CN106253894A - 高稳定性组合区域授时频率生成设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高稳定性组合区域授时频率生成设备，旨在提供一种可靠性高、长短稳定度好、适用范围广的授时频率生成设备。其技术方案为：接收切换单元将选出的两路不同源的卫星秒信号输入锁定单元进行频率锁定，经锁定单元产生两路锁相后的标准频率信号分别输出到信号处理单元A和信号处理单元B；其中一路卫星秒信号还用来给并联在三选二开与第一模拟锁相环PLL_A之间的铷钟进行校频，产生一路标准频率信号传送至信号处理单元C；信号处理单元对不同源的三路标准频率信号进行信号整形、放大、分路、编码，分频输出到远端授时单元，经光电转换器转换为光信号，光信号通过一路或多路光纤传输至设备机房再转为电信号经天线发射，完成接收端时钟授时。
Description
技术领域
本发明涉及一种为各种电子设备提供信号来源的频率源设备，更具体说本发明涉及一种接收卫星信号的可区域授时的便携式多功能高稳定频率生成设备。
背景技术
随着各领域电子化建设的不断深入，其业务处理和科学管理决策对计算机的依附程度越来越大。在各领域中，各种实时业务需要精确、可靠和公认的时间，而一般的计算机和互联设备在时间稳定度方面的设计上没有明确的指标要求，这些设备的时钟振荡器工作在不受校对的自由振荡情况下，在长期积累后会与UTC时间产生相当大的误差，从而导致网络中设备之间的时间不统一，这样会给网络中的数据处理带来很大问题。由于温度变化、电磁干扰、振荡器老化和生产调试等原因，时钟的振荡频率和标准频率之间存在一些误差。这些误差初看来似乎微不足道，而在长期积累后会产生相当大的影响。要使本地时间与标准时间实现统一或称同步，就要解决时间这一量值的传递。时间量值的传递与其他量值的传递相比，一个十分重要的优点是其可以借助无线电波实现量值的远距离传递。这种利用无线电波发送标准时间信号的工作称为授时。目前主要的授时技术主要有：基于短波、长波、北斗卫星授时，基于国外的GPS授时技术，互联网授时，电话拨号授时，SDH授时技术等。仅采用卫星授时，虽然方便，但当卫星信号不好时，整个设备将处于瘫痪状态，故其可靠性差。仅采用铷钟作为本地钟源，因其长期工作中存在漂移，引起频率偏差。
传统的频标设备是通过原子钟来产生所需的多种标准频率信号，由于其必须连接外接参考信号，导致必须固定安装，因此限定了其适用范围；且原子钟成本高、体积大，受环境影响大，可靠性低；另外必须外接秒信号来校频，因此其结构复杂，功能单一，适用范围有限；原子钟短期稳定度差，需要稳很久才能达到较佳的指标，实际使用中相当不便。若仅采用体积小的晶振，虽然短期稳定度好，但长期稳定度差，易老化，准确度低。
发明内容
本发明的目的针对现有技术存在的不足之处，提供一种可靠性高、成本低、体积小、准确度高、长短稳定度好、适用范围广的高稳定性组合区域授时频率生成设备。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，一种高稳定性组合区域授时频率生成设备，包括：接收切换单元、锁定单元、信号处理单元和远端授时单元，其特征在于：接收切换单元采用至少三个三合一天线和信号放大器串联的3×3信号切换矩阵、多种接收机模块和三选二开关来切换接收到的卫星信号，三选二开关将选出的两路不同源的卫星秒信号输入锁定单元进行频率锁定，两路不同源的卫星秒信号经锁定单元中两个独立工作的模拟锁相环、晶体振荡器和信号分配器产生两路锁相后的标准频率信号，并将两路锁相后的标准频率信号分别输出到信号处理单元A和信号处理单元B；在两路不同源的卫星秒信号中，其中一路还用来给并联在三选二开与第一模拟锁相环PLL_A之间的铷钟进行校频，含有两个单刀双掷开关并联回路构成的铷钟锁相单元可产生一路标准频率信号，该标准频率信号通过铷钟锁相单元后置单刀双掷开关传送至信号处理单元C；信号处理单元对来自锁定单元的三种不同源频率信号进行信号整形、放大、分路、编码，分频输出到远端授时单元，将来自信号处理单元的一路或多路标准频率信号送入光电转换器转换为光信号，光信号通过一路或多路光纤传输至设备机房再转为电信号经发射天线发出，n个需要授时的时钟表/设备单元通过其内置接收天线接收授时，从而完成接收端时钟/设备授时。
