CN110989326B - 本地高精度时间频率实时综合装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种本地高精度时间频率实时综合装置，包括双混频时差测量单元、数据采集存储单元、处理单元、控制单元和晶振单元。该装置具有输出频率信号精确、稳定，装置可靠性高等诸多优点。

Description

本地高精度时间频率实时综合装置

技术领域

本发明涉及一种本地高精度时间频率实时综合装置，属于时间频率技术领域。

背景技术

目前的高精度时间频率输出装置，是利用原子钟的原子、分子能级差为基准信号，来校准晶体振荡器，以使其输出标准频率信号。它利用原子能级跃迁产生的信号，通过光电转化、信号处理后获得用来修正晶振的负反馈纠偏信号，使其输出稳恒振荡频率，用来精确计算时间。

由于不同的原子钟的频率稳定度和准确度均有不确定性偏差，这将影响时间频率信号的性能。

此外，目前已知的设备中，时间频率稳定度控制普遍较差，在实际使用中，尤其是对时间频率要求较高的使用环境下，带来较大的偏差，阻碍相关技术的发展。

随着科技的发展，在一些领域，现有的时间频率精度与稳定度已不能满足使用要求，亟需研究一种更加稳定、精确的时间频率输出装置。

发明内容

为了解决上述问题，本发明人进行了锐意研究，通过对多台原子钟频率的综合运用计算，进而控制晶振单元，输出更加稳定、准确的频率信号，从而完成了本发明。

一方面，本发明提供了一种本地高精度时间频率实时综合装置，其特征在于，包括双混频时差测量单元、数据采集存储单元、处理单元、控制单元和晶振单元。

所述双混频时差测量单元能够接收多个原子钟频率信号，并对原子钟频率信号进行测量，

所述双混频时差测量单元能够测量晶振单元的频率信号输出，

所述数据采集存储单元，用于获取双混频时差测量单元测量的结果，并将测量结果存储，形成当前和历史数据，

所述控制单元可以通过改变晶振电压的方式对晶振单元进行调整。

双混频时差测量单元对原子钟频率信号进行测量时，可以选用1MHz～200MHz中的一个或多个频点进行测量，优选采用5MHz、10MHz和/或100MHz中的一个或多个频点进行测量。

所述双混频时差测量单元还具有混频器，所述混频器能够在频率信号相位差不变的情况下，将原子钟频率信号和晶振单元频率信号由高频混频滤波到低频，优选地，混频后的频率为100Hz～10kHz。

所述处理单元，其获取数据采集存储单元中的当前数据，并依据当前数据进行综合处理，得到更加稳定、精确的频率偏差控制量。获取数据采集存储单元中的历史数据，计算各原子钟的频率稳定度，并根据频率稳定度调整各原子钟的频率稳定度权重值。

所述综合多台原子钟的频率准确度，为根据频率差当前数据和准确度权重进行处理，

所述准确度权重为根据各原子钟的输出信号的准确程度得出，

所述稳定度权重为根据各原子钟的输出信号的稳定程度得出。

当原子钟输出的频率与标称频率偏差越小，则其相对准确度A越高，

且

其中n表示原子钟的个数，A_i表示第i个原子钟相对于标称值的准确度，

表示第i个原子钟的准确度相对权重，根据本发明，准确度权重为

当原子钟连续输出的频率相同度越高，则其稳定度σ越高，

且

其中n表示原子钟的个数，σ_i表示第i个原子钟的稳定度，根据原子钟相对标称值的相对频率偏差在历史时间内的阿伦偏差得到，所述历史时间为1小时～1个月，

为第i个原子的钟稳定度相对权重，根据本发明，稳定度权重为

所述处理单元通过如下公式综合多台原子钟的频率偏差：

根据准确度权重得出的频率偏差

其中φ_i为晶振与第i个原子钟的频率偏差当前数据，n表示原子钟的个数，

根据稳定度权重得出的频率偏差

其中φ_i为晶振与第i个原子钟的频率偏差当前数据，n表示原子钟的个数，

表示第i个原子钟的稳定度相对权重，

所述当前数据是指晶振上次调整至本次调整的时间间隔的数据，时间间隔优选为1秒～100秒。

根据综合多台原子钟的频率稳定度权重得出的频率偏差Ψ_σ和多台原子钟的频率准确度权重得出的频率偏差Ψ_A可以得出一个更加稳定、精确的频率偏差，优选地，通过如下公式获得最终的频率偏差：

