CN102857196B - 一种动态补偿晶体频偏的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种动态补偿晶体频偏的方法，包括，在同步过程正常时，获得鉴相值正常的结果压控值，同时采集数模转换器DAC值正常的压控值，对压控值根据温度和时间分类处理；根据所述分类处理的压控值，获得晶体的温度参数和老化参数；在同步单元得不到同步信息后，利用所述温度参数和老化参数补偿所述结果压控值得到同步再生信号。本发明还提供了一种动态补偿晶体频偏的系统。采用本发明的技术方案，引入了学习算法，通过CPU学习每颗晶体的个体温度特性和老化特性，并对其补偿，得到了稳定再生同步信号，提高了晶体的稳定性，使得晶体的保持能力得到进一步提升。

Description

一种动态补偿晶体频偏的方法及系统

技术领域

本发明涉及通信领域，特别地涉及一种动态补偿晶体频偏的方法及系统。

背景技术

在通信技术领域，TDD系统是被广为使用的一种复用方式，但是其对时间同步要求也异常严格。一般都要求时间同步在10us以内，甚至更小；同时对频率稳定度也有非常高的要求，一般在0.1ppm甚至更小。

如图1所示，为采用晶体单元提供时间同步信号的系统架构图；具体包括同步单元、CPU、FPGA(Field－Programmable Gate Arra，即现场可编程门阵列)、晶体单元，晶体单元一般为TCXO(Temperature Compensate X'tal(crystal)Oscillator，温度补偿晶体振荡器)或OCXO(Oven Controlled CrystalOscillator)恒温晶体振荡器)，CPU连接存储器，FPGA内包括鉴相器，还包括DAC(Digital to Analog Converter，数模转换器)，驱动器，以及外部PLL(Phase Locked Loop，锁相环)等。

因此，目前的通用做法是：在TDD系统中一般采用稳定度较高的晶体，提供稳定的频率。同时利用晶体对外部接收的同步信号进行处理，输出一个再生的时间同步，如图2所示，提供了一种采用晶体单元提供时间同步信号的方法，具体为，

S201，同步单元正常时，提取同步时钟脉冲给FPGA内的鉴相器，同时晶体单元提供高稳时钟给FPGA内的鉴相器；

S202，鉴相器输出当前频率误差量；

S203，CPU根据当前频率误差量，利用鉴相算法计算DAC(Digital toAnalog Converter，数模转换器)输出的模拟信号，调整晶体输出频率；

S204，重复上述步骤使晶体单元输出频率稳定，且和同步信号同步，输出稳定的同步再生信号。

但是同步信号往往会出现丢失的情况，而TDD系统要求在同步信号丢失后，系统要能够保持一段时间。

这个保持能力(Holdover)，就需要依靠晶体的稳定性。而晶体的频率稳定度，又是随温度和自身的老化变化，这个变化会影响保持能力的性能。而现有技术，没有明确的算法可以区分两个不同特性的学习获取过程，只是机械的对出现过的温度进行补偿，不能实现不同的温度特性和老化特性组合，实现针对不同温度和不同老化时间的灵活的动态补偿。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供了一种动态补偿晶体频偏的方法，以解决现有技术中不能有效补偿晶体频偏的问题；本发明还提供了一种动态补偿晶体频偏的系统。

