CN102291122A - 一种控制晶振输出时钟的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制晶振输出时钟的方法及装置，包括：在晶振处于正常的控制状态时，保存对晶振进行控制的晶振压控电压；在失去外部参考时钟时，采用所保存的晶振压控电压对晶振进行控制。本发明中是晶振在失去GPS接收机输出的1秒参考时钟的情况下，仍然能对晶振压控电压进行控制，从而达到尽可能稳定输出时钟的效果，提高了系统的可靠性。本发明给出的方法简捷清晰，易于实现且无额外软硬件资源需求，可以作为具有GPS参考的恒温控制晶体振荡器(OCXO)、温度补偿晶体振荡器(TCXO)晶振在失去参考时继续稳定输出时钟下的一个通用方法，对于wimax等对时钟要求非常严格的系统，具有重要意义。

Description

一种控制晶振输出时钟的方法及装置

技术领域

本发明涉及时钟控制技术领域，尤其涉及一种控制晶振输出时钟的方法及装置。

背景技术

各类通讯产品和设备中广泛应用晶振振荡器(简称晶振)作为本地的时钟源。晶振的作用是为设备提供一个时钟信号源。在对时钟要求比较严格的情况下，例如，采用时分复用模式的Wimax(全球微波互联接入)等协议，时钟在整个协议中相当重要，如果网元中时钟不同步，就无法实现网元同步和切换基站等功能，导致用户无法通讯。

本地晶振产生的1S(秒)受温度、老化等的影响，在短时间内稳定，长时间运行后会有偏差，目前，可以采用GPS(全球卫星定位系统)接收机，在搜到足够数量的卫星后进行算法处理，输出稳定的1s作为参考时钟，来对本地时钟进行修正，可以使本地时钟尽可能稳定。

GPS接收机输出的1s脉冲是由接收的多颗卫星的原子钟信号合成而成，具有长时稳定性。在地球的任何地方，在天气好的时候一般都可以搜到8颗左右的卫星。卫星采用原子时钟，精度极高，GPS接收机内部具有固化的算法，进行计算后输出稳定的1s，但是，由于搜星受外部环境如天气、硬件状况的影响，而且1秒才能收到一次，不能完全代替本地时钟，所以采用本地时钟计数10M次作为本地的1s，用GPS接收机发出的1s，每1秒同步一次本地时钟。

如图1所示，现有技术中以GPS接收机发出的1s作为标准，用本地晶振输出的时钟每计数10M次作为一个本地输出的1s，和标准1s进行比较，每一个控制周期(即计算晶振的控制电压变化量并写晶振的数字模拟转换器的周期)对两个1s比较得到的偏差，进行PID(比例-积分-微分)运算得到晶振压控电压，设置一次晶振的模拟数字转换器，来调节晶振的输出频率，形成一个闭环控制，使得晶振输出的时钟能够不断向GPS接收机发出的1S靠近。

中国专利申请公开说明书CN200720069790.4公开了一种GPS/NTP双输入同步时钟，包括GPS接收单元、时间基准单元、时间保持单元OCXO振荡器、实时时钟、总线、至少一个输出卡和显示卡板，GPS接收单元一端与GPS天线连接，另一端与基准单元连接，基准单元分别与时间保持单元OCXO振荡器和实时时钟连接，同时通过总线与至少一个输出卡和显示卡板连接，其特征在于，基准单元和总线分别与NTP输入卡板连接，NTP输入卡板与RG45线缆连接。

中国专利申请公开说明书CN200510055360公开了一种射频拉远模块中时钟信号的数字锁相方法，涉及宽带码分多址(WCDMA)系统的射频拉远模块中时钟信号的数字锁相方法，该方法以时钟信号的数字锁相技术为核心，利用现场可编程门阵列(FPGA)实现数字锁相，其中以GPS接收机产生的1周期/秒(1S)方波信号或光传输物理接口模块提取的基站时钟30.7MHz方波信号分频后产生的1周期/秒信号做基准，通过数字锁相技术动态调整OCXO输出频率，以获得长期稳定的高精度时钟信号，从而为射频拉远模块中的其他单板提供高精度的同步时钟。

综上所述，现有方法都是将GPS接收机输出的1S作为外部参考时钟来校准本地时钟，但是，在失去GPS参考的情况下，本地时钟将处于不可控状态，长时间运行后会出现偏差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种控制晶振输出时钟的方法及装置，实现在失去外部参考时钟的情况下，晶振仍能输出稳定的时钟。

