FPGA设计中的亚稳态问题及其预防方法研究

由于在复杂FPGA（Field Programmable Gate Array,现场可编程门阵列）设计中存在跨时钟域,通常会产生亚稳态现象.为有效地预防和解决该问题,分析FPGA设计中亚稳态的产生机理及其对数字信号处理系统的影响.根据不同的信号同步类型,针对单比特电平信号、脉冲信号和边沿信号,分别给出基于触发器级联的跨时钟域信号同步方法;针对并行信号,提出基于异步FIFO （First In First Out,先进先出队列）和握手协议的跨时钟域同步方法;并通过仿真手段分析信号同步方法的有效性及其适用范围.结果表明：这些方法能够正确有效地完成跨时钟域信号同步,预防可能出现的亚稳态问题,从而提高复杂FPGA设计的可靠性和稳定性.     

一种基于时间触发光纤通信网络时钟同步设计

为解决传统时间触发光纤通信网络(TTFC网络)的时钟同步拥堵问题,提出了基于改进型串行时间 码(IRIG-B码)的TTFC网络时钟同步方案。该方案采用了改进型的IRIG-B码作为时钟同步方式,改进型 的B码信号将同步周期和码元脉宽调整为传统B码的1%o,即改进型的B码信号为每毫秒1帧的时间串码,同时采用数据总线与时钟总线相分离的设计模式,避免了TTFC网络中发送端时钟与数据发生冲突的同时增加了对时的精度。为进一步验证方案的有效性,基于可编程逻辑器件(FPGA)逻辑设计搭建环境进行测试验证。最终试验结果表明,该方案能正确的进行数据收发,同时有效地避免了TTFC网络中的时钟与数据发送冲突,提高了系统带宽。     

基于加权多元线性回归的两步式时间同步算法

时间同步在通信、计算机、测控等网络中是一项重要技术。针对目标时钟在多同步源时的时间同步问题,从统计学中参数估计的角度建模,提出了一种基于WMLR (Weighted Multiple Linear Regression,加权多元线性回归)的两步式时间同步算法。此算法分为粗同步和精同步2个阶段,通过给不同的时间信息加权的方式提高同步精度,并且可以计算不同同步源之间存在的系统误差。结果表明,这一算法通过合理应用来自不同同步源的时间信息,可以提高时间同步的精度及稳定性。由于模型的普遍性,这一基于WMLR的算法也可以应用于其他类似的多源参数估计的场景中。     

History of Time-Frequency Technology

Present-day collision avoidance systems (CAS) of the time-frequency variety employ modes of operation similar to those of airborne equipment which has been operating in military aircraft since 1959. A fleet operational evaluation of these systems began in 1961 in aircraft of U. S. Navy Helicopter Squadron HS-4, based on the aircraft carrier U.S.S. Yorktown. This equipment utilized a local clock in each aircraft, a separate time slot for each aircraft's interrogation signal, air-to-air coarse synchronization of all stations, and sufficient free-drift stability for time slot keeping. Operational use of one-way ranging with elimination of propagation delay offsets, higher clock stability for open-loop time keeping in the SNS-64 ... AN/APN-169 family of systems began in 1964 in U. S. Air Force C-130E turboprop aircraft. In 1965, use of the EROS I collision avoidance system began during flight testing of F-4 Phantom supersonic aircraft.     

集群编队条件下通导一体高精度时间同步方法

针对集群编队条件下对高精度时间同步的需求，对通导一体高精度时间同步方法进行了研究，将卫星导航系统与数据链系统进行深度融合，提出了动基座条件下基于卫星导航载波差分算法的节点间高精度时间同步算法。该算法通过协同时间驯服的方式来抑制两次定位间隔间受钟漂影响导致的节点间时间同步误差发散以及节点间时钟修正不同步导致的时间同步误差，提升了编队组网条件下节点间的时间同步精度。最后,通过仿真对算法进行了验证。结果表明，时空同步精度可以达到1ns，可有力支撑未来集群编队作战、高精度协同探测、高精度协同制导等典型场景下对节点间高精度时间同步的需求。     

双向比对高精度物理时间同步方法

提出一种面向未来卫星在轨应用的闭环物理高精度时间同步方法。比较了所提方法与其他时间同步方法的区别与优势，建立了远程系统时间同步基本模型与误差传递模型，基于双向测距和时间传递技术分析了高精度钟差获取原理，给出了时钟调整环路的时域频域参数依赖关系。完成了高精度时间同步地面试验系统构建，测试了开环非调钟状态下钟差测量精度误差、闭环调钟状态下时间同步准确度误差以及长时运行情况下的时间同步监测结果。测试结果表明，该方法能够实现优于1 ns量级的时间同步，为高精度时间同步技术研究提供了新的途径。     

