配電路后，信號的驅動能力明顯增強，上升時間更短。

2.2 時延一致性測試比對

衛星導航系統中，導航設備之間保證統一的時間基準至關重要[6]。從脈沖信號時延一致性指標驗證的有效性和合理性考慮，主要對信號經長距離傳輸到達導航設備終端時的時延一致性進行分析。定義脈沖信號經長距離傳輸到達設備終端前的節點為末節點，時延一致性測試在末節點展開。

圖5為基于兩種脈沖分配方法的1PPS輸出信號時延一致性測試原理框圖，測試時間為8h，測試結果如圖6所示，測試結果由計算機保存的測試數據經后處理得到。測試結果表明：基于這兩種脈沖分配方法的1PPS輸出信號經過40m長距離傳輸之后，均保持了較好的時延一致性，圖6（a）示出了兩路1PPS時延差在0.61ns～0.659ns之間；圖6（b）示出了兩路1PPS時延差為0.505ns～0.548ns之間。后者1PPS時延一致性指標略優于前者。

2.3 分析與比較

通過設計、分析和比較，脈沖整形與驅動分配法在1PPS上升時間和時延一致性指標上均優于基于FPGA軟模塊的脈沖分配法，但結合穩定性、適用性等因素綜合考慮，這兩種方法均存在優缺點。

基于FPGA軟模塊的脈沖分配法優點在于電路結構簡單，便于小型化設計，缺點是驅動能力較弱，無法實現長距離傳輸，因此，這種方法適用于信號分配路數較少，傳輸距離小的場合。時頻應用上結合這種方式，可以采用一種3U－PXI結構板卡來實現脈沖信號分配，這種板卡對于時頻信號設備內部互聯等具有一定的優勢。

脈沖整形與驅動分配法主要用在信號分配路數較多，傳輸距離大的場合，其優點是整形驅動與分配電路組合靈活，驅動能力強，各項指標較好，能實現長距離傳輸，但是在具備這些優勢的同時，板卡尺寸較大，再加上電源和監控，結構設計相對復雜，設備較為笨重。時頻應用上結合這種方式，可以以機箱設備的形式來實現多路脈沖信號分配輸出。

3 結 論

立足于衛星導航系統對高精度脈沖分配技術的實際需求，從穩定性與可靠性設計考慮，設計了兩種脈沖分配方法，對基于這兩種脈沖分配方法產生的脈沖信號上升時間和時延一致性等關鍵指標進行了測試和比較，從測試結果來看，這兩種方法均達到了國內外相關時頻設計的先進水平，尤其是脈沖整形與驅動分配法，在信號的長距離傳輸方面具有更好的優勢。另外從時頻設備的實用性考慮，分析了這兩種方法的適用范疇。

從長遠來看，全球衛星導航事業和相關產業對時頻應用方面要求會不斷提高，單從脈沖分配技術來看，不能局限于一種或兩種傳統和固有的技術，而應該立足高精度時頻系統設計，借鑒以往成功經驗，對各種技術進行優勢互補，朝著小型化、高穩定性、高性價比等方向發展，不斷創新，挑戰難度更高的時頻應用。

[1]李 云，王玉林，鄒德財.高精度連續時頻信號產生和控制系統的分析[J].宇航計測技術，2007，27（5）：45－46.

[2]田玉利，高 偉，楊光宏，等.CPLD在脈沖分配電路設計中的應用[J].微計算機信息，2008（26）：261－262.

[3]鄧倫兵，謝 華，付在明.一種矩形脈沖信號沿控制電路設計[J].中國測試，2010，36（1）：72－74.

[4]林震鵲，姜秋喜，李 帥.基于脈沖信號上升／下降沿的雷達輻射源識別[J].艦船電子對抗，2009，32（3）：33－35.

[5]林震鵲，姜秋喜，黃健中.雷達脈沖信號上升／下降沿測量影響因素[J].四川兵工學報，2010，31（1）：117－120.

[6]陳長勝，林榮超，李 林.某通信系統中時間同步技術[J].航空計算技術，2006，36（2）：30－31.