CN112713981B - 双信道时间频率高精度传递装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双信道时间频率高精度传递装置和方法，包括本地端和远地端，本地端和远地端之间通过双信道传输，其中，在本地端与远地端之间通过双信道传递秒脉冲信号和频率信号，通过数字控制与模拟量协同控制调整远地端晶振输出的频率信号。本发明提供的双信道时间频率高精度传递装置具有时间传输精度高、噪音小、频率稳定度高等诸多优点。

Description

双信道时间频率高精度传递装置及方法

技术领域

本发明涉及一种双信道传递装置，尤其是一种高精度时间双信道传递装置，属于时间频率技术领域。

背景技术

通常时间频率高精度传递中，秒脉冲信号的传递和频率信号的传递是分开进行的，虽然占用了两个信道，但频率信号往往仅用于消除线路时延，只单纯使用秒脉冲信号作为时刻信号的标记，因此时间传递的准确度难以提高。

现有技术中还存在使用单信道传递秒脉冲信号和频率信号的方法，虽然单信道传递的时刻准确度较高，但是在有些实际应用中，对传递的频率稳定度要求比较高，对传递的时刻准确性要求不是特别高。此外，但单信道传递的方法，传递的时间频率信号的频率稳定度较差，使得其对晶振的要求较高。

在时间高精度传递中，频率信号为模拟量，通常采用A/D模块将模拟量转换为数字量，进而控制传递频率相位，从而实现消除线路时延，但其调整速度较慢，频率的稳定度不足，制约了时间传递精度的进一步发展。

因此，亟需研究一种能够实现噪音小、频率稳定度高、对晶振要求低的时间频率传递装置。

发明内容

为了解决上述问题，本发明人进行了锐意研究。

一方面，提供了一种双信道时间频率高精度传递装置，包括本地端和远地端，本地端和远地端之间通过双信道传输，其中，本地端信号通过第一信道传送至远地端，远地端信号通过第二信道传送至本地端。

第一信道和第二信道传输的信号中都具有秒脉冲信号和频率信号。

所述双信道时间频率高精度传递装置的本地端和远地端都具有信号综合调制模块、信号探测解调模块、秒脉冲发送处理模块、晶振模块和混频锁相模块，

所述信号综合调制模块用于信号的调制与发送，将秒脉冲信号和频率信号调制在载波中；

所述信号探测解调模块用于解调出载波中的秒脉冲信号和频率信号；

所述秒脉冲发送处理模块用于生成秒脉冲信号；

所述晶振模块用于产生频率信号；

所述信号混频锁相模块用于控制晶振模块输出信号的频率。

所述本地端还包括本地端信号采集处理控制模块和本地端移相模块，

本地端移相模块，用于改变本地端晶振模块输出频率的相位，与本地端信号采集处理控制模块相连；

所述本地端信号采集处理控制模块用于比对不同频率相位，获得各信号间的相对相位，并输出控制电压信号至本地端移相模块，实现对本地端晶振模块输出频率的控制。

本地端信号综合调制模块与本地端秒脉冲发送处理模块和本地端晶振模块相连，接收本地端秒脉冲发送处理模块传送的秒脉冲信号和本地端晶振模块传送的频率信号，将秒脉冲信号和频率信号调制到载波上，并通过第一信道发送到远地端；

远地端信号综合调制模块与远地端秒脉冲发送处理模块和远地端晶振模块相连，接收远地端秒脉冲发送处理模块传送的秒脉冲信号和远地端晶振模块传送的频率信号，将秒脉冲信号和频率信号调制到载波上，并通过第二信道发送到本地端。

本地端信号探测解调模块与本地端秒脉冲发送处理模块、本地端信号采集处理控制模块和本地端混频锁相模块相连，接收第二信道传递来的载波信号并解调，将解调出的秒脉冲信号传递至本地端秒脉冲发送处理模块，将解调出的频率信号传递至本地端信号采集处理控制模块和本地端混频锁相模块；

