CN111538227A - 一种高精度时间测试方法、***及存储介质 - Google Patents

一种高精度时间测试方法、***及存储介质 Download PDF

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丁慧霞
王智慧
张庚
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吴赛
杨德龙
李健
王亚男
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Abstract

本发明公开了一种高精度时间测试方法、***及存储介质，包括以下步骤：1)利用共模共视测量技术从卫星获取时间信息以及共视两端因空间传输引入的时间偏差值；2)根据步骤1)获得的时间信息及时间偏差值利用NCO频率合成技术恢复出高精度的时间信号及频率信号；3)获取被测设备的时频信号，再利用TDC鉴相技术，将被测设备的时频信号与步骤2)得到的时频信号比对得出相位偏差量，再用所述相位偏差量调整得到本地时频信号的分辨率，完成高精度时间测试，该方法、***及存储介质能够有效的提高时间测量的分辨率及精度。

Description

一种高精度时间测试方法、***及存储介质
技术领域
本发明属于时间测试仪领域，涉及一种高精度时间测试方法、***及存储介质。
背景技术
目前时间测试仪的测试精度一般在100ns级别，分辨率在10ns，不能适应高精度时间测量的需求。
随着科技的发展，各种高精度设备的使用以及5G的建设，对设备的要求和标准也越来越高，时间精度的测试要求也从1微秒，到100ns，甚至到10ns的需求；5G端到端的时间精度要求控制在±130ns之内，设备输入输出之间的延时不能超过5ns。这么高的精度如何测量，对设备提出了更高的要求。为了解决这些高精度的测量要求，需要提高时间测量的分辨率和精度。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种高精度时间测试方法、***及存储介质，该方法、***及存储介质能够有效的提高时间测量的分辨率及精度。
为达到上述目的，本发明所述的高精度时间测试方法包括以下步骤：
1)利用共模共视测量技术从卫星获取时间信息以及共视两端因空间传输引入的时间偏差值；
2)根据步骤1)获得的时间信息及时间偏差值利用NCO频率合成技术恢复出高精度的时间信号及频率信号；
3)获取被测设备的时频信号，再利用TDC鉴相技术，将被测设备的时频信号与步骤2)得到的时频信号比对得出相位偏差量，再根据相位偏差量调整得到本地时频信号的分辨率，完成高精度时间测试。
步骤1)的具体操作为：
通过与主站或参考源同时观察同一颗卫星，并对数据通道与主站或参考源之间的互通数据进行分析，以获取共视两端因空间传输引入的时间偏差；
从卫星获取初步的时间信息。
步骤2)的具体操作为：
根据步骤1)获得的时间信息以及时间偏差值利用本地FPGA内部的数字控制振荡器及数字锁相环恢复得到高精度的时间和频率信号。
一种高精度时间测试***包括：
共模共视接收模块，用于利用共模共视测量技术获取时间信息以及因共视两端空间传输引入的时间偏差值；
数字控制振荡器，与共模共视接收模块相连接，用于根据获得的时间信息以及时间偏差值利用NCO频率合成技术恢复出高精度的本地时频信号；
测量模块，与被测设备及数字控制振荡器相连接，用于获取被测设备的时频信号，再利用TDC鉴相技术，将被测设备的时频信号与数字控制振荡器得到的本地时频信号对比得出的相位偏差量，再根据相位偏差量调整得到本地时频信号的分辨率。
共模共视接收模块的接收精度优于5ns，
测量模块包括信号输出端、被测信号输入端、时钟信号输入端、抽头延时链、译码单元、粗计数器、累加器及若干锁存器，其中，抽头延时链由若干延时模块依次串联而成，时钟信号输入端与各锁存器的Clk端相连接，被测信号输入端与粗计数器的输入端及抽头延时链的输入端相连接，其中，一个锁存器对应一个延时模块，延时模块的输出端与对应锁存器的D端相连接，各锁存器的Q端与译码单元的输入端相连接，译码单元的输出端及粗计数器的输出端与累加器的输入端相连接，累加器的输出端与信号输出端相连接。
数字控制振荡器包括相位计数器、第一鉴相器及第二鉴相器，其中，共模共视接收模块的输出端作为基准时钟Fs端与第一鉴相器的输入端相连接，第一鉴相器的输出端及相位计数器的输出端与第二鉴相器的输入端相连接，第二鉴相器的输出端与相位计数器的输入端相连接。
当抽头延时链的延时为0.1ns，则测量精度约为0.1ns。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有程序，所述程序被处理器执行时实现所述高精度时间测试方法的步骤。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的高精度时间测试方法、***及存储介质在具体操作时，利用共模共视测量技术以获取时间信息及共视两端因空间传输引入的时间偏差值，再利用NCO频率合成技术恢复出高精度的本地时频信号，以消除由于空间传输引入的时间偏差，提高获取时间的精度，然后利用TDC鉴相技术得到被测设备的时频信号与本地时频信号的相位偏差量，即利用TDC技术以提高本地测试的分辨率，需要说明的是，本发明将共模共视测量技术、NCO频率合成技术及TDC鉴相技术相结合，以获取高精度的时间和测试的高分辨率，满足实验室和现场便携测试的需求，具有广泛的应用价值。
