CN105511255A - 无损切换的时钟源设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种无损切换的时钟源设备，包括：卫星信号接收机接收来自卫星天线的卫星定时信号；IRIG-B码源设备提供IRIG-B码信号；PTP时钟源设备提供PTP时钟信号；数据处理模块对信号质量分别进行判断，生成信号状态判断结果；主控模块根据信号状态判断结果和预设的优先级选择并切换至对应的时钟源，然后将选择的时钟源与本地定时信号进行综合运算，以输出时钟同步信号，输出模块对主控模块生成的时钟同步信号进行分配，输出多路基准信号。本发明通过高速合理的异常判别和切换机制以及异常信号，实现相对于切换动作先发后至，使得异常判别和切换响应时间大大缩减，授时精度和输出信号不受影响，也不会引入毛刺或丢失脉冲。
Description
技术领域
本发明涉及卫星导航技术领域，特别涉及一种无损切换的时钟源设备。
背景技术
目前，随着我国北斗卫星导航系统的建设和成熟，在军工、电信和电力市场上对高端授时基准源有了更大需求。同步时钟基准源输入输出接口丰富、扩展性强。多源化的授时源中有GPS(GlobalPositioningSystem，全球定位系统)、北斗、IRIG-B(InterRangeInstrumentationGroup-B)和PTP(PrecisionTimeProtocol)。这些卫星和时钟源都为高端的同步基准源的高稳定性提供了可靠的保证。
在这些时钟源互为备份的过程中，时间源切换涉及一项关键技术指标。但是，现有的时间源切换方法，在过程中会有损授时精度，输出信号有时会引入毛刺甚至丢失信号。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。
为此，本发明的目的在于提出一种无损切换的时钟源设备，通过高速合理的异常判别和切换机制以及异常信号，实现相对于切换动作先发后至，使得异常判别和切换响应时间大大缩减，并且授时精度和输出信号不受影响，也不会引入毛刺或丢失脉冲。
为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种无损切换的时钟源设备，包括：卫星信号接收机，所述卫星信号接收机与卫星天线进行通信，用于接收来自所述卫星天线的卫星定时信号；IRIG-B码源设备，用于提供IRIG-B码信号；PTP时钟源设备，用于提供PTP时钟信号；数据处理模块，用于接收所述卫星定时信号、IRIG-B码信号和PTP时钟信号，并对所述卫星定时信号、IRIG-B码信号和PTP时钟信号的信号质量分别进行判断，生成信号状态判断结果；主控模块，所述主控模块的输入端与所述数据处理模块的输出端相连，在所述主控模块内部设置有铷钟单元作为本地定时信号，所述主控模块用于根据所述信号状态判断结果和预设的优先级选择并切换至对应的时钟源，然后将选择的时钟源与所述本地定时信号进行综合运算，以输出时钟同步信号，其中，时钟源的优先级由高到低依次为：卫星定时信号、PTP时钟信号、IRIG-B码信号，所述主控模块根据所述信号状态判断结果判断上一级时钟信号异常时，自动切换至对应的下一级时钟信号作为所述时钟源；输出模块，所述输出模块与所述主控模块的输入端相连，用于对所述主控模块生成的所述时钟同步信号进行分配，输出多路基准信号。
进一步，所述卫星信号接收机为GPS接收机、北斗卫星接收机或GPS/北斗卫星组合接收机。
进一步，所述数据处理模块对所述卫星定时信号的信号质量进行判断，包括：检测所述卫星定时信号的收星数量、每颗卫星的信噪比；所述数据处理模块对所述IRIG-B码信号的信号质量进行判断，包括：检测所述IRIG-B码信号的稳定度和连续性；所述数据处理模块对所述PTP时钟信号的信号质量进行判断，包括：检测所述IRIG-B码信号的稳定度和连续性。
进一步，所述数据处理模块为数字信号处理器DSP。
进一步，本发明实施例的无损切换的时钟源设备还包括：显示屏、键盘和指示灯，所述显示屏、键盘和指示灯分别与所述主控模块相连。
