CN114614965B - 一种高精度时频信号产生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高精度时频信号产生装置，该装置包括本地参考源、信号接收与测量模块、参数生成模块和可控分频模块，信号接收与测量模块利用接收的卫星导航信号对本地参考源的源差进行测量，然后由参数生成模块将源差对应转换为频率调整值实现对可控分频模块输出的秒脉冲进行精准调整。另外，还通过锁频处理模块和受控参考源实现对输出的参考信号的频率进行高精度控制，稳定度达到铯钟水平。本发明通过引入卫星导航信号来提高本地参考源的测量准确度，是导航授时与时频测量的有效结合，在同等测量精度下具有实现成本低、占用体积小、应用范围广等优势。

Description

一种高精度时频信号产生装置
技术领域
本发明属于时频测试技术领域，特别是涉及一种高精度时频信号产生装置。
背景技术
在现有技术中，利用卫星导航信号进行时频信号产生时，通常是使用独立的卫星授时模块接收卫星导航信号，通过秒脉冲传递测量本地参考频率的偏差，调整本地参考频率，使得输出参考频率准确，输出秒脉冲信号，同时记录本地参考频率的调整信息，驯服本地参考频率。
如图1所示，传统解决方案是一种松耦合的解决方案，其中授时模块是采用一个独立的参考源，而后面的其他模块则使用的是本地参考源，因此存在前后两部分是异源的，在实现方法上是以授时模块输出的授时秒脉冲为基准，通过测量在相邻的授时秒脉冲之间，本地参考源的整周计数完成频率测量，对本地参考源的频率调整方法通常是通过模拟电压进行本地参考频率的调整。这里，由于独立的卫星授时模块与本地参考频率不同源，即采用不同的参考源，主要是因为卫星授时模块使用自身所带的独立参考源。那么对本地参考信号与卫星导航信号之间的频差进行频差测量的测量部分，与调整本地参考频率的调整部分之间就是异源的。在进行调整时，也是以卫星授时模块输出的秒脉冲为基准，通过测量卫星授时模块输出的秒脉冲之间，本地参考信号的整周计数完成频率测量，然后再通过模拟电压对本地参考频率进行调整。由此带来的主要问题有：
一、卫星授时模块未同源至本地参考信号，卫星授时模块输出的秒脉冲与本地参考源输出的频率信号无法严格对齐，使得利用卫星授时模块输出的秒脉冲为参考来测量本地参考源输出的频率信号时会存在量化误差，例如对于标称为10MHz的本地参考源，由于该本地参考源本身存在误差，再加上与非同源的卫星授时模块秒脉冲无法严格对齐，在相邻的两个秒脉冲之间，对本地参考源的整周数计数时，就有可能出现计数值的变化，也就是说在不同的秒脉冲之间对应的计数值存在差异，影响这种差异的原因不仅是由于本地参考源本身的不稳定造成，还由于测量的秒脉冲与本地参考源不同源带来的额外误差影响；
二、该量化误差对测量结果的影响只有通过加长观测时间才能有效降低，因此，要想降低量化误差提高测量精度，就必须延长观测时间，否则达不到所需的测量精度，或者说较短的观测时间不能获得较高的测量精度，这样就导致了测量时间与测量精度之间存在无法调和的矛盾；
三、对本地参考输出频率的调整精度受到本地参考器件的控制线性度、控制迟滞度等诸多因素的影响，难以对本地参考频率进行准确的训练与预测。
由于以上原因，现有技术中的源差测量秒级精度只能达到
Figure 310455DEST_PATH_IMAGE001
至
Figure 865064DEST_PATH_IMAGE002
的量级，无法准确测量使用的本地参考源的实时偏差。并且，测量精度直接决定了调整与预测精度，而且调整误差较大，使得精度提升空间有限。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种高精度时频信号产生装置，解决现有技术中时频测量不同源、量化误差大、观测时间长和测量精度低的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是提供一种高精度时频信号产生装置，所述装置包括本地参考源、信号接收与测量模块、参数生成模块和可控分频模块，所述信号接收与测量模块以本地参考源产生输出的本地参考信号为参考时钟，通过接收卫星导航信号，对所述本地参考信号进行源差测量得到所述本地参考信号的源差值，所述源差值输入到所述参数生成模块，生成频率调整值输入到所述可控分频模块，并且所述可控分频模块以所述本地参考信号经倍频后作为主时钟信号，并根据所述频率调整值对所述主时钟信号进行分频产生秒脉冲信号，所述秒脉冲信号反馈到所述信号接收与测量模块，更新下一次输出所述源差值的秒间隔。
优选的，所述信号接收与测量模块包括变频子模块和解调子模块，所述变频子模块基于所述本地参考信号的实际频率值
Figure 889652DEST_PATH_IMAGE003
，进行倍频后的本地载波信号的实际频率值
Figure 363359DEST_PATH_IMAGE004
，其中
Figure 473397DEST_PATH_IMAGE005
表示倍频值，对输入的卫星导航信号
Figure 831697DEST_PATH_IMAGE006
进行下变频处理，得到低中频信号输入到解调子模块，并且所述变频子模块还输出载波频差
Figure 710792DEST_PATH_IMAGE007
，所述解调子模块利用所述本地载波信号进行载波环路跟踪解调获得解调信息，并且所述解调子模块还输出跟踪频差
Figure 761924DEST_PATH_IMAGE008
，所述载波频差和跟踪频差相加
Figure 483893DEST_PATH_IMAGE009
，再由源差计算模块计算得到本地参考信号的源差值
Figure 380304DEST_PATH_IMAGE010
，其中，
Figure 367766DEST_PATH_IMAGE011