极弱信号环境下GPS位同步和载波跟踪技术

为解决环路未锁定、无法找出正确的导航数据位跳变点时极弱全球定位系统(GPS)信号跟踪问题,通过分析信号跟踪模型和相关器1 ms采样数据特性,将最优路径动态规划算法应用于GPS位同步,并提出基于平方根无迹卡尔曼滤波(SRUKF)和位同步结合的载波联合跟踪算法。建立了适合位同步的SRUKF载波环参数估计模型,针对位同步的实现条件和无相位频率先验信息的情况,将位同步模块提前,研究设计了环路未锁定时串行和并行两种弱信号跟踪方案。位同步跟踪完成后环路采用单独的SRUKF工作方式。实验结果证实该文提出的算法具有较高的数据位边缘检测概率(EDR)和参数估计性能,而无须关心环路是否处于锁定状态,能够对载噪比低至22 dB/Hz的弱信号实现跟踪。     

飞行仿真系统网络传输与同步技术

网络通信是分布环境下飞行仿真系统需要解决的关键技术,包括网络传输量和时钟同步等。网络传输量方面,采用DR模型降低了网络数据更新频率,减少了数据通信量,并采用数据封包、解包的方法降低了网络频繁调用带来的时间损耗;时钟同步方面,采用了硬件同步电路和软件高性能时钟相结合的时钟同步方案,确保了飞行仿真系统时间推进的严格同步。在此基础上,构建了基于适配器模式的、支持多协议的通信引擎网络中间件,将顶层应用和底层通信进行有效隔离,降低了应用层开发量,加快了系统集成效率,在多型飞机模拟器中得到了应用。     

Effect of Random Synchronization Errors in PN and PSK Systems

The effect of a constant synchronization error on PN systems has been studied by Gill [1]. His results are generalized here for random synchronization errors, and extended to PSK systems using decision directed channel measurements [2]. In both cases, it is shown that the effect of random synchronization errors is to reduce the effective input signal power and to introduce an additional self-noise. The effect is minimized when the synchronization error has zero mean and can easily be evaluated in terms of circuit parameters.     

Synchronization improvements using traceability in spread spectrumsignal design

Synchronization improvements using traceability information found in the narrowband auto-ambiguity function (NB AAF) are demonstrated. This new auto-ambiguity function property, traceability, is the key to defining a signal design approach for solving the synchronization problems in spread spectrum system such as communication systems, radar networks, and sonar systems. This work defines the property and introduces a new tracing synchronization scheme that significantly reduces initial synchronization time and the number of false synchronization events     

导航卫星时频系统发展综述

全球各大卫星导航系统近年来发展迅速,性能持续提升,其中卫星时频系统的高性能、稳定可靠和保持星间时频同步是系统实现高精度测量的基础.介绍了目前应用于各卫星导航系统的铷钟、氢钟、铯钟等星载原子钟和时频生成与保持技术的特点、发展概况及在轨应用情况.面向精度提升和自主运行能力提升的需求,分析了可能应用于下一代导航卫星的星载原子钟技术、星上时频生成与保持单元性能提升方法以及星间高精度激光时频同步技术,以支撑未来时频基准的天基化和我国综合PNT体系的建设.     

TTE网络流量转换策略及其延时性能保障调度算法研究

时间触发以太网（TTE）通过精确的全局时钟同步,使时间触发（TT）消息具有了严格的时间确定性。当系统同步精度降低时,TT消息的实时性也将严重受到影响。利用TTE交换机的流量类型转换功能,提出了一种基于消息时间窗检测的转换策略（TT-TWD）。该策略应用于TT流量向速率限制（RC）流量的转换过程,能够避免在系统同步精度降低时,TT消息出现丢包或不可接受延迟的情况。为保障该策略下网络流量的实时性,设计了一种基于流量转换策略的优先级调度算法（PTCTS）。运用网络演算理论对PTCTS算法的实时性进行了分析,并与先入先出（FIFO）算法结果对比,证明了PTCTS算法有效地减小了由TT流量转换而来的RC流量的延迟上界,同时保证了原始RC流量端到端延迟的确定性。     

基于EtherCAT通信的双直线电机位置联动控制系统设计

针对传统脉冲、模拟量控制系统在实时性、稳定性和同步性方面的不足,提出了一种基于EtherCAT工业实时以太网通信的双直线电机位置联动控制方案。设计了3种位置联动控制模式,详细分析了EtherCAT的分布时钟补偿算法,并搭建了联动控制试验平台,对所设计的控制系统进行了试验验证。试验结果表明,采用EtherCAT通信的双直线电机位置联动控制系统实时性高,双轴同步、交替响应性能良好,适用于同步精度和响应速度要求都较高的应用场合。     