进一步，利用本地FPGA内部的数字控制振荡器及数字锁相环根据步获得的时间信息以及共视两端因空间传输引入的时间偏差值恢复得到高精度的本地时频信号，恢复出本地视频信号精度较高，且避免进行远程操作，同时可以降低成本。
附图说明
构成本发明的一部分说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中数字控制振荡器的结构电路图；
图3为本发明中测量模块的结构电路图。
其中，1为共模共视接收模块、2为数字控制振荡器、3为测量模块、4为被测设备、5为第一鉴相器、6为第二鉴相器、7为相位计数器、8为译码单元、9为粗计数器、10为累加器。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
本发明所述的高精度时间测试方法包括以下步骤：
1)利用共模共视测量技术从卫星获取时间信息以及共视两端因空间传输引入的时间偏差值；
步骤1)的具体操作为：通过与主站或参考源同时观察同一颗卫星，并对数据通道与主站或参考源之间的互通数据进行分析，以获取共视两端因空间传输引入的时间偏差；从卫星获取初步的时间信息。
2)根据步骤1)获得的时间信息及时间偏差值利用NCO频率合成技术恢复出高精度的本地时频信号；
步骤2)的具体操作为：
根据步骤1)获得的时间信息及共视两端因空间传输引入的时间偏差值利用本地FPGA内部的数字控制振荡器2及数字锁相环恢复得到高精度的本地时频信号。
3)获取被测设备4的时频信号，再将被测设备4的时频信号与步骤2)得到的本地时频信号利用TDC鉴相技术得被测设备4的时频信号与步骤2)得到的本地时频信号的相位偏差量，再根据相位偏差量调整得到本地时频信号的分辨率，完成高精度时间测试。
需要说明的是，在拥有本地高精度的时间和频率之后，通过采集外部输入信号与内部相关信号进行比较完成测试测量工作，而信号比较过程的颗粒度大小决定测试的分辨率，本发明借用FPGA芯片内部的TDC鉴相技术完成相位偏差测量。
TDC鉴相技术的主要原理为：利用抽头延时链(延时链的延时一般是ps级的，如100ps或200ps等)对目标信号进行延时，再使用采样时钟对经延时链延时后的信号采样，锁存延时后的值，然后经译码单元8后转换成细计数值。
参考图1，本发明所述的高精度时间测试***包括：
共模共视接收模块1，用于利用共模共视测量技术从卫星获取时间信息以及共视两端因空间传输引入的时间偏差值；
数字控制振荡器2，与共模共视接收模块1相连接，用于根据获得的时间信息以及时间偏差值利用NCO频率合成技术恢复出高精度的本地时频信号；
测量模块3，与被测设备4及数字控制振荡器2相连接，用于获取被测设备4的时频信号，再利用TDC鉴相技术，将被测设备4的时频信号与数字控制振荡器2得到的本地时频信号比对得出相位偏差量，再根据相位偏差量调整得到本地时频信号的分辨率。
参考图2，数字控制振荡器2包括相位计数器7、第一鉴相器5及第二鉴相器6，其中，共模共视接收模块1的输出端作为基准时钟Fs端与第一鉴相器5的输入端相连接，第一鉴相器5的输出端及相位计数器7的输出端与第二鉴相器6的输入端相连接，第二鉴相器6的输出端与相位计数器7的输入端相连接。
在工作时，共模共视接收模块1输出的时间信息与基准时钟Fs端在第一鉴相器5处进行两个信号的相位差检测，每一个时钟周期，相位计数器7内存贮在相位字寄存器里的值都由相位累加器进行累加，其中，所述相位累加器由相位计数器7及第二鉴相器6组成，传统的数字控制振荡器2会通过D/A及滤波模块生产正弦波，而本发明通过数字控制振荡器2输出方波，所以去掉D/A及滤波模块，以简化数字控制振荡器2的结构。
参考图3，测量模块3包括信号输出端、被测信号输入端、时钟信号输入端、抽头延时链、译码单元8、粗计数器9、累加器10及若干锁存器，其中，抽头延时链由若干延时模块依次串联而成，时钟信号输入端与各锁存器的Clk端相连接，被测信号输入端与粗计数器9的输入端及抽头延时链的输入端相连接，其中，一个锁存器对应一个延时模块，延时模块的输出端与对应锁存器的D端相连接，各锁存器的Q端与译码单元8的输入端相连接，译码单元8的输出端及粗计数器9的输出端与累加器10的输入端相连接，累加器10的输出端与信号输出端相连接。
测量模块3的主要原理为：利用抽头延时链(延时链的延时一般是ps级的，如100ps或200ps等)对目标信号Hit进行延时，再使用采样时钟Clk对经延时链延时后的信号采样，锁存延时后的值，经译码单元8后转换成细计数值，而粗计数器9部分使用采样时钟Clk对Hit信号进行计数，测量模块3的测量结果由粗计数器9的计数值和多个细计数值组成。测量精度主要受抽头延时链的延时值影响，当抽头延时链的延时为0.1ns，则测量精度约为0.1ns。