为解决上述技术问题，本发明的一种控制晶振输出时钟的方法，包括：

在晶振处于正常的控制状态时，保存对晶振进行控制的晶振压控电压；

在失去外部参考时钟时，采用所保存的晶振压控电压对晶振进行控制。

进一步地，采用所保存的晶振压控电压对晶振进行控制的方法为：

对若干个所保存的晶振压控电压求平均，将得到的平均值作为失去外部参考时钟时的晶振压控电压对晶振进行控制；或

从所保存的晶振压控电压中选择作为失去外部参考时钟时的晶振压控电压对晶振进行控制。

进一步地，该方法还包括：保存晶振压控电压时，设置一数据存储标识；

在完成晶振处于正常的控制状态时对晶振压控电压的保存后，将数据存储标识设置为标记数据存储完成；

在失去外部参考时钟时，根据数据存储标识将晶振切换到保持(holdover)状态，并执行采用所保存的晶振压控电压对晶振进行控制。

进一步地，在保存对晶振进行控制的晶振压控电压时，每个控制周期保存一次晶振压控电压；

若每个控制周期中产生多个晶振压控电压，则对该多个晶振压控电压求均值，对该均值进行保存。

进一步地，在未完成晶振处于正常的控制状态时对晶振压控电压的保存时，将数据存储标识设置为标记数据存储未完成；

在失去外部参考时钟时，根据数据存储标识将晶振切换到自由振荡状态。

进一步地，若晶振为恒温控制晶体振荡器(OCXO)，则还采用所保存的晶振压控电压计算对该OCXO进行老化补偿的去老化系数，将该去老化系数与上一次的在失去外部参考时钟时的晶振压控电压进行累加，对OCXO进行控制。

进一步地，计算对该OCXO进行老化补偿的去老化系数的方法包括：

从所保存的晶振压控电压中读取出两组数据x₁[i]和x₂[i]，分别对该两组数据求均值

和

计算第一子系数k1，

计算第二子系数k₂，计算母系数k_m，

计算第一保持系数

计算第二保持系数

计算

计算去老化系数Δv，

其中，A为固定系数，B＞0。

进一步地，一种控制晶振输出时钟的装置，包括：相互连接的数据存储模块和晶振控制模块；

数据存储模块，用于在晶振处于正常的控制状态时，保存对晶振进行控制的晶振压控电压；

晶振控制模块，用于在失去外部参考时钟时，从数据存储模块读取所保存的晶振压控电压，采用所读取的晶振压控电压对晶振进行控制。

进一步地，晶振控制模块采用所读取的晶振压控电压对晶振进行控制的方法为：

对若干个所读取的晶振压控电压求平均，将得到的平均值作为失去外部参考时钟时的晶振压控电压对晶振进行控制；或

从所读取的晶振压控电压中选择作为失去外部参考时钟时的晶振压控电压对晶振进行控制。

进一步地，该装置还包括标识设置模块；

数据存储模块，还用于在完成晶振处于正常的控制状态时对晶振压控电压的保存后，将通知标识设置模块数据保存完成；

标识设置模块，用于根据数据存储模块的通知，设置一数据存储标识为标记数据存储完成；

晶振控制模块，在失去外部参考时钟时，根据数据存储标识将晶振切换到保持(holdover)状态，并执行采用所保存的晶振压控电压对晶振进行控制。

综上所述，本发明中是晶振在失去GPS接收机输出的1秒参考时钟的情况下，仍然能对晶振压控电压进行控制，从而达到尽可能稳定输出时钟的效果，提高了系统的可靠性。本发明给出的方法简捷清晰，易于实现且无额外软硬件资源需求，可以作为具有GPS参考的恒温控制晶体振荡器(OCXO)、温度补偿晶体振荡器(TCXO)晶振在失去参考时继续稳定输出时钟下的一个通用方法，对于wimax等对时钟要求非常严格的系统，具有重要意义。

附图说明

图1为现有技术中采用GPS接收机输出的1s时钟作为参考对晶振进行控制的原理图；

图2为本实施方式实现控制晶振输出时钟的方法的流程图；

图3为本实施方式对OCXO晶振进行控制的方法的流程图；

图4为本实施方式实现控制晶振输出时钟的装置的架构图。

具体实施方式

本实施方式是在失去GPS接收机输出的1s作为参考时钟的情况下，保证晶振继续稳定地输出时钟，以克服在失去参考时钟的情况下，无法对晶振进行控制而对设备造成的影响，可以增加设备的可靠性。

