CN1852288B - 一种时间传递的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种时间传递的方法，具有精度高、安全性好和传输距离远等特点，可应用于需要精确可靠的时间信息的场合。该方法包括步骤：S1：上级时间服务器输出时间码信号；S2：将时间码信号转换成在数字数据专线上传送的数据信号；S3：数据信号在数字数据专线上传输；S4：将经过传输的数据信号重新转换成时间码信号，并由下级时间服务器接收；S5：处理所述下级时间服务器接收到的时间码信号，输出各种类型时间信号。上级时间服务器不与IP网连接，仅仅单向的输出时间码信号，消除了上级时间服务器的安全隐患，而且没有传输距离的限制。通过锁相以及时延补偿处理，在下级服务器实现微秒或纳秒级的精度的时间输出，提高了传递时间精度。

Description

一种时间传递的方法

技术领域

本发明涉及时间传递的方法，更具体地说，涉及一种在局间或局内进行高精度的时间传递的方法。

背景技术

精确、可靠的时间在卫星、通信和航天等领域有着广泛的应用，对于某些应用来说，万分之一秒的误差也会造成严重影响，如CDMA移动电话系统要求基站设备间的绝对时差＜10us。用于通信网络的计费系统，可减小计费信息的错误，提供不同运营商的网间结算的依据。时间同步最终的时间源是全球卫星定位系统(如GPS)。从时间源(如全球卫星定位系统)获得标准时间后，需要将时间信息通过局间/局内时间分配链路发送到各种需要时间同步的设备上。目前常用的时间信号格式主要有两种：时间码和网络时间协议(NetworkTime Protocol，NTP)。而时间码有靶场时间组B型格式(IRIG-B)、直流水平变化(DCLS)、串行口ASCII字符串等。其中IRIG-B采用1KHz的正弦波作为载频进行幅度调制，对最近的1秒进行编码。IRIG-B的帧内包括的内容有：天、时、分、秒及控制信息等。传输介质可用双绞线(1.2km)和同轴电缆。DCLS是IRIG调制码的包络。

NTP用来在网络中提供可靠时间的标准互联网(Internet)协议，基于用户数据报协议(UDP)报文，使用123端口。NTP是目前比较成熟的方式，只要有一个完善的数据通信(DCN)网(如IP网)，设备或下级服务器到上级服务器的网络可达，就能实现时间信息的传递，实现NTP时间同步。

如图1所示，是NTP传递时间的示意图。一级NTP服务器11直接与全球导航卫星系统(GPS或GLONASS)等无线接收机或铯钟(铯原子钟)相连。二级时间服务器12通过DCN网络(IP网络)和NTP协议从一级时间服务器11获取时间信息；相对应的，业务设备13等下一级设备从所述二级时间服务器12获取时间信息。一台运行NTP软件的机器会自动选择层级数最低(高级别)的时间服务器作为它的时间源。此方案的组网方式简单，但是存在以下缺点：1、由于时间信息是在IP网中传递，使得NTP服务器的安全性不高、不易隔离网络，时间服务器容易受到攻击；2、由于IP网的路由不固定，使得时延就不固定，在IP网的范围较大时，往往会影响时间的精度；3、NTP传递时间的时间精度较低，不能满足更高精度的需求，通常一般广域网的NTP的精度为100ms-1000ms，网城域网的NTP的精度为10ms-100ms，局域网的NTP的精度为1ms-10ms。4、此组网方式下，二级时间服务器无法提供高精度的DCLS、IRIG-B和1PPS格式的信号。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述采用NTP方式传递时间的缺陷，提供一种时间服务器相互隔离、安全性高的时间传递方法。本发明进一步提供一种时间精度不受网络的大小影响、可提供各种高精度的时间信号的时间传递方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种时间传递的方法，包括以下步骤：

