多通道时间间隔实时分析仪设计与实现

2021-08-17邓智峰刘音华王嘉琛

宇航计测技术 2021年1期

邓智峰刘娅刘音华肖波王嘉琛

(1.中国科学院国家授时中心，中国科学院时间频率基准重点实验室，陕西西安 710600；2.中国科学院大学，北京 100039)

1 引言

近现代科学研究中，时间间隔测量及分析技术，正在广阔的领域里起着重要作用，如在雷达探测、卫星定轨等研究中，使用高频电磁波的反射时间来测定距离，并利用多普勒和位置差分实时分析目标速度、朝向等信息。在原子物理中需要通过时间间隔测量技术来标定粒子的飞行速度从而推断其性质；高频电路、集成电路中的抖动(Jitter)测量、通信系统中的调制解调等也都用到了时间间隔测量和分析技术。

近十年来，国内外的研究多基于单现场可编辑逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)或FPGA与专用芯片结合的方式，不断提升时间间隔测量的分辨力。如基于FPGA内抽头延迟线的方法，最高可以达到8ps的分辨力。基于专用的数字时间转换芯片TDC-GPX，可以较方便地实现8个通道同时测量，分辨力达50ps。但学界的研究多致力于提升时间间隔测量的分辨力等性能，对于数据实时分析处理涉及较少。

随着科学技术的进步，在一些新的应用场景下，现有的仪器已经不能满足实际需求。守时实验室中，需要同时测量并分析多路原子钟的运行情况，而常用的SR620时间间隔计数器只能测量两路信号的时间间隔，且没有实时分析功能，不利于及时发现故障并排除。由Guidetech公司生产的GT668系列产品的测量分辨力最高可达1ps，配合控制器可以实现实时分析功能，但其仍只有两个测量通道。国产的SYN5636型计数器可测量时间间隔和频率，时间测量分辨力最高可达20ps，且有峰峰值、阿伦方差、频率偏差等分析功能，其最多可以有3个通道。

2 时间间隔分析方法研究

2.1 时间间隔测量基本原理

基于前文分析，本文重点解决以上问题，设计了一款大量程、多通道、高精度的时间间隔分析仪，构建了兼顾测量范围、测量精度和多通道并行测量需求的插值法测量方案。在时间间隔测量领域，插值法是指将待测的时间间隔分为整数周期的部分和小数周期的部分分别测量。通用计数器SR620就是将插值法和时间-幅度转换法一起使用，分辨力可达25ps。本文所用的时间间隔测量原理如图1所示。

图1 插值法测量基本原理图Fig.1 Basic principles of interpolation method

以一个启动通道和一个停止通道为例，如图1所示，待测的时间间隔

ΔT

由启动信号的上升沿和停止信号的上升沿决定。在启动通道信号上升沿到来之后，开始对系统时钟计数，在停止通道的上升沿到来之后停止计数。此部分粗测的计数结果记为

，其中

为系统时钟周期，即为粗测量部分的分辨力。在待测时间间隔的头部和尾部，存在不足一个系统时钟周期的时间间隔

ΔT

和

ΔT

，对其分别进行细测。抽头延迟线是一种集成度高、精度高、死区时间极短的数字测量方法。其基本原理如图2所示。

多个具有固定延时的延迟单元线性排列，构成一条延迟线。在每个延迟单元的输出端引出抽头连接一个触发器。细测启动信号上升沿到来后在延迟线中传播，触发器依次接受输入。细测停止信号到来后同时触发所有触发器时钟，锁存触发器阵列。此时通过计数所有触发器输出端“1”的个数，

图2 抽头延迟线原理图Fig.2 Principle of the tapped delay line

可以知道细测启动信号与细测停止信号之间的延迟单元个数，从而获得时间间隔。由于延迟单元的时延直接决定了测量分辨力，延迟单元常由进位器、非门等传播时间极短的门电路组成。只要延迟单元构造合适，很容易实现分辨力优于百皮秒量级的时间间隔测量。

结合整数周期计数及使用抽头延迟线测量得到的图1中

ΔT

和

ΔT

的值，可以得到

ΔT

(1)

2.2 时间间隔分析基本方法

在得到时间间隔测量结果之后，人们更进一步地，希望得到时间间隔序列的一些性质。由于频率源信号中的调频闪烁噪声、频率随机游走噪声等非平稳的噪声过程的影响，在测时领域，传统的标准方差常常不能保证收敛。故此，基于频率的一阶差分或时差的二阶差分的阿伦方差(Allan variance，AVAR)或它的平方根(Allan deviation，ADEV)已成为表征频率信号稳定度的常用手段。

