CN112134640A

CN112134640A - 基于脉冲调制信道的时频同步系统与方法

Info

Publication number: CN112134640A
Application number: CN202011019395.1A
Authority: CN
Inventors: 李志天; 薛博; 邹旭东; 熊兴崟; 杨伍昊; 汪政
Original assignee: Aerospace Information Research Institute of CAS
Current assignee: Aerospace Information Research Institute of CAS
Priority date: 2020-09-24
Filing date: 2020-09-24
Publication date: 2020-12-25
Anticipated expiration: 2040-09-24
Also published as: CN112134640B

Abstract

本公开提供了一种基于脉冲调制信道的时频同步系统与方法，时频同步系统包括：核心控制模块，用于生成时频同步脉冲信号；信号收发模块，用于接收和发送所述时频同步脉冲信号；时频综合模块，用于将所述滤波后的校正钟差T与预设钟差阈值进行比较，判断是否需要调整所述本地时钟节点的时钟信号；在判断需要调整所述本地时钟节点的时钟信号的情况下，接收所述滤波后的校正钟差T，通过所述时频综合模块中的压控控制频率源，调整所述本地时钟节点的时钟信号，实现所述本地时钟节点的时钟信号与预设待同步节点的时钟信号同步。

Description

基于脉冲调制信道的时频同步系统与方法

技术领域

本公开涉及时频同步技术领域，尤其涉及一种基于脉冲调制信道的时频同步系统与方法。

背景技术

无线时频同步技术主要有以下几类：一是基于卫星通信的时频同步方案，包括卫星双向时频传递(TWSTFT)、全球导航卫星系统(GNSS)载波相位时频传递等，此类方案对时精度高，同步网络规模大，但其同步过程依赖卫星作为时频基准或者作为传递途径，因此无法在GNSS拒止条件下为全网各节点提供时频同步服务；二是激光传递方法，即通过激光脉冲在空间的传播来实现地面与卫星时钟或地球上远距离两地时钟的同步，具有很高的准确度和稳定度，其时频同步精度最高可达到5ps～10ps。但此类同步系统成本高，设备复杂，工况条件要求高，且易受天气等条件限制，无法全天候工作；三是基于NTP、PTP协议的无线网络时间同步，此类方案部署方便，成本较低，但同步精度往往只能达到毫秒级，无法满足高精度时频同步要求。

现有技术中，超宽带(UWB)技术由于系统复杂度低，发射信号功率谱密度低，对信道衰落不敏感，截获能力低，定位精度高等优点，逐步开始向时间同步领域渗透，业内也出现了利用UWB信道作为载波的无线时钟同步方案。典型方案如授权专利CN107182123B“一种UWB定位系统的同步方法及同步系统”，该专利公开了一种简单的UWB定位系统的同步方法，利用UWB信道实现了节点间时钟粗同步。但该专利只是通过获取相邻节点的时间戳计算出修正因子，没有经过双向时间同步解算、滤波处理与PID控制等操作，同步精度较低。

因此，在实现本公开构思的过程中，发明人发现，相关技术中至少存在如下问题：时频同步系统成本高，设备复杂，工况条件要求高，同步精度较低。

发明内容

有鉴于此，本公开提供了一种基于脉冲调制信道的时频同步系统与方法。

本公开的一个方面提供了一种基于脉冲调制信道的时频同步系统，时频同步系统包括：

核心控制模块，用于生成时频同步脉冲信号。

信号收发模块，用于接收和发送时频同步脉冲信号。

信号收发模块包括：

第一收发单元，用于生成并向预设待同步节点发送第一时频同步脉冲信号；接收来自预设待同步节点的第二时频同步脉冲信号。

第二收发单元，用于生成并向预设待同步节点发送第三时频同步脉冲信号；接收来自预设待同步节点的第四时频同步脉冲信号。

第一计算单元，根据发送第一时频同步脉冲信号的时间戳、预设待同步节点接收第一时频同步脉冲信号的时间戳后发送的第一时频同步脉冲信号的时间戳、接收来自预设待同步节点的第二时频同步脉冲信号的时间戳、接收到第二时频同步脉冲信号的时间戳、根据发送第三时频同步脉冲信号的时间戳、预设待同步节点接收第三时频同步脉冲信号的时间戳后发送的第三时频同步脉冲信号的时间戳、接收来自预设待同步节点的第四时频同步脉冲信号的时间戳、接收到第四时频同步脉冲信号的时间戳，利用双向时间同步方法计算校正钟差T；