进一步，本发明实施例的无损切换的时钟源设备还包括：时间间隔误差TIE测量单元，所述TIE测量单元的输入端与所述卫星信号接收机相连，用于对所述卫星信号接收机输出的1pps秒脉冲信号进行TIE测量；计数单元，所述计数单元的输入端与所述TIE测量单元的输出端相连，所述计数单元的输出端与所述主控模块相连，用于根据所述TIE测量结果进行计数统计，并作为参考信号输出至所述主控模块。
进一步，所述主控模块根据所述信号状态判断结果，在判断所述卫星定时信号的信号质量快速变化时，停止接收所述1pps秒脉冲信号作为参考信号。
进一步，所述主控模块在接收到所述参考信号后，采用卡尔曼滤波器对所述参考信号进行预处理。
进一步，所述输出模块输出多路基准信号，包括：一路本地高精度频率基准信号、一路锁相环反馈信号、一路经分频和电平转换后的1pps秒脉冲信号，其中，所述1pps秒脉冲信号作为所述卫星信号接收机、所述IRIG-B码源设备和所述PTP时钟源设备的基准信号。
根据本发明实施例的无损切换的时钟源设备，通过实时的信号状态监测，判断参考源的信号质量，可以在卫星定时信号不可用时，快速切换至其他参考源，保证切换动作发生在异常信号到达切换点之前，通过上述高速合理的异常判别和切换机制以及异常信号，实现相对于切换动作先发后至，使得异常判别和切换响应时间大大缩减，并且授时精度和输出信号不受影响，也不会引入毛刺或丢失脉冲。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的无损切换的时钟源设备的结构框图；
图2为根据本发明实施例的无损切换的时钟源设备的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明实施例的无损切换的时钟源设备，包括：卫星信号接收机1、IRIG-B码源设备2、PTP时钟源设备3、数据处理模块4、主控模块5和输出模块6。
具体地，参考图2，卫星信号接收机1与卫星天线7进行通信，用于接收来自卫星天线7的卫星定时信号。
在本发明的一个实施例中，卫星信号接收机1可以为GPS接收机、北斗卫星接收机或GPS/北斗卫星组合接收机。
本发明实施例的无损切换的时钟源设备，还包括：时间间隔误差TIE测量单元11和计数单元12。
其中，TIE测量单元11的输入端与卫星信号接收机1相连，用于对卫星信号接收机1输出的1pps秒脉冲信号进行TIE(TimeIntervalError单位时间间隔抖)测量。计数单元12的输入端与TIE测量单元11的输出端相连，计数单元12的输出端与主控模块5相连，用于根据TIE测量结果进行计数统计，并作为参考信号输出至主控模块5。
IRIG-B码源设备2和PTP时钟源设备3可以作为卫星定时信号的备选定时信号提供设备。其中，IRIG-B码源设备2可以提供IRIG-B码信号，该IRIG-B码信号经过第一解码单元13的解码处理后，发送至数据处理模块3。PTP时钟源设备3可以提供PTP时钟信号，该PTP时钟信号经过第二解码单元14的解码处理后，发送至数据处理模块3。
数据处理模块4可以接收卫星定时信号、经过解码处理后的IRIG-B码信号和PTP时钟信号，然后对上述卫星定时信号、IRIG-B码信号和PTP时钟信号的信号质量分别进行判断，生成信号状态判断结果。
具体地，数据处理模块4对卫星定时信号的信号质量进行判断，包括：检测卫星定时信号的收星数量、每颗卫星的信噪比等参数。
数据处理模块4对IRIG-B码信号的信号质量进行判断，包括：检测IRIG-B码信号的稳定度和连续性等参数。
数据处理模块4对PTP时钟信号的信号质量进行判断，包括：检测IRIG-B码信号的稳定度和连续性等参数。
在本发明的一个实施例中，在切换状态下，为提高时钟源设备的精度，实现无缝切换和自动切换，数据处理模块4可以为数字信号处理器DSP。
主控模块5的输入端与数据处理模块4的输出端相连。在主控模块5内部设置有本地振荡器输出本地定时信(本地时钟)号。其中，本地振荡器采用铷钟单元。
主控模块5可以根据信号状态判断结果和预设的优先级选择并切换至对应的时钟源，然后将选择的时钟源与本地定时信号进行综合运算，以输出时钟同步信号。例如，主控模块5定时部分接收卫星定时信号，通过相对测量的方式得出实时相位数据，结合本地时钟综合运算产生高稳定度的时钟同步信号。
