DE102005017081A1

DE102005017081A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Liefern eines phasensprungarmen Uhrsignals beim Umschalten zwischen zwei Frequenzstandards

Info

Publication number: DE102005017081A1
Application number: DE200510017081
Authority: DE
Inventors: Valentin Dr. Tschernjawski; Fritz Dr. Rollenhagen; Ulrich Grunert; Michael Neidhardt; Bernd Zender; Hans L. Dr. Trautenberg
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; EADS Astrium GmbH
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2005-04-08
Filing date: 2005-04-08
Publication date: 2006-10-12
Anticipated expiration: 2025-04-09
Also published as: DE102005017081B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Liefern eines phasensprungarmen Uhrsignals (2) beim Unschalten zwischen einem Ausgangszustand, in dem das Uhrsignal (2) mittels eines Frequenzstandardsignals (5) eines Frequenzstandards (3) frequenzstabilisiert ist, und einem Umschaltzustand, in dem das Uhrsignal (2) mittels eines weiteren Frequenzstandardsignals (6) eines weiteren Frequenzstandards (4) frequenzstabilisiert ist, umfassend die Schritte: Bereitstellen des Frequenzstandardsignals (5) und des weiteren Frequenzstandardsignals (6); Ermitteln von Signalparmetern jeweils für das Frequenzstandardsignal (5) und das weitere Frequenzstandardsignal (6); Erzeugen eines regelbaren Uhrsignals (13); Regeln des regelbaren Uhrsignals (13) anhand der ermittelten Signalparameter; wobei das Uhrsignal (2) aus dem regelbaren Uhrsignal (13) abgeleitet wird und das Regeln des regelbaren Uhrsignals (13) anhand der ermittelten Signalparameter so erfolgt, dass die Frequenz des regelbaren Uhrsignals (13) im Ausgangszustand an die Frequenz des Frequenzstandardsignals (5) oder alternativ im Umschaltzustand an die Frequenz des weiteren Frequenzstandardsignals (6) jeweils in gleicher Weise angekoppelt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Liefern eines phasensprungarmen Uhrsignals beim Umschalten zwischen einem Ausgangszustand, in dem das Uhrsignal mittels eines Frequenzstandardsignals eines Frequenzstandards frequenzstabilisiert ist, und einem Umschaltzustand, in dem das Uhrsignal mittels eines weiteren Frequenzstandardsignals eines weiteren Frequenzstandards frequenzstabilisiert ist.

In Bereichen, in denen sehr genaue Zeitangaben notwendig sind oder hoch präzise Zeitmessungen durchgeführt werden, werden Uhrsignale verwendet, die an einen Frequenzstandard angekoppelt sind. Sehr genaue Zeitmessungen werden z. B. bei der Satellitennavigation benötigt. Als Frequenzstandards sind heute Atomuhren gebräuchlich. Das Uhrsignal eines Navigationssatelliten ist an einen Frequenzstandard frequenz- und phasenstabilisiert angekoppelt. Bei einem Ausfall des Frequenzstandards muss ein weiterer Frequenzstandard genutzt werden, um das Uhrsignal zu stabilisieren. Die heute gebräuchlichen Satelliten des GPS-Navigationssystems verfügen zwar über mehrere Frequenzstandards, von diesen ist jedoch immer nur ein Frequenzstandard aktiv. Daher ist bei einem Wechsel auf einen anderen Frequenzstandard eine erneute genaue Vermessung des Uhrsignals erforderlich, bevor dieses für die Satellitennavigation erneut verwendet werden kann. Eine solche Vermessung dauert heutzutage bis zu 7 Tage. In dieser Zeit fällt der betroffene Satellit als Navigationssatellit in dem Satellitennavigationssystem aus. Es besteht daher grundsätzlich das Bedürfnis, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, die ein Umschalten von einem Frequenzstandard auf einen anderen Frequenzstandard ermöglichen, ohne dass das zur Satellitennavigation benötigte Uhrsignal hiervon so beeinträchtigt wird, dass es zur Satellitennavigation nicht verwendbar ist.

Als ein erster Schritt ist es daher erforderlich, auf dem Satelliten zwei Frequenzstandards zeitgleich zu betreiben. Ein solcher Betrieb zweier komplementär einsetzbarer Frequenzstandards wird als hot-redundanter Einsatz bezeichnet. Frequenzstandards, die als Atomuhren ausgebildet sind, können zwar sehr präzise vermessen werden, jedoch weichen ihre Frequenzen in der Regel minimal voneinander ab. Diese minimalen Frequenzunterschiede stellen jedoch in der Praxis kein größeres Problem dar, da die Satellitennavigationssysteme immer mit mehreren Navigationssatelliten arbeiten, die alle Frequenzstandards mit leicht unterschiedlichen Frequenzen nutzen. Diese minimalen Frequenzunterschiede werden rechnerisch kompensiert. Die hierzu benötigten Informationen werden in Form von Uhrkorrekturparametern von den Satelliten zur Verfügung gestellt.

Ein grundsätzliches Problem beim Umschalten von einem Frequenzstandard auf einen anderen Frequenzstandard liegt darin, dass die Frequenzstandardsignale beider Frequenzstandards nicht dieselbe Phase aufweisen. Selbst bei Frequenzstandards, die eine identische Frequenz besitzen, ist eine gezielte Inbetriebnahme der Frequenzstandards, die zu einer Identität der Phasen der beiden Frequenzstandardsignale führt, nicht möglich. Daher ist eine einfache Umschaltung von einem Frequenzstandardsignal auf ein anderes Frequenzstandardsignal immer mit einem Phasensprung von bis zu 2π verbunden. Satellitennavigationssysteme wie das GPS-Satellitennavigationssystem können jedoch lediglich Phasensprünge bis zu einer vorgegebenen Toleranzgrenze verarbeiten, ohne dass die Zeitinformation des Uhrsignals verloren geht.

Daher ist es erforderlich, die Vorrichtung zum Erzeugen eines Uhrsignals mit einer regelbaren Uhr auszurüsten, die an die Frequenzstandards angekoppelt werden kann. Unter einer regelbaren Uhr wird nachfolgend auch ein regelbarer Oszillator verstanden, insbesondere ein spannungsgesteuerter Quarzoszillator (VCXO-voltage controlled crystal oscillator).