GNSS驯服芯片级原子钟方法研究CSCD

芯片级原子钟是一种体积小且功耗低的高精度时钟源,具有广泛的用途。针对这一特点,设计了基于GNSS的芯片级原子钟驾驭算法。以GNSS系统时作为参考,测量芯片级原子钟与GNSS系统时间的钟差,并对芯片级原子钟进行钟差建模,获取其特征参数。通过乒乓法计算出钟驾驭调整量,对芯片级原子钟进行控制,最终将芯片级原子钟驾驭到GNSS系统时间上。经过实验验证,在驾驭时间常数为100s的情况下,芯片级原子钟与GNSS系统时间的时钟同步误差在-7.5~7.5ns之间;1h频率准确度为5.8×10-13;平均时间为10000s时的频率稳定度为3×10-13。     

Predicting and adapting satellite channels with weather-induced impairments

Efficiency improvements using predictive and adaptive methods over satellite channels with weather-induced impairments are presented. Scintillation and rain attenuation are the two dominant factors for signal fading over satellite-Earth paths at operating frequencies over 10 GHz. We develop statistical and spectral analyses of these processes, and obtain simple linear predictors for received signal attenuation using autoregressive (AR) models. For adaptation, we propose changing signal transmission power, modulation symbol size, and/or code rate as the state of the channel changes. In particular, we introduce a continuous power control and discrete rate control strategy. Quantitative analyses of power consumption and channel capacity indicate that there can be a substantial gain in performance with such adaptive schemes.     

Acquisition of Pseudonoise Codes in FH Systems

Acquisition schemes for acquiring pseudonoise (PN) signals in a frequency hopping (FH), spread spectrum (SS) system are presented. For the purpose of acquiring the PN code the received signal is modeled by an autoregressive (AR) process. The parameters of the AR process are determined by identifying a related set of parameters called the partial correlation coefficients. The power spectrum of the received signal and hence the PN code is estimated from the identified AR parameters. The high accuracy of the estimated PN codes permits the use of a simple error correcting logic to accelerate the acquisition process.     

基于时间触发架构的系统通信设计应用研究

本文详细介绍了基于时间触发架构的应用系统通信模型设计方法：结合某型飞机综合数据管理系统（IDMS）应用功能的通信需求,利用“PDevelopmentCluster系统设计工具,构建基于时间触发协议（TTP）的IDMS通信系统仿真模型。TTP精确的全局时钟同步可以为系统提供精确的时钟和单元之间的精确同步,协议的容错机制为...     

时钟模型辅助的惯性/卫星紧组合导航算法研究

针对卫星信号受到遮挡或者干扰、卫星接收机收星数不足的问题,提出了一种时钟模型辅助的惯性/卫星紧组合导航算法。通过正常紧组合状态下的钟差、钟漂估计值建立钟差和钟漂的数学模型,在可见卫星少于4颗时,用时钟模型计算得到的钟差和钟漂作为系统钟差、钟漂的真实值引入观测信息中,并省去状态变量中的钟差和钟漂项,增加了系统的可观测性。最后,通过采集跑车试验数据进行了离线数据仿真试验。试验结果表明,提出的时钟模型辅助的惯性/卫星紧组合导航算法在可见卫星不足的情况下取得了良好的效果。     

航空视频电路抗干扰设计

从原理着手分析了影响航空视频电路电磁干扰的几个重要因素,采取降低时钟信号的干扰、保护敏感信号、数模混合电路统一接地、防止电源干扰、减少高频辐射对电路的影响等措施,提高视频电路板的电磁兼容设计,有效地提高电子产品的抗干扰能力和电子兼容性。     

An Automatic Timing Receiver System Based on the Loran-C Navigational Network

This paper describes some new concepts in dealing with the circuitry for Loran-C automatic timing systems. The conventional analog techniques associated with phase-adjusting networks have been replaced by an incremental digital phase-shifting device. The Loran-C period generator includes facilities for delay compensation by means of an epoch monitor producing a 1-Hz output coincident with the master station TOC (time of coincidence). The required initial time information has to be accurate within ± 20 ms. The automatic format identification and decoding equipment together form a system which takes into account the information of every Loran-C pulse. Owing to the use of digital signal treatment, the synchronization accuracy is limited only by the resolution of the incremental phase shift. The automatic cycle selection device is based on sampling techniques where the derivative of the envelope is calculated. The time of coincidence has to be precalculated and fed into the thumbwheel memory of the epoch monitor, which is automatically initiated when the synchronizing operations are concluded. For VLBI purposes and transcontinental use, the accuracy of this system will be better than 1 ?s when post corrections, supplied by the U.S. Naval Observatory, are taken into account.