CN115065360B - 一种基于动态移相的秒脉冲高精度同步方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电数字信息传输技术领域，尤其涉及一种基于动态移相的秒脉冲高精度同步方法及系统，包括如下流程：基准频率信号转化成移相频率信号再转化成秒脉冲信号输出给用户及相位检测单元；相位检测单元对输入输出脉冲测量，将结果传输给核心控制单元；核心控制单元将结果与阈值比较，若在阈值范围内，则控制秒脉冲选择单元将此路输出秒脉冲输出给用户；若超出阈值，选择另一路作为输出秒脉冲输出给用户，并将结果生成压控电压波形输出给动态移相单元；动态移相单元根据输入电压波形控制输出频率信号相位。本发明提供的方法及系统能够保证输出秒脉冲与外部输入秒脉冲高精度相位同步，并且补偿值连续。
Description
技术领域
本发明涉及电数字信息传输技术领域，尤其涉及一种基于动态移相的秒脉冲高精度同步方法及系统。
背景技术
时统设备作为二级时间基准设备，需要接收卫星导航设备等基准设备输出秒脉冲信号且与之进行同步，进而向下级用户设备提供授时服务。时统设备与基准设备之间存在时延，包括固有时延和动态同步相位时延，该时延一般情况下为几十至几百纳秒，现有技术一般只对固有时延进行补偿，而忽略了动态同步相位时延，如果不对该时延进行补偿处理，无法满足某些时间同步的高精度应用场景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于动态移相的秒脉冲高精度同步方法及系统，主要基于频率信号的动态移相实现输入秒脉冲信号与输出秒脉冲信号链路延时的动态补偿，其补偿值连续，并且通过设置冗余输出路径，保证频率移相过程中秒脉冲信号输出稳定，从而实现输入、输出秒脉冲与内部标准频率间的高精度相位同步。
本发明是通过以下技术方案予以实现：
一种基于动态移相的秒脉冲高精度同步方法,其包括如下步骤：
S1：频率基准单元扇出多路基准频率信号，其中至少两路基准频率信号发送给动态移相单元；具体可优选四路基准频率信号，其中两路基准频率信号发送给动态移相单元。
S2: 动态移相单元将接收到的几路基准频率信号分别转化成移相频率信号传输给秒脉冲生成单元；
S3: 秒脉冲生成单元将几路移相频率信号分别转化成秒脉冲信号传输给秒脉冲选择单元；
S4: 秒脉冲选择单元选择其中一路秒脉冲信号作为输出秒脉冲信号输出给用户及相位检测单元；
S5:相位检测单元同步接收外部输入秒脉冲信号与输出秒脉冲信号，对两个脉冲信号脉冲上升沿之间的时间间隔进行测量，并将测量结果传输给核心控制单元；
S6:核心控制单元将测量结果与预设的阈值进行比较，若测量结果在阈值范围内，则控制秒脉冲选择单元将此路输出秒脉冲继续输出给用户；
S7:若测量结果超出预设的阈值范围，核心控制单元先控制秒脉冲选择单元选择其余输出秒脉冲信号中的一路作为输出秒脉冲输出给用户，然后核心控制单元将测量结果生成压控电压波形输出给动态移相单元；
S8: 动态移相单元将核心控制单元输出的压控电压波形分别补偿到动态移相单元内的电荷泵输出电压值进而实现频率移相，并将移相频率输出给秒脉冲生成单元，重复步骤S4-S5，直至测量结果在阈值范围内，核心控制单元控制秒脉冲选择单元将此路转换成输出秒脉冲输出给用户。
进一步，S1中频率基准单元扇出多路基准频率信号中，有一路基准频率信号发送给秒脉冲同步单元，一路基准频率信号发送给核心控制单元，秒脉冲同步单元将接收到的基准频率信号转换成同步秒脉冲分别传输给相位检测单元及核心控制单元。
进一步，S7中核心控制单元连续获取相位检测单元的测量结果，取多次测量数据计算平均值作为相位偏差测量结果，生成压控电压波形。具体可优选取五次测量数据计算平均值作为相位偏差测量结果。
