頻率源對時間同步精度影響的定量分析

王 霞

山西省計量科學研究院 山西 太原 030032

引言

以銣頻標為主用、石英晶振為備用的頻率源是時統系統的重要組成部分。受頻標準確度和漂移率的影響，頻率源輸出頻率會隨著時間推移而發生變化，從而引起時間同步精度的變化。對兩種頻標影響時間同步精度的程度進行了定量分析與對比，給出了具體的調整方法，保證了時統系統的可靠性。

1 精度時間間隔測量方法

時間間隔測量的發展主要經歷了三個過程：參考時鐘計數、模擬電路、數字電路。當前高精度時間間隔測量主要是通過數字電路來實現的：兩個信號之間的時間間隔取決于開始時刻點和結束時刻點，在電路中分別被稱為開始(start)信號和結束(stop)信號，時間間隔測量結果是兩個信號對應的量化數字值。目前常用的高精度時間間隔測量方法包括時鐘計數法、模擬擴展方法、數字延時線法、游標尺法、延時線矩陣法、脈寬縮減法、延時線振蕩器法、鎖相環法等。時鐘計數法是通過計數器計算待測時間間隔內的時鐘周期的個數來實現高精度時間間隔測量，參考時鐘的頻率決定了時間間隔測量精度；模擬擴展方法主要是利用待測窄脈沖對電容充電，然后利用模數轉換器采樣充電電壓或者利用比較器將電容充放電后的電壓信號整形為擴展脈沖，然后用時鐘計數方法實現高精度時間間隔測量。延時線法、游標尺法、延時線矩陣法、脈寬縮減法、延時線振蕩器法、鎖相環法等方法，都是基于數字測量方法的高精度時間間隔測量方法。這些方法主要是基于邏輯單元的時延實現的，利用高速精密采樣技術和存儲技術，通過事后數據處理(相關分析)可以實現高精度時間間隔測量。

2 于時間頻率基準源

采用了先進的數字集成及處理技術，而數字電路對輸出頻率的影響微乎其微，可以忽略不計，因此對時間頻率基準源特性分析主要體現在對頻標的特性分析上。頻標的特性指標主要用頻率準確度、頻率漂移率和頻率穩定度來衡量。(1)頻率準確度是指頻標的實際工作頻率測量值與頻標的標準頻率之間的相對誤差，可以用頻率偏差率(即頻率準確度)F來表示，即：

其中，f為頻率偏差，0f為頻標的標準頻率，f為頻標的實際工作頻率測量值。(2)頻率漂移率是指頻標由于受內部元器件的老化等因素影響，在工作過程中其輸出頻率值隨時間變化而引起的線性變化關系。根據實際測量的頻標輸出的相對頻率值隨運行時間變化的數值，用最小二乘法來計算，頻率漂移率可表示為：

其中，if為it時刻所測的相對頻率值，f為所有測量數據的平均值，頻率漂移率隨時間單位的不同有日漂移率、月漂移率和年漂移率，根據實際測量得到的結果，一般情況下月漂移率≈30×日漂移率，年漂移率≈150×日漂移率。

3 時間同步精度測試

3.1 時間傳遞精度測試 根據同步以太網以及時間統一系統的工作原理，時間信號的傳遞可采用2種方式，①在源端將時碼產生器產生的秒信號和時間信息經線路適配器接入同步以太網的數據通信設備，經同步以太網傳輸至接收端，在接收端采用線路適配設備恢復出秒信號和時間信息；②時間信號傳輸技術為TOP(TIMINGOVERPACKET)技術，這種技術由源時鐘NTP、IEEE1588等網絡時間同步協議，定期地發送時間報文到從時鐘，從時鐘計算出本地時間和遠端時間的差異，并將本地系統的時間與遠端源時鐘的時間進行同步。

3.2 于PTP技術的時間信號傳遞精度測試 采用PTP協議傳輸時間信號的設備連接關系如圖1所示

圖1基于PTP技術的時間信號傳遞的精度測量方法示意圖圖1中，時間信號產生設備的1PPS和IRIG-B碼信號作為PTP主時鐘的外同步信號，由PTP主時鐘產生精確的PTP報文，PTP交換機與PTP主時鐘同步后，向次級主時鐘發送同步PTP報文，接收端用PTP從時鐘接收PTP報文并恢復出1PPS和IRIG-B碼信號。將1PPS和IRIG-B碼與時間信號產生設備輸出的秒信號一同輸入時間同步精度測量設備，測量時間信號經同步以太網傳輸的精度。

4 時差調整

從以上的分析中可以看出，無論是采用銣頻標還是石英晶振，隨著時間的推移，受頻率準確度和漂移率的影響，本地時鐘的時間與標準時間之間的時差會越來越大。當時差超過一定范圍時，就必須對時差進行調整。對于銣頻標實際應用中一般采用時刻調整方法，即時統站在運行一段時間后，重新與標準時間進行對時同步，則可以消除兩次對時之間累積的時差；對于石英晶振一般采用頻率調整方法，就是要對石英振蕩器的振蕩頻率進行調整。同時為了滿足系統要求，我們應經常對頻標進行測量和調整，使其輸出值盡可能地接近標稱值，以保證時統系統的可靠性。

結語

時間比對精度、頻率校準時間、校頻準確度與時間間隔測量的精度有直接的關系，高精度時間間隔測量的精度很大程度決定了時間比對以及頻率校準的精度。在實際應用中，選擇最適合的時間間隔測量方法是關鍵，不僅與測量需求和工作環境的匹配，也要考慮到實現成本。