一种基于北斗时钟信号的高分辨率相位同步系统及同步方法专利检索-无线电控制的计时器[2013.01]专利检索查询-专利查询网

一种基于北斗时钟信号的高分辨率相位同步系统及同步方法
申请号	CN202111184997.7	申请日	2021-10-12	公开(公告)号	CN113933867B	公开(公告)日	2023-12-01
申请人	湖南师范大学;			发明人	杜保强; 余慧敏; 沈坤; 王玉明; 张协衍;
摘要	本发明提供了一种基于北斗时钟信号的高分辨率相位同步系统及同步方法，包括北斗卫星时钟模块、调理整形模块、DDS模块、延迟模块、第一相位重合检测模块、第二相位重合检测模块、FPGA可编程计数器模块、相位调整器与数据处理模块、显示模块和电源模块；本发明中的电路结构简单，成本低廉，抗干扰能力强，由于采用了区别于传统相位同步方法的同源异频相位重合检测技术，本发明的相位测量分辨率和相位同步精度均得到了大幅度提高，系统的鲁棒性更强，稳定性、可靠性更高，任意时刻北斗时钟信号之间的相位同步精度优于1ps。
权利要求	1.一种基于北斗时钟信号的高分辨率相位同步系统，其特征在于：包括北斗卫星时钟模块、调理整形模块、DDS模块、延迟模块、第一相位重合检测模块、第二相位重合检测模块、FPGA可编程计数器模块、相位调整器与数据处理模块、显示模块和电源模块；所述北斗卫星时钟模块的信号输出端连接调理整形模块的信号输入端，所述调理整形模块的信号输出端分别连接第一相位重合检测模块的信号输入端、DDS模块的信号输入端和延迟模块的信号输入端，所述DDS模块的信号输出端分别连接第一相位重合检测模块的信号输入端、第二相位重合检测模块的信号输入端和FPGA可编程计数器模块的信号输入端，所述延迟模块的信号输入端连接第二相位重合检测模块的信号输入端，所述第一相位重合检测模块的信号输出端和第二相位重合检测模块的信号输出端同时连接FPGA可编程计数器模块的信号输入端，所述FPGA可编程计数器模块的信号输出端连接相位调整器与数据处理模块的信号输入端，所述相位调整器与数据处理模块的信号输出端分别连接调理整形模块的信号输入端和显示模块的信号输入端；所述北斗卫星时钟模块采用北斗星载铷原子钟，用于产生北斗卫星1pps信号即北斗秒脉冲信号；所述调理整形模块由脉冲变换电路组成，用以将北斗卫星1pps信号转换为北斗线脉冲信号；所述DDS模块由DDS直接频率合成器组成，用于调节北斗线脉冲信号的频率，产生同源北斗卫星线脉冲信号；所述延迟模块由延迟线组成，采用低损耗的同轴电缆线，用于北斗线脉冲信号的延迟，保证系统的低噪声和北斗卫星1pps信号相位输出的稳定性；所述第一相位重合检测模块由第一逻辑门电路组成，用于同源北斗卫星线脉冲信号与北斗线脉冲信号之间的相位重合点检测；所述第二相位重合检测模块由第二逻辑门电路组成，用于同源北斗卫星线脉冲信号与延迟后的北斗线脉冲信号之间的相位重合点检测；所述FPGA可编程计数器模块由FPGA组成，用以产生可编程计数器、第一相位重合点和第二相位重合点之间时间间隔的测量和实现74LS系列芯片的逻辑功能；所述相位调整器与数据处理模块由于单片机组成，采用单片机STM32 F103C8T6芯片，用于第一相位重合点和第二相位重合点之间时间间隔测量结果的处理和相位转换，以及对北斗卫星1pps信号之间相位的调整；所述显示模块，用于接收相位调整器与数据处理模块的处理结果并进行显示；所述电源模块用于对整个系统进行供电。 2.根据权利要求1所述的基于北斗时钟信号的高分辨率相位同步系统，其特征在于：所述的脉冲变换电路由触发器74LS375N芯片、反相器74LS04N芯片、逻辑与门74LS08D芯片组成；所述触发器74LS375N芯片的信号输入端和逻辑与门74LS08D芯片的A信号输入端同时连接北斗时钟信号产生模块的信号输出端，所述触发器74LS375N芯片的信号输出端连接反相器74LS04N芯片的信号输入端，所述反相器74LS04N芯片的信号输出端连接逻辑与门 74LS08D芯片的B信号输入端，所述逻辑与门74LS08D芯片的信号输出端即为调整整形模块的信号输出端。 