具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1，本实施例公开了一种完全自主可控快速时间频率同步装置，采用北斗或GPS驯服恒温晶振的方法，通过数字锁相环技术实时校正恒温晶振的长期稳定度，同时也滤除北斗或GPS的随机相位抖动，最终实现北斗或GPS的长期稳定度与恒温晶振的短期稳定度完美结合。同步装置主要功能是为其它设备提供准确的UTC时间和频率基准，并最终实现多系统、多站点、多设备的时间和频率同步。同步装置采用数字锁相环驯服技术方案，原理如图2所示，包括时统模块、主控模块、分配模块、显示模块和电源模块。

时统模块是同步装置的核心模块，如图3所示，其主要由授时电路单元、控制电路单元、时钟电路单元和电源电路单元等部分组成，授时电路单元包括GPS和北斗双模接收模块及与GPS和北斗双模接收模块电连接的时统天线和外围电路等，GPS和北斗双模接收模块接收北斗或GPS卫星信号并输出外参考1PPS信号；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，恒温晶振通过10MHz频率信号分频出1PPS信号，时钟电路单元还包括晶振校准电路，用来根据GPS和北斗双模接收模块的秒脉冲对恒温晶振进行校准；控制电路单元为FPGA，主要完成时统信息解析、TDC时差测量、数据滤波、时序产生以及与主控模块通信等功能。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（即数字鉴相器）得到时差数据，再将测量的时差数据通过频率驯服算法进行滤波（即数字环路滤波器），最终计算得到调整电压并经数模转换器提供给恒温晶振（即压控振荡器），通过驯服环路驯服使得恒温晶振1PPS信号与外参考1PPS信号同步。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。

时统模块负责完成北斗和GPS跟踪、输出时钟信号和秒脉冲信号等功能。在时统模块FPGA中利用快速进位链构建时间数据转换器（TDC）对时统1PPS信号和恒温晶振分频1PPS信号进行时间间隔测量，时差测量分辨率为250ps，然后将时差数值送至FPGA数字环路滤波器进行数据滤波，从而减小北斗或GPS 的1PPS随机抖动对驯服系统的影响。鉴于Kalman滤波对噪声具有很好的滤除效果，本实施例数字环路滤波算法采用Kalman滤波器，以改善系统的性能。

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。

主控模块采用基于ARM的嵌入式控制模块，CPU使用Freescale的i.MX6（Cortex A9架构）四核处理器，主频1GHz。内存1GHz DDR3，本地存储4GB eMMC，运行Linux操作系统。主控模块主要功能包括：接收外部命令并进行解析，支持远程控制及状态查询；接收本地时间信息和状态信息并上报；NTP授时功能；网络监控功能；实现滤波算法；建立OCXO老化率特性表等。

NTP（Network Time Protocol，网络时间协议）是由RFC-1305定义的时间同步协议，用来在分布式时间服务器和客户端之间进行时间同步。

同步装置NTP授时功能实现方法是在主控模块中建立NTP服务器，以GPS或北斗作为时间基准，通过运行GPSD、PPS和NTPD等底层服务程序来实现。GPS和北斗双模接收模块提供串口输出的NMEA0183语句以及1PPS信号，GPSD服务程序接收并不断解析GPS和北斗双模接收模块传来的NMEA0183语句。由于在解析语句的过程中需要耗费很长时间，并且容易被其它程序抢占运行时间，会产生delay（延迟）和jitter（波动），此时PPS服务程序使用1PPS信号直接触发 CPU 的中断，让操作系统以高优先级处理语句，不会被其它程序影响，极大减少delay（延迟）和 jitter（波动）的产生，所以通过GPSD和PPS底层服务程序能够获取极为精准的时间信息。最后使用NTPD服务程序进行网络授时，实际上NTPD是一个操作系统不断Daemon进程，目的用于校正本地系统与Internet标准时钟源之间的时间，最终实现NTP网络授时过程。

分配模块与恒温晶振电连接并输出5路标频。同步装置分配模块主要将被驯服的本地标频和1PPS信号分别分配成5路输出，并且满足系统要求。为了进一步优化同步装置输出频率的信号质量，在分配模块时钟输入端增加10MHz晶体滤波器，可以极大提高输出频率近端频谱纯度。