为解决上述问题，本发明提供了一种动态补偿晶体频偏的方法，包括，

在同步过程正常时，获得鉴相值正常的结果压控值，同时采集数模转换器DAC值正常的压控值，对压控值根据温度和时间分类处理；

根据所述分类处理的压控值，获得晶体的温度参数和老化参数；

在同步单元得不到同步信息后，利用所述温度参数和老化参数补偿所述结果压控值得到同步再生信号。

进一步地，所述获得鉴相值正常的结果压控值具体为，

在鉴相值正常运行时，同步信号正常后，记录最近的N个压控值，实时加权计算出结果压控值Vc，N≥1。

进一步地，所述采集DAC值正常的压控值，对压控值根据温度和时间分类处理具体为，

所述DAC值为正常运行时，且同步正常后，记录压控值V(n,t,T)，其中n代表具体记录数量,t代表温度，T代表一段连续时间；

在一段连续时间T₁内，记录m个温度，在某一个温度时，记录n个数值；

记录另外一段连续时间T₂内，记录m个温度，在某一个温度时，记录n个数值。

进一步地，获得晶体的老化参数具体为，

分别从T₁和T₂中选取温度值对应的压控值，进行差值计算，获得老化引入的压控电压变化△V_o；

根据晶体频率与电压转换公式获得晶体的老化参数△f_o。

进一步地，获得晶体的温度参数具体为，

在T时间段内，根据记录各温度时的压控值V(t_m,T)，获得温度变化引入的压控电压变化△V_t，根据晶体频率与电压转换公式获得晶体的温度参数△f_t；

对△f_t数据进行加权平均，将加权平均的数据作为温度参数进行保存。

进一步地，利用所述温度参数和老化参数补偿所述结果压控值得到同步再生信号具体为，

当同步信号丢失后，使压控端电压的值为Vc；

同时利用温度传感器，采集晶体温度，当发现温度变化时，查找温度参数；

利用其他再生的同步信号，统计同步信号丢失时间，当丢失时间超过门限时间后，利用老化参数进行补偿；

并将温度参数和老化参数结合为△f；

根据晶体频率与电压转换公式将频率变化△f转换成补偿电压△V_{DAC_TUNE}，将该电压补偿到当前压控端电压Vc上得到同步再生信号。

本发明还提供了一种动态补偿晶体频偏的装置，包括，

数据获取和处理模块，用于在同步过程正常时，获得鉴相值正常的结果压控值，同时采集数模转换器DAC值正常的压控值，对压控值根据温度和时间分类处理；

参数获取模块，用于根据所述分类处理的压控值，获得晶体的温度参数和老化参数；

补偿模块，用于在同步单元得不到同步信息后，利用所述温度参数和老化参数补偿所述结果压控值得到同步再生信号。

进一步地，所述数据处理模块具体用于在鉴相值正常运行时，同步信号正常后，记录最近的N个压控值，实时加权计算出结果压控值Vc，N≥1；以及

在所述DAC值为正常运行时，且同步正常后，记录压控值V(n,t,T)，其中n代表具体记录数量,t代表温度，T代表一段连续时间；

在一段连续时间T₁内，记录m个温度，在某一个温度时，记录n个数值；

另外一段连续时间T₂内，记录m个温度，在某一个温度时，记录n个数值。

进一步地，所述参数获取模块用于获得晶体的老化参数具体为，

分别从T₁和T₂中选取温度值对应的压控值，进行差值计算，获得老化引入的压控电压变化△V_o；

根据晶体频率与电压转换公式获得晶体的老化参数△f_o；

所述参数获取模块用于获得晶体的温度参数具体为，

在T时间段内，根据记录各温度时的压控值V(t_m,T)，获得温度变化引入的压控电压变化△V_t，根据晶体频率与电压转换公式获得晶体的温度参数△f_t；

对△f_t数据进行加权平均，将加权平均的数据作为温度参数进行保存。

进一步地，所述补偿模块用于利用所述温度参数和老化参数补偿所述结果压控值得到同步再生信号具体为，

用于在同步信号丢失后，使压控端电压的值为Vc；

同时利用温度传感器，采集晶体温度，当发现温度变化时，查找温度参数；以及利用其他再生的同步信号，统计同步信号丢失时间，当丢失时间超过门限时间后，利用老化参数进行补偿；

并将温度参数和老化参数结合为△f；

根据晶体频率与电压转换公式将频率变化△f转换成补偿电压△V_{DAC_TUNE}，将该电压补偿到压控端电压Vc上得到同步再生信号。

采用本发明的技术方案，引入了学习算法，通过CPU学习每颗晶体的个体温度特性和老化特性，并对其补偿，得到了稳定再生同步信号，提高了晶体的稳定性，使得晶体的保持能力得到进一步提升。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是采用晶体单元提供时间同步信号的系统架构图；

图2是一种采用晶体单元提供时间同步信号的方法；

图3是本发明第一实施例流程图；

图4是本发明第二实施例结构图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、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。

如图3所示，为本发明第一实施例流程图，提供了一种动态补偿晶体频偏的方法，具体包括，

若晶体单元为OCXO或TCXO，OCXO和TCXO都有电压控制端(压控端)，加载在上面的电压变化可以引起频率变化，一般都有如下对应关系。

△f_m＝K*△V (1)

