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TCM-2通用时间比对模块及其应用
摘要：美国PrecisionSync公司研发的通用高精度时间比对模块能使用户方便地开发高精度同步系统，成本低，性能高。因此已在多种时间、频率同步系统中得到了应用（如GPS、光纤、无线和时间双向传递同步系统等）。文章详细介绍了TCM-2的内部结构、工作原理和性能指标，并给出了该模块在高精度通用计数器、CDMA基站时钟以及光纤CDMA同步时钟方面的应用电路。关键词：时间比对；时间间隔测量；时间同步；频率同步；TCM-2
1概述
美国精密同步公司研发的通用高精度时间比对模块，可提供四通道0.1ns分辨率的时间比对或时间间隔测量，同时它还提供多种接口。因此，用户可以很方便地用它构成自己的系统或仪器，包括用于时间/频率标准、电网电压向量测量系统、电网故障定位系统、移动通信基站时钟、SDH中的BITS、多基地雷达系统、OTDR、光纤通信网故障实时监测、激光测距以及高精度通用计数器（高精度时间间隔测量仪）等。
2结构原理及引脚功能
TCM-2采用双列直插48引脚封装。各引脚的功能如表1所列。其内部结构如图1所示，具有四通道扩展器、微处理器和FPGA三个主要功能模块。
两事件之间的时间差通常是用脉冲填充法进行测量的。它的测量精度取决于参考时钟的频率。这种方法具有固定的±1计数的误差。为了提高测量的分辨率，在高精度通用定时模块中采用了模拟扩展技术。
当待测脉冲输入模块后，由模块测量它们的时刻，并按要求将相应的计算结果通过串行移位寄存器输出。
由于被测事件与测量时钟之间没有确定的相位关系?但它们之间有一小数周期的差。因此为了提高测量分辨率，系统中的扩展器采用了模拟技术，并将不足一个计数的时间间隔展宽（例如展宽1000倍），然后再用相同的10MHz时钟对展宽了的脉冲计数以达到0.1ns的分辨率。
FPGA可实现所有的数字逻辑功能，包括输入信号的选择、扩展逻辑、计数器、锁存器、多路数据选择、多个串行移位寄存器、PWM等。其中串行移位寄存器又包括DDS控制、LED显示、与外部的数据交换等。
FPGA中的各输出控制模块可按使用的要求舍取，例如，当使用DDS时，一般不使用PWM.实际上，在不单独构成仪器时也不用LED显示。
模块中的单片机可控制整个工作流程，包括控制各通道的测量、采集测量数据、计算测量数据、与母板的数据交换、接收GPS信息或与外部主控制器（如PC）交换数据及指令等。当以GPS为参考源时，GPS通道的测量值可用于计算秒间隔，从而计算基本时钟的频率，根据计算结果可用另一串行移位寄存器来调整DDS（AD9852）的输出频率。模块的基本时钟同时也是DDS的时钟。它可控制两个DDS,以便输出两个不同的频率。它们共用一个串行移位寄存器，可由DDSCS1和DDSCS2来选择。而外部DDS（AD9852）则一般工作于串行输入方式。实际上，设计时也可用其它定时脉冲作为外部参考以校准时间和频率。
当输入待测脉冲多于四种时，可采用时分复用的方法进行测量。通常可由模块内部实现时分复用，也可由外部控制实现时分复用。
外部控制器通过串行移位寄存器向模块发送操作指令。模块根据外部控制器的指令来测量相应通道的信号，然后经计算送回外部控制器。
TCM-2高精度通用时间比对模块还能自动识别参考定时脉冲和基准时钟的类别，同时可调整相应的算法。表2给出了TCM-2的主要参数指标。
表1TCM-2引脚分配及功能表
引脚名引脚号I/O
功能
DDSD18ODDS串行数据线DDSCK19ODDS串行时钟线DDSUD/PWM12ODDS输入数据更新或PWM输出DDSRST10ODDS芯片复位DDSIORST31ODDS数据口复位DDSCS233O第二片DDS的片选DDSCS135O第一生DDS的片选LEDSD13O串行显示口数据线LEDSCK14O串行显示口时钟线SDDM2O输出移位寄存器数据SCKDM3O输出移位寄存器时钟MBUSY4I外部接收移位寄存器满标志SDMD42I输入移位寄存器数据SCKMD43I输入移位寄存器时钟DBUSY44O内部移位寄存器满标志CKO17I输出时钟信号，用于生成定时脉冲及与对方盘时钟比较CKOX46I对方盘输出时钟，用于在主/备工作时与本盘比较GPS1PPS48IGPS秒脉冲输入G1PPSD47IGPS秒脉冲直接输入，用于测量天线延时1PPSO1O秒脉冲输出W/FSNCI41I光纤/微波输入同步脉冲（用于时间双向传递同步）W/FSNCO40I光纤/微波输出同步脉冲（用于时间双向传递同步）W/FORQU45O光纤/微波输出同步脉冲发送请求FR9I基准时钟输入WDO30O“看门狗”定时器输出ALEF15I与PIN21相连TXD27OTS-232串行数据输出，TTL电平RXD28IRS-232串行数据输入，TTL电平RST29I内部单片机复位VPP20I编程电压，对内部单片机编程时此引脚接VCCALE21O内部单片机编程时此引脚接VCCPSEN22O内部单片机编程时此引脚接地VCC7I+5V电源VCC16I+5V电源GND5地+15V8I+15V电源-15V11I-15V电源SPR1,SPR2,SPR36,38,39O备用引脚，供调试用XTAL123外接11.0592MHz晶振XTAL224外接晶振
