基于晶振的遠程時間同步參考源性能分析

王嘉琛，樊多盛，肖波，鄧智峰，劉婭，李孝輝

基于晶振的遠程時間同步參考源性能分析

王嘉琛1,2,3，樊多盛1,2，肖波1,2,3，鄧智峰1,2,3，劉婭1,2,3，李孝輝1,2,3

（1. 中國科學院 國家授時中心，西安 710600；2. 中國科學院 時間頻率基準重點實驗室，西安 710600；3. 中國科學院大學，北京 100049）

針對用戶需求結(jié)合資源條件，中國科學院國家授時中心實現(xiàn)了主站以高穩(wěn)晶振作為參考時鐘，在直線距離約300 km的從站復現(xiàn)出與參考同步的時頻信號,使相距數(shù)百千米的兩個站點之間保持時頻同步。根據(jù)應用場景特點，設計了針對高穩(wěn)晶振的性能測試方案，通過試驗分析，發(fā)現(xiàn)高穩(wěn)晶振的準確度對兩地時間同步精度影響較大。為保證在不具備外部馴服條件下的主從站間的同步性能，通過對主站高穩(wěn)晶振進行機械調(diào)準，使兩站點間時差峰峰值從190 ns降低到60 ns，標準差（STD）達到了15 ns以內(nèi)，滿足了兩站點間時間同步應用需求。通過分析測試結(jié)果，若需進一步提高兩地同步精度，可以從改善參考源的頻率穩(wěn)定度和頻率準確度兩方面入手。

頻率源；高穩(wěn)晶振；時間同步；頻率相對偏差

0 引言

中國科學院國家授時中心保持著我國的標準時間UTC（NTSC），并通過衛(wèi)星雙向時頻傳遞、GNSS精密時頻傳遞、GNSS衛(wèi)星共視等手段與其他國家守時實驗室的標準時間保持比對，近年來UTC（NTSC）與UTC偏差小于5 ns[1]。

目前，國家授時中心以銫原子鐘、氫原子鐘等高精度頻率源輸出的頻率穩(wěn)定度和準確度都較高的信號作為參考進行高精度遠程時間同步技術(shù)已經(jīng)成熟[2-5]。銫原子鐘、氫原子鐘等高精度頻率源價格昂貴、運行環(huán)境要求高并且國外對其高性能原子鐘在我國使用有著嚴格的禁止條款，使得大部分用戶無法獲得[6-8]。但是在實際應用中，很多行業(yè)的用戶有著幾十納秒甚至納秒級時間同步需求，比如在第五代移動通信系統(tǒng)中要求基站間時間同步偏差小于百納秒量級甚至更高，且由于基站數(shù)量較多，因此在滿足精度要求的同時，成本、功耗要求盡可能地低，體積盡可能地小。高穩(wěn)晶振以其價格低、功耗小、體積小、相位噪聲較低，短期穩(wěn)定度較高等諸多優(yōu)點，獲得了人們的關(guān)注。近年來，隨著科技的進步，高穩(wěn)晶振在工藝水平、品種規(guī)格、理論研究等方面都有了飛速的發(fā)展，再加上人造石英晶體的發(fā)展，使得高穩(wěn)晶振的質(zhì)量和產(chǎn)量均大幅度增長[9]。目前高穩(wěn)晶振已經(jīng)在通訊、雷達、航空航天、測試計量等多個領(lǐng)域得到了廣泛的應用，未來也必將迎合用戶的需求，向著微型化、低功耗、響應速率快、高分辨率、高準確度、高穩(wěn)定度、多功能和智能化等方向快速發(fā)展。

綜合以上因素，優(yōu)勢明顯的高穩(wěn)晶振成了部分成本敏感用戶的首選。以高穩(wěn)晶振作為參考源時，如何保證遠程時間同步精度的研究變得尤為重要。針對高精度遠程時間同步需求，根據(jù)試驗場景特點，設計了高穩(wěn)晶振的性能測試方案，并進行了遠程時間同步試驗。

