CN220754837U - 一种基于精密时钟协议的授时装置和通信系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及授时技术领域，具体公开了一种基于精密时钟协议的授时装置和通信系统。基于精密时钟协议的授时装置包括：卫星接收模块，连接至少一根室外天线，以通过至少一根室外天线获取多颗卫星的卫星信号，并根据卫星信号获取时钟信号；精密时钟协议转换模块，连接卫星接收模块，用于将时钟信号转换为精密时钟协议报文；光纤输出模块，包括多个信号输出端，连接精密时钟协议转换模块，用于将精密时钟协议报文转换为光信号后通过多个信号输出端输出。本实用新型能够有效提升时间同步的准确性，并降低同步成本。

Description

一种基于精密时钟协议的授时装置和通信系统

技术领域

本实用新型涉及授时技术领域，尤其涉及一种基于精密时钟协议的授时装置和通信系统。

背景技术

在现代的通信网络中，精确的时间同步对于各种应用非常重要，包括数据传输、语音通信、视频流媒体等。运营商需要确保网络中的设备都能够准确地同步时间，以保证各种应用的正常运行。

基于NTP(Network Time Protocol，网络时间协议)的时间同步方法依赖于网络的可用性和稳定性来提供时间同步。在网络延迟较大或不稳定的情况下，NTP协议可能无法提供足够精确的时间同步。网络延迟可能导致时间同步的误差增加，特别是在分布式系统或跨地理位置的网络中。

一些组织和服务提供商提供基于原子钟的时间同步服务。原子钟具有非常高的稳定性和准确性，可以提供高精度的时间信号。然而原子钟是高精度的时间参考设备，其制造和维护成本非常高昂。

实用新型内容

基于此，有必要针对上述问题，提出了一种基于精密时钟协议的授时装置和通信系统，能够有效提升时间同步的准确性，并降低同步成本。

本实用新型实施例所提供的基于精密时钟协议的授时装置，包括：卫星接收模块，连接至少一根室外天线，以通过所述至少一根室外天线获取多颗卫星的卫星信号，并根据所述卫星信号获取时钟信号；精密时钟协议转换模块，连接所述卫星接收模块，用于将所述时钟信号转换为精密时钟协议报文；光纤输出模块，包括多个信号输出端，连接所述精密时钟协议转换模块，用于将所述精密时钟协议报文转换为光信号后通过所述多个信号输出端输出。

可选的，所述卫星接收模块包括：

合路电路，包括多个接收端口，每个接收端口用于连接一根所述室外天线，用于将多根所述室外天线接收到的所述卫星信号合为一路合路信号；

授时模块，连接所述合路电路，用于根据所述合路信号获取所述时钟信号。

可选的，所述合路电路包括：

第一电容的一端和第二电容的一端串联连接；

第一电阻的一端和第二电阻的一端串联连接，所述第一电阻的另一端连接所述第一电容的另一端，所述第二电阻的另一端连接所述第二电容的另一端；

第三电容，一端连接在所述第一电容和所述第二电容之间，另一端连接在所述第一电阻和所述第二电阻之间；

第三电阻，一端连接所述第一电容的另一端，另一端连接在所述第二电容的另一端；

其中，所述第三电容与所述第一电阻和所述第二电阻的连接点作为所述合路电路的合路输出端；

所述第三电阻和所述第一电容的连接点作为所述合路电路的一个合路输入端，连接一根所述室外天线，所述第三电阻和所述第二电容的连接点作为所述合路电路的另一个合路输入端，连接另一根所述室外天线。

可选的，所述授时模块包括：

串行通信端口，连接所述精密时钟协议转换模块，用于传输定位时间辅助信息，所述定位时间辅助信息包括所述时钟信号。

可选的，所述基于精密时钟协议的授时装置还包括：

晶体振荡器，连接所述精密时钟协议转换模块，用于向所述精密时钟协议转换模块提供参考时钟信号。

可选的，所述精密时钟协议转换模块包括：

信号处理电路，包括相互连接的放大器和滤波器，用于对所述时钟信号进行放大操作和滤波操作。

可选的，所述精密时钟协议转换模块包括：

时钟选择电路，连接所述信号处理电路，用于从所述参考时钟信号和所述时钟信号中选择一个转换为所述精密时钟协议报文。

可选的，所述基于精密时钟协议的授时装置还包括：

检测电路，包括相互连接的主控芯片和多个指示灯，所述主控芯片连接每个所述信号输出端，所述多个指示灯和所述多个信号输出端一一对应，当所述主控芯片检测到至少一个所述信号输出端处于非正常状态时，驱动对应的所述指示灯处于关闭状态。