远地端信号探测解调模块与远地端秒脉冲发送处理模块和远地端混频锁相模块相连，接收第一信道传递来的载波信号并解调，将解调出的秒脉冲信号传递至远地端秒脉冲发送处理模块，将解调出的频率信号传递至远地端混频锁相模块。

所述秒脉冲发送处理模块与晶振模块相连，获取晶振模块输出的频率信号，在每一秒开始时，所述秒脉冲信号的上升沿与所述频率信号的过零点对齐，

所述本地端秒脉冲发送处理模块能够获取时延提前量，根据时延提前量与标准秒脉冲信号，生成要发送的秒脉冲信号；

所述远地端秒脉冲接收处理模块，接收远地端信号探测解调模块解调的秒脉冲信号，作为生成秒脉冲信号的参考信号，并从正弦波信号的过零点生成脉冲中恢复出准确的秒脉冲。

本地端信号采集处理控制模块包括多通道的A/D采集单元、计算单元和D/A单元，其中，A/D采集单元采集频率信号，计算单元计算各频率信号之间的相对相位，D/A单元根据相对相位控制本地端移相放大模块产生移相后的正弦波信号，本地端混频锁相模块根据移相后的正弦波信号控制本地端晶振模块输出频率信号。

远地端混频锁相模块根据接收到的本地端晶振模块的输出频率锁定远地端晶振模块的输出频率；

通过调整本地端晶振模块的输出频率信号相位使得远地端晶振模块的输出频率信号相位与标准频率信号相位相同。

本地端晶振模块的输出频率依次通过本地端信号综合调制模块、第一信道、远地端信号探测解调模块传递至远地端混频锁相模块；

远地端晶振模块的输出频率依次通过远地端信号综合调制模块、第二信道、本地端信号探测解调模块传递至本地端信号采集处理控制模块和本地端混频锁相模块；

本地端信号采集处理控制模块采集标准频率信号和本地端晶振模块的输出信号，控制本地端移相模块对标准频率信号进行移相，并将移相后的频率信号传递至本地端混频锁相模块；通过本地端混频锁相模块对本地端晶振模块的输出频率进行修正，使得远地端混频锁相模块锁定远地端晶振模块的输出频率与标准频率信号的相位一致。

另一方面，本发明还提供了一种双信道时间频率高精度传递方法，在本地端与远地端之间通过双信道传递秒脉冲信号和频率信号实现时间频率传递，通过混频锁相模块调整本地端晶振输出的频率信号，使得远地端晶振输出的频率频率信号与标准频率信号相位一致，通过移相模块调整混频锁相环接收的标准频率信号，消除硬件模块带来的相位漂移现象。

根据本发明提供的双信道时间频率高精度传递装置及方法，具有以下有益效果：

(1)兼容原双信道中已有的中继设备，节约成本；

(2)通过数字控制与模拟量控制结合的方式调整频率信号，调整速度快、噪音小；

(3)采用双信道进行频率信号的传递，使得频率稳定度高，从而降低了对晶振的要求。

附图说明

图1示出一种优选实施方式的双信道时间频率高精度传递装置示意图。

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，本发明提供了一种双信道时间频率高精度传递装置，包括本地端和远地端，本地端和远地端之间能够传输秒脉冲信号和频率信号，用频率信号的相位和秒脉冲信号表示标记时刻，其中，秒脉冲信号作为时刻粗标记，频率信号相位作为时刻精细标记，实现时间的精确传递。

根据本发明，所述本地端和远地端之间通过双信道传输，其中，本地端信号通过第一信道传送至远地端，远地端信号通过第二信道传送至本地端，第一信道和第二信道传输的信号中都具有秒脉冲信号和频率信号。

根据本发明，所述双信道时间频率高精度传递装置的本地端和远地端都具有信号综合调制模块、信号探测解调模块、秒脉冲发送处理模块、晶振模块和混频锁相模块，进一步地，所述本地端还包括本地端信号采集处理控制模块和本地端移相模块，如图1所示。

