CN110912635B - 基于高精度时间同步的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于自定义的高精度时间同步调整实现高精度时间输出的装置和方法，其包括了输入时间差处理模块、时间同步粗调模块、系统时钟数字环模块、时间同步精调模块、时钟时间调整跟踪算法模块、高精度时间输出接口模块。通过输入时间戳采样模块获取输入时间信号和本地高精度时间输出模块输出信号相位采样，取得输入输出时间差数据，然后由时钟时间调整跟踪算法处理模块输出时钟跟踪控制数据，控制系统时钟数字锁相环实现系统时钟频率跟踪，同时输出时间调整控制数据对时间同步粗调模块进行时间调整，然后对粗调模块不能实现的小粒度的剩余调整量通过时间跟踪算法处理模块控制时间同步精调模块，从而实现高精度的时间相位同步。

Description

基于高精度时间同步的方法和装置
技术领域
本发明涉及时间同步装置，具体涉及高精度时间同步输出的各种系统的时间同步装置。
背景技术
目前的各种基于时间同步的系统在各种行业有着广泛的应用，如通信系统、地铁系统、高铁系统、电力系统、智能医院、智能交通等。
随着信息技术和电子产品的发展和在各行各业的广泛应用，对时间同步的要求和需求也发生了深刻的转变。在通信系统中，如果没有精确的时间同步，通信系统将彻底中断，在3G无线通信系统，如果基站间误差大于正负1.5微秒，通信将只能在本基站内进行，不能进行越区切换等正常移动通信的功能，一些大数据高速下载的技术不能应用，整个网络的性能基本不能发挥或者瘫痪，造成重大通信中断事故，所以为了保障通信系统正常运行，需要提供精确的时间信息。
在地铁系统、高铁系统等轨道交通中，控制中心调度员、车站值班员、与行车相关的各部门及乘客需要统一标准的时间信息，其他各个系统，如信号系统、自动检票系统、视频监视系统、广播系统、乘客资信系统、火灾自动报警系统、安防系统、无线和有线的通信调度系统、故障记录系统等等都需要精确统一标准的时间信息，这对于保证轨道交通运行计时准确、提高运营效率起到非常重要的作用。
在电力系统中，电力通信调度网、电厂和变电站等场所都需要非常精确的时间同步控制。毫秒或微秒级的时间同步偏差会造成系统的中断，甚至电网的瘫痪，给客户和电力公司带来巨大的损失。因此，高精度的时间同步系统是保障电厂、变电站和电力通信畅通的必备条件。
目前世界上普遍使用的方法是通过时间同步系统下载GPS、北斗或格洛纳斯GLONASS的卫星导航系统的UTC(世界标准时间)并应用到每个需要精确时钟信号的通讯设备，来实现各种通讯设备的时间同步。
在上述各种系统内，各种被同步系统和设备需要的时间精度要求有不同差异，但是随着各种新技术和新标准的出现，对时间同步精度的要求也逐步提高，而且一些军用的特殊应用场景对时间同步精度要求更是苛刻。比如3G/4G网络对时间同步的精度是整网正负1.5微秒，单站应该要满足小于50纳秒的指标，而未来5G标准要求则是整网时间同步精度要求是小于正负130纳秒，但站点设备指标要小于5纳秒，而在一些军用的场景要求精度小于1纳秒。所以开发一套能够实现高精度时间同步输出的装置能够给很多应用提供合适的解决方案，同时也是一个既能满足需求又能降低成本的有效途径。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是解决高精度时间同步再生输入和输出，采用了一种自定义的时间同步调整方法来实现高精度时间输出。
本发明所采用的技术方案是提供一种基于高精度时间同步的方法和装置，其包括了自定义时间信息恢复模块、时间差处理模块、时钟时间跟踪算法处理模块、系统数字环模块、时间计数模块、时间同步精调模块、时间同步粗调模块、高精度时间输出模块。自定义的时间信息恢复模块实现输入时间信息的提取，作为本系统的输入参考源，输出提取的时间信息和信号作为后级时间差处理模块输入信号。自定义的时间差处理模块通过对输入的时间信息和信号与本地时间计数模块产生的时间信号进行时间差测量，为后级时钟时间跟踪算法处理模块提供高精度的时间差测量结果，时间差测量模块采用插值测量的时间间隔测量技术，实现100PS精度的时间差误差△T测量(也可以更高精度50PS，甚至10PS)，保证输入时间误差精确度高，经过跟踪算法后可控制更高精度的调整。