S1：上级时间服务器输出时间码信号；

S2：将所述时间码信号转换成在数字数据专线上传送的数据信号；

S3：所述数据信号在所述数字数据专线上传输；

S4：将经过传输的所述数据信号重新转换成时间码信号，并由下级时间服务器接收；

S5：处理所述下级时间服务器接收到的时间码信号，输出各种类型的时间信号。

在本发明所述的时间传递的方法中，在所述步骤S5中，对数据信号的处理包括以下步骤：

S5-1：对接收到的时间码信号进行解码处理；

S5-2：对解码后的时间码信号进行时间码处理；

S5-3：对解码后的时间码信号进行锁相处理；

S5-4：对解码后的时间码信号进行时延补偿；

S5-5：将经过步骤S5-1，并经过S5-2至S5-4择一处理后的时间码信号进行编码处理，输出各种类型的时间信号。

在本发明所述的时间传递的方法中，在步骤S1中，所述上级时间服务器输出的时间码信号为输出直流水平变化信号；

在步骤S2中，将所述输出直流水平变化信号转换成E1信号，所述的数字数据专线为DDN专线或SDH传输网络；

在步骤S4中，将经传输的E1信号转换成输入直流水平变化信号。

在本发明所述的时间传递的方法中，在所述步骤S5-1中，接收到的时间码信号为输入直流水平变化信号，对所述接收到的时间码信号进行解码包括以下步骤：S5-1-1：利用GPS接收机或其他UTC时间授时设备测量出时延值tx，并将其保存，并采用计数脉冲进行计数，得出时延计数值X；

S5-1-2：通过逻辑器件解码，每秒得到时间信息Rcode和准时点信号1PPS_IN；

S5-1-3：所述输入直流水平变化信号和准时点信号1PPS_IN具有固定的偏差ty，采用计数脉冲进行计数，得到时延计数值Y。

在本发明所述的时间传递的方法中，在步骤S5-2中，所述进行时间码处理包括对接收到的时间信息Rcode进行加秒和闰秒处理，获得当前秒的时间信息Tcode。

在本发明所述的时间传递的方法中，在所述步骤S5-3中，所述进行锁相处理为以1PPS_IN信号为参考时钟，在包括直接数字合成、鉴相器、低通滤波器和振荡器的锁相模块中进行锁相处理，输出的高频信号CLK_H。

在本发明所述的时间传递的方法中，在所述步骤S5-4中，所述时延补偿包括以下步骤：S5-4-1：通过分频器将所述高频信号CLK_H分频出1PPS_D信号；

S5-4-2：通过鉴相器测量出所述1PPS_IN信号和所述1PPS_D信号的相位差tz，并通过计数脉冲进行计数，得到相位计数值Z；

S5-4-3：采用20MHz的计数脉冲在获得的1PPS_D信号的上升沿开始计数，当计数器中的值V＝(1-tx-ty-tz)*10⁹/50ns时，产生1PPS输出信号的上升沿。

在本发明所述的时间传递的方法中，在所述步骤S5-5中，所述的编码处理为获得绝对时间的1PPS输出信号和当前的时间信息Tcode，在由逻辑芯片组成的编码模块中使用锁相后的高频信号CLK_H进行编码处理，生成高精度的DCLS或IRIG_B编码格式的时间信号.

实施本发明的时间传递的方法，具有以下有益效果：上级时间服务器输出的时间码信号转换成数据信号在数字数据专线上传输，不与IP网连接，仅仅单向的输出时间码信号，消除了上级时间服务器的安全隐患，而且没有传输距离的限制。另外，对解码后的时间码信号进行锁相处理，对输入的信号进行消抖和平滑处理，大大提高了时间服务器的守时能力和输出时间的精度；同时利用高频脉冲进行时间补偿，有效地消除了传输网络的传输时延，使得传输的时间的精度不受网络的影响。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是现有的NTP方式的组网示意图；

