具有北斗3号授时的多通道1PPS测试系统的制作方法

具有北斗3号授时的多通道1pps测试系统
技术领域
1.本发明涉及通讯信号处理系统，具体的说，是涉及一种具有北斗3号授时的多通道1pps测试系统。


背景技术：

2.随着北斗卫星导航定位系统的全球组网成功，北斗系统更加广泛的应用于国计民生等各个领域。
3.日益增多的具有卫星接收功能的设备在精度的测量、检测、评估方面显得尤为重要。
4.目前大多数的多通道时间间隔测试系统为单纯的多信号输入比较，没有卫星校准驯服的功能，系统内部由高精度恒温晶振或原子钟提供时钟源，晶振在短期就可以输出稳定的时钟源，但由于运行时间长、环境温度的影响等造成恒温晶振的老化而输出不再准确的时钟源；长时间的测试则会导致系统的1pps测试精度降低。要想使恒温晶振一直保持高稳定度的频率源输出，可以采用外部输入1pps的方法校准。
5.传统的时间间隔测量直接计数法是将起始信号和被测信号通过fpga内部计数器直接计数即可得到起始信号和被测信号的差值，此方法使得误差最大达到一个参考时钟信号的时间周期。
6.现有的时间间隔测试系统通常采用专用的tdc测量模块或高性能的特定结构的fpga实现时间间隔的测量，前者硬件电路繁琐，且测量范围窄；后者对fpga的性能要求较高，也会成本增加。


技术实现要素：

7.针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种硬件电路简单，不需要繁琐的tdc测量模块，通过较低成本、低复杂度的fpga即可实现1pps信号测试的具有北斗3号授时驯服功能的多通道1pps测试系统。
8.本发明所采取的技术方案是：一种具有北斗3号授时的多通道1pps测试系统，包括：包括北斗3号卫星信号接收机单元、恒温晶振频标输出单元ocxo、信号处理单元、微控制器及fpga控制器单元；北斗3号卫星信号接收机单元经uart串口方式与微控制器连接；微控制器与fpga控制单元经fsmc总线方式连接；恒温晶振频标输出单元输出10m信号至fpga内，并经1pps输出端生成1路1pps信号传输至fpga内；fpga传输一路1pps信号至恒温晶振频标输出单元；多路测量通路信号经信号处理单元（缓冲器隔离电路）输入1pps被测信号至fpga内测量；上位机将每一路的1pps时间间隔测量结果实时显示。北斗3号授时的多通道1pps
测试系统的控制方法，包括如下控制步骤：步骤s100，开始；步骤s101，北斗3号卫星接收机单元接收卫星信号；步骤s102，北斗3号卫星接收机单元通过串口向微控制器发送带有时间信息的报文信息，输出1pps信号至fpga控制器单元和微控制器单元；步骤s103，fpga控制器单元接收到1pps信号后，经缓冲处理后输出至恒温晶振频标输出单元的1pps信号输入端标校恒温晶振；步骤s104，恒温晶振频标输出单元内部自带1pps信号驯服及相位跟踪处理，根据输入的1pps信号同步输出一路同相位1pps信号，恒温晶振频标输出单元输出1pps信号至fpga；步骤s105，将恒温晶振频标输出单元输出的1pps信号做为信号间隔测量的起始信号，恒温晶振频标输出单元同时输出经过标校的稳定10m频率源至fpga控制器单元；将经过fpga控制器单元倍频并移相的10m信号作为1pps信号间隔测量的时钟参考信号；步骤s106，输入信号输入至fpga控制器单元内与起始信号做比较，得到测量差值；步骤s107，fpga控制器单元将测量差值经fsmc总线传输至微控制器；步骤s108，微控制器得到数据后进行缓存并经串口输出到上位机；步骤s109，上位机将每一路的1pps时间间隔测量结果实时显示；步骤s110，结束。
9.fpga通过内部的pll锁相环将恒温晶振输出的10m信号分别倍频并移相到0
°
的200m，90
°
的200m，180