然后时钟时间同步跟踪算法把时间误差△T获取，进行时钟和时间同步跟踪算法处理，处理结果下发到系统数字环模块和时间同步调整粗调和细调模块，根据当前△T和历史△T的变化幅度和方向来确定时钟频率调整控制信息的变化，时钟频率调整控制信息控制系统时钟数字环实现本地时钟频率和输入参考时间的上游时钟频率同步，而且因为△T误差测量精度高，所以算法调整频率的稳定度也很高，降低了频率调整的波动大小，同时根据△T大小差异进行本地时间计数模块调整，如果△T的值大于计数时钟周期则直接通过时间同步粗调模块预置时间计数模块的值进行调整，而小于时钟周期的调整值则通过时间同步细调模块实现精细调整，调整方法下面进行具体说明。时间计数模块输出时间信息到高精度时间输出模块实现高精度时间输出。
在上述方案中，自定义的时间信息恢复模块实现输入时间信息的提取，作为本系统的输入参考源，输出提取的时间信息和信号作为后级时间差处理模块输入信号，可以提供1PPS时间信号，也可以提供以太PTP时间戳信号；
时间差处理模块把时间信息恢复模块输出的时间信息，比如1PPS信号接收后，和本地时间计数模块产生的时间信息进行比对，获取精确的时间差值，测量模块采用插值测量的时间间隔测量技术，实现100PS精度的时间差误差△T测量(也可以更高精度50PS，甚至10PS)，保证输入时间信号和本地时间信号的间隔误差精确度足够高，只要Delay精度足够高，就可以做到需要的精度，把计数时钟整数周期不能满足的测量误差通过TDC方法进行精确测试，实现高精度的时间差测试处理。
时钟时间跟踪算法处理模块通过获取时间差处理模块提供的时间差精确误差值△T，然后通过对当前△T和历史△T的比较和滤波处理，判断本地系统时钟数字环时钟和上游时钟的频率误差△F，进行频率调慢或者调快，因为时间误差精度高，所以调整控制频率精度也高，系统时钟数字环实现高稳定频率产生；同时当前△T和历史△T的比较和滤波处理，判断本地时间和上游时间的偏差Offset，根据偏差大小输出调整控制数据通过时间同步粗调和细调模块实现对时间计数模块的时间调整，从而实现高精度时间产生，在下发时间调整值时，如果调整值大于时间计数模块工作时钟整数周期的值通过粗调模块下发，而小于时钟周期的部分则通过精调模块下发。
系统时钟数字环模块接收时钟时间同步算法处理模块下发的频率调整数据，调整频率偏差实现本地时钟频率和上游时钟同步的功能，同时输出时钟作为所有模块的工作时钟。可以用DDS/NCO或者VCXO等方法实现系统时钟数字环模块。
时间计数模块利用系统时钟数字环模块提供的时钟作为工作时钟实现时间计数功能，同时可以由时钟时间同步算法模块实现时间值调整，从而保证和上游时间同步，时钟时间同步算法模块判断本地时间和上游时间的偏差Offset，根据偏差大小输出调整控制数据通过时间同步粗调和细调模块实现对时间计数模块的时间调整，从而实现高精度时间产生，在下发时间调整值时，如果调整值大于时间计数模块工作时钟整数周期的值通过粗调模块下发，而小于时钟周期的部分则通过精调模块下发，实现时间计数模块时间粗调和细调功能。
时间同步粗调模块从时钟时间同步算法下发的时间偏差值Offset分解出时间计数模块工作时钟整数周期的值，然后通过给时间计数模块调整计数不进值的方法把调整值预置到计数器计数值里面，从而实现时间计数模块粗调功能，每次调整的粒度是时钟周期的整数倍。
时间同步细调模块从时钟时间同步算法下发的时间偏差值Offset分解出时间计数模块工作时钟整数周期值后余下的调整值，是实现高精度时间调整的关键，调整精度越高则时间输出精度就越高，调整补偿的方法是通过调整工作时钟的相位实现补偿。
Sys_clk是系统时钟数字环产生的给时间计数器模块作为工作时钟，Pre_ctl_data是时间同步细调控制数据，通过这个数据选择经过精确延时相位调整后的时钟Clk_cnt作为时间计数模块的工作时钟，调整的精度主要取决于Delay驱动的延时精度，延时调整的最大值应该是正负半个时钟周期，不需要细调时选用中间延时驱动输出的时钟作为时间计数模块工作时钟，在需要细调时控制选择不同延时输出的时钟相位，从而实现时间细调功能。
