一种北斗+GPS双信号同步时钟的铁路移动通信授时系统的制作方法

本实用新型属于铁路移动通信时间同步领域，具体涉及一种北斗+GPS双信号同步时钟的铁路移动通信授时系统。

背景技术：

铁路移动通信时间同步时钟源具备授时、守时功能，为铁路通信基础承载网和综合业务各个子系统提供高精度、高可靠性的基准时间信号，是铁路通信网必不可少的支撑系统。

随着高铁移动通信技术要求越来越高，传统的网络服务已经难以满足铁路发展的要求，铁路移动通信系统需要进一步演进，下一代铁路移动通信制式已在研究当中，时间同步网也必须适应新的需求求，满足下一代的铁路移动通信要求。

目前铁路时间同步系统采用GPS作为外部时间单一授时基准，其安全性是长期困扰我国网络规划建设的重大问题。我国的北斗卫星导航系统授时性能已能满足通信领域中的应用要求，使用北斗+GPS双模信号作为外部时间基准的同步时钟源，是铁路下一代移动通信的方向。

北斗/GPS双模信号同步时钟源，其电磁兼容性是其可靠性保证的一个不可忽视的问题。

铁路时间同步时钟源一般装备在地面机房、移动基站或列车的控制室。在这些地方，各种电气、电子设备非常多，而且设备越来越高速化、小型化、复杂化。尤其是在高速列车上，还存在高压接触网、在列车内经常使用的电子设备、空间电磁波、功率强大的广播发射机、牵引电路电流与轨道电路电流在钢轨上产生电导性耦合、雷电沙暴引起的电晕放电等干扰，电磁环境更加恶劣。

目前的铁路系统使用的同步时钟源只有GPS一种接收机，时间精度相对比较低，外部接口也单一，功能也简单，电路的复杂程度低，因此其电磁兼容设计相对简单。

铁路下一代的同步时钟源采用北斗和GPS两种接收机，时间精度要求很高，外部接口丰富，功能多样，电路的复杂程度很高。所以，使其具有优良的抗干扰性能和电磁兼容性能，就显得尤为重要。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种北斗+GPS双信号同步时钟的铁路移动通信授时系统。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种北斗+GPS双信号同步时钟的铁路移动通信授时系统，该授时系统包括电源模块以及依次连接的北斗/GPS天馈部分、北斗/GPS接收机、主控守时授时电路、接口模块，所述电源模块分别为北斗/GPS接收机、主控守时授时电路和接口模块供电；

还包括主控守时授时电磁兼容电路，电连接所述主控守时授时电路；

接口模块电磁兼容电路，电连接所述接口模块；

电源模块电磁兼容电路，电连接所述电源模块。

可选地，所述北斗/GPS天馈部分包括电连接于天线末端的射频防雷器以及与射频防雷器连接的预选频段衰减器、与预选频段衰减器的连接的窄带滤波器；所述窄带滤波器与北斗/GPS接收机电连接。

可选地，所述主控守时授时电路包括D/A转换电路、运算放大器电路和恒温晶振；所述主控守时授时电磁兼容电路包括EMI抑制滤波器L3、EMI抑制滤波器L4和EMI抑制滤波器L5；所述D/A转换电路的电源端经EMI抑制滤波器L3与电源VCC连接，接地端经0欧电阻接地；所述运算放大器电路的电源端经EMI抑制滤波器L4与电源VCC连接，接地端经0欧电阻接地；所述恒温晶振的电源端经EMI抑制滤波器L5与电源VCC连接，接地端经0欧电阻接地。

可选地，所述接口模块包括1PPS秒输入接口、秒分时输出接口、10MHz输出接口、ToD输入接口、ToD输出接口、IRIG-B输入接口、IRIG-B输出接口、NTP协议接口、PTP协议接口；所述ToD输入接口、ToD输出接口为RS232接口；所述IRIG-B输入接口、IRIG-B输出接口为RS422接口；所述接口模块电磁兼容电路包括RS232接口电路电磁兼容电路和RS422接口电路电磁兼容电路。

