Патент на изобретение №2221336

(54) СИНХРОНИЗИРУЕМЫЕ РАДИОЧАСЫ

(57) Реферат:

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для приема кодированных радиосигналов точного времени, передаваемых специализированными радиостанциями, и синхронизации пространственно-разнесенных часов. Технический результат – повышение помехозащищенности и точности синхронизируемых радиочасов. Сущность изобретения заключается в том, что в синхронизируемые радиочасы, содержащие последовательно соединенные приемник, вход которого является входом устройства, демодулятор, декодер, блок проверки и обработки информации и часы-календарь, которые включают последовательно соединенные кварцевый генератор, делитель частоты и счетчик, выходы N-разрядов которого являются информационным выходом устройства и соединены со вторыми входами блока проверки и обработки информации, выход которого подключен ко вторым входам счетчика, а выход делителя частоты является выходом шкалы времени устройства, введены два устройства формирования кода и последовательно соединенные измеритель временных интервалов, устройство сравнения, ко второму входу которого подключено первое устройство формирования кода, счетчик, второй счетный и третий вход которого соединены соответственно со вторым выходом устройства сравнения и выходом второго устройства формирования кода, решающий блок и ключ, второй вход которого и первый вход измерителя временных интервалов подключены ко второму выходу декодера, а выход ключа соединен со вторым входом делителя частоты, выход которого соединен со вторым входом измерителя временных интервалов, третий вход которого подключен к выходу кварцевого генератора. 3 ил.

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для приема кодированных радиосигналов точного времени, передаваемых специализированными радиостанциями, и синхронизации пространственно-разнесенных часов.

Известны устройства для приема кодированных радиосигналов точного времени [1,2] , которые принимают радиосигналы, демодулируют, декодируют, преобразуют временную информацию в параллельный или последовательный код, обрабатывают принятую кодированную информацию по определенному алгоритму для уменьшения вероятности ошибки принятого временного кода (кодовой рамки), формируют выходную информацию о времени для выдачи ее потребителю через дисплей или соответствующие интерфейсы.

В качестве ближайшего аналога предлагаемого технического решения выбрано устройство [2] , в котором используется наиболее распространенный алгоритм обработки принимаемой информации на четность, а также выделение меток времени при декодировании и синхронизация выделенными метками местной шкалы времени (ШВ) с учетом задержки сигнала в приемнике, упрощенная структурная схема которого приведена в приложении.

К недостаткам вышеуказанных устройств следует отнести их слабую помехозащищенность (отсутствие защиты от сбоев преобразующих и декодирующих входную информацию устройств) и относительно низкую точность формирования местной ШВ. Так, например, основная погрешность слежения за метками времени, принимаемыми из эфира, в синхронометре ЧК7-50, в основе которого лежит устройство по патенту РФ 2017195, составляет 5 мкс, что обусловлено шумом и искажениями радиосигнала на трассе распространения и в приемнике устройства. При этом синхронизация местной ШВ внешним импульсом возможна с погрешностью 0,1-0,2 мкс.

Технической задачей, решение которой достигается предлагаемым устройством, является повышение помехозащищенности синхронизируемых радиочасов и их точности.

Сущность технического решения заключается в том, что в синхронизируемые радиочасы, содержащие последовательно соединенные приемник, вход которого является входом устройства, демодулятор, декодер, блок проверки и обработки информации и часы-календарь, которые включают последовательно соединенные кварцевый генератор, делитель частоты и счетчик, выходы N-разрядов которого являются информационным выходом устройства и соединены со вторыми входами блока проверки и обработки информации, выход которого подключен ко вторым входам счетчика, а выход делителя частоты является выходом шкалы времени устройства, введены два устройства формирования кода и последовательно соединенные измеритель временных интервалов, устройство сравнения, ко второму входу которого подключено первое устройство формирования кода, счетчик, второй счетный и третий вход которого соединены соответственно со вторым выходом устройства сравнения и выходом второго устройства формирования кода, решающий блок и ключ, второй вход которого и первый вход измерителя временных интервалов подключены ко второму выходу декодера, а выход ключа соединен со вторым входом делителя частоты, выход которого соединен со вторым входом измерителя временных интервалов, третий вход которого подключен к выходу кварцевого генератора.