第二计算单元，用于对校正钟差T进行滤波处理，得到滤波后的校正钟差T。

时频同步系统，还包括：

时频综合模块，用于将滤波后的校正钟差T与预设钟差阈值进行比较，判断是否需要调整本地时钟节点的时钟信号；在判断需要调整本地时钟节点的时钟信号的情况下，接收滤波后的校正钟差T，通过时频综合模块中的压控控制频率源，调整本地时钟节点的时钟信号，实现本地时钟节点的时钟信号与预设待同步节点的时钟信号同步；本地频率源，用于产生本地时钟节点的时钟信号。

根据本公开实施例，上述时频同步系统的第一计算单元，包括：

第一计算子单元，用于计算本地时钟节点与预设待同步节点之间的钟差ΔT以及偏移误差e_B。

第二计算子单元，用于根据钟差ΔT以及偏移误差e_B，计算校正钟差T。

根据本公开实施例，上述时频同步系统，第一计算单元，还包括：

第一记录子单元，用于记录发送第一时频同步脉冲信号的时间戳包括：本地时钟节点记录发送第一时频同步脉冲信号时的时间戳为T₁；预设待同步节点接收第一时频同步脉冲信号的时间戳后发送的第一时频同步脉冲信号的时间戳包括：预设待同步节点记录接收到第一时频同步脉冲信号的时间戳为T₂。

第二记录子单元，用于记录接收来自预设待同步节点的第二时频同步脉冲信号的时间戳包括：经过响应间隔T_r后，预设待同步节点发送第二时频同步脉冲信号至本地时钟节点，预设待同步节点记录发送第二时频同步脉冲信号的时间戳为T₃；接收到第二时频同步脉冲信号的时间戳包括：本地时钟节点记录接收到第二时频同步脉冲信号的时间戳为T₄。

第三记录子单元，用于记录发送第三时频同步脉冲信号的时间戳包括：本地时钟节点记录发送第三时频同步脉冲信号时的时间戳为T′₁；预设待同步节点接收第三时频同步脉冲信号的时间戳后发送的第三时频同步脉冲信号的时间戳包括：预设待同步节点记录接收到第三时频同步脉冲信号的时间戳为T′₂。

第四记录子单元，用于记录接收来自预设待同步节点的第四时频同步脉冲信号的时间戳包括：经过响应间隔T_r′后，预设待同步节点发送第四时频同步脉冲信号至本地时钟节点，预设待同步节点记录发送第四时频同步脉冲信号的时间戳为T′₃；接收到第四时频同步脉冲信号的时间戳包括：本地时钟节点记录接收到第四时频同步脉冲信号的时间戳为T′₄。

第三计算子单元，通过构建如下方程组计算钟差ΔT以及偏移误差e_B：

根据本公开实施例，上述时频同步系统，第二计算单元，用于构建如下公式计算校正钟差T，公式为：

T＝ΔT+0.5×e_B×(T′_r+T_r)。

根据本公开实施例，上述时频同步系统的时频综合模块还包括：

第一判断单元，当滤波后的校正钟差T大于预设钟差阈值，则重新计算本地时钟节点与预设待同步节点之间的校正钟差T。

第二判断单元，当滤波后的校正钟差T小于等于预设钟差阈值，则根据校正钟差T调整本地时钟节点的时钟信号。

滤波处理单元，利用滤波处理方法包括但不限于均值滤波、卡尔曼滤波、粒子滤波等方法。

根据本公开实施例，上述时频同步系统的时频同步脉冲信号为秒脉冲信号。

根据本公开实施例，上述时频同步系统的信号收发模块具备脉冲信号调制、解调以及收发功能，支持硬件层信号收发时间戳记录。

根据本公开实施例，上述时频同步系统，时频综合模块具备时钟计数功能和压控控制频率源输出频率功能。

本公开的另一个方面提供了一种基于脉冲调制信道的时频同步方法，该方法包括：生成并向预设待同步节点发送第一时频同步脉冲信号；接收来自预设待同步节点的第二时频同步脉冲信号；生成并向预设待同步节点发送第三时频同步脉冲信号；接收来自预设待同步节点的第四时频同步脉冲信号。

根据发送第一时频同步脉冲信号的时间戳、预设待同步节点接收第一时频同步脉冲信号的时间戳后发送的第一时频同步脉冲信号的时间戳、接收来自预设待同步节点的第二时频同步脉冲信号的时间戳、接收到第二时频同步脉冲信号的时间戳、根据发送第三时频同步脉冲信号的时间戳、预设待同步节点接收第三时频同步脉冲信号的时间戳后发送的第三时频同步脉冲信号的时间戳、接收来自预设待同步节点的第四时频同步脉冲信号的时间戳、接收到第四时频同步脉冲信号的时间戳，利用双向时间同步方法计算校正钟差T。

