一种时间信号切换系统及切换方法
技术领域
本发明属于时间频率技术领域，特别涉及一种时间信号切换系统及切换方法。
背景技术
在精密授时、航空航天、雷达同步、尖端武器操控、高速通信以及深空探测等领域，都对时间信号提出了较高的要求，要求其具有准确性、连续性、稳定性和可靠性等特点。实际使用中，为了时间信号的可靠性和稳定性，用户往往需要有多个时间源，为了进行协调，需要引入一种切换方法，当正在使用的时间源出现故障时，快速、可靠地切换到另一个正常的时间源上。
目前，传统系统仍采用射频开关等硬切换方式来实现时间信号切换，使得输出信号在切换过程易产生毛刺、时延跳变和中断等问题，会影响时间信号的稳定性和连续性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种时间信号切换系统及切换方法，以解决上述存在的技术问题。本发明采用数字驯服技术，在切换过程可使得相位不跳动，时间信号不中断，可保证时间信号的连续性。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种时间信号切换系统，包括：主通道时间源、备用通道时间源、时间间隔测量单元、驯服控制单元、DA转换器、本地振荡器和时间信号产生单元；主通道时间源和备用通道时间源的输出端分别与时间间隔测量单元的输入端相连接，时间间隔测量单元的输出端与驯服控制单元的输入端相连接，驯服控制单元的输出端与DA转换器的输入端相连接，DA转换器的输出端与本地振荡器的输入端相连接，本地振荡器的输出端与时间信号产生单元的输入端相连接，时间信号产生单元的输出端分为两路，一路用于输出时间信号，另一路与时间间隔测量单元的输入端相连接。
进一步地，备用通道时间源的数量为一个或多个；当数量为多个时，按照预设优先级顺序排列。
进一步地，时间信号切换前后的输出信号的相位跳动小于20ps。
一种时间信号切换系统，包括：
时间间隔测量单元，用于接收主通道时间信号、备用通道时间信号和本地时间信号，并输出主通道时差值和备用通道时差值；
驯服控制单元，用于接收主通道时差值和备用通道时差值，通过各通道时差值与预设阈值比较，判断出通道是否出现故障；主通道时间信号无故障时，以主通道时差值作为误差量并计算输出控制量；主通道时间信号出现故障时，以无故障的备用通道时差值作为误差量并计算输出控制量；
DA转换器，用于接收驯服控制单元输出的控制量，并输出模拟电压信号；
本地振荡器，用于接收DA转换器输出的模拟电压信号，并完成本地振荡器的驯服，将本地时间信号锁定在相应通道时间信号上；
时间信号产生单元，本地振荡器的输出作为时间信号产生单元的输入，用于输出本地时间信号。
一种时间信号切换方法，包括以下步骤：
步骤1，将本地时间信号锁定在主通道时间信号上；
步骤2，通过时间间隔测量单元接收主通道时间信号、备用通道时间信号和本地时间信号，并输出主通道时差值和备用通道时差值；
步骤3，通过驯服控制单元接收主通道时差值和备用通道时差值，将各通道时差值与预设阈值比较，判断出通道是否出现故障；主通道时间信号无故障时，以主通道时差值作为误差量并计算输出控制量；主通道时间信号出现故障时，以无故障的备用通道时差值作为误差量并计算输出控制量；
步骤4，通过DA转换器接收驯服控制单元输出的控制量，并输出模拟电压信号；
步骤5，根据DA转换器输出的模拟电压信号控制本地振荡器信号的频率和相位，完成本地振荡器的驯服，将本地时间信号锁定在相应通道时间信号上；
步骤6，通过时间信号产生单元接收本地振荡器的输出，并输出本地时间信号。
进一步地，步骤1具体包括：
步骤1.1，通过时间间隔测量单元持续测量主通道时间信号以及备用通道时间信号与本地时间信号的时差值，得到主通道时差值和备用通道时差值；
步骤1.2，驯服控制单元选择主通道时间信号与本地时间信号的时差值作为误差量Terror，计算出控制量DATA；
步骤1.3，通过DA转换器接收步骤1.2得出的控制量DATA，并输出模拟电压信号控制本地振荡器信号的频率和相位；将本地时间信号锁定在主通道时间信号上。
进一步地，驯服控制单元中，控制量的计算按照数字PI方法进行运算，计算公式为：
DATA＝p×Terror+i×∑Terror，
式中，∑表示Terror的历史累加数据，p表示数字PI运算单元的比例系数，i表示数字PI运算单元的积分系数。
一种多通道时间信号切换方法，基于本发明的切换系统，通道的数量为三个，包括以下步骤：