1 高穩(wěn)晶振性能分析

高穩(wěn)晶振輸出的秒脈沖信號與標準時間的鐘差可以用以下模型表示：

使用雷達系統(tǒng)中較為常用的一款超低相位噪聲高穩(wěn)晶振作為試驗研究對象，其標稱頻率為80 MHz，標稱頻率穩(wěn)定度為10-11/s，該類晶振最大的特點是相噪低且體積較小，但是受老化、溫度等因素影響，其準確度、長期穩(wěn)定度較差。結(jié)合遠程時間同步試驗對參考源性能的需求，主要針對晶振的頻率穩(wěn)定度和頻率相對偏差兩項參數(shù)對其進行性能評估。

頻率穩(wěn)定度表示振蕩頻率保持不變的能力，是頻率源輸出頻率值不穩(wěn)定成份的定量描述，在時域上表示單位時間間隔內(nèi)頻率平均值的隨機起伏程度，該時間間隔稱為取樣時間，在統(tǒng)計學上用其方差表示，而由于閃爍噪聲對頻率源的影響，使得方差在表征頻率穩(wěn)定度上有著嚴重的缺陷，因此頻率穩(wěn)定度通常用Allan方差來進行表征[12-13]，其定義如下：

而實際基于時差測量值計算Allan方差的公式可以簡化表示為

進而可以根據(jù)式（6）計算出相對頻率偏差：

2 高穩(wěn)晶振性能測試方法研究

為客觀評價高穩(wěn)晶振性能，提出以UTC（NTSC）為參考和以GNSS定時接收機輸出的定時信號為參考兩種測試方案，主要針對高穩(wěn)晶振的頻率穩(wěn)定度和頻率相對偏差。以UTC（NTSC）為參考的測試因UTC（NTSC）主鐘秒穩(wěn)定度優(yōu)于8×10-14/s，準確度優(yōu)于1×10-14，較待測晶振高出數(shù)個量級，能夠客觀地反映高穩(wěn)晶振的性能。而在實際應用場景中，高穩(wěn)晶振是現(xiàn)場最好的頻率源，難以通過直接比對測試獲得其頻率穩(wěn)定度等性能參數(shù)。在這樣的情況下，考慮使用定時精度優(yōu)于20 ns，準確度與衛(wèi)星導航系統(tǒng)時間相當?shù)腉NSS雙頻定時接收機輸出的定時信號作為參考，對晶振的頻率相對偏差進行測試，下面將對兩種方法分別進行詳細介紹。

2.1 以UTC（NTSC）為參考的性能測試及分析

在中國科學院國家授時中心實驗室對該高穩(wěn)晶振進行了測試，首先使用國家授時中心的UTC（NTSC）主鐘輸出的10 MHz信號作為時間間隔計數(shù)器SR620的外部參考時鐘，模擬實際應用場景，晶振的壓控端懸空，測得晶振的初始頻率，并根據(jù)測試結(jié)果，使用晶振自帶的機械調(diào)準旋鈕對晶振輸出信號的頻率進行調(diào)準，將晶振的頻率調(diào)至其標稱頻率80 MHz附近。再將UTC（NTSC）主鐘輸出的1PPS信號作為測試所用的時間參考信號接入時間間隔計數(shù)器通道作為關(guān)門信號；將該高穩(wěn)晶振的80 MHz信號經(jīng)過分頻處理得到1 PPS信號接入時間間隔計數(shù)器通道作為開門信號，SR620的實時數(shù)據(jù)通過工控機采集存儲，選擇比時法參考公式（4）~（6），對高穩(wěn)晶振的頻率準確度進行計算。同時使用5125A對高穩(wěn)晶振輸出的80 MHz信號的頻率穩(wěn)定度進行分析。測試結(jié)構(gòu)框圖見圖1所示。