目前采用GPS接收机输出的1s作为参考时钟时，晶振所处的状态可以分为：预热、粗调、精调1、精调2和自由振荡。

预热是指：单板开始上电时，GPS接收机与单板的CPU进行电文应答的准备过程，该过程不进行晶振的鉴相和电压控制等。

在GPS接收机完成初始化、接收卫星电文正常、连续10s状态为3D FIX或TIME模式和1S无错误的情况下，结束晶振预热阶段，如果具有外部的参考时钟，晶振可控，晶振可能进入的状态为：粗调、精调1和精调2。

粗调是指GPS接收机完成初始化之后，进入正常的晶振控制流程所处的第一个阶段。在晶振控制进入粗调状态之后，晶振在不断的调节本地的1s，向GPS的标准1s不断靠拢。根据一个控制周期得到的晶振压控电压均值所处的范围，以及多次比较相邻控制周期之间变化趋势，晶振状态相应地在粗调、精调1和精调2三种状态之间切换，其中精调2的时钟精确度最高。

自由振荡是指无法控制晶振，晶振自由运行，此刻晶振输出的时钟不可用，对于wimax基站而言，此刻终端全部脱网，接入、切换全部失败。现有技术中在失去外部参考时钟的情况下晶振进入自用振荡状态。

在晶振失去外部参考时钟的情况下，如果要使时钟尽可能维持稳定，就需要继续控制晶振压控电压，且晶振压控电压要尽可能靠近晶振正常控制时的电压数据，从1s状态来看，就是在失去外部参考时钟时，晶振仍然尽量不偏离1s，保持时钟的稳定性。

因此，本实施方式考虑对晶振增加一种状态：holdover(保持)状态，holdover状态是指晶振失去参考时钟时仍然能够稳定输出时钟的状态，能够对晶振的老化进行补偿，使晶振稳定输出时钟。

要使得晶振能够进入holdover状态，前提条件是在有GPS外部参考，晶振处于精调2状态时，存储晶振压控电压数据，该数据称为holdover数据。在不具备GPS接收机输出的1S作为外部参考时，如果存储了所需的holdover数据，则进入holdover状态；否则，进入自由振荡状态。

下面结合附图对本实施方式进行详细说明。

图2为本实施方式控制晶振输出时钟的方法，包括：

201：在晶振处于正常控制状态(如精调2)时，存储holdover数据；

在GPS接收机稳定输出1s的情况下，根据GPS输出的1s和本地1s鉴相的结果，根据PID(比例-积分-微分)算法在每个控制周期计算晶振压控电压，将计算得到是晶振压控电压发送给晶振的数模转换器，通过该数模转换器调节晶振的输出频率，以控制晶振的输出时钟。在晶振处于状态精调2时，晶振已处于稳定输出时钟的状态，因此，将精调2时的晶振压控电压作为holdover数据进行存储。

可以每个控制周期存储一次holdover数据，每个控制周期中的每一秒钟都在鉴相，如控制周期为5秒则产生5个晶振压控电压，求出这5个电压的均值，作为一个holdover数据，作为holdover数据的晶振压控电压可以存储到内存的一个数组中。

202：当完成数据存储后，设置一数据存储标识，标记holdover数据存储完成；

203：在晶振失去外部参考时钟时，根据数据存储标识判断holdover数据是否存储完成，如果已存储所需的holdover数据，则将晶振切换到holdover状态；

在GPS接收机受外界影响，搜星不足4颗或天馈异常等情况发生时，可能导致GPS接收机输出的1s消失，也就是失去外部参考时钟。

可以在失去外部参考时钟达到某一指定时间，如10秒左右时，将晶振切换到holdover状态，维持本地时钟不中断，维护时钟的正常输出。

如果未存储所需的holdover数据，则将晶振切换到自由振荡状态。

204：采用所存储的holdover数据，对晶振进行控制。

本实施方式中可以对所存储的holdover数据中的若干个求平均，将求得的平均值作为晶振压控电压，对晶振进行控制，也可以从所存储的holdover数据中选择数据作为晶振压控电压，对晶振进行控制。

目前的指标是可以保证在1小时内，本地1s的偏差在800ns之内，使得网元时钟可以保持同步。

应用示例1：

下面以对OCXO晶振进行控制为例说明本实施例的方法。

OCXO晶振体积较大，内部具有温度补偿电路，可以作为时钟模块的源头。OCXO作为高精密的频率源，应用于各种设备的时钟参考和基站的保持模式。如GSM、CDMA2000、TD-SCDMA和WCDMA等各种标准的基站、时间服务器、高精密检测仪器和军事通信设备等。

根据晶振的特性，计算出的晶振压控电压，可以最大程度满足晶振输出时钟与标准1s的偏离不大于1575ns，在晶振失去参考后，仍然可以在较长一段时间内锁定，保证时钟稳定可靠的输出。