一种基于动态移相的秒脉冲高精度同步系统，其包括秒脉冲生成单元、秒脉冲选择单元、相位检测单元、核心控制单元、频率基准单元和动态移相单元；
所述频率基准单元将基准频标器件输出的频率扇出多路基准频率信号，为动态移相单元及核心控制单元提供基准频率信号；
所述动态移相单元用于将基准频率信号转化成移相频率信号，提供给秒脉冲生成单元；
所述秒脉冲生成单元用于将移相频率信号产生相位连续变化的秒脉冲信号，输出给秒脉冲选择单元；
所述秒脉冲选择单元根据核心控制单元信号选择秒脉冲生成单元输出的多路秒脉冲其中之一作为输出秒脉冲信号输出给用户及相位检测单元；
所述相位检测单元完成输入秒脉冲信号与输出秒脉冲信号上升沿间的时间间隔检测，并将检测数据提供至核心控制单元；
所述核心控制单元用于检测数据采集、数据处理、秒脉冲输出信号选择以及动态移相单元压控电压波形信号的生成。
进一步，系统还包括秒脉冲同步单元，所述秒脉冲同步单元用于产生与外部输入秒脉冲相位滞后0-1个时钟周期且与内部基准频率信号同相位的同步秒脉冲信号，并将同步秒脉冲信号传输给相位检测单元及核心控制单元。
进一步，频率基准单元包括基准频标及时钟扇出电路。
进一步，动态移相单元包括多路锁相环，每路锁相环包括鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控震荡器及分频器。
进一步，秒脉冲生成单元包括多路异步计数器及比较器。
进一步，秒脉冲同步单元设有D触发器。
进一步，秒脉冲选择单元设有多选一多路器。
发明的有益效果
本发明提供的一种基于动态移相的秒脉冲高精度同步方法及系统，具有如下优点：通过对输入、输出秒脉冲信号的延时进行实时测量，反馈调整基准频率信号相位从而动态、连续补偿秒脉冲输出延时，为防止移相过程中的相位跳变，移相过程开始时，核心控制单元选择另一路未移相频率生成的秒脉冲信号作为输出秒脉冲信号，待移相完成后将输出切换回原信号，通过动态移相单元补偿链路延时，可避免数字补偿器件的最大工作频率限制，保证延时补偿值连续，应用到实际任务中，可实现时统设备作为二级时间基准与卫星导航设备输出秒脉冲信号高精度相位同步，具有较高的应用价值。
附图说明
图1是本发明方法流程示意图；
图2是本发明系统原理框图；
图3是动态移相单元结构示意图。
具体实施方式
一种基于动态移相的秒脉冲高精度同步方法,具体流程图及系统图分别如附图1，2所示，其包括如下步骤：
S1：频率基准单元扇出多路基准频率信号，其中至少两路基准频率信号发送给动态移相单元。具体可优选频率基准单元扇出四路基准频率信号，其中两路基准频率信号发送给动态移相单元，系统图中以四路基准频率信号为例进行说明。
S2: 动态移相单元将接收到的几路基准频率信号分别转化成移相频率信号传输给秒脉冲生成单元；
S3: 秒脉冲生成单元将几路移相频率信号分别转化成秒脉冲信号传输给秒脉冲选择单元；
S4: 秒脉冲选择单元选择其中一路秒脉冲信号作为输出秒脉冲信号输出给用户及相位检测单元；
S5:相位检测单元同步接收外部输入秒脉冲信号与输出秒脉冲信号，对两个脉冲信号脉冲上升沿之间的时间间隔进行测量，并将测量结果传输给核心控制单元；这里的外部输入秒脉冲信号为卫星导航等设备的输出秒脉冲信号。
S6:核心控制单元将测量结果与预设的阈值进行比较，若测量结果在阈值范围内，则控制秒脉冲选择单元将此路输出秒脉冲继续输出给用户；
S7:若测量结果超出预设的阈值范围，核心控制单元先控制秒脉冲选择单元将原来输出秒脉冲信号的一路只输出给相位检测单元继续进行检测，但不再输出给用户，而选择其余输出秒脉冲信号中的一路作为输出秒脉冲输出给用户，以保证在动态移项补偿的过程中，不间断的向用户输送秒脉冲信号。然后核心控制单元将测量结果生成压控电压波形输出给动态移相单元；