可选的，所述多个信号输出端的数量为16个。

本实用新型实施例所提供的通信系统，其特征在于，包括如上所述的基于精密时钟协议的授时装置和多个基带单元，每个所述基带单元连接所述基于精密时钟协议的授时装置的一个信号输出端。

采用本实用新型实施例，具有如下有益效果：

卫星接收模块从卫星信号中获取时钟信号，精密时钟协议转换模块将时钟信号转换为PTP报文，光纤输出模块将PTP报文转换为光信号后通过多个信号输出端输出，由于PTP协议支持通过多个输出端口同时与网络中的设备进行时间同步，因此可以提供更高的时间同步容量和可靠性，由于PTP报文能够支持更高的时间精度，且PTP协议具有更好的抗干扰能力，因此能够确保时间同步的准确性和可靠性，此外整个装置采用常见的模块和原件构造，造价低，降低时间同步成本。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

其中：

图1是本实用新型提供的基于精密时钟协议的授时装置的第一实施例的结构示意图；

图2是本实用新型提供的基于精密时钟协议的授时装置的第二实施例的结构示意图；

图3是本实用新型提供的合路电路的一实施例电路原理示意图；

图4是本实用新型提供的多个合路器连接的结构示意图；

图5是本实用新型提供的检测电路的电路原理示意图；

图6是本实用新型提供的通信系统的一实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请结合参阅图1，图1是本实用新型提供的基于精密时钟协议的授时装置的第一实施例的结构示意图。基于精密时钟协议的授时装置10包括：卫星接收模块11、精密时钟协议转换模块12和光纤输出模块13。

卫星接收模块11连接至少一根室外天线20，以通过至少一根室外天线20获取多颗(例如4-8颗)卫星的卫星信号，根据卫星信号获取时钟信号。在本实施场景中，初次获取卫星信号时，需要获取至少4可卫星的卫星信号。卫星接收模块11获取到卫星信号后，可以获取到卫星信号中包括的时钟信号。

卫星接收模块11可以包括GNSS接收器，用于接收室外天线传来的卫星信号。GNSS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统)接收器可以支持多个卫星系统，如GPS、GLONASS、Galileo、北斗等，以提供更多的卫星选择和增强定位精度。

卫星接收模块11还可以包括与GNSS接收器连接的处理器，对接收到的卫星信号进行解码、处理和计算。它可以是微处理器、数字信号处理器(DSP)或专用的授时芯片。

精密时钟协议转换模块12连接卫星接收模块11，用于将时钟信号转换为精密时钟协议报文。将授时模块的时钟信号转换为PTP协议报文是一种有效的技术方案，特别是在需要精确时间同步和时钟校准的应用中。PTP(Precision TimeProtocol，精密时钟协议)是一种用于实时时钟同步的协议，广泛应用于工业自动化、通信网络、金融交易等领域。PTP协议提供了高精度的时间同步能力，通常可以实现微秒级或纳秒级的时间精度。这对于需要精确时间戳的应用非常关键，如数据采集、分布式系统、多节点协同等场景。PTP协议基于网络通信，可以在广域网或局域网中实现时间同步。它能够适应不同网络拓扑和传输介质，如以太网、光纤网络等。PTP协议是由IEEE 1588标准定义的，具有广泛的行业认可和应用。使用PTP协议可以确保不同厂商的设备之间的互操作性，并简化系统集成和部署。

光纤输出模块13包括多个信号输出端131，连接精密时钟协议转换模块12，用于将精密时钟协议报文转换为光信号后通过多个信号输出端131输出。在一个实施场景中，信号输出端131为16个。

具体的是，光纤输出模块13包括光电转换器，其用于将电信号转换为光信号。它接收来自精密时钟协议转换模块12的电信号，并将其转换为光信号。光电转换器可以是激光二极管，激光二极管具有高效率和较小的尺寸，适用于光纤通信和光纤传感等应用。光电转换器还可以是雪崩光电二极管、发光二极管、PIN光电二极管中的任意一个。

光纤输出模块13还包括光分路器，用于将光信号分为多路。光分路器通常采用光纤耦合技术或波导技术实现。基于光纤耦合的光分路器使用光纤作为输入和输出通路，并通过光纤之间的耦合来实现光信号的分路。基于波导的光分路器则利用光在波导中的传输特性，将光信号按照一定的分配比例分配到不同的波导通路上。