步骤1，用时间间隔测量单元持续测量主通道时间信号以及x个备用通道时间信号与本地时间信号的时差值，得到1+x个时差值：T0、T1……Tx，x为正整数，T0为主通道时间信号与本地时间信号的时差值，T1为第一个备用通道时间信号与本地时间信号的时差值，Tx为第x个备用通道时间信号与本地时间信号的时差值；本地振荡器通过时间信号产生单元产生的时间信号为本地时间信号；
步骤2，驯服控制单元选择主通道时间信号与本地时间信号的时差值作为误差量Terror，计算出控制量DATA；
步骤3，将控制量DATA输出给DA转换器，DA转换器输出的模拟电压信号uC(t)控制本地振荡器信号fVCO的频率和相位，并将本地时间信号锁定在主通道时间信号上；
步骤4，驯服控制单元检测步骤1中得到主通道时间信号以及x个备用通道时间信号与本地时间信号的时差值的跳动，当时差值的跳动值超出阈值时，判断该时差值对应的那一路时间信号出现故障，否则为正常；
步骤5，如果驯服控制单元未检测到主通道时间信号出现故障，则持续将本地时间信号锁定在主通道时间信号上；如果驯服控制单元检测到主通道时间信号出现故障，驯服控制单元按照预设的优先顺序，选择无故障的备用通道时间信号与本地时间信号的时差值作为误差量，计算出控制量DATA；将控制量DATA输出给DA转换器，DA转换器输出的模拟电压信号uC(t)控制本地振荡器信号fVCO的频率和相位，并将本地时间信号锁定在选定的备用通道时间信号上，实现时间信号的切换。
其中，阈值取Th＝100ps。
时差值的跳动值计算方法为：T0jitter＝T0N-T0P，Txjitter＝TxN-TxP；
式中，T0jitter为主通道的时间信号与本地时间信号的时差值的跳动，T0N为本次测得的主通道的时间信号与本地时间信号的时差值，T0P为上次测得的主通道的时间信号与本地时间信号的时差值；Txjitter为第x个备用通道的时间信号与本地时间信号的时差值的跳动，TxN为本次测得的第x个备用通道的时间信号与本地时间信号的时差值，TxP为上次测得的第x个备用通道的时间信号与本地时间信号的时差值。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明在本地振荡器守时基础上，采用数字驯服技术，能够实现时间信号的无缝切换。当主通道时间信号正常时，以主通道的时间信号作为参考信号，对本地振荡器进行驯服，并将本地时间信号锁定在主通道的时间信号上；当主通道时间信号出现故障时，选择无故障的备用通道时间信号作为参考信号，对本地振荡器进行驯服，并将本地时间信号锁定在备用通道时间信号上，从而可实现时间信号的无缝切换。本发明不采用射频开关硬切换的方式，而采用数字驯服技术，使切换过程相位不跳动，时间信号不中断，保证了时间信号的连续性。
本发明采用对本地振荡器数字驯服，并结合软件切换误差信号来源的方式，取代了传统的射频开关硬切换的方式，使切换过程中相位不跳动、信号不中断，保证了时间信号的连续性和稳定性，从而使用户可以有效平稳地协调使用多路时间信号源。
经过实际测试，本发明的时间信号无缝切换系统在信号切换前后的输出信号的相位跳动可小于20ps。
附图说明
图1是本发明实施例的一种多通道时间信号切换系统的示意框图；
图2是本发明实施例的一种多通道时间信号切换方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，实施例以本发明的技术方案为前提进行实施，给出详细的实施方式和具体的工作流程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
请参阅图1，图1是本发明以三通道为例的实施例的原理框图。本发明的一种多通道时间信号切换系统，该系统中包含主通道时间信号t0和2路备用通道时间信号t1、t2、时间间隔测量单元、DA转换器、本地振荡器、时间信号产生单元和驯服控制单元。其中备用通道时间源的优先级顺序定义为：t1优先于t2。本发明的系统，时间信号切换前后的输出信号的相位跳动小于20ps。
主通道时间源和备用通道时间源的输出端分别与时间间隔测量单元的输入端相连接，时间间隔测量单元的输出端与驯服控制单元的输入端相连接，驯服控制单元的输出端与DA转换器的输入端相连接，DA转换器的输出端与本地振荡器的输入端相连接，本地振荡器的输出端与时间信号产生单元的输入端相连接，时间信号产生单元的输出端分为两路，一路用于输出时间信号，另一路与时间间隔测量单元的输入端相连接。
