基于FPGA的绝对时间同步系统的设计研究

摘要

时间同步系统广泛应用于国民经济建设、国防和科研以及空间探测等领域，研究时间同步系统具有重要的意义。时间同步系统的外部时间基准可以用多种方法来实现，比如搬运原子钟的方法、北斗授时法和GPS授时。特别是GPS具有高稳高准的原子频标且可以全球全天时全天候地进行授时而具有成本低、可以远距离实现以及信号相对稳定等优点。时间同步有很大的应用市场和研究价值。 本文首先介绍了时间同步的一些基本概念，在其基础上，简单介绍了时间同步的三种常用的外部时间基准源。对搬运钟法做了理论上的分析，对北斗授时法和GPS授时法分别进行了介绍，并设计了北斗时间同步实验来分析他们的误差特点。 在分析了外部时间基准的特点之后，本研究提出了用外部时间基准校正本地原子钟时间基准的输出，通过秒脉冲同步产生上升沿和国际标准时间对齐的秒脉冲，通过频率的测量和校正产生稳定的10MHz频率输出的绝对时间同步系统的设计方案。来满足不同系统对于绝对时间同步的要求。本文给出了绝对时间同步系统具体的实现方案。该方案具有同步精度较高、结构简单和易于工程实现等优点。从总体和局部上详细论述了该同步系统的设计，提出了基于数字移相的秒脉冲时间间隔的测量方法和运用比时法进行频率测量的方法。在测量得到校正值之后，设计了秒脉冲校正和利用DDS实现频率校正的方案。绝对时间同步系统选用先进的可灵活编程的逻辑器件FPGA并采用了先进的EDA设计方法设计了测量和校正模块。通过功能仿真、时序仿真及试验验证了该系统实现的可行性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1时间和时间同步的基本概念

1.2高精度时间同步技术的应用

1.3时间同步技术发展现状

1.4论文的主要工作及安排

第2章时间同步的外部时间基准

2.1搬运钟法实现同步的原理

2.2“北斗”卫星系统授时技术

2.2.1“北斗”卫星系统的工作原理

2.2.2“北斗”卫星系统授时模式

2.2.3单向授时和双向授时的比较

2.2.4北斗时钟同步实验

2.3 GPS授时技术

2.3.1 GPS卫星定位系统简介

2.3.2 GPS授时原理

2.3.3 GPS误差源分析

2.4本章小结

第3章绝对时间同步系统总体设计

3.1绝对时间同步系统总体方案

3.2绝对时间同步系统的硬件选择

3.2.1原子钟频率标准

3.2.2外部时间基准的获取

3.2.3测量和校正模块

3.2.4微处理器

3.3软件设计流程

3.4本章小结

第4章秒脉冲同步的实现

4.1秒脉冲同步的方案

4.2秒脉冲同步测量

4.2.1时间间隔的测量原理

4.2.2基于数字移相的秒脉冲间隔测量的实现

4.2.3测量精度分析

4.3秒脉冲校正

4.3.1秒脉冲校正方案的选择

4.3.2秒脉冲校正的实现

4.4秒脉冲同步的软件设计

4.5本章小结

第5章频率的测量与校正

5.1频率测量和校正的方案

5.2频率测量

5.2.1频率的技术指标

5.2.2频率测量的原理

5.2.3频率测量的实现

5.3频率校正

5.3.1直接数字频率合成

5.3.2 DDS校正频率的实现

5.3.3频率校正值的计算

5.4本章小结

结论

参考文献

致谢