表示本地参考源输出的本地参考信号的标称频率值，
Figure 324220DEST_PATH_IMAGE012
。
优选的，所述可控分频模块包括第一加法器和延时寄存器，来自所述参数生成模块的频率调整值输入到所述第一加法器，并且与延时寄存器存储的累积值进行周期累加，并且在累加到一个秒周期后，第一加法器对输入的频率调整值进行更新，并继续进行累加，所述第一加法器还级联有用于检测输出波形边沿转换的边沿检测器，所述边沿检测器输出所述秒脉冲信号。
优选的，所述可控分频模块还包括在所述第一加法器与所述边沿检测器之间的级联的第二加法器，所述第二加法器接收来自所述信号接收与测量模块输出的相位调整值，并且与所述第一加法器输出的结果相加后，再经过所述边沿检测器进行边沿检测后输出所述秒脉冲信号。
优选的，所述本地参考源输出的本地参考信号先经过第一倍频器进行倍频产生本地参考第一倍频信号，并且所述本地参考第一倍频信号替代所述本地参考信号而分别输入到所述信号接收与测量模块和可控分频模块。
优选的，所述装置还包括锁频处理模块和受控参考源，所述参数生成模块还生成目标视在剩余频偏值输入到所述锁频处理模块，来自所述本地参考源的所述本地参考信号与来自受控参考源产生的受控参考信号经过乘法器后，所得测量频差信号输入到所述锁频处理模块，由所述锁频处理模块根据所述目标视在剩余频偏值和所述测量频差信号产生输出控制信号，动态控制修正所述受控参考源产生所述受控参考信号的频率。
优选的，所述本地参考源输出的本地参考信号先经过第一倍频器进行倍频产生本地参考第一倍频信号，并且所述本地参考第一倍频信号替代所述本地参考信号而分别输入到所述信号接收与测量模块、可控分频模块和锁频处理模块；所述本地参考源输出的本地参考信号经过第二倍频器进行倍频产生本地参考第二倍频信号代替所述本地参考信号输入到所述乘法器，所述受控参考源输出的受控参考信号先经过第三倍频器进行倍频产生受控参考倍频信号代替所述受控参考信号输入到所述乘法器，经过所述乘法器后输出所述测量频差信号再输入到所述锁频处理模块。
优选的，所述锁频处理模块锁定后，则满足：
Figure 674430DEST_PATH_IMAGE013
，其中
Figure 374533DEST_PATH_IMAGE014
表示第三倍频器的标称频率值，
Figure 352853DEST_PATH_IMAGE015
表示受控参考源的源差值，
Figure 480209DEST_PATH_IMAGE016
表示第二倍频器的标称频率值，
Figure 52136DEST_PATH_IMAGE017
表示本地参考信号的源差值，
Figure 290350DEST_PATH_IMAGE018
表示测量频差信号的标称频率值。
优选的，受控参考源输出的受控参考信号的实际频率表示为
Figure 264123DEST_PATH_IMAGE019
，经过第三倍频器进行倍频产生第三倍频信号的频率表示为
Figure 687014DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 746237DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure 53721DEST_PATH_IMAGE022
表示第三倍频器的倍频值；本地参考源输出的本地参考信号的实际频率表示为
Figure 147579DEST_PATH_IMAGE023
，经过第二倍频器进行倍频产生本地参考第二倍频信号的频率表示为
Figure 616738DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure 163257DEST_PATH_IMAGE025
，
Figure 274432DEST_PATH_IMAGE026
表示第二倍频器的倍频值，所述测量频差信号的实际频率
Figure 222797DEST_PATH_IMAGE027
。
优选的，所述锁频处理模块实时读取测量频差信号的实际频率
Figure 862857DEST_PATH_IMAGE028
与目标视在剩余频偏值
Figure 631092DEST_PATH_IMAGE029
的差值，即频率误差信息，然后用所述频率误差信息与控制电压
Figure 14800DEST_PATH_IMAGE030
建立线性关系，作为对受控参考源的控制信号；所述受控参考源实际产生的频率
Figure 942305DEST_PATH_IMAGE031
为：
Figure 753266DEST_PATH_IMAGE032
，其中
Figure 8798DEST_PATH_IMAGE033
表示控制电压为中值时的受控参考源的输出频率，
Figure 196197DEST_PATH_IMAGE034
表示控制电压，
Figure 853574DEST_PATH_IMAGE035
表示控制电压中值，
Figure 366595DEST_PATH_IMAGE036
表示控制增益。
本发明的有益效果是：本发明公开了一种高精度时频信号产生装置，该装置包括本地参考源、信号接收与测量模块、参数生成模块和可控分频模块，信号接收与测量模块利用接收的卫星导航信号对本地参考源的源差进行测量，然后由参数生成模块将源差对应转换为频率调整值实现对可控分频模块输出的秒脉冲进行精准调整，能够将输出秒脉冲的准确度和稳定度达到
Figure 843844DEST_PATH_IMAGE037
量级。另外，还通过锁频处理模块和受控参考源实现对输出的参考信号的频率进行高精度控制。本发明通过引入卫星导航信号来提高本地参考源的计量准确度，是导航授时与时频测量的有效结合，在同等测量精度下具有实现成本低、占用体积小、应用范围广等优势。