Aus der US-Patentschrift US 5,673,006 ist ein Frequenzsynthesizer zum Erzeugen eines Uhrsignals bekannt, der ein Frequenzstandardsignal und ein weiteres Frequenzstandardsignal von zwei atomaren Frequenzstandards auswertet und verarbeitet. Mittels eines spannungsgesteuerten Quarzoszillators wird ein Uhrsignal erzeugt. Eine Steuerspannung für den spannungsgesteuerten Quarzoszillator wird von einer Steuereinheit geliefert. Die Steuereinheit umfasst eine Phasenvergleichseinheit, die eine Phasendifferenz der beiden Frequenzstandardsignale ermittelt. Vor einem Ermitteln der Phasendifferenz werden das Frequenzstandardsignal und das weitere Frequenzstandardsignal mittels Frequenzmischung mit dem Uhrsignal des spannungsgesteuerten Quarzoszillators herunter konvertiert. Die Frequenzen der Frequenzstandardsignale betragen etwa 13,4 MHz und die Frequenz des spannungsgesteuerten Quarzoszillators 10,23 MHz. Zusätzlich wird die Phasendifferenz zwischen den herunter konvertierten Frequenzstandardsignalen und dem Signal des spannungsgesteuerten Quarzoszillators ermittelt. Aus den Phasendifferenzen werden ein Frequenzunterschied und eine Phasenverschiebung der beiden Frequenzstandardsignale geschätzt. Anhand der ermittelten Phasendifferenzen wird über eine digitale PLL-Schaltung ein Digital-Analog-Konverter angesteuert, der die Steuerspannung für den spannungsgesteuerten Quarzoszillator erzeugt. Der spannungsgesteuerte Quarzoszillator wird so auf die Frequenz des ersten Frequenzstandards stabilisiert. Fällt der erste Frequenzstandard aus, so wird auf den zweiten Frequenzstandard umgeschaltet. Hierzu werden der geschätzte Frequenzunterschied und die geschätzte Phasenverschiebung der beiden Frequenzstandardsignale verwendet, um die digitale PLL-Schaltung so zu steuern, dass der spannungsgesteuerte Quarzoszillator mit der Frequenz des ausgefallenen Frequenzstandardsignals weiter schwingt, jedoch von dem zweiten Frequenzstandard frequenzstabilisiert wird. Bei der bekannten Lösung ist ein kontinuierlicher Rechenaufwand erforderlich, da der geschätzte Frequenzunterschied und die geschätzte Phasenverschiebung kontinuierlich in die Regelung mit eingerechnet werden müssen. Die Regelung ist daher in ihrer Genauigkeit beschränkt.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Liefern eines phasensprungarmen Uhrsignals beim Umschalten von einem Ausgangszustand, in dem das Uhrsignal mittels eines Frequenzstandardsignals stabilisiert ist, in einen Umschaltzustand, in dem das Uhrsignal mittels eines weiteren Frequenzstandardsignals frequenzstabilisiert ist, zu schaffen, welche eine genaue und einfache Stabilisierung des Uhrsignals mit der Genauigkeit liefern, wie sie insbesondere für Satellitennavigationssysteme erforderlich sind.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass ein Frequenzstandard und ein weiterer Frequenzstandard hot-redundant betrieben werden, die ein Frequenzstandardsignal und ein weiteres Frequenzstandardsignal erzeugen. Für das Frequenzstandardsignal und das weitere Frequenzstandardsignal werden jeweils Signalparameter ermittelt. Die ermittelten Signalparameter des Frequenzstandardsignals werden in einem Ausgangszustand verwendet, um ein regelbares Uhrsignal an die Frequenz des Frequenzstandardsignals zu koppeln. Das regelbare Uhrsignal wird verwendet, um hieraus das Uhrsignal abzuleiten, welches mittels einer analogen Phase-Lock-Loop-Schaltung erzeugt wird und bei einem Umschalten in einen Umschaltzustand nahezu keinen Phasensprung aufweist. In dem Umschaltzustand wird das regelbare Uhrsignal auf die Frequenz des weiteren Frequenzstandardsignals frequenzstabilisiert. Da die Signalparameter des weiteren Frequenzstandardsignals kontinuierlich bestimmt werden, können diese Parameter in die Regelung beim Umschalten sofort übernommen werden. Da das Uhrsignal von dem regelbaren Uhrsignal abgeleitet ist, tritt beim Umschalten kein Phasensprung auf. Da sich jedoch die Frequenz des Frequenzstandardsignals und des weiteren Frequenzstandardsignals minimal unterscheiden, tritt eine Frequenzänderung in dem regelbaren Uhrsignal und somit auch in dem hieraus abgeleiteten Uhrsignal auf, was zu einer minimalen Phasenverschiebung führt. Diese liegt jedoch weit unterhalb der vorgegebenen Toleranzgrenze für Satellitennavigationssysteme.

Insbesondere wird ein Verfahren zum Liefern eines phasensprungarmen Uhrsignals beim Umschalten zwischen einem Ausgangszustand, in dem das Uhrsignal mittels eines Frequenzstandardsignals eines Frequenzstandards frequenzstabilisiert ist, und einem Umschaltzustand, in dem das Uhrsignal mittels eines weiteren Frequenzstandardsignals eines weiteren Frequenzstandards frequenzstabilisiert ist, vorgeschlagen, welches folgende Schritte umfasst: Bereitstellen des Frequenzstandardsignals und des weiteren Frequenzstandardsignals; Ermitteln von Signalparametern jeweils für das Frequenzstandardsignal und das weitere Frequenzstandardsignal; Erzeugen eines regelbaren Uhrsignals; Regeln des regelbaren Uhrsignals anhand der ermittelten Signalparameter; wobei das Uhrsignal aus dem regelbaren Uhrsignal abgeleitet wird und das Regeln des regelbaren Uhrsignals anhand der ermittelten Signalparameter so erfolgt, dass eine Frequenz des regelbaren Uhrsignals im Ausgangszustand an die Frequenz des Frequenzstandardsignals oder alternativ im Umschaltzustand an die Frequenz des weiteren Frequenzstandardsignals jeweils in gleicher Weise angekoppelt ist.

Unter Ankoppeln eines periodischen Signals an ein Frequenzstandardsignal wird im Rahmen der Erfindung eine Stabilisierung des periodischen Signals in der Weise verstanden, dass zwischen der Frequenz des periodischen Signals und der Frequenz des Frequenzstandardsignals ein festes konstantes Verhältnis angestrebt wird bzw. bereits besteht. Dies bedeutet, dass die Frequenz des periodischen Signals nicht notwendigerweise mit der Frequenz des Frequenzstandardsignals übereinstimmen muss. In gleicher Weise bedeutet, das dass Verhältnis der Ankopplung an das Frequenzstandardsignal und an das weitere Frequenzstandardsignal identisch ist, beispielsweise n:1 beträgt.