对校正钟差T进行滤波处理，得到滤波后的校正钟差T；将滤波后的校正钟差T与预设钟差阈值进行比较，判断是否需要调整本地时钟节点的时钟信号；在判断需要调整本地时钟节点的时钟信号的情况下，将滤波后的校正钟差T输入至时频综合单元，通过时频综合单元中的压控控制频率源，调整本地时钟节点的时钟信号，实现本地时钟节点的时钟信号与预设待同步节点的时钟信号同步。

根据本公开的实施例，上述时频同步方法，利用双向时间同步方法计算校正钟差T，包括：

计算本地时钟节点与预设待同步节点之间的钟差ΔT以及偏移误差e_B；

根据钟差ΔT以及偏移误差e_B，计算校正钟差T。

根据本公开的实施例，上述时频同步方法，计算本地时钟节点与预设待同步节点之间的钟差ΔT以及偏移误差e_B，包括：

发送第一时频同步脉冲信号的时间戳包括：本地时钟节点记录发送第一时频同步脉冲信号时的时间戳为T₁；预设待同步节点接收第一时频同步脉冲信号的时间戳后发送的第一时频同步脉冲信号的时间戳包括：预设待同步节点记录接收到第一时频同步脉冲信号的时间戳为T₂。

接收来自预设待同步节点的第二时频同步脉冲信号的时间戳包括：经过响应间隔T_r后，预设待同步节点发送第二时频同步脉冲信号至本地时钟节点，预设待同步节点记录发送第二时频同步脉冲信号的时间戳为T₃；接收到第二时频同步脉冲信号的时间戳包括：本地时钟节点记录接收到第二时频同步脉冲信号的时间戳为T₄。

发送第三时频同步脉冲信号的时间戳包括：本地时钟节点记录发送第三时频同步脉冲信号时的时间戳为T₁′；预设待同步节点接收第三时频同步脉冲信号的时间戳后发送的第三时频同步脉冲信号的时间戳包括：预设待同步节点记录接收到第三时频同步脉冲信号的时间戳为T₂′。

接收来自预设待同步节点的第四时频同步脉冲信号的时间戳包括：经过响应间隔T_r′后，预设待同步节点发送第四时频同步脉冲信号至本地时钟节点，预设待同步节点记录发送第四时频同步脉冲信号的时间戳为T₃′；接收到第四时频同步脉冲信号的时间戳包括：本地时钟节点记录接收到第四时频同步脉冲信号的时间戳为T₄′。

钟差ΔT以及偏移误差e_B通过构建如下方程组进行计算：

根据本公开的实施例，上述时频同步方法，根据钟差ΔT以及偏移误差e_B，计算校正钟差T，包括：

通过如下公式计算校正钟差T，公式为：

T＝ΔT+0.5×e_B×(T′_r+T_r)。

根据本公开的实施例，上述时频同步方法，将滤波后的校正钟差T与预设钟差阈值进行比较，判断是否调整本地时钟节点的时钟信号，包括：

若滤波后的校正钟差T大于预设钟差阈值，则重新计算本地时钟节点与预设待同步节点之间的校正钟差T；

若滤波后的校正钟差T小于等于预设钟差阈值，则根据校正钟差T调整本地时钟节点的时钟信号。

根据本公开的实施例，上述时频同步方法，对校正钟差T进行滤波处理，得到滤波后的校正钟差T，包括：

校正钟差T利用滤波处理方法包括但不限于均值滤波、卡尔曼滤波、粒子滤波等方法。

根据本公开的实施例，上述时频同步方法，第一时频同步脉冲信号、第二时频同步脉冲信号、第三时频同步脉冲信号、第四时频同步脉冲信号均为秒脉冲信号，秒脉冲信号均由核心控制单元产生，该单元具有可编程逻辑功能。

根据本公开的实施例，上述时频同步方法，秒脉冲信号由信号收发单元接收和传送，信号收发单元具备脉冲信号调制、解调以及收发功能，支持硬件层信号收发时间戳记录，支持外部触发同步，内部时钟计数器分辨率高于100ps。

根据本公开的实施例，上述时频同步方法，时频综合单元具备时钟计数功能和压控控制频率源输出频率功能，压控控制频率源可选择比例积分微分(PID)压控控制频率源，用于调节本地时钟节点的时钟信号，本地时钟节点的时钟信号由本地频率源产生。

根据本公开的实施例，基于脉冲调制信道的时频同步方法及系统，脉冲调制信道作为同步信道，可在卫星信号无法接收的条件下正常工作，大大降低了时频同步的工况条件，所依赖的硬件条件适中，同等精度下相较于卫星同步、激光同步而言系统实现成本更低；另外，本发明利用高精度硬件层时间戳记录的方式，采用双向时间同步解算预设待同步节点与本地时钟节点的校正钟差，再通过对校正钟差的滤波处理，通过本发明时频综合单元中的压控控制频率源调整本地时钟节点的时钟信号，能够更精确地实现本地时钟节点的时钟信号与预设待同步节点的时钟信号同步，可以极大地提高时钟同步精度，其同步精度由毫秒级提高到纳秒级。

