CN101799659A - 一种基于小波变换的多模式定时系统及定时方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种基于小波变换的多模式定时系统，包括由依次连接的小波融合模块、可驯钟模块及守时模块组成的时码通信模块，小波融合模块还与外部信息模块和比对模块依次连接，可驯钟模块还分别与主钟模块和显示监控模块相连接。本发明定时方法，将各子定时系统的状态和时间信号与定时基准比对得到比对钟差，然后将各子定时系统的状态和时间信号与比对钟差进行定时数据融合，得到精确时间尺度，再根据精确时间尺度调节基准时间信号，得到精确的状态和时间信号输出，完成定时。本发明定时系统及定时方法，性能稳定、工作可靠、体积小、性价比高，可为各种设备提供定时服务。
Description
技术领域
本发明属于信号处理技术领域，具体涉及一种基于小波变换的多模式定时系统，本发明还涉及采用该系统的定时方法。
背景技术
目前许多单位都在研究BD/GPS、GPS/GLONASS、BD/GPS/GLONASS等双模和多模时间同步设备，设备中的几种基准源互相做为主要的设备源，当一种故障时，可选备用的基准源。
（1）时间频率同步
在当今信息化时代，各行各业，每个人，谁都离不开时间和频率信息。为了保持这个世界、各系统、部门平稳、有序地安全运行，时间频率的统一化（同步）就显得十分重要。通俗的讲，将各种设备的时间信息（或本振时钟频率）与标准时间（频率）的偏差限定在足够小的范围内，这种过程叫做时间（频率）同步。在通信领域，网络各个节点的时钟频率和相位同步问题已经基本解决，而时间的同步还没有得到很好的解决。随着现代信息技术的飞速发展，对时间频率的要求越来越高，网络覆盖范围越来越大。如TD-SCDMA系统要求两相邻基站间的时间差在
以内。CDMA基站间的时间同步等，高速数字通信系统现在一般要求时钟同步的时刻准确度小于
，频率稳定度优于
。
（2）授时系统与授时设备
目前有若干种时间同步技术，每一种技术都各有特色，不同技术的时间同步准确度也有较大差异。短波授时时间同步技术，其设备简单、成本低，精度不高；长波授时时间同步技术，主要用于军用和导航，尚不适合民用；卫星授时时间同步技术，安全性没有保障，民用市场未得到充分开发，普及率不高，尚不能全天候授时，不稳定；互联网授时时间同步技术，方便、应用广泛，但精度受限于网络环境；电话拨号授时时间同步技术，主要用于校准个人计算机时间，其他应用因缺乏软硬件而尚不普遍；SDH传送网授时时间同步技术，精度高，但因需要SDH光缆专线而不能得到广泛应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于小波变换的多模式定时系统，解决了现有的短波授时设备精度不高，长波授时主要用于军用和导航，尚不适合民用的问题。
本发明的另一目的是提供一种应用上述系统进行定时的方法。
本发明所采用的技术方案是，一种基于小波变换的多模式定时系统，包括由依次连接的小波融合模块、可驯钟模块及守时模块组成的时码通信模块，小波融合模块还与外部信息模块和比对模块依次连接，可驯钟模块还分别与主钟模块和显示监控模块相连接。
本发明所采用的另一技术方案是，一种基于小波变换的多模式定时方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：从外部信息模块输入各子定时系统的状态和时间信号到比对模块及小波融合模块，比对模块将输入的各子定时系统的状态和时间信号与比对模块的定时基准做比对，得到比对钟差，同时，小波融合模块收集到各子定时系统的状态和时间信号，等待处理；
步骤2：将上步中比对模块得到的比对钟差传递给小波融合模块，小波融合模块将由外部信息模块输入的各子定时系统的状态和时间信号，结合由比对模块输入的比对钟差，进行定时数据融合，得到精确时间尺度，同时守时模块控制小波融合模块与可驯钟模块同步工作；
步骤3：小波融合模块将上步得到的精确时间尺度传递给可驯钟模块，主钟模块输入基准时间信号给可驯钟模块，可驯钟模块根据精确时间尺度调节主钟模块输入的基准时间信号，得到精确的状态和时间信号，同时，守时模块控制可驯钟模块与小波融合模块同步工作；
