高精度脉冲分配技术研究①

戴群雄，易卿武，尹继凯

（1.中国电子科技集团公司第54研究所，河北 石家庄050081；2.河北省卫星导航技术与设备工程技术研究中心，河北 石家庄050081）

0 引 言

卫星导航系统中，授时和导航都以“时间”为基础，要完成有效的定位、测速、定时等测量，需建立高精度时间频率系统，提供连续、可靠和稳定的时间频率信号[1]。脉冲分配网络作为时频系统的重要组成部分，在卫星导航系统中，为各分系统提供高稳定的时间同步信号，确保导航设备工作在统一的时间基准上。

在脉冲分配网络中，如何基于高精度时频基准分配和维持高稳定性的脉冲信号成为研究重点。脉冲信号的主要参数包括上升／下降时间、传输时延一致性、幅度、重复频率、占空比等，其中上升时间和传输时延一致性是体现其指标的最重要的参数。设计了两种脉冲分配方法，并在脉冲信号上升时间和传输时延一致性指标测试和比较基础上，对这两种脉冲分配技术开展了研究和分析。

1 脉冲分配技术设计

脉冲分配技术的实现方法很多，既可以用硬件电路实现，也可以通过逻辑代数运算用软件的方法来实现[2]。设计了两种高精度脉冲分配方法：“基于FPGA软模块的脉冲分配法”和“脉冲整形与驱动分配法”，这两种方法的脉冲分配原理框图如图1所示。

图1（a）所示基于现场可编程门阵列（FPGA）软模块的脉冲分配法中，高精度时频基准源输出1 PPS，经FPGA和配套外围整形电路分成多路1PPS输出。图1（b）所示脉冲整形与驱动分配法中，高精度时频基准源输出1PPS，经过前级脉冲整形、驱动及上升沿提升处理与后级脉冲分配电路，分成多路1PPS输出；在对脉冲信号作前级的相应处理时，脉冲信号的驱动能力通常要考虑到后级分配电路输出1PPS的数量，以保证输出1PPS的指标。

电路设计中，需采取保证信号输入到每路信号输出传输路径等长、防止信号间相互串扰等措施提升信号指标，以确保输出高稳定度的信号。

2 脉冲分配技术比较分析

针对图1所述两种脉冲分配方法，通过优化设计和搭建实物电路，对脉冲信号上升时间和传输时延一致性指标进行了测试，得到了相应的测试数据，并从稳定性、适用性等方面对这两种方法进行了分析比较。测试涉及到的测试方法、测试设备和测试环境均保持一致，以保证分析比较的合理性。

2.1 上升时间测试比对

脉冲信号是指持续时间较短，按特定规律变化的电压或电流[3]。它由无穷个正弦分量迭加而成。上升沿越陡，所包含的高频分量越丰富，信号的上升时间越短；相反，信号的上升时间越长。脉冲信号具有很小的上升时间，是导航设备稳健运行的一项重要指标。

按照上升／下降沿的一般定义－幅度最大值10%～90%之间的时间为上升时间（下降时间相反）[4]，测试得出脉冲信号上升／下降时间。同时考虑到在导航设备布局较广的情况下，往往会涉及到信号的长距离传输问题，而脉冲信号经长距离传输后，由于受到杂波干扰以及带宽等因素影响，其上升／下降沿指标会有所衰减[5]。为了保证脉冲信号经长距离传输后，其上升／下降时间仍然满足指标要求，保证导航设备对脉冲信号的需求，有必要对脉冲信号经长距离传输后上升时间进行测试分析。测试中，采用40m同轴高频电缆模拟信号的长距离传输。

图2所示为基于两种脉冲分配方法的1PPS输出信号经1m和40m电缆传输后上升时间测试原理框图，测试结果如图3和图4所示，测试结果从示波器显示屏拍摄经后处理得到。根据图3和图4所示测试结果得出：基于这两种脉冲分配方法的1PPS输出信号经1m电缆传输后，上升时间分别为2.88ns和1.42ns，后者1PPS上升时间更短，信号高频段得到有效提升，信号驱动能力更强；1PPS输出信号经40m电缆传输之后，前者1PPS上升时间为25.35ns，衰减很大，往往无法满足指标要求，而后者1PPS上升时间为6.34ns，明显优于前者，这表明1PPS经过前后级整形、驱动及分配电路后，信号的驱动能力明显增强，上升时间更短。

