CN104199275B - 一种tdc时间间隔测量温度补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种TDC时间间隔测量温度补偿方法，其中被测输入信号分别为f1、f2，测量前先将f1功分器分为2路，然后，将3路输入信号分别接入至TDC测量单元的Start、Stop1、Stop2通道，同时时间同步单元利用参考时钟fc产生本地时间戳；当TDC时差测量和温度测量开启后，时间同步单元给每一个输出观测量记录对应时刻，并将输出的时差Yt和温度Xt进行实时对齐后输入到误差传递函数模块、以及将T1‑2输入到实时温度补偿模块；接着，误差传递函数模块利用前N个点观测量时差Yt、温度Xt为取样窗口拟合温度与通道1时差的误差传递函数；最后对当前测量的T1‑2(t)进行补偿，输出f1至f2的时间间隔值△T。本发明的方法具有解决时间间隔测量受温度影响的问题、提高TDC时间间隔测量精度的优点。

Description

一种TDC时间间隔测量温度补偿方法

技术领域

本发明涉及卫星导航技术领域，尤其涉及卫星导航地面站时频系统组网的时频信号高精度时间间隔测量设备研制技术，特别是在原子钟与时频系统技术范畴提出了一种TDC时间间隔测量温度补偿方法。

背景技术

在GNSS系统中，高精度的时间间隔测量技术在时频基准完好性监测上有着重大意义。近年来基于时间-数字转换(Time Digital Converter，TDC)芯片门电路时延的精密时间间隔测量技术是研究的热点，美、日、欧等国家均对此做了大量研究，他们利用在集成电路领域的优势，发展了大量成熟的TDC测量芯片，分辨率一般在15ps～25ps之间。用TDC测量时间间隔的优点是成本低、技术简单、集成度高、功耗低、性能稳定且表现出很好测量精度。但由于电路元件存在固有的温度敏感性，导致时间间隔测量结果存在较强的温度相关性，引起测量误差，需要反复的校准。

TDC时间间隔测量的实现原理如图1所示。TDC测量一般至少存在两个输入通道f_ch1和f_ch2，测量开始后f_ch1、f_ch2通过检测器产生的触发脉冲输入、接着鉴别器利用脉冲信号边沿达到预先设定的门限的时刻产生Start开门和Stop关门脉冲，然后通过时间-数字转换得到开阀门到关阀门累计时标τ的二进制计数个数N，通过计算可以求得信号之间经过的时差△T，完成本次时间间隔测量。实现TDC的方法有很多，如计数器方式、电流积分方式、数字时延线方式、延迟锁定环方式等。图2为一种基于数字时延线结构的TDC基本结构，图中每两个基本的CMOS反向门和1个D触发器组成一个延时单元，每个延时单元的时延固定且相同(精度在ps量级)，起始脉冲信号沿延迟线传播，当终止脉冲来到时，经过若干延时单元到达相应的抽头处的起始脉冲信号被记录入寄存器，由此即可测得时间间隔。

在图2中，假设每个延时单元的时延值为τ，寄存器记录的Start脉冲信号和Stop脉冲信号经过的时延单元数为N，时间间隔测量值为△T，则有：

△T＝N*τ (1)

电子测量误差来源按其性质和特点可分为系统误差、随机误差和粗大误差三种^[7]，在TDC测量中随机误差通过多次等精度测量平均减少，粗大误差通过阈值判决剔除，系统误差是TDC测量分析的重点。

根据图2测量原理及相关参考文献可知系统误差来源有电源电压、环境温度、信号源噪声、触发电平、系统布线、系统时钟、通道时延等，主要误差源为延时单元的时延值τ随温度变化的波动。因此，需要对TDC的测量结果进行温度补偿。

本发明针对TDC时间间隔测量中的温度误差，提出了一种TDC温度补偿方案，解决时间间隔测量受温度影响的问题。

发明内容

为克服现有方法的不足，本发明提供一种TDC时间间隔测量温度补偿方法。

一种TDC时间间隔测量温度补偿方法，其中被测输入信号分别为f₁、f₂，测量前先将f₁功分器分为2路，其中进TDC测量单元的Stop1通道前的功分信号增加一段固定时延线用于满足TDC最小测量范围及零值校准；然后，将3路输入信号分别接入至TDC测量单元的Start、Stop1、Stop2通道，同时时间同步单元利用参考时钟f_c产生本地时间戳；当TDC时差测量和温度测量开启后，时间同步单元给每一个输出观测量记录对应时刻，并将输出的时差Y_t和温度X_t进行实时对齐后输入到误差传递函数模块、以及将T_1-2输入到实时温度补偿模块；接着，误差传递函数模块利用前N个点观测量时差Y_t、温度X_t为取样窗口拟合温度与通道1时差的误差传递函数，另外，误差传递函数会通过取样窗口实时滑动自动更新；最后利用实时更新的误差传递函数和当前测量温度对当前测量的T_1-2(t)进行补偿，输出f₁至f₂的时间间隔值△T；