附图说明
图1是现有技术时频信号产生装置一实施例的组成示意图；
图2是本发明高精度时频信号产生装置一实施例的组成示意图；
图3是本发明高精度时频信号产生装置另一实施例中信号接收与测量模块组成示意图；
图4是本发明高精度时频信号产生装置另一实施例中可控分频模块组成示意图；
图5是本发明高精度时频信号产生装置另一实施例中可控分频模块的产生的波形示意图；
图6是本发明高精度时频信号产生装置另一实施例的组成示意图；
图7是本发明高精度时频信号产生装置另一实施例的组成示意图；
图8是本发明高精度时频信号产生装置另一实施例的组成示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。
下面结合附图，对各实施例进行详细说明。
图2是高精度时频信号产生装置一实施例的组成示意图。由图2可以看出，该高精度时频信号产生装置包括本地参考源11、信号接收与测量模块12、参数生成模块13和可控分频模块14，所述信号接收与测量模块12以本地参考源11产生的本地参考信号为参考时钟，通过接收卫星导航信号，对所述本地参考信号进行源差测量得到源差值，该源差值即为本地参考信号的源差值，所述源差值输入到所述参数生成模块13生成频率调整值，再输入到所述可控分频模块14，并且所述可控分频模块14以所述本地参考信号为参考，倍频产生主时钟信号，并根据所述频率调整值对所述主时钟信号进行分频产生秒脉冲信号，所述秒脉冲信号反馈到所述信号接收与测量模块12，更新下一次输出所述源差值的秒间隔。
优选的，对于信号接收与测量模块12而言，其通过卫星天线而接收卫星导航信号，完成对卫星导航信号的下变频和解调，从中得到卫星导航信号，该接收过程中利用本地参考源输出的本地参考信号进行下变频和解调中载波环路跟踪。因此，信号接收与测量模块12是以本地参考源11输出的本地参考信号作为源信号进行信号接收的，并且，在该装置中本地参考源11也为其他模块提供信号源，由此保证了在该装置中的本地参考源11是统一的参考源，确保了产生秒脉冲的各个模块的同源性。
随着GPS、北斗等卫星导航定位模块和芯片的普及使用，具有较低的市场价格，信号接收与测量模块12的成本会明显降低。同时对产生本地参考信号的本地参考源的精度要求也不高，只需要是恒温晶振即可，而不需要价格较高的原子钟，由此也可以降低价格。
优选的，参考图3，所述信号接收与测量模块包括变频子模块121和解调子模块122，所述变频子模块121利用基于所述本地参考信号进行倍频后的本地载波信号，对输入的卫星导航信号进行下变频处理，得到低中频的基带信号输入到解调子模块122，并且所述变频子模块121还输出载波频差，所述解调子模块122利用所述本地载波信号进行载波环路跟踪解调获得解调信息，并且所述解调子模块122还输出跟踪频差，所述载波频差和跟踪频差经过加法器123相加后，再由源差计算模块124计算得到所述源差值。
优选的，对于卫星导航信号而言载波通常在L波段，变频子模块121接收来自本地参考源11的本地参考信号
Figure 693989DEST_PATH_IMAGE038
（实际频率值）后进行倍频，得到本地载波信号
Figure 471452DEST_PATH_IMAGE039
（实际频率值），则有
Figure 358636DEST_PATH_IMAGE040
，其中
Figure 588760DEST_PATH_IMAGE041
表示倍频值，然后与卫星导航信号的载波
Figure 977016DEST_PATH_IMAGE006
进行混频（注意这里卫星导航信号的载波
Figure 608986DEST_PATH_IMAGE006
是实际值，由于卫星导航信号具有非常高的精准度，该频率值是高精准度的频率值, 可以通过解调信息中的星历和链路计算准确获得，代表了卫星导航信号载波频率的真实值）。得到低中频的基带信号输出给解调子模块122，同时变频子模块121输出相对于卫星导航信号的载波
Figure 932651DEST_PATH_IMAGE006
的载波频差
Figure 243547DEST_PATH_IMAGE042
，相当于粗频差，解调子模块122对输入的低中频的基带信号进行解调环路跟踪处理，进一步实时获得本地载波信号与卫星导航信号载波的跟踪频差
Figure 576439DEST_PATH_IMAGE043
，相当于细频差，然后再通过加法器123将载波频差与跟踪频差相加
Figure 797336DEST_PATH_IMAGE044
，相当于粗频差与细频差相加，由此就可以获得本地载波信号相对于卫星导航信号载波频率的实际频差
Figure 291902DEST_PATH_IMAGE045
。这里的
Figure 355673DEST_PATH_IMAGE046
和
Figure 238396DEST_PATH_IMAGE047
均可以是正值也可以是负值，具体是由实际偏差情况决定。
进一步的，对于本地参考源而言，其实际输出的本地参考信号的频率应该是
Figure 313800DEST_PATH_IMAGE048
，则本地参考信号的源差值即为
Figure 244846DEST_PATH_IMAGE049
，其中，
Figure 530334DEST_PATH_IMAGE050
表示本地参考信号的标称频率。图3中，该本地参考信号的源差值
Figure 205029DEST_PATH_IMAGE051
是由源差计算模块124根据加法器123输出的实际频差计算得到并输出。
进一步的，该源差值
Figure 400518DEST_PATH_IMAGE052
