CN110471094B - 一种数字化实时处理的时间比对系统以及比对方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种数字化实时处理的时间比对系统以及比对方法，包括卫星信号接收单元、本地频标数字化单元、时间测量单元以及数据处理单元四部分。辅助以ADC数据转换的边沿效应和边沿拟合的时间比对方法，将本地频标和卫星信号与本地频标之间的初始时间间隔信号直接进行数字化处理。将数字化时序比对得到的初始时间间隔信号经过边沿拓展电路将其下降沿进行拓展，利用重构边沿拓展后的时间间隔信号下降沿过程的电压时间函数关系来完成时间间隔长度的测量。时间比对的数字化处理，将时间传递过程中需要在模拟环境下完成的工作直接转移到数字环境，模数转换器的高性能以及数字信号处理器的高速运算能力极大地提高了系统的响应时间，保证了时间比对的实时性。

Description

一种数字化实时处理的时间比对系统以及比对方法
技术领域
本发明涉及时间频率测量技术与控制领域，其应用包括测试计量及频标技术、通讯、仪器仪表、导航定位、电子工程等相当广泛的领域。
背景技术
卫星系统因具有广阔的覆盖范围、高的精度、低的使用成本等优点，逐渐成为大众首选的时间服务方式。高精度的时间服务是国民经济发展、国防建设、空间技术的支撑，对卫星定位、航空航天、信息传递及军事行动等都具有重要的意义。现代时间频率测量中一个重要的特点是可以实现远程时间频率传递。“时间统一系统”为精密间产生、传递、恢复和保持、科学研究、科学实验和工程技术及一切动力学系统和时序过程的测量和定量研究提供了必不可少的时间基准和依据。
国外，作为波兰天文台、空间研究中心实体公司之一，PIK TIME公司产品已经拥有占领国际市场的时间同步技术和产品。在其最新的时间同步系统TTS-5中已经不再采用硬件处理的时间间隔计数器。该系统具有观测效果好、运行时间长、稳定性好、配置可能性大、使用方便等优点。国内目前市场上的时间传递产品，大多是采用硬件处理的下变频器和时间间隔计数器应用于时间比对系统。然而，硬件方式的时间比对在实际应用中依然存在无法克服不足一个计数周期的原理性误差。同时复杂线路势必增加成本和工作量，还会引入不必要的信号干扰，精度有待进一步提高。随着5G通信、AI人工智能等一系列新兴数字化技术的爆发，卫星的时间服务与各个行业深度融合，将给未来数字化领域开辟出不可限量的发展空间。
发明内容
本发明的目的是提供一种数字化实时处理的时间比对系统以及比对方法，解决了在模拟环境下信号处理过程中存在线路复杂、整体设备长期工作漂移等限制精度提高的问题，实现了模拟环境向数字环境的转移。
一种数字化实时处理的时间比对系统，其特征在于，包括卫星信号接收单元、本地频标数字化单元、时间测量单元以及数据处理单元四部分；
卫星信号接收单元包括有源天线和卫星信号接收终端，卫星信号接收终端包括带通滤波器、ADC转换器、基带处理器；
卫星信号经过有源天线接收后传递到卫星信号接收终端，在卫星信号接收终端内部，卫星信号先经过一个带通滤波器进行滤波，再下变频至中频信号IF，之后中频信号由ADC转换器数字化得到数字中频信号DIF，再送入基带处理器完成对卫星信号的捕获和跟踪，得到卫星帧信息和卫星秒脉冲；
本地频标数字化单元包含频率合成器和模数转换器，模数转换器的模拟输入信号与编码时钟信号在同频的基础上有一个微小频差，将模拟输入信号进行数字下变频，输出与该微小频差直接相关的本地频标数字量；
时间测量单元包括数字信号处理器和边沿拓展电路，数字信号处理器接收来自本地频标数字化单元的本地频标数字量并处理获得本地秒脉冲，同时接收来自卫星信号接收单元的卫星秒脉冲；然后以卫星秒脉冲为起始点、本地秒脉冲为结束点，得到本地秒脉冲与卫星秒脉冲间的初始时间间隔信号，将初始时间间隔信号经过外部的边沿拓展电路后再送回到数字信号处理器内部的ADC转换器进行数字转换；
数据处理单元包括微控制处理器、KEY按键、LCD液晶显示屏、USB接口以及PC机；微控制处理器接收卫星帧信息并补偿卫星秒脉冲，同时接收来自数字信号处理器的定时器计数信号的周期数m、边沿拓展后的时间间隔信号下降沿处相应的数字量NF1和NF2。