光分路器可以实现不同的分路比例，例如均等分路、不均等分路或特定的分路比例。在光纤输出模块13中，光分路器可以用于将光信号分为多个输出通路，以便将光信号传输到多个信号输出端131。这样可以实现将同一个光信号同时输出到多个目标设备或系统的功能。

通过上述描述可知，在本实施例中，卫星接收模块从卫星信号中获取时钟信号，精密时钟协议转换模块将时钟信号转换为PTP报文，光纤输出模块将PTP报文转换为光信号后通过多个信号输出端输出，PTP报文能够支持更高的时间精度，PTP协议支持通过多个输出端口同时与网络中的设备进行时间同步，从而提供更高的时间同步容量和可靠性，PTP协议具有更好的抗干扰能力，能够确保时间同步的准确性和可靠性，且整个装置造价低，降低时间同步成本。此外，基于精密时钟协议的授时装置还具有灵活的管理和配置功能，可以通过网络管理系统进行集中管理和监控。运营商可以方便地配置和管理设备，确保网络中的所有设备都能够准确地同步时间。

请结合参阅图2，图2是本实用新型提供的基于精密时钟协议的授时装置的第二实施例的结构示意图。在一个实施场景中，卫星接收模块11包括相互连接的合路电路111和授时模块112，合路电路111包括多个接收端口1111，每个接收端口1111用于连接一根室外天线20，用于将多根室外天线20接收到的卫星信号合为一路合路信号。具体的说，请结合参阅图3，图3是本实用新型提供的合路电路的一实施例电路原理示意图。合路电路111包括：第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3。

第一电容C1和第二电容C2串联连接，第一电阻R1和第二电阻R2串联连接，第一电阻R1不与第二电阻R2连接的一端连接第一电容C1远离第二电容C2的一端，第二电阻R2不与第一电阻R1连接的一端连接第二电容C2远离第一电容C1的一端；第三电容C3一端连接在第一电容C1和第二电容C2之间，另一端连接在第一电阻R1和第二电阻R2之间；第三电阻R3一端连接第一电容C1远离第二电容C2的一端，另一端连接在第二电容C2远离第一电容C1的一端。

其中，第二电容C2与第一电阻R1和第二电阻R2的连接点A2作为合路电路111的合路输出端121；第三电阻R3和第一电容C1的连接点B3作为合路电路111的一个合路输入端122，连接一根接收天线111，第三电阻R3和第二电容C2的连接点B4作为合路电路111的另一个合路输入端122，连接另一根接收天线111。

可以理解的是，在图2所示的场景中，合路电路111只有一个，在其他实施场景中，合路电路111可以有多个，多个合路电路111呈多级分布设置，是一个多层级的多路分支网络。例如，请参阅图4，图4是本实用新型提供的多个合路器连接的结构示意图。

授时模块112对合路信号进行编码和处理，会解析合路信号中的时间信息，包括卫星的时钟信号和导航数据。时钟信号包括两路数据，一个是间隔为1秒的同步脉冲信号1PPS(1 Pulse Per Second，一秒脉冲信号)，二是包括在串口输出信息中的UCT(CoordinatedUniversal Time，协调世界时间)绝对时间(年、月、日、时、分、秒)。导航数据包括卫星位置信息(包括卫星的经度、纬度和高度)。

授时模块112可以对时钟信号进行修正，以提升时钟信号的准确度。具体地说，授时模块112根据卫星信号的传输时间和光速的知识，可以计算出卫星与基于精密时钟协议的授时装置10之间的伪距离。伪距离是指GPS接收模块与卫星之间的距离的近似值。需要注意的是，伪距离测量受到多种误差的影响，如大气延迟、多路径干扰等。为了减小这些误差，授时模块112通常会使用已知的误差模型和校正数据对伪距进行校正。

授时模块112通过测量多颗卫星的伪距离，并利用已知的卫星位置信息，可以使用三角定位或更复杂的解算算法，计算出基于精密时钟协议的授时装置10的经纬度和高度。为了提高定位的准确性，接收模块还可以使用差分定位、滤波算法等技术对定位结果进行误差优化，以减小误差并提高位置解算的精度。

在已经获取了至少4颗卫星的伪距离之后。对于每颗卫星，伪距离表示了信号从卫星到接收模块的传播时间。假设第i颗卫星的伪距离为Pseudorange[i]。可以计算出接收模块的时钟偏差(Clock Offset)与该卫星之间的距离的关系。假设第i颗卫星的时钟偏差为ClockOffset[i]，则有以下关系：