步骤4：可驯钟模块将上步得到的精确的状态和时间信号输出给显示监控模块，完成定时。
本发明的有益效果是，
（1）多模式基准源的时间服务系统，使定时系统的精度有效提高，各模式基准源的协调性得以应用，同时也增强了该系统的可靠性。
（2）多模式定时系统性能稳定、工作可靠、体积小、性价比高，可以为各种设备提供定时服务。
附图说明
图1是本发明基于小波变换的多模式定时系统的结构示意图；
图2是本发明定时系统中时码通信模块的结构示意图。
图中，1.外部信息模块，2.比对模块，3.时码通信模块，4.主钟模块，5.显示监控模块，6.小波融合模块，7.可驯钟模块，8.守时模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明基于小波变换的多模式定时系统的结构，如图1所示，包括依次连接的外部信息模块1、时码通信模块3及显示监控模块5，外部信息模块1、时码通信模块3分别与比对模块2相连接，时码通信模块3上还连接有主钟模块4。时码通信模块3的结构如图2所示，包括相连接的小波融合模块6及可驯钟模块7，小波融合模块6及可驯钟模块7分别与守时模块8相连接，小波融合模块6还分别与外部信息模块1、比对模块2相连接，可驯钟模块7与主钟模块4相连接。
其中的，外部信息模块1，用于产生各子时间系统的状态和时间信号。比对模块2，用于将各子系统输出的1PPS信号进行比对处理。时码通信模块3，用于将得到的高精度、高稳定度的时间尺度、时间信息、频率基准，以多种信号的形式向外界输出。主钟模块4，用于提供基准时间信号。显示监控模块5，用于时间显示和模块的监控。小波融合模块6，用于将各子系统输出的1PPS信号进行数据融合。可驯钟模块7，用于微调主钟的信号。守时模块8，用于控制小波融合模块6和可驯钟模块7之间的同步工作。
本发明采用底板方式实现各模块的互联。各模块之间通过接插件与底板相连，只将各功能模块的专用接口放于设备面板上。时码通信模块3主要由以下几个组件（电路板）构成：
（1）监控守时板：主要完成小波融合、可驯钟、守时、监控信息的传递、键盘输入和时间状态显示功能。
（2）IRIG-B板：完成IRIG-B码授时功能。
（3）NTP板：完成NTP网络授时功能。
以下从理论方面阐述本发明的设计与实现：
（1）外部参考信息/比对钟差的输入
通过RS232标准串口（RS-232电平），与各个授时OEM板和时间测量循环比对器通信，完成定时基准（时间信息）和1PPS比对钟差的输入，各个模块都有自己的串口通信协议格式和波特率。
（2）小波融合及可驯钟子模块
本发明采取多系统定时融合解算的技术，将各个系统输出的1PPS信号进行相互比对，时间差可测量。我们采用小波分解算法：把原子钟的信号在小波域分解，提取出在不同频率范围内的分量，在小波域加权平均，然后反演得到具有更高准确度和稳定度综合的时间尺度。
综合的时间尺度是以主钟为参考的，表现为综合钟（所得时间尺度）与主钟的钟差。将这个钟差转换为分频计数器的调节量，然后通过实时的对分频计数器的累加值进行调节，就可以得到实时性较好的、精确同步与综合时间尺度的1PPS信号。这个1PPS信号就是综合的时间尺度的物理实现。
主钟模块4选用铷钟，用守时算法时间信息综合后产生定时信号1PPS作为参考标准，与铷钟输出通过分频得到的1PPS信号（未调相的）进行相位比较，测出相位差，送计算单元。通过数字滤波后，根据铷钟的时钟模型，将该相位误差数据转换成铷钟的压控电压步进数据或数字控制数据，传送给铷钟，完成铷钟的频率微调。同时将调整数据存入数据库，通过智能学习算法分析，以备所有外部时钟源都失去时校准晶振或铷钟。频率微调的时刻和间隔可根据所选铷钟的特性决定。然后根据铷钟的时钟数据模型，转换为频率源的频率步进数值，送给铷钟进行频率的修正。
通过学习阶段后，以测出的同步误差值作为门限，同时假定（包含当前秒以及以前999s在内的）连续1000s的同步误差算术平均值作为当前秒的测试同步误差，两频率相位差的变化量ΔT。此时如果计算出来的ΔT>0，则说明被测频率信号的频率偏低，需要提高频率；如果计算出来的ΔT<0，则说明被测频率信号的频率偏高，需要降低频率。
（3）同步、定时信息的分配输出
