研讨时钟大型物理实验装置高精度时间同步技术

论文导读：.2延迟测量时间同步协议553.5.3参考广播时钟同步协议55-563.5.4小结56-573.6本章小结57参考文献57-60第四章WhiteRabbit协议60-814.1WhiteRabbit协议的原理61-674.

1.1基于White12下一页

摘要：在大型物理实验装置中,时钟和定时系统之于整个实验系统,如同人体的血液循环系统对于人体。时钟和定时系统是整个物理实验的基本必要条件。设计时钟和定时系统的难点是保证时钟长期、短期的稳定度和准确度、降低和制约通道间的时钟偏差,并且能够自动地对各个通道的传输延迟进行补偿,以消除环境等不可控因素带来的影响。通过利用驯化高精度的原子钟、锁相环等技术保证时钟的稳定度和准确度。而为了补偿时钟或者定时信号的传输延迟随温度等动态的漂移变化,就要构建时钟的环形回路。White Rabbit协议通过精确时钟同步协议和数字双混频时差法相结合,实现了对时钟在环形回路传输延迟的高精度地连续测量,然后利用这个测量结果就可以实现对传输延迟的动态调整补偿。但是,数字双混频时差法会固有地产生亚稳态的不足,增加了测量的不确定度。通过运用基于FPGA的高精度时间数字转换器、多次平均测量和选取合适的放大系数等措施,有效地降低了测量的不确定度,以而改善了数字双混频时差法。此外,将White Rabbit协议基于同步以太网的复杂的节点网络结构可以精简为简单的星型结构,可以降低系统复杂度。精简和改善后的White Rabbit协议就能够满足很多物理实验的需求。未来计划在羊八井建设的大型高海拔大气簇射宇宙线天文台的水契伦科夫探测阵列的时钟系统要求分布的时钟的抖动小于100皮秒,通道间的时钟偏差小于100皮秒。而且,考虑到水切伦科夫探测器阵列分布的范围巨大、通道数的众多和野外恶劣的自然环境中,时钟和定时系统提出了特别苛刻的要求,这为验证精简和改善的White Rabbit协议提供了很好的舞台。本论文第一章介绍衡量时钟和定时系统的性能的指标,随后介绍了一些大型物理实验对时钟和定时系统的要求。第二章调研了国内外一些大型物理实验装置的时钟系统和时间同步的策略,浅析了这些时钟和定时系统的优缺点。第三章调研了现有的成熟的时间同步策略和协议,浅析了这些时间同步策略和协议的优缺点。第四章首先探讨了White Rabbit协议的原理,然后提出了精简和改善的White Rabbit协议的原理。第五章提出了时钟原型系统的设计案例,然后介绍了时钟原型系统的测试内容。测试结果表明：时钟接收模块的时钟抖动小于40皮秒；在时钟传输的光纤长度不同而且光纤温度变化的情况下,时钟接收模块两个通道间的时钟偏差小于70皮秒。第六章为本论文的总结和展望。在展望部分介绍了时钟原型系统的三通道测试结果,浅析了实验结果,提出了可能的改善策略。关键词：时钟系统论文定时系统论文时钟抖动论文时钟偏差论文White论文Rabbit协议论文精确时钟同步协议论文数字双混频时差法论文
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Abstract9-11
第一章 绪论11-26

1.1 时钟系统性能的衡量12-20

1.1 时钟稳定度13-15

1.2 时钟偏差15-18

1.3 时钟准确度18-19

1.4 其他重要衡量指标19-20

1.2 大型物理实验装置对时间同步系统的要求20-24

1.3 时间同步系统设计的难点24

参考文献24-26
第二章 大型物理实验中的时钟和定时系统26-43

2.1 BESⅢ TOF时钟系统27-31

2.2 冰立方的时钟同步策略31-32

2.3 ANTARES时钟同步策略32-34

2.4 上海光源的定时系统34-38

2.5 大型强子对撞机的定时系统38-40

2.6 本章小结40-41

参考文献41-43
第三章 时间同步的策略和协议43-60

3.1 网络时间协议44-46

3.2 精确时钟同步协议46-48

3.3 GPS实现时间同步策略48-51

3.4 同步数字系统标准51-53

3.5 无线传感器网络时间同步协议53-57

3.5.1 传感器网络时间同步协议54-55

3.5.2 延迟测量时间同步协议55

3.5.3 参考广播时钟同步协议55-56

3.5.4 小结56-57

3.6 本章小结57

参考文献57-60
第四章 White Rabbit协议60-81

4.1 White Rabbit协议的原理61-67

4.1.1 基于White论文导读：7附录147-155附录1时钟原型系统电路板照片147-150附录2时钟原型系统电路设计原理图150-154附录3VME总线P1和P2插件主要功能管脚列表154-155致谢155-156在读期间发表的学术论文与取得的其他探讨成果156上一页12
Rabbit协议的时钟系统的结构61-62
4.

1.2 基于White Rabbit协议时钟系统的工作历程62-67

4.2 White Rabbit协议的精简和改善67-78
4.

2.1 White Rabbit协议的精简67-68

4.

2.2 White Rabbit协议的改善68-77

4.

2.3 基于精简和改善的White Rabbit协议时钟系统的工作历程77-78

4.3 本章小结78
参考文献78-81
第五章 基于精简和改善的White Rabbit协议的时钟系统验证81-138

5.1 利用LHAASO WCDA的时钟原型系统实现验证82-86

5.2 时钟原型系统的设计86-117

5.

2.1 时钟原型系统的总体结构86-87

5.

2.2 时钟源插件87-93

5.

2.3 时钟发送插件93-108

5.

2.4 时钟接收模块108-114

5.

2.5 数据读出总线114-115

5.

2.6 时钟原型系统的工作历程115-117

5.3 时钟原型系统的测试117-135
5.

3.1 秒脉冲信号测试117-118

5.

3.2 光纤温漂的测试118-122

5.

3.3 时钟抖动的测试122-123

5.

3.4 时钟偏差的测试123-131

5.

3.5 各个前端电子学的同步131-135

5.4 本章小结135
参考文献135-138
第六章 总结与展望138-147

6.1 总结139

6.2 展望139-147

附录147-155
附录1 时钟原型系统电路板照片147-150
附录2 时钟原型系统电路设计原理图150-154
附录3 VME总线P1和P2插件主要功能管脚列表154-155
致谢155-156
在读期间发表的学术论文与取得的其他探讨成果156