其中，时间间隔测量单元，用于接收主通道时间信号、备用通道时间信号和本地时间信号，并输出主通道时差值和备用通道时差值；驯服控制单元，用于接收主通道时差值和备用通道时差值，通过各通道时差值与预设阈值比较，判断出通道是否出现故障；主通道时间信号无故障时，以主通道时差值作为误差量并计算输出控制量；主通道时间信号出现故障时，以无故障的备用通道时差值作为误差量并计算输出控制量；DA转换器，用于接收驯服控制单元输出的控制量，并输出模拟电压信号；本地振荡器，用于接收DA转换器输出的模拟电压信号，并完成本地振荡器的驯服，将本地时间信号锁定在相应通道时间信号上；时间信号产生单元，本地振荡器的输出作为时间信号产生单元的输入，用于输出本地时间信号。
请参阅图2，本发明的一种多通道时间信号切换方法，具体包括以下步骤：
步骤1：本地振荡器通过时间信号产生单元产生时间信号，以下简称本地时间信号。
步骤2：用时间间隔测量单元持续测量主通道时间信号以及2个备用通道时间信号与本地时间信号的时差值，得到3个时差值：T0、T1、T2；其中，T0为主通道时间信号与本地时间信号的时差值，T1为第一个备用通道时间信号与本地时间信号的时差值，T2为第2个备用通道时间信号与本地时间信号的时差值。
步骤3：时间间隔测量单元每完成一次测量，驯服控制单元就选择主通道时间信号与本地时间信号的时差值作为误差量Terror，即Terror＝T0。
步骤4：计算出控制量DATA。
此处控制量的计算是按照数字PI方法进行运算的：
DATA＝p×Terror+i×∑Terror，
其中，∑：Terror的历史累加数据，p：数字PI运算单元的比例系数，i是数字PI运算单元的积分系数。
步骤5：驯服控制单元将步骤4的控制量DATA输出给DA转换器；
步骤6：步骤5中DA转换器输出的模拟电压信号uC(t)控制本地振荡器信号fVCO的频率和相位。
至此实现了将本地振荡器的驯服，并将本地时间信号锁定在主通道时间信号上。
步骤7：驯服控制单元检测步骤2中得到主通道时间信号以及2个备用通道时间信号与本地时间信号的时差值的跳动，当某个时差值的跳动值超出阈值Th时，判断该时差值对应的那一路时间信号出现故障，否则为正常；取Th＝100ps。
此处时差值的跳动值计算方法为：T0jitter＝T0N-T0P，Txjitter＝TxN-TxP；
其中，T0jitter为主通道的时间信号与本地时间信号的时差值的跳动，T0N为本次测得的主通道的时间信号与本地时间信号的时差值，T0P为上次测得的主通道的时间信号与本地时间信号的时差值；Txjitter为第x个备用通道的时间信号与本地时间信号的时差值的跳动，TxN为本次测得的第x个备用通道的时间信号与本地时间信号的时差值，TxP为上次测得的第x个备用通道的时间信号与本地时间信号的时差值。
步骤8：如果驯服控制单元未检测到主通道时间信号出现故障，重复步骤4到步骤7；如果驯服控制单元检测到主通道时间信号出现故障，驯服控制单元按照预定义的优先顺序选择无故障的备用通道时间信号与本地时间信号的时差值，作为误差量，即Terror＝Ti；此处Ti为无故障的备用通道中优先级最高的那一个通道的时间信号与本地时间信号的时差值。计算出控制量DATA。驯服控制单元将得到的控制量DATA输出给DA转换器；DA转换器输出的模拟电压信号uC(t)控制本地振荡器信号fVCO的频率和相位。至此实现了将本地振荡器的驯服，并将本地时间信号锁定在无故障备用通道时间信号上。
至此，实现了时间信号的无缝切换。
例如，当主通道时间信号t0出现故障，而此时两个备用通道的时间信号t1、t2如果都正常，则按照预先定义的优先顺序令Terror＝T1，即切换到第一备用通道；如果当主通道时间信号t0出现故障，而此时t1不正常，t2正常，则按照预先定义的优先顺序令Terror＝T2，即切换到第二备用通道。
综上，本发明针对现有技术以及工作的不足，提供一种多通道时间信号的无缝切换方法。本发明在本地振荡器守时基础上，采用数字驯服技术，实现时间信号的无缝切换。当主通道时间信号正常时，以主通道的时间信号作为参考信号，对本地振荡器进行驯服，并将本地时间信号锁定在主通道的时间信号上；当主通道时间信号出现故障时，控制单元选择无故障的备用通道时间信号作为参考信号，对本地振荡器进行驯服，并将本地时间信号锁定在备用通道时间信号上，从而实现了时间信号的无缝切换。本发明采用对本地振荡器数字驯服，并结合软件切换误差信号来源的方式，取代了传统的射频开关硬切换的方式，使切换过程中相位不跳动、信号不中断，保证了时间信号的连续性和稳定性，从而使用户可以有效平稳地协调使用多路时间信号源。经过实际测试，该多通道时间信号无缝切换系统在信号切换前后的输出信号的相位跳动可小于20ps。
上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体实施例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。