S8: 动态移相单元将核心控制单元输出的压控电压波形分别补偿到动态移相单元内的电荷泵输出电压值进而实现频率移相，并将移相频率输出给秒脉冲生成单元，重复步骤S4-S5，直至测量结果在阈值范围内，核心控制单元控制秒脉冲选择单元将此路转换成输出秒脉冲输出给用户。
重复S1-S8的过程，核心控制单元控制根据测量比较结果输出给动态移相单元，对输出秒脉冲相位可以进行动态调整，最终实现输入、输出秒脉冲信号及内部频率的高精度相位同步。并且由于动态移相单元将核心控制单元输出的压控电压波形分别补偿到动态移相单元内的电荷泵输出电压值进而实现频率移相，并将移相频率输出给秒脉冲生成单元，其补偿形式为模拟量补偿，相对于数字量补偿可避免数字补偿器件的最大工作频率限制，且保证延时补偿值的连续性。
进一步，S1中频率基准单元扇出多路基准频率信号中，有一路基准频率信号发送给秒脉冲同步单元，一路基准频率信号发送给核心控制单元，秒脉冲同步单元将接收到的基准频率信号转换成同步秒脉冲分别传输给相位检测单元及核心控制单元。
同步秒脉冲信号与基准频率信号均输入核心控制单元，核心控制单元可以判断同步信号状态，来控制相位检测单元测量过程，并使用基准频率信号生成通信波形，与相位检测单元通信完成数据交互。
而将同步秒脉冲信号发给相位检测单元，可以将其作为上升沿到来的标志，生成一个使能信号，把这个外部秒脉冲信号的高电平持续时间限定在一定范围内，配合相位检测单元对输入外部秒脉冲信号的要求。
进一步，S7中核心控制单元连续获取相位检测单元的测量结果，取多次测量数据计算平均值作为相位偏差测量结果，生成压控电压波形。具体可优选取五次测量数据计算平均值作为相位偏差测量结果。这样可以使计算结果更加精确，使补偿后的输出秒脉冲与外部输入秒脉冲同步性精度更高。
一种基于动态移相的秒脉冲高精度同步系统，其包括秒脉冲生成单元、秒脉冲选择单元、相位检测单元、核心控制单元、频率基准单元和动态移相单元；
所述频率基准单元将基准频标器件输出的频率扇出多路基准频率信号，为动态移相单元及核心控制单元提供基准频率信号；
所述动态移相单元用于将基准频率信号转化成移相频率信号，提供给秒脉冲生成单元；
所述秒脉冲生成单元用于将移相频率信号产生相位连续变化的秒脉冲信号，输出给秒脉冲选择单元；
所述秒脉冲选择单元根据核心控制单元信号选择秒脉冲生成单元输出的多路秒脉冲其中之一作为输出秒脉冲信号输出给用户及相位检测单元；
所述相位检测单元完成输入秒脉冲信号与输出秒脉冲信号上升沿间的时间间隔检测，并将检测数据提供至核心控制单元；
所述核心控制单元用于检测数据采集、数据处理、秒脉冲输出信号选择以及动态移相单元压控电压波形信号的生成。
本发明保护的一种基于动态移相的秒脉冲高精度同步系统，其控制方法如S1-S8所述，通过设置秒脉冲生成单元、秒脉冲选择单元、相位检测单元、核心控制单元、频率基准单元和动态移相单元，对输入、输出秒脉冲信号的相位差进行实时测量，反馈调整基准频率信号相位，从而动态、连续补偿秒脉冲输出延时。并且为防止移相过程中的相位跳变，移相过程开始时，核心控制单元选择另一路未移相频率生成的秒脉冲信号作为输出秒脉冲信号，待移相完成后将输出恢复为原信号，通过频率移相补偿链路延时，可避免数字补偿器件最大工作频率限制，保证延时补偿值的连续性，应用到实际任务中，可实现时统设备作为二级时间基准与卫星导航设备输出秒脉冲信号高精度相位同步，具有较高的应用价值。
进一步，系统还包括秒脉冲同步单元，所述秒脉冲同步单元用于产生与外部输入秒脉冲相位滞后0-1个时钟周期且与内部基准频率信号同相位的同步秒脉冲信号，并将同步秒脉冲信号传输给相位检测单元及核心控制单元。