主控模块5可以根据信号状态和优先级自动切换时间源，授时精度和输出信号不受影响。在本发明的一个实施例中，时钟源的优先级由高到低依次为：卫星定时信号、PTP时钟信号、IRIG-B码信号。
主控模块5可以根据信号状态判断结果判断上一级时钟信号异常(不可用)时，自动切换至对应的下一级时钟信号作为时钟源，保证主用时基的性能劣化而不会影响到设备的输出性能。
例如，在主控模块5根据信号状态判断结果认为卫星定时信号的信号质量差，不可用时，则自动切换至PTP时钟信号。当主控模块5判断所有输入参考都无效时，即星定时信号、PTP时钟信号、IRIG-B码信号均不可用是，则使用本地振荡器(铷钟)产生时钟同步信号。
通过采用上述高精度的铷钟单元作为本地时钟，可以使得高精度测频及时间跟踪保持算法有机的结合在一起，使输出频率驯服同步于外部时钟源信号上，提高了频率信号的长期稳定性和准确度。当失去所有外接定时参考源(即所有输入参考都无效)时，铷钟可以作为本地时钟，产生时钟同步信号，具有一定的基准时钟保持能力。
进一步，主控模块5在接收到参考信号后，采用卡尔曼滤波器对参考信号进行预处理。由于接收到的卫星信号短期的抖动较大，但长期不存在累计误差，一直围绕中轴线上下跳动。因此卫星信号的秒脉冲在短时间内是符合正态分布的，但是它的中长期特性是线性的。
本发明中，主控模块5在接收到参考信号后，可以通过卡尔曼滤波器对接收卫星信号的秒脉冲进行预处理后，可以得到比较理想的参考信号。
此外，主控模块5根据信号状态判断结果，在判断卫星定时信号的信号质量快速变化时，停止接收1pps秒脉冲信号作为参考信号。
具体地，由于主控模块5需要用到长期的卫星信号接收机1输出的1pps秒脉冲输出作为参考信号。卫星信号质量不好时，1pps秒脉冲不计入长期累积。卫星信号接收机1的卫星信号质量快速变化时，自动切换到不再接收卫星信号接收机1的参考信号。
输出模块6与主控模块5的输入端相连，用于对主控模块5生成的时钟同步信号进行分配，输出多路基准信号。
具体地，输出模块6输出多路基准信号，包括：
(1)一路本地高精度频率基准信号：
(2)一路锁相环反馈信号：
(3)一路经分频和电平转换后的1pps秒脉冲信号。其中，1pps秒脉冲信号作为卫星信号接收机1、IRIG-B码源设备2、PTP时钟源设备3和网络时钟服务器NTP的基准信号。
如图2所示，输出模块6可以包括：第一分频器15、功分电平转换器16、数模转换器D/A17、晶振18、第二分频器19、隔离单元20和功分倍频单元21。
第一分频器15的输入端与主控模块5的输出端相连，第一分频器15的输出端与功分电平转换器16的输入端相连，由功分电平转换器16输出1pps秒脉冲信号及IRIG-B码信号。
数模转换器D/A17的输入端与主控模块5的输出端相连，数模转换器D/A17的输出端与晶振18的输入端相连，D/A17对主控模块5输出的时钟同步信号进行数模转换，将得到的模拟信号输出至晶振18，由晶振18根据该模拟信号生成稳定的频率信号。晶振18的输出端分别与第二分频器19和隔离单元20输入端相连，第二分频器19对该频率信号进行分频，然后将分频后信号输出至TIE测量单元11和主控模块5。隔离单元20的输出端与功分倍频单元21相连，功分倍频单元21对隔离后的频率信号进行倍频放大处理，输出100MHz频率信号。
在本发明的又一个实施例中，本发明实施例的无损切换的时钟源设备，还包括：显示屏8、键盘9和指示灯10。其中，显示屏8、键盘9和指示灯10分别与主控模块5相连。其中，显示屏8可以实时显示无损切换的时钟源设备的工作参数和信号质量判断结果等信息。用户可以通过键盘9输入控制参数至主控模块5。指示灯10用于显示无损切换的时钟源设备的工作状态，当无损切换的时钟源设备工作时，指示灯10点亮。
此外，随着芯片的高度集成和高速化，本发明的无损切换的时钟源设备也可以响应外部的硬切换，即纯硬件高速切换。纯硬件切换时，时钟源信号快速丢失，无损切换的时钟源设备首先自动切换到自守时状态，再根据其他参考源状态(PTP时钟信号、IRIG-B码信号)判断是否切换至其他参考源，使得输出无异常。