На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема синхронизируемых радиочасов; на фиг. 2 – временные диаграммы выделенной и формируемой меток ШВ; на фиг.3 – функция распределения плотности вероятности модуля абсолютной погрешности формирования выделяемой метки ШВ и абсолютной погрешности формирования местной ШВ.

Синхронизируемые радиочасы содержат последовательно соединенные приемник 1 радиосигналов времени, вход которого является входом кодированного радиосигнала устройства, демодулятор 2, декодер 3, блок проверки и обработки информации 4 и часы-календарь 5, которые включают последовательно соединенные внутренний кварцевый генератор 6, делитель частоты 7 до 1 Гц и счетчик часов-календаря 8, выходы N-разрядов которого являются информационным выходом устройства и соединены со вторыми входами блока проверки и обработки информации 4, выход которого подключен ко вторым входам счетчика 8, а выход делителя частоты 7 является выходом шкалы времени 1 Гц устройства, последовательно соединенные измеритель временных интервалов (ИВИ) 9, устройство сравнения 10, ко второму входу которого подключено устройство формирования кода 11 заданного интервала, счетчик 12 по модулю q, второй счетный и третий вход которого соединены соответственно со вторым выходом устройства сравнения 10 и выходом устройства формирования 13 кода q, решающий блок 14 и ключ 15, второй вход которого и первый вход (“старт”) ИВИ 9 подключены ко второму выходу декодера 3, а выход ключа 15 соединен со вторым входом (сброса в “0”) делителя частоты 7, выход которого соединен со вторым входом (“стоп”) ИВИ 9, третий вход которого подключен к выходу кварцевого генератора 6.

Работа устройства заключается в следующем.

Кодированный радиосигнал времени из антенны поступает в приемник 1, где осуществляется фильтрация и усиление принимаемых фазомодулированных (ФМ) радиосигналов. Демодулятор 2 осуществляет выделение сигнала частоты ФМ, соответствующей принимаемому маркеру, разрядов секунд, минут, часов. Сформированные из сигнала маркеров импульсы синхронизируют работу всех узлов в устройстве. Декодер 3 осуществляет запись принимаемой информации и выдачу ее на блок проверки и обработки информации 4, который проверяет принятую информацию на четность и на поле допустимых значений, а также реализует нелинейный алгоритм обработки информации, позволяющий уменьшить вероятность ошибки при малых и средних уровнях ошибок. В каждом цикле выдачи меток времени с декодера 3 (1 раз в секунду) происходит измерение блоком ИВИ 9 интервала времени между моментом t_м выдачи метки времени с декодера 3 и моментом времени t_м выдачи местной ШВ с делителя частоты 7, т.е. величины /t_м-t_шв/ (см. фиг.2). После этого производится сравнение в блоке 10 измеренной величины с величиной заранее заданного интервала Т_3, код которого формируется устройством 11. Если при сравнении величина /t_м-t_шв/Т₃, то на первый вход “сброса в 0” счетчика 12 по модулю q выдается сигнал, сбрасывающий счетчик 12 в исходное нулевое состояние с устройства сравнения 10. Если при сравнении величина /t_м-t_шв/>Т₃, то на второй счетный вход счетчика 12 с устройства сравнения 10 поступает сигнал, увеличивающий числовое значение состояния счетчика 12 на единицу. При этом, если счетчик не достиг своего модуля счета q, то ключ 15 закрыт сигналом с решающего блока 14 и синхронизации делителя частоты 7 импульсом метки времени с декодера 3 не происходит. Если же число превышений подряд значений величины /t_м-t_шв/ значения Т₃ достигает модуля счета q счетчика 12, то ключ 15 открывается разрешающим сигналом с решающего блока 14 и в следующем цикле выдачи метки времени с декодера 3 импульс метки времени пройдет на делитель 7 частоты до 1 Гц и осуществит его синхронизацию.