可靠性高。本发明采用三个可独立工作的三合一天线、三个可独立工作的接收机模块，通过矩阵和开关切换的方式，将可选出的两路不同的卫星信号，进而产生两路不同源的标准频率信号。两路不同源的卫星秒信号经锁定单元中两个可独立工作的锁相单元，同时铷钟锁相单元也采用锁相单元1：1备份的方式；锁相单元的输出信号通过三个可独立工作的信号处理单元，最终输出多种功能的不同源的标准频率信号，大大提高了电路的可靠性。例如有两个天线，两个接收机模块均损坏造成无法工作的情况下，可以通过开关切换的方式选择一路卫星信号继续工作；当卫星信号很差，三个天线和三个接收机芯片均损坏的情况下，还可以通过锁定单元内置的驯服铷钟锁相单元继续工作，不会影响整个装置的正常工作，和信号的准确度可靠性相噪等指标，从而大大延长了频率源设备的使用寿命，减少了频率源设备的维修次数。
成本低。本发明独创地采用三个三合一天线的方式运用成熟的锁相环PLL模块频率合成技术，通过功能强大的三合一天线，且成本低廉链路的灵敏度，相比于现有技术价格高昂的原子钟组组成的频标系统，大大降低了成本，并且拓展了频率源设备的适用范围，克服了现有技术功能单一，适用范围有限的弊端。
体积小。本发明采用三个卫星接收模块的方式和超小体积铷钟锁相单元，发展成熟的集成PLL模块，及超高速模拟数字转换器ADC和数字模拟转换器DAC芯片，相比于以往笨重的频标设备，缩小了体积。
切换简单。本发明中的三选二开关将接收切换单元产生的两路不同源的标准卫星秒信号传输给锁定单元进行频率锁定和切换，锁定单元可利用内置两个单刀双掷开关选择为铷钟工作的锁相环，整个装置频率转换速度快(可小于10ms)，切换简单快捷。本发明还可以通过人机交互单元分别与接收切换单元、锁定单元、信号处理单元电连接，控制各种信号的走向和开关的切换，在实际使用中可通过编程的方式，可优选地在整个装置的外观上安装可触摸显示屏，实时查看天线接收卫星信息，锁相环锁定状态及工作状态，信号处理及输出状态。用手指在屏上点击开关，便可选择相应的工作通道，达到切换的目的。且可增加时间显示，实时显示卫星时间。
准确度高、长短稳定度好。本发明在电路中独创地采用了可以同时接收秒信号和频率信号的锁相环，通过对比两者的频率或相位差，将晶体振荡器锁定在卫星秒信号上，兼具了卫星信号的时间准确度高和驯服晶体振荡器的短期稳定度好的优点，克服了晶体振荡器老化率高的缺点。信号处理单元分将来自锁定单元的三种频率信号进行信号整形、放大、分路、编码和倍频后，分频输出多种功能的不同源的标准频率信号，工作稳定可靠，输出信号频谱纯度高。当卫星信号抖动时，驯服后的铷钟锁相单元可发挥其长期稳定度好、准确度高的优点。通过将卫星信号、铷钟锁相单元、数字锁相环PLL_B，模拟锁相环PLL_A和模拟锁相环PLL_C几者的优点结合起来，实现了高性能的信号输出。
适用面广。本发明通过接收多种不同的卫星信号，实现了一种便携式频标源。只要此设备可以接收到三种卫星信号中的任何一种，通过卫星信号便可授时和产生标准高性能的频率信号。当捕捉不到卫星信号或卫星信号受到干扰时，也可用内置铷钟锁相单元替代继续工作。当需要给本区域授时时，可外接两个光电转换模块和天线，使用方便。本发明通过接收多种不同的卫星信号，实现了一种便携式频标源。
查看卫星天线是否受到干扰。由于卫星信号和天线很容易受到不同程度的干扰，本发明通过接收到三种不同的卫星信号，并利用开关选择其中两路卫星信号进行锁相输出。通过对比两路信号和铷钟锁相单元产生的信号，便可进行卫星信号比对，得知是否某卫星信号发生抖动，快速确定其是否受到干扰，天线是否安置妥当。此装置可接收多种卫星信号并内置超小体积铷钟锁相单元、锁相环等实现多种高质量标准频率信号的输出。其具有可靠性高、成本低、体积小、准确度高、长短稳定度好、适用范围广，可批量生产等优点。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。为了说明本发明所述的技术方案，下面通过实施例来说明。