表2TCM-2的主要指标
参数数值单位内部时钟10（TTL）MHz测量精度1——3ns分辨率0.1ns测量时间<0.5ms环境温度-10——50℃相对湿度<90%R.H.输入信号电平TTL<10MHz输出信号电平TTL@20mA>电源5@200mA
15@20mA
-15@20mAV
3TCM-2的应用
TCM-2内含所有同步方式算法，因此它不仅可用于进行高精度时间比对或时间间隔测量，还可用于各种高精度同步系统。
3.1高精度通用计数器
通用时间比对模块只要外接电源、晶振、键盘和LED显示，就能构成一个高精度通用计数器?图2所示为由TCM-2构成的高精度通用计数器的原理图。利用它不仅可以测量两输入脉冲的时间间隔或相位差，还可测量输入信号的频率和周期。该电路的时间分辨率为0.1ns,测量精度为1——3ns,因此可以进行高精度的时间间隔、频率和周期的测量。它的测量速率优于0.5ms/次。这种高精度通用计数器可用内部10MHz晶振作为基本测量时钟，也可选外部10MHz信号（如铷钟或铯钟）作测量时钟。PA和PB是两路输入信号。面板键盘通过串行移位或矩阵接法直接连到通用时间比对模块上。LED显示可采用串行移位方式。另外，TCM-2还提供有RS-232接口，因而可与计算机相连，以便输出测量数据或实现遥控操作测量功能。
3.2CDMA基站时钟
CDMA基站时钟主要用于为CDMA移动通信基站提供时钟信号。为了保证正常的通信和基站之间的平滑切换，要求CDMA基站时钟的频率准确度应达到1×10-11,时间同步精度应达到100ns以上。
CDMA基站时钟有两个方案，一个是以GPS或GPS/GLONASS为参考源的自主同步方式，另一个是通过光纤传输同步信息的主/从同步方式。前者是各基站都以GPS或GLONASS为基准，且各站都与GPS或GLONASS同步，从而实现各基站之间的同步。后者是主站通过光纤向各基站发送同步脉冲，从而使各基站都与主站的同步脉冲同步，最终使各基站之间保持同步。由于各基站本来就是通过光纤与主站联系的，因此后者并不因为通过光纤传递同步脉冲而增加成本。图3和图4分别是这两种方案的结构框图。图3中，各信号的具体含义如下：
10MC:用于本模块的基本测量时钟及DDS的输入时钟。为了满足频率准度要求，设计时，应使用铷钟或双层恒温的晶振来提供10MC信号；
GPS1PPS:GPS秒脉冲输入信号，用作时钟参考；
GPS1PPSD:GPS秒脉冲直接输入，用于测量电缆的时延，以便修正测量结果；
DDS1/DDS2:两路DDS,可分别生成两个不同频率的信号；
DDS1X/DDS2X:对应盘的两DDS输出信号，用于测量与本盘信号的相位差并进行修正，以保证主/备无缝切换；
M/S:主/备状态标志输入；
1PP2S:用于输出两秒一次的定时脉冲；
SIO:串行输入输出接口，用于与外部控制器交换信息；
RS-232:通用RS-232串行口，用于与GPS交换信息。
在图4所示的光纤同步CDMA基站时钟原理图中?RXP是由中心站发来的光纤同步脉冲或从站传来的返回脉冲；而TXP则是由本站发给中心站的返回脉冲或中心站发出的同步脉冲；
铷钟产生的10MC信号主要用于通用时间比对模块的基本测量时钟及DDS的输入时钟。当用温度稳定性优于5×10-10、日漂移优于1×10-10的晶振时，一般均可以满足要求。
用通用时间比对模块测量RXP和TXP时，主站将发送和接收时刻传给从站，从站在收到主站传来的两个脉冲数据后，将根据本站脉冲的发送和接收时刻来计算传输时延，从而计算出本站的时间误差并修正本站的时钟，以使其保持与主站时钟的同步。此外，根据两组同步脉冲的时间间隔，可以测量本站基本测量时钟的频率并修正DDS,这样可使本站时钟频率与主站的时钟频率保持一致。
RXP和TXP可以是直接由光纤传输的脉冲，也可以在多路复接方式中提供一个定时通道?并将RXP和TXP组织在定时通道的帧结构中。
本盘DDS的输出信号和对应盘DDS的输出信号可在通用时间比对模块中比较相位。如果它们之间存在相位差，则从站应调整相应的DDS以使其输出信号的相位与主站保持一致。
需要说明的是：采用光纤同步比GPS同步成本低，且在相同配置时的同步精度也高。其同步精度可达到10ns以上，基本能够满足基站定位应用中高精度同步的要求。
微波同步时钟的原理和结构与此完全相同。GPS时间/频率标准与GPS同步CDMA时钟也基本相同，只是结构和功能更简单些。
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