圖1 以UTC（NTSC）為參考測試結(jié)構(gòu)框圖

按圖1所示結(jié)構(gòu)框圖，2019年8月28日在國家授時中心實驗室對自由運行的高穩(wěn)晶振持續(xù)測試8 h。為了更直觀評估晶振自由運行狀態(tài)下相對頻率偏差情況，對所采集數(shù)據(jù)按公式（6）中的模型進行擬合平滑，并扣除時差均值后被測高穩(wěn)晶振的時差偏差曲線如圖2所示。

圖2 連續(xù)8 h擬合時差偏差數(shù)據(jù)

Symmetricom公司生產(chǎn)的5125A相位噪聲測試儀器運用公式（2），可以直接輸出待測頻率源的實時Allan偏差圖，5125A的測量底噪可以達到3×10-15/s，測試使用短期穩(wěn)定度優(yōu)于8×10-14/s的UTC（NTSC）主鐘信號做測量參考，參考信號優(yōu)于待測信號3倍以上，能夠客觀地反映待測頻率源的頻率穩(wěn)定度。故本研究使用5125A對高穩(wěn)晶振的穩(wěn)定度進行測試。使用5125A得出該高穩(wěn)晶振的頻率穩(wěn)定度測試結(jié)果參見表1。

表1 高穩(wěn)晶振頻率穩(wěn)定度測試結(jié)果

2.2 以GNSS定時信號為參考的性能測試及分析

在某典型應用場景中，因諸多限制沒有理想?yún)⒖夹盘?，考慮因地制宜，使用GNSS定時接收機輸出的定時信號作為參考，因定時接收機性能所限，其短期穩(wěn)定性不及被測高穩(wěn)晶振，故利用定時接收機輸出信號的長期穩(wěn)定度、準確度較高的優(yōu)點，對該高穩(wěn)晶振與其標稱值的頻率相對偏差進行測試，以便調(diào)準。將由高穩(wěn)晶振輸出的頻率信號進行分頻，整形，再由GNSS定時接收機輸出的定時信號對分頻、整形后的1 PPS進行粗同步，使得生成1 PPS與GNSS定時接收機輸出的定時信號同步，將同步后用于兩站點間時間同步的1PPS接入時間間隔計數(shù)器SR620的通道作為開門信號，GNSS定時接收機輸出的1 PPS接入時間間隔計數(shù)器SR620的通道作為關(guān)門信號，站點內(nèi)測試結(jié)構(gòu)框圖見圖3。

圖3 以GNSS定時接收機輸出的定時信號為參考測試結(jié)構(gòu)框圖

按以上原理，2019年9月6日在試驗主端站點持續(xù)測試6h，其中晶振的壓控端懸空。因?qū)Ш叫盘杺鞑ナ芨鞣N因素干擾，導致短期抖動較大，為更好地評估待測晶振的頻率特性，采用對測試數(shù)據(jù)進行后處理的方式來減小影響，通過對得到的鐘差數(shù)據(jù)進行平滑處理以得到其長期特性，噪聲的平滑處理通常用二次擬合來表示。對試驗主端站點晶振輸出的1 PPS信號與GNSS接收機輸出的衛(wèi)星鐘1 PPS信號測試，實時頻率相對變化率特性與二次擬合后實時頻率相對變化率特性如圖4所示。

從圖4可以看出，使用該高穩(wěn)晶振進行試驗，其經(jīng)過分頻設備輸出的1 PPS信號與GNSS定時接收機的1 PPS信號有較大的初始偏差，經(jīng)分析這可能是因為80 MHz晶振與其標稱頻率存在頻偏，導致由晶振80 MHz信號分頻出來的秒長與標準秒長不一致引起的。