附图说明

通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示意性示出了根据本公开的实施例的一种基于脉冲调制信道的时频同步系统的结构图；

图2示意性示出了信号收发模块的框图；

图3示意性示出了根据本公开的实施例的时频综合模块的框图；

图4示意性示出了根据本公开实施例的一种基于脉冲调制信道的时频同步方法的流程图；

图5示意性示出了调整后的本地时钟节点的时钟信号与预设待同步节点的时钟信号偏差结果图；

图6示意性示出了根据本公开实施例利用双向时间同步方法计算校正钟差T的流程图；

图7示意性示出了根据本公开实施例计算本地时钟节点与预设待同步节点之间的钟差ΔT以及偏移误差e_B的流程图；

图8示意性示出了根据将滤波后的校正钟差T与预设钟差阈值进行比较，判断是否调整本地时钟节点的时钟信号的流程图。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。

本公开的实施例提供了一种基于脉冲调制信道的时频同步系统与方法。

图1示意性示出了根据本公开的实施例的一种基于脉冲调制信道的时频同步系统的结构图。

如图1所示，在基于脉冲调制信道的时频同步系统100中，包括核心控制模块101、信号收发模块102、时频综合模块103、本地频率源104。

根据本公开的实施例，上述时频同步系统上电后，预热恒温晶振；系统执行初始化过程，由核心控制模块101中的单片机发出时频同步脉冲信号，重置信号收发模块102以及时频综合模块103内的FPGA的计数器。

根据本公开的实施例，图2示意性示出了信号收发模块的框图。

信号收发模块102包括：第一收发单元1021，用于生成并向预设待同步节点发送第一时频同步脉冲信号，接收来自预设待同步节点的第二时频同步脉冲信号；第二收发单元1022，用于生成并向预设待同步节点发送第三时频同步脉冲信号，接收来自预设待同步节点的第四时频同步脉冲信号；第一计算单元1023，根据发送第一时频同步脉冲信号的时间戳、预设待同步节点接收第一时频同步脉冲信号的时间戳后发送的第一时频同步脉冲信号的时间戳、接收来自预设待同步节点的第二时频同步脉冲信号的时间戳、接收到第二时频同步脉冲信号的时间戳、根据发送第三时频同步脉冲信号的时间戳、预设待同步节点接收第三时频同步脉冲信号的时间戳后发送的第三时频同步脉冲信号的时间戳、接收来自预设待同步节点的第四时频同步脉冲信号的时间戳、接收到第四时频同步脉冲信号的时间戳，利用双向时间同步方法计算校正钟差T；第二计算单元1024，用于对校正钟差T进行滤波处理，得到滤波后的校正钟差T。

根据本公开的实施例，信号收发模块具备脉冲信号调制、解调以及收发功能，支持硬件层信号收发时间戳记录。

根据本公开的实施例，第一时频同步脉冲信号、第二时频同步脉冲信号、第三时频同步脉冲信号、第四时频同步脉冲信号均为秒脉冲信号。

根据本公开的实施例，第一计算单元1023，还包括：第一计算子单元10231，用于计算本地时钟节点与预设待同步节点之间的钟差ΔT以及偏移误差e_B；第二计算子单元10232，用于根据钟差ΔT以及偏移误差e_B，计算校正钟差T。

根据本公开的实施例，本地时钟节点与预设待同步节点的钟差及偏移误差是判断本地时钟节点与预设待同步节点同步的量化参数，该量化参数可为本地时钟节点与预设待同步节点同步提供更加精确和可靠的理论判断依据。

根据本公开的实施例，第一记录子单元10233，用于记录发送第一时频同步脉冲信号的时间戳、预设待同步节点接收第一时频同步脉冲信号的时间戳后发送的第一时频同步脉冲信号的时间戳；第二记录子单元10234，用于记录接收来自预设待同步节点的第二时频同步脉冲信号的时间戳、接收到第二时频同步脉冲信号的时间戳；第三记录子单元10235，用于记录发送第三时频同步脉冲信号的时间戳、预设待同步节点接收第三时频同步脉冲信号的时间戳后发送的第三时频同步脉冲信号的时间戳；第四记录子单元10236，用于记录接收来自预设待同步节点的第四时频同步脉冲信号的时间戳、接收到第四时频同步脉冲信号的时间戳；第三计算子单元10237，通过构建如下方程组计算钟差ΔT以及偏移误差e_B：

根据本公开的实施例，通过高精度硬件层时间戳记录的方式，极大地提高了时钟同步精度，可将时钟同步精度由毫秒级提高到纳秒级。

根据本公开的实施例，第二计算单元1024用于构建如下公式计算校正钟差T，公式为：

T＝ΔT+0.5×e_B×(T′_r+T_r) (2)