图2是本发明时间传递的方法的组网示意图；

图3是本发明时间传递方法的下级服务器接收处理时间信号的逻辑框图；

图4是本发明时间传递方法的各阶段的时间码信号的相位示意图；

图5是本发明时间传递方法的锁相模块的逻辑框图；

图6是本发明时间传递方法的延时补偿模块的逻辑框图。

具体实施方式

本发明时间传递的方法首先由上级时间服务器21输出时间码信号。上级时间服务器21通过GPS或GLONASS或铯钟获取绝对时间，并单向的输出时间码信号。在本实施例中，时间码信号为DCLS时间码信号，其包含秒脉冲和年日时分秒信息，下级时间服务器25或设备接收到这个信号，即可准确校准自身的时间信息。

然后，将所述时间码信号转换成在数字数据专线上传送的数据信号，并将所述数据信号在所述数字数据专线上传输；再将经过传输的所述数据信号重新转换成时间码信号，并由下级时间服务器25接收。在本实施例中，上级时间服务器21输出DCLS1_OUT信号，通过E1转换器22转换成E1信号，然后在数字数据网(digital data network，DDN)数据专线或同步数字系列(synchronousdigital hierarchy，SDH)传输网络23上进行传送，传送后的E1信号再次通过E1转换器24转换成DCLS2_IN信号，并由下级时间服务器25接收。DCLS信号是1kbps数据信号，可以用数据专线或SDH传送，传输距离没有限制，所以可以采用DCLS组建基于树型结构的主从时间同步网，如图2所示。DCLS可以在局间传送时间时，通过64kbit/s的DDN专线进行传输，无传输距离限制。因而，上级时间服务器不连接DCN网，仅仅单向输出DCLS物理信号，消除了一级时间服务器的安全隐患。

最后，处理所述下级时间服务器25接收到的时间码信号，输出各种类型的时间信号到业务设备26中.由于时间码信号经过了转换设备(E1转换器)、传输设备(DDN、SDH传输网络)，所以传输到下级时间服务器25的DCLS2_IN信号具有一定的时延，信号上也有一定的抖动和飘动；下级时间服务器25接收到DCLS信号后，需要进行消除抖动和时延补偿处理，这样就可输出达微妙或纳秒级高精度的DCLS、IRIG-B、1PPS时间码信号.NTP信号的精度也可达毫秒或100微秒级，能保持和上级服务器相同的精度.

下级服务器25的处理过程如图3所示，处理过程包括：对接收到的时间码信息进行解码处理31、对解码后的时间码信号进行时间码处理32、对解码后的时间码信号进行锁相处理33、对解码后的时间码信号进行时延补偿处理34、以及对经过上述步骤处理的时间码信息进行编码处理35，以得到需要格式的时间码。

在解码处理31中，下级时间服务器25接收到的DCLS1_IN信号与上级时间服务器21输出的DCLS1_OUT信号(和绝对时间(Coordinated UniversalTime，UTC)的误差较少)之间，由于经过传输，而具有一定的固定时延。该DCLS1_IN信号与绝对时间UTC之间具有tx(tx＜1)秒的偏差，如图4所示。可以采用计数脉冲进行计数得到时延数值，例如采用20MHz的计数脉冲进行计数，得到的时延计数值X＝(tx*10⁹)/50。在实际应用的时，下级时间服务器25由于无法获取绝对时间UTC，所以在开始使用前利用GPS接收机或其他UTC时间授时设备测量出时延值tx，计算出延时计数值X，并将其保存。

下级时间服务器25对接收到的DCLS2_IN信号进行解码处理，解码的过程在逻辑器件(EPLD或FPGA)中进行，采用高频时钟进行计数的方式解码；对时间码的帧起始的标识位进行解码，可获得准时点信号1PPS_IN；对帧起始的标识位后面的时间码进行解码，可获得每秒时间信息Rcode。提取的准时点信号1PPS_IN和输入的DCLS2_IN信号的相位关系如图4所示，两者具有固定的偏差ty＝8ms。采用20MHz计数脉冲进行计数，此时的时延计数值Y＝(0.008)*10⁹/50＝160000。

将接收到的时间信息Rcode送到时间码处理模块进行加秒(每次只能获取上一秒的时间信息，所以当前的时间需要加秒处理)和闰秒(由于原子时与天文时的不一致，每隔一定的时间，需对UTC时间进行调整，插入或删除1秒)等时间码处理32，获得当前秒的时间信息Tcode。