其中Y_t表示TDC测量的Start开门信号至Stop1关门信号的时差原始观测量、T_1-2表示TDC测量的Start开门信号至Stop2关门信号的时差原始观测量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)针对TDC时间间隔测量中的温度误差，本发明解决时间间隔测量受温度影响的问题；

(2)使用本方法可以使得TDC时间间隔测量精度得到较大改善；

(3)该方法对基于TDC的高精度时间间隔测量具有一定应用价值。

为了更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明和附图，然而所附图仅提供参考与说明，并非用来对本发明加以限制。

附图说明

图1图为TDC时间间隔测量实现原理图；

图2图为数字时延线结构的TDC测量原理图；

图3图为本发明TDC温度补偿方法原理图；

图4图为本发明TDC温度补偿方法实现流程图；

图5图为本发明温度补偿验证测试平台连接图；

图6图为本发明实施例中TDC无温度补偿与SR620实测结果对比图；

图7图为本发明实施例中拟合的温度与TDC函数y＝f(x)曲线图；

图8图为本发明实施例中TDC温度补偿后与SR620实测结果对比图；

具体实施方式

本发明的TDC时间间隔测量温度补偿方法的实现原理如图3所示，被测输入信号为f₁、f₂，测量前先将f₁功分器分为2路，进Stop1通道前的功分信号需要增加一段固定时延线用于满足TDC最小测量范围及零值校准；然后，将3路输入信号接入送至TDC测量单元的Start、Stop1、Stop2通道，同时时间同步单元利用参考时钟f_c产生本地时间戳；当TDC时差测量和温度测量开启后，时间同步单元给每一个输出观测量记录对应时刻，并将输出的时差Y_t、T_1-2和温度X_t进行实时对齐后输入到误差传递函数模块(拟合误差函数)和实时温度补偿模块，其中Y_t表示TDC测量的Start开门信号至Stop1关门信号的时差原始观测量、T_1-2表示TDC测量的Start开门信号至Stop2关门信号的时差原始观测量；接着，误差传递函数模块利用前N个点观测量时差Y_t、温度X_t为取样窗口拟合温度与通道1时差的误差传递函数，另外，误差传递函数会通过取样窗口实时滑动自动更新；最后利用实时更新的误差传递函数和当前测量温度对当前测量的T_1-2(t)进行补偿，输出f₁至f₂的时间间隔值△T。

具体来说，本文中的TDC温度补偿方法是基于通道1同源测量的前n个点观测量的误差预报对通道2当前测量值实时温度补偿实现的。

假设，在一段时间戳完全同步的时间段t，温度测量单元输出的前N个观测量的时间序列为X_t，同时TDC测量单元通道1输出的前N个观测量的时间序列为Y_t，X_t和Y_t以等间隔h输入到误差传递函数模块中，从而得到由双变量过程产生的一对离散时间序列，我们把时间序列在时刻t₀+h，t₀+2h，…，t₀+Nh的值记为(X₁，Y₁)，(X₂，Y₂)，…，(X_N，Y_N)。

设X_t序列随时间变化的函数为x_t，设Y_t随时间变化的函数为y_t，由于x_t、、y_t、的时刻一一对应于，所以可以根据前N个观测量，以温度值为x坐标，TDC原始观测量为y坐标，拟合出温度与TDC原始观测量的相关函数记为：

y＝f(x) (2)

现在，由于Y_t测量的输入信号同源，且在GNSS时频基准系统中输入信号f₁的频率稳定度＜1×10^-10@1s。在对TDC测量结果进行实时补偿时需要一个补偿的参考原点，由(2)式，不妨设在温度x＝C₀时，测量通道1的时间间隔值真值为常数y＝A，即(C₀，A)为补偿的参考原点。

设在t时刻，实时测量的温度为C_t，由公式(2)求推导出的对应TDC测量计算值为T_t、原始测量值偏离真实值的误差为δ_t，则有:

$\left\{\begin{array}{c}A=f\left(C_0\right)\\ T_t=f\left(C_t\right)\\ {\mathrm{\δ}}_t=f\left(C_t\right)-f\left(C_0\right)=f\left(C_t\right)-A\end{array}\right.---\left(3\right)$

设在t时刻，TDC实时测量输出的通道2时差原始观测量为T_1-2，原始测量值偏离真实值的误差为δ，实时补偿后输出的时间间隔值为△T，由于TDC测量通道1和通道2的电路特性相同，可以认为通道2的温度测量误差和通道1相同，则有：

