频率源对时间同步精度影响的定量分析

王 霞

山西省计量科学研究院 山西 太原 030032

引言

以铷频标为主用、石英晶振为备用的频率源是时统系统的重要组成部分。受频标准确度和漂移率的影响，频率源输出频率会随着时间推移而发生变化，从而引起时间同步精度的变化。对两种频标影响时间同步精度的程度进行了定量分析与对比，给出了具体的调整方法，保证了时统系统的可靠性。

1 精度时间间隔测量方法

时间间隔测量的发展主要经历了三个过程：参考时钟计数、模拟电路、数字电路。当前高精度时间间隔测量主要是通过数字电路来实现的：两个信号之间的时间间隔取决于开始时刻点和结束时刻点，在电路中分别被称为开始(start)信号和结束(stop)信号，时间间隔测量结果是两个信号对应的量化数字值。目前常用的高精度时间间隔测量方法包括时钟计数法、模拟扩展方法、数字延时线法、游标尺法、延时线矩阵法、脉宽缩减法、延时线振荡器法、锁相环法等。时钟计数法是通过计数器计算待测时间间隔内的时钟周期的个数来实现高精度时间间隔测量，参考时钟的频率决定了时间间隔测量精度；模拟扩展方法主要是利用待测窄脉冲对电容充电，然后利用模数转换器采样充电电压或者利用比较器将电容充放电后的电压信号整形为扩展脉冲，然后用时钟计数方法实现高精度时间间隔测量。延时线法、游标尺法、延时线矩阵法、脉宽缩减法、延时线振荡器法、锁相环法等方法，都是基于数字测量方法的高精度时间间隔测量方法。这些方法主要是基于逻辑单元的时延实现的，利用高速精密采样技术和存储技术，通过事后数据处理(相关分析)可以实现高精度时间间隔测量。

2 于时间频率基准源

采用了先进的数字集成及处理技术，而数字电路对输出频率的影响微乎其微，可以忽略不计，因此对时间频率基准源特性分析主要体现在对频标的特性分析上。频标的特性指标主要用频率准确度、频率漂移率和频率稳定度来衡量。(1)频率准确度是指频标的实际工作频率测量值与频标的标准频率之间的相对误差，可以用频率偏差率(即频率准确度)F来表示，即：

其中，f为频率偏差，0f为频标的标准频率，f为频标的实际工作频率测量值。(2)频率漂移率是指频标由于受内部元器件的老化等因素影响，在工作过程中其输出频率值随时间变化而引起的线性变化关系。根据实际测量的频标输出的相对频率值随运行时间变化的数值，用最小二乘法来计算，频率漂移率可表示为：

其中，if为it时刻所测的相对频率值，f为所有测量数据的平均值，频率漂移率随时间单位的不同有日漂移率、月漂移率和年漂移率，根据实际测量得到的结果，一般情况下月漂移率≈30×日漂移率，年漂移率≈150×日漂移率。

3 时间同步精度测试

3.1 时间传递精度测试 根据同步以太网以及时间统一系统的工作原理，时间信号的传递可采用2种方式，①在源端将时码产生器产生的秒信号和时间信息经线路适配器接入同步以太网的数据通信设备，经同步以太网传输至接收端，在接收端采用线路适配设备恢复出秒信号和时间信息；②时间信号传输技术为TOP(TIMINGOVERPACKET)技术，这种技术由源时钟NTP、IEEE1588等网络时间同步协议，定期地发送时间报文到从时钟，从时钟计算出本地时间和远端时间的差异，并将本地系统的时间与远端源时钟的时间进行同步。

3.2 于PTP技术的时间信号传递精度测试 采用PTP协议传输时间信号的设备连接关系如图1所示

图1基于PTP技术的时间信号传递的精度测量方法示意图图1中，时间信号产生设备的1PPS和IRIG-B码信号作为PTP主时钟的外同步信号，由PTP主时钟产生精确的PTP报文，PTP交换机与PTP主时钟同步后，向次级主时钟发送同步PTP报文，接收端用PTP从时钟接收PTP报文并恢复出1PPS和IRIG-B码信号。将1PPS和IRIG-B码与时间信号产生设备输出的秒信号一同输入时间同步精度测量设备，测量时间信号经同步以太网传输的精度。

4 时差调整

从以上的分析中可以看出，无论是采用铷频标还是石英晶振，随着时间的推移，受频率准确度和漂移率的影响，本地时钟的时间与标准时间之间的时差会越来越大。当时差超过一定范围时，就必须对时差进行调整。对于铷频标实际应用中一般采用时刻调整方法，即时统站在运行一段时间后，重新与标准时间进行对时同步，则可以消除两次对时之间累积的时差；对于石英晶振一般采用频率调整方法，就是要对石英振荡器的振荡频率进行调整。同时为了满足系统要求，我们应经常对频标进行测量和调整，使其输出值尽可能地接近标称值，以保证时统系统的可靠性。

结语

时间比对精度、频率校准时间、校频准确度与时间间隔测量的精度有直接的关系，高精度时间间隔测量的精度很大程度决定了时间比对以及频率校准的精度。在实际应用中，选择最适合的时间间隔测量方法是关键，不仅与测量需求和工作环境的匹配，也要考虑到实现成本。