3.根据权利要求1所述的基于北斗时钟信号的高分辨率相位同步系统，其特征在于：所‑7 述的DDS直接频率合成器采用DDS芯片AD9858，其时钟频率秒级频率稳定度为10 量级。 4.根据权利要求1所述的基于北斗时钟信号的高分辨率相位同步系统，其特征在于：所述的第一逻辑门电路采用逻辑与门74LS08D芯片。 5.根据权利要求1所述的基于北斗时钟信号的高分辨率相位同步系统，其特征在于：所述的第二逻辑门电路采用逻辑与门74LS08N芯片。 6.根据权利要求1所述的基于北斗时钟信号的高分辨率相位同步系统，其特征在于：所述的FPGA采用Cyclone IV芯片EP4CE75。 7.一种利用权利要求1‑6任一所述的北斗时钟信号的高分辨率相位同步系统的同步方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1: 将北斗卫星1pps信号转换为北斗线脉冲信号，首先将北斗卫星1pps信号分别送入触发器74LS375N芯片的信号输入端和第一逻辑与门74LS08D芯片的A信号输入端，其次北斗卫星1pps信号经触发器74LS375N芯片延迟后送入反相器74LS04N芯片的信号输入端，经相位取反后进入第一逻辑与门74LS08D芯片的B信号输入端与相位取反前的北斗卫星 1pps信号进行逻辑与，最终实现北斗卫星1pps信号转换为北斗线脉冲信号；步骤2: 将同源北斗卫星线脉冲信号送入第一逻辑门电路与北斗线脉冲信号进行相位重合检测，获得第一相位重合点脉冲，同时将同源北斗卫星线脉冲信号送入第二逻辑门电路与延迟后的北斗线脉冲信号进行相位重合检测，获得第二相位重合点脉冲；步骤3: 将第一相位重合点脉冲和第二相位重合点脉冲分别作为可编程计数器的开门信号和关门信号，在闸门时间内对同源北斗卫星线脉冲信号进行计数，获得该脉冲信号的计数值送入相位调整器和数据处理模块；步骤4：将来自可编程计数器的脉冲计数值送入单片机STM32 F103C8T6芯片进行时间间隔计算、相位转换和处理，根据相位转换和处理的结果对北斗时钟信号之间的相位同步状态进行调整，最终获得优于1ps级的高分辨率相位同步结果。
说明书全文	一种基于北斗时钟信号的高分辨率相位同步系统及同步方法技术领域 [0001] 本发明涉及一种相位同步系统及同步方法，尤其涉及一种基于北斗时钟信号的高分辨率相位同步系统及同步方法。背景技术 [0002] 利用北斗卫星进行授时、导航和定位，是我国卫星应用的新技术，具有精度高、覆盖面大、终端设备成本低、方便用户使用等优点，因而在军事、国防以及社会经济发展中具有极其重要的作用。北斗卫星导航系统高精度的授时和定位服务能力取决于北斗时钟信号与地面主控站之间严格的时间同步，时间同步精度优于10ps时，定位精度可达到厘米至毫米级，北斗高精度定位的能力取决于北斗卫星1pps信号输出的稳定性，而北斗时钟信号之间高分辨率的相位差测量为其提供了技术支撑。传统的高分辨率相位差测量方法多为相位比对的方法，但实现北斗卫星1pps信号之间优于1ps级的测量分辨率和同步精度是困难的，因而很难达到星地之间的严格时间同步，降低了北斗卫星导航系统的授时和位置服务能力，影响了北斗卫星应用的广泛性。发明内容 [0003] 本发明的目的是提供一种基于北斗时钟信号的高分辨率相位同步系统及同步方法，采用同源异频相位重合检测技术，能够大幅度提高北斗时钟信号之间的相位测量分辨率和同步精度，加强北斗原子钟系统的鲁棒性和1pps信号输出的稳定性，实现北斗卫星厘米至毫米级的定位服务能力。 [0004] 本发明采用下述技术方案： [0005] 一种基于北斗时钟信号的高分辨率相位同步系统，包括北斗卫星时钟模块、调理整形模块、DDS模块、延迟模块、第一相位重合检测模块、第二相位重合检测模块、FPGA可编程计数器模块、相位调整器与数据处理模块、显示模块和电源模块；北斗卫星时钟模块的信号输出端连接调理整形模块的信号输入端，调理整形模块的信号输出端分别连接第一相位重合检测模块的信号输入端、DDS模块的信号输入端和延迟模块的信号输入端，DDS模块的信号输出端分别连接第一相位重合检测模块的信号输入端、第二相位重合检测模块的信号输入端和FPGA可编程计数器模块的信号输入端，延迟模块的信号输入端连接第二相位重合检测模块的信号输入端，第一相位重合检测模块的信号输出端和第二相位重合检测模块的信号输出端同时连接FPGA可编程计数器模块的信号输入端，FPGA可编程计数器模块的信号输出端连接相位调整器与数据处理模块的信号输入端，相位调整器与数据处理模块的信号输出端分别连接调理整形模块的信号输入端和显示模块的信号输入端； [0006] 所述的北斗星时钟模块采用北斗星载铷原子钟，用于产生北斗卫星1pps信号即北斗秒脉冲信号； [0007] 所述的调理整形模块由脉冲变换电路组成，用以将北斗卫星1pps信号转换为北斗线脉冲信号，转换前后北斗卫星1pps信号的相位不变； [0008] 所述的DDS模块由DDS直接频率合成器组成，主要用于调节北斗线脉冲信号的频率，产生同源北斗卫星线脉冲信号； [0009] 所述的延迟模块由延迟线组成，主要用于北斗线脉冲信号的延迟； [0010] 所述的第一相位重合检测模块由第一逻辑门电路组成，主要用于北斗秒信号与北斗线脉冲信号之间的相位重合点检测； [0011] 所述的第二相位重合检测模块由第二逻辑门电路组成，主要用于延迟后的北斗秒信号与北斗线脉冲信号之间的相位重合点检测； [0012] 所述的FPGA可编程计数器模块由FPGA组成，用以产生可编程计数器、第一相位重合点和第二相位重合点之间时间间隔的测量和实现74LS系列芯片的逻辑功能； [0013] 所述的相位调整器与数据处理模块由于单片机组成，主要用于第一相位重合点和第二相位重合点之间时间间隔测量结果的处理和相位转换，以及对北斗卫星1pps信号之间相位的调整； [0014] 所述的显示模块，用于接收相位调整器与数据处理模块的处理结果并进行显示。 [0015] 电源模块对整个系统进行供电，可采用开关电源，相比于模拟电源具有输出稳定的优点。 [0016] 所述的脉冲变换电路由触发器74LS375N芯片、反相器74LS04N芯片、逻辑与门74LS08D芯片组成，触发器74LS375N芯片的信号输入端和逻辑与门74LS08D芯片的A信号输入端同时连接北斗时钟信号产生模块的信号输出端，触发器74LS375N芯片的信号输出端连接反相器74LS04N芯片的信号输入端，反相器74LS04N芯片的信号输出端连接逻辑与门 74LS08D芯片的B信号输入端，逻辑与门74LS08D芯片的信号输出端即为调整整形模块的信号输出端。 [0017] 所述的DDS直接频率合成器采用DDS芯片AD9858(时钟频率秒级频率稳定度为10‑7量级)。 [0018] 所述的延迟线采用低损耗同轴电缆线。 [0019] 所述的第一逻辑门电路采用逻辑与门74LS08D芯片。 [0020] 所述的第二逻辑门电路采用逻辑与门74LS08N芯片。 [0021] 所述的FPGA采用Cyclone IV芯片EP4CE75。 [0022] 所述的可编程计数器由FPGA 硬件描述语言通过编程实现。 [0023] 所述的单片机采用单片机STM32 F103C8T6芯片。 [0024] 传统的相位同步方法建立在同频相位比对基础之上，相对于传统的相位同步技术，本发明消除了传统相位差测量中频率的归一化处理和复杂的频率变换，利用DDS控制的异频相位重合检测技术能够大幅度提高相位差测量的分辨率和相位同步的精度，北斗卫星1pps信号的输出更加稳定，本发明中的电路结构简单，成本低廉，相位噪声低。由于采用了区别于传统相位同步方法的同源异频相位重合检测技术，本发明的相位测量分辨率和相位同步精度均得到了大幅度提高，系统的鲁棒性更强，稳定性、可靠性更高，任意时刻北斗时钟信号之间的相位同步精度优于1ps。 [0025] 一种利用北斗时钟信号的高分辨率相位同步系统的同步方法，依次包括以下步骤： [0026] A:将北斗卫星1pps信号转换为北斗线脉冲信号，首先将北斗卫星1pps信号分别送入触发器74LS375N芯片的信号输入端和第一逻辑与门74LS08D芯片的A信号输入端，其次北斗卫星1pps信号经触发器74LS375N芯片延迟后送入反相器74LS04N芯片的信号输入端，经相位取反后进入第一逻辑与门74LS08D芯片的B信号输入端与相位取反前的北斗卫星1pps信号进行逻辑与，最终实现北斗卫星1pps信号转换为北斗线脉冲信号； [0027] B:将同源北斗卫星线脉冲信号送入第一逻辑门电路与北斗线脉冲信号进行相位重合检测，获得第一相位重合点脉冲，同时将同源北斗卫星线脉冲信号送入第二逻辑门电路与延迟后的北斗线脉冲信号进行相位重合检测，获得第二相位重合点脉冲； [0028] C:将第一相位重合点脉冲和第二相位重合点脉冲分别作为可编程计数器的开门信号和关门信号，在闸门时间内对同源北斗卫星线脉冲信号进行计数，获得该脉冲信号的计数值送入相位调整器和数据处理模块； [0029] D：将来自可编程计数器的脉冲计数值送入单片机STM32 F103C8T6芯片进行时间间隔计算、相位转换和处理，根据相位转换和处理的结果对北斗时钟信号之间的相位同步状态进行调整，最终获得优于1ps级的高分辨率相位同步结果； [0030] 本发明的有益效果为：北斗时钟信号之间的相位同步检测，既要兼顾北斗卫星1pps信号之间相位差测量的分辨率和同步精度，也要兼顾系统的健壮性和复杂度，本发明采用FPGA技术、单片机调整和控制技术，实现了北斗卫星1pps信号的稳定输出，采用低噪声同源异频相位重合检测方法，实现了北斗卫星1pps信号之间优于1ps级分辨率的相位测量以及北斗卫星与地面主控站之间时间同步系统的稳定性。附图说明 [0031] 图1为本发明所述基于北斗时钟信号的高分辨率相位同步系统的原理框图。具体实施方式 [0032] 以下结合附图和实施例对本发明作以详细的描述： [0033] 如图1所示，本发明所述的基于北斗时钟信号的高分辨率相位同步系统，包括北斗卫星时钟模块、调理整形模块、DDS模块、延迟模块、第一相位重合检测模块、第二相位重合检测模块、FPGA可编程计数器模块、相位调整器与数据处理模块、显示模块和电源模块；北斗卫星时钟模块的信号输出端连接调理整形模块的信号输入端，调理整形模块的信号输出端分别连接第一相位重合检测模块的信号输入端、DDS模块的信号输入端和延迟模块的信号输入端，DDS模块的信号输出端分别连接第一相位重合检测模块的信号输入端、第二相位重合检测模块的信号输入端和FPGA可编程计数器模块的信号输入端，延迟模块的信号输入端连接第二相位重合检测模块的信号输入端，第一相位重合检测模块的信号输出端和第二相位重合检测模块的信号输出端同时连接FPGA可编程计数器模块的信号输入端，FPGA可编程计数器模块的信号输出端连接相位调整器与数据处理模块的信号输入端，相位调整器与数据处理模块的信号输出端分别连接调理整形模块的信号输入端和显示模块的信号输入端。 [0034] 所述的北斗星时钟模块采用北斗星载铷原子钟，用于产生北斗卫星1pps信号即北斗秒脉冲信号； [0035] 所述的调理整形模块由脉冲变换电路组成，用以将北斗卫星1pps信号转换为北斗线脉冲信号，转换后所获得的北斗线脉冲信号与转换前的北斗卫星1pps信号具有相同的相位，这样更有利于北斗时钟信号之间的相位差测量和调整； [0036] 所述的脉冲变换电路由触发器74LS375N芯片、反相器74LS04N芯片、逻辑与门74LS08D芯片组成，触发器74LS375N芯片的信号输入端和逻辑与门74LS08D芯片的A信号输入端同时连接北斗时钟信号产生模块的信号输出端，触发器74LS375N芯片的信号输出端连接反相器74LS04N芯片的信号输入端，反相器74LS04N芯片的信号输出端连接逻辑与门 