在得到了高精度、高稳定度的时间尺度、时间信息、频率基准后，便可以多种信号形式向外输出。同步授时的信号有很多种，设备选取了目前应用比较广泛的几种：1PPS、IRIG-B、NTP、2.048Mb/s。
除1PPS外，其余的同步信号的实现都需要另外单独的电路板完成，守时板只提供参考基准。守时板给各授时板提供基准信号。
（4）监控数据传递的设计
守时板和监控计算机通过串口保持连接，由于各个模块都和守时板相连，所以各模块和监控计算机之间的通信都需要经过守时板的转发才能实现。作为各模块连接枢纽的守时板通过串口传递各模块状态数据、配置数据、钟差数据等。
（5）时间显示和按键输入功能
a.时间显示模块由ARM处理器控制。ARM处理器接收来自FPGA的准确时间信息，经过转换处理后传送至显示模块。显示时间为北京时间，包括年、月、日、时、分、秒，每秒刷新一次。显示屏采用字符型带背光液晶显示模块。
b.设备具有按键输入功能，按键采用4×4矩阵键盘，由ARM处理器控制实现。
（6）守时板整体硬件构成：
守时板涉及到多个外部基准时间（频率）源的输入、融合、输出，及多个模块的监测、控制，所以接口较多、结构复杂。采用FPGA、ARM和其它专用芯片搭建硬件平台完成基本功能。
本发明基于小波变换的多模式定时方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：从外部信息模块1输入各子定时系统的状态和时间信号到比对模块2及小波融合模块6。
一方面，比对模块2将输入的各子定时系统的状态和时间信号与比对模块2的定时基准做比对，得到比对钟差，比对具体按照以下步骤实施：测量各子定时系统的状态和时间信号与定时基准的时间差，扣除时间差，然后通过卡尔曼滤波器进行融合解算和滤波，使得滤波后的融合1PPS信号拥有更高的频率稳定性，融合1PPS信号对晶体振动器的输出频率进行精密测量与校准，使晶振的输出频率精确同步在UTC时上，输出更高准确度的频率信号。该1PPS信号的准确度只受晶振准确度的影响，并不受外部时间基准秒脉冲信号跳变带来的影响，相当于UTC时间基准的复现。这一特性对于移动通信等领域尤其重要，得到1PPS比对钟差。
另一方面，小波融合模块6收集到各子定时系统的状态和时间信号，等待处理。
步骤2：将上步中比对模块2得到的比对钟差传递给小波融合模块3，小波融合模块6将由外部信息模块1输入的各子定时系统的状态和时间信号，结合由比对模块2输入的比对钟差，按以下步骤进行定时数据融合：采用小波分解算法，把输入的状态和时间信号在小波域进行分解，提取出在不同频率范围内的分量，在小波域进行加权平均，然后重构得到具有更高准确度和稳定度综合的时间尺度，即精确时间尺度，小波分解算法的过程如下：
设参加归算的原子钟总数为C，在某一时刻，第c个原子钟的钟面读数为T（c），加上相位改正A（c）和频率改正B（c）。在归算的时间间隔I内，修正后的钟面读数TM（c，t）可写为：
（1）
由式（1）、（2）和（3）可以得到：
把（4）式写为两项，第一项为：
式中：A（c）是为保持时间尺度的连续性而采用的常数，一般取上一次归算结束时刻的频率改正值；B（c）是预测的本次归算的频率改正值。（4）式的第二项为：
（6）
其中，
，RF（t）是对非平稳的随机过程求加权平均，在每一个频率范围内，各个原子钟信号的幅度都可能不同。同时守时模块8控制小波融合模块6与可驯钟模块7同步工作；
步骤3：小波融合模块（6）将上步得到的精确时间尺度传递给可驯钟模块7，主钟模块4输入基准时间信号给可驯钟模块7，可驯钟模块7根据精确的时间尺度调节主钟模块4的基准时间信号，得到精确的状态和时间信号以备输出，具体实施步骤如下：作为同步时钟设备，当外部时间基准信号（卫星信号和长河二号信号）和地面信号不可用的时候，设备也需要长时间稳定的定时输出。因此本发明中采用两个方面的措施。首先，选用低相噪、低漂移的主钟模块4—铷钟（或者恒温高稳晶振），利用高性能的本地时钟在无外部时间参考时保证定时精度。但是本地时钟仍然会不断的漂移，因此本发明采用智能学习算法，当外部基准信号可用时，利用高精度的外部基准信号对晶体振荡器的输出频率进行精密测量与校准，使外部基准信号驯服晶振的输出频率精确同步在UTC时钟上，在驯服晶振过程中能够不断“学习”晶振的漂移等特性，并将这些参数存入数据库中。当外部各个时间基准出现异常或不可用时，能够自动切换到保持模式，根据历史工作性能参数驯服晶振，继续提供高可靠性的时间和频率基准信息输出。同时，守时模块8控制可驯钟模块7与小波融合模块6同步工作。