°
的200m和270
°
的200m；将每一路倍频移相后的时钟频率分别作为时间间隔测量的时钟参考信号，起始信号和被测信号的差值采用时间间隔直接计数法测量偏差，将4路移相后的偏差数据进行平均计算；被测信号1pps差值即为。
10.所述10m信号倍频到200m，一个时钟周期即为5ns，经过移相后的4路时钟参考信号，每一路得到一个时间间隔测量值，对4路下的时间间隔测量值进行平均计算，得到1.25ns的分辨率。
11.所述fpga内部计数器实现0ns～999999999ns范围的时间间隔测量。
12.本发明相对现有技术的有益效果：本发明具有北斗3号授时的多通道1pps测试系统，时间间隔测量实现只通过采用低复杂度的fpga即可实现ns级精度的时间间隔测量；采用一个定期标校的北斗3号接收机做内置信源；信源标校内部的国产恒温晶振，形成1pps作为基准；同时用卫星接收机的时间做输出报文的时间戳，使恒温晶振在北斗3号卫星接收机授时的校准驯服下可以一直保持输出较高稳定度的频率源信号。
13.本发明具有北斗3号授时的多通道1pps测试系统，硬件电路简单，不需要繁琐的tdc测量模块，通过较低成本、低复杂度的fpga即可实现1pps信号测试，实现1.25ns精度的测量，测量范围为：0ns～999999999ns。
附图说明
14.图1是本发明具有北斗3号授时的多通道1pps测试系统的结构原理示意图；图2是是本发明具有北斗3号授时的多通道1pps测试系统的时钟周期信号处理原理图；图3是是本发明具有北斗3号授时的多通道1pps测试系统的时钟信号移相角度分别为0
°
计数方法原理图；图4是是本发明具有北斗3号授时的多通道1pps测试系统的时钟信号移相角度分别为90
°
计数方法原理图；图5是是本发明具有北斗3号授时的多通道1pps测试系统的时钟信号移相角度分别为180
°
计数方法原理图；图6是是本发明具有北斗3号授时的多通道1pps测试系统的时钟信号移相角度分别为270
°
计数方法原理图；图7是是本发明具有北斗3号授时的多通道1pps测试系统的控制流程图。
具体实施方式
15.以下参照附图及实施例对本发明进行详细的说明：附图1-7可知，一种具有北斗3号授时的多通道1pps测试系统，包括：包括北斗3号卫星信号接收机单元、恒温晶振频标输出单元ocxo、信号处理单元、微控制器及fpga控制器单元；北斗3号卫星信号接收机单元经uart串口方式与微控制器连接；微控制器与fpga控制单元经fsmc总线方式连接；恒温晶振频标输出单元输出10m信号至fpga内，并经1pps输出端生成1路1pps信号传输至fpga内；fpga传输一路1pps信号至恒温晶振频标输出单元；多路测量通路信号经信号处理单元（缓冲器隔离电路）输入1pps被测信号至fpga内测量；上位机将每一路的1pps时间间隔测量结果实时显示。通过上位机可直观读出被测信号的1pps偏差值。
16.北斗3号授时的多通道1pps测试系统的控制方法，包括如下控制步骤：步骤s100，开始；步骤s101，北斗3号卫星接收机单元接收卫星信号；步骤s102，北斗3号卫星接收机单元通过串口向微控制器发送带有时间信息的报文信息，输出1pps信号至fpga控制器单元和微控制器单元；步骤s103，fpga控制器单元接收到1pps信号后，经缓冲处理后输出至恒温晶振频标输出单元的1pps信号输入端标校恒温晶振；步骤s104，恒温晶振频标输出单元内部自带1pps信号驯服及相位跟踪处理，根据输入的1pps信号同步输出一路同相位1pps信号，恒温晶振频标输出单元输出1pps信号至fpga；步骤s105，将恒温晶振频标输出单元输出的1pps信号做为信号间隔测量的起始信