所述比对系统的比对方法是：基于边沿效应思想的时钟游标原理，采用ADC模数转换的方法，把本地频标直接数字化处理获得本地秒脉冲，本地秒脉冲再与卫星秒脉冲进行比对，获得代表本地秒脉冲和卫星秒脉冲间的初始时间间隔信号，将该信号经过边沿拓展电路使其沿下降沿进行拓展，得到边沿拓展后的时间间隔信号，测量边沿拓展后的时间间隔信号下降沿处的电压值，然后拟合出其下降沿过程的电压时间函数关系，来完成时间间隔长度的测量。
其中数字信号处理器负责接收本地频标数字化单元的本地频标数字量，并进行处理获得本地秒脉冲，同时接收卫星的秒脉冲，以卫星秒脉冲开始、本地秒脉冲结束得到初始时间间隔信号，通过数字信号处理器内部定时器和ADC转换器测得定时器计数信号的周期数m、边沿拓展后的时间间隔信号下降沿处相应的数字量NF1和NF2，再发送给微控制处理器，微控制处理器接收m、NF1、NF2，以及卫星帧信息，并根据电压时间函数关系(4)计算出卫星秒脉冲与本地秒脉冲间的时间间隔长度，然后将该时间间隔长度和卫星帧信息发送给PC机，从而实现直观、清楚的控制及显示界面；
Figure BDA0002133350100000041
为了减少计算量及引入的误差，在初始时间间隔信号的起始点启动数字信号处理器内部的定时器计数信号，其周期记为Ts，另外在初始时间间隔信号的结束点保存定时器计数信号的周期数m，同时通过ADC转换器读取此刻边沿拓展后的时间间隔信号电压VF1处对应的数字量NF1，并在下一个定时器计数信号的上升沿时刻读取电压VF2处对应的数字量NF2，之后关闭定时器计数信号，直到遇到下一个初始时间间隔信号的上升沿时再重新开启定时器计数信号，重复上述过程。然后将定时器计数信号的周期数m、边沿拓展后的时间间隔信号下降沿处相应的数字量NF1和NF2通过SCI串口通信接口发送给数据处理单元。
本发明时间比对的基本原理是要求出卫星秒脉冲和本地秒脉冲在同一读数时的时间间隔长度。传统的时间比对该过程的实现采用的是模拟环境中的下变频器来获得本地秒脉冲，和时间间隔计数器来测量时间间隔长度。考虑到系统的复杂度、灵活性、成本以及精度等因数，创新性的提出基于边沿效应思想的时钟游标原理和边沿拟合的时间比对方法替换上述过程，与传统的基于模拟处理的时间比对技术相比，本发明时间比对的数字化处理，将时间传递过程中需要在模拟环境下完成的工作直接转移到数字环境，模数转换器的高性能以及数字信号处理器的高速运算能力极大地提高了系统的响应时间，保证了时间比对的实时性。并且在该过程中不再采用硬件处理的下变频器和时间间隔计数器，解决了在模拟环境下信号处理过程中存在线路复杂、整体设备长期工作漂移等限制精度提高的问题，实现了模拟环境向数字环境的转移。
附图说明
图1是本发明实施方案框图。
图2是本发明电路原理图。
图3是卫星信号接收单元电路原理图。
图4是本地频标数字化单元电路原理图。
图5是时间测量单元电路原理图。
图6是边沿拟合的时间比对方法的时序图。
图7是数据处理单元电路原理图。
图8是本发明的软件流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
如图1所示，本发明采用ADC模数转换的方法，把本地频标直接数字化处理获得本地秒脉冲，本地秒脉冲再与卫星秒脉冲进行比对，获得代表本地秒脉冲和卫星秒脉冲间的初始时间间隔信号，将该信号经过边沿拓展电路使其沿下降沿进行拓展，得到边沿拓展后的时间间隔信号，再通过边沿拟合的时间比对方法计算得到卫星秒脉冲与本地秒脉冲间的时间间隔长度。
一种数字化实时处理的时间比对系统，包括卫星信号接收单元、本地频标数字化单元、时间测量单元以及数据处理单元四部分。
如图3所示，卫星信号接收单元主要包括有源天线和卫星信号接收终端HX6517T。卫星信号经过有源天线接收后传递到卫星信号接收终端，在卫星信号接收终端内部，卫星信号先经过一个带通滤波器进行滤波，再下变频至中频信号IF，之后中频信号由ADC转换器数字化得到数字中频信号DIF，再送入基带处理器完成对卫星信号的捕获和跟踪，得到卫星帧信息和卫星秒脉冲。
如图4所示，本地频标数字化单元主要包含频率合成器AFG3101C和高性能模数转换器AD6645。采用OCXO 8607-BE恒温晶体振荡器和XHTF1003C-G铷原子钟作为本地频标，本地频标输出的10MHz信号作为模数转换器AD6645的模拟输入信号，同时频率合成器AFG3101C以该10MHz信号为外部参考，从而输出9.999999MHz信号作为AD6645的编码时钟信号。利用时钟游标原理，即存在于周期性信号的数字化转换中，当模拟输入信号与编码时钟信号在同频的基础上有一个微小频差时，数字化输出将是以该微小频差为频率的数字信号，就相当于将本地频标输出的10MHz信号进行了数字下变频，最终本地频标数字化单元输出与该微小频差直接相关的本地频标数字量。
