星载FPGA内时序电路设计与时钟控制技术分析

在分析星载FPGA内时序电路特性以及FPGA可编程资源特性的基础上,指出了FPGA内同步时序电路出现时钟偏斜现象的机理。针对时钟偏斜,提出了星载FPGA内时序电路的设计准则。基于设计准则,提出了并行移位寄存器的一种异步化设计方法,阐述了在FPGA源代码中设置设计约束,或在逻辑综合与布局布线过程中联合设置设计约束,将主要同步时序电路时钟信号布置在全局时钟网络上的方法。工程实践表明：上述方法很好地解决了星载FPGA内同步时序电路时钟偏斜问题,可确保星载FPGA工作的稳定性与可靠性。     

DVB-S接收机中时钟与载波同步的FPGA实现

介绍数字滤波平方定时算法和硬判决型科斯塔斯环的基本原理,并基于这两种算法,用可编程器件FPGA实现DVB-S接收机中的采样时钟同步和载波同步。整个设计基于XILINX公司的ISE平台,用VHDL编程语言通过逻辑综合和仿真在xc3s2000 FPGA芯片上实现。     

相干光接收机时钟恢复算法的FPGA实现

低轨小卫星在进行相干激光通信时，需要实时解决发射端与相干光接收机之间存在的时钟偏差问题。分析了时钟偏差对相干光接收机性能的影响，设计了一种基于Gardner算法的并行化时钟恢复反馈环路来对时钟的偏差进行纠正，对各组成部分的原理进行了说明，并在现场可编程逻辑门阵列FPGA上实现了该算法，将 5 GSa/s 的采样信号在 FPGA 中以 156.25 MHz 主频，分为并行 32 路完成时钟同步处理，且实时时钟同步算法仅占用 FPGA 的 590 个自适应逻辑块和 4 个乘法器单元。同时，采用自研的集成化相干光通信模块，演示了 10 Gb/s 偏振复用正交相移键控 PM-QPSK 相干光通 信系统实验。实验结果证明该方案能稳定地补偿本地采样时钟的频率和相位偏移带来的采样定时误差。以 7%开销硬判 决前向纠错码 HD-FEC（Hard Decision Forward Error Correction）为门限，系统的灵敏度优于–51 dBm。     

基于时钟精度加权的时钟同步算法

在AS6802同步协议的基础上,针对系统中具有不同精度等级时钟的场景,提出一种基于时钟精度加权的时钟同步改进算法。通过仿真验证证明:改进算法可缩减节点间的时钟偏差范围至原算法的10%,提高了系统的同步精度。     

SpaceWire光纤总线时钟同步方法研究

将SpaceWire ECSS-E-50-12C标准中基于Time-Code时间分发的同步方式应用于SpaceWire光纤总线系统中时,存在计时精度不高且计时长度短、延时误差不可控、频率偏差无法补偿的问题,不能满足纳秒级的时钟同步需求。针对以上问题,提出了使用从节点的本地时钟计数、时间戳计算平均延时、以及根据时钟频率偏差调整动态时钟计数的方法,消除时钟同步过程中时钟延时、抖动和频率漂移的影响,提高时钟同步精度。通过仿真验证,在光纤总线系统主节点和从节点的时钟频率不同,传输延时为80ns,延时抖动为8ns,且同步间隙为100μs的情况下,优化后的时钟同步精度达到了从100μs到24ns的提升。     

伪随机时钟激励模块设计研究及应用

随着现场可编程逻辑器件（Field Programmable Gate Array,FPGA）验证水平的逐渐提高,对于测试平台（Testbench）中产生的时钟激励也提出越来越高的要求。目前,在Testbench中使用的时钟激励模块都是具有固定周期和固定占空比的激励信号,然而在现实条件下,时钟沿都具有一定的抖动,从而影响到时钟的占空比及瞬时频率。为了模拟时钟的这种实际特性,文章提出了一种基于伪随机算法实现的沿跳变的时钟激励模块,并将该模块用于高速计数器设计的实现验证,取得较好的验证效果。     

时序信号设计的一种新方法

文章结合高速时序工作的特点,从实现的角度提出了一种利用软件调整时序的新方法。在可编程逻辑器件中,利用数字时钟管理器(DCM),通过模块化和增量式设计思想达到对高速时序信号的精确调节。最终实现了一个20MHz速率的时序控制,调节精度达到100ps。     

时序信号设计的一种新方法

文章结合高速时序工作的特点，从实现的角度提出了一种利用软件调整时序的新方法。在可编程逻辑器件中，利用数字时钟管理器（DCM），通过模块化和增量式设计思想达到对高速时序信号的精确调节。最终实现了一个20MHz速率的时序控制，调节精度达到100ps。     

卫星时钟信号功分网络对锁相环电路干扰分析

在多颗卫星测试中,连接在功分网络上的设备在各自加断电的瞬间,会造成锁相环电路输入信号的相位瞬时变化,引发锁相环电路的相位跟踪,导致瞬时失锁。文章通过理论推导和公式仿真,明确了产生干扰的各设备时钟信号入口的反射系数和功分网络各输出端口的隔离度是影响干扰强弱的主要因素。提出了使各设备时钟信号入口的驻波不相等,且反射系数相位趋于同相,同时提高网络各输出端口的隔离度的消除干扰方法,并通过设备的系统联试进行了验证。结果表明:此方法可以有效抑制此类干扰,可为卫星时钟信号功分网络设计提供参考。     