对于一个非平稳的频率信号，其差分结果是平稳的。同样，一个非平稳的时间间隔信号，其二阶差分结果是平稳的。Barnes和Allan根据此特性，提出了阿伦方差。实际的测量过程中，往往使用有限次的测量作为阿伦方差的无偏估计。根据时差与频率的关系，以

表示系统的取样时间，

表示时差的测量值，

表示取样数。则基于时差数据的阿伦方差的无偏估计可以表示为

(2)

但是阿伦方差对于调相白噪声和调相闪烁噪声难以分辨，由此提出了修正阿伦方差(Modified Allan variance)，以及更多适用于时间测量的时间方差(Time variance,TVAR)和它的平方根(Time deviation,TDEV)。修正阿伦方差的估计式为

(3)

时间方差则定义为

(4)

由上式可知，时间方差具有与修正阿伦方差类似的基本结构，可以更好地辨别时间系统中的噪声类型，更适合对于时间测量系统、分配系统等系统时间稳定度的测量与分析。在大多数时间间隔测量场景中，阿伦方差和时间方差是用户最为关注的两个参量，故此，本文的设计以时间测量领域较常用的ADEV和TDEV为例，完成时间时间间隔测量后的实时分析功能。

3 仪器设计与实现

时间间隔分析仪按功能可分为测量和分析两部分，其系统框图如图3所示。

测量模块包括粗测模块、细测模块、时钟模块、信号整形模块、控制器等部分。各通道待测的信号接入后，首先经过高速比较器进行整形，整形后的各路信号分别接入粗测模块，对各测量通道的信号

图3 时间间隔分析仪硬件框图Fig.3 Hardware diagram of multi-channel time interval real-time analyzer

进行时间间隔粗测量的同时，生成待细测信号提供给细测模块进行细测量，测量得到的粗测和细测结果直接送入控制器。控制器读取并计算粗测结果和细测结果，封包后发给分析模块，同时也接受分析模块发送的设置指令，进行内部/外部时钟选择、触发电平设置等功能。恒温压控晶振会为粗测模块提供稳定的系统时钟。当外部参考频率接入时，基于鉴频器的压控晶振驯服电路会将晶振输出频率锁定到外部参考频率上，以此提高时间间隔测量的准确度。

由图1及式(1)可知，系统的量程只取决于计数结果中

的取值范围。只要用于计数的逻辑单元数足够多，量程可以非常大(如本文仪器设置为200s)。基于此，使用FPGA实现粗计数拥有天然优势。另一方面，配置完成的计数器容易复用和拓展，可以较容易地实现多通道测量。控制器则主要要求运算速度快，易于完成通信和控制功能，故此选用基于ARM的微控制器LPC1700芯片。

在构建细测模块时，可以利用FPGA器件内部的布线资源以及进位链资源设计一个抽头延迟线测量模块。但由于FPGA内部的各级进位链的延迟单元不能保证完全一致，且容易受到温度等环境影响，加之本文的多通道并行测量方式，将占用相当多的进位链资源，对进位链单元进行手动布线灵活性和可移植性差。故本文设计使用已经集成相应资源的专用时间间隔测量芯片：AMS公司的TDC-GP22芯片。该芯片精度高，集成性好，且内部集成了温度补偿，可以配置为测量范围3.5ns～2.4μs，测量分辨力优于45ps。

但受芯片最小量程3.5ns的限制，当待细测量间隔没有位于此测量范围时，不能满足测试要求。本文针对此现状设计了时间间隔延展方案，通过延展图1中待细测时间间隔

ΔT

和

ΔT

，使之能够满足芯片测量范围要求。具体过程如图4所示。

图4 待细测信号拓展原理图Fig.4 Principle of expansion of signal

由于FPGA只能计数整数倍时钟周期，图1中小于一个时钟周期的部分

ΔT

，需送入TDC芯片中测量。此时有

ΔT

=4ns

(5)

不能保证其位于细测部分的测量范围内。故FPGA将待细测信号的关门时间延长四个时钟周期，生成

ΔT

，再送入TDC芯片中测量。此时有16ns<

ΔT

<20ns

(6)

此时，可以保证

ΔT

位于TDC芯片测量范围内，从而可以被测量。以图1为例，总时间间隔测量结果为

ΔT

)-(

ΔT

(7)

可知，与式(1)中结果相同。

得到测量结果后，测量模块将数据发送给分析模块。分析模块硬件上主要包括微控制器、存储器和触摸显示屏。其中，微控制器作为核心，使用串口和测量模块进行通信，且驱动触摸屏进行交互，驱动存储器完成存储。