Ψ_Z＝αΨ_A+(1-α)Ψ_σ，其中0≤α≤1，α代表钟组准确度比重，一般而言α＝0.5，使得最终的频率偏差能够同时兼顾频率稳定度和准确度。

此频率偏差Ψ_Z作为晶振控制电压增加量使用，通过调节晶振控制电压，使Ψ_Z尽可能为0。

另一方面，本发明还提供了一种本地高精度时间频率实时综合的方法，包括以下步骤：

S1、获取多台原子钟的频率信号；

S2、对晶振以及多台原子钟的频率信号进行测量；

S3、综合测量结果，得出最优结果；

S4、对晶振进行控制，使晶振输出的频率信号更加准确、稳定。

根据本发明提供的一种本地高精度时间频率实时综合装置，具有以下有益效果：

(1)时间频率信号输出准确度高；

(2)时间频率信号输出稳定性好；

(3)装置可靠性高，多个原子钟信号综合后输出，个别原子钟出现异常不会影响到时间频率信号的输出。

附图说明

图1示出一种优选实施方式的本地高精度时间频率实时综合装置示意图。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些示例性说明而变得更为清楚、明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

一方面，本发明提供了一种本地高精度时间频率实时综合装置，如图1所示，包括双混频时差测量单元、数据采集存储单元、处理单元、控制单元和晶振单元。

由于不同的原子钟输出的频率会有不确定性偏差，有的原子钟输出频率的稳定性更好，有的原子钟输出频率的准确度更好，当综合多个原子钟，并采用合适的算法，能够得到稳定性和准确度都更为优异的输出频率，进而对晶振进行修正，从而达到使晶振输出更为精准的频率信号的效果。

具体地，所述双混频时差测量单元能够接收原子钟频率信号，并对原子钟频率信号进行测量。

进一步地，所述原子钟具有多个，以综合得出更为准确的频率偏差，

所述原子钟频率信号以正弦波的形式输入到双混频时差测量单元，双混频时差测量单元利用双混频时差测量技术，对输入的多个频率信号(正弦波相位)进行准确测量，得到各原子钟频率信号相互之间的相位差，相位差的变化量与测量时间间隔时间的比值即为相对频率偏差。

所述双混频时差测量单元对原子钟频率信号进行测量时，可以选用1MHz～200MHz中的一个或多个频点进行测量,

根据本发明，测量时频点的选择由双混频时差测量单元和晶振单元的性能确定，所述双混频时差测量单元的性能是指其噪声系数的高低，所述晶振单元的性能是指晶振的频率稳定度，具体的：

当双混频时差测量单元噪声系数大时，采用低频点进行测量，以尽量减少双混频时差测量单元的噪声对分析结果的影响；

当双混频时差测量单元噪声系数小时，采用高频点进行测量，以增加对晶振的控制频率，使得晶振输出的频率信号更为精确；

当晶振单元的性能较好时，可以适当降低对其控制频率，即适当降低双混频时差测量单元的测量频率；

当晶振单元的性能较差时，为提高晶振输出的频率信号的精确程度，通过提高双混频时差测量单元的测量频率，以增加对晶振的控制频率。

目前国内外原子钟输出标称频率均为5MHz、10MHz、100MHz中的一种或其组合。本发明沿用此标称频率，通过兼容上述一个或多个频点的测量，确定各原子钟之间的相位差。

进一步地，依据所述双混频时差测量单元测量的各原子钟及受控晶振之间的相位偏差变化，可确定受控晶振与各原子钟之间的相对频率偏差。

所述双混频时差测量单元还具有混频器和AD芯片，

所述AD芯片用于将测量的相对频率偏差，转换为数字信号，并输出到数据采集存储单元，

进一步地，所述相对频率偏差，包括测量的各原子钟频率信号之间的相对频率偏差和晶振单元频率信号与各原子钟频率信号之间的相对频率偏差。

所述混频器将原子钟频率信号和晶振单元频率信号由高频混频滤波到低频，优选地，混频后的频率为100Hz～10kHz，使得数据采集存储单元能够对其进行采集，并转换成数字信号；更优选为100Hz～1kHz，以降低对AD芯片的采集频率要求，降低装置制造成本。