可选地，所述RS232接口电路电磁兼容电路包括依次连接限流电路、滤波电路和防护电路；所述限流电路包括电阻R6～R7，所述滤波电路包括电容C1～C4和滤波磁珠L6～L7，所述防护电路包括瞬态抑制二极管TVS1～TVS2；所述电阻R6的一端连接于RS232接口芯片的RX端，电阻R6的另一端分别连接于电容C4的一端、滤波磁珠L6的一端，滤波磁珠L6的另一端分别连接电容C2的一端、瞬态抑制二极管TVS2的一端、RS232接口芯片的RXD端；所述电阻R7的一端连接于接口芯片的TX端，电阻R7的另一端分别连接于电容C3的一端、滤波磁珠L7的一端，滤波磁珠L7的另一端分别连接电容C1的一端、瞬态抑制二极管TVS1的一端、RS232接口芯片的TXD端；所述电容C1的另一端、电容C2的另一端、瞬态抑制二极管TVS1的另一端、瞬态抑制二极管TVS2的另一端分别接接口地；电容C3的另一端、电容C4的另一端分别接数字地；所述接口地与所述数字地之间连接有电容C5。

可选地，所述RS422接口电路电磁兼容电路包括共模电感L8、电容C5～C7、瞬态抑制二极管TVS3～TVS5、热敏电阻RTC1～RTC2和三端气体放电管G，接口芯片的电源端与共模电感L8的输入端连接，电容C5与电容C6串联连接后并联于共模电感L8的输入端的两端之间；瞬态抑制二极管TVS5并联于共模电感L8的输入端的两端之间；瞬态抑制二极管TVS3与瞬态抑制二极管TVS4串联连接后并联于共模电感L8的输入端的两端之间；所述电容C5与电容C6的公共端接数字地，所述瞬态抑制二极管TVS3与瞬态抑制二极管TVS4的公共端接数字地；所述热敏电阻RTC1的一端与瞬态抑制二极管TVS3的非公共端连接，另一端与三端气体放电管G的一电源端连接；所述热敏电阻RTC2的一端与瞬态抑制二极管TVS4的非公共端连接，另一端与三端气体放电管G的另一电源端连接；所述电容C7连接于数字地与接口地之间。

可选地，所述电源模块电磁兼容电路包括交流电源输入防雷击电路、交流电源输入电磁兼容电路和直流电源输出电磁兼容电路。

可选地，所述交流电源输入防雷击电路包括保险管F1、保险管F2、热敏电阻RTC3～RTC5和三端气体放电管G3；所述保险管F1的一端连接火线，另一端分别连接热敏电阻RTC3的一端、热敏电阻RTC4的一端；所述保险管F2的一端连接零线，另一端分别连接热敏电阻RTC5的一端、热敏电阻RTC4的另一端；热敏电阻RTC3的另一端、热敏电阻RTC5的另一端经三端气体放电管G3接地。

可选地，所述交流电源输入电磁兼容电路包括压敏电阻RV、电阻R16、共模电感L10～共L11和电感L12～L14，所述的压敏电阻RV、电阻R16和电容C14连接于零线与火线之间，所述电容C14还并联于共模电感L10的输入端之间；电感C15同时并联于共模电感L10的输出端、共模电感L11的输入端；电容C16并联于共模电感L11的输出端，所述电容C17与电容C18串联连接后并联于电容C16的两端，电容C17与电容C18的非公共端接PE线，所述PE线上串联连接有电感L14，所述电容C17的非接地端与电感L12串联连接，电容C18的非接地端与电感L13串联连接。

可选地，所述直流电源输出电磁兼容电路包括共模电感L14、电感L15、和电容C19～C20；所述共模电感L14的输入端连接电源输入端，输出端并联连接电容C19，电容C20与电容C19并联连接；所述电感L15串联于电容C19与电容C20之间。

如上所述，本实用新型的一种北斗+GPS双信号同步时钟的铁路移动通信授时系统，具有以下有益效果：

本实用新型在天馈防护、信号接口防护、电源防护等方面进行了大量的设计，保证了这些接口的高抗干扰性能，在接口和电路中进行了大量的电磁兼容设计，使得同步时钟源设备降低了传导干扰和辐射干扰，增强了抗外界谐波电流瞬态脉冲、静电放电、电快速瞬变脉冲群、浪涌冲击等干扰的能力。