Das vorgeschlagene Verfahren weist den Vorteil auf, dass das regelbare Uhrsignal jeweils an dasjenige Frequenzstandardsignal in gleicher Weise angekoppelt ist, welches zur Frequenzstabilisierung des Uhrsignals verwendet wird. Hierdurch ist es möglich, eine Phasendifferenz zwischen dem Frequenzstandardsignal und dem regelbaren Uhrsignal zu überwachen und auf einen konstanten Wert zu regeln. Eine Phasendifferenz zwischen zwei periodischen Signalen, die in einem nahezu konstanten Frequenzverhältnis stehen, kann besonders einfach und genau ermittelt werden.

Als besonders vorteilhaft erweist sich eine Weiterbildung des Verfahrens, bei der die Frequenz des regelbaren Uhrsignals beim Regeln so angekoppelt wird, dass die Frequenz des regelbaren Uhrsignals ein n-zahliges Vielfaches der Frequenz des Frequenzstandardsignals oder alternativ des weiteren Frequenzstandardsignals beträgt und das Ableiten des Uhrsignals mittels einer analogen PLL-Schaltung aus dem durch n geteilten regelbaren Uhrsignal erfolgt, wobei n eine ganze Zahl ist. Diese Weiterbildung weist mehrere Vorteile auf. Zum einen wird eine Kurzzeitstabilität des phasensprungarmen Uhrsignals durch die Güte der PLL-Schaltung bestimmt. Zum andern ist die Stabilität langfristig nicht schlechter, als die des Frequenzstandards, an den die regelbare Uhr angekoppelt ist.

Da das Uhrsignal aus dem regelbaren Uhrsignal abgeleitet wird, bleibt die Phase beim Umschalten von dem Ausgangszustand in den Umschaltzustand unverändert. Die Frequenzänderung, die im regelbaren Uhrsignal auftritt, wenn dessen Regelung durch das weitere Frequenzstandardsignal gesteuert wird, führt nur zu einer minimalen Phasenverschiebung im regelbaren Uhrsignal und somit auch im hieraus abgeleiteten Uhrsignal.

Beträgt die Frequenz des regelbaren Uhrsignals ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz des Frequenzstandardsignals, an den das regelbare Uhrsignal angekoppelt ist, so kann das regelbare Uhrsignal besonders vorteilhaft zum Festlegen von Abtastzeitpunkten gewählt werden, zu denen das Frequenzstandardsignal und das weitere Frequenzstandardsignal abgetastet werden. Daher sieht eine besonders vorteilhafte Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass das Ermitteln der Signalparameter mittels eines Abtastens des Frequenzstandardsignals und des weiteren Frequenzstandardsignals mit der Frequenz des regelbaren Uhrsignals erfolgt. Beim Abtasten werden m-Schwingungen des Frequenzstandardsignals bzw. des weiteren Frequenzstandardsignals zu jedem Messzeitpunkt k abgetastet. Die Abtastwerte stellen somit eine digitale Form eines Wellenzugs mit m-Schwingungen dar. Vergleicht man die so ermittelten Wellenzüge aufeinander folgender Messzeitpunkte, so kann man eine Phasenverschiebung, die auch als Phasenfehler oder Phasendifferenz bezeichnet wird, bestimmen. Beträgt die Abtastfrequenz genau ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz des abgetasteten Signals, so weisen die beiden ermittelten Wellenzüge keine Phasenverschiebung, d.h. keinen Phasenfehler auf. Entspricht die Abtastfrequenz, die durch die regelbare Uhr vorgegeben ist, nicht genau einem ganzzahligen Vielfachen, so tritt eine Phasenverschiebung zwischen den Wellenzügen auf. Je größer die Frequenzabweichung ist, desto größer ist die Phasenverschiebung bzw. der Phasenfehler.

Der Phasenfehler eignet sich daher besonders gut als Größe, die zur Regelung herangezogen wird.

Eine besonders schnelle und genaue Regelung des regelbaren Uhrsignals erhält man bei einer Weiterbildung des Verfahrens, bei der das Regeln des regelbaren Uhrsignals in einer Grobregelphase und in einer Feinregelphase in Abhängigkeit von einer Phasendifferenz des Frequenzstandardsignals oder alternativ des weiteren Frequenzstandardsignals erfolgt.

Hierbei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass in der Grobregelphase jede ermittelte Phasendifferenz zur Veränderung eines Regelsignals zur Regelung des regelbaren Uhrsignals verwendet wird und in der Feinregelphase mehrere, vorzugsweise 50, bevorzugter 100, am bevorzugtesten 150, ermittelte Phasendifferenzen summiert werden, bevor das Regelsignal verändert wird.

Hierdurch wird eine angepasste und schnelle Regelung bewirkt. Solange die Phasendifferenz groß genug sind, kann in der Grobregelphase mit jedem Messzyklus das Regelsignal verändert werden, um das Frequenzverhältnis zwischen dem Frequenzstandardsignal bzw. dem weiteren Frequenzstandardsignal und dem regelbaren Uhrsignal einem ganzzahligen Verhältnis anzunähern. Sobald die Phasendifferenz klein gegenüber einem Rauschen wird, ist es erforderlich, dass mehrere Phasendifferenzen summiert werden, bevor das Regelsignal verändert wird. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass die Regelung jeweils an das Signal zu Rauschverhältnis (Phasendifferenz zu Rauschen) angepasst ist. Die Zeitdifferenz zwischen zwei für die Regelung relevanten Messzeitpunkten wird der Größe der Frequenzdifferenz zwischen dem Frequenzstandardsignal bzw. dem weiteren Frequenzstandardsignal und dem regelbaren Uhrsignal angepasst. Die Frequenz des Regelsignals, mit der das regelbare Uhrsignal geregelt wird, ist folglich variabel. Sowohl in der Grobregelphase als auch in der Feinregelphase wird die ermittelte Phasendifferenz unter Berücksichtigung der Zeit zwischen zwei Messzyklen bzw. zwischen zwei Regelzeitpunkten und einer Regelsteilheit zum aktuellen Steuerwert addiert.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung werden die Signalparameter des Frequenzstandardsignals und des weiteren Frequenzstandardsignals überwacht, um einen Ausfall des Frequenzstandards und/oder des weiteren Frequenzstandards zu ermitteln, und bei dem Ausfall die letzten gültigen Signalparameter des Frequenzstandardsignals und des weiteren Frequenzstandardsignals vor dem Ausfall und eine hieraus abgeleitete Frequenzdifferenz abgespeichert. Diese Ausführungsform ermittelt selbstständig den Ausfall des Frequenzstandards und speichert die notwendigen Daten, um eine absolute Zeitmessung mit dem Uhrsignal möglich zu machen, obwohl eine minimale Frequenzänderung beim Umschalten auf den weiteren Frequenzstandard eintritt.