具体地，所述信号综合调制模块用于信号的调制与发送，将秒脉冲信号和频率信号调制在载波中，其中，

本地端信号综合调制模块与本地端秒脉冲发送处理模块和本地端晶振模块相连，其能够接收本地端秒脉冲发送处理模块传送的秒脉冲信号和本地端晶振模块传送的频率信号，将秒脉冲信号和频率信号调制到载波上，并通过第一信道发送到远地端；

远地端信号综合调制模块与远地端秒脉冲发送处理模块和远地端晶振模块相连，其能够接收远地端秒脉冲发送处理模块传送的秒脉冲信号和远地端晶振模块传送的频率信号，将秒脉冲信号和频率信号调制到载波上，并通过第二信道发送到本地端。

在一个优选的实施方式中，所述信号综合调制模块将每一秒分成两个时段，标记为T₁、T₂时段。在T1时段，发送秒脉冲信号，在T2时段，发送频率信号。进一步地，一秒中，T1时段的长度为100～800ns，其余时间为T2时段。

所述信号探测解调模块用于解调出载波中的秒脉冲信号和频率信号，其中，

本地端信号探测解调模块与本地端秒脉冲发送处理模块、本地端信号采集处理控制模块和本地端混频锁相模块相连，其能够接收第二信道传递来的载波信号并解调，将解调出的秒脉冲信号传递至本地端秒脉冲发送处理模块，将解调出的频率信号传递至本地端信号采集处理控制模块和本地端混频锁相模块；

远地端信号探测解调模块与远地端秒脉冲发送处理模块和远地端混频锁相模块相连，其能够接收第一信道传递来的载波信号并解调，将解调出的秒脉冲信号传递至远地端秒脉冲发送处理模块，将解调出的频率信号传递至远地端混频锁相模块。

所述秒脉冲发送处理模块用于生成秒脉冲信号，所述秒脉冲信号为高低电平信号，采用秒脉冲信号高低电平的转换标示每秒的开始，将上升沿作为秒开始的信号。进一步地，所述秒脉冲发送处理模块与晶振模块相连，能够获取晶振模块输出的频率信号。所述频率信号为正弦波信号，在每一秒开始时，所述秒脉冲信号的上升沿与所述频率信号的过零点对齐，使得频率信号相位与秒脉冲信号能够保持固定对齐。

所述本地端秒脉冲发送处理模块能够获取标准秒脉冲信号，在标准秒脉冲信号的基础上生成秒脉冲信号。

进一步地，所述本地端秒脉冲发送处理模块能够获取时延提前量，根据时延提前量提前生成秒脉冲信号，并传递至本地端信号综合调制模块。

具体地，所述本地端秒脉冲发送处理模块在获取时延提前量时，先生成一个初始秒脉冲信号，将初始秒脉冲信号传送到本地端信号综合调制模块并通过第一信道发送到远地端，远地端接收到信号后，通过第二信道传递回对应的信号，经由本地端信号探测解调模块解调后将秒脉冲信号传递至本地端秒脉冲发送处理模块。本地端秒脉冲发送处理模块通过测量传送给本地端信号综合调制模块和接收到本地端信号探测解调模块传递的信号之间的时间间隔，将此时间间隔减去本地端的发送时延和远地端的接收时延后除以2，再加上本地端的发送时延和远地端的接收时延，得到时延提前量。

所述本地端的发送时延和远地端的接收时延与装置模块性能相关，装置生产后通过相关性能测试得到。

所述远地端秒脉冲接收处理模块，接收远地端信号探测解调模块解调的秒脉冲信号，作为生成秒脉冲信号的参考信号，生成远地端秒脉冲信号，传递至远地端信号综合调制模块。

具体地，所述远地端秒脉冲接收处理模块获取远地端晶振模块输出的频率信号，以频率信号的过零点作为秒脉冲的上升沿，生成多个脉冲信号，从多个脉冲信号中选出与参考信号最接近的脉冲信号作为远地端秒脉冲信号。

所述晶振模块用于产生频率信号，进一步地，所述晶振模块生产的信号频率可控，其中，

本地端晶振模块与本地端混频锁相模块相连，通过本地端混频锁相模块控制本地端晶振模块产生信号的频率。本地端晶振模块产生的频率信号能够传递至本地秒脉冲发送处理模块、本地信号综合调制模块和本地端信号采集处理控制模块；