所述数据采集存储单元，用于获取双混频时差测量单元输出的数字信号，并将测量结果存储，形成当前和历史数据。

所述处理单元，能够获取数据采集存储单元中的当前和历史数据，并依据当前和历史数据进行综合处理，

根据本发明，所述综合处理包括综合多台原子钟的频率稳定度和/或多台原子钟的频率准确度，计算出晶振的相对频率偏差。

所述综合多台原子钟的频率准确度，是指根据多台原子钟之间的相对频率偏差历史数据和准确度权重进行处理，

具体地，所述准确度权重为根据各原子钟的输出信号的准确程度得出，当原子钟输出的频率与标称值偏差越小，则其准确度A越高，

且

其中n表示原子钟的个数，i表示不同的原子钟，A_i表示原子钟相对于标称值的准确度，由原子钟标称得到，

表示第i个原子钟的相对权重，原子钟准确度的权重为

所述稳定度权重为根据各原子钟的输出信号的稳定程度得出，当原子钟连续输出的频率相同度越高，则其稳定性σ越高，且

其中n表示原子钟的个数，i表示不同的原子钟，σ_i表示第i个原子钟的稳定度。

原子钟相对标称值的相对频率偏差在历史时间内的阿伦偏差，可定义为稳定度为σ_i,所述历史时间可以为1小时～1个月，更优选为1天～10天，则原子钟稳定度的权重为

在一个优选的实施方式中，所述处理单元通过如下公式综合多台原子钟的频率偏差：

根据准确度权重得出的频率偏差

其中φ_i为晶振与第i个原子钟的频率偏差当前数据，n表示原子钟的个数，i表示不同的原子钟，

根据稳定度权重得出的频率偏差

其中φ_i为晶振与第i个原子钟的频率偏差当前数据，n表示原子钟的个数，i表示不同的原子钟，所述当前数据是指晶振上次调整至本次调整的时间间隔的数据，时间间隔优选为1秒～100秒。

进一步地，根据综合多台原子钟的频率稳定度权重得出的频率偏差Ψ_σ和多台原子钟的频率准确度权重得出的频率偏差Ψ_A可以得出一个更加稳定、精确的频率偏差，优选地，通过如下公式获得最终的频率偏差：

Ψ_Z＝αΨ_A+(1-α)Ψ_σ，其中0≤α≤1，α代表钟组准确度度比重，

此频率偏差Ψ_Z作为晶振控制电压增加量使用，通过调节晶振控制电压，使Ψ_Z尽可能为0。

在一个优选的实施方式中，为了确保调节精度，在实际控制中，将晶振的频差跟踪控制转变为相位的跟踪控制，并考虑各装置中晶振输出正弦波信号的相位对齐情况，以实现晶振输出的正弦波信号相位全网统一协调一致。该调节方式是在本领域技术人员能力范围之内，具体的调节方式可以由本领域技术人员根据实际需要选择，在此不做赘述。

一般而言，α＝0.5，使得最终的频率偏差能够同时等价兼顾稳定度和准确度。

在另一个优选的实施方式中，α取值依据具体应用而言，依据实际需要调节准确度与稳定度的相对比重。

在本发明中，所述控制单元能够获取处理单元中的Ψ_Z和晶振单元的相对频率偏差数值，并根据数值对晶振单元进行调整，以对晶振输出的频率信号进行校正，使得其更加稳定、准确。

在本发明中，所述控制单元可以通过改变晶振电压的方式对晶振单元进行调整。

具体的，所述控制单元具有DA模块，DA模块的输出端连接在晶振的压控电压控制端，控制单元根据从处理单元获取的相对频率偏差数值调整DA模块输出电压，使得最终频率偏差Ψ_Z尽可能为0，从而完成对晶振单元输出频率的调整。

另一方面，本发明还提供了一种本地高精度时间频率实时综合的方法，包括以下步骤：

S1、获取多台原子钟的频率信号；

S2、对晶振以及多台原子钟的频率信号进行测量；

S3、综合测量结果，得出最优结果；

S4、对晶振进行控制，使晶振输出的频率信号更加准确、稳定。

其中，步骤S2中，还包括以下子步骤：

S21、对多台原子钟的频率测量，得到各原子钟频率信号相互之间的相位差；

具体的，采用双混频时差测量技术进行测量。

优选地，选用选用1MHz～200MHz中的一个或多个频点进行测量，更优选采用5MHz、10MHz和/或100MHz中的一个或多个频点进行测量。

S22、对晶振的频率信号进行测量，与多台原子钟的频率进行比对，得到相对频率偏差。

在一个优选的实施方式中，在步骤S21和步骤S22中，将原子钟频率信号和晶振单元频率信号由高频混频滤波到低频，以方便采集存储。

在步骤S3中，对步骤S2中采集存储的测量结果进行计算，综合得到准确、稳定的频率，并将此频率与晶振输出频率对比，得到相对频率偏差。

优选地，包括以下步骤：

S31、确定各原子钟信号准确性和/或稳定性权重；

S32、根据准确度和/或稳定度权重，综合各原子钟信号，得到最优频率。

S33、将最优频率与晶振输出频率对比，得到相对频率偏差。

实施例

实施例1

在一个本地高精度时间频率实时综合装置中，将5台原子钟的频率信号输入到双混频时差测量单元，进行采集、存储，其中各原子钟稳定度根据5天历史数据根据阿伦方差计算得到，分别为σ₁＝2E-15，σ₂＝3E-15、σ₃＝4E-15、σ₄＝4E-15、σ₅＝6E-15，准确度由各原子钟标称得到，分别为A₁＝2E-15、A₂＝5E-15、A₃＝4E-15、A₄＝2E-15、A₅＝4E-15，则各原子钟的准确度权重分别为：