由于输入的信号经过传输带来较大的抖动和漂移，所以提取的1PPS_IN信号也具有较大的抖动和漂移，不能使用此信号作为时延补偿的源信号。需要将其送到锁相模块进行锁相和平滑等锁相处理33。锁相模块由直接数字合成(DDS)51、鉴相器(PD)52、低通滤波器(LF)53和振荡器54(铷钟或恒温晶振)等组成，ref参考时钟为1PPS_IN，out是锁相输出的时钟信号Clk_H，如图5所示。其中，信号Clk_H一般为高频信号，如20MHz高频信号。锁相原理：对输入参考时钟1PPS_IN和输出时钟Clk_H进行鉴相处理，获取输入和输出的相位偏差；根据此相位偏差调整DDS 51的值(DDS的振荡源来自振荡器54)，使得输出时钟和输入时钟的相对相位保持稳定；这样就达到锁相的目的。通过锁相模块的锁相处理33将输入的外基准源存在的相位漂动、抖动进行滤除：并且在当丢失REF参考源时，输出的信号可维持优良输出的能力；从而使得输出的高频信号out(CLK_H)具有抖动、漂移小，频率准确度高等特点。

然后在延时补偿模块60中进行时延补偿处理34。所述延时补偿模块包括分频器61、鉴相器62以及补偿器63。将锁相后的输出的信号高频信号Clk_H通过分频器61将其分频到1Hz的1PPS_D，如图6所示。通过鉴相器62可以测量出1PPS_IN和1PPS_D的相位差tz秒(tz＜1)，如图4所示。采用20MHz计数脉冲进行计数，两者的相位计数值Z＝(tz)*10⁹/50.由于时间码流每次到达二级时间服务器的时刻不尽相同，所以提取的1PPS的相位变化较大，但是它总是在某一时刻的左右振荡；所以Z值是由软件读取每次的鉴相值后经过多次平均后所得的值.

在获得X、Y和Z的值(tx、ty和tz)后，在补偿器63种进行补偿。选用计数脉冲为Clk_H(例如20MHz)，在锁相分频获得的1PPS_D信号的上升沿开始计数。当计数器中的值V＝(1-tx-ty-tz)×10⁹ns/50ns时，产生1PPS_OUT信号的上升沿，如图4所示。这样1PPS_OUT就和UTC(GPS或GLONASS或铯钟输出的绝对时间)信号对齐，由于计数和编码的脉冲的是20MHz的频率的时钟，所以时延补偿的分辨率为1/20MHz＝50ns的精度。当然，只要计数和编码的脉冲频率越高，其时延补偿的精度就越高。由于路径的延迟固定，二级时间服务器接收到DCLS时间信号后，可以实现有效的补偿，二级服务器的精度可达微秒级或更高纳秒级的精度。

在获得绝对时间的1PPS_OUT和当前的时间码Tcode后，就可以进行编码处理。编码模块也可在逻辑芯片(EPLD或FPGA)中实现：利用锁相后的高频时钟Clk_H，在1PPS_OUT的上升沿产生时间码的帧起始标识位，然后对照时间码的标准格式，编码产生时间码。由于1PPS_OUT和UTC的时间偏差很小，同时使用锁相后的高频时钟Clk_H，编码生成DCLS、IRIG_B信号等时间信号的精度就很高，可达微秒级或纳秒级的精度。如果需要输出1PPS信号，直接使用1PPS_OUT输出即可，其精度可达纳秒级。如果需要输出NTP的时间信息，可以采用1PPS_OUT和当前的时间码Tcode作为时间源，通过NTP的算法形成NTP的时间信息，再通过DCN网络进行传输。输出的NTP时间信息的精度可达毫秒或100微秒级，这样下级时间服务器就能输出和上级时间服务器相同的精度的NTP时间信息。