Bei der bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass beim Umschalten von dem Ausgangszustand in den Umschaltzustand die Signalparameter des weiteren Frequenzstandardsignals verwendet werden, um die durch n geteilte Frequenz des regelbaren Uhrsignals an die Frequenz des weiteren Frequenzstandardsignals anzugleichen, und anhand der abgespeicherten letzten gültigen Signalparameter und der Frequenzdifferenz des Frequenzstandardsignals und des weiteren Frequenzstandardsignals ein Korrektursignal für das Uhrsignal erzeugt wird. Bei dieser Ausführungsform wird eine Frequenzanpassung innerhalb kürzester Zeit erreicht. Da der Frequenzunterschied zwischen dem Frequenzstandardsignal und dem weiteren Frequenzstandardsignal minimal ist, ist die erforderliche Frequenzänderung des regelbaren Uhrsignals bei einem Wechsel des Frequenzstandards gleich diesem minimalen Frequenzunterschied bzw. einem ganzzahligen Vielfachen hiervon. Da jedoch die Signalparameter des weiteren Frequenzsignals bereits bestimmt sind, kann die Regelung des regelbaren Uhrsignals beim Umschalten sofort mit diesen Parametern fortgesetzt werden. Durch das Zurverfügungstellen des Korrektursignals ist gewährleistet, dass jederzeit eine vollständige Zeitinformation mittels des Uhrsignals zur Verfügung gestellt wird.

Als Signalparameter, die jeweils das Frequenzstandardsignal bzw. das weitere Frequenzstandardsignal beschreiben, kommen die Amplitude und die Phase oder die Fourierkoeffizienten der Grundschwingung in Betracht. Eine bevorzugte Weiterbildung sieht daher vor, dass das Ermitteln der Signalparameter das Bestimmen der Fourierkoeffizienten der Grundschwingung umfasst.

Um eine besonders genaue Regelung zu erreichen, wird bei einer Weiterbildung der Erfindung in der Feinregelphase die Phasendifferenz und eine Amplitudenabweichung zwischen zwei abgetasteten Wellenzügen des Frequenzstandardsignals im Ausgangszustand oder des weiteren Frequenzstandardsignals im Umschaltzustand mit Hilfe eines Optimalschätzers in Form eines digitalen Costas-Loops bestimmt. Die Verwendung eines Optimalschätzers in Form eines Costas-Loops stellt eine besonders genaue Schätzung der Signalparameter dar.

Um eine schnelle Berechnung der Schätzwerte zu ermöglichen, werden bei einer Fortbildung der Erfindung eine zur Berechnung der Phasendifferenz und der Amplitudenabweichung erforderliche Differenz zwischen dem Frequenzstandardsignal im Ausgangszustand und dem weiteren Frequenzstandardsignal im Umschaltzustand und einem geschätzten Frequenzstandardsignal mittels einer Hardwareschaltung bestimmt. Hierdurch kann Rechenleistung und Rechenzeit eingespart werden, so dass die Regelintervalle gegenüber einer in Software ausgeführten Lösung verringert werden können.