各原子钟的稳定度权重分别为：

w_σ1＝0.376、w_σ2＝0.060、w_σ3＝0.094、w_σ4＝0.376、w_σ5＝0.094。根据每1秒测得的频率偏差，

Ψ_Z＝(0.5*Ψ_A+(1-0.5)*Ψ_σ)＝0.0035，以此频率偏差作为控制调节量，对晶振单元进行控制。

将实施例1中的本地高精度时间频率实时综合装置与只采用原子钟1和相同晶振的装置进行对比，实施例1中的装置在时间频率信号输出精度及稳定度方面，均明显优于只采用原子钟1的装置。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于本发明工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种本地高精度时间频率实时综合装置，其特征在于，包括双混频时差测量单元、数据采集存储单元、处理单元、控制单元和晶振单元；

所述处理单元，其获取数据采集存储单元中的当前数据，并依据当前数据进行综合处理，得到更加稳定、精确的频率偏差控制量，所述处理单元还获取数据采集存储单元中的历史数据，计算各原子钟的频率稳定度，并根据频率稳定度调整各原子钟的频率稳定度权重值；

所述综合处理，包括综合多台原子钟的频率稳定度和/或多台原子钟的频率准确度，计算出晶振的相对频率偏差，

所述准确度为根据各原子钟的输出信号的准确程度得出，

所述稳定度为根据各原子钟的输出信号的稳定程度得出；

所述处理单元通过如下公式综合多台原子钟的频率偏差：

根据准确度权重得出的频率偏差

其中φ_i为晶振与第i个原子钟的频率偏差当前数据，n表示原子钟的个数，

表示第i个原子钟的准确度相对权重，

根据稳定度权重得出的频率偏差

其中φ_i为晶振与第i个原子钟的频率偏差当前数据，n表示原子钟的个数，

表示第i个原子钟的稳定度相对权重，

所述当前数据是指晶振上次调整至本次调整的时间间隔的数据，时间间隔为1秒～100秒。

2.根据权利要求1所述的本地高精度时间频率实时综合装置，其特征在于，

所述双混频时差测量单元接收多台原子钟频率信号，并对原子钟频率信号进行测量，

所述双混频时差测量单元测量晶振单元的频率信号输出，

所述数据采集存储单元，用于获取双混频时差测量单元测量的结果，并将测量结果存储，形成历史数据，

所述控制单元可以通过改变晶振电压对晶振单元进行调整。

3.根据权利要求1所述的本地高精度时间频率实时综合装置，其特征在于，

双混频时差测量单元对原子钟频率信号进行测量时，可以选用1MHz～200MHz中的一个或多个频点进行测量。

4.根据权利要求3所述的本地高精度时间频率实时综合装置，其特征在于，

采用5MHz、10MHz和/或100MHz中的一个或多个频点进行测量。

5.根据权利要求1所述的本地高精度时间频率实时综合装置，其特征在于，

所述双混频时差测量单元还具有混频器，所述混频器能够将原子钟频率信号和晶振单元频率信号由高频混频滤波到低频。

6.根据权利要求5所述的本地高精度时间频率实时综合装置，其特征在于，

混频后的频率为100Hz～10kHz。

7.根据权利要求1所述的本地高精度时间频率实时综合装置，其特征在于，

当原子钟输出的平均频率与标称频率偏差越小，则其准确度A越高，

且

其中n表示原子钟的个数，

表示第i个原子钟的准确度相对权重；

当原子钟连续输出的频率相同度越高，则其频率稳定性越高，

且

其中n表示原子钟的个数，

表示第i个原子钟的稳定度相对权重。

8.根据权利要求1所述的本地高精度时间频率实时综合装置，其特征在于，

通过如下公式获得最终的频率偏差：

Ψ_Z＝αΨ_A+(1-α)Ψ_σ，

其中0≤α≤1，α代表钟组准确度相对比重，

此频率偏差Ψ_Z作为晶振控制电压增加量使用，通过调节晶振控制电压，使Ψ_Z尽可能为0。

9.一种本地高精度时间频率实时综合的方法，采用如权利要求1～8之一所述本地高精度时间频率实时综合装置实现，包括以下步骤：

S1、获取多台原子钟的频率信号；

S2、对晶振以及多台原子钟的频率信号进行测量；

S3、综合测量结果，得出最优结果；

S4、对晶振进行控制，使晶振输出的频率信号更加准确、稳定。

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