附图说明

图1为系统模块组成原理图；

图2为北斗/GPS天馈部分组成原理图；

图3为主控守时授时电路的电磁兼容电路；

图4为RS232接口的电磁兼容电路；

图5为RS485接口的电磁兼容电路；

图6为以太网接口的电磁兼容电路；

图7为交流电源输入防雷击电路；

图8为交流电源输入电磁兼容电路；

图9为直流电源输出电磁兼容电路。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。

请参阅图1至图9。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

请参阅图1～图9，本实用新型提供一种北斗+GPS双信号同步时钟的铁路移动通信授时系统，包括北斗/GPS天馈部分、北斗/GPS接收机、主控守时授时电路、接口模块、电源模块几个模块电路，如图1所示，对每个模块分别进行不同的电磁兼容处理。

天线通常安装在室外，安装位置比较高，容易被雷击，本实用新型在天线的馈线的两端加装射频防雷器，以保证浪涌冲击抗扰度。如图2所示。

北斗/GPS接收机动态范围非常低，通常使用自动增益控制(AGC)电路自动调整输入信号电平，达到一定的灵敏度。如果干扰信号出现在北斗/GPS天线附件且其功率高于热噪声，AGC电路将受到干扰信号的影响，而将GPS信号抵制。所以北斗/GPS接收机的天线和前端一般都加入滤波电路，使北斗/GPS信号带宽外的干扰信号得到抑制。但是如果北斗/GPS信号带宽范围外的信号足够强，GPS天线和前端过滤电路不足以将其抑制，AGC仍会受到其影响。另外，高电平的干扰信号也会使北斗/GPS接收机前端的放大电路产生非线性影响，使GPS接收机灵敏度降低。卫星天线安装环境一般比较复杂，共站址建设比较普遍，当卫星天线安装在基站的铁塔上，与基站的天线距离很近，若基站天线的发射信号功率比较大，会将北斗/GPS接收机的底噪抬得很高，接收机信号就有可能淹没在噪声里。基站的发射信号还有可能与其他的信号产生交调、互调或谐波干扰信号，其频段若在卫星频率附近，就会干扰卫星信号。本实用新型在天线的输出端加装可调的基站信号预选频段衰减器和窄带滤波器。在卫星信号进入接收机之前，对基站频段的信号根据其强弱程度，进行前期可调衰减处理和滤波处理，可以降低接收机底噪，滤除干扰信号，提高卫星信号的灵敏度。

北斗/GPS接收机是射频模块，极易受到干扰，也容易产生干扰信号，本实用新型采取金属壳屏蔽的方法，将北斗和GPS的射频前端和基带处理部分屏蔽，解决电磁骚扰问题。

于本实施例中，北斗/GPS天馈部分如图2所示，在天线的输出端加装射频防雷器、可调信号预选频段衰减器、窄带滤波器。

于本实施例中，主控守时授时电路属于数字处理电路，其电路板的布局、布线和接地不合理都会造成电磁干扰，本实用新型从电源、地线的处理方面进行了电磁兼容设计。按照功能单元划分为守时单元和授时单元，守时单元以FPGA芯片为核心，授时单元以ARM为核心，每个单元之间电源单独布线，通过EMI抑制滤波器联通。数字电路的地线单独布线、模拟电路的地线单独布线，高精度恒温晶振属于高频振荡电路，其地线单独布线，晶振底部全部布为地线，各个地线与电源地线通过0欧电阻。

具体地，主控守时授时电路如图3所示L1～L5为EMI抑制滤波器，各个功能单元的电源通过EMI抑制滤波器，接到系统电源上。R1～R5为0欧电阻，各个功能单元的地线通过0欧电阻与系统电源地线连接。

更加具体地，所述主控守时授时电路包括ARM芯片、FPGA芯片、D/A转换电路、运算放大器电路和恒温晶振；所述主控守时授时电磁兼容电路包括EMI抑制滤波器L1、EMI抑制滤波器L2、EMI抑制滤波器L3、EMI抑制滤波器L4和EMI抑制滤波器L5；所述ARM芯片的电源端经EMI抑制滤波器L1与电源VCC连接，接地端经0欧电阻接地；所述FPGA芯片的电源端经EMI抑制滤波器L2与电源VCC连接，接地端经0欧电阻接地；所述D/A转换电路的电源端经EMI抑制滤波器L3与电源VCC连接，接地端经0欧电阻接地；所述运算放大器电路的电源端经EMI抑制滤波器L4与电源VCC连接，接地端经0欧电阻接地；所述恒温晶振的电源端经EMI抑制滤波器L5与电源VCC连接，接地端经0欧电阻接地。