图1是本发明高稳定性组合区域授时频率生成设备的电路原理示意图。
具体实施方式
参阅图1。在以下描述的一个最佳实施例中，一种高稳定性组合区域授时频率生成设备，可以通过接收多种卫星信号，并内置BM2102—06型超小体积铷钟锁相单元、锁相环实现多种高质量标准频率信号的输出。所述一种高稳定性组合区域授时频率生成设备，包括：接收切换单元、锁定单元、信号处理单元和远端授时单元，其中，接收切换单元采用至少三个三合一天线和信号放大器串联的3×3信号切换矩阵、多种接收机模块和三选二开关来切换接收到的卫星信号，三选二开关将选出的两路不同源的卫星秒信号输入锁定单元进行频率锁定，两路不同源的卫星秒信号经锁定单元中两个独立工作的模拟锁相环、晶体振荡器和信号分配器产生两路锁相后的标准频率信号，并将两路锁相后的标准频率信号分别输出到信号处理单元A和信号处理单元B；在两路不同源的卫星秒信号中，其中一路还用来给并联在三选二开与第一模拟锁相环PLL_A之间的铷钟进行校频，含有两个单刀双掷开关并联回路构成的铷钟锁相单元可产生一路标准频率信号，该标准频率信号通过铷钟锁相单元后置单刀双掷开关传送至信号处理单元C；信号处理单元对来自锁定单元的三种不同源频率信号进行信号整形、放大、分路和编码，分频输出到远端授时单元，将来自信号处理单元的一路或多路标准频率信号送入光电转换器转换为光信号，光信号通过一路或多路光纤传输至设备机房再转为电信号经发射天线发出，n个需要授时的时钟表/设备单元通过其内置接收天线接收授时，从而完成接收端时钟/设备授时。
接收切换单元包括：串联在GPS/BD/GLONASS三合一天线与3×3信号切换矩阵之间的放大器和串联在3×3信号切换矩阵与三选二开关之间的接收机模块。接收机模块由并联在3×3信号切换矩阵与三选二开关之间的GPS接收机、BD接收机和GLONASS组成。
锁定单元包括两个模拟锁相环单元和一个铷钟锁相单元，模拟锁相环单元由顺次串联的模拟锁相环PLL_A、晶体振荡器和信号信号分配器组成，其中，两路模拟锁相环PLL_A将来自三选二开关的两路不同的卫星秒信号通过晶体振荡器同频后输入信号信号分配器，同时，模拟锁相环PLL_A通过对比来自三选二开关的两路卫星秒信号和信号分配器反馈的晶体振荡器的频率或相位差，控制晶体振荡器振荡产生与卫星秒信号相关的标准频率信号。
铷钟锁相单元包括并联在三选二开关与模拟锁相环PLL_A之间的铷钟和串联在所述铷钟第一单刀双掷开关，以及通过第一单刀双掷开关，顺次串联的模数转换器ADC、数字锁相环PLL_B、数字模拟转换器DAC和并联在第一单刀双掷开关与第二单刀双掷开关之间的模拟锁相环PLL_C形成的并联回路。
铷钟锁相单元可接收任何一路卫星秒信号进行校频。铷钟锁相单元根据接收的三选二开关给的卫星秒信号对铷钟进行校频和驯服，驯服后的铷钟产生的标准频率信号可通过第一单刀双掷开关和第二单刀双掷开关选择一路经模数转换器ADC送入数字锁相环PLL_B、数模转换器DAC送入第二单刀双掷开关，另一路通过模拟锁相环PLL_C送入第二单刀双掷开关，无论选择哪一路信号工作，均通过第二单刀双掷开关传送至信号处理单元C。
信号处理单元包括串联在两路信号分配器输出端与光电转换器输入端之间的信号处理单元A和信号处理单元B，还包括串联在铷钟锁相单元输出端与光电转换器输入端之间的信号处理单元C。
远端授时单元主要包括至少两个串联的光电转换器和电连接光电转换器的发射天线。远端授时单元接收信号处理单元输出的一路或多路标准频率信号，通过上述光电转换器将标准频率信号转为光信号，光信号通过一路或多路光纤传输至需要授时位置的时钟表/设备单元，通过电连接的光电转换器将光信号恢复成电信号；电信号经发射天线发送至需要授时的时钟表/设备单元，需要授时的钟表及设备单元接收到天线发射的信号自动进行校时。