如图5所示，时间测量单元主要由数字信号处理器和边沿拓展电路组成。数字信号处理器TMS320F28335接收来自本地频标数字化单元的本地频标数字量并处理获得本地秒脉冲，同时接收来自卫星信号接收单元的卫星秒脉冲。
然后以卫星秒脉冲为起始点、本地秒脉冲为结束点，得到本地秒脉冲与卫星秒脉冲间的初始时间间隔信号。将初始时间间隔信号经过外部的边沿拓展电路后再送回到数字信号处理器TMS320F28335内部的ADC转换器的AIN0输入通道进行数字转换。
如图6所示，为了减少计算量及引入的误差，在初始时间间隔信号的起始点启动数字信号处理器TMS320F28335内部的定时器计数信号，其周期记为Ts，另外在初始时间间隔信号的结束点保存定时器计数信号的周期数m，同时通过ADC转换器读取此刻边沿拓展后的时间间隔信号电压VF1处对应的数字量NF1，并在下一个定时器计数信号的上升沿时刻读取电压VF2处对应的数字量NF2，之后关闭定时器计数信号，直到遇到下一个初始时间间隔信号的上升沿时再重新开启定时器计数信号，重复上述过程。然后将定时器计数信号的周期数m、边沿拓展后的时间间隔信号下降沿处相应的数字量NF1和NF2通过SCI串口通信接口发送给数据处理单元。
如图7所示，数据处理单元的主要以MSP430F5438A为核心器件，另外以KEY按键、LCD液晶显示屏、USB接口以及PC机为辅助设备。核心器件MSP430F5438A接收卫星帧信息并补偿卫星秒脉冲，同时通过UART串行通信接口接收来自时间测量单元的定时器计数信号的周期数m、边沿拓展后的时间间隔信号下降沿处相应的数字量NF1和NF2。由于边沿拓展电路的本质是电阻、电容组成的低通网络，因此边沿拓展后的时间间隔信号下降沿过程的电压时间函数关系可由电容的放电公式表示
Figure BDA0002133350100000081
其中，EC是电容正常充满电后稳态时的端电压。
利用边沿拓展后的时间间隔信号下降沿过程的电压时间函数关系可求得其反函数，即时间电压函数关系如下
Figure BDA0002133350100000082
从而不足定时器计数信号一个周期的时间误差为
Figure BDA0002133350100000083
于是卫星秒脉冲与本地秒脉冲间的时间间隔长度为
Figure BDA0002133350100000084
因此只要准确的测量出边沿拓展后的时间间隔信号下降沿处的电压值即可转换为该时刻的时间，从而实现克服模拟方式的时间间隔长度测量原理中不足一个计数周期的误差。为了保证数字化高精度的时间间隔长度测量，选取准确的边沿拓展后的时间间隔信号下降沿处的电压时间函数至关重要。另外，初始时间间隔信号经过边沿拓展后必然会产生一定的延时，利用时间间隔信号启停的抑制性，拓展后整体只是相当于在时间轴上水平移动了一个固定长度，对数字化时间比对的实施无影响。
最后将卫星秒脉冲与本地秒脉冲间的时间间隔长度及卫星帧信息通过CH340G转USB接口发送至PC机LabVIEW程序。同时可通过互联网接口发送给另外任意地点的相同数字化实时处理的时间比对接收设备。
如图2和图8所示，所述时间比对系统的软件编写程序主要包括数字信号处理器TMS320F28335程序、微控制处理器MSP430F5438A程序以及上位机LabVIEW程序。数字信号处理器TMS320F28335负责接收本地频标数字化单元的本地频标数字量，并进行处理获得本地秒脉冲，同时接收卫星的秒脉冲，以卫星秒脉冲开始、本地秒脉冲结束得到初始时间间隔信号，通过TMS320F28335内部定时器和ADC转换器测得定时器计数信号的周期数m、边沿拓展后的时间间隔信号下降沿处相应的数字量NF1和NF2，再发送给微控制处理器MSP430F5438A。微控制处理器MSP430F5438A接收m、NF1、NF2，以及卫星帧信息，并根据公式(4)计算出卫星秒脉冲与本地秒脉冲间的时间间隔长度。然后将该时间间隔长度和卫星帧信息发送给PC机LabVIEW程序，从而实现直观、清楚的控制及显示界面。
