一种高精度时间同步器的研制与性能测试

黄长江，华宇，胡永辉，李志刚，曾婷



一种高精度时间同步器的研制与性能测试

黄长江1,2,3，华宇1,2，胡永辉1,2，李志刚1,2，曾婷1,2

（1. 中国科学院国家授时中心，西安 710600；2. 中国科学院精密导航定位与定时技术重点实验室，西安 710600；3. 中国科学院大学，北京 100049）

针对移动通信网络基站间需要建立高精度时间同步的需求，研制了一种具有高精度时间同步功能和高精度频率输出的时间同步器，并设计了相应的性能测试方法。测试结果表明，在同等条件下，不同时间同步器输出的1PPS平均同步精度优于5ns/d，24h内输出的频率准确度优于10-12/s，其他各项指标基本合格，符合设计要求。

时间同步；同步精度；频率准确度

0 引言

随着移动通信技术的快速发展，通信系统对时间同步的要求越来越高，尤其是3G技术的全面普及，3G/LTE基站工作的切换、漫游等都需要精确的时间控制，这不仅需要高精度的时钟频率，更需要高精度的时间同步[1]。近几年来，利用无线通信网进行定位和授时服务更成为各运营商和相关部门的研究热点，这对基站间的时钟频率和时间同步服务提出了更高要求。然而，由于通信网的规模庞大以及地区分布的不平衡，对各基站间的高精度时间同步提出了挑战。

本文研制的高精度时间同步器可解决这一难题，该同步器可接收同一卫星信号（如GPS卫星信号）使不同同步器间的时间同步输出精度达到5 ns，并为其他设备提供高精度的频率源。由于对时间同步的高精度要求，该时间同步器不仅在设计上具有独特之处，同时也对同步器性能的测试提出了挑战。该时间同步器可作为同一地区各基站间的时间同步和频率标准，大大降低了通信系统时间同步的实施难度。

1 高精度时间同步器的设计

高精度时间同步器利用卫星信号的长期稳定性和铷原子钟的短期稳定性，将其相结合，实现高精度时间同步和频率输出[2-4]。该时间同步器主要由以下几部分组成：授时接收机单元、铷原子钟PRS10、时间比对单元、主控单元、频率分配单元、脉冲分配单元、人机接口单元和电源管理单元等，其单元组成如图1所示。

图1 高精度时间同步器单元组成示意图

授时接收机单元可接收GPS/BD卫星信号并输出1PPS卫星授时信号、接收机工作状态信息和TOD（time of day）时间码信号，接收机工作状态信息和铷原子钟工作状态信息用于远程实时监控，接收机TOD时间码信息经主控单元协议转换后作为同步器的时间码输出，接收机1PPS信号作为时间比对单元的输入源用于驯服铷原子钟的10 MHz输出信号[5-6]。

铷原子钟PRS10为时间比对单元提供具有高稳定度的10MHz频率信号，其短期稳定度可达到 2×10-11/s，为设备提供稳定的频率驱动[7]，并接收来自主控单元的控制指令，用于10 MHz频率信号的输出微调。

时间比对单元将铷原子钟输入的10 MHz信号通过分频链分频为1PPS信号，并将该1PPS信号与来自卫星接收机的1PPS信号进行时间比对，其比对误差经过平滑后作为铷原子钟的控制信号通过主控单元对铷原子钟进行控制，从而改变铷原子钟的输出频率，并将分频链产生的1 PPS信号锁定在卫星接收机的1 PPS信号上，由于铷原子钟具有很高的短期稳定度，而卫星接收机的1 PPS具有极高的长期稳定度，所以，本地1 PPS不仅具有很高的短期稳定度，也具有极高的长期稳定度。

频率分配单元分为2部分，一部分将铷原子钟输出的10 MHz信号直接经过频率分配后多路输出，另一部分将铷原子钟生成的10 MHz信号经过倍频后生成80 MHz信号并经过80 MHz频率分配单元后多路输出。

时间比对单元产生的1 PPS经本地时延修正，补偿1 PPS在时间同步器内部的传播时延，并通过脉冲分配单元进行上升沿修正后多路输出。

主控单元除完成铷原子钟控制、卫星接收机数据接收以及监控数据分发之外，还提供人机接口的功能，通过指示灯对同步器的工作状态进行指示。

2 技术指标测试方法

2.1 时间同步精度测试方法

高精度时间同步器所要求的1PPS输出精度为5 ns，即要求任意2台同步器在相同的一段时间内的输出时延差的均值小于5ns，为达到测量的高效，我们采用计数器测量绝对时延的方法进行测量[8]。该测量以国家授时中心的钟房1PPS（NTSC）作为参考，测量该1PPS与任意一台同步器输出的1PPS之间的时延差，事后再对各台同步器的测量数据进行处理。测量连接图如图2所示。

图2 时间同步精度测试方法原理图

电缆线的传输延时测定是通过SR620计数器进行的，SR620的一个重要功能就是可以测定电缆线的传输时延，将电缆线一端连接在前面板的REFOUT通道上，另一端连接在B通道上，参考信号经过待测电缆延时后进入B通道，从而可以测量出该电缆线延时，其测量方法如图3所示。

2.2 频率准确度的测试方法

图5 频率准确度测试方法原理图

由此可见，待测信号的准确度与差拍频率和待测频率有关，一般地，为提高测量准确度，可适当降低差拍频率。所以，在满足测量精度的情况下，差拍频率可有多种选择。

2.3 其他技术指标的测试

频率信号的相位噪声和频率稳定度测试可采用Symmetricom公司的5125A测试仪直接测试，5125A测试仪可测量1～400 MHz的正弦波信号，其阿伦方差可达到3×10-15/s；频率信号的输出功率和杂散可直接采用频谱仪进行测试，而路间一致性测试则既可以利用高精度时间同步器的任一路1 PPS输出作为参考信号测量其他输出与该路输出之间的相位差，也可以利用钟房1 PPS输出作为参考信号测量同步器的输出与该参考信号之间的相位差。