接收切换单元产生两路不同源的卫星秒信号，经三选二开关选出的两路不同的卫星秒信号传输给锁定单元中两个独立工作的模拟锁相环单元，模拟锁相环单元中的两路拟锁相环PLL_A通过各自串联的晶体振荡器和信号信号分配器产生两路锁相后的标准频率信号，并将两路锁相后的标准频率信号分别输出到信号处理单元A和信号处理单元B；锁定单元还可利用并联在三选二开关与第一模拟锁相环PLL_A之间的铷钟产生标准频率信号，通过铷钟串联的两个单刀双掷开关选择一路铷钟锁相单元的锁相环对铷钟产生的标准频率信号进行锁定，并经过后置的单刀双掷开关传送至信号处理单元C，从而形成输出三种不同源的标准频率信号。其中，铷钟锁相单元采用锁相单元1：1备份的方式产生标准频率信号。
信号处理单元分别将来自上述锁定单元和铷钟锁相单元的三种不同源的标准频率信号进行信号整形、放大、分路、编码后，输出多种功能的不同源的标准频率信号。信号处理单元可通过放大器进行整形放大、功分器进行分路、现场可编程门阵列FPGA进行分频，编码来对锁定单元输出的三种标准频率信号进行信号整形、放大、分路、编码和倍频，分频输出多种功能的不同源的标准频率信号。
锁定单元输入端接收来自接收切换单元的两路不同源卫星秒信号。第一路卫星秒信号通过第一锁相环单元模拟锁相环PLL_A和顺次串联的晶体振荡器和信号信号分配器传输到信号处理单元中的信号处理单元A，第二路卫星秒信号通过第二模拟锁相环PLL_A和顺次串联的晶体振荡器和信号信号分配器传输到信号处理单元中的信号处理单元B。
铷钟锁相单元可以通过切换两个并联回路上的前后端单刀双掷开关来选择模数转换器ADC、模拟锁相环PLL_B、数模转换器DAC的链路工作，或与之并联的模拟锁相环PLL_C的链路工作，两个并联的链路均能实现将自身信号锁定在以铷钟频率信号为参考的信号上。且各有优劣，如ADC+PLL_B+DAC链路的优点是体积小成本低，精度高，不易受环境温度影响；模拟锁相环PLL_C的优点是锁定时间短，易调试，近端相噪很低。实际中用户可根据自身需求进行选配ADC+PLL_B+DAC和PLL_C任意一个，或两个模拟锁相环PLL_C，或两个ADC+PLL_B+DAC。铷钟锁相单元的输出信号传输到信号处理单元中的信号处理单元C，由此实现输出三路不同源的标准频率信号。
当卫星信号好时，信号处理单元A和信号处理单元B的性能较好，铷钟锁相单元最终输出的信号是通过信号处理单元C作为备份的。
当卫星信号不好时，信号处理单元A和信号处理单元B的性能较差，卫星信号一跳，锁相单元中与信号处理单元A和信号处理单元B电连接的锁相单元内部的锁相环就会失锁，重新锁定，此时铷钟锁相单元产生的最终信号，即信号处理单元C的稳定度可靠性相噪等指标远优于信号处理单元A和信号处理单元B。因此此装置适用范围广，可以搬移到环境很恶劣的郊外，也可置于室内，满足了目前不同环境不同设计的缺陷。
Claims (10)
1.一种高稳定性组合区域授时频率生成设备，包括：接收切换单元、锁定单元、信号处理单元和远端授时单元，其特征在于：接收切换单元采用至少三个三合一天线和信号放大器串联的3×3信号切换矩阵、多种接收机模块和三选二开关来切换接收到的卫星信号，三选二开关将选出的两路不同源的卫星秒信号输入锁定单元进行频率锁定，两路不同源的卫星秒信号经锁定单元中两个独立工作的模拟锁相环、晶体振荡器和信号分配器产生两路锁相后的标准频率信号，并将两路锁相后的标准频率信号分别输出到信号处理单元A和信号处理单元B；在两路不同源的卫星秒信号中，其中一路还用来给并联在三选二开与第一模拟锁相环PLL_A之间的铷钟进行校频，含有两个单刀双掷开关并联回路构成的铷钟锁相单元产生一路标准频率信号，该标准频率信号通过铷钟锁相单元后置单刀双掷开关传送至信号处理单元C；信号处理单元将来自锁定单元的三种不同源的标准频率信号进行信号整形、放大、分路和编码后，分频输出到远端授时单元，将来自信号处理单元的一路或多路标准频率信号送入光电转换器转换为光信号，光信号通过一路或多路光纤传输至设备机房再转为电信号经发射天线发出，n个需要授时的时钟表/设备单元通过其内置接收天线接收授时，从而完成接收端时钟/设备授时。