远地端晶振模块与远地端混频锁相模块相连，通过远地端混频锁相模块控制远地端晶振模块产生信号的频率。远地端晶振模块产生的频率信号能够传递至远地端秒脉冲发送处理模块和远地端信号综合调制模块。

所述本地端移相模块，用于改变本地端晶振模块输出频率的相位，其与本地端信号采集处理控制模块相连，所述本地端移相模块接收标准频率信号，在本地端信号采集处理控制模块的控制下对标准频率信号的相位进行移相，输出移相后的正弦波信号作为本地端混频锁相模块的输入信号。

所述信号混频锁相模块用于控制晶振模块输出信号的频率，本地端信号混频锁相模块控制本地端晶振模块的输出频率，远地端信号混频锁相模块控制远地端晶振模块的输出频率。

所述本地端信号采集处理控制模块，用于比对本地端晶振模块输出的频率信号、标准频率信号和本地端信号探测解调模块解调出的远地端传来的频率信号，获得各信号间的相对相位，根据相对相位输出控制电压信号至本地端移相模块，以实现对本地端晶振模块输出的控制，进而使得本地端晶振频率输出的信号经过第一信道传输后，频率相位与标准频率相位一致。

具体地，本地端信号采集处理控制模块包括多通道的A/D采集单元、计算单元和D/A单元，其中，A/D采集单元采集频率信号，计算单元计算各频率信号之间的相对相位，D/A单元根据相对相位控制本地端移相放大模块产生移相后的正弦波信号，本地端混频锁相模块根据移相后的正弦波信号控制本地端晶振模块输出频率信号。

采用A/D、D/A控制频率相位同步，相较于模拟控制，能够大幅度减小温度等环境对相位漂移的影响，提高了时间传递的频率信号中相位控制的准确度。

在一个优选的实施方式中，在本地端信号采集处理控制模块与本地端信号探测调解模块、本地端晶振模块之间，以及在采集标准频率信号之前，还设置有下变频模块，通过下变频模块将各频率信号下变频，以降低频率信号的载波频率，从而降低对本地端信号采集处理控制模块的性能要求，以便于A/D采集单元更准确的对相位进行采集。

根据本发明，远地端混频锁相模块根据接收到的本地端晶振模块的输出频率锁定远地端晶振模块的输出频率，在本发明中，可以通过调整本地端晶振模块的输出频率实现远地端晶振模块的输出频率与标准频率信号相位一致的效果。

在一个优选的实施方式中，通过本地端混频锁相模块对本地端晶振模块的输出频率进行调整，本地端混频锁相模块接收远地端晶振模块输出的频率信号和标准频率信号，将两个信号混频后控制本地端晶振模块，改变本地端晶振模块的输出频率，使得远地端混频锁相模块接收的频率信号发生改变，进而通过远地端混频锁相模块改变远地端晶振模块的输出频率，从而使得远地端晶振模块的输出频率与标准频率信号相位一致。

由于混频锁相模块对晶振的输出频率的调整为模拟量控制调整，使得本发明具有频率相位调整速度快、频率稳定度高等的优点。

发明人发现，各模块会在频率信号的传递过程中带来相位漂移现象，并且随着装置的长期运行，频率信号的相位漂移会出现累积，造成累积误差，在一个优选的实施方式中，在本地端混频锁相模块获取标准频率信号之前，通过本地端移相模块对标准频率信号进行移相，以修正硬件带来的相位漂移影响。具体地，本地端晶振模块的输出频率信号依次通过本地端信号综合调制模块、第一信道、远地端信号探测解调模块传递至远地端混频锁相模块；