公式(1)为晶体频率与电压转换公式，其中△f_m为晶体的频率变化量，△V表示压控端的电压变化量，K为比例系数。

因此需要找到温度和老化引起的变化量，并调节电压就可以补偿频率变化。

第一个前提，晶体由温度和老化引起的变化量为△f，那么我们将其分解成两个分量，如下所示：

△f＝△f_t+△f_o (2)

其中，△f_t为温度引起的频率变化量，△f_o为老化引起的频率变化量。

第二个前提，那么对应频率变化以通过式(1)转换成调节电压。对应关系如下：

△V_{DAC_TUNE}＝△V_t+△V_o (3)

其中，△V_t是温度引起频偏对应的调谐电压变化量，△V_o是老化引起的频偏对应的调谐电压变化量，△V_{DAC_TUNE}是总的电压调谐变化量。

第三个前提，某一个温度值的引起的频率变化量对于标准温度时的频偏是定值，不会有较大变化。

在上述前提下，所述动态补偿晶体频偏的方法包括，

S301，在同步过程正常时，根据记录的压控值加权获得结果压控值Vc，同时，采集压控、温度数据，对压控、根据温度和时间分类处理；

所述结果压控值Vc具体为，在鉴相值正常运行时，同步信号正常后，记录最近的100次压控值，实时加权计算出结果压控值Vc；

所述采集压控、温度数据，对压控、根据温度和时间分类处理具体为，

所述DAC值为正常运行时，且同步正常后，记录压控值V(n,t,T)，其中n代表具体数量,t代表温度，T代表一段连续时间，一般默认24小时；

在一段连续时间内，将记录的数据按照温度分类处理，如式(4)。

V(t₁,T₁₎＝[V(1,t₁,T₁)+V(2,t₁,T₁)+…+V(n,t₁,T₁)]/n

V(t₂,T₁)＝[V(1,t₂,T₁)+V(2,t₂,T₁)+…+V(n,t₂,T₁)]/n

…………………………………………………..

V(t_m,T₁)＝[V(1,t_m,T₁)+V(2,t_m,T₁)+…+V(n,t_m,T₁)]/n (4)

在这一段时间T内，记录m个温度；在某一个温度时，记录n个数值，一般此值尽量多，主要取决于存储空间。

经过一段时间后，记录另外一段连续时间的值，将数据按照温度分类处理，如式(5)。

V(t₁,T₂₎＝[V(1,t₁,T₂)+V(2,t₁,T₂)+…+V(n,t₁,T₂)]/n

V(t₂,T₂)＝[V(1,t₂,T₂)+V(2,t₂,T₂)+…+V(n,t₂,T₂)]/n

…………………………………………………..

V(t_m,T₂)＝[V(1,t_m,T₂)+V(2,t_m,T₂)+…+V(n,t_m,T₂)]/n (5)

通过实际案例，一般24小时内温度变化在12度左右；为了方便解释，默认T₁和T₂两段时间内温度变化规律和范围完全一样。这样这两段时间T₁和T₂，n和t均是一样的(一般情况，T₁和T₂的温度变化规律和范围是不完全一样的，但是，会有大部分数据子集是一致的)。

S302，利用获取的数据，通过学习算法，计算温度和老化对晶体的影响，并将晶体的温度参数和老化参数保存到存储器中；

所述老化参数的获取具体为，

这样分别从T₁和T₂中选取温度值对应的部分，进行差值计算，如下

△V_o＝{[V(t₁,T₁)-V(t₁,T₂)]+[V(t₂,T₁)-V(t₂,T₂)]+…..[V(t_m,T₁)-V(t_m,T₂)]}/m(6)

这样计算出经过△T(T₂—T₁)时间后，老化引入的压控电压变化△V_o，将△V_o按照公式(1)转换成频率△f_o，

经过不断的记录相同时间间隔的△f_o，就可以按照指数特性结合记录数据，预测较近时间内的老化量。

所述温度参数的获取具体为，

对于温度的影响，可以采用历史数据及预测功能结合方式进行。

在T时间段内，根据记录各温度时的压控值V(t_m,T)，对于某温度下t_m保存最近的T内的所有数据，获得温度变化引入的压控电压变化△V_t，并利用式(1)进行频率转换，得到△f_t；