Die Merkmale der Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung weisen die gleichen Vorteile wie die entsprechenden Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens auf.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 einen Graphen, in dem ein Fourierkoeffizient gegen die Zeit aufgetragen ist;
3 einen Graphen, in dem die Phasendifferenzen des Frequenzstandardsignals und des weiteren Frequenzstandardsignals gegen die Zeit aufgetragen sind; und
4 einen Graphen, in dem die Fourierkoeffizienten der Grundschwingungen des Frequenzstandardsignals und des weiteren Frequenzstandardsignals gegen die Zeit auftragen sind.
In 1 ist eine Vorrichtung 1 zum Liefern eines analogen phasensprungarmen Uhrsignals 2 schematisch in Form eines Blockdiagramms dargestellt. Von einem Frequenzstandard 3 und einem weiteren Frequenzstandard 4 werden ein Frequenzstandardsignal 5 und ein weiteres Frequenzstandardsignal 6 bereitgestellt. Der Frequenzstandard 3 und der weitere Frequenzstandard 4 sind vorteilhafterweise als Atomuhren ausgebildet. Das Frequenzstandardsignal 5 und das weitere Frequenzstandardsignal 6 weisen nahezu die gleiche Frequenz F auf. Typische Frequenzen von Atomuhren liegen im Bereich von etwa 10 MHz. Eine Frequenzabweichung Δ des weiteren Frequenzstandardsignals 6 von der Frequenz des Frequenzstandardsignals 5 liegt im Allgemeinen weit unterhalb von 1 Hz.
Das Frequenzstandardsignal 5 und das weitere Frequenzstandardsignal 6 werden jeweils von einer Messeinrichtung 7 bzw. einer weiteren Messeinrichtung 8 vermessen. Die Messeinrichtung 7 und die weitere Messeinrichtung 8 sind identisch aufgebaut. Die Messeinrichtung 7 ist über einen programmierbaren Logikschaltkreis 9, der als Field-Progammable-Gate-Arrrays ausgestaltet ist, mit einer Steuerung 10 verbunden. Die Messeinrichtung 7 umfasst einen Analog-Digital-Konverter 11 und die weitere Messeinrichtung 8 entsprechend einen weiteren Analog-Digital-Konverter 12. Der Analog-Digital-Konverter 11 und der weitere Analog-Digital-Konverter 12 werden verwendet, um zu einem Messzeitpunkt k jeweils m-Schwingungen des Frequenzstandardsignals 5 bzw. des weiteren Frequenzstandardsignals 6 abzutasten und zu digitalisieren. Die Abtastung erfolgt mit einer Frequenz eines regelbaren Uhrsignals 13, das von einer regelbaren Uhr 14 erzeugt wird, die als spannungsgesteuerter Quarzoszillator (VCXO) ausgebildet ist. Der spannungsgesteuerte Quarzoszillator ist so ausgewählt, dass er um ein n-zahliges Vielfaches der Frequenz des Frequenzstandardsignals 5 regelbar ist. Hierbei ist n eine beliebige ganze Zahl. Vorzugsweise ist n größer gleich 6, so dass innerhalb einer Schwingung des Frequenzstandardsignals 5 bzw. des weiteren Frequenzstandardsignals 6 eine ausreichende Anzahl von Abtastungen stattfinden, um Signalparameter für das Frequenzstandardsignal 5 und das weitere Frequenzstandardsignal 6 bestimmen zu können. Die Bestimmung der Signalparameter erfolgt in der Steuerung 10. Insbesondere werden mittels einer Fouriertransformationseinheit (nicht dargestellt) die Fourierkoeffizienten der Grundschwingung des Frequenzstandardsignals 5 und des weiteren Frequenzstandardsignals 6 bestimmt. Hieraus lassen sich jeweils die Amplitude und die Phase der jeweiligen Schwingung bestimmen. Ferner können das Signal und das orthogonale Signal rekonstruiert werden.
Die Steuerung 10 ermittelt für das Frequenzstandardsignal 5 und das weitere Frequenzstandardsignal 6 jeweils eine Phasendifferenz Φ_Standard und Φ_{weiterer
Standard}. die sich jeweils aus der Differenz der Phasen für zwei aufeinander folgende Messzeitpunkte k ergeben. Die Phasendifferenz kann entweder aus den bestimmten Phasen oder durch die Multiplikation des jeweiligen Signals mit seinem orthogonalen Signal ermittelt werden.
In einem Ausgangszustand wird die Phasendifferenz des Frequenzstandardsignals 5 verwendet, um mittels eines Digital-Analog-Konverters 15 ein Spannungssignal zur Regelung des spannungsgesteuerten Quarzoszillators zu erzeugen. Hierzu werden die Phasendifferenzen aufsummiert und über den programmierbaren Logikschaltkreis 9 an den Digital-Analog-Konverter 15 ausgegeben. Die Ansteuerfrequenz des spannungsgesteuerten Quarzoszillators liegt im kHz-Bereich, so dass hoch auflösende Digital-Analog-Konverter verwendet werden können. Das regelbare Uhrsignal 13, das von dem spannungsgesteuerten Quarzoszillator erzeugt wird, ist ein Rechtecksignal, welches im Ausgangszustand die n-fache Frequenz des Frequenzstandardsignals 5 aufweist. In dem programmierbaren Logikschaltkreis 9 wird das regelbare Uhrsignal 13 auf die Frequenz des Frequenzstandardsignals 5 heruntergeteilt. Eine nachfolgende analoge Phase-Lock-Loop-Schaltung 16 (PLL-Schaltung) wandelt dieses Signal in das analoge Uhrsignal 2. Das Uhrsignal 2 ist ein Sinussignal, das im Ausgangszustand auf die Frequenz des Frequenzstandardsignals 5 frequenzstabilisiert ist.
