一种完全自主可控快速时间频率同步装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种完全自主可控快速时间频率同步装置和方法，该装置包括时统模块、主控模块、分配模块、显示模块和电源模块；时统模块包括授时电路单元、控制电路单元、时钟电路单元和电源电路单元，授时电路单元包括GPS和北斗双模接收模块，时钟电路单元包括恒温晶振和与恒温晶振电连接的数模转换器，控制电路单元为FPGA；主控模块与上述GPS和北斗双模接收模块、恒温晶振、FPGA和显示模块电连接，输出NTP授时和串口授时，分配模块与恒温晶振电连接并输出5路标频，电源模块为同步装置内的各模块供电。本发明专利技术所公开的同步装置，为多系统、多站点、多设备时间频率同步提供了强有力的支撑，在电工技术、工业自动化及智能控制等领域有着巨大的应用潜力。有着巨大的应用潜力。有着巨大的应用潜力。

【技术实现步骤摘要】
一种完全自主可控快速时间频率同步装置和方法


[0001]本专利技术属于时间频率同步
，特别涉及该领域中的一种完全自主可控快速时间频率同步装置和方法。

技术介绍

[0002]时间同步是指时间服务器从时间源（例如GNSS）获取标准时间，并将时间信息通过时间分配链路发送到时间同步客户端，实现与时间源时间同步的过程。频率同步是通过频率比对的方式，将分布于不同地点频率源的频率值调整到一定的准确度并确保频率相位同步的过程。
[0003]目前，使用较为广泛的高精度时间同步技术有NTP网络时间协议和PTP精确时间协议等，其中NTP（Network Time Protocol，网络时间协议）是由RFC
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1305定义的时间同步协议，用于在分布式时间服务器和客户端之间进行时间同步。NTP授时基于双向传输时延对等的原理，其协议中包含世界协调时（UTC）的时间戳，但由于NTP的时间戳标记在应用层，受网络流量及路由等因素的影响，NTP授时精度只有毫秒量级。PTP精确时间协议实现原理与NTP基本相同，最大的不同在于PTP的时间戳标记是在物理层，最大限度减少了时间传输误差，因此授时精度可达微秒量级。NTP授时一般由NTP时间服务器和客户端组成，而PTP授时由主时间服务器和从时间服务器以及客户端组成，由于PTP授时需要从时间服务器，因此目前PTP协议在很多客户端不能直接使用，这也是NTP协议较PTP协议应用更加广泛的主要原因。
[0004]传统的频率同步技术主要是模拟锁相环技术，如图1所示，由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器三部分模拟电路组成，其中鉴相器用来比对输入与输出信号之间的相位差并输出电压误差；环路滤波器在滤除输出信号中的噪声和干扰后形成控制电压提供给压控振荡器；压控振荡器会根据控制电压输出调整后的频率，而调整后的频率又反馈回鉴相器端，如此反复鉴相、滤波、调整，最终当压控振荡器输出频率以固定的相位关系被牢牢锁定在输入信号的相位上时，即完成锁相。近年来，随着科学技术的飞速发展和自动化程度的不断提高，数字锁相环技术得到了广泛应用，数字锁相环技术的工作原理和锁定过程与模拟锁相环大致相同，但由于采用了数字技术，极大提高了频率同步的精度和稳定性，因此已经成为频率同步领域工程应用的首选技术途径。
[0005]随着各领域新技术和新业务的不断推陈出新以及国际政治军事局势的不断摩擦升级，时频领域对时间频率同步装置提出了更高的要求：一是完全自主可控；二是快速捕获锁定；三是高频率准确度和稳定度；四是优异的网络授时性能，大的用户容量；五是温度范围广、可靠性高。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题就是提供一种完全自主可控快速时间频率同步装置和方法，可作为频率基准源和授时标准在军事、通信、电力、金融等领域发挥极其重要的作用。
[0007]本专利技术采用如下技术方案：一种完全自主可控快速时间频率同步装置，其改进之处在于：包括时统模块、主控模块、分配模块、显示模块和电源模块；时统模块包括授时电路单元、控制电路单元、时钟电路单元和电源电路单元，授时电路单元包括GPS和北斗双模接收模块，时钟电路单元包括恒温晶振和与恒温晶振电连接的数模转换器，控制电路单元为FPGA，GPS和北斗双模接收模块输出的外参考1PPS信号和恒温晶振输出的1PPS信号均输入FPGA，由FPGA对上述两个1PPS信号进行TDC时差测量得到时差数据，再将测量的时差数据进行滤波，最终得到调整电压并提供给数模转换器，此外FPGA还输出5路秒脉冲信号，电源电路单元为时统模块内的各电路单元供电；主控模块与上述GPS和北斗双模接收模块、恒温晶振、FPGA和显示模块电连接，输出NTP授时和串口授时，分配模块与恒温晶振电连接并输出5路标频，电源模块为同步装置内的各模块供电。
[0008]进一步的，授时电路单元还包括与GPS和北斗双模接收模块电连接的时统天线。
[0009]进一步的，时钟电路单元还包括晶振校准电路。
[0010]进一步的，恒温晶振通过10MHz频率信号分频出1PPS信号。