2.2 时延一致性测试比对

卫星导航系统中，导航设备之间保证统一的时间基准至关重要[6]。从脉冲信号时延一致性指标验证的有效性和合理性考虑，主要对信号经长距离传输到达导航设备终端时的时延一致性进行分析。定义脉冲信号经长距离传输到达设备终端前的节点为末节点，时延一致性测试在末节点展开。

图5为基于两种脉冲分配方法的1PPS输出信号时延一致性测试原理框图，测试时间为8h，测试结果如图6所示，测试结果由计算机保存的测试数据经后处理得到。测试结果表明：基于这两种脉冲分配方法的1PPS输出信号经过40m长距离传输之后，均保持了较好的时延一致性，图6（a）示出了两路1PPS时延差在0.61ns～0.659ns之间；图6（b）示出了两路1PPS时延差为0.505ns～0.548ns之间。后者1PPS时延一致性指标略优于前者。

2.3 分析与比较

通过设计、分析和比较，脉冲整形与驱动分配法在1PPS上升时间和时延一致性指标上均优于基于FPGA软模块的脉冲分配法，但结合稳定性、适用性等因素综合考虑，这两种方法均存在优缺点。

基于FPGA软模块的脉冲分配法优点在于电路结构简单，便于小型化设计，缺点是驱动能力较弱，无法实现长距离传输，因此，这种方法适用于信号分配路数较少，传输距离小的场合。时频应用上结合这种方式，可以采用一种3U－PXI结构板卡来实现脉冲信号分配，这种板卡对于时频信号设备内部互联等具有一定的优势。

脉冲整形与驱动分配法主要用在信号分配路数较多，传输距离大的场合，其优点是整形驱动与分配电路组合灵活，驱动能力强，各项指标较好，能实现长距离传输，但是在具备这些优势的同时，板卡尺寸较大，再加上电源和监控，结构设计相对复杂，设备较为笨重。时频应用上结合这种方式，可以以机箱设备的形式来实现多路脉冲信号分配输出。

3 结 论

立足于卫星导航系统对高精度脉冲分配技术的实际需求，从稳定性与可靠性设计考虑，设计了两种脉冲分配方法，对基于这两种脉冲分配方法产生的脉冲信号上升时间和时延一致性等关键指标进行了测试和比较，从测试结果来看，这两种方法均达到了国内外相关时频设计的先进水平，尤其是脉冲整形与驱动分配法，在信号的长距离传输方面具有更好的优势。另外从时频设备的实用性考虑，分析了这两种方法的适用范畴。

从长远来看，全球卫星导航事业和相关产业对时频应用方面要求会不断提高，单从脉冲分配技术来看，不能局限于一种或两种传统和固有的技术，而应该立足高精度时频系统设计，借鉴以往成功经验，对各种技术进行优势互补，朝着小型化、高稳定性、高性价比等方向发展，不断创新，挑战难度更高的时频应用。

[1]李 云，王玉林，邹德财.高精度连续时频信号产生和控制系统的分析[J].宇航计测技术，2007，27（5）：45－46.

[2]田玉利，高 伟，杨光宏，等.CPLD在脉冲分配电路设计中的应用[J].微计算机信息，2008（26）：261－262.

[3]邓伦兵，谢 华，付在明.一种矩形脉冲信号沿控制电路设计[J].中国测试，2010，36（1）：72－74.

[4]林震鹊，姜秋喜，李 帅.基于脉冲信号上升／下降沿的雷达辐射源识别[J].舰船电子对抗，2009，32（3）：33－35.

[5]林震鹊，姜秋喜，黄健中.雷达脉冲信号上升／下降沿测量影响因素[J].四川兵工学报，2010，31（1）：117－120.

[6]陈长胜，林荣超，李 林.某通信系统中时间同步技术[J].航空计算技术，2006，36（2）：30－31.