ClockOffset[i]＝Pseudorange[i]-Distance[i]/Speed_of_Light

其中，Distance[i]表示接收模块与第i颗卫星之间的几何距离，Speed_of_Light为光速。

通过多颗卫星的时钟偏差计算平均时钟偏差(Average Clock Offset)。将所有卫星的时钟偏差相加，然后除以卫星数量，即可得到平均时钟偏差Average ClockOffset：

Average Clock Offset＝(ClockOffset[1]+ClockOffset[2]+...+ClockOffset[n])/n

其中，n为参与计算的卫星数量。

最后，平均时钟偏差即为时间修正量(Time Offset)。该时间修正量将用于对时钟信号进行修正。

在一个实施场景中，授时模块112包括串行通信端口1121，用于连接精密时钟协议转换模块12，串行通信口输出NMEA格式的定位时间辅助信息。NMEA(National MarineElectronics Association)是一种常用的文本格式，用于在导航和定位领域传输位置和时间相关的数据。定位时间辅助信息通常包括授时模块112的定位的经纬度和高度和时钟信息等信息。

请继续参阅图2，基于精密时钟协议的授时装置10还包括：晶体振荡器14，晶体振荡器14连接精密时钟协议转换模块12，用于向精密时钟协议转换模块12提供参考时钟信号。精密时钟协议转换模块12在接收到时钟信号后可以基于参考时钟信号监测时钟漂移、时钟抖动的情况。

时钟漂移是指时钟信号的时钟频率相对于参考时钟信号的偏差。精密时钟协议转换模块12可以通过与参考时钟信号进行比较，监测时钟信号的频率变化，并计算时钟漂移。如果时钟漂移超过了设定的阈值，精密时钟协议转换模块12可能会判断该时钟信号不稳定。时钟抖动是指时钟频率的瞬时变化。精密时钟协议转换模块12可以监测时钟信号的抖动情况，并分析其稳定性。如果时钟信号的抖动较大，可能表明该时钟信号不稳定。

在一个实施场景中，精密时钟协议转换模块12包括时钟选择电路121，时钟选择电路121用于判断获取到的时钟信号是否稳定，当出现时钟漂移或时钟抖动的情况时，以参考时钟信号代替原时钟信号转换为精密时钟协议报文。

在一个实施场景中，精密时钟协议转换模块12还包括信号处理电路122，时钟选择电路121连接信号处理电路122，信号处理电路122包括相互连接的放大器和滤波器，用于对时钟信号进行放大操作和滤波操作。放大器用于增加时钟信号的幅度，以提高时钟信号的强度和可靠性。放大器可以通过放大电路或运算放大器来实现。滤波器用于去除时钟信号中的噪声和干扰，以减少对时钟信号的影响。常见的滤波器类型包括低通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。

基于精密时钟协议的授时装置10还包括检测电路15。请结合参阅图5，图5是本实用新型提供的检测电路的电路原理示意图。检测电路15包括相互连接的主控芯片151和多个指示灯152，主控芯片151连接每个信号输出端131，多个指示灯152和多个信号131输出端一一对应，当主控芯片151检测到至少一个信号输出端131处于非正常状态时，驱动对应的指示灯152处于关闭状态。

基于精密时钟协议的授时装置10可以同时为多个设备提供精确的时间同步，从而满足大规模网络中对时间同步的需求。它可以支持多个端口同时进行时间同步，提供更大的时间同步容量。具有冗余设计，可以在一个信号输出端口故障时可切换到其他正常工作的信号输出端口，确保时间同步的连续性和可靠性。这种冗余设计减少了单点故障的风险，提高了系统的可靠性。还可以根据需要进行灵活的配置和扩展。它可以适应不同的网络拓扑结构，包括星型、环形和网状结构，满足不同网络环境下的时间同步需求。此外，通过使用精确的硬件时钟和IEEE1588 PTP协议，能够提供毫微秒级的时间同步精度。它可以满足对时间同步精度要求较高的应用，如金融交易、工业自动化等。

请参阅图6，图6是本实用新型提供的通信系统的一实施例的结构示意图。通信系统30包括如上文中所述的基于精密时钟协议的授时装置10和多个基带单元31，每个所述基带单元31连接所述基于精密时钟协议10的授时装置的一个信号输出端131。

在其他实施场景中，本实用新型提供的精密时钟协议的授时装置还可以用于以下应用场景中：

电信运营商：电信运营商需要确保其网络中的设备(如基站、传输设备、核心网设备等)之间的时间同步，以保证数据传输、语音通信、视频流媒体等服务的正常运行。该时钟设备可以满足电信运营商对高容量、高可靠性和精确时间同步的要求。