Die Frequenzstabilisierung des Uhrsignals 2 erfolgt über die Regelung des regelbaren Uhrsignals 13, das von dem spannungsgesteuerten Quarzoszillator erzeugt wird. Die Regelung erfolgt in zwei Phasen, einer Grobregelphase und einer Feinregelphase. In der Grobregelphase, nach der Inbetriebnahme der Vorrichtung 1 zum Liefern des phasensprungarmen Uhrsignals 2, ist die Frequenzdifferenz zwischen dem Frequenzstandardsignal 5 des Frequenzstandards 3 und dem regelbaren Uhrsignal 13 der regelbaren Uhr 14 groß. Die zu einem Messzeitpunkt k bestimmten Abtastwerte tasten m-Schwingungen des Frequenzstandardsignals 5 ab. Die n Abtastwerte liefern einen n-dimensionalen Vektor, der in dem programmierbaren Logikschaltkreis 9 gebildet wird. Nach jedem Messzeitpunkt werden die Signalparameter des Frequenzstandardsignals 5 und des weiteren Frequenzstandardsignals 6 ermittelt. Hierzu werden in der Grobregelphase die Fourierkoeffizienten der Grundschwingung anhand folgender Formeln berechnet:
wobei y(v) die Abtastwerte der n-Messdaten zu einem Messzeitpunkt k sind, d.h. v = {1, ..., n}.
Aus den Fourierkoeffizienten zu unterschiedlichen Messzeitpunkten (k – 1, k) ergibt sich für das Frequenzstandardsignal 5 und das weitere Frequenzstandardsignal 6 jeweils eine entsprechende Phasendifferenz ΔΦ_Standard, ΔΦ_{weiterer Standard}, die eine Frequenzdifferenz der Abtastfrequenz (Frequenz des regelbaren Uhrsignals 13) gegenüber der Frequenz des Frequenzstandardsignals 5 bzw. weiteren Frequenzstandardsignals 6 widerspiegelt:
In der Grobregelphase wird die Phasendifferenz Φ_Standard verwendet, um die Frequenz des regelbaren Uhrsignals 13 der Frequenz des Frequenzstandardsignals 5 anzugleichen. Hierzu wird das von dem Digital-Analog-Konverter 15 erzeugte Regelsignal für die regelbare Uhr 14 nach jedem Abtastzeitpunkt verändert. Dies ist möglich, solange die Phasendifferenz ΔΦ_Standard gegenüber einem Rauschen groß genug ist. Während der Grobregelphase wird jeder Wert Φ_Standard(k) zur Regelung durch eine gewichtete Summation zum aktuellen Regelwert ausgenutzt. Die Gewichtung erfolgt gewichtet mit der Zeitdauer zwischen zwei Messzeitpunkten und einer Steilheit einer Regelkennlinie.
Ist die ermittelte Phasendifferenz Φ_Standard im Bereich des Rauschens, so wird zu der Feinregelphase übergegangen. In der Feinregelphase sind die Phasendifferenzen sehr gering und heben sich erst bei einer Summation über viele Messzyklen aus dem Rauschen heraus. Vorteilhafterweise werden die Phasendifferenzen über 50 bis 150 Messzeitpunkte summiert und erst danach unter Berücksichtigung des Regelzeitintervalls und der Regelsteilheit zum aktuellen Regelwert addiert. Die Phasenabweichung Φ_Standard(k) kann in der Feinregelphase nach den Gleichungen 1 bis 3 – mit einem fixierten A(k – 1) = A und B(k – 1) = B und einer Schätzung der A(k) und B(k) bestimmt werden.
Vorteilhafterweise wird jedoch in der Feinregelphase eine Optimalschätzung durchgeführt. Die Struktur eines verwendeten Optimalschätzers ist ein digitaler Costas-Loop. Aus den Fourierkoeffizienten A und B können die Phase Φ₀ und die Amplitude r des abgetasteten Frequenzstandardsignals 5 bestimmt werden. Die Feinregelung mittels des Optimalschätzers in Form eines digitalen Costas-Loops ist unten näher erläutert.
Die Auswertung des weiteren Frequenzstandardsignals 6 erfolgt in der Regel analog zur Grobregelphase mit Schätzalgorithmen, die einer Mittelung mit einer festen Anzahl von Abtastwerten entsprechen. Die n Abtastwerte zu einem Messzeitpunkt bilden einen m-dimensionalen Vektor. Dieser wird von dem programmierbaren Logikschaltkreis 9 von dem weiteren Analog-Digital-Konverter 12 der weiteren Messeinrichtung 8 übernommen. Vor einer Bestimmung der Signalparameter werden die Vektoren aufeinander folgender Messzeitpunkte k, k + 1, ..., addiert.
Für das Frequenzstandardsignal 5 ergeben sich aus den Fourierkoeffizienten A und B die Amplitude r und die Phase Φ₀ anhand folgender Gleichungen:
Anhand dieser Parameter ergeben sich die für die Schätzung notwendigen Vorhersagewerte:
Hiermit ergeben sich folgende Schätzgleichungen:
für die Abweichung von ϕ₀ sowie für die Veränderung der Amplitude r
Hierbei ist KG_ϕ der Kalmangain, v = (1, ..., n) gibt den Index der n Abtastwerte an, die zu einem Messzeitpunkt k abgetastet werden. Die in den beiden Schätzgleichungen auftretende Größe (y(v) – s(v)), d. h. die Differenz zwischen der Amplitude des Frequenzstandardsignals 5 und der zugehörigen Schätzwertamplitude, wird mittels einer Hardwareschaltung in der Messeinrichtung 7 ermittelt. Hierfür verfügt die Messeinrichtung 7 über einen zusätzlichen Digital-Analog-Konverter 17 und ein analoges Filter 18 zum Erzeugen des Schätzsignals s(v). Mittels eines Differenzverstärkers 19 wird die Differenz y(v) – s(v) gebildet und mittels des Analog-Digital-Konverters 11 digitalisiert.
Die weitere Messeinrichtung 8 umfasst einen weiteren zusätzlichen Digital-Analog-Konverter 20, ein weiteres analoges Filter 21 und einen weiteren Differenzverstärker 22, um nach einem Ausfall des Frequenzstandards 3 die Feinregelung mittels des digitalen Costas-Loops übernehmen zu können.