对△f_t数据进行加权平均，一般数据越新，权重越大；

将加权平均的数据作为温度参数进行保存。

S303，当同步单元得不到同步信息后，CPU利用存储的温度和老化参数，并转换成相反作用的DAC值，利用晶体频率的调节端补偿温度和老化的影响，从而得到稳定的准确的再生同步信号，提高Holdover性能；

具体地，当同步信号丢失后，使压控端电压的值为Vc；

同时利用温度传感器，采集晶体温度。当发现温度变化时，查找温度参数，如果有当前温度的参数，那么直接使用，如果没有当前温度，利用相邻温度进行内插预测。

虽然同步信号丢失，但是该系统仍然会出再生的同步信号，给其他系统使用。这时，利用该再生的同步信号，统计同步信号丢失时间，当丢失时间超过门限时间后，利用前期积累的老化参数进行补偿。

并将温度和老化参数结合为△f，可以参考式(2)。

利用式(1)将频率变化△f转换成电压△V_{DAC_TUNE}，将该电压补偿到当前压控端电压Vc上，这样就抑制了晶体的温度和老化特性，使晶体输出的时钟稳定度更高，从而提高了系统的Holdover特性。

如图4所示，是本发明第二实施例结构图，提供了一种一种动态补偿晶体频偏的装置，包括，

数据处理模块，用于在同步过程正常时，获得鉴相值正常的结果压控值Vc，同时采集数模转换器DAC值正常的压控值，对压控值根据温度和时间分类处理；

所述数据处理模块具体用于在鉴相值正常运行时，同步信号正常后，记录最近的N个压控值，实时加权计算出结果压控值Vc，N≥1；以及

在所述DAC值为正常运行时，且同步正常后，记录压控值V(n,t,T)，其中n代表具体记录数量,t代表温度，T代表一段连续时间；

在一段连续时间T₁内，记录m个温度，在某一个温度时，记录n个数值；

另外一段连续时间T₂内，记录m个温度，在某一个温度时，记录n个数值。

参数获取模块，用于根据所述分类处理的压控值，获得晶体的温度参数和老化参数；

所述参数获取模块用于获得晶体的老化参数具体为，

分别从T₁和T₂中选取温度值对应的压控值，进行差值计算，获得老化引入的压控电压变化△V_o；

根据晶体频率与电压转换公式获得晶体的老化参数△f_o；

所述参数获取模块用于获得晶体的温度参数具体为，

在T时间段内，根据记录各温度时的压控值V(t_m,T)，获得温度变化引入的压控电压变化△V_t，根据晶体频率与电压转换公式获得晶体的温度参数△f_t；

对△f_t数据进行加权平均，将加权平均的数据作为温度参数进行保存。

补偿模块，用于在同步单元得不到同步信息后，利用所述温度参数和老化参数补偿所述结果压控值Vc得到同步再生信号。

所述补偿模块用于利用所述温度参数和老化参数补偿所述结果压控值得到同步再生信号具体为，

用于在同步信号丢失后，使压控端电压的值为Vc；

同时利用温度传感器，采集晶体温度，当发现温度变化时，查找温度参数；以及利用其他再生的同步信号，统计同步信号丢失时间，当丢失时间超过门限时间后，利用老化参数进行补偿；

并将温度参数和老化参数结合为△f；

根据晶体频率与电压转换公式将频率变化△f转换成电压△V_{DAC_TUNE}，将该电压补偿到压控端电压Vc上得到同步再生信号。

上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种动态补偿晶体频偏的方法，其特征在于，包括，

在同步过程正常时，获得鉴相值正常的结果压控值，同时采集数模转换器DAC值正常的压控值，对压控值根据温度和时间分类处理；

根据所述分类处理的压控值，获得晶体的温度参数和老化参数；

在同步单元得不到同步信息后，利用所述温度参数和老化参数补偿所述结果压控值得到同步再生信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获得鉴相值正常的结果压控值具体为，

在鉴相值正常运行时，同步信号正常后，记录最近的N个压控值，实时加权计算出结果压控值Vc，N≥1。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述采集DAC值正常的压控值，对压控值根据温度和时间分类处理具体为，