学生可以基于IAR Embedded Workbench和Code Composer Studio开发环境自行编写功能实现程序通过外置JTAG接口下载调试，在实验学习过程中实现对程序的完善和原理的强化。另外，该系统的人机交互窗口LabVIEW程序，主要包括控制区域和显示区域，学生也可根据自己的想法进行创新性的更改和升级，达到学以致用的目的。
需要说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换。
凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种数字化实时处理的时间比对系统，其特征在于，包括卫星信号接收单元、本地频标数字化单元、时间测量单元以及数据处理单元四部分；
卫星信号接收单元包括有源天线和卫星信号接收终端，卫星信号接收终端包括带通滤波器、ADC转换器、基带处理器；
卫星信号经过有源天线接收后传递到卫星信号接收终端，在卫星信号接收终端内部，卫星信号先经过一个带通滤波器进行滤波，再下变频至中频信号IF，之后中频信号由ADC转换器数字化得到数字中频信号DIF，再送入基带处理器完成对卫星信号的捕获和跟踪，得到卫星帧信息和卫星秒脉冲；
本地频标数字化单元包含频率合成器和模数转换器，模数转换器的模拟输入信号与编码时钟信号在同频的基础上有一个微小频差，将模拟输入信号进行数字下变频，输出与该微小频差直接相关的本地频标数字量；
时间测量单元包括数字信号处理器和边沿拓展电路，数字信号处理器接收来自本地频标数字化单元的本地频标数字量并处理获得本地秒脉冲，同时接收来自卫星信号接收单元的卫星秒脉冲；然后以卫星秒脉冲为起始点、本地秒脉冲为结束点，得到本地秒脉冲与卫星秒脉冲间的初始时间间隔信号，将初始时间间隔信号经过外部的边沿拓展电路后再送回到数字信号处理器内部的ADC转换器进行数字转换；
数据处理单元包括微控制处理器、KEY按键、LCD液晶显示屏、USB接口以及PC机；微控制处理器接收卫星帧信息并补偿卫星秒脉冲，同时接收来自数字信号处理器的定时器计数信号的周期数m、边沿拓展后的时间间隔信号下降沿处相应的数字量NF1和NF2。
2.根据权利要求1所述的数字化实时处理的时间比对系统，其特征在于，所述比对系统的比对方法是：基于边沿效应思想的时钟游标原理，采用ADC模数转换的方法，把本地频标直接数字化处理获得本地秒脉冲，本地秒脉冲再与卫星秒脉冲进行比对，获得代表本地秒脉冲和卫星秒脉冲间的初始时间间隔信号，将该信号经过边沿拓展电路使其沿下降沿进行拓展，得到边沿拓展后的时间间隔信号，测量边沿拓展后的时间间隔信号下降沿处的电压值，然后拟合出其下降沿过程的电压时间函数关系，来完成时间间隔长度的测量。
3.根据权利要求2所述的数字化实时处理的时间比对系统，其特征在于，数字信号处理器负责接收本地频标数字化单元的本地频标数字量，并进行处理获得本地秒脉冲，同时接收卫星的秒脉冲，以卫星秒脉冲开始、本地秒脉冲结束得到初始时间间隔信号，通过数字信号处理器内部定时器和ADC转换器测得定时器计数信号的周期数m、边沿拓展后的时间间隔信号下降沿处相应的数字量NF1和NF2，再发送给微控制处理器，微控制处理器接收m、NF1、NF2，以及卫星帧信息，并根据电压时间函数关系(4)计算出卫星秒脉冲与本地秒脉冲间的时间间隔长度，然后将该时间间隔长度和卫星帧信息发送给PC机，从而实现直观、清楚的控制及显示界面；
Figure FDA0002828841910000031
其中定时器计数信号周期记为Ts，边沿拓展电路的电阻为R、电容为C。
4.根据权利要求1所述的数字化实时处理的时间比对系统，其特征在于，为了减少计算量及引入的误差，在初始时间间隔信号的起始点启动数字信号处理器内部的定时器计数信号，其周期记为Ts，另外在初始时间间隔信号的结束点保存定时器计数信号的周期数m，同时通过ADC转换器读取此刻边沿拓展后的时间间隔信号电压VF1处对应的数字量NF1，并在下一个定时器计数信号的上升沿时刻读取电压VF2处对应的数字量NF2，之后关闭定时器计数信号，直到遇到下一个初始时间间隔信号的上升沿时再重新开启定时器计数信号，重复上述过程，然后将定时器计数信号的周期数m、边沿拓展后的时间间隔信号下降沿处相应的数字量NF1和NF2通过SCI串口通信接口发送给数据处理单元。
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