OCXO晶振的特点是在不同时间段的变化曲线不一样，但是老化的趋势始终一致，在holdover状态要做的是对老化趋势进行补偿，将老化补偿回来。根据实验研究的结果，存储442个holdover数据，可以计算得出对晶振的老化进行补偿的晶振压控电压，使得晶振能够得到最精准的控制，从而仍然可以输出稳定的时钟。存储442个holdover数据，在控制周期为10秒时，需要4420秒能够存够所需的holdover数据。如果存满则从最低的空间开始重新存储，为OCXO晶振进入holdover状态后的应用做准备。

对于OCXO晶振，在失去参考时钟进入holdover状态后，可以启动一个计时器，每1秒加1，便于对holdover数据分阶段操作，如图3所示，控制晶振输出时钟的方法包括：

301：从进入holdover状态前存储的holdover数据中，读取若干个holdover数据(比如10个)存入holdover数组1中；

读取出的holdover数据最好是最新存储的数据。

302：从进入holdover状态前存储的holdover数据中，再读取出与holdover数组1中相同数量且不重复的holdover数据，存放到holdover数组2中；

303：分别求出holdover数组1和holdover数组2中数据的累加和；

304：对求出的两个累加和分别除以数组中存储的数据的个数，得到holdover均值1

和holdover均值2

305：启用一个计数器，初始计数值为0，将holdover数组1的第1个数据减去得到差值1，将计数器的值减去固定系数A(例如108.5)得到差值2，求差值1与差值2的乘积，累加到第一子系数(k₁)中(k₁的初始值为0)；采用同样的方法对holdover数组2求第二子系数(k₂)；将计数值减去固定系数A，对差值求平方，将结果累加到母系数(k_m)上(k_m的初始值为0)，并对计数器加1，重复执行上述操作；

例如，将442个holdover数据分为两组x₁[221]和x₂[221]，其中x₂[221]为近期的数据，采用B表示重复执行的次数，B＞0，本示例中B＝117。

步骤304可表示为： $\stackrel{\‾}{x_1}=\underset{i=0}{\overset{215}{\mathrm{\Σ}}}{x}_1\left[i\right]/221.0;$ $\stackrel{\‾}{x_2}=\underset{i=0}{\overset{215}{\mathrm{\Σ}}}{x}_2\left[i\right]/221.0;$

步骤305可表示为：

$k_1=\underset{i=0}{\overset{116}{\mathrm{\Σ}}}\left(x_i\right[i]-\stackrel{\‾}{x_1})(i-108.5)$

$k_2=\underset{i=0}{\overset{116}{\mathrm{\Σ}}}\left(x_2\right[i]-\stackrel{\‾}{x_2})(i-108.5)$

$k_m=\underset{i=0}{\overset{116}{\mathrm{\Σ}}}{(i-108.5)}^2$

306：对所存储的所有holdover数据中的最新的若干个数据，求出均值，四舍五入后得到晶振压控电压V，写一次晶振的数字模拟控制器，控制一次晶振；

例如，该操作可以在160秒等时刻执行，采用的若干个数据可以是所存储的所有holdover数据中的最新的36个数据。

307：用k₁除以k_m，得到第一holdover系数

用k₂除以k_m，得到第二holdover系数用

减去得到Δk；

步骤307可以表示为：

$\stackrel{\‾}{k_1}=k_1/k_m,$ $\stackrel{\‾}{k_2}=k_2/k_m,$ $\mathrm{\Δk}=\stackrel{\‾}{k_2}-\stackrel{\‾}{k_1};$

308：将

得到去老化系数Δv，将Δv与上一次的晶振压控电压V进行累加，四舍五入后，作为晶振压控电压写一次晶振的数字模拟控制器，控制晶振。

步骤308可以在4400秒时进行。

应用示例2：

TCXO是通过附加温度补偿电路，使环境温度变化产生的振荡频率变化量削减，以达到在宽温温度范围内满足稳定度要求的晶振振荡器。TCXO具有稳定度高、尺寸小，功耗低等优点，主要应用于无线小基站、导航设备和无线终端等产品。

对于TCXO晶振存储60个数据，可以计算得出对晶振的老化进行补偿的晶振压控电压，若控制周期为5秒，则需要300秒能够存够所需的holdover数据。

由于TCXO晶振只能保证在较短一段时间内稳定，晶振调节后老化趋势不固定，因此，在失去参考进入holdover状态后，只需要对存储的holdover数据求均值，将求得的均值四舍五入后，作为晶振压控电压写入晶振的DAC，控制一次晶振，根据实测结果，采用60个数据的均值即可保持在1小时内1s的偏差在800ns之内，若需要对保持的时间进行控制，可根据需要选择求均值的holdover数据的数量。