3 高精度时间同步器性能测试结果

在高精度时间同步器的技术指标测试过程中，频率信号的准确度测试、相位噪声测试和同步器之间的同步精度测试需要较长时间，本文重点针对以上指标进行分析，而其他指标均可从相关测量仪器直接读取，仅记录测量结果。

3.1 80MHz频率输出信号的准确度测量结果

3.2 10MHz频率信号的测量结果

3.3 相位噪声测量结果

图8为10MHz和80 MHz频率输出信号的相位噪声测试结果，图中横坐标为测量频点，纵坐标为相位噪声，对应频点的相位噪声值已在图中标注。

图8 相位噪声测量结果

3.4 不同时间同步器的时间同步测试结果

图9为不同时间同步器间的1PPS时间同步输出测量结果。测试过程中，将所有5台时间同步器的接收机天线以一定的几何形状放置在一起，使天线的位置近似相同，并固定天线至接收机的电缆线长度。待所有同步器正常工作后开始连续测量，每秒钟取得一次测量结果。图中横坐标为测量时间（共测量24 h），纵坐标为5台同步器输出的1PPS与标准1PPS（NTSC）的时延差，其中不同的灰度曲线对应不同时间同步器的输出测量结果。由此曲线图可知，不同同步器的输出与标准时间的时延差在1d内有 40ns的波动，但各同步器在相同时间段内具有相似的时延差波动曲线。为更进一步了解这种波动，我们任意选取两组数据直接求取差值，如图10所示。由图可见，24h内2者的时延差均值为4ns，方差为2 ns，差值基本在平均值上下±5ns内波动。

图9 不同设备间的时间同步结果

图10 两台设备之间的时延差

3.5 技术指标测量结果

以5台时间同步器其中之一为例，将其测量结果示于表1。

表1 5号机技术指标测量结果

由测量结果可以看出，10 MHz的频率输出信号技术指标符合要求，80 MHz信号频率准确度与相位噪声以及杂散指标符合要求，稳定度和输出功率略差，在以后的工作中，只要采用具有更高稳定度的铷原子钟，并降低输出功率，这一问题容易得到解决。测量中最重要的时间同步器间的1 PPS输出精度和同一时间同步器1 PPS各路输出一致性均符合技术要求。

4 结论

高精度时间同步器以其高精度的频率输出和时间同步性能尤其适合应用在移动通信基站中为基站其他设备提供高精度的频率源和时间同步。本文对高精度时间同步器的研制方法和性能技术指标测试方法进行了分析，经测试表明，高精度时间同步器的各项性能技术指标基本合格，满足需要。目前，该时间同步器主要采用GPS作为单一时间源，如果采用GPS和北斗双模时间源，并处理好2者之间时间源的相互切换，将会大大改善时间同步器工程应用的可靠性。

[1] 王伟, 苏朝霞, 孙忠利. TD-SCDMA基站基于传送网的时间同步方案[J]. 电信技术, 2011, 10: 53-55.

[2] 胡永辉, 徐宇. 一种自回归GPS校准晶振的实现[J]. 时间频率学报, 1998, 21(1): 33-36.

[3] 李方洲, 张建平. 高精度压控晶振频率控制特性分析及控制系统[J]. 电子测量技术, 2000, 1: 22-24.

[4] 向渝, 华宇, 吴海涛. 基于数字锁相环的GPS可驯钟系统研究[J]. 时间频率学报, 2008, 31(1): 50-55.

[5] 党晓圆. 卫星授时校频系统研究[D]. 长沙: 湖南大学, 2009.

[6] 赵丹宁. 时钟频率校准与同步技术研究[D]. 北京: 中国科学院研究生院(国家授时中心), 2011.

[7] 美国SRS. PRS10铷钟数据手册[EB/OL]. (2013-05-02)[2013-08-12]. http://www.srsteo.com.cn/_d271468520.htm.

[8] 吴海涛, 李孝辉, 华宇, 等. 卫星导航系统时间基础[M]. 北京: 科学出版社, 2011: 141-146.

[9] 李孝辉, 杨旭海, 刘娅, 等. 时间频率信号的精密测量[M]. 北京: 科学出版社, 2010: 116-117.

[10] 唐升, 刘娅, 李孝辉, 等. 基于DSP的小型化高精度频标比对系统研制[J]. 时间频率学报, 2012, 35(4): 205-211.

Development of a high-precision time synchronizer and its performance test

HUANG Chang-jiang1,2,3, HUA Yu1,2, HU Yong-hui1,2, LI Zhi-gang1,2, ZENG Ting1,2

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;2. Key Laboratory of Precision Navigation and Timing Technology, National Time Service Center,Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

According to the demand of high-precision time synchronization among the stations of mobile network, a time-synchronizer with high-precision time synchronization function and stable frequency outputs was developed, and a corresponding performance test method was designed. The test showed that the average time-synchronous precision for the signals of 1PPS outputted from different time-synchronizers in same conditions is better than 5ns/d, the frequency accuracy is better than 10-12/s within 24 h, and the other technical indicators are up to standard basically, being in accord with the design targets.

time synchronization; synchronization precision; frequency accuracy

P127.1

A

1674-0637(2014)01-0010-08

2013-02-26

中国科学院科研装备研制资助项目（YZ201208）；中国科学院“西部之光”联合学者资助项目（2012LH01）

黄长江，男，博士研究生，主要从事数字电视定位技术研究。