圖4 試驗主站點本地初始實時頻率相對變化率特性圖

圖5 試驗主站點機械調(diào)準后實時頻率相對變化率特性圖

從圖5可以看出經(jīng)過機械調(diào)準后該站點系統(tǒng)主站相對頻差變化率結(jié)果得到了大幅度改善。綜合上述結(jié)果可以小結(jié)如下，提出的以GNSS定時接收機輸出的定時信號作為參考對所用高穩(wěn)晶振性能進行測試，再通過數(shù)據(jù)擬合方式對時差數(shù)據(jù)進行處理的方法，可以估計出待測頻率源的頻率偏差。實測結(jié)果顯示按照測試數(shù)據(jù)調(diào)試后，主端站點實時頻率相對變化率均值從414.3 ns/s降低至12.6 ns/s，變化速度得到了大幅度抑制。

2.3 試驗結(jié)果分析

通過對比2.1節(jié)與2.2節(jié)的試驗結(jié)果，可得出使用GNSS接收機輸出的衛(wèi)星鐘信號作為參考的測試結(jié)果雖然不如使用國家授時中心UTC（NTSC）主鐘信號作為參考進行測試時得到的結(jié)果準確，但反映的該高穩(wěn)晶振的特性趨勢與以UTC（NTSC）作為參考進行試驗得到的結(jié)果基本一致，說明在試驗場景下，使用GNSS接收機輸出的衛(wèi)星鐘信號作參考得出的結(jié)果可信，可以作為高精度遠程時間同步試驗可靠的支撐。

3 以高穩(wěn)晶振為參考的異地時間同步試驗結(jié)果

在相距300 km的兩地以該高穩(wěn)晶振為參考源開展同步實驗，應用系統(tǒng)需要主從兩站點間的時差標準差優(yōu)于15 ns，結(jié)合實際需求采用衛(wèi)星共視比對方案[15-16]。在主端先將由高穩(wěn)晶振輸出的頻率信號進行分頻，整形，輸出1PPS信號接入時間間隔計數(shù)器的一個通道，再將GNSS定時接收機輸出的定時信號送入時間間隔計數(shù)器另一個通道，實現(xiàn)對主端參考信號與衛(wèi)星鐘時間信號的時差測量；從端同樣通過時間間隔計數(shù)器對來自高穩(wěn)晶振的參考信號與衛(wèi)星鐘時間信號進行比對，然后兩個站點通過網(wǎng)絡實時交換觀測數(shù)據(jù)。衛(wèi)星共視能抵消衛(wèi)星鐘以及共有測量誤差的影響，從而得到兩地晶振的時差。然后根據(jù)測量結(jié)果馴服從端站點的高穩(wěn)晶振，使得從端站點復現(xiàn)出與主端站點作為參考的高穩(wěn)晶振同步的時頻信號[4,17-18]，實現(xiàn)兩地時間同步。主從兩站點測試結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 主從兩站點測試結(jié)構(gòu)框圖

主端站點高穩(wěn)晶振機械校準前、后兩站點間的時差數(shù)據(jù)對比如圖7和圖8所示。

圖7 校準前試驗主從兩站點時差數(shù)據(jù)

圖8 校準后試驗主從兩站點時差數(shù)據(jù)

根據(jù)測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)高穩(wěn)晶振與參考信號的頻率相對偏差對兩站點間時間同步精度影響較大。而在不具備外部馴服條件下，選擇根據(jù)測試結(jié)果對晶振頻率進行機械調(diào)準來改善晶振的頻率準確度，調(diào)準后兩站點間的同步精度得到了顯著的提高。調(diào)準前，兩站點間時差的峰峰值優(yōu)于190 ns，經(jīng)計算兩站點間時差標準差（STD）優(yōu)于36.6 ns；調(diào)準后，兩站點間時差的峰峰值優(yōu)于60 ns，經(jīng)計算兩站點間時差標準差（STD）優(yōu)于15 ns。