图3示意性示出了根据本公开的实施例的时频综合模块的框图。

如图3所示，时频综合模块103还包括：第一判断单元1031，当滤波后的校正钟差T大于预设钟差阈值，用于重新计算本地时钟节点与预设待同步节点之间的校正钟差T；第二判断单元1032，当滤波后的校正钟差T小于等于预设钟差阈值，用于根据校正钟差T调整本地时钟节点的时钟信号。

根据本公开的实施例，通过设置预设钟差阈值，可精确提高时钟同步精度，可为本地时钟节点与预设待同步节点的同步提供明确的量化指标。

根据本公开的实施例，本地时钟节点的时钟信号由本地频率源产生，本地时钟节点的本地频率源采用短期频率稳定性5E-11的压控恒温晶振(VCOCXO)。

根据本公开的实施例，时频综合模块具备时钟计数的功能和调节压控控制频率源输出频率的功能。

通过本公开的实施例，可选地，时频综合模块可采用FPGA作为核心控制元件，例如选择Xilinx ZYNQ AC1000的FPGA，包含PID控制器，PID控制器由压控驯服电路组成，实现压控控制频率源的输出。

根据本公开的实施例，时频综合模块还包括滤波处理单元，滤波处理单元可选无迹卡尔曼滤波方法对校正钟差T进行滤波处理，可进一步提高校正钟差T的精度。

通过本公开的实施例，当滤波后的校正钟差输入PID控制器，由PID控制器的压控驯服电路控制VCOCXO输出频率，调节本地频率源的时钟信号。

根据本公开的实施例，基于脉冲调制信道的时频同步系统，秒脉冲信号作为同步信号，可在卫星信号无法传输或接受的条件下依然正常工作，大大降低了时频同步的工况条件，采用双向时间同步解算预设待同步节点与本地时钟节点的校正钟差，再通过对校正钟差的滤波处理，通过本发明时频综合单元中的压控控制频率源调整本地时钟节点的时钟信号，能够更精确地实现本地时钟节点的时钟信号与预设待同步节点的时钟信号同步，可以极大地提高时钟同步精度，稳定、可靠、实用。本发明提出的时频同步系统适用于各种工况下高精度无线时钟同步，可应用于消费电子、工业设备等各场景在线应用，市场前景更广阔。

本公开的另一个方面提供了一种基于脉冲调制信道的时频同步方法，该方法包括：生成并向预设待同步节点发送第一时频同步脉冲信号；接收来自预设待同步节点的第二时频同步脉冲信号；生成并向预设待同步节点发送第三时频同步脉冲信号；接收来自预设待同步节点的第四时频同步脉冲信号；

图4示意性示出了根据本公开实施例的一种基于脉冲调制信道的时频同步方法的流程图。

需要说明的是，本公开实施例中的流程图所示的操作除非明确说明不同操作之间存在执行的先后顺序，或者不同操作在技术实现上存在执行的先后顺序，否则，多个操作之间的执行顺序可以不分先后，多个操作也可以同时执行。

如图4所示，本发明提供的一种基于脉冲调制信道的时频同步方法包括操作S401～S406。

在操作S401，生成并向预设待同步节点发送第一时频同步脉冲信号，接收来自预设待同步节点的第二时频同步脉冲信号。

在操作S402，生成并向预设待同步节点发送第三时频同步脉冲信号，接收来自预设待同步节点的第四时频同步脉冲信号。

根据本公开的实施例，可选地，可以通过单片机作为核心控制单元，发出同步脉冲信号，单片机可以采用STM32F407单片机。

在操作S403，根据发送第一时频同步脉冲信号的时间戳、预设待同步节点接收第一时频同步脉冲信号的时间戳后发送的第一时频同步脉冲信号的时间戳、接收来自预设待同步节点的第二时频同步脉冲信号的时间戳、接收到第二时频同步脉冲信号的时间戳、根据发送第三时频同步脉冲信号的时间戳、预设待同步节点接收第三时频同步脉冲信号的时间戳后发送的第三时频同步脉冲信号的时间戳、接收来自预设待同步节点的第四时频同步脉冲信号的时间戳、接收到第四时频同步脉冲信号的时间戳，利用双向时间同步方法计算校正钟差T。

通过本公开的实施例，上述时频同步脉冲信号为周期1秒的复位信号，控制信号收发单元的时钟计数器复位。

根据本公开的实施例，可选地，可采用射频通信模块作为信号收发单元，收发时频同步脉冲信号，记录高精度收发时间戳，信号收发单元应具备脉冲信号调制解调以及收发功能，支持硬件层信号收发时间戳记录，支持外部触发同步，内部计数频率10GHz，内部时钟计数器分辨率高于100ps。