是以秒间隔进行更新输出的，这样就可以保证可控分频模块14的秒时钟输出时也是以秒间隔进行误差调整的，由此可以保证不必进行长时间观测才能获得高精度的秒时钟输出。
对于本发明而言，本地参考源11包括石英晶体、恒温晶振、温补晶振等低成本的常用参考源，这些参考源会存在老化和漂移的问题，也就是说存在一个随时间推移出现频率改变的问题，或者说是一个频率稳定度的问题，例如石英晶体的频率稳定度可达
Figure 361521DEST_PATH_IMAGE053
，甚至
Figure 540830DEST_PATH_IMAGE054
，对于10MHz的石英晶体，频率在一日之内的变化一般不大于0.1Hz。石英晶体的频率稳定度要比恒温晶振的频率稳定度低，表现在石英晶体的频率要比恒温晶振的频率随时间推移的变化更大或更快，那么对于参考源存在的频率动态变化问题，就需要能够准确的测量出其实际的频率值，并且还能够保持这种测量的动态性和实时性。
本发明利用接收卫星导航信号载波解调和电文星历获得准确的卫星导航信号的载波频率，其准确度在
Figure 19216DEST_PATH_IMAGE055
至
Figure 69211DEST_PATH_IMAGE056
的量级，利用该高精度等级的测量信号，可以获得的本地参考信号的源差值
Figure 342061DEST_PATH_IMAGE057
的精度可以达到
Figure 477507DEST_PATH_IMAGE058
至
Figure 353059DEST_PATH_IMAGE059
的量级。尽管本地参考源存在频率稳定度较低的问题，这些参考源的频率会随着时间推移发生漂移，但是通过本发明的方法可以对其实际的频率进行高精度的测量，从而获得精准度非常高的实际频率测量值，并且这种测量具有实时性。
进一步的，图2中的参数生成模块13根据源差值
Figure 523140DEST_PATH_IMAGE060
产生可控分频模块14输出秒脉冲所需的频率调整值。以下结合可控分频模块14的组成进一步说明，如何根据该源差值
Figure 966891DEST_PATH_IMAGE061
控制输出秒脉冲的。
结合图2，对于可控分频模块14，其输入的是本地参考信号作为参考时钟，对该参考时钟进行控制分频可以得到秒脉冲输出，但由于本地参考信号的精准度和稳定性需要根据卫星导航信号进行误差修正，因此就需要根据得到的源差值
Figure 589634DEST_PATH_IMAGE061
来对本地参考信号进行动态校正才能保证输出高精度的秒脉冲。
优选的，可控分频模块14是以直接数字式频率合成器（DDS，Direct DigitalSynthesizer）作为核心器件，该DDS对输入的主时钟进行分频来得到秒脉冲，或者该DDS以固定的相位间隔进行累加而得到一个秒周期，而该相位间隔则需要根据本地参考信号的实际频率进行调整。例如，根据前述，本地参考信号的标称频率是
Figure 268877DEST_PATH_IMAGE062
，经过测量得到的源差值
Figure 293464DEST_PATH_IMAGE061
，则本地参考信号的实际频率
Figure 642537DEST_PATH_IMAGE063
，经过本地倍频器后，倍频值是K，则参考时钟的实际频率是
Figure 877209DEST_PATH_IMAGE064
，当以该参考时钟的实际频率
Figure 235510DEST_PATH_IMAGE065
进行分频时，
Figure 114604DEST_PATH_IMAGE066
表示DDS的相位累加器字长，最小相位间隔就是
Figure 900157DEST_PATH_IMAGE067
，例如当要实现对参考时钟的二分频时，频率调整值为
Figure 622126DEST_PATH_IMAGE068
，对应的相位累加步进是
Figure 518538DEST_PATH_IMAGE069
，对参考时钟进行四分频时，对应的频率调整值为
Figure 517718DEST_PATH_IMAGE070
，对应的相位累加步进是
Figure 208593DEST_PATH_IMAGE071
，依此类推。
因此，当获得准确的参考时钟的实际频率
Figure 417857DEST_PATH_IMAGE072
后，要产生一个周期为
Figure 852381DEST_PATH_IMAGE073
的周期脉冲输出，则对应可以计算得到频率调整值为
Figure 706068DEST_PATH_IMAGE074
，对应的相位累加步进是
Figure 958057DEST_PATH_IMAGE075
。
因此，以该参考时钟为时钟源，当每一个参考时钟周期累积一个步长
Figure 264405DEST_PATH_IMAGE076
，那么经过
Figure 502619DEST_PATH_IMAGE077
个参考时钟就可以输出一个秒脉冲。但是由于本地参考信号的实际频率
Figure 476391DEST_PATH_IMAGE078
的偏差存在，就需要不断进行偏差测量，也就是每一秒钟测量输出一次源差值
Figure 633703DEST_PATH_IMAGE061
，通过每秒不断更新该源差值
Figure 427347DEST_PATH_IMAGE061
来动态调整累积的步长间隔
Figure 469252DEST_PATH_IMAGE079
。图2中的参数生成模块13就是要把
Figure 422165DEST_PATH_IMAGE079
转换为可控分频模块14中的DDS的频率调整值，并保持很高的数值精度，例如用16位至32位的二进制数来表示该频率调整值，其中
Figure 891323DEST_PATH_IMAGE080
中N值就是代表不同二进制位数。
实际应用中，会存在
Figure 172263DEST_PATH_IMAGE081