2.如权利要求1所述的高稳定性组合区域授时频率生成设备，其特征在于：接收切换单元包括：串联在GPS/BD/GLONASS三合一天线与3×3信号切换矩阵之间的放大器和串联在3×3信号切换矩阵与三选二开关之间的接收机模块；接收机模块由并联在3×3信号切换矩阵与三选二开关之间的GPS接收机、BD接收机和GLONASS组成。
3.如权利要求1所述的高稳定性组合区域授时频率生成设备，其特征在于：锁定单元包括两个模拟锁相环单元和一个铷钟锁相单元，模拟锁相环单元由顺次串联的模拟锁相环PLL_A、晶体振荡器和信号信号分配器组成，其中，两路模拟锁相环PLL_A将来自三选二开关的两路不同的卫星秒信号通过晶体振荡器同频后输入信号信号分配器，同时，每个模拟锁相环PLL_A通过对比来自三选二开关的送给自身的一路卫星秒信号和信号分配器反馈的晶体振荡器的频率或相位差，控制晶体振荡器振荡产生与卫星秒信号相关的标准频率信号。
4.如权利要求1所述的高稳定性组合区域授时频率生成设备，其特征在于：铷钟锁相单元包括并联在三选二开关与模拟锁相环PLL_A之间的铷钟和串联在所述铷钟第一单刀双掷开关，以及通过第一单刀双掷开关，顺次串联的模数转换器ADC、数字锁相环PLL_B、数字模拟转换器DAC和并联在第一单刀双掷开关与第二单刀双掷开关之间的模拟锁相环PLL_C形成的并联回路。
5.如权利要求1所述的高稳定性组合区域授时频率生成设备，其特征在于：铷钟锁相单元根据接收的三选二开关给的卫星秒信号对铷钟进行校频和驯服，驯服后的铷钟产生的标准频率信号通过第一单刀双掷开关和第二单刀双掷开关选择一路经模数转换器ADC送入数字锁相环PLL_B、数模转换器DAC送入第二单刀双掷开关，另一路通过模拟锁相环PLL_C送入第二单刀双掷开关，无论选择哪一路信号工作，均通过第二单刀双掷开关传送至信号处理单元C。
6.如权利要求1所述的高稳定性组合区域授时频率生成设备，其特征在于：信号处理单元包括串联在两路信号分配器输出端与光电转换器输入端之间的信号处理单元A和信号处理单元B，还包括串联在铷钟锁相单元输出端与光电转换器输入端之间的信号处理单元C。
7.如权利要求1所述的高稳定性组合区域授时频率生成设备，其特征在于：远端授时单元主要包括至少两个串联的光电转换器和电连接光电转换器的发射天线。
8.如权利要求6所述的高稳定性组合区域授时频率生成设备，其特征在于：远端授时单元接收信号处理单元输出的一路或多路标准频率信号，通过上述光电转换器将标准频率信号转为光信号，光信号通过一路或多路光纤传输至需要授时位置的时钟表/设备单元，通过电连接的光电转换器将光信号恢复成电信号；电信号经发射天线发送至需要授时的时钟表/设备单元，需要授时的钟表及设备单元接收到天线发射的信号自动进行校时。
9.如权利要求1所述的高稳定性组合区域授时频率生成设备，其特征在于：模拟锁相环单元中的两路模拟锁相环PLL_A通过各自串联的晶体振荡器和信号信号分配器产生两路锁相后的标准频率信号，并将两路锁相后的标准频率信号分别输出到信号处理单元A和信号处理单元B；铷钟锁相单元根据接收的三选二开关给的卫星秒信号对并联在三选二开关与第一模拟锁相环PLL_A之间的铷钟进行校频和驯服，驯服后的铷钟产生标准频率信号，通过切换铷钟锁相单元的两个单刀双掷开关选择一路锁相环进行铷钟标准频率信号的锁相输出并传送至信号处理单元C，从而形成输出三种不同源的标准频率信号。
10.如权利要求1所述的高稳定性组合区域授时频率生成设备，其特征在于：信号处理单元通过放大器进行整形放大、功分器进行分路、现场可编程门阵列FPGA进行分频和编码来对锁定单元输出的三种标准频率信号进行信号整形、放大、分路、编码和倍频，分频输出多种功能的不同源的标准频率信号。
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