通过本公开的实施例，上述时频同步脉冲信号为包含导码与信号发送时间戳的数据帧，该时间戳为信号收发单元直接记录硬件层信号收发时间戳，信号收发单元在收到时频同步脉冲信号导码的同时自动记录当前时间戳，时间分辨率应优于20ps。

通过本公开的实施例，可选地，本地时钟节点的时钟信号由本地频率源产生，本地时钟节点的本地频率源采用短期频率稳定性5E-11的压控恒温晶振(VCOCXO)。

在操作S404，对校正钟差T进行滤波处理，得到滤波后的校正钟差T。

根据本公开的实施例，滤波处理方法包括但不限于均值滤波、卡尔曼滤波、粒子滤波等方法。

根据本公开的实施例，可选地，采用无迹卡尔曼滤波器对校正钟差T进行滤波处理，假定t(k)表示k时刻本地时钟节点系统与预设待同步节点系统之间钟差，f(k)表示k时刻本地时钟节点与预设待同步节点之间频差，则当前k时刻，确定当前状态向量为：

进一步地，确定状态方程为：

X(k+1)＝FX(k)+Ba+U (4)

其中，

a为VCOCXO的短期稳定性，本实施例中其标准差为5E-11；u为输出量。

确定状态噪声干扰量Q：

确定测量方程为：

Z(k+1)＝HX(k+1)+R (6)

其中，H＝[1 0]，R为方差为1e-23的高斯白噪声；

递推无迹滤波，更新无迹卡尔曼滤波器中样本点χ_i，k和每个样本点点的权重W_i：

其中，n为状态向量维数，在本发明方案中，取n＝3；P_k|k为k时刻状态向量与真实值之间的协方差；λ为尺度参数，计算方法如下：

λ＝ε²(n+κ)-n

其中，其中，ε通常取一极小的正数，如10^-4，k为一常数，一般情况下取0。

更新先验估计X_k+1/k与先验协方差估计P_k+1/k：

计算先验量测值估计Z_k+1/k与卡尔曼增益K_k+1：

完成更新状态：

X_k+1＝X_k+1|k+K_k+1|k(Z_k+1-Z_k+1|k) (12)

P_k+1|k+1＝P_k+1|k-K_k+1P_ZZ，k+1|kK_k+1 ^T (13)

在操作S405，将滤波后的校正钟差T与预设钟差阈值进行比较，判断是否需要调整本地时钟节点的时钟信号。

通过本公开的实施例，可选地，预设钟差阈值设置为5ns，判定校正钟差T是否达到预设阈值5ns，如若大于预设阈值T_t，则执行操作S401至操作S405；如若小于等于预设阈值，则调整本地时钟节点的时钟信号。

调整后的本地时钟节点的时钟信号与预设待同步节点的时钟信号偏差结果如附图5所示，其中横坐标表示时间，单位为秒，纵坐标表示偏差，单位为秒。

在操作S406，在判断需要调整本地时钟节点的时钟信号的情况下，将滤波后的校正钟差T输入至时频综合单元，通过时频综合单元中的压控控制频率源，调整本地时钟节点的时钟信号，实现本地时钟节点的时钟信号与预设待同步节点的时钟信号同步。

通过本公开的实施例，时频综合单元具备时钟计数功能和压控控制频率源输出频率功能。

通过本公开的实施例，可选地，时频综合单元可采用FPGA作为核心控制元件，例如选择Xilinx ZYNQ AC1000的FPGA，包含PID控制的压控驯服电路组成。

下面参考图6～图8，结合具体实施例对图4所示的方法做进一步说明。

图6示意性示出了根据本公开实施例利用双向时间同步方法计算校正钟差T的流程图。

如图6所示，利用双向时间同步方法计算校正钟差T包括操作S601～S602。

在操作S601，计算本地时钟节点与预设待同步节点之间的钟差ΔT以及偏移误差e_B。

在操作S602，根据钟差ΔT以及偏移误差e_B，计算校正钟差T。

图7示意性示出了根据本公开实施例计算本地时钟节点与预设待同步节点之间的钟差ΔT以及偏移误差e_B的流程图。

如图7所示，该方法包括操作S701～S702。

在操作S701，记录本地时钟节点与预设待同步节点之间相互往返通信发送与接收的时间戳。

根据本公开的实施例，发送第一时频同步脉冲信号的时间戳包括：本地时钟节点记录发送第一时频同步脉冲信号时的时间戳为T₁；预设待同步节点接收第一时频同步脉冲信号的时间戳后发送的第一时频同步脉冲信号的时间戳包括：预设待同步节点记录接收到第一时频同步脉冲信号的时间戳为T₂。