数据分析由运行在微控制器中的软件完成。收到测量模块发送的测量结果之后，首先对数据包进行校验，排除乱码与传输错误；其次更新屏幕上的显示数据；然后在后台进行数据的存储及分析。屏幕上默认显示数据实时测量结果，用户选择“数据分析”功能后，开始在屏幕上实时显示数据的分析结果。

本文设计中，由于兼顾多通道、大量程，故在实际计算中，为节省计算资源和内存资源，采用了间隔取样保存的方式：对于每一个取样间隔

，只将

的整数倍的数据存入内存中供分析，且限制取样点数最大为200。以测量两路秒脉冲的时间间隔为例，计算

=10s的Allan方差时，只需将数据点

…存入内存即可。此时使用的内存占用将远小于所有数据均进入内存的常规做法。

在数据存储过程中，将每次测量的数据编码成文本文件，写入到一个32G的存储器中。假使8通道同时测量，每1s一组数据，则存储器可以连续存储超过5年的数据。如果存储空间满，用户可以选择停止存储或者覆盖最旧文件。仪器外观及内部结构如图5所示。

图5 时间间隔分析仪实物图Fig.5 The multi-channel time interval real-time analyzer

4 测试及数据分析

系统测试平台如图6所示。使用UTC(NTSC)主钟输出的10MHz信号作为时间间隔分析仪参考时钟输入；UTC(NTSC)主钟输出的1PPS信号，经过脉冲分配放大器产生多路相同的1PPS信号，送入时间间隔分析仪的启动通道和各停止通道。理想情况下，由于被测信号同源，测试结果应无限接近零值，实测结果即能反映被测时间间隔分析仪的测试性能。将测量结果存储于时间间隔分析仪的内部存储中，将系统存储器中的数据导出，使用专业频率稳定度分析软件Stable32进行事后分析对比。

图6 时间间隔分析仪测试平台框图Fig.6 Block diagrams of test platform of multi-channel time interval real-time analyzer

本设计中，待测信号从不同通道接入，如果各通道的时延相同，则测量时可以互相抵消。但实际上，各通道的传输时延、器件时延都不完全相等，这部分系统误差会以加性误差的形式直接影响测量结果。故此，首先需要对各通道时延进行校准。由于传输时延、器件时延在短时间内不会变化，本文使用双通道交换法，以启动通道的时延为基准，标定启动通道与每个停止通道之间的时延差。使用各通道对同一时间间隔进行测量，所得结果的最大值与最小值之差可以表征通道一致性。经过多次校准后的测量结果与未校准的测量结果对比见表1。

表1 校准前后测量结果对比Tab.1 Results before and after calibration通道校准前校准后测量结果(ps)与通道1差值(ps)测量结果(ps)与通道1差值(ps)CH1-196.46/153.53/CH22 677.562 874.02177.5624.03CH3195.22391.68145.22-8.31CH41 254.721 451.18204.7251.19CH5944.531 140.99194.5341.00CH61 724.751 921.21224.7571.22CH75 844.346 040.80144.34-9.19CH83 119.583 316.04219.5766.04

表1中，各测量结果均为连续采集5h测量结果的平均值。在校准前，各通道测量结果偏差较大，计算可得此时通道间不一致程度为6 040.80ps。对各通道依次使用双通道交换法校准后，仪器的通道一致性明显变好，通道间不一致程度为80.41ps。此时，各通道间的差异客观反映了脉冲分配放大器各通道输出信号间的不一致。

经过校准后，以通道1为例，其连续采集5h的测量结果如图7所示。经过事后统计可知，峰-峰值为275ps，平均值为153.53ps，标准差41.36ps，测量稳定度(TDEV)可达5.68×10@1 000s。

图7 通道1与起始通道时间间隔测试结果图Fig.7 Measurement results of time interval between channel 1 and start channel

以通道1为例，图8(a)为时间间隔分析仪实时分析ADEV的屏幕截图，图8(b)为事后分析7天数据生成的ADEV分析结果，表2列出了以上两种方式得到的ADEV值。由图8和表2可知，时间间隔分析仪实时分析值与专业频率稳定度分析软件Stable32的计算结果基本一致，说明本文为降低运算量设计的数据取样实时分析方法能满足稳定度分析需求。

图8 阿伦方差实时分析与事后分析对比图Fig.8 Results of ADEV real-time analysis and postmortem analysis

表2 实时分析与事后分析对比Tab.2 Results of real-time analysis and postmortem analysisτ/sADEV实时分析值ADEV Stable32分析值16.60×10-116.60×10-11107.01×10-127.06×10-121007.19×10-137.11×10-131 0006.70×10-146.97×10-1410 0006.72×10-157.62×10-15100 0004.66×10-164.33×10-16