4 進一步提升同步精度的方案

由于沒有一個更好的參考源去校準高穩(wěn)晶振頻率偏差，導致所用高穩(wěn)晶振輸出信號的頻率較其標稱頻率值可能存在較大偏差，當用其作為站間同步的參考源時出現(xiàn)同步性能提高受限的問題，結(jié)合實際應用場景，本文提出了對晶振與其標稱頻率的頻率偏差進行補償?shù)膬煞N解決方法，一是根據(jù)測試結(jié)果，將晶振的頻率進行周期性的機械調(diào)準，使得其輸出信號的頻率偏差盡可能得小，那么表現(xiàn)在時域上的時差變化也就會盡可能得小。而這種方案的問題在于由于晶振的老化特性沒有得到補償，頻率相對偏差仍會隨著時間的增長而慢慢變化，不能從根本上解決問題。第二種方案是將其鎖定到穩(wěn)定度、準確度更高的頻率源上，使最終晶振輸出在保留自身短期穩(wěn)定度特性同時，具有與其溯源標準類似的準確度和長期穩(wěn)定性，從根本上解決以晶振為參考源時因頻率不準確帶來的時差累積影響。

5 結(jié)語

針對以晶振作為參考源的高精度時間同步需求，首先使用國家授時中心UTC（NTSC）主鐘信號作為參考源，對所用高穩(wěn)晶振的性能進行測試及分析。在實際應用中，因試驗場地沒有更好的頻率源以及諸多環(huán)境問題限制，設計以GNSS定時接收機輸出的定時信號作為參考進行測試。通過對兩種測試方案的結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)以GNSS接收機定時信號作為參考，能滿足高穩(wěn)晶振頻偏的測量需求，測試結(jié)果可信。在此基礎上，以該高穩(wěn)晶振作為參考源進行了異地時間同步試驗，發(fā)現(xiàn)通過測試晶振的頻率相對偏差校準晶振后，可以將兩站點間時間同步偏差的峰峰值從190 ns降低到60 ns以內(nèi)，改善了兩地時間同步精度。

本文根據(jù)工程應用場景特點，提出了一種滿足應用需求的頻率相對偏差測試和數(shù)據(jù)處理方法，并通過異地時間同步測試驗證了其可行性，解決了工程實用問題，不僅為用戶節(jié)省了成本，也為更多需要按自身需求進行高精度遠程時間頻率傳遞的用戶提供了一種解決方案，具有一定的應用價值。

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Performance analysis of remote time synchronized reference source based on crystal oscillator

WANG Jia-chen1,2,3, FAN Duo-sheng1,2, XIAO Bo1,2,3, DENG Zhi-feng1,2,3, LIU Ya1,2,3, LI Xiao-hui1,2,3

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;2. Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

According to the user’s demand and resource conditions, the NTSC (the National Time Service Center, Chinese academy of sciences) has reproduced the time-frequency signal synchronizing with the reference clock in the slave station with a straight-line distance of 300 km based on the high stability crystal oscillator in the master station, and realized the time-frequency synchronization between two stations hundreds of kilometers apart. According to the characteristics of the application scenario, a performance test scheme for high stability crystal oscillator is designed. It is found that the frequency accuracy of high stability crystal oscillator has a great influence on the time synchronization accuracy. To ensure the synchronization performance between master and slave sites in the absence of external taming conditions, the high stability crystal oscillator of the master station is mechanically adjusted. After the adjustment, the peak value of the time difference between the two stations is reduced from 190 ns to 60 ns, and the standard deviation (STD) is within 15 ns, which met the application requirements of time synchronization between two stations. According to the analysis of test results, further improvement of the synchronization accuracy can be obtained by improving the frequency stability and frequency accuracy of the reference source.

frequency source; high stability crystal oscillator; time synchronization; relative deviation of frequency

10.13875/j.issn.1674-0637.2020-04-0270-09

王嘉琛, 樊多盛, 肖波, 等. 基于晶振的遠程時間同步參考源性能分析[J]. 時間頻率學報, 2020, 43(4): 270-278.

2020-04-18；

2020-05-16

陜西省自然科學基金資助項目（2018ZDXM-GY-011）