根据本发明实施例的无损切换的时钟源设备，通过实时的信号状态监测，判断参考源的信号质量，可以在卫星定时信号不可用时，快速切换至其他参考源，保证切换动作发生在异常信号到达切换点之前，通过上述高速合理的异常判别和切换机制以及异常信号，实现相对于切换动作先发后至，使得异常判别和切换响应时间大大缩减，并且授时精度和输出信号不受影响，也不会引入毛刺或丢失脉冲。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求极其等同限定。
Claims (9)
1.一种无损切换的时钟源设备，其特征在于，包括：
卫星信号接收机，所述卫星信号接收机与卫星天线进行通信，用于接收来自所述卫星天线的卫星定时信号；
IRIG-B码源设备，用于提供IRIG-B码信号；
PTP时钟源设备，用于提供PTP时钟信号；
数据处理模块，用于接收所述卫星定时信号、IRIG-B码信号和PTP时钟信号，并对所述卫星定时信号、IRIG-B码信号和PTP时钟信号的信号质量分别进行判断，生成信号状态判断结果；
主控模块，所述主控模块的输入端与所述数据处理模块的输出端相连，在所述主控模块内部设置有铷钟单元作为本地定时信号，所述主控模块用于根据所述信号状态判断结果和预设的优先级选择并切换至对应的时钟源，然后将选择的时钟源与所述本地定时信号进行综合运算，以输出时钟同步信号，其中，时钟源的优先级由高到低依次为：卫星定时信号、PTP时钟信号、IRIG-B码信号，所述主控模块根据所述信号状态判断结果判断上一级时钟信号异常时，自动切换至对应的下一级时钟信号作为所述时钟源；
输出模块，所述输出模块与所述主控模块的输入端相连，用于对所述主控模块生成的所述时钟同步信号进行分配，输出多路基准信号。
2.如权利要求1所述的无损切换的时钟源设备，其特征在于，所述卫星信号接收机为GPS接收机、北斗卫星接收机或GPS/北斗卫星组合接收机。
3.如权利要求1所述的无损切换的时钟源设备，其特征在于，
所述数据处理模块对所述卫星定时信号的信号质量进行判断，包括：检测所述卫星定时信号的收星数量、每颗卫星的信噪比；
所述数据处理模块对所述IRIG-B码信号的信号质量进行判断，包括：检测所述IRIG-B码信号的稳定度和连续性；
所述数据处理模块对所述PTP时钟信号的信号质量进行判断，包括：检测所述IRIG-B码信号的稳定度和连续性。
4.如权利要求1或3所述的无损切换的时钟源设备，其特征在于，所述数据处理模块为数字信号处理器DSP。
5.如权利要求1所述的无损切换的时钟源设备，其特征在于，还包括：显示屏、键盘和指示灯，所述显示屏、键盘和指示灯分别与所述主控模块相连。
6.如权利要求1所述的无损切换的时钟源设备，其特征在于，还包括：
时间间隔误差TIE测量单元，所述TIE测量单元的输入端与所述卫星信号接收机相连，用于对所述卫星信号接收机输出的1pps秒脉冲信号进行TIE测量；
计数单元，所述计数单元的输入端与所述TIE测量单元的输出端相连，所述计数单元的输出端与所述主控模块相连，用于根据所述TIE测量结果进行计数统计，并作为参考信号输出至所述主控模块。
7.如权利要求6所述的无损切换的时钟源设备，其特征在于，所述主控模块根据所述信号状态判断结果，在判断所述卫星定时信号的信号质量快速变化时，停止接收所述1pps秒脉冲信号作为参考信号。
8.如权利要求6所述的无损切换的时钟源设备，其特征在于，所述主控模块在接收到所述参考信号后，采用卡尔曼滤波器对所述参考信号进行预处理。
9.如权利要求1所述的无损切换的时钟源设备，其特征在于，所述输出模块输出多路基准信号，包括：一路本地高精度频率基准信号、一路锁相环反馈信号、一路经分频和电平转换后的1pps秒脉冲信号，其中，所述1pps秒脉冲信号作为所述卫星信号接收机、所述IRIG-B码源设备和所述PTP时钟源设备的基准信号。
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