高动态跳频信号时钟同步设计与实现

由于跳频信号各跳之间的符号速率和符号数量不一致,特别是低速跳只含少量符号,导致时钟误差提取困难。针对高动态下的跳频信号时钟同步难题,提出基于频偏估计的钟偏反馈调整方法。该方法通过同步序列进行频率估计和钟偏估计,并结合反馈方法调整钟偏和时钟跟踪,实现了高精度时钟同步。仿真结果表明：该方法适应飞行速度7.9 km/s、加速度0.2 km/s²的超高动态,定时同步性能优越,定时精度满足高速跳频信号解调要求,且解调损失小于0.1 dB。     

时差定位型卫星铷钟的双钟热备份设计

针对传统星载铷钟备份设计中对铷钟状态判断不准确和主备切换时输出信号不稳定的不足,在分析时差测算铷钟指标原理和频率信号切换方法的基础上,提出了一种适用于时差定位型卫星铷钟的双钟热备份设计,通过GPS时差测算铷钟频率性能指标,以及无扰切换设计实现频率信号的稳定输出。地面试验表明,铷钟的准确度和稳定度指标测算误差小于5%,频率输出信号在切换时连续稳定,无突波干扰。研究结果可以为后续定位型卫星和导航卫星的高精度时频系统设计提供参考。     

星载铯钟C场设计及磁场分析

为了提高星载铯钟的频率准确度,依据星载铯钟C场系统的设计要求,运用毕奥—莎伐尔定律计算线圈磁场,设计并分析了C场磁场系统。通过数值计算证明了设计的合理性,得到了最佳的主C和副C线圈匝数等参数,改善了原子束流轨迹上磁场强度的均匀性并得到试验验证,可将信号的频率准确度提高一个量级。
     

精密卫星钟差分形插值算法研究

研究发现精密GPS卫星钟差时序满足三阶平稳假设,由此提出了计算卫星钟差分形维的多阶分形变差法,进而提出了基于分形维确定垂直比例因子的精密卫星钟差分形插值算法。将新方法应用于2010年8个节气日的32颗GPS在轨卫星钟差分形维计算,并选取Block IIA、IIR和IIR\|M各2颗卫星进行钟差插值精度比较。结果表明,分形维可作为定量描述卫星钟差动力学特征的不变量指标;分形插值算法优于三次样条和切比雪夫算法,可以满足快速与高采样率精密卫星钟差应用需求。     

Kalman滤波的铷原子钟控制算法

以GPS接收机输出的1pps信号为参考信号,采用Kalman滤波算法对铷原子钟的参数进行估计,计算铷原子钟的频率调整量,对铷原子钟进行调整,使其和UTC时间保持同步。实验结果表明,受驯铷原子钟输出1pps与UTC（NTSC）钟差的标准差优于3.5 ns,钟差峰峰值优于15 ns,100 s采样的Allan方差为1.83×10 -12 ,10000 s采样的Allan方差为6.1×10 -13 。实验证明了基于Kalman滤波的铷原子钟控制算法,使铷钟获得了较好的准确性和长期稳定性,且对其短期稳定性影响最小,是一种可靠稳定的铷钟控制方法。     

一种利用泛函网络进行导航卫星钟差预报的方法研究

为提高导航卫星钟差预报的精度和实时性,提出一种基于多项式和泛函网络相结合的钟差预报方法。该方法首先根据卫星钟的物理特性用多项式进行拟合,并用泛函网络对多项式拟合残差进行建模,其中泛函网络的结构是通过小波降噪及相空间重构的方法确定。最后以GPS卫星为例,进行四组短期预报实验。结果表明,所提方法能够实时有效地对导航卫星钟差进行拟合和预报,且精度优于IGUP星历。     

X射线脉冲星导航中钟差的可观测性问题

标准X射线脉冲星导航(XNAV)能够求解航天器的位置信息,但航天器钟差会导致XNAV的结果产生误差.鉴于脉冲星周期的稳定性,在利用XNAV进行轨道估计中,将钟差作为状态变量进行估计的授时方案已被相关学者提出.一种针对卫星轨道修正专门设计的可观测性分析工具在文中给出,利用其能够有效地判断各个状态的可观测性情况.利用该方法分析将钟差作为状态变量的导航方案,其结果表明仅需2颗脉冲星就可以对全部轨道六根数,以及卫星钟差进行观测;仿真结果验证了可观测性分析结论,双脉冲星导航时系统可以达到60m的定位精度和60ns的授时精度.对比仿真同时揭示了该方案能够有效地抑制钟差对导航精度的影响,将由于钟差引起的定位误差减小20倍以上.理论分析与仿真表明,将钟差作为状态变量的导航方案是一种能够有效地估计钟差,并抑制钟差影响、提升系统估计精度的导航方案.