根据本公开的实施例，接收来自预设待同步节点的第二时频同步脉冲信号的时间戳包括：经过响应间隔T_r后，预设待同步节点发送第二时频同步脉冲信号至本地时钟节点，预设待同步节点记录发送第二时频同步脉冲信号的时间戳为T₃；接收到第二时频同步脉冲信号的时间戳包括：本地时钟节点记录接收到第二时频同步脉冲信号的时间戳为T₄。

根据本公开的实施例，发送第三时频同步脉冲信号的时间戳包括：本地时钟节点记录发送第三时频同步脉冲信号时的时间戳为T₁′；预设待同步节点接收第三时频同步脉冲信号的时间戳后发送的第三时频同步脉冲信号的时间戳包括：预设待同步节点记录接收到第三时频同步脉冲信号的时间戳为T₂′。

根据本公开的实施例，接收来自预设待同步节点的第四时频同步脉冲信号的时间戳包括：经过响应间隔T_r′后，预设待同步节点发送第四时频同步脉冲信号至本地时钟节点，预设待同步节点记录发送第四时频同步脉冲信号的时间戳为T₃′；接收到第四时频同步脉冲信号的时间戳包括：本地时钟节点记录接收到第四时频同步脉冲信号的时间戳为T₄′。

在操作S702，钟差ΔT以及偏移误差e_B通过构建方程组进行计算：

根据本公开的实施例，根据钟差ΔT以及偏移误差e_B，通过如下公式计算校正钟差T，公式为：

T＝ΔT+0.5×e_B×(T′_r+T_r) (15)

如图8所示，该方法包括操作S801～S802。

在操作S801，若滤波后的校正钟差T大于预设钟差阈值，则重新计算本地时钟节点与预设待同步节点之间的校正钟差T。

在操作S802，若滤波后的校正钟差T小于等于预设钟差阈值，则根据校正钟差T调整本地时钟节点的时钟信号。

需要说明的是，本公开的实施例中的基于脉冲调制信道的时频同步方法部分与本公开的实施例中基于脉冲调制信道的时频同步系统部分是相对应的，时频同步方法部分的描述具体参考时频同步系统部分，在此不再赘述。

本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。

以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims

1.一种基于脉冲调制信道的时频同步系统，其特征在于，时频同步系统包括：

核心控制模块，用于生成时频同步脉冲信号；

信号收发模块，用于接收和发送所述时频同步脉冲信号；

所述信号收发模块包括：

第一收发单元，用于生成并向预设待同步节点发送第一时频同步脉冲信号；接收来自所述预设待同步节点的第二时频同步脉冲信号；

第二收发单元，用于生成并向预设待同步节点发送第三时频同步脉冲信号；接收来自所述预设待同步节点的第四时频同步脉冲信号；

第一计算单元，根据发送所述第一时频同步脉冲信号的时间戳、所述预设待同步节点接收所述第一时频同步脉冲信号的时间戳后发送的所述第一时频同步脉冲信号的时间戳、接收来自所述预设待同步节点的所述第二时频同步脉冲信号的时间戳、接收到所述第二时频同步脉冲信号的时间戳、根据发送所述第三时频同步脉冲信号的时间戳、所述预设待同步节点接收所述第三时频同步脉冲信号的时间戳后发送的所述第三时频同步脉冲信号的时间戳、接收来自所述预设待同步节点的所述第四时频同步脉冲信号的时间戳、接收到所述第四时频同步脉冲信号的时间戳，利用双向时间同步方法计算校正钟差T；

第二计算单元，用于对所述校正钟差T进行滤波处理，得到滤波后的校正钟差T；

所述时频同步系统，还包括：

时频综合模块，用于将所述滤波后的校正钟差T与预设钟差阈值进行比较，判断是否需要调整所述本地时钟节点的时钟信号；在判断需要调整所述本地时钟节点的时钟信号的情况下，接收所述滤波后的校正钟差T，通过所述时频综合模块中的压控控制频率源，调整所述本地时钟节点的时钟信号，实现所述本地时钟节点的时钟信号与预设待同步节点的时钟信号同步；

本地频率源，用于产生本地时钟节点的时钟信号。

2.根据权利要求1所述的时频同步系统，其特征在于，所述第一计算单元，还包括：

第一计算子单元，用于计算所述本地时钟节点与预设待同步节点之间的钟差ΔT以及偏移误差e_B；

第二计算子单元，用于根据所述钟差ΔT以及所述偏移误差e_B，计算所述校正钟差T。

3.根据权利要求2所述的时频同步方法，其特征在于，所述第一计算单元，包括：

第一记录子单元，用于记录所述发送所述第一时频同步脉冲信号的时间戳包括：所述本地时钟节点记录发送第一个时频同步脉冲信号时的时间戳为T₁；所述预设待同步节点接收所述第一时频同步脉冲信号的时间戳后发送的所述第一时频同步脉冲信号的时间戳包括：所述预设待同步节点记录接收到所述第一个时频同步脉冲信号的时间戳为T₂；