高精度时间输出模块实现时间计数模块产生时间信息的输出，提供给外部接口精确的时间信息，具体输出信号可以是1PPS时间信息，也可以是PTP时间信息。
本发明具有以下优点：
(1)、精确的时间信号输入时间差测量；
(2)、高稳定度的时钟频率恢复；
(3)、高精度时间同步调整方案，实现高精度时间调整和时间信息输出。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明测试原理示意图；
图3为本发明补偿原理框图。
具体实施方式
本发明一种基于高精度时间同步的方法和装置，满足了通信系统、军工设备系统、地铁系统、高铁系统、电力系统和交通系统系统等系统的时间同步精度要求。下面结合附图1对本发明做出详细的说明。
一种基于高精度时间同步的方法和装置，其包括了自定义时间信息恢复模块、时间差处理模块、时钟时间跟踪算法处理模块、系统数字环模块、时间计数模块、时间同步精调模块、时间同步粗调模块、高精度时间输出模块。自定义的时间信息恢复模块实现输入时间信息的提取，作为本系统的输入参考源，输出提取的时间信息和信号作为后级时间差处理模块输入信号。自定义的时间差处理模块通过对输入的时间信息和信号与本地时间计数模块产生的时间信号进行时间差测量，为后级时钟时间跟踪算法处理模块提供高精度的时间差测量结果，时间差测量模块采用插值测量的时间间隔测量技术，实现100PS精度的时间差误差△T测量(也可以更高精度50PS，甚至10PS)，保证输入时间误差精确度高，经过跟踪算法后可控制更高精度的调整。然后时钟时间同步跟踪算法把时间误差△T获取，进行时钟和时间同步跟踪算法处理，处理结果下发到系统数字环模块和时间同步调整粗调和细调模块，根据当前△T和历史△T的变化幅度和方向来确定时钟频率调整控制信息的变化，时钟频率调整控制信息控制系统时钟数字环实现本地时钟频率和输入参考时间的上游时钟频率同步，而且因为△T误差测量精度高，所以算法调整频率的稳定度也很高，降低了频率调整的波动大小，同时根据△T大小差异进行本地时间计数模块调整，如果△T的值大于计数时钟周期则直接通过时间同步粗调模块预置时间计数模块的值进行调整，而小于时钟周期的调整值则通过时间同步细调模块实现精细调整，调整方法下面进行具体说明。时间计数模块输出时间信息到高精度时间输出模块实现高精度时间输出。
在上述方案中，自定义的时间信息恢复模块实现输入时间信息的提取，作为本系统的输入参考源，输出提取的时间信息和信号作为后级时间差处理模块输入信号，可以提供1PPS时间信号，也可以提供以太PTP时间戳信号；
时间差处理模块把时间信息恢复模块输出的时间信息，比如1PPS信号接收后，和本地时间计数模块产生的时间信息进行比对，获取精确的时间差值，测量模块采用插值测量的时间间隔测量技术，实现100PS精度的时间差误差△T测量(也可以更高精度50PS，甚至10PS)，保证输入时间信号和本地时间信号的间隔误差精确度足够高，测试原理见图2，只要Delay精度足够高，就可以做到需要的精度，把计数时钟整数周期不能满足的测量误差通过TDC方法进行精确测试，实现高精度的时间差测试处理。
时钟时间跟踪算法处理模块通过获取时间差处理模块提供的时间差精确误差值△T，然后通过对当前△T和历史△T的比较和滤波处理，判断本地系统时钟数字环时钟和上游时钟的频率误差△F，进行频率调慢或者调快，因为时间误差精度高，所以调整控制频率精度也高，系统时钟数字环实现高稳定频率产生；同时当前△T和历史△T的比较和滤波处理，判断本地时间和上游时间的偏差Offset，根据偏差大小输出调整控制数据通过时间同步粗调和细调模块实现对时间计数模块的时间调整，从而实现高精度时间产生，在下发时间调整值时，如果调整值大于时间计数模块工作时钟整数周期的值通过粗调模块下发，而小于时钟周期的部分则通过精调模块下发。
系统时钟数字环模块接收时钟时间同步算法处理模块下发的频率调整数据，调整频率偏差实现本地时钟频率和上游时钟同步的功能，同时输出时钟作为所有模块的工作时钟。可以用DDS/NCO或者VCXO等方法实现系统时钟数字环模块。
