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基于载波双向频率传递的时钟同步系统

王媖姿 闫冰 李志天 邹旭东

王媖姿, 闫冰, 李志天, 邹旭东. 基于载波双向频率传递的时钟同步系统[J]. 微电子学与计算机, 2022, 39(8): 97-106. doi: 10.19304/J.ISSN1000-7180.2022.0026
引用本文: 王媖姿, 闫冰, 李志天, 邹旭东. 基于载波双向频率传递的时钟同步系统[J]. 微电子学与计算机, 2022, 39(8): 97-106. doi: 10.19304/J.ISSN1000-7180.2022.0026
WANG Yingzi, YAN Bing, LI Zhitian, ZOU Xudong. A clock synchronization system based on carrier bidirectional frequency transfer[J]. Microelectronics & Computer, 2022, 39(8): 97-106. doi: 10.19304/J.ISSN1000-7180.2022.0026
Citation: WANG Yingzi, YAN Bing, LI Zhitian, ZOU Xudong. A clock synchronization system based on carrier bidirectional frequency transfer[J]. Microelectronics & Computer, 2022, 39(8): 97-106. doi: 10.19304/J.ISSN1000-7180.2022.0026

基于载波双向频率传递的时钟同步系统

doi: 10.19304/J.ISSN1000-7180.2022.0026
基金项目: 

国家自然科学基金项目 61971399

中国科学院前沿科学重点研究项目 ZDBS-LY-JSC028

详细信息
    作者简介:

    王媖姿  女,(1999-),硕士研究生.研究方向为无线时频同步

    闫冰  女,(1993-),硕士,工程师.研究方向为无线时频同步

    李志天  男,(1993-),硕士,助理研究员.研究方向为SLAM定位、无线时频同步

    通讯作者:

    邹旭东(通讯作者)  男,(1986-),博士,研究员.研究方向为高精度MEMS惯性传感器、磁场传感器以及PNT微系统技术研究等.E-mail: zouxd@aircas.ac.cn

  • 中图分类号: TN92

A clock synchronization system based on carrier bidirectional frequency transfer

  • 摘要:

    随着无线传感网络和技术的快速发展,高精度无线时频同步技术在分布式系统协同工作中的需求愈加迫切.针对卫星拒止条件下,视距范围分布式网络内高精度无线时频同步需求,本文提出了一种基于载波双向频率传递的时钟同步系统方案,该方案创新地通过部署全双工双向时频同步协议的方式,经由毫米波信道实现时频信息互传,并引入Xilinx MMCM IP动态移相功能核心对时频信号进行相位控制,实现频差测控以及动态调相,有效地提高了时频同步架构的调相性能,最终实现一套完整的亚纳秒级超高精度无线时频同步方案.文中对整个系统的技术架构、射频前端、无线信道传输以及抗干扰能力进行了建模与仿真,验证了整个技术方案的有效性以及最优的调相精度;同时本文还使用60 GHz射频前端及Xilinx 7系列FPGA完成了原理样机设计,实验结果表明,该时频同步系统能够为节点间提供高至322.2 ps同步精度的无线时频互校准服务,从而实现频率同步与相位对齐,支持各项分布式协同工作的开展.与传统的无线同步方法相比,本方案精度高,受无线信道的影响小,抗干扰能力强,易于扩展到高动态等复杂环境,更适合无线分布式网络.

     

  • 图 1  系统架构

    Figure 1.  System structure

    图 2  双向频率传递原理

    Figure 2.  Bidirectional frequency transfer principle

    图 3  Simulink仿真模型

    Figure 3.  Simulink simulation model

    图 4  输入信号与输出信号同步

    (蓝色—输出信号,黄色—输入信号)

    Figure 4.  Synchronization between input and output signals

    图 5  收发信号相位差

    Figure 5.  Phase difference between input and output signals

    图 6  莱斯信道

    Figure 6.  Rician channel

    (1-60 GHz Rician channel; 2-Amplitude distribution; 3-Phase distribution; 4-Autocorrelation of channel; 5-Doppler spectrum)

    图 7  莱斯信道接收信号

    Figure 7.  Signals received by the Rician channel

    图 8  接收端解调出的信号

    Figure 8.  Demodulated signals at the receiver

    图 9  收发信号的相位吻合度

    Figure 9.  Phase coincidence of the input and output signals

    图 10  四个信噪比下的信号质量

    Figure 10.  Signal qualities at four SNRs

    图 11  全双工模式

    Figure 11.  Full-duplex model

    图 12  硬件结构图

    Figure 12.  Hardware structure

    图 13  同步前的仿真结果

    Figure 13.  Simulation results (before synchronization)

    图 14  同步后的仿真结果

    Figure 14.  Simulation results (after synchronization)

    图 15  动态调相精度

    Figure 15.  Dynamic phase shift accuracy

    图 16  收发端时频同步

    Figure 16.  Time-frequency synchronization between the transmitter and receiver

    图 17  同步精度

    Figure 17.  Synchronization accuracy

    表  1  现有的无GNSS辅助无线时频同步方案

    Table  1.   Existing non-GNSS-aided wireless time-frequency synchronization schemes

    方案 通信距离 同步精度 不足
    基于UWB信道[4] 75 m 3 ns 信道体制特殊,传输距离有限,前端通用性不足
    基于小型激光器[5] 150 m 945 ps 受限于天气和环境因素,不适合长距离及动态应用
    基于无线局域网[6] 时域分辨率低 时间戳分辨率不足,传输速率低,安全性差,通信质量较差
    下载: 导出CSV

    表  2  双向时频同步系统性能指标

    Table  2.   Performance index of bidirectional time-frequency synchronization system

    方案 稳定性 通信距离 同步精度 不足
    卫星双向比对[7] 1σ-417 ps 130~520 km 1 ns GNSS辅助,拒止环境不适用
    BTDM-SFSW时间比对[8] 3σ-285 ps 60 km 10 ps 有线通信,无线网络不适用
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-01-07
  • 修回日期:  2022-02-24
  • 网络出版日期:  2022-08-15

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