В прототипе каждая выделенная декодером метка времени 1 Гц поступает на вход сброса в “0” делителя частоты до 1 Гц для его синхронизации (коррекции), при этом считаем, что погрешность синхронизации (коррекции) делителя до 1 Гц t_синхр<вх=Q_прот – среднее квадратическое отклонение случайной величины х= t_м-t_и, где t_м – момент времени выдачи очередного импульса метки на выходе декодера, t_и – соответствующий “истинный” момент времени выдачи импульса метки времени. Считаем при этом, что величина х нормально распределена с нулевым средним. При этих предположениях очевидно, что для прототипа отклонение момента выдачи ШВ 1 Гц от “истинного” момента времени имеет такое же распределение, что и величина x.

Очевидно также, что величина у=t_шв-t_и будет также нормально распределена, так как ее значения берутся из значений случайной величины x (см. фиг. 2). При этом значения величины x “далекие” от центра распределения, то есть от нулевого значения, приводящие к тому, что величина /t_м-t_шв/>Т₃, не берутся при синхронизации (или берутся очень редко) при правильном выборе q и Т₃ и заменяются на значения из x (более близкие к центру распределения), при которых /t_м-t_шв/Т₃. Таким образом, случайная величина у будет иметь более “узкую” функцию плотности вероятности W_y (см. фиг.3), а значит и меньшее среднее квадратическое отклонение.

Величину /t_м-t_шв/ можно представить следующим образом:
t_м-t_шв=(t_м-t_и)-(t_шв-t_и)=x-y
Дисперсия разности случайных величин Q² _x-y=Q² _х+Q² _у
При Q² _y<2 _x, Q² _x-yQ² _x.

При выборе q и Т₃ q не должно быть очень большим, так как при увеличении q увеличивается время переходного процесса – времени, при котором счетчик 12 не досчитал до своего модуля, т.е. возрастает доля времени переходного состояния в общем времени наблюдения, которое на практике конечно. При этом возрастает вероятность “ошибочного” формирования местной ШВ (за пределами по времени заданного Т₃), если вначале произошла синхронизация делителя частоты 7 выделенной меткой ШВ, которая находилась за пределами Т₃. Кроме того, Т₃ не должно быть очень малым, чтобы вероятность положения выделяемой метки ШВ за пределами Т₃ была <0,5, иначе вероятность “ошибочной” синхронизации делителя частоты 7 будет больше вероятности его “правильной” синхронизации, т.е. должно быть q=520, и 0,7 Q_Bx<Т₃Bx.

Практическая реализация блоков устройства выполнена на выпускаемых серийно микросхемах или программным образом.

Блоки 1 – 8 могут быть выполнены аналогично прототипу. Блок ИВИ 9 может быть реализован на триггере-формирователе строба “старт-стоп” (например, 1533 ТМ 2) – начало строба по первому приходящему импульсу (вход 1 или 2 блока 9) через объединяющую схему (ИЛИ – 1533ЛЛ1) на вход безусловной установки в “1”-“S (вход 1), конец строба – по следующему приходящему импульсу (с входа 1 или 2 блока 9) через другую объединяющую схему ИЛИ на счетный вход триггера (вход 3), при этом на вход D триггера подан лог. “0”, Выход строба (лог. “0” с вывода 6) должен быть подан на входы установки в “0” (вход R – вывод 14) нескольких микросхем К555 ИЕ 6 – двоично-десятичный реверсивный счетчик с асинхронной параллельной загрузкой, соединенных последовательно, разрешается счет тактовых импульсов, приходящих по входу 3 на блок 9 – на вывод 5 – первого счетчика К555 ИЕ 6 (счетный вход на увеличение). Выводы 3, 2, 6, 7 микросхем К555 ИЕ 6 – выходы кода измеренного интервала. Питание: +5 В – вывод 16, корпус – вывод 8.

Блок 10 может быть реализован на микросхемах типа К555СП1, – четырехразрядных цифровых компараторах. Выводы 10, 12, 13, 15 – входы кода числа А, поступающего с выхода ИВИ (блок 9). Выводы 9, 11, 14, 1 – входы кода числа В, представляющего заданное значение числа Tg. Вывод 4 – вход разрешения сравнения I(А>В) – на него необходимо подать высокий потенциал. На выводы 2-I (А<В) и 3-I (А=В) необходимо подать также высокое напряжение. Вывод 5 – выход (А>В), на котором появляется положительный импульс при А>В, служащий сигналом счета на вх. 2 блока 12. Аналогично вывод 7 (выход А<В) соединяется с входом 1 сброса блока 12, питание + 5 В – вывод 16, корпус – вывод 8.