所述DAC值为正常运行时，且同步正常后，记录压控值V(n,t,T)，其中n代表具体记录数量,t代表温度，T代表一段连续时间；

在一段连续时间T₁内，记录m个温度，针对所述连续时间T₁内记录的m个温度中的每个温度，分别记录n个数值；

记录另外一段连续时间T₂内，记录m个温度，针对所述连续时间T₂内记录的m个温度中的每个温度，分别记录n个数值。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，获得晶体的老化参数具体为，

分别从T₁和T₂中选取温度值对应的压控值，进行差值计算，获得老化引入的压控电压变化△V_o；

根据晶体频率与电压转换公式获得晶体的老化参数△f_o；

其中，晶体频率与电压转换公式为：△f_m＝K*△V；

其中，△f_m为晶体的频率变化量，△V表示压控端的电压变化量，K为比例系数。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，获得晶体的温度参数具体为，

在T时间段内，根据记录各温度时的压控值V(t_m,T)，获得温度变化引入的压控电压变化△V_t，根据晶体频率与电压转换公式获得晶体的温度参数△f_t；

对△f_t数据进行加权平均，将加权平均的数据作为温度参数进行保存；

其中，晶体频率与电压转换公式为：△f_m＝K*△V；

其中，△f_m为晶体的频率变化量，△V表示压控端的电压变化量，K为比例系数。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，利用所述温度参数和老化参数补偿所述结果压控值得到同步再生信号具体为，

当同步信号丢失后，使压控端电压的值为Vc；

同时利用温度传感器，采集晶体温度，当发现温度变化时，查找温度参数；

利用再生的同步信号，统计同步信号丢失时间，当丢失时间超过门限时间后，利用老化参数进行补偿；

并将温度参数和老化参数结合为△f；

根据晶体频率与电压转换公式将频率变化△f转换成补偿电压△V_{DAC_TUNE}，将所述补偿电压V_{DAC_TUNE}补偿到当前压控端电压Vc上得到同步再生信号。

7.一种动态补偿晶体频偏的装置，其特征在于，包括，

数据获取和处理模块，用于在同步过程正常时，获得鉴相值正常的结果压控值，同时采集数模转换器DAC值正常的压控值，对压控值根据温度和时间分类处理；

参数获取模块，用于根据所述分类处理的压控值，获得晶体的温度参数和老化参数；

补偿模块，用于在同步单元得不到同步信息后，利用所述温度参数和老化参数补偿所述结果压控值得到同步再生信号。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述数据获取和处理模块具体用于在鉴相值正常运行时，同步信号正常后，记录最近的N个压控值，实时加权计算出结果压控值Vc，N≥1；以及

在所述DAC值为正常运行时，且同步正常后，记录压控值V(n,t,T)，其中n代表具体记录数量,t代表温度，T代表一段连续时间；

在一段连续时间T₁内，记录m个温度，针对所述连续时间T₁内记录的m个温度中的每个温度，分别记录n个数值；

另外一段连续时间T₂内，记录m个温度，针对所述连续时间T₂内记录的m个温度中的每个温度，分别记录n个数值。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述参数获取模块用于获得晶体的老化参数具体为，

分别从T₁和T₂中选取温度值对应的压控值，进行差值计算，获得老化引入的压控电压变化△V_o；

根据晶体频率与电压转换公式获得晶体的老化参数△f_o；

所述参数获取模块用于获得晶体的温度参数具体为，

在T时间段内，根据记录各温度时的压控值V(t_m,T)，获得温度变化引入的压控电压变化△V_t，根据晶体频率与电压转换公式获得晶体的温度参数△f_t；

对△f_t数据进行加权平均，将加权平均的数据作为温度参数进行保存；

其中，晶体频率与电压转换公式为：△f_m＝K*△V；

其中，△f_m为晶体的频率变化量，△V表示压控端的电压变化量，K为比例系数。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述补偿模块用于利用所述温度参数和老化参数补偿所述结果压控值得到同步再生信号具体为，

用于在同步信号丢失后，使压控端电压的值为Vc；

同时利用温度传感器，采集晶体温度，当发现温度变化时，查找温度参数；以及利用再生的同步信号，统计同步信号丢失时间，当丢失时间超过门限时间后，利用老化参数进行补偿；

并将温度参数和老化参数结合为△f；

根据晶体频率与电压转换公式将频率变化△f转换成补偿电压△V_{DAC_TUNE}，将所述补偿电压V_{DAC_TUNE}补偿到压控端电压Vc上得到同步再生信号。