时间计数模块利用系统时钟数字环模块提供的时钟作为工作时钟实现时间计数功能，同时可以由时钟时间同步算法模块实现时间值调整，从而保证和上游时间同步，时钟时间同步算法模块判断本地时间和上游时间的偏差Offset，根据偏差大小输出调整控制数据通过时间同步粗调和细调模块实现对时间计数模块的时间调整，从而实现高精度时间产生，在下发时间调整值时，如果调整值大于时间计数模块工作时钟整数周期的值通过粗调模块下发，而小于时钟周期的部分则通过精调模块下发，实现时间计数模块时间粗调和细调功能。
时间同步粗调模块从时钟时间同步算法下发的时间偏差值Offset分解出时间计数模块工作时钟整数周期的值，然后通过给时间计数模块调整计数不进值的方法把调整值预置到计数器计数值里面，从而实现时间计数模块粗调功能，每次调整的粒度是时钟周期的整数倍。
时间同步细调模块从时钟时间同步算法下发的时间偏差值Offset分解出时间计数模块工作时钟整数周期值后余下的调整值，是实现高精度时间调整的关键，调整精度越高则时间输出精度就越高，调整补偿的方法是通过调整工作时钟的相位实现补偿，补偿原理框图见图3所示。
Sys_clk是系统时钟数字环产生的给时间计数器模块作为工作时钟，Pre_ctl_data是时间同步细调控制数据，通过这个数据选择经过精确延时相位调整后的时钟Clk_cnt作为时间计数模块的工作时钟，调整的精度主要取决于Delay驱动的延时精度，延时调整的最大值应该是正负半个时钟周期，不需要细调时选用中间延时驱动输出的时钟作为时间计数模块工作时钟，在需要细调时控制选择不同延时输出的时钟相位，从而实现时间细调功能。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于高精度时间同步的方法，其特征在于、包括：使用自定义的时间差处理模块处理输入时间信息和本地时间信息的精确差值，并输出差值到时钟时间跟踪算法处理模块，然后使用时钟时间跟踪算法处理模块进行算法处理后，输出控制信息控制系统数字环模块输出跟踪时钟源同频率的时钟，通过系统时钟数字环模块输出的时钟经过时间同步精调模块后作为时间计数模块的工作时钟，使用时钟时间跟踪算法处理模块输出控制信息控制时间同步粗调模块和精调模块实现对时间计数模块的计数调整，其中，在自定义的时间差处理模块中采用差值测量的时间间隔测量技术得到输入时间信息和本地时间信息的当前时间误差的差值，在时钟跟踪算法处理模块中根据获取到的所述当前时间误差的差值和历史时间误差的差值的变化幅度和方向来确定时钟频率调制控制信息的变化，判断本地时间和上游时间的偏差，当偏差的值大于计数时钟周期则直接通过时间同步粗调模块预置时间计数模块的值进行调整，当小于计数时钟周期的调整值则通过时间同步细调模块实现精细调整；从而实现时间的精确同步，时间计数模块最终通过高精度时间输出模块实现时间信息的输出，实现高精度时间同步输入和输出功能。
2.一种如权利要求1所述的基于高精度时间同步的方法的装置，其特征在于，所述装置包括：自定义的时间信息恢复模块、自定义的时间差处理模块、时钟时间跟踪算法处理模块、系统数字环模块、粗调模块、精调模块以及时间计数模块，其中，所述自定义的时间差处理模块用于处理输入时间信息和本地时间信息的精确差值，并输出差值到时钟时间跟踪算法处理模块，然后时钟时间跟踪算法处理模块用于进行算法处理后，输出控制信息控制系统数字环模块输出跟踪时钟源同频率的时钟，而系统时钟数字环模块用于输出时钟经过时间同步精调模块后作为时间计数模块的工作时钟，时钟时间跟踪算法处理模块用于输出控制信息控制时间同步粗调模块和精调模块实现对时间计数模块的计数调整，其中，自定义的时间差处理模块用于采用差值测量的时间间隔测量技术得到输入时间信息和本地时间信息的当前时间误差的差值，所述时钟跟踪算法处理模块用于根据获取到的所述当前时间误差的差值和历史时间误差的差值的变化幅度和方向来确定时钟频率调制控制信息的变化，判断本地时间和上游时间的偏差，当偏差的值大于计数时钟周期则直接通过时间同步粗调模块预置时间计数模块的值进行调整，当小于计数时钟周期的调整值则通过时间同步细调模块实现精细调整；从而实现时间的精确同步，时间计数模块用于通过高精度时间输出模块实现时间信息的输出，实现高精度时间同步输入和输出功能，实现此功能的装置实现简单，性能优良，可以保证技术领先优势。
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