号，恒温晶振频标输出单元同时输出经过标校的稳定10m频率源至fpga控制器单元；将经过fpga控制器单元倍频并移相的10m信号作为1pps信号间隔测量的时钟参考信号；步骤s106，输入信号输入至fpga控制器单元内与起始信号做比较，得到测量差值；多路输入信号电路输入被测频标信号，经多路信号处理电路单元理后（现有计数即硬件电路缓冲器实现电路隔离处理）输入至fpga内与起始信号做比较。
17.步骤s107，fpga控制器单元将测量差值经fsmc总线传输至微控制器；步骤s108，微控制器得到数据后进行缓存并经串口输出到上位机；步骤s109，上位机将每一路的1pps时间间隔测量结果实时显示；步骤s110，结束。
18.fpga通过内部的pll锁相环将恒温晶振输出的10m信号分别倍频并移相到0
°
的200m，90
°
的200m，180
°
的200m和270
°
的200m；将每一路倍频移相后的时钟频率分别作为时间间隔测量的时钟参考信号，起始信号和被测信号的差值采用时间间隔直接计数法测量偏差，将4路移相后的偏差数据进行平均计算；被测信号1pps差值即为 。
19.直接计数法中是采用计数器对时间间隔进行计数，计数器的最小单位是一个时钟周期，计数器的最小单位决定了直接计数法的计数精度，即为一个参考时钟信号的周期。
20.所述10m信号倍频到200m，一个时钟周期即为5ns，经过移相后的4路时钟参考信号，每一路得到一个时间间隔测量值，对4路下的时间间隔测量值进行平均计算，得到1.25ns的分辨率。
21.所述fpga内部计数器实现0ns～999999999ns范围的时间间隔测量。
22.本发明具有北斗3号授时的多通道1pps测试系统，采用一个定期标校的北斗3号接收机做内置信源。
23.信源标校内部的国产恒温晶振，形成1pps作为基准。
24.同时用卫星接收机的时间做输出报文的时间戳。
25.系统内部整合15路高阻抗、隔离接收电路，在fpga内对信源与15路外部频标做比对，输出到上位机软件可观测被测信号与参考信号的1pss差值。
26.北斗3号卫星接收机可对系统内恒温晶振做标校，卫星接收机通过卫星天线接收到卫星信号后，输出1pps信号至fpga内，经fpga内部缓冲处理后输出至恒温晶振1pps输入端。
27.恒温晶振内部接收1pps信号后，恒温晶振内置驯服模块可用fpga输出的1pps标校后，同步输出稳定的1pps信号至fpga内作为测量系统的起始信号。
28.经1pps信号驯服的晶振可输出稳定的频率源，恒温晶振短期稳定度较高，但由于使用时间、温度及环境影响变化而引起的晶振老化问题会导致输出的频率源不准确。
29.恒温晶振要想保持较高的稳定度，需要外部的1pps信号对其有校准驯服的过程。
30.多通道测试系统需要稳定准确的频率源，不准确的频率源则会导致1pps信号测试不准确。
31.具有北斗授时的多通道测试系统，可以使恒温晶振在北斗3号卫星接收机授时的
校准驯服下可以一直保持输出较高稳定度的频率源信号。
32.本发明通过利用较低成本、低复杂度的fpga即可实现1pps信号测试，不需要繁琐的tdc测量模块，硬件电路简单，依据低成本、低复杂度的fpga可实现1.25ns精度的测量，测量范围可实现0ns～999999999ns。
33.北斗3号卫星信号接收单元采用中科微agtm331c-5t型号，其中一路串口可输出带有时间戳的报文，可输出一路1pps信号至fpga缓冲后输出至恒温晶振的1pps输入端作为恒温晶振的标校驯服信号。
34.恒温晶振频标输出单元采用高集成化时钟模块，输出频率为10mhz，短期稳定度可达1e-12/s。
35.多路输入信号处理单元采用缓冲器74lvc1g125对外部输入信号起到电气隔离作用，并提高输入阻抗使得驱动能力较弱的输入信号仍能被正常测试。
36.微控制器采用stm32f407zgt6，接收来自卫星信号接收单元的串口带有时间信息的报文，并处理来自fpga对1pps测量后的数据并由串口传输至上位机显示。