Die Steuerung 10 überwacht die Signalparameter des Frequenzstandardsignals 5. Treten hierbei Abweichungen oberhalb vorfestgelegter Schwellwerte auf, so wird ein Ausfall bzw. Defekt des Frequenzstandards 3 festgestellt. Die Steuerung 10 veranlasst daraufhin, dass auf den weiteren Frequenzstandard 4 bzw. das weitere Frequenzstandardsignal 6 umgeschaltet wird. Dies bedeutet, dass das Uhrsignal 2 ab dem Umschaltzeitpunkt mit Hilfe des weiteren Frequenzstandards 4 bzw. des weiteren Frequenzstandardsignals 6 frequenzstabilisiert wird. Hierzu werden die kontinuierlich bestimmten Signalparameter des weiteren Frequenzstandardsignals 6 in die Feinregelung übernommen. Dies bedeutet, dass das Regelsignal für die regelbare Uhr 14, das mittels des Digital-Analog-Konverters 15 erzeugt wird, anhand der Phasendifferenz Φ_{weiter Standard} des weiteren Frequenzstandardsignals 6 berechnet wird. Innerhalb kürzester Zeit entspricht die Frequenz des regelbaren Uhrsignals 13 der n-fachen der Frequenz des weiteren Frequenzstandards 4. Da das Uhrsignal 2 aus dem regelbaren Uhrsignal 13 abgeleitet ist, tritt kein Phasensprung im Uhrsignal 2 auf. Die im Uhrsignal 2 auftretende Phasenverschiebung ist minimal und entspricht der Frequenzdifferenz zwischen dem Frequenzstandardsignal 5 und dem weiteren Frequenzstandardsignal 6 in dem Ausgangszustand, in dem beide Frequenzstandards intakt waren. In dem Umschaltzustand werden anhand der Signalparameter des Frequenzstandardsignals 5 und des weiteren Frequenzstandardsignals 6, die im Ausgangszustand, als beide Frequenzstandards intakt waren, ermittelt wurden, und der Frequenzdifferenz zwischen dem Frequenzstandardsignal 5 und dem weiteren Frequenzstandardsignal 6 vor dem Umschalten Korrekturparameter erzeugt, die gemeinsam mit dem Uhrsignal 2 verwendet werden können, um eine vollständige Zeitinformation zu erhalten. Ist ein zusätzlicher Frequenzstandard (nicht dargestellt) vorhanden, so kann dieser aktiviert werden, um den ausgefallenen Frequenzstandard 3 zu ersetzen.
Aus 2 kann das präzise Regelverhalten der oben beschriebenen Vorrichtung nachvollzogen werden. Aufgetragen ist der Fourierkoeffizient A der Grundschwingung des Frequenzstandardsignals nach 1 gegen die Zeit. Zu einem Zeitpunkt, der mittels eines Pfeils U₁ markiert ist, wird die Regelung der regelbaren Uhr von dem Frequenzstandardsignal auf das weitere Frequenzstandardsignal umgeschaltet. Da anschließend die Frequenz des Frequenzstandardsignals nicht mehr exakt mit der Frequenz der regelbaren Uhr übereinstimmt, verändert sich der Fourierkoeffizient A(0) der Grundschwingung kontinuierlich. Zu einem nachfolgenden Zeitpunkt, der durch den Pfeil U₂ gekennzeichnet ist, wird die Regelung der regelbaren Uhr erneut von dem Frequenzstandard übernommen. Es ist gut zu erkennen, dass sich anschließend der Fourierkoeffizient A(0) der Grundschwingung nach einem kurzen Einschwingzeitraum nicht mehr verändert und konstant bleibt. Das Frequenzstandardsignal und das regelbare Uhrsignal besitzen ein ganzzahliges Frequenzverhältnis.
In 3 ist der Phasendiffernz Φ_Standard 31 und die Phasendifferenz Φ_{weiterer Standard} 32 in einem Diagramm jeweils gegen die Zeit aufgetragen. Zu einem Zeitpunkt, der mittels eines Pfeils U₃ gekennzeichnet ist, wird die Regelung der regelbaren Uhr vom Frequenzstandardsignal auf das weitere Frequenzstandardsignal umgeschaltet, die im dargestellten Beispiel eine Frequenzdifferenz von 0,016 Hz aufweisen. Es ist gut zu erkennen, dass die Phasendifferenz zwischen dem weiteren Frequenzstandardsignal und dem regelbaren Uhrsignal bereits nach wenigen Millisekunden nicht mehr vom Rauschen zu unterscheiden ist.
In 4 sind die Fourierkoeffizienten des Frequenzstandardsignals 41, 42 und des weiteren Frequenzstandardsignals 43, 44 gegen die Zeit aufgetragen. Das Frequenzstandardsignal weist gegenüber dem weiteren Frequenzstandardsignal eine Frequenzdifferenz von 0,016 Hz und gegenüber dem regelbaren Uhrsignal eine Frequenzdifferenz von 140 HZ auf. Bereits kurz nach der Inbetriebnahme der Vorrichtung sind die Fourierkoeffizienten der Grundschwingung des Frequenzstandardsignals konstant. Dies bedeutet, dass das regelbare Uhrsignal ein n-zahliges Vielfaches der Frequenz des Frequenzstandardsignals beträgt, wobei n eine ganze Zahl ist. Zu einem Umschaltzeitpunkt wird von dem Ausgangszustand in den Umschaltzustand umgeschaltet. Dieser Umschaltzeitpunkt ist mittels eines Pfeils U₄ gekennzeichnet. Ab diesem Zeitpunkt sind die Fourierkoeffizienten 43, 44 der Grundschwingung des weiteren Frequenzstandardsignals konstant, wohingegen sich die Fourierkoeffizienten 41, 42 des Frequenzstandardsignals kontinuierlich verändern, da das regelbare Uhrsignal nicht mehr exakt dem n-fachen der Frequenz des Frequenzstandardsignals entspricht.
Die Erfindung kann in allen Bereichen eingesetzt werden, in denen es erforderlich ist, kontinuierliche Sinussignale von Frequenzstandards, wie beispielsweise Atomuhren, zu verwenden. Diese Erfindung ermöglicht es, dass zwei Atomuhren bzw. zwei Frequenzstandards parallel betrieben werden (hot redundant) und bei Bedarf von einem Frequenzstandard (einer Atomuhr) auf einen anderen Frequenzstandard (eine andere Atomuhr) umgeschaltet werden kann, ohne dass ein Phasensprung des Uhrsignals, welches ebenfalls ein Sinussignal ist, auftritt. Insbesondere kann die Erfindung im Bereich von Satellitennavigationssystemen, wie GPS, GLONASS oder Galileo verwendet werden, um einen Ausfall eines Satelliten beim Umschalten zwischen den Frequenzstandards zu verhindern.