步骤4：可驯钟模块7将上步得到的精确的状态和时间信号以多种形式输出给显示监控模块5：可输出NTP、1PPS、2.048Mb/s（E1）、IRIG-BDC等信号，以便时间的显示和模块工作的监控。
Claims (6)
1.一种基于小波变换的多模式定时系统，其特征在于，包括由依次连接的小波融合模块（6）、可驯钟模块（7）及守时模块（8）组成的时码通信模块（3），所述的小波融合模块（6）还与外部信息模块（1）和比对模块（2）依次连接，所述的可驯钟模块（7）还分别与主钟模块（4）和显示监控模块（5）相连接。
2.一种基于小波变换的多模式定时方法，其特征在于，采用一种基于小波变换的多模式定时系统，包括由依次连接的小波融合模块（6）、可驯钟模块（7）及守时模块（8）组成的时码通信模块（3），所述的小波融合模块（6）还与外部信息模块（1）和比对模块（2）依次连接，所述的可驯钟模块（7）还分别与主钟模块（4）和显示监控模块（5）相连接，
具体按照以下步骤实施：
步骤1：从外部信息模块（1）输入各子定时系统的状态和时间信号到比对模块（2）及小波融合模块（6），比对模块（2）将输入的各子定时系统的状态和时间信号与比对模块（2）的定时基准做比对，得到比对钟差，同时，小波融合模块（6）收集到各子定时系统的状态和时间信号，等待处理；
步骤2：将上步中比对模块（2）得到的比对钟差传递给小波融合模块（6），小波融合模块（6）将由外部信息模块（1）输入的各子定时系统的状态和时间信号，结合由比对模块（2）输入的比对钟差，进行定时数据融合，得到精确时间尺度，同时守时模块（8）控制小波融合模块（6）与可驯钟模块（7）同步工作；
步骤3：小波融合模块（6）将上步得到的精确时间尺度传递给可驯钟模块（7），主钟模块（4）输入基准时间信号给可驯钟模块（7），可驯钟模块（7）根据精确时间尺度调节主钟模块（4）输入的基准时间信号，得到精确的状态和时间信号，同时，守时模块（8）控制可驯钟模块（7）与小波融合模块（6）同步工作；
步骤4：可驯钟模块（7）将上步得到的精确的状态和时间信号输出给显示监控模块（5），完成定时。
3.根据权利要求2所述的基于小波变换的多模式定时方法，其特征在于，所述步骤1中的比对，具体按照以下步骤实施：测量各子定时系统的状态和时间信号与定时基准的时间差，扣除时间差，然后通过卡尔曼滤波器进行融合解算和滤波，得到比对钟差。
4.根据权利要求2所述的基于小波变换的多模式定时方法，其特征在于，所述步骤2中的定时数据融合，具体按照以下步骤实施：采用小波分解算法，把输入的状态和时间信号在小波域进行分解，提取出在不同频率范围内的分量，在小波域进行加权平均，然后重构得到精确时间尺度。
5.根据权利要求4所述的基于小波变换的多模式定时方法，其特征在于，所述的小波分解算法，具体按照以下步骤实施：
设参加归算的原子钟总数为C，在某一时刻，第c个原子钟的钟面读数为T（c），加上相位改正A（c）和频率改正B（c），在归算的时间间隔I内，修正后的钟面读数TM（c，t）写为：
由以上三个公式可以得到：
把上式写为两项，第一项为：
式中：A（c）是常数，取上一次归算结束时刻的频率改正值；B（c）是预测的本次归算的频率改正值，
第二项为：
其中，
，RF（t）是对非平稳的随机过程求加权平均。
6.根据权利要求2所述的基于小波变换的多模式定时方法，其特征在于，所述的步骤2及步骤3中的守时模块（8）控制小波融合模块（6）与可驯钟模块（7）同步工作，具体按照以下步骤实施：当外部基准信号可用时，利用高精度的外部基准信号对晶体振荡器的输出频率进行精密测量与校准，使外部基准信号驯服晶振的输出频率精确同步在UTC时钟上，在驯服晶振过程中不断学习晶振的漂移等特性，并将这些参数存入数据库中；当外部各个时间基准出现异常或不可用时，自动切换到保持模式，根据历史工作性能参数驯服晶振，继续提供高可靠性的时间和频率基准信息输出。
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