37.fpga控制器单元采用ep4ce22e22c8n，fpga对时钟模块输出的10m信号通过内部pll对其倍频至200m并进行移相处理，移相角度分别为0
°
，90
°
,180
°
,270
°
，将移相后的时钟信号分别作为1pps间隔测量的时钟触发信号。
38.北斗3号卫星接收机，设置配备两路卫星天线接收信号，由于天线长度影响卫星信号接收而存在时延问题，卫星接收机预设补偿值，线缆补偿策略可保证卫星接收机源信号的准确度。
39.北斗3号卫星接收机通过天线接收卫星信号可直接输出ttl电平的时间报文及1pps信号。
40.具有北斗3号卫星授时的多通道测试系统，通过北斗三号卫星接收机接收卫星信号对系统的恒温晶振进行校准驯服，恒温晶振通过接收经fpga缓冲后的卫星1pps信号，通过内部信号处理使得恒温晶振内部的1pps信号与北斗卫星1pps信号进行调节及相位对齐，使其输出稳定准确的频率。
41.本发明具有北斗授时的多通道测试系统，北斗3号卫星接收机单元接收卫星信号后，卫星接收机可通过串口向微控制器发送带有时间信息的报文信息，并可输出1pps信号至fpga控制器单元和微控制器单元。fpga接收到1pps信号后，经缓冲处理后输出至恒温晶振的1pps信号输入端标校恒温晶振，恒温晶振内部自带1pps信号驯服及相位跟踪处理，可根据输入的1pps信号同步输出一路同相位1pps信号，恒温晶振输出1pps信号至fpga内做1pps信号时间间隔测量的起始信号，恒温晶振同时输出经过标校的稳定10m频率源至fpga内部计数器作为1pps信号时间间隔测量的时钟参考信号。
42.多路输入信号电路部分可输入被测频标信号，经多路信号处理电路单元理后（现有计数即硬件电路缓冲器实现电路隔离处理）输入至fpga内与起始信号做比较。
43.现有的时间间隔测试系统通常采用专用的tdc测量模块或高性能的特定结构的fpga实现时间间隔的测量，前者硬件电路繁琐，且测量范围窄；后者对fpga的性能要求较高，也会成本增加。
44.本发明具有北斗授时的多通道测试系统，时间间隔测量实现只通过采用低复杂度的fpga即可实现ns级精度的时间间隔测量。
45.传统的时间间隔测量直接计数法是将起始信号和被测信号通过fpga内部计数器直接计数即可得到起始信号和被测信号的差值，本发明使得误差最大达到一个参考时钟信号的时间周期。
46.fpga通过内部的pll锁相环将恒温晶振输出的10m信号分别倍频并移相到0
°
的200m，90
°
的200m，180
°
的200m和270
°
的200m。将每一路移相后的时钟信号分别作为时间间隔测量的时钟参考信号，起始信号和被测信号的差值采用时间间隔直接计数法测量偏差，将4路移相后的偏差数据进行平均计算。
47.本发明具有北斗授时的多通道测试系统，将10m信号倍频到200m，一个时钟周期即为5ns，经过移相后的4路时钟参考信号，每一路都可得到一个时间间隔测量值，对4路下的时间间隔测量值进行累加平均计算，即可得到1.25ns的分辨率。
48.通过fpga内部计数器即可实现0ns～999999999ns范围的时间间隔测量。
49.本发明具有北斗授时的多通道测试系统，具有实现电路简单、测量范围大，易于集成等优势。
50.经fpga内部比对计算方法处理后，fpga将处理后的时间间隔信息经fsmc总线传输至微控制器单元，微控制器可通过串口实现与上位机通信，上位机将每一路的1pps时间间隔测量结果实时显示，通过上位机可直观读出被测信号的1pps偏差值。
51.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的结构作任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明的技术方案范围内。