金融交易：金融交易领域对时间同步的精确性要求非常高，以确保交易的准确性和一致性。多路输出的PTP时钟设备可以提供毫微秒级的时间同步精度，满足金融交易系统对时间同步的严格要求。

工业自动化：在工业自动化系统中，各种传感器、执行器、控制器等设备之间需要精确的时间同步，以确保系统的协调和同步操作。

电力系统：电力系统中的各个设备(如发电机、变压器、配电设备等)需要精确的时间同步，以实现系统的协调运行和故障检测。可以满足电力系统对时间同步的要求，提高系统的可靠性和运行效率。

交通运输：交通运输系统中的各个设备(如交通信号灯、车辆控制系统、轨道交通系统等)需要精确的时间。

以上所揭露的仅为本实用新型较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种基于精密时钟协议的授时装置，其特征在于，包括：

卫星接收模块，连接至少一根室外天线，以通过所述至少一根室外天线获取多颗卫星的卫星信号，并根据所述卫星信号获取时钟信号；

精密时钟协议转换模块，连接所述卫星接收模块，用于将所述时钟信号转换为精密时钟协议报文；

光纤输出模块，包括多个信号输出端，连接所述精密时钟协议转换模块，用于将所述精密时钟协议报文转换为光信号后通过所述多个信号输出端输出。

2.根据权利要求1所述的基于精密时钟协议的授时装置，其特征在于，所述卫星接收模块包括：

合路电路，包括多个接收端口，每个接收端口用于连接一根所述室外天线，用于将多根所述室外天线接收到的所述卫星信号合为一路合路信号；

授时模块，连接所述合路电路，用于根据所述合路信号获取所述时钟信号。

3.根据权利要求2所述的基于精密时钟协议的授时装置，其特征在于，所述合路电路包括：

第一电容的一端和第二电容的一端串联连接；

第一电阻的一端和第二电阻的一端串联连接，所述第一电阻的另一端连接所述第一电容的另一端，所述第二电阻的另一端连接所述第二电容的另一端；

第三电容，一端连接在所述第一电容和所述第二电容之间，另一端连接在所述第一电阻和所述第二电阻之间；

第三电阻，一端连接所述第一电容的另一端，另一端连接在所述第二电容的另一端；

其中，所述第三电容与所述第一电阻和所述第二电阻的连接点作为所述合路电路的合路输出端；

所述第三电阻和所述第一电容的连接点作为所述合路电路的一个合路输入端，连接一根所述室外天线，所述第三电阻和所述第二电容的连接点作为所述合路电路的另一个合路输入端，连接另一根所述室外天线。

4.根据权利要求2所述的基于精密时钟协议的授时装置，其特征在于，所述授时模块包括：

串行通信端口，连接所述精密时钟协议转换模块，用于传输定位时间辅助信息，所述定位时间辅助信息包括所述时钟信号。

5.根据权利要求1所述的基于精密时钟协议的授时装置，其特征在于，所述基于精密时钟协议的授时装置还包括：

晶体振荡器，连接所述精密时钟协议转换模块，用于向所述精密时钟协议转换模块提供参考时钟信号。

6.根据权利要求5所述的基于精密时钟协议的授时装置，其特征在于，所述精密时钟协议转换模块包括：

信号处理电路，包括相互连接的放大器和滤波器，用于对所述时钟信号进行放大操作和滤波操作。

7.根据权利要求6所述的基于精密时钟协议的授时装置，其特征在于，所述精密时钟协议转换模块包括：

时钟选择电路，连接所述信号处理电路，用于从所述参考时钟信号和所述时钟信号中选择一个转换为所述精密时钟协议报文。

8.根据权利要求1所述的基于精密时钟协议的授时装置，其特征在于，所述基于精密时钟协议的授时装置还包括：

检测电路，包括相互连接的主控芯片和多个指示灯，所述主控芯片连接每个所述信号输出端，所述多个指示灯和所述多个信号输出端一一对应，当所述主控芯片检测到至少一个所述信号输出端处于非正常状态时，驱动对应的所述指示灯处于关闭状态。

9.根据权利要求1所述的基于精密时钟协议的授时装置，其特征在于，所述多个信号输出端的数量为16个。

10.一种通信系统，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的基于精密时钟协议的授时装置和多个基带单元，每个所述基带单元连接所述基于精密时钟协议的授时装置的一个信号输出端。