如图4所示，本实施方式还公开了一种控制晶振输出时钟的装置，包括：相互连接的数据存储模块、晶振控制模块和标识设置模块；

数据存储模块，用于在晶振处于正常的控制状态时，保存对晶振进行控制的晶振压控电压；在完成对晶振压控电压的保存后，通知标识设置模块数据保存完成。

标识设置模块，用于根据数据存储模块的通知，设置一数据存储标识为标记数据存储完成。

晶振控制模块，用于在失去外部参考时钟时，根据数据存储标识，将晶振切换到holdover状态从数据存储模块读取所保存的晶振压控电压，采用所读取的晶振压控电压对晶振进行控制。晶振控制模块采用所读取的晶振压控电压对晶振进行控制的方法为：对若干个所读取的晶振压控电压求平均，将得到的平均值作为失去外部参考时钟时的晶振压控电压对晶振进行控制；或从所读取的晶振压控电压中选择作为失去外部参考时钟时的晶振压控电压对晶振进行控制。

本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。

Claims (10)

1.一种控制晶振输出时钟的方法，包括：

在晶振处于正常的控制状态时，保存对所述晶振进行控制的晶振压控电压；

在失去外部参考时钟时，采用所保存的晶振压控电压对所述晶振进行控制。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用所保存的晶振压控电压对所述晶振进行控制的方法为：

对若干个所保存的晶振压控电压求平均，将得到的平均值作为失去外部参考时钟时的晶振压控电压对所述晶振进行控制；或

从所保存的晶振压控电压中选择作为失去外部参考时钟时的晶振压控电压对所述晶振进行控制。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该方法还包括：保存所述晶振压控电压时，设置一数据存储标识；

在完成晶振处于正常的控制状态时对所述晶振压控电压的保存后，将所述数据存储标识设置为标记数据存储完成；

在失去外部参考时钟时，根据所述数据存储标识将所述晶振切换到保持(holdover)状态，并执行所述采用所保存的晶振压控电压对所述晶振进行控制。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：

在保存对所述晶振进行控制的晶振压控电压时，每个控制周期保存一次晶振压控电压；

若每个控制周期中产生多个晶振压控电压，则对该多个晶振压控电压求均值，对该均值进行保存。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于：

在未完成晶振处于正常的控制状态时对所述晶振压控电压的保存时，将所述数据存储标识设置为标记数据存储未完成；

在失去外部参考时钟时，根据所述数据存储标识将所述晶振切换到自由振荡状态。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于：

若所述晶振为恒温控制晶体振荡器(OCXO)，则还采用所保存的晶振压控电压计算对该OCXO进行老化补偿的去老化系数，将该去老化系数与上一次的在失去外部参考时钟时的晶振压控电压进行累加，对所述OCXO进行控制。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述计算对该OCXO进行老化补偿的去老化系数的方法包括：

从所保存的晶振压控电压中读取出两组数据x₁[i]和x₂[i]，分别对该两组数据求均值

和

计算第一子系数k₁，

计算第二子系数k₂，

计算母系数k_m，

计算第一保持系数

计算第二保持系数

计算

计算去老化系数Δv，

其中，A为固定系数，B＞0。

8.一种控制晶振输出时钟的装置，包括：相互连接的数据存储模块和晶振控制模块；

所述数据存储模块，用于在晶振处于正常的控制状态时，保存对所述晶振进行控制的晶振压控电压；

所述晶振控制模块，用于在失去外部参考时钟时，从所述数据存储模块读取所保存的晶振压控电压，采用所读取的晶振压控电压对所述晶振进行控制。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述晶振控制模块采用所读取的晶振压控电压对所述晶振进行控制的方法为：

对若干个所读取的晶振压控电压求平均，将得到的平均值作为失去外部参考时钟时的晶振压控电压对所述晶振进行控制；或

从所读取的晶振压控电压中选择作为失去外部参考时钟时的晶振压控电压对所述晶振进行控制。

10.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，该装置还包括标识设置模块；

所述数据存储模块，还用于在完成晶振处于正常的控制状态时对所述晶振压控电压的保存后，将通知所述标识设置模块数据保存完成；

所述标识设置模块，用于根据所述数据存储模块的通知，设置一数据存储标识为标记数据存储完成；

所述晶振控制模块，在失去外部参考时钟时，根据所述数据存储标识将所述晶振切换到保持(holdover)状态，并执行所述采用所保存的晶振压控电压对所述晶振进行控制。

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