显示模块主要用于同步装置本控参数设置及状态显示，设计显示模块采用湖南迪文科技有限公司生产的3.5寸电容工控触摸屏DMT32240M035-03W；电源模块主要功能为给同步装置各模块提供电源，电源模块输入为220V交流电源，通过电源模块进行AC/DC转换，电源模块采用上海责允电子科技有限公司的ZRY系列线性电源模块ZRY50-220E0512，输出电压为12V，输出电流为2A；输出电压为5V，输出电流为4A。

当输入参考信号不可用时，同步装置自动切换到保持模式，根据恒温晶振老化曲线、振荡器频偏等运行特性自动调整控制恒温晶振，继续保持高精度的时间和频率信号输出。

本同步装置可输出5路频率信号、5路1PPS信号、1路NTP授时时间信息、1路串口时间信息，采用全国产电子元器件、集成化、模块化、小型化的设计思路，工作稳定可靠，结构设计考虑抗震性，可用于船载和车载，也可作为固定站使用。

同步装置的主要创新点之一为采用100%全国产电子元器件开展设计，具备完全自主可控能力，这在国际半导体领域技术壁垒高耸尤其是中美“芯片之争”的大背景下，具有特殊的积极意义。同步装置主要核心国产电子元器件使用情况如下：恒温晶振：HJ180北京泰福特电子科技有限公司；FPGA：JFM7K325T上海复旦微电子集团股份有限公司；GPS和北斗双模接收模块：STAR-OEM-4050北京中星恒通科技有限公司，模块使用100%国产电子元器件，支持接收北斗三号能力；放大器：HE315中国电子科技集团公司第十三研究所；串口芯片：SM3232深圳市国微电子股份有限公司；电源芯片：SM74401深圳市国微电子股份有限公司。

本实施例还公开了一种时间频率同步方法（频率同步驯服），使用上述的同步装置，如图4所示，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，由于初始上电，恒温晶振的温度尚未稳定，其输出的频率准确度和频率温度偏移较大，如果此时即对恒温晶振进行调控并无实际意义，待恒温晶振上电1min后其恒温控制基本达到正常状态，晶振输出频率趋于稳定，随即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，使得恒温晶振频率能够尽快调整至中心频率；

步骤2，粗调：

粗调的目的是对恒温晶振进行快速调整，使得恒温晶振输出的秒信号迅速与时统秒信号同步。在自检初始化时，恒温晶振秒脉冲是通过触发时统秒脉冲信号上升沿产生，所以最初两个秒信号前沿时差不大，但由于恒温晶振频率相较时统频率不完全准确，因此恒温晶振秒脉冲信号会相对时统秒脉冲信号产生漂移。同步装置以恒温晶振秒脉冲信号为基准，当恒温晶振秒脉冲在时统秒脉冲时间轴前方时，定义为超前；而当恒温晶振秒脉冲在时统秒脉冲时间轴后方时，定义为滞后。秒脉冲先后关系如图5所示。

粗调的调制过程是在开始调整读取秒脉冲时间关系和状态，即读取秒脉冲时差以及超前滞后状态，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，依据同步装置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1.0×10^-11，当两个秒脉冲时间变化量在一个鉴相分辨率之内，即250ps时，同步装置进入锁定状态。此时，时统秒脉冲和恒温晶振秒脉冲基本同步，相对漂移量很小，但是由于前期在鉴相过程中，两个秒脉冲在不断相对漂移，所以在进入锁定状态后，两个秒脉冲上升沿时间差需要消除。设计在进入锁定状态后，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，实现时钟频率和相位的严格同步。

步骤4，细调：

同步装置进入锁定状态后开始细调操作，细调的目的是持续跟踪外参考系统，进一步提升系统频率准确度。同步装置进入锁定状态后，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，随着运行时间的推移，装置频率准确度指标也逐步加以提升。

同步装置偶尔会因GPS和北斗双模接收模块无效，造成频率同步驯服流程无法执行，使得恒温晶振输出频率无法跟踪北斗或GPS。在出现该种问题时，装置将进入“保持”状态，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/时间分析，可以简单而快速地得出恒温晶振压控电压的变化趋势和变化量，然后在保持工作状态中逐步修正DAC变换器输出的压控电压数据，达到装置保持一定同步能力的目的。