于本实施例中，所述接口模块包括1PPS秒输入接口、秒分时输出接口、10MHz输出接口、ToD输入接口、ToD输出接口、IRIG-B输入接口、IRIG-B输出接口、NTP协议接口、PTP协议接口；所述ToD输入接口、ToD输出接口为RS232接口；所述IRIG-B输入接口、IRIG-B输出接口为RS422接口；所述接口模块电磁兼容电路包括RS232接口电路电磁兼容电路和RS422接口电路电磁兼容电路。

具体到本实施例中，RS232接口在应用的过程中通信电缆容易耦合外部的干扰对信号传输造成一定的影响，单板内部的干扰也可能通过电缆形成对外辐射。本实用新型采用如图4所示电路，由电感和电容组成滤波电路，用于抑制电路上的高频干扰和线路上的干扰；采用耐压要求达到2KV以上的耐压电容，防止浪涌冲击；采用TVS管组成防护电路，防止在进行热插拔过程中，产生大的干扰能量和静电干扰对电路进行冲击而导致芯片损坏。设备采用金属外壳，电路板独立的划分出接口地，金属外壳与接口地直接电气连接，且电路板地与接口地通过1000pF电容相连。

更加具体地，RS232接口电路电磁兼容电路如图4所示，L6、L7、C1、C2、C3、C4组成滤波电路，L6、L7为滤波磁珠，用于抑制电路上的高频干扰；C1、C2、C3、C4为滤波电容，用于滤除线上的干扰；R6、R7为限流电阻；C5为接口地和数字地之间的跨接电容，典型取值为1000pF，耐压要求达到2KV以上；TVS1、TVS2为TVS管，组成防护电路，防止在进行热插拔过程中，产生大的干扰能量和静电干扰对电路进行冲击而导致芯片损坏。

具体到本实施例中，RS422用于设备与计算机或其它设备之间通讯，在应用中其走线多与电源、功率信号等混合在一起，存在EMC隐患。RS422接口走线距离长，易产生过压。RS422接口走线多在室外，易遭受雷击。本实用新型采用如图5所示电路，共模电感衰减共模干扰，对电路板内部的干扰以及外部的干扰都能抑制，能提高产品的抗干扰能力，同时也能减小信号线对外的辐射；采用滤波电容，给干扰提供低阻抗的回流路径，能有效减小对外的共模电流以同时对外界干扰能够滤波；采用耐压要求达到2KV以上的耐压电容，防止浪涌冲击；采用三端气体放电管组成第一级防护电路，用于抑制线路上的共模以及差模浪涌干扰，防止干扰通过信号线影响下一级电路；采用热敏电阻PTC电阻组成第二级防护电路；采用TVS管组成第三级防护电路。设备采用金属外壳，电路板独立的划分出接口地，金属外壳与接口地直接电气连接，且电路板地与接口地通过1000pF电容相连。

更加具体地，RS422接口电路电磁兼容电路如图5所示，L8为共模电感，用于衰减共模干扰，对电路板内部的干扰以及外部的干扰都能抑制，同时也能减小通过信号线对外的辐射；C5、C6为滤波电容，给干扰提供低阻抗的回流路径，能有效减小对外的共模电流以同时对外界干扰能够滤波；C7为接口地和数字地之间的跨接电容，典型取值为1000pF，耐压要求达到2KV以上；G为三端气体放电管组成第一级防护电路，用于抑制线路上的共模以及差模浪涌干扰，防止干扰通过信号线影响下一级电路；气体放电管标称电压VBRW，为保证气体放电管能顺利的导通，泄放大能量必须增加此电阻进行分压，确保大部分能量通过气体放电管走掉；RTC1、RTC2为热敏电阻组成第二级防护电路；TVS3～TVS5为TVS管，组成第三级防护电路。