第二记录子单元，用于记录所述接收来自所述预设待同步节点的所述第二时频同步脉冲信号的时间戳包括：经过响应间隔T_r后，所述预设待同步节点发送第二个时频同步脉冲信号至所述本地时钟节点，所述预设待同步节点记录发送所述第二个时频同步脉冲信号的时间戳为T₃；所述接收到所述第二个时频同步脉冲信号的时间戳包括：所述本地时钟节点记录接收到所述第二个时频同步脉冲信号的时间戳为T₄；

第三记录子单元，用于记录所述发送所述第三时频同步脉冲信号的时间戳包括：所述本地时钟节点记录发送第三个时频同步脉冲信号时的时间戳为T′₁；所述预设待同步节点接收所述第三时频同步脉冲信号的时间戳后发送的所述第三时频同步脉冲信号的时间戳包括：所述预设待同步节点记录接收到所述第三个时频同步脉冲信号的时间戳为T′₂；

第四记录子单元，用于记录所述接收来自所述预设待同步节点的所述第四时频同步脉冲信号的时间戳包括：经过响应间隔T_r′后，所述预设待同步节点发送第四个时频同步脉冲信号至所述本地时钟节点，所述预设待同步节点记录发送所述第四个时频同步脉冲信号的时间戳为T′₃；所述接收到所述第四个时频同步脉冲信号的时间戳包括：所述本地时钟节点记录接收到所述第四个时频同步脉冲信号的时间戳为T′₄；

第一计算子单元，通过构建如下方程组计算所述钟差ΔT以及所述偏移误差e_B：

4.根据权利要求3所述的时频同步系统，其特征在于，所述第二计算单元，用于构建如下公式计算所述校正钟差T，公式为：

T＝ΔT+0.5×e_B×(T′_r+T_r)。

5.根据权利要求4所述的时频同步系统，其特征在于，所述时频综合模块还包括：

第一判断单元，当所述滤波后的校正钟差T大于所述预设钟差阈值，则重新计算所述本地时钟节点与所述预设待同步节点之间的所述校正钟差T；

第二判断单元，当所述滤波后的校正钟差T小于等于所述预设钟差阈值，则根据所述校正钟差T调整所述本地时钟节点的时钟信号。

6.根据权利要求5所述的时频同步系统，其特征在于，所述时频综合模块还包括：

滤波处理单元，利用无迹卡尔曼滤波方法对所述校正钟差T进行滤波处理。

7.根据权利要求1所述的时频同步系统，其特征在于，所述时频同步脉冲信号为秒脉冲信号。

8.根据权利要求1所述的时频同步系统，其特征在于，所述信号收发模块具备脉冲信号调制、解调以及收发功能，支持硬件层信号收发时间戳记录。

9.根据权利要求1所述的时频同步系统，其特征在于，所述时频综合模块具备时钟计数的功能和调节压控控制频率源输出频率的功能。

10.一种基于脉冲调制信道的时频同步方法，其特征在于，所述方法包括：

生成并向预设待同步节点发送第一时频同步脉冲信号，接收来自所述预设待同步节点的第二时频同步脉冲信号；

生成并向所述预设待同步节点发送第三时频同步脉冲信号，接收来自所述预设待同步节点的第四时频同步脉冲信号；

根据发送所述第一时频同步脉冲信号的时间戳、所述预设待同步节点接收所述第一时频同步脉冲信号的时间戳后发送的所述第一时频同步脉冲信号的时间戳、接收来自所述预设待同步节点的所述第二时频同步脉冲信号的时间戳、接收到所述第二时频同步脉冲信号的时间戳、根据发送所述第三时频同步脉冲信号的时间戳、所述预设待同步节点接收所述第三时频同步脉冲信号的时间戳后发送的所述第三时频同步脉冲信号的时间戳、接收来自所述预设待同步节点的所述第四时频同步脉冲信号的时间戳、接收到所述第四时频同步脉冲信号的时间戳，利用双向时间同步方法计算校正钟差T；

对所述校正钟差T进行滤波处理，得到滤波后的校正钟差T；

将所述滤波后的校正钟差T与预设钟差阈值进行比较，判断是否需要调整所述本地时钟节点的时钟信号；

在判断需要调整所述本地时钟节点的时钟信号的情况下，将所述滤波后的校正钟差T输入至时频综合单元，通过所述时频综合单元中的压控控制频率源，调整所述本地时钟节点的时钟信号，实现所述本地时钟节点的时钟信号与预设待同步节点的时钟信号同步。