Блоки 11 и 15 могут быть реализованы на счетчиках типа К555ИЕ6 (см. выше) с генератором одиночных импульсов на триггере (например, 1533ТМ2), управляемом от кнопки (по R-S входам), выход которого соединен со счетным входом (вход 5) первой в цепи последовательно соединенных микросхем К555ИЕ6. Выводы 3, 2, 6, 7 микросхем – выходы кода заданного интервала и кода q.

Блок 12 – на микросхеме К155ИЕ8 (программируемый счетчик с входом для переключения коэффициента деления), вывод 9 – счетный вход (вх. 2), выводы 4, 1, 14, 15, 2, 3 – входы поразрядного разрешения Е0Е5 (вх. 3), вывод 13 – вход R общего сброса (высоким уровнем) – вх. 1; вывод 5 – выход счетчика по модулю q (блок 12); питание + 5В – вывод 16, корпус – вывод 8.

Блок 13 – на логическом элементе И-НЕ микросхемы К555ЛАЗ, вывод 1 – вход импульса положительной полярности с выхода счетчика по модулю q, вывод 3 – выход сигнала разрешения синхронизации, поступающего на ключ 14.

Блок 14 – на логическом элементе И-НЕ микросхемы К555ЛАЗ, вывод 1 – вход сигнала разрешения положительной полярности с решающего блока 13 – при достижении счетчиком 12 модуля счета q; вывод 2 – вход импульса метки времени с выхода 2 декодера 3; вывод 3 – выход импульса синхронизации – сброса в 0 делителя частоты 7 до 1 Гц, поступающего на его второй вход.

Предлагаемое устройство синхронизированных радиочасов обладает меньшим средним квадратическим отклонением, то есть большей точностью формирования местной ШВ и большей помехозащищенностью, так как формирование местной ШВ осуществляется без сбоев и выбросов, без больших отклонений, обусловленных искажениями радиосигнала шумом на трассе и в приемнике, за счет того, что значения величины x “далекие” от центра распределения, то есть от нулевого значения, приводящие к тому, что величина /t_м-t_шв/>Т₃ не берутся при синхронизации и заменяются на значения из x (более близкие к центру распределения), при которых /t_м-t_шв/Т₃.

Изобретение может быть использовано в информационно-измерительных системах времени и частоты для синхронизации пространственно-разнесенных часов, приема кодированных радиосигналов точного времени, передаваемых специализированными радиостанциями.

ЛИТЕРАТУРА
1. Авторское свидетельство СССР 527689, кл. G 04 С 11/02, 1976.

2. Патент РФ 2017195, кл. Н 04 В 7/00, G 04 C 11/02, 1994 (прототип).

Формула изобретения

Синхронизируемые радиочасы, содержащие последовательно соединенные приемник, вход которого является входом устройства, демодулятор, декодер, блок проверки и обработки информации и часы-календарь, которые включают последовательно соединенные кварцевый генератор, делитель частоты и счетчик, выходы N-разрядов которого являются информационным выходом устройства и соединены со вторыми входами блока проверки и обработки информации, выход которого подключен ко вторым входам счетчика, а выход делителя частоты является выходом шкалы времени устройства, отличающиеся тем, что в них введены два устройства формирования кода и последовательно соединенные измеритель временных интервалов, устройство сравнения, ко второму входу которого подключено первое устройство формирования кода, счетчик, второй счетный и третий вход которого соединены соответственно со вторым выходом устройства сравнения и выходом второго устройства формирования кода, решающий блок и ключ, второй вход которого и первый вход измерителя временных интервалов подключены ко второму выходу декодера, а выход ключа соединен со вторым входом делителя частоты, выход которого соединен со вторым входом измерителя временных интервалов, третий вход которого подключен к выходу кварцевого генератора.

РИСУНКИ