CN106877963A - 一种具有学习功能的同步时钟保持系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有学习功能的同步时钟保持系统和方法，属于时钟同步领域。该系统和方法主要解决同步系统在同步源丢失的一段时间内，难以保持较高的同步性能的问题。该系统由天馈单元接收卫星信号，由同步授时接收单元获得秒脉冲信号，由恒温晶振做基准生成数字锁相环的系统时钟，由数字锁相环单元生成同步时钟信号，同时还将频率调节字送给特性学习预测单元，特性学习预测单元根据调节字的特性方程做出预测，当同步源丢失后，该数字锁相环按照预测方程，生成同步时钟信号。该系统和方法主要应用于对同步性能要求较高且无法使用原子钟的系统中，可以明显改善同步源信号丢失后的同步性能。
Description
技术领域
本发明涉及时钟同步领域，特别涉及在同步源信号丢失时如何保持同步性能的系统和方法。
背景技术
近年来，时钟同步技术取得了长足的发展，并且在科技、国防以及社会安全等方面也扮演者越来越重要的角色。时钟同步技术主要涉及两个方面的技术，一是钟源技术，另一个是锁相环技术。随着应用需求的提高和技术工艺的改进，钟源技术和锁相环技术也得到了快速的发展。
同步时钟保持功能是时钟同步技术的一项重要功能，同步时钟保持性能主要受制于晶振的稳定性，当锁相环输入信号丢失时，锁相环的输出完全依赖于晶振的稳定性。现阶段的技术发展水平对时钟精度和稳定度要求都大大提高，晶体钟源已经难以满足要求，原子钟技术开始得到了应用，但是原子钟的尺寸大、功耗高而且寿命短，限制了它在很多领域的应用。所以在晶体钟源的现阶段稳定性水平的基础上，采用一定的技术手段来纠正锁相环的输出，是一种行之有效的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种具有学习功能的同步时钟保持系统和保持方法。通过对时钟特性的不断学习，预测时钟频率变化曲线，当丢失同步源信息时，输出预测值，提高了同步性能，解决现有晶振无法有效、低成本的满足同步性能要求的问题。
为了解决上述问题，本发明通过以下技术方案来实现：
一种具有学习功能的同步时钟保持系统，包括：天馈单元1、同步授时接收单元2、数字锁相环单元3、系统时钟生成单元5、测温单元6，其特征在于，还包括特性学习预测单元4；
天馈单元1用于从卫星中接收授时信号，将授时信号发送给同步授时接收单元2；同步授时接收单元2用于将授时信号进行解析，得到秒脉冲信号，将秒脉冲信号发送至数字锁相环单元3；系统时钟生成单元5用于生成数字锁相环的系统时钟，将系统时钟发送至数字锁相环单元3；数字锁相环单元3用于在正常模式下，根据输出同步时钟信号的反馈信号与秒脉冲的相位差产生对应的频率调节字，根据频率调节字和系统时钟产生与秒脉冲信号同步的时钟信号，将同步时钟信号输出至外部，将频率调节字输出至特性学习预测单元4；数字锁相环单元3还用于在保持模式下，根据特性学习预测单元4输入的预测频率调节字生成同步时钟信号并输出；数字锁相环单元3还用于在保持模式下输出失锁前最后一个锁定状态下的频率调节字生成的同步时钟信号；测温单元6用于测量实时温度，将温度信息发送给特性学习预测单元4；特性学习预测单元4用于将设定时间内接收到的频率调节字进行去抖和滤波，并结合温度信息进行建模，达到预设学习时间后进行该时刻频率调节字的预测，将该时刻的预测频率调节字发送给数字锁相环单元3。
其中，特性学习预测单元4包括：去抖模块7、滤波模块8、建模模块9和预测模块10；
去抖模块7用于消除频率调节字的异常抖动，消除方式为：
计算设定时间内接收到的频率调节字TW(i)的上门限值TW上门限(i)和下门限值TW下门限(i)：
式中，MAX1、MAX2、MIN1、MIN2分别为设定时间内收到的M个频率调节字的最大值、次大值、最小值和次小值，±L为门限波动范围；i为接收到的频率调节字的序列，i为正整数；
若TW下门限(i)≤TW(i)≤TW上门限(i)，则将该频率调节字发送给滤波模块8，若TW(i)＜TW下门限(i)或者TW(i)＞TW上门限(i)，则丢弃；
滤波模块(8)用于采用N点平均滤波的方法对接收到的消除异常抖动的频率调节字进行平均滤波，将滤波后的频率调节字发送至建模模块9；滤波方法为：式中，TWB(i)为滤波后的频率调节字；TWA(j)为滤波前的频率调节字，j为正整数；N为滤波的平均个数；
建模模块9用于根据滤波后的频率调节字和温度信息建立系统时钟生成单元关于内部恒温晶振的老化、温度的函数模型：
