CN103984809B - 一种星间时差补偿方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星间时差补偿方法，以现有的NCO数字相位补偿系统为基础，结合高精度的多路时钟移相，通过对不同相位的时钟进行合理选择，依据星间时差测量结果，实现对星间时差进行补偿；本发明还公开了一种星间时差补偿系统，通过仿真和理论分析，分析影响时差补偿精度的各种因素，在分析完成后，对仿真模型进行进一步的修正和改进，使之能够与实际情况最为接近。

Description

一种星间时差补偿方法和装置

技术领域

本发明涉及射频通信以及数字信号处理领域，特别涉及一种星间时差补偿方法和装置。

背景技术

在航天测控系统中，时差的测量和时间的同步占有非常重要的地位，无论是测量还是通信，都需要有较高精度的时间基准，测控系统中的时钟同步特性好坏很大程度上影响通信效率、测量精度等。随着航天测控技术的不断发展，航天器的功能越来越强大，执行的任务越来越复杂，对时钟同步提出了更加高的要求。将星间时差测量的结果进行补偿，即可实现星间时间的同步。

目前国内外采用的时差补偿方法主要有三种，VCO补偿法、NCO补偿法和DCO补偿法。VCO补偿法是将时差测量的结果作为鉴相器的输出，通过DA将相位差信号转换为电平信号，经过环路滤波器和VCO后，得到补偿后的信号。NCO补偿法直接将时钟相位差在数字域中进行补偿。DCO是数控晶振的简称，广泛的应用于ASIC设计中，用于产生可以人为控制频率和相位的数字时钟。采用DCO输出的时钟作为系统的工作时钟，可以通过更改寄存器的值修改时钟的频率和相位，从而实现对时差的补偿。本发明结合实际需要和客观条件，选择以NCO补偿法为基础，提出改良的、基于NCO补偿的时差补偿方法，在不大幅增加系统负担的情况下提升时差补偿的性能。

发明内容

本发明的目的是以现有的NCO数字相位补偿系统为基础，结合高精度的多路时钟移相，通过对不同相位的时钟进行合理选择，依据星间时差测量结果，实现对星间时差进行补偿。

一种星间时差补偿方法，包括以下步骤：

1)对原始输出时钟进行粗移相操作，得到多路不同相位的时钟；

2)将多路不同相位的时钟输入过零相位检测器，根据过零相位检测器的结果，选择与真实时钟最接近的一路时钟作为输出；

3)对步骤2)中输出的时钟进行精移相操作，得到精移相后的多路不同相位的时钟；

4)对精移相后的多路不同相位的时钟，重复步骤2)中的操作，得到最终的输出时钟。

在进行粗移相操作时，移相的步进为1.8ns，可以将实际时钟与目标时钟的时差保持在900ps以内。

在进行精移相操作时，移相的步进为300ps，可以将实际时钟与目标时钟的时差保持在150ps以内。

经粗移相和精移相操作后，均得到6路不同相位的时钟。

本发明还提供了一种星间时差补偿系统，包括：

NCO时钟产生模块，用于产生原始输出时钟；

第一级补偿模块，用于对原始输出时钟进行粗移相操作，并得到多路不同相位的时钟；

第一过零相位检测器，用于确定第一级补偿模块的一路输出时钟；

第二级补偿模块，用于对第一级补偿模块的一路输出时钟进行精移相操作，得到多路不同相位的时钟；

第二过零相位检测器，用于确定第二级补偿模块的最后的输出时钟。

所述的第一级补偿模块包括第一移相网络模块和第一多路选择器；

所述的第一移相网络模块，用于对原始输出时钟进行粗移相操作；

所述的第一多路选择器，用于根据第一过零相位检测器的结果向第二级补偿模块进行时钟输出。

所述第一移相网络模块上移相的步进为1.8ns，可以将实际时钟与目标时钟的时差保持在900ps以内。

所述的第二级补偿模块包括第二移相网络模块和第二多路选择器；

所述的第二移相网络模块，用于对第一级补偿模块的输出时钟进行精移相操作；

所述的第二多路选择器，用于根据第二过零相位检测器的结果输出最后的输出时钟。

所述的第二移相网络模块上的移相的步进为300ps。可以将实际时钟与目标时钟的时差保持在150ps以内。

所述的第一多路选择器和第二多路选择器均为6选1数据选择器，用于从6路不同相位的时钟中选择一路作为输出。

本发明首先对整个星间时差补偿系统进行精确的建模，在建模过程中对模型中每个节点的时延进行精确的控制。模型建立之后，通过仿真和理论分析，分析影响时差补偿精度的各种因素，包括时差测量结果的精度、时钟移相精度、选择器输入路径不等长造成的传播相位差、处理时钟的边沿抖动等。在以控制变量法分析完每个因素的独自影响后，针对多因素共同作用时，系统的补偿精度恶化的倍增情况进行多变量分析，确定出影响补偿精度的关键因素。在分析完成后，对仿真模型进行进一步的修正和改进，使之能够与实际情况最为接近。