远地端晶振模块的输出频率信号依次通过远地端信号综合调制模块、第二信道、本地端信号探测解调模块传递至本地端信号采集处理控制模块和本地端混频锁相模块；

本地端信号采集处理控制模块采集标准频率信号和本地端晶振模块的输出信号，控制本地端移相模块对标准频率信号进行移相，并将移相后的频率信号传递至本地端混频锁相模块；通过本地端混频锁相模块对本地端晶振模块的输出频率进行修正，使得远地端混频锁相模块锁定的远地端晶振模块输出频率信号与标准频率信号的相位一致。

采用本地端信号采集处理控制模块和本地端移相模块对标准频率的移相，通过数字量控制相位的方式，解决了模拟量控制调整带来的相位漂移问题。

进一步地，由于信号混频锁相模块对仅有100～800ns长度的秒脉冲信号不敏感，在信号探测解调模块将解调出的信号中虽然会混有秒脉冲信号，但其不影响信号混频锁相模块对晶振模块的控制，不需额外的信道和激光器、调制器等就实现秒脉冲的传递，大幅度节约了资源。

另一方面，本发明还提供了一种双信道时间频率高精度传递方法，在本地端与远地端之间通过双信道传递秒脉冲信号和频率信号实现时间频率传递。

进一步地，通过混频锁相模块调整本地端晶振输出的频率信号，使得远地端晶振输出的频率频率信号与标准频率信号相位一致，通过移相模块调整混频锁相环接收的标准频率信号，消除硬件模块带来的相位漂移现象。

具体地，包括以下步骤：

S1、本地端获取标准频率信号和标准秒脉冲信号，生成本地端频率信号和本地端秒脉冲信号，通过第一信道传递至远地端；

S2、远地端接收到第一信道传递的信号后，生成远地端频率信号和远地端秒脉冲信号，通过第二信道传递至本地端；

S3、通过混频锁相模块调整本地端晶振输出的频率信号，使得远地端输出的频率信号相位与标准频率信号的相位一致；通过移相模块调整混频锁相模块接收的标准频率信号，进而改变本地端晶振输出的频率信号，消除硬件模块带来的相位漂移现象。

在本发明中，频率信号和秒脉冲信号调制在载波中，具体地，将每一秒分成两个时段，标记为T₁、T₂时段，在T₁时段，发送秒脉冲信号，在T₂时段，发送频率信号。进一步地，一秒中，T₁时段的长度为100～800ns，其余时间为T₂时段。

在在步骤S1中，本地端晶振模块的输出频率信号依次通过本地端信号综合调制模块、第一信道、远地端信号探测解调模块传递至远地端混频锁相模块，远地端混频锁相模块根据接收到的频率信号控制远地端晶振模块的输出频率。

在步骤S2中，远地端晶振模块的输出频率信号依次通过远地端信号综合调制模块、第二信道、本地端信号探测解调模块传递至本地端信号采集处理控制模块和本地端混频锁相模块；

其中，远地端秒脉冲的生成包括以下过程：

S21、本地端获取时延提前量，通过测量秒脉冲信号从本地端传输到远地端再传回本地端的时间间隔、本地端的发送时延和远地端的接收时延获取；

S22、本地端根据时延提前量提前生成秒脉冲信号，发送给远地端，远地端将接收到的秒脉冲信号作为参考信号；

S23、以远地端晶振模块输出的频率信号的过零点作为秒脉冲的上升沿，生成多个脉冲信号，从多个脉冲信号中选出与参考信号最接近的脉冲信号作为远地端秒脉冲信号。

在步骤S3中，本地端信号采集处理控制模块采集标准频率信号和本地端晶振模块的输出信号，控制本地端移相模块对标准频率信号进行移相，并将移相后的频率信号传递至本地端混频锁相模块；通过本地端混频锁相模块对本地端晶振模块的输出频率进行修正，使得远地端混频锁相模块锁定远地端晶振模块的输出频率信号与标准频率信号的相位一致。

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“本地端”、“远地端”、“第一”、“第二”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 (3)