值较小的情况，也即是
Figure 752280DEST_PATH_IMAGE082
取值有限，而
Figure 294120DEST_PATH_IMAGE077
取值较大，这种情况下并不是直接产生输出秒脉冲，而是产生输出周期较短的周期脉冲，即前述的产生一个周期为
Figure 934180DEST_PATH_IMAGE083
的周期脉冲输出，则对应可以计算得到频率调整值为
Figure 690697DEST_PATH_IMAGE084
，例如10ms周期的FTF脉冲，然后每100个FTF脉冲中选取一个序号的脉冲作为秒脉冲输出。
图4和图5进一步显示了可控分频模块14的内部组成及内部波形生成示意图。优选的，所述可控分频模块包括第一加法器141和延时寄存器142，来自所述参数生成模块的频率调整值输入到所述第一加法器141，并且与延时寄存器142存储的累积值进行周期累加，并且在累加到一个秒周期后，所述延时寄存器142自然溢出，然后第一加法器141对输入的频率调整值更新并继续累加，所述第一加法器141还级联有用于检测输出波形边沿转换的边沿检测器144，所述边沿检测器144输出所述秒脉冲信号。
进一步优选的，所述可控分频模块还包括在所述第一加法器141与所述边沿检测器144之间的级联的第二加法器143，所述第二加法器143接收来自所述信号接收与测量模块输出的相位调整值，并且与所述第一加法器141输出的结果相加后再经过所述边沿检测器进行边沿检测后输出所述秒脉冲信号。
优选的，来自参数生成模块的频率调整值输入到第一加法器141，并且在本地参考信号时钟的推动下，不断的与在延时寄存器142中累积的数值相加输出。正常情况下，累加到一个秒周期后正好输出一个秒脉冲，然后延时寄存器142中的自然溢出，继续对输入的频率调整值进行周期累加。而在每一个秒周期内，由于在信号接收与测量模块中的源差值
Figure 199039DEST_PATH_IMAGE085
不断的得到校正，相应的也会使得频率调整值得到误差修正，使得输出的秒脉冲更加精准。由此克服了现有技术中测量时间与测量精度之间存在无法调和的矛盾。
在图5中显示出经过第一加法器141后输出的累加值的信号波形T141，可以看出波形T141为周期累加的三角波，该周期即为一个秒周期，如果对该波形T141直接通过后面的边沿检测器144进行边沿检测，就可以输出秒脉冲信号。
进一步优选的，在图4中的第一加法器141后面还设置有第二加法器143，第二加法器143将第一加法器141输出的累加值又进一步与信号接收与测量模块输出的相位调整值进行累加，从而进一步修正秒脉冲输出的相位误差。该相位调整值主要是针对本地参考信号与卫星载波信号进行源差测量时出现的相位抖动情况进行检测而得到的相位调整值，对应的，在图5中显示了经过第二加法器143后输出的波形T143，可以看出该波形T143在波形T141基础上进行相位调整的示意图，波形T143比波形T141的相位稍有超前。图5中还进一步显示了通过边沿检测器144后对波形T143的边沿检测波形T144。通过加入相位调整值，可以进一步对输出的秒脉冲的相位进行误差修正，有利于对本地参考信号中出现的相位抖动问题进行消除，提高输出秒脉冲的准确度。
进一步优选的，在图2的基础上，图6显示出所述本地参考源11输出的本地参考信号先经过第一倍频器15进行倍频产生本地参考第一倍频信号，并且所述本地参考第一倍频信号替代所述本地参考信号而分别输入到所述信号接收与测量模块12和可控分频模块14。这是因为，本地参考源11输出的本地参考信号的频率值不一定正好适用于信号接收与测量模块和可控分频模块，因此需要进行变频，例如本地参考源11输出的本地参考信号的频率是10MHz，经过第一倍频器进行8倍频后输出80MHz的第一倍频信号，将该第一倍频信号输入到所述信号接收与测量模块和可控分频模块，能够方便这两个模块直接使用所需频率的参考信号。图6所述实施例中各组成模块的功能作用参照前述内容，这里不再赘述。
进一步的，在图2的基础上，图7显示出本发明另一优选实施例，所述时频信号产生装置还包括锁频处理模块17和受控参考源16，所述参数生成模块13还生成剩余频偏值输入到所述锁频处理模块17，来自所述本地参考源11的所述本地参考信号（实际频率
Figure 736330DEST_PATH_IMAGE086
，标称频率
Figure 547292DEST_PATH_IMAGE087
）与来自受控参考源16产生的受控参考信号（实际频率
Figure 661878DEST_PATH_IMAGE088
，标称频率
Figure 114856DEST_PATH_IMAGE089
）相乘后，所得测量频差信号（实际频率
Figure 772234DEST_PATH_IMAGE090
，标称频率
Figure 19675DEST_PATH_IMAGE091
）输入到所述锁频处理模块17，由所述锁频处理模块17根据目标视在剩余频偏值
Figure 762503DEST_PATH_IMAGE092
和所得测量频差信号
Figure 222435DEST_PATH_IMAGE093
产生输出控制信号，动态控制修正所述受控参考源16产生所述受控参考信号的频率。该目标视在剩余频偏值
Figure 858952DEST_PATH_IMAGE094
，即为前述的本地载波信号相对于卫星导航信号载波频率的实际频差
Figure 11716DEST_PATH_IMAGE095
，因此具有很高的精准度以及实时动态跟踪参考源变化的优势。
图7所示实施例为本发明时频产生装置在产生秒脉冲信号的同时，还可以产生输出一个高精度的受控参考信号，该受控参考信号的输出频率具有较高的精准度和稳定度。其中，对受控参考源16输出的受控参考信号进行校正,来自对本地参考源与受控参考源的测量频差信号，该测量频差信号反映了受控参考源与本地参考源之间的频率偏差。当把本地参考源