本发明提出的时差补偿系统为实时闭环负反馈系统，因此除了考虑时差补偿的精度之外，还考虑了闭环系统中的实时性和稳定性。

本发明在对时差补偿系统模型进行优化后，进行系统的实现。系统的实现主要由软件无线电的方式进行，在FPGA内部实现。系统实现后，在modelsim中进行仿真测试。

附图说明

图1是星间时差补偿方案的框图；

图2是星间时差补偿方案各时钟关系示意图；

图3是星间时差补偿模型示意图；

图4是第一级补偿完成后的各节点时钟示意图；

图5是第二级补偿完成后的各节点时钟示意图；

图6是目标时钟的频谱特性示意图；

图7是NCO产生的原始输出时钟频谱特性示意图；

图8是第一级补偿后的时钟频谱特性示意图；

图9是第二级补偿后的时钟频谱特性示意图；

图10是8.67MHz时钟结果示意图；

图11是15.26MHz时钟结果示意图；

图12是29.84MHz时钟结果示意图；

图13是37.72MHz时钟结果示意图；

图14是43.11MHz时钟结果示意图。

具体实施方式

NCO补偿法由于为同步电路，输出时钟的上升沿与处理时钟的上升沿对齐，并不是真正的时钟相位过零点位置，与真正的时钟相位过零点位置存在随时间变化的偏差，从而导致输出时钟的边沿存在抖动，影响了时钟的特性。通过在时钟后端接入移相网络，产生各个相位的时钟，然后通过过零相位检测器的值来选择合适的时钟进行输出，可以有效的降低时钟边沿的抖动，提高时钟的质量。

补偿的方案如图1所示星间时差补偿的前半部分与NCO补偿相同，先产生一个原始输出时钟，然后对该时钟进行移相，得到一组不同相位的时钟，然后由过零相位检测器的结果选择与真实时钟最接近的一个时钟相位进行输出，从而得到边沿抖动较小的时钟。

为了提高补偿后时钟的质量，采用两级移相网络的方法，第一级为粗移相网络，移相的步进为1.8ns，可以将实际时钟与目标时钟的时差保持在900ps以内，第二级为精移相网络，移相的步进为300ps，可以将实际时钟与目标时钟的时差保持在150ps以内。图2为星间时差补偿方案各时钟关系示意图。

针对上节提出的时钟补偿方法进行了建模和仿真。仿真时认为环路已稳定，NCO的输入用一个常数代替。仿真模型如图3所示，仿真结果如图4～图14所示。

图3左上矩形框“Constant”内为NCO时钟产生模块，根据设置的频率控制字产生对应频率的时钟；右上矩形框“phase_shift”和“MultiportSwitch”为第一级补偿模块，由一个移相网络和一个多路选择器组成；该模块将NCO产生的时钟进行以1.8ns为步进的移相，共产生6路不同相位的时钟，然后根据过零检测器的值，选择最合适的时钟进行输出；顶部中间的矩形框内是两个过零相位检测器，通过检测过零点之后的第一个相位值，判断该选择哪个移相时钟进行输出，两个过零检测器分别负责产生两级补偿模块的时钟选择控制信号；右下矩形框“phase_shift1”和“MultiportSwitch1”内为第二级补偿模块，它接收第一级补偿模块的结果，并将其进行以300ps为步进的更精细的移相，产生6路不同相位的时钟，然后根据过零检测器的值，选择最合适的时钟作为最后的时钟输出。

以110MHz系统时钟产生40MHz时钟为例，图4是经过第一级补偿后个节点的时钟，从上到下依次为原始输出时钟、移相1.8ns时钟、移相3.6ns时钟、移相5.4ns时钟、移相7.2ns时钟、移相9.0ns时钟、补偿后的输出时钟、目标时钟，可以看出，与原始输出时钟相比，补偿后的时钟已经有了很大的改善，边沿与目标时钟的差距明显减小，不超过0.74ns。