秒脉冲同步单元将同步秒脉冲信号与基准频率信号均输入核心控制单元，核心控制单元可以判断同步信号状态，来控制相位检测单元测量过程，并使用基准频率信号生成通信波形，与相位检测单元通信完成数据交互。
而将同步秒脉冲信号发给相位检测单元，可以将其作为上升沿到来的标志，生成一个使能信号，把这个外部秒脉冲信号的高电平持续时间限定在一定范围内，配合相位检测单元对输入外部秒脉冲信号的要求。
进一步，频率基准单元包括基准频标及时钟扇出电路，基准频标包括但不限于原子钟、晶振、晶体，基准频标提供标准频率输出，并通过时钟扇出电路将单路输出扩展为多路输出，供其他单元使用。
进一步，动态移相单元包括多路锁相环，动态移相单元包括多路锁相环，每路锁相环包括鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控震荡器及分频器。其具体结构框图如附图3所示。
动态移相单元的工作过程为：移相频率经过分频器分频后与基准频率输入鉴频鉴相器，鉴频鉴相器鉴相两频率信号后生成相位差脉冲信号，相位差脉冲信号输入至电荷泵改变电荷泵输出电压，输出电压波形经环路滤波器接入压控振荡器压控脚形成锁相环回路，压控振荡器输出信号相位及频率由压控脚控制，无外部电压积分波形输入时，锁相环入锁后输出的移相频率与基准频率间有固定相位差，以此形成的压控电压维持锁相环锁定状态。当有电压积分波形输入后锁相环失锁，环路滤波器输出的压控电压由两部分组成，一是鉴频鉴相器输出的相位差脉冲信号，另一部分是电压积分波形，输入环路滤波器的频率信号相位不变，输出环路滤波器的频率信号相位因压控电压变化偏移，锁相环失锁，最终输出频率信号以新的相位状态入锁，完成移相。偏移相位与电荷泵输入的电压积分波形成比例关系，以此完成频率信号连续相位调整，不受传统数字器件补偿步长限制。
进一步，秒脉冲生成单元包括多路异步计数器及比较器。异步计数器与比较器的时钟输入为动态移相单元提供的初始频率及相位相同的移相频率信号，该单元用于产生多路相位可连续变化的秒脉冲信号。
进一步，秒脉冲同步单元设有D触发器，D触发器的时钟输入为频率基准单元提供的基准频率信号；该单元用于产生与外部输入秒脉冲相位滞后0-1个时钟周期且与内部频率信号同相位的秒脉冲信号，即同步秒脉冲信号。
进一步，秒脉冲选择单元设有多选一多路器，核心控制单元控制秒脉冲选择单元选择秒脉冲生成单元输出的几路秒脉冲其中之一作为输出秒脉冲信号，保证移相过程中输出秒脉冲信号稳定，即用户收到的秒脉冲信号连续不间断。
综上所述，本发明提出的一种基于动态移相的秒脉冲高精度同步方法及系统，通过调整基准频率信号输出相位从而实现动态补偿链路延时，同时为防止移相过程中的相位跳变，设置冗余秒脉冲信号，实现输入输出链路延时的精确补偿，保证输出秒脉冲与外部输入秒脉冲高精度相位同步，并且补偿值连续，可避免数字补偿器件的最大工作频率限制。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于动态移相的秒脉冲高精度同步方法,其特征在于，包括如下步骤：
S1：频率基准单元扇出多路基准频率信号，其中至少两路基准频率信号发送给动态移相单元；
S2: 动态移相单元将接收到的几路基准频率信号分别转化成移相频率信号传输给秒脉冲生成单元；
S3: 秒脉冲生成单元将几路移相频率信号分别转化成秒脉冲信号传输给秒脉冲选择单元；
S4: 秒脉冲选择单元选择其中一路秒脉冲信号作为输出秒脉冲信号输出给用户及相位检测单元；
S5:相位检测单元同步接收外部输入秒脉冲信号与输出秒脉冲信号，对两个脉冲信号脉冲上升沿之间的时间间隔进行测量，并将测量结果传输给核心控制单元；