在实际应用时，普通卫星接收机的接收精度在50-100ns的水平，通过引入共模共视技术可以使输入源的精度提高到优于5ns的水平。
在获得高精度时间源头的基础上，锁相环节采用数字锁相环，数字控制振荡器2在基准时钟(Fs，NCO运行的基准频率，通过对Fs分频来产生目标信号，分频的控制K：N bit的输出信号频率控制字)的作用下，每一个时钟周期相位计数器7内存贮在相位字寄存器里的值都由相位累加器进行累加，数字控制振荡器2的分辨率和时钟周期以及数字控制振荡器2的位数成比例关系：Δf＝Fs x 2-N，Fs为本地时钟的频率，同时采用33bit的数字控制振荡器2，数字控制振荡器2的分辨率可以达到1x 10-10，可以满足ns级(1x 10-9)的时间精度要求。
输入信号被采样后与本地高精度时间进行比较测量，通过TDC测量获得，测量模块3的测量结果由粗计数器9和细计数器组成，测量精度主要受抽头延时链的延时值影响，如抽头延时链的延时为100ps，则测量精度约为100ps＝0.1ns。
在本发明所述方法和***的基础上，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有程序，所述程序被处理器执行时实现如上述高精度时间测试方法的步骤。
最后需要说明的是，本发明将共模共视测量技术、NCO频率合成技术及TDC鉴相技术相结合，以获取高精度的时间和高测试的分辨率，满足实验室和现场便携测试的需求。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于flash存储器、SD卡、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高精度时间测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)利用共模共视测量技术从卫星获取时间信息以及共视两端因空间传输引入的时间偏差值；
2)根据步骤1)获得的时间信息及时间偏差值，利用NCO频率合成技术恢复出高精度的本地时频信号；
3)获取被测设备(4)的时频信号，再利用TDC鉴相技术，将被测设备(4)的时频信号与步骤2)得到的本地时频信号比对得出相位偏差量，再根据相位偏差量调整得到本地时频信号的分辨率，完成高精度时间测试。
2.根据权利要求1所述的高精度时间测试方法，其特征在于，步骤1)的具体操作为：
通过与主站或参考源同时观察同一颗卫星，并对数据通道与主站或参考源之间的互通数据进行分析，以获取共视两端因空间传输引入的时间偏差值；
从卫星获取初步的时间信息。
3.根据权利要求1所述的高精度时间测试方法，其特征在于，步骤2)的具体操作为：
根据步骤1)获得的时间信息以及共视两端因空间传输引入的时间偏差值利用本地FPGA内部的数字控制振荡器(2)及数字锁相环恢复得到高精度的本地时频信号。
4.一种高精度时间测试***，其特征在于，包括以下步骤：
共模共视接收模块(1)，用于利用共模共视测量技术从卫星获取时间信息以及共视两端因空间传输引入的时间偏差值；
数字控制振荡器(2)，与共模共视接收模块(1)相连接，用于根据获得的时间信息以及时间偏差值利用NCO频率合成技术恢复出高精度的本地时频信号；
测量模块(3)，与被测设备(4)及数字控制振荡器(2)相连接，用于获取被测设备(4)的时频信号，再利用TDC鉴相技术，将被测设备(4)的时频信号与数字控制振荡器(2)得到的本地时频信号比对得出相位偏差量，再根据相位偏差量调整得到本地时频信号的分辨率。
5.根据权利要求4所述的高精度时间测试***，其特征在于，共模共视接收模块(1)的接收精度优于5ns。
6.根据权利要求4所述的高精度时间测试***，其特征在于，数字控制振荡器(2)包括相位计数器(7)、第一鉴相器(5)及第二鉴相器(6)，其中，共模共视接收模块(1)的输出端作为基准时钟Fs端与第一鉴相器(5)的输入端相连接，第一鉴相器(5)的输出端及相位计数器(7)的输出端与第二鉴相器(6)的输入端相连接，第二鉴相器(6)的输出端与相位计数器(7)的输入端相连接。
7.根据权利要求4所述的高精度时间测试***，其特征在于，测量模块(3)包括信号输出端、被测信号输入端、时钟信号输入端、抽头延时链、译码单元(8)、粗计数器(9)、累加器(10)及若干锁存器，其中，抽头延时链由若干延时模块依次串联而成，时钟信号输入端与各锁存器的Clk端相连接，被测信号输入端与粗计数器(9)的输入端及抽头延时链的输入端相连接，其中，一个锁存器对应一个延时模块，延时模块的输出端与对应锁存器的D端相连接，各锁存器的Q端与译码单元(8)的输入端相连接，译码单元(8)的输出端及粗计数器(9)的输出端与累加器(10)的输入端相连接，累加器(10)的输出端与信号输出端相连接。
8.根据权利要求7所述的高精度时间测试***，其特征在于，当抽头延时链的延时为0.1ns，则测量精度约为0.1ns。
9.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1至3任一项所述高精度时间测试方法的步骤。
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