图5是经过第一级补偿后各节点的时钟，从上到下依次为第一级补偿的输出时钟、移相300ps时钟、移相600ps时钟、移相900ps时钟、移相1200ps时钟、移相1500ps时钟、第二级补偿后的输出时钟、目标时钟，可以看出，与第一级补偿输出的时钟相比，第二级补偿后的时钟又有了很大的改善，边沿与目标时钟的差距明显减小，不超过143ps。

图6～图9分别显示了目标时钟、原始输出时钟、第一级补偿输出时钟、第二级补偿输出时钟的频谱特性，可以看出，原始输出时钟的频谱特性很差，产生了很多的杂散频率，进过第一级补偿后有了明显的改善，经过第二级补偿后几乎与目标时钟的频谱特性相同。说明该方法在提高补偿后时钟的质量上确实有效。

图6为目标时钟的频谱特性，由于目标时钟为方波，因此仅存在40MHz谱线及其高次谐波的谱线。在40MHz附近，基底噪声小于-100dB。

图7为NCO产生的时钟频谱特性，可以看到除了在40MHz及其高次谐波处存在谱线外，还产生了很多由于时钟边沿抖动产生的杂散谱线，并且在40MHz附近，基底噪声被抬高到-80dB左右。

图8为经过第一级补偿后的时钟频谱特性，与NCO的输出信号相比，第一级补偿减少了部分杂散频率，并且将40MHz处的基底噪声降低到了-90dB左右，优化了时钟的特性。

图9为第二级补偿后的时钟频谱特性，可以看到杂散频率基本被消除掉，只留下了40MHz及其高次谐波的谱线，基底噪声也降低到了-100dB以下。即在110MHz产生40MHz这种条件下，经过两级补偿后的时钟信号的频谱特性与目标时钟基本保持一致。

为了验证方法在产生不同时钟时的有效性和通用性，分别用110MHz的系统时钟产生8.67MHz、15.26MHz、29.84MHz、37.72MHz、43.11MHz等几个随机选取的时钟，所得的结果如图10～图14所示。

图10是110MHz时钟产生8.67MHz时钟时各个节点的频谱特性。可以看到，与110MHz产生40MHz时钟时的情况类似，NCO产生的时钟包含有较多的杂散频率并且基底噪声被抬高，经过两级补偿后杂散逐渐被抑制，基底噪声逐渐降低，最终的输出时钟与目标时钟的频谱特性基本一致。

图11～图14基本也反映了类似的结果，即经过两级补偿后，杂散得到逐渐抑制，基底噪声逐渐降低，最终的输出时钟与目标时钟的频谱特性差异较小。

通过上述仿真，我们可以看出该方法是可行的，并且在提高输出时钟的质量上是非常有效的。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种星间时差补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对原始输出时钟进行粗移相操作，得到多路不同相位的时钟；

在进行粗移相操作时，移相的步进为1.8ns；

2)将多路不同相位的时钟输入过零相位检测器，根据过零相位检测器的结果，选择与真实时钟最接近的一路时钟作为输出；

3)对步骤2)中输出的时钟进行精移相操作，得到精移相后的多路不同相位的时钟；

在进行精移相操作时，移相的步进为300ps；

4)对精移相后的多路不同相位的时钟，重复步骤2)中的操作，得到最终的输出时钟。

2.如权利要求1所述的星间时差补偿方法，其特征在于，经粗移相和精移相操作后，均得到6路不同相位的时钟。

3.一种星间时差补偿系统，其特征在于，包括：

NCO时钟产生模块，用于产生原始输出时钟；

第一级补偿模块，用于对原始输出时钟进行粗移相操作，并得到多路不同相位的时钟；所述的第一级补偿模块包括第一移相网络模块和第一多路选择器；所述的第一移相网络模块，移相的步进为1.8ns，用于对原始输出时钟进行粗移相操作；所述的第一多路选择器，用于根据第一过零相位检测器的结果向第二级补偿模块进行时钟输出；

第一过零相位检测器，用于确定第一级补偿模块的一路输出时钟；

第二级补偿模块，用于对第一级补偿模块的一路输出时钟进行精移相操作，得到多路不同相位的时钟；所述的第二级补偿模块包括第二移相网络模块和第二多路选择器；所述的第二移相网络模块，移相的步进为300ps，用于对第一级补偿模块的输出时钟进行精移相操作；所述的第二多路选择器，用于根据第二过零相位检测器的结果输出最后的输出时钟；

第二过零相位检测器，用于确定第二级补偿模块的最后的输出时钟。

4.如权利要求3所述的星间时差补偿系统，其特征在于，所述的第一多路选择器和第二多路选择器均为6选1数据选择器。