74LS08D芯片的B信号输入端，逻辑与门74LS08D芯片的信号输出端即为调整整形模块的信号输出端，脉冲变换电路的作用是将北斗卫星1pps信号转换为北斗线脉冲信号，具体脉冲转换的过程为：首先将北斗卫星1pps信号分别送入触发器74LS375N芯片的信号输入端和第一逻辑与门74LS08D芯片的A信号输入端，其次北斗卫星1pps信号经触发器74LS375N芯片延迟后送入反相器74LS04N芯片的信号输入端，经相位取反后进入第一逻辑与门74LS08D芯片的B信号输入端与相位取反前的北斗卫星1pps信号进行逻辑与，最终实现北斗卫星1pps信号转换为北斗线脉冲信号； [0037] 所述的DDS模块由DDS直接频率合成器组成，采用DDS芯片AD9858(时钟频率秒级频‑7率稳定度为10 量级)，主要用于调节北斗线脉冲信号的频率，产生同源北斗卫星线脉冲信号； [0038] 所述的延迟模块由延迟线组成，主要用于北斗线脉冲信号的延迟，延迟线采用低损耗的同轴电缆线(无源延迟)，保证了系统的低噪声和北斗卫星1pps信号相位输出的稳定性； [0039] 所述的第一相位重合检测模块由第一逻辑门电路组成，主要用于北斗线脉冲信号与同源北斗卫星线脉冲信号之间的相位重合点检测，获得第一相位重合点脉冲，第一逻辑门电路采用逻辑与门74LS08D芯片，获得第一相位重合点脉冲的过程是将同源北斗卫星线脉冲信号和北斗线脉冲信号分别送入第一逻辑与门74LS08D芯片进行逻辑与即相位重合检测，获得第一相位重合点脉冲； [0040] 所述的第二相位重合检测模块由第二逻辑门电路组成，主要用于延迟后的北斗线脉冲信号与同源北斗卫星线脉冲信号之间的相位重合点检测，获得第二相位重合点脉冲，第二逻辑门电路采用逻辑与门74LS08N芯片，获得第二相位重合点脉冲的过程是将同源北斗卫星线脉冲信号和延迟后的北斗线脉冲信号分别送入第二逻辑与门74LS08N芯片进行逻辑与即相位重合检测，获得第二相位重合点脉冲； [0041] 所述的FPGA可编程计数器模块由FPGA(现场可编程门阵列)组成，采用Cyclone IV芯片EP4CE75，用以产生可编程计数器、第一相位重合点和第二相位重合点之间的时间间隔测量和实现74LS系列芯片的逻辑功能； [0042] 可编程计数器由FPGA硬件描述语言通过编程实现，其工作过程为将第一相位重合点脉冲和第二相位重合点脉冲分别作为可编程计数器的开门信号和关门信号，在闸门时间内对同源北斗卫星线脉冲信号进行计数，获得该脉冲信号的计数值送入相位调整器和数据处理模块； [0043] 所述的相位调整器与数据处理模块由于单片机组成，采用单片机STM32F103C8T6芯片，主要用于第一相位重合点和第二相位重合点之间时间间隔测量结果的处理和相位转换，以及对北斗卫星1pps信号之间的相位同步调整； [0044] 所述的显示模块，由LCD 液晶显示器组成，用于接收相位调整器与数据处理模块的处理结果并进行显示。 [0045] 电源模块对整个系统进行供电，可采用开关电源，相比于模拟电源具有输出稳定的优点。 [0046] 综上所述，传统的高精度相位同步方法必须建立同频基础之上，针对频率不同频率信号之间的相位同步需经过混频、倍频等复杂的频率变换过程，使其频率归一化，电路结构复杂，成本增加，附加噪声大，无法满足北斗卫星1pps信号之间优于1ps级测量分辨率的相位差测量和同步精度，大大降低了北斗卫星时间同步系统的稳定性和位置服务能力，为此本发明提供了一种基于北斗时钟信号的高分辨率相位同步系统及同步方法，采用同源异频相位重合检测技术，能够大幅度提高北斗时钟信号之间的相位测量分辨率和同步精度，加强北斗原子钟系统的鲁棒性和1pps信号输出的稳定性，实现北斗卫星厘米至毫米级的定位服务能力。 [0047] 本发明中的电路结构简单，成本低廉，抗干扰能力强，由于采用了区别于传统相位同步方法的同源异频相位重合检测技术，本发明的相位测量分辨率和相位同步精度均得到了大幅度提高，系统的鲁棒性更强，稳定性、可靠性更高，任意时刻北斗时钟信号之间的相位同步精度优于1ps。

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