Figure 241840DEST_PATH_IMAGE096
和受控参考源
Figure 364517DEST_PATH_IMAGE097
通过乘法器18后，可以得到这两个信号源的测量频差信号
Figure 730908DEST_PATH_IMAGE098
，再把测量频差信号输入到锁频处理模块17后进行锁定，锁频处理模块17再生成控制信号，该控制信号同时经过目标视在剩余频偏值
Figure 54573DEST_PATH_IMAGE099
修正后，对受控参考源的输出频率进行调控，由此构成一个闭环环路，使得受控参考源产生的受控信号的频率在精准度和稳定度上与卫星导航信号相当，明显能够提高输出受控参考源信号的精确性和调控的实时性。
进一步的，在图6和图7的基础上，图8显示出本发明另一优选实施例。其中，所述本地参考源11输出的本地参考信号
Figure 771993DEST_PATH_IMAGE100
先经过第一倍频器15进行倍频产生本地参考第一倍频信号
Figure 963940DEST_PATH_IMAGE101
，并且所述本地参考第一倍频信号替代前述的图7中的本地参考信号而分别输入到所述信号接收与测量模块12、可控分频模块14和锁频处理模块17；所述本地参考源11输出的本地参考信号
Figure 450416DEST_PATH_IMAGE102
经过第二倍频器19进行倍频产生本地参考第二倍频信号
Figure 944982DEST_PATH_IMAGE103
，代替图7中的所述本地参考信号输入到所述乘法器，所述受控参考源16输出的受控参考信号
Figure 884120DEST_PATH_IMAGE104
先经过第三倍频器20进行倍频产生受控参考倍频信号
Figure 879757DEST_PATH_IMAGE105
，代替图7中的所述受控参考信号输入到所述乘法器，所述受控参考倍频信号
Figure 220740DEST_PATH_IMAGE106
和所述本地参考第二倍频信号
Figure 620628DEST_PATH_IMAGE103
经过乘法器18后输出测量频差信号
Figure 171696DEST_PATH_IMAGE107
，所述测量频差信号
Figure 580811DEST_PATH_IMAGE108
输入到所述锁频处理模块17。
与之前说明相同，这里需要说明的是
Figure 776300DEST_PATH_IMAGE109
是本地参考源11产生的本地参考信号的实际频率值，我们用
Figure 737303DEST_PATH_IMAGE110
表示本地参考信号的标称频率值，本地参考信号标称频率值
Figure 651033DEST_PATH_IMAGE111
。本地参考信号的实际频率
Figure 332681DEST_PATH_IMAGE112
，这里的源差值
Figure 913835DEST_PATH_IMAGE113
，就是由信号接收与测量模块测量得到。
这里通过设置第一倍频器、第二倍频器和第三倍频器，第一倍频器作用是产生接收本振；第二和第三倍频器作用是完成将本地参考源偏差经倍频放大，便于提高测量精度。这里可以对倍频值进行设置，例如本地参考是10MHz，第一倍频器8倍频输出80MHz，作为系统时钟提供给所述信号接收与测量模块12、可控分频模块14和锁频处理模块17，第二倍频器180倍频输出1800MHz，受控参考也是10MHz，第三倍频器186倍频输出1860MHz，乘法器的输出是1860MHz-1800MHz=60MHz。对这些经过倍频的较高的频率值进行频率调控时，可调控的频率的分辨率和调控精度更高，有利于实现频率的精准度控制。
优选的，所述锁频处理模块锁定后，则满足：
Figure 780160DEST_PATH_IMAGE114
，其中
Figure 915606DEST_PATH_IMAGE115
表示第三倍频器的标称频率，
Figure 791158DEST_PATH_IMAGE116
表示受控参考信号的源差值，
Figure 961239DEST_PATH_IMAGE117
表示第二倍频器的标称频率，
Figure 404990DEST_PATH_IMAGE118
表示本地参考信号的源差值，
Figure 886787DEST_PATH_IMAGE119
表示测量频差信号的标称频率。这是基于在实际测量中，
Figure 706975DEST_PATH_IMAGE120
，
Figure 731563DEST_PATH_IMAGE121
，
Figure 346215DEST_PATH_IMAGE122
，
Figure 721833DEST_PATH_IMAGE123
，这里需要说明对于测量频差信号的标称频率
Figure 80133DEST_PATH_IMAGE124
，该值是在锁频处理模块获得的，而锁频处理模块是以本地参考源作为时钟信号源，因此该测量频差
Figure 224807DEST_PATH_IMAGE125
的精准度取决于
Figure 869415DEST_PATH_IMAGE126
。
对应的，当受控参考源的频率为准确频率时，则
Figure 478468DEST_PATH_IMAGE127
，此时有：
Figure 374880DEST_PATH_IMAGE128
，
Figure 967535DEST_PATH_IMAGE129
的数值等于目标视在剩余频偏值
Figure 923990DEST_PATH_IMAGE130
，因此此时测量频差与目标视在剩余频偏值