S6:核心控制单元将测量结果与预设的阈值进行比较，若测量结果在阈值范围内，则控制秒脉冲选择单元将此路输出秒脉冲继续输出给用户；
S7:若测量结果超出预设的阈值范围，核心控制单元先控制秒脉冲选择单元选择其余输出秒脉冲信号中的一路作为输出秒脉冲输出给用户，然后核心控制单元将测量结果生成压控电压波形输出给动态移相单元；
S8: 动态移相单元将核心控制单元输出的压控电压波形分别补偿到动态移相单元内的电荷泵输出电压值进而实现频率移相，并将移相频率输出给秒脉冲生成单元，重复步骤S4-S5，直至测量结果在阈值范围内，核心控制单元控制秒脉冲选择单元将此路转换成输出秒脉冲输出给用户。
2.根据权利要求1所述的一种基于动态移相的秒脉冲高精度同步方法，其特征在于，S1中频率基准单元扇出多路基准频率信号中，有一路基准频率信号发送给秒脉冲同步单元，一路基准频率信号发送给核心控制单元，秒脉冲同步单元将接收到的基准频率信号转换成同步秒脉冲分别传输给相位检测单元及核心控制单元。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于动态移相的秒脉冲高精度同步方法，其特征在于，S7中核心控制单元连续获取相位检测单元的测量结果，取多次测量数据计算平均值作为相位偏差测量结果，生成压控电压波形。
4.一种基于动态移相的秒脉冲高精度同步系统，其特征在于，包括秒脉冲生成单元、秒脉冲选择单元、相位检测单元、核心控制单元、频率基准单元和动态移相单元；
所述频率基准单元将基准频标器件输出的频率扇出多路基准频率信号，为动态移相单元及核心控制单元提供基准频率信号；
所述动态移相单元用于将基准频率信号转化成移相频率信号，提供给秒脉冲生成单元；
所述秒脉冲生成单元用于将移相频率信号产生相位连续变化的秒脉冲信号，输出给秒脉冲选择单元；
所述秒脉冲选择单元根据核心控制单元信号选择秒脉冲生成单元输出的多路秒脉冲其中之一作为输出秒脉冲信号输出给用户及相位检测单元；
所述相位检测单元完成输入秒脉冲信号与输出秒脉冲信号上升沿间的时间间隔检测，并将检测数据提供至核心控制单元；
所述核心控制单元用于检测数据采集、数据处理、秒脉冲输出信号选择以及动态移相单元压控电压波形信号的生成。
5.根据权利要求4所述的一种基于动态移相的秒脉冲高精度同步系统，其特征在于，系统还包括秒脉冲同步单元，所述秒脉冲同步单元用于产生与外部输入秒脉冲相位滞后0-1个时钟周期且与内部基准频率信号同相位的同步秒脉冲信号，并将同步秒脉冲信号传输给相位检测单元及核心控制单元。
6.根据权利要求4或5所述的一种基于动态移相的秒脉冲高精度同步系统，其特征在于，所述频率基准单元包括基准频标及时钟扇出电路。
7.根据权利要求4或5所述的一种基于动态移相的秒脉冲高精度同步系统，其特征在于，所述动态移相单元包括多路锁相环，每路锁相环包括鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控震荡器及分频器。
8.根据权利要求4或5所述的一种基于动态移相的秒脉冲高精度同步系统，其特征在于，所述秒脉冲生成单元包括多路异步计数器及比较器。
9.根据权利要求5所述的一种基于动态移相的秒脉冲高精度同步系统，其特征在于，秒脉冲同步单元设有D触发器。
10.根据权利要求4或5所述的一种基于动态移相的秒脉冲高精度同步系统，其特征在于，所述秒脉冲选择单元设有多选一多路器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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