1.一种双信道时间频率高精度传递装置，包括本地端和远地端，其特征在于，

本地端和远地端之间通过双信道传输，其中，本地端信号通过第一信道传送至远地端，远地端信号通过第二信道传送至本地端；

第一信道和第二信道传输的信号中都具有秒脉冲信号和频率信号；

所述双信道时间频率高精度传递装置的本地端和远地端都具有信号综合调制模块、信号探测解调模块、秒脉冲发送处理模块、晶振模块和混频锁相模块，

所述信号综合调制模块用于信号的调制与发送，将秒脉冲信号和频率信号调制在载波中；

所述信号探测解调模块用于解调出载波中的秒脉冲信号和频率信号；

所述秒脉冲发送处理模块用于生成秒脉冲信号；

所述晶振模块用于产生频率信号；

所述信号混频锁相模块用于控制晶振模块输出信号的频率；

所述本地端还包括本地端信号采集处理控制模块和本地端移相模块，

本地端移相模块，用于改变本地端晶振模块输出频率的相位，与本地端信号采集处理控制模块相连；

所述本地端信号采集处理控制模块用于比对不同频率相位，获得各信号间的相对相位，并输出控制电压信号至本地端移相模块，实现对本地端晶振模块输出频率的控制；

本地端信号综合调制模块与本地端秒脉冲发送处理模块和本地端晶振模块相连，接收本地端秒脉冲发送处理模块传送的秒脉冲信号和本地端晶振模块传送的频率信号，将秒脉冲信号和频率信号调制到载波上，并通过第一信道发送到远地端；

远地端信号综合调制模块与远地端秒脉冲发送处理模块和远地端晶振模块相连，接收远地端秒脉冲发送处理模块传送的秒脉冲信号和远地端晶振模块传送的频率信号，将秒脉冲信号和频率信号调制到载波上，并通过第二信道发送到本地端；

本地端信号探测解调模块与本地端秒脉冲发送处理模块、本地端信号采集处理控制模块和本地端混频锁相模块相连，接收第二信道传递来的载波信号并解调，将解调出的秒脉冲信号传递至本地端秒脉冲发送处理模块，将解调出的频率信号传递至本地端信号采集处理控制模块和本地端混频锁相模块；

远地端信号探测解调模块与远地端秒脉冲发送处理模块和远地端混频锁相模块相连，接收第一信道传递来的载波信号并解调，将解调出的秒脉冲信号传递至远地端秒脉冲发送处理模块，将解调出的频率信号传递至远地端混频锁相模块；

远地端混频锁相模块根据接收到的本地端晶振模块的输出频率锁定远地端晶振模块的输出频率；

通过本地端混频锁相模块对本地端晶振模块的输出频率进行调整，本地端混频锁相模块接收远地端晶振模块输出的频率信号和标准频率信号，将两个信号混频后控制本地端晶振模块，改变本地端晶振模块的输出频率，使得远地端混频锁相模块接收的频率信号发生改变，进而通过远地端混频锁相模块改变远地端晶振模块的输出频率；

通过调整本地端晶振模块的输出频率信号相位使得远地端晶振模块的输出频率信号相位与标准频率信号相位一致。

2.根据权利要求1所述的双信道时间频率高精度传递装置，其特征在于，

所述秒脉冲发送处理模块与晶振模块相连，获取晶振模块输出的频率信号，在每一秒开始时，所述秒脉冲信号的上升沿与所述频率信号的过零点对齐，

所述本地端秒脉冲发送处理模块能够获取时延提前量，根据时延提前量与标准秒脉冲信号，生成秒脉冲信号；

所述远地端秒脉冲接收处理模块，接收远地端信号探测解调模块解调的秒脉冲信号，作为生成秒脉冲信号的参考信号，并从正弦波信号的过零点生成脉冲中恢复出准确的秒脉冲。

3.根据权利要求1所述的双信道时间频率高精度传递装置，其特征在于，

本地端信号采集处理控制模块包括多通道的A/D采集单元、计算单元和D/A单元，其中，A/D采集单元采集频率信号，计算单元计算各频率信号之间的相对相位，D/A单元根据相对相位控制本地端移相放大模块产生移相后的正弦波信号，本地端混频锁相模块根据移相后的正弦波信号控制本地端晶振模块输出频率信号。

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