△T＝T_1-2-δ＝T_1-2-δ_t＝T_1-2-f(C_t)-A (4)

由式(4)即为得到通道2实时温度补偿后输出的f₁至f₂的时间间隔。

以上讨论了利用温度测量数据对TDC时间间隔进行实时补偿的方法原理，其实现流程如图4所示，具体实现步骤为：

a)开启TDC测量和温度测量；

b)实时给每一个输出到数据处理前的TDC观测量和温度观测量打上对应的时刻信息；

c)同步每组TDC和温度观测量对应的时刻信息；

d)取t时刻前等间隔的N个TDC通道1原始观测量和温度观测量为样本，拟合公式(2)温度与测量值的关系函数；

e)利用公式(4)对TDC通道2的原始观测量进行实时温度补偿；

f)输出t时刻输出f₁和f₂补偿后的时间间隔测量值；

g)滑动取样窗口N，更新误差传递实验，进行下一次温度补偿。

为了验证方法的性能，搭建了测试平台，如图5所示：TDC测量模块、温度测量模块及ARM数据处理模块集中在一块测量板卡上，其中TDC芯片测量分辨率典型值为90ps(RMS)，温度测量模块的测量精度为±0.5℃，ARM数据处理模块用于对观测量的进行同步处理，温度控制台为一个具备加热功能的风机；SR620为一个高精度的时间间隔计数器，测量分辨率为25ps(RMS)，用于测量温度拟合曲线，并对温度补偿结果进行对比测试验证；PC监控计算机用于记录测试数据。

图6为无温度补偿实时测试输出的结果，其中，横坐标轴为取样时间，左侧纵坐标为时间间隔刻度，右侧纵坐标为温度刻度。曲线1为TDC通道2原始测试结果，曲线2为温度测试结果，曲线3为SR620测试结果。

结果可以看出，TDC的原始测量值受温度影响很大。当外部环境温度不断上升时，由于时间间隔测量采用的延迟器件受温度影响，延迟时间减小，从而时间间隔值减小，曲线成下降趋势；温度下降时，延迟时间增加，从而时间间隔值增加，曲线成上升趋势；当温度达到动态平衡时，时间间隔值也趋于稳定。

图7为由TDC的通道1原始测量值和温度值由公式(2)拟合的函数y＝f(x)。横坐标轴为温度，纵坐标为时间间隔刻度。实线为TDC通道1的原始数据测试值，星号曲线为拟合的函数曲线。

从图中测试结果和拟合的误差函数表明，TDC通道1的原始观测量值和温度变化两者关系为负线性相关。

图8为利用对公式(4)进行实时补偿后的测试结果，其中，横坐标轴为取样时间，左侧纵坐标为时间间隔刻度，右侧纵坐标为温度刻度。曲线1为TDC通道2原始测试结果，曲线2为TDC通道2补偿后测试结果，曲线3为SR620测试结果，曲线4为温度测试结果。

从图8的实测结果可以得出，对TDC通道2原始测量值进行温度补偿后，其测得的时间间隔值明显得到改善，几乎不受温度影响。在连续4h的测试样本中，TDC通过补偿后测量值的标准偏差由未补偿的270ps降低到了76ps，TDC测量精度得到较大改善。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。

Claims (1)

1.一种TDC时间间隔测量温度补偿方法，其特征在于：被测输入信号分别为f₁、f₂，测量前先将f₁功分器分为2路，其中进TDC测量单元的Stop1通道前的功分信号增加一段固定时延线用于满足TDC最小测量范围及零值校准；然后，将3路输入信号分别接入至TDC测量单元的Start、Stop1、Stop2通道，同时时间同步单元利用参考时钟f_c产生本地时间戳；当TDC时差测量和温度测量开启后，时间同步单元给每一个输出观测量记录对应时刻，并将输出的时差原始观测量Y_t和温度X_t进行实时对齐后输入到误差传递函数模块、以及将T_1-2输入到实时温度补偿模块；接着，误差传递函数模块利用前N个点时差原始观测量Y_t、温度X_t为取样窗口拟合温度X_t与时差原始观测量Y_t的误差传递函数，另外，误差传递函数会通过取样窗口实时滑动自动更新；最后利用实时更新的误差传递函数和当前测量温度对当前测量的T_1-2(t)进行补偿，输出f₁至f₂的时间间隔值△T；

其中Y_t表示TDC测量的Start开门信号至Stop1关门信号的时差原始观测量、T_1-2表示TDC测量的Start开门信号至Stop2关门信号的时差原始观测量。