本发明采用DCLS时间码作为时间传递信号，采用SDH/DDN进行传输，通过锁相平滑处理以及时延补偿处理，在下级时间服务器中实现微秒或纳秒级的精度的时间输出；较现有的NTP传递方法消除了网络不安全问题和大大提高传递时间精度。随着通信网中各种业务对时间同步提出的新要求，这种时间传递的方法能更好的满足通信网中计费、网络管理系统、七号信令网、网络安全认证以及今后可能存在的一些移动新业务(如CDMA、VOIP、位置定位等)对时间同步不同要求。

Claims (8)

1.一种时间传递的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：上级时间服务器输出时间码信号；

S2：将所述时间码信号转换成在数字数据专线上传送的数据信号；

S3：所述数据信号在所述数字数据专线上传输；

S4：将经过传输的所述数据信号重新转换成时间码信号，并由下级时间服务器接收；

S5：处理所述下级时间服务器接收到的时间码信号，输出各种类型的时间信号。

2.根据权利要求1所述的时间传递的方法，其特征在于，在所述步骤S5中，对时间码信号的处理包括以下步骤：

S5-1：对接收到的时间码信号进行解码处理；

S5-2：对解码后的时间码信号进行时间码处理；

S5-3：对解码后的时间码信号进行锁相处理；

S5-4：对解码后的时间码信号进行时延补偿；

S5-5：将经过步骤S5-2至S5-4处理后的时间码信号进行编码处理，输出各种类型的时间信号。

3.根据权利要求2所述的时间传递的方法，其特征在于，在步骤S1中，所述上级时间服务器输出的时间码信号为输出直流水平变化信号；

在步骤S2中，将所述输出直流水平变化信号转换成E1信号，所述的数字数据专线为DDN专线或SDH传输网络；

在步骤S4中，将经传输的E1信号转换成输入直流水平变化信号。

4.根据权利要求3所述的时间传递的方法，其特征在于，在所述步骤S5-1中，接收到的时间码信号为输入直流水平变化信号，对所述接收到的时间码信号进行解码包括以下步骤：S5-1-1：利用GPS接收机或其他UTC时间授时设备测量出时延值tx，并将其保存，并采用计数脉冲进行计数，得出时延计数值X；

S5-1-2：通过逻辑器件解码，每秒得到时间信息Rcode和准时点信号1PPS_IN；

S5-1-3：所述输入直流水平变化信号和准时点信号1PPS_IN具有固定的偏差ty，采用计数脉冲进行计数，得到时延计数值Y。

5.根据权利要求4所述的时间传递的方法，其特征在于，在步骤S5-2中，所述进行时间码处理包括对接收到的时间信息Rcode进行加秒和闰秒处理，获得当前秒的时间信息Tcode。

6.根据权利要求4所述的时间传递的方法，其特征在于，在所述步骤S5-3中，所述进行锁相处理为以1PPS_IN信号为参考时钟，在包括直接数字合成、鉴相器、低通滤波器和振荡器的锁相模块中进行锁相处理，输出的高频信号CLK_H。

7.根据权利要求6所述的时间传递的方法，其特征在于，在所述步骤S5-4中，所述时延补偿包括以下步骤：S5-4-1：通过分频器将所述高频信号CLK_H分频出1PPS_D信号；

S5-4-2：通过鉴相器测量出所述1PPS_IN信号和所述1PPS_D信号的相位差tz，并通过计数脉冲进行计数，得到相位计数值Z；

S5-4-3：采用20MHz的计数脉冲在获得的1PPS_D信号的上升沿开始计数，当计数器中的值V＝(1-tx-ty-tz)*10⁹/50ns时，产生1PPS输出信号的上升沿。

8.根据权利要求7所述的时间传递的方法，其特征在于，在所述步骤S5-5中，所述的编码处理为获得绝对时间的1PPS输出信号和当前的时间信息Tcode，在由逻辑芯片组成的编码模块中使用锁相后的高频信号CLK_H进行编码处理，生成高精度的DCLS或IRIG_B编码格式的时间信号.

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