Figure 8621DEST_PATH_IMAGE131
的差值就为零。
进一步的，受控参考源输出的受控参考信号的实际频率表示为
Figure 833357DEST_PATH_IMAGE132
，经过第三倍频器进行倍频产生第三倍频信号的实际频率表示为
Figure 421464DEST_PATH_IMAGE133
，
Figure 283241DEST_PATH_IMAGE134
，
Figure 979802DEST_PATH_IMAGE135
表示第三倍频器的倍频值；本地参考源输出的本地参考信号的实际频率表示为
Figure 218016DEST_PATH_IMAGE136
，经过第二倍频器进行倍频产生本地参考第二倍频信号的实际频率表示为
Figure 457368DEST_PATH_IMAGE137
，
Figure 755625DEST_PATH_IMAGE138
，
Figure 80427DEST_PATH_IMAGE139
表示第二倍频器的倍频值，实际测量频差
Figure 653491DEST_PATH_IMAGE140
。
优选的，所述锁频处理模块实时读取实际测量频差
Figure 481770DEST_PATH_IMAGE141
与目标视在剩余频偏值
Figure 216507DEST_PATH_IMAGE142
的差值，即频率误差信息，然后用所述频率误差信息与控制电压
Figure 763026DEST_PATH_IMAGE143
建立线性关系，作为对受控参考源的控制信号；所述受控参考源实际产生的频率
Figure 874202DEST_PATH_IMAGE144
为：
Figure 822566DEST_PATH_IMAGE145
，其中
Figure 462626DEST_PATH_IMAGE146
表示控制电压为中值时的受控参考源的输出频率，
Figure 230862DEST_PATH_IMAGE147
表示控制电压，
Figure 473624DEST_PATH_IMAGE148
表示控制电压中值，k表示控制增益。优选的，
Figure 745337DEST_PATH_IMAGE149
范围0~5V，
Figure 821877DEST_PATH_IMAGE150
，
Figure 77409DEST_PATH_IMAGE151
。
可以看出，由此可以控制输出指定源差的输出信号，当指定源差为0时输出卫星驯服的准确频率信号。
由此可见，图7和图8所示实施例在前述实施例的基础上实现了准确的秒脉冲输出和准确的本地参考源频率输出，并且大大提高了频率输出的准确度，能够将输出本地参考源频率的准确度和稳定度达到
Figure 858284DEST_PATH_IMAGE152
量级。
基于上述实施例说明，本发明高精度时频信号产生装置包括本地参考源、信号接收与测量模块、参数生成模块和可控分频模块，信号接收与测量模块利用接收的卫星导航信号对本地参考源的源差进行测量，然后由参数生成模块将源差对应转换为频率调整值实现对可控分频模块输出的秒脉冲进行精准调整。另外，还通过锁频处理模块和受控参考源实现对输出的参考信号的频率进行高精度控制，能够将输出信号频率的准确度和稳定度达到
Figure 515661DEST_PATH_IMAGE152
量级。本发明通过引入卫星导航信号来提高本地参考源的计量准确度，是导航授时与时频测量的有效结合，在同等测量精度下具有实现成本低、占用体积小、应用范围广等优势。
以上该仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种高精度时频信号产生装置，其特征在于，所述装置包括本地参考源、信号接收与测量模块、参数生成模块和可控分频模块，所述信号接收与测量模块以本地参考源产生输出的本地参考信号为参考时钟，通过接收卫星导航信号，对所述本地参考信号进行源差测量得到所述本地参考信号的源差值，所述源差值输入到所述参数生成模块，生成频率调整值输入到所述可控分频模块，并且所述可控分频模块以所述本地参考信号经倍频后作为主时钟信号，并根据所述频率调整值对所述主时钟信号进行分频产生秒脉冲信号，所述秒脉冲信号反馈到所述信号接收与测量模块，更新下一次输出所述源差值的秒间隔。
2.根据权利要求1所述的高精度时频信号产生装置，其特征在于，所述信号接收与测量模块包括变频子模块和解调子模块，所述变频子模块基于所述本地参考信号的实际频率值
Figure 518294DEST_PATH_IMAGE001
，进行倍频后的本地载波信号的实际频率值
Figure 411164DEST_PATH_IMAGE002
，其中
Figure 670238DEST_PATH_IMAGE003
表示倍频值，对输入的卫星导航信号
Figure 128901DEST_PATH_IMAGE004
进行下变频处理，得到低中频信号输入到解调子模块，并且所述变频子模块还输出载波频差
Figure 80808DEST_PATH_IMAGE005
，所述解调子模块利用所述本地载波信号进行载波环路跟踪解调获得解调信息，并且所述解调子模块还输出跟踪频差
Figure 726553DEST_PATH_IMAGE006
，所述载波频差和跟踪频差相加
Figure 179531DEST_PATH_IMAGE007
，再由源差计算模块计算得到本地参考信号的源差值
Figure 977853DEST_PATH_IMAGE008
，其中，
Figure 615508DEST_PATH_IMAGE009
表示本地参考源输出的本地参考信号的标称频率值，
Figure 764861DEST_PATH_IMAGE010
。