[0011]进一步的，在没有外参考1PPS信号时，FPGA根据恒温晶振老化曲线和振荡器频偏自动调整控制恒温晶振。
[0012]进一步的，FPGA利用快速进位链构建TDC，时差测量分辨率为250ps，由FPGA的数字环路Kalman滤波器进行滤波。
[0013]进一步的，主控模块为基于ARM的嵌入式控制模块。
[0014]进一步的，在分配模块的时钟输入端增加10MHz晶体滤波器。
[0015]进一步的，电源模块输入220V交流电源，输出5V和12V直流电压，分别输出4A和2A电流。
[0016]一种时间频率同步方法，使用上述的同步装置，其改进之处在于，包括如下步骤：步骤1，设备自检初始化：同步装置开机启动后首先进行设备自检，待上电1min后开始对恒温晶振的压控值以及各个参数变量进行初始赋值，使得恒温晶振频率调整至中心频率；步骤2，粗调：读取秒脉冲时间关系和状态，然后在一定测试时间之后再次读取秒脉冲时间关系和状态，根据两次读取的时差和状态，依据频率驯服算法计算出需要调整DAC的数值，写入DAC数据寄存器中，然后在恒温晶振频率调整稳定时间之后，再次进行粗调操作，直到达到锁定门限，进入锁定状态；步骤3，锁定：锁定状态的门限设计为频率准确度1.0
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，当两个秒脉冲时间变化量在一个鉴相分辨率之内，即250ps时进入锁定状态，在进入锁定状态后，使用时统秒脉冲重新触发产生恒温晶振秒脉冲，使两个秒脉冲上升沿同步；步骤4，细调：进入锁定状态后，停止对恒温晶振频率粗调，开始对时差数值进行大周期的监测和调整；预先按照时间比例建立恒温晶振的老化率特性表，以天为周期进行DAC转换器控
制数据和时间分析，得出恒温晶振压控电压的变化趋势和变化量，在无法跟踪北斗或GPS时，据以逐步修正DAC转换器输出的压控电压数据。
[0017]本专利技术的有益效果是：本专利技术所公开的同步装置，为多系统、多站点、多设备时间频率同步提供了强有力的支撑，在电工技术、工业自动化及智能控制等领域有着巨大的应用潜力，相对于传统的同步装置具有以下优点：（1）完全自主可控：使用100%全国产电子元器件；（2）捕获锁定快速：卫星捕获时间小于1分钟，锁定时间小于5分钟；（3）频率准确度高：可达1.0
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；（4）频率稳定度高：优于5
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/day；（5）NTP授时精度高：小于10ms；（6）时间源模式多：支持单北斗、单GPS、组合模式，支持保持模式；（7）授时容量大：5000次/秒。（8）操作简单，人机界面良好，具备BIT告警功能；（9）设备量少，成本低，可靠性高。
[0018]本专利技术所公开的同步方法，与上述的同步装置相配合，具有高频率准确度和稳定度。
附图说明
[0019]图1是模拟锁本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种完全自主可控快速时间频率同步装置，其特征在于：包括时统模块、主控模块、分配模块、显示模块和电源模块；时统模块包括授时电路单元、控制电路单元、时钟电路单元和电源电路单元，授时电路单元包括GPS和北斗双模接收模块，时钟电路单元包括恒温晶振和与恒温晶振电连接的数模转换器，控制电路单元为FPGA，GPS和北斗双模接收模块输出的外参考1PPS信号和恒温晶振输出的1PPS信号均输入FPGA，由FPGA对上述两个1PPS信号进行TDC时差测量得到时差数据，再将测量的时差数据进行滤波，最终得到调整电压并提供给数模转换器，此外FPGA还输出5路秒脉冲信号，电源电路单元为时统模块内的各电路单元供电；主控模块与上述GPS和北斗双模接收模块、恒温晶振、FPGA和显示模块电连接，输出NTP授时和串口授时，分配模块与恒温晶振电连接并输出5路标频，电源模块为同步装置内的各模块供电。2.根据权利要求1所述完全自主可控快速时间频率同步装置，其特征在于：授时电路单元还包括与GPS和北斗双模接收模块电连接的时统天线。3.根据权利要求1所述完全自主可控快速时间频率同步装置，其特征在于：时钟电路单元还包括晶振校准电路。4.根据权利要求1所述完全自主可控快速时间频率同步装置，其特征在于：恒温晶振通过10MHz频率信号分频出1PPS信号。5.根据权利要求1所述完全自主可控快速时间频率同步装置，其特征在于：在没有外参考1PPS信号时，FPGA根据恒温晶振老化曲线和振荡器频偏自动调整控制恒温晶振。6.根据权利要求1所述完全自主可控快速时间频率同步装置，其特征在于：FPGA利用快速进位链构建TDC，时差测量分辨率为250ps，由FPGA的数字环路Kalman滤波器进行滤波。7.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：许国宏，王耀磊，李希彬，李雪，孙广俊，李星，宋征，
申请(专利权)人：中国电波传播研究所中国电子科技集团公司第二十二研究所，
类型：发明
国别省市：