Claims

Verfahren zum Liefern eines phasensprungarmen Uhrsignals (2) beim Umschalten zwischen einem Ausgangszustand, in dem das Uhrsignal (2) mittels eines Frequenzstandardsignals (5) eines Frequenzstandards (3) frequenzstabilisiert ist, und einem Umschaltzustand, in dem das Uhrsignal (2) mittles eines weiteren Frequenzstandardsignals (6) eines weiteren Frequenzstandards (4) frequenzstabilisiert ist, umfassend die Schritte: a. Bereitstellen des Frequenzstandardsignals (5) und des weiteren Frequenzstandardsignals (6); b. Ermitteln von Signalparametern jeweils für das Frequenzstandardsignal (5) und das weitere Frequenzstandardsignal (6); c. Erzeugen eines regelbaren Uhrsignals (13); d. Regeln des regelbaren Uhrsignals (13) anhand der ermittelten Signalparameter; dadurch gekennzeichnet, dass das Uhrsignal (2) aus dem regelbaren Uhrsignal (13) abgeleitet wird und das Regeln des regelbaren Uhrsignals (13) anhand der ermittelten Signalparameter so erfolgt, dass die Frequenz des regelbaren Uhrsignals (13) im Ausgangszustand an die Frequenz des Frequenzstandardsignals (5) oder alternativ im Umschaltzustand an die Frequenz des weiteren Frequenzstandardsignals (6) jeweils in gleicher Weise angekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des regelbaren Uhrsignals (13) beim Regeln so angekoppelt wird, dass die Frequenz des regelbaren Uhrsignals (13) ein n-zahliges Vielfaches der Frequenz des Frequenzstandardsignals (5) oder alternativ des weiteren Frequenzstandardsignals (6) beträgt und das Ableiten des Uhrsignals (2) mittels einer analogen PLL-Schaltung (16) aus dem durch n geteilten regelbaren Uhrsignal (13) erfolgt, wobei n eine ganze Zahl ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ermitteln der Signalparameter mittels eines Abtastens des Frequenzstandardsignals (5) und des weiteren Frequenzstandardsignals (6) mit der Frequenz des regelbaren Uhrsignals (13) erfolgt, wobei zu einem Messzeitpunkt jeweils eine vorgegebene Anzahl von Schwingungen abgetastet wird, so dass hierbei ermittelte Abtastwerte jeweils einen Wellenzug mit der vorgegebenen Anzahl von Schwingungen repräsentieren.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Regeln des regelbaren Uhrsignals (13) in einer Grobregelphase und einer Feinregelphase in Abhängigkeit von einer Phasendifferenz zwischen den Wellenzügen des Frequenzstandardsignals (5) im Ausgangszustand oder des weiteren Frequenzstandardsignals (6) im Umschaltzustand zu unterschiedlichen Messzeitpunkten erfolgt; wobei in der Grobregelphase jede ermittelte Phasendifferenz zur Veränderung eines Regelsignals zur Regelung des regelbaren Uhrsignals (13) verwendet wird und in der Feinregelphase mehrere, vorzugsweise 50, bevorzugter 100, am bevorzugtesten 150, ermittelte Phasendifferenzen summiert werden, bevor das Regelsignal verändert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalparameter des Frequenzstandardsignals (5) und des weiteren Frequenzstandardsignals (6) überwacht werden, um einen Ausfall des Frequenzstandards (3) und/oder des weiteren Frequenzstandards (4) zu ermitteln, und bei dem Ausfall die letzten gültigen Signalparameter des Frequenzstandardsignals (5) und des weiteren Frequenzstandardsignals (6) vor dem Ausfall und eine hieraus abgeleitete Frequenzdifferenz abgespeichert werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass beim Umschalten von dem Ausgangszustand in den Umschaltzustand die Signalparameter des weiteren Frequenzstandardsignals (6) verwendet werden, um die durch n geteilte Frequenz des regelbaren Uhrsignals (13) an die Frequenz des weiteren Frequenzstandardsignals (6) anzugleichen, und anhand der abgespeicherten letzten gültigen Signalparameter und der letzten gültigen Frequenzdifferenz des Frequenzstandardsignals (5) und des weiteren Frequenzstandardsignals (6) ein Korrektursignal für das Uhrsignal (2) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln der Signalparameter das Bestimmen der Fourierkoeffizienten der Grundschwingung umfasst.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Feinregelphase die Phasendifferenz und eine Amplitudenabweichung zwischen zwei abgetasteten Wellenzügen des Frequenzstandardsignals (5) im Ausgangszustand oder des weiteren Frequenzstandardsignals (6) im Umschaltzustand mit Hilfe eines Optimalschätzers in Form eines digitalen Costas-Loops bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zur Berechnung der Phasendifferenz und der Amplitudenabweichung erforderliche Differenz zwischen dem Frequenzstandardsignal (5) im Ausgangszustand und dem weiteren Frequenzstandardsignal (6) im Umschaltzustand und einem geschätzten Frequenzstandardsignal mittels einer Hardwareschaltung bestimmt werden.
Vorrichtung (1) zum Liefern eines phasensprungarmen Uhrsignals (2) beim Umschalten zwischen einem Ausgangszustand, in dem das Uhrsignal (2) mittels eines Frequenzstandardsignals (5) eines Frequenzstandards (3) frequenzstabilisiert ist, und einem Umschaltzustand, in dem das Uhrsignal (2) mittels eines weiteren Frequenzstandardsignals (6) eines weiteren Frequenzstandards (4) frequenzstabilisiert ist, umfassend: e. einen Eingang zum Empfangen des Frequenzstandardsignals (5) und einen weiteren Eingang zum Empfangen des weiteren Frequenzstandardsignals (6); f. eine Messeinrichtung (7) und eine weitere Messeinrichtung (8) sowie eine Steuerung (10) zum Messen und Ermitteln von Signalparametern jeweils für das Frequenzstandardsignal (5) und das weitere Frequenzstandardsignal (6); g. eine regelbare Uhr (14) zum Erzeugen eines regelbaren Uhrsignals (13); h. einer Regeleinheit zum Regeln des regelbaren Uhrsignals (13) anhand der ermittelten Signalparameter; dadurch gekennzeichnet, dass das Uhrsignal (2) mittels einer analogen PLL-Schaltung (16) aus dem regelbaren Uhrsignal (13) ableitbar ist und das Regeln der regelbaren Uhr (14) mittels der Regeleinheit so ausführbar ist, dass die Frequenz des regelbaren Uhrsignals (13) im Ausgangszustand an die Frequenz des Frequenzstandards (3) oder alternativ im Umschaltzustand an die Frequenz des weiteren Frequenzstandards (4) jeweils in gleicher Weise angekoppelt ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das regelbare Uhrsignal (13) um ein n-zahliges Vielfaches der Frequenz des Frequenzstandards (3) und des weiteren Frequenzstandards (4) regelbar ist und das Uhrsignal (2) mittels der analogen PLL-Schaltung (16) aus dem mittels eines programmierbaren Logikschaltkreises (9), insbesondere eines Field-Progammable-Gate-Arrrays (FPGA), durch n geteilten regelbaren Uhrsignal (13) ableitbar ist, wobei n eine ganze Zahl ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (7) einen Analog-Digital-Konverter (11) zum Abtasten des Frequenzstandardsignals (5) und die weitere Messeinrichtung (8) einen weiteren Analog-Digital-Konverter (12) zum Abtasten des weiteren Frequenzstandardsignals (6) umfassen und das Abtasten jeweils mit der Frequenz des regelbaren Uhrsignals (13) ausführbar ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Regeln des regelbaren Uhrsignals (13) in einer Grobregelphase und einer Feinregelphase in Abhängigkeit von einer Phasendifferenz zwischen dem Frequenzstandardsignal (5) oder alternativ dem weiteren Frequenzstandardsignal (6) und dem durch n dividierten regelbaren Uhrsignal (13) erfolgen kann, wobei in der Grobregelphase von der Regeleinheit jede ermittelte Phasendifferenz zur Veränderung des Regelsignals zur Regelung der regelbaren Uhr (14) verwendbar ist und in der Feinregelphase mehrere, vorzugsweise 50, bevorzugter 100, am bevorzugtesten 150, ermittelte Phasendifferenzen vor einer Veränderung des Regelsignals summierbar sind.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, gekennzeichnet durch eine Überwachungseinheit zum Überwachen der Signalparameter des Frequenzstandardsignals (5) und des weiteren Frequenzstandardsignals (6), um einen Ausfall des Frequenzstandards (3) und/oder des weiteren Frequenzstandards (4) zu ermitteln und bei dem Ausfall die letzten gültigen Signalparameter des Frequenzstandards (3) und des weiteren Frequenzstandards (4) vor dem Ausfall und eine hieraus abgeleitete Frequenzdifferenz in einem Speicher abspeicherbar sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass beim Umschalten von dem Ausgangszustand in dem Umschaltzustand die Signalparameter des weiteren Frequenzstandardsignals (6) verwendbar sind, um die durch n geteilte Frequenz des regelbaren Uhrsignals (2) an die Frequenz des weiteren Frequenzstandardsignals (6) anzugleichen, und anhand der abgespeicherten letzten gültigen Signalparameter und der Frequenzdifferenz des Frequenzstandardsignals (5) und des weiteren Frequenzstandardsignals (6) ein Korrektursignal für das Uhrsignal (2) erzeugbar ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 15, gekennzeichnet durch eine Fouriertransformationseinheit zum Bestimmen der Fourierkoeffizienten der Grundschwingung des Frequenzstandardsignals (5) und des weiteren Frequenzstandardsignals (6).
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass in der Feinregelphase die Phasendifferenz und eine Amplitudendifferenz des Frequenzstandardsignals (5) im Ausgangszustand oder des weiteren Frequenzstandardsignals (6) im Umschaltzustand mittels eines Optimalschätzers in Form eines digitalen Costas-Loops bestimmbar sind.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (7) und die weitere Messeinrichtung (8) jeweils einen zusätzlichen Digital-Analog-Konverter (17, 20) und ein analoges Filter (18, 21) sowie einen Differenzverstärker (19, 22) zum Bestimmen einer zur Berechnung der Phasendifferenz und der Amplitudendifferenz erforderlichen Differenz zwischen dem Frequenzstandardsignal (5) im Ausgangszustand oder dem weiteren Frequenzstandardsignal (6) im Umschaltzustand und einem geschätzten Frequenzstandardsignal umfassen, wobei das geschätzte Frequenzstandardsignal jeweils mittels des zusätzlichen Analog-Digital-Konverters (17, 20) und den analogen Filtern (18, 21) erzeugbar ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheit einen Digital-Analog-Konverter (15) umfasst, das Regelsignal ein Spannungssignal ist und die regelbare Uhr (14) einen spannungsgesteuerten Quarzoszillator umfasst.