3.根据权利要求1所述的高精度时频信号产生装置，其特征在于，所述可控分频模块包括第一加法器和延时寄存器，来自所述参数生成模块的频率调整值输入到所述第一加法器，并且与延时寄存器存储的累积值进行周期累加，并且在累加到一个秒周期后，第一加法器对输入的频率调整值进行更新，并继续进行累加，所述第一加法器还级联有用于检测输出波形边沿转换的边沿检测器，所述边沿检测器输出所述秒脉冲信号。
4.根据权利要求3所述的高精度时频信号产生装置，其特征在于，所述可控分频模块还包括在所述第一加法器与所述边沿检测器之间的级联的第二加法器，所述第二加法器接收来自所述信号接收与测量模块输出的相位调整值，并且与所述第一加法器输出的结果相加后，再经过所述边沿检测器进行边沿检测后输出所述秒脉冲信号。
5.根据权利要求1至4任一项所述的高精度时频信号产生装置，其特征在于，所述本地参考源输出的本地参考信号先经过第一倍频器进行倍频产生本地参考第一倍频信号，并且所述本地参考第一倍频信号替代所述本地参考信号而分别输入到所述信号接收与测量模块和可控分频模块。
6.根据权利要求2所述的高精度时频信号产生装置，其特征在于，所述装置还包括锁频处理模块和受控参考源，所述参数生成模块还生成目标视在剩余频偏值
Figure 880584DEST_PATH_IMAGE011
输入到所述锁频处理模块，目标视在剩余频偏值
Figure 189206DEST_PATH_IMAGE011
，即为前述的本地载波信号相对于卫星导航信号载波的实际频差
Figure 748495DEST_PATH_IMAGE012
，来自所述本地参考源的所述本地参考信号与来自受控参考源产生的受控参考信号经过乘法器后，所得测量频差信号输入到所述锁频处理模块，由所述锁频处理模块根据所述目标视在剩余频偏值和所述测量频差信号产生输出控制信号，动态控制修正所述受控参考源产生所述受控参考信号的频率。
7.根据权利要求6所述的高精度时频信号产生装置，其特征在于，所述本地参考源输出的本地参考信号先经过第一倍频器进行倍频产生本地参考第一倍频信号，并且所述本地参考第一倍频信号替代所述本地参考信号而分别输入到所述信号接收与测量模块、可控分频模块和锁频处理模块；所述本地参考源输出的本地参考信号经过第二倍频器进行倍频产生本地参考第二倍频信号代替所述本地参考信号输入到所述乘法器，所述受控参考源输出的受控参考信号先经过第三倍频器进行倍频产生受控参考倍频信号代替所述受控参考信号输入到所述乘法器，经过所述乘法器后输出所述测量频差信号再输入到所述锁频处理模块。
8.根据权利要求7所述的高精度时频信号产生装置，其特征在于，所述锁频处理模块锁定后，则满足：
Figure 103252DEST_PATH_IMAGE013
，其中
Figure 38979DEST_PATH_IMAGE014
表示第三倍频器的标称频率值，
Figure 61161DEST_PATH_IMAGE015
表示受控参考源的源差值，
Figure 915985DEST_PATH_IMAGE016
表示第二倍频器的标称频率值，
Figure 774350DEST_PATH_IMAGE017
表示本地参考信号的源差值，
Figure 763035DEST_PATH_IMAGE018
表示测量频差信号的标称频率值。
9.根据权利要求8所述的高精度时频信号产生装置，其特征在于，受控参考源输出的受控参考信号的实际频率表示为
Figure 390457DEST_PATH_IMAGE019
，经过第三倍频器进行倍频产生第三倍频信号的频率表示为
Figure 540815DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 11111DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure 23060DEST_PATH_IMAGE022
表示第三倍频器的倍频值；本地参考源输出的本地参考信号的实际频率表示为
Figure 19835DEST_PATH_IMAGE023
，经过第二倍频器进行倍频产生本地参考第二倍频信号的频率表示为
Figure 357407DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure 49419DEST_PATH_IMAGE025
，
Figure 114327DEST_PATH_IMAGE026
表示第二倍频器的倍频值，所述测量频差信号的实际频率
Figure 540560DEST_PATH_IMAGE027
。
10.根据权利要求9所述的高精度时频信号产生装置，其特征在于，所述锁频处理模块实时读取测量频差信号的实际频率
Figure 298300DEST_PATH_IMAGE028
与目标视在剩余频偏值
Figure 352975DEST_PATH_IMAGE011
的差值，即频率误差信息，然后用所述频率误差信息与控制电压
Figure 955995DEST_PATH_IMAGE029
建立线性关系，作为对受控参考源的控制信号；所述受控参考源实际产生的频率
Figure 146936DEST_PATH_IMAGE030
为：
Figure 950944DEST_PATH_IMAGE031
，其中
Figure 742182DEST_PATH_IMAGE032
表示控制电压为中值时的受控参考源的输出频率，
Figure 165204DEST_PATH_IMAGE033
表示控制电压，
Figure 991078DEST_PATH_IMAGE034
表示控制电压中值，
Figure 700408DEST_PATH_IMAGE035
表示控制增益。
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