具体到本实施例中，NTP协议接口、PTP协议接口为以太网接口，本实用新型采用如图6所示电路，为防止雷电干扰，给雷电电流以泄放电路，把高压在变压器之前泄放掉，通过气体放电管和TVS组成两级防护电路。为了抑制RJ45接口通过电缆带出的共模干扰，将常规网络变压器改为接口带有共模抑制作用的网络变压器；RJ45接口的NC空余针脚采用BOB-smith电路设计，以达到信号阻抗匹配，抑制对外干扰的作用；网络变压器虽然带有隔离作用，但是由于变压器初次级线圈之间存在着几个pF的分布电容，为了提升变压器的隔离作用，在变压器的次级电路上增加对地滤波电容；在变压器驱动电源电路上，增加EMI抑制滤波器，抑制电源系统带来的干扰。设备采用金属外壳，电路板独立的划分出接口地，金属外壳与接口地直接电气连接，且电路板地与接口地通过1000pF电容相连。

更加具体地，以太网接口如图6所示，G1、G2为三端气体放电管组成第一级防护电路，用于抑制线路上的共模以及差模浪涌干扰，防止干扰通过信号线影响下一级电路；SLV2.8-4为四组TVS管，组成第二级防护电路；为了抑制RJ45接口通过电缆带出的共模干扰，将常规网络变压器改为接口带有共模抑制作用的网络变压器，变压器如图6中T1所示。RJ45接口的NC空余针脚采用BOB-smith电路设计，通过R12、R13的75欧的电阻及电容C8接地，以达到信号阻抗匹配，抑制对外干扰的作用；C9、C12、C13为变压器次级对地滤波电容，提升变压器的隔离作用；L9、C10、C11为变压器驱动电源电路LC滤波，抑制电源系统带来的干扰，L9为EMI抑制滤波器。

于本实施例中，本实用新型电源模块的交流电源输入防雷击电路的电路如图7所示，由压敏电阻进行差模保护，压敏电阻和气体放电管串联组成共模保护。

具体地，由压敏电阻RTC2进行差模保护；压敏电阻RTC1、RTC3和气体放电管G3串联组成共模保护；F1、F2为保险管。

于本实施例中，本实用新型电源模块的交流输入电磁兼容电路的电路如图8所示，通过两级共模电感和电容组成的共模滤波器滤除共模干扰；再通过一级电感和电容组成的差模滤波器，用于滤除差模干扰。

具体地，通过共模电感L10、L11和电容C1、C2、C3组成两级共模滤波器滤除共模干扰；通过电感L12、L13滤除差模干扰；电容C17、C18也用于滤除共模干扰，电阻R16用于消除滤波器中可能出现的静电积累。

于本实施例中，本实用新型电源模块的直流输出电磁兼容电路如图9所示，通过一级共模电感和电容组成的共模滤波器滤除共模干扰；再通过一级电感和电容组成的差模滤波器，用于滤除差模干扰。

具体地，通过共模电感L14和电容C19组成一级共模滤波器滤除共模干扰；再通过电感L15和电容C20组成一级差模滤波器，用于滤除差模干扰。

于本实施例中，本实用新型设备外壳采用经过防磁处理的金属外壳，起到屏蔽作用。

综上所述，本实用新型使得同步时钟源在电磁骚扰发射、谐波电流瞬态脉冲抗扰度、静电放电抗扰度、电快速瞬变脉冲群抗扰度、浪涌冲击抗扰度几个方面的性能得到大幅提高，保证了时钟源的高可靠性。

本领域技术人员可以理解的是，本实用新型中涉及到的相关模块及其实现的功能是在改进后的硬件及其构成的装置、器件或系统上搭载现有技术中常规的计算机软件程序或有关协议就可实现，并非是对现有技术中的计算机软件程序或者有关协议进行改进。例如，改进后的计算机硬件系统依然可以通过装载现有的软件操作系统来实现该硬件系统的特定功能。因此，可以理解的是，本实用新型的创新之处在于对现有技术中硬件模块的改进及其连接组合关系，而非仅仅是对硬件模块中为实现有关功能而搭载的软件或协议的改进。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。