TWB(i)＝K×t(i)+Q×T(i)+θ(i)，式中，K为老化特性参数，t(i)为时间函数，Q为温度特性参数，T(i)为温度函数，θ(i)为噪声函数；达到预设学习时间后，根据已知时间t(i)，已知温度T(i)和滤波后的频率调节字TWB(i)，解出老化特性参数K和温度特性参数Q，将函数模型发送至预测模块10；
预测模块10用于根据函数模型计算该时刻的预测频率调节字并发送至数字锁相环单元
一种具有学习功能的同步时钟保持方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)天馈单元从卫星中接收授时信号，将授时信号发送给同步授时接收单元；
(2)同步授时接收单元对授时信号进行解析，得到秒脉冲信号，将秒脉冲信号发送至数字锁相环单元；
(3)检测数字锁相环单元是否接收到秒脉冲信号，若是，则执行步骤(4)；否则执行步骤(6)；
(4)数字锁相环单元进入正常模式，根据输出同步时钟信号的反馈信号与秒脉冲的相位差产生频率调节字，根据频率调节字和系统时钟产生与秒脉冲信号同步的同步时钟信号，将同步时钟信号输出至外部，将频率调节字输出至特性学习预测单元；
(5)特性学习预测单元将设定时间内接收到的频率调节字进行去抖和滤波，并结合温度信息进行建模，达到预设学习时间后进行该时刻频率调节字的预测，将该时刻的预测频率调节字发送给数字锁相环单元；结束本流程；
(6)检测特性学习预测单元的学习状态，若达到预设学习时间，则执行步骤(7)；否则执行步骤(8)；
(7)数字锁相环单元根据预测频率调节字生成同步时钟信号并输出；结束本流程；
(8)数字锁相环单元根据失锁前最后一个锁定状态对应的频率调节字输出同步时钟信号。
其中，步骤(5)具体包括以下步骤：
(501)去抖模块消除频率调节字的异常抖动，消除方法为：
计算设定时间内接收到的频率调节字TW(i)的上门限值TW上门限(i)和下门限值TW下门限(i)：
式中，MAX1、MAX2、MIN1、MIN2分别为设定时间内收到的M个频率调节字的最大值、次大值、最小值和次小值，±L为门限波动范围；i为接收到的频率调节字的序列，i为正整数；
若TW下门限(i)≤TW(i)≤TW上门限(i)，则将该频率调节字发送给滤波模块(8)，若TW(i)＜TW下门限(i)或者TW(i)＞TW上门限(i)，则丢弃；
(502)滤波模块采用N点平均滤波的方法对接收到的消除异常抖动的频率调节字进行平均滤波，将滤波后的频率调节字发送至建模模块；滤波方法为：式中，TWB(i)为滤波后的频率调节字；TWA(j)为滤波前的频率调节字，j为正整数；N为滤波的平均个数；
(503)建模模块建立滤波后的频率调节字关于系统时钟生成单元内部恒温晶振的老化、温度的模型函数模型：
TWB(i)＝K×t(i)+Q×T(i)+θ(i)，式中，K为老化特性参数，t(i)为时间函数，Q为温度特性参数，T(i)为温度函数，θ(i)为噪声函数；达到预设学习时间后，根据已知时间t(i)，已知温度T(i)和频率调节字TWB(i)，解出老化特性参数K和温度特性参数Q，将函数模型参数发送至预测模块；
(504)预测模块根据函数模型计算该时刻的预测频率调节字并发送至数字锁相环单元。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及特性：
采用数字的频率调节字控制输出频率更准确，不易受干扰；选取的高稳恒温晶振，降低了外界温度环境对晶振特性的影响，简化了学习模型，学习算法高效准确且占用资源较少，能准确预测输出时钟的变化规律，提高了同步保持性能。
附图说明
图1为本发明的的结构框图；
图2为本发明的特性学习预测单元框图；
图3为本发明流程图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明作更详细的描述。
图1为本发明的结构框图，一种具有学习功能的同步时钟保持系统，包括：天馈单元1、同步授时接收单元2、数字锁相环单元3、系统时钟生成单元5、测温单元6，其特征在于，还包括特性学习预测单元4；
天馈单元1用于从卫星中接收授时信号，将授时信号发送给同步授时接收单元2，一般选取GPS有源天线，供电电压常用5V或3.3V；同步授时接收单元2用于将授时信号进行解析，得到秒脉冲信号，将秒脉冲信号发送至数字锁相环单元3，常选用GPS、北斗或GLONASS接收机，都能精确输出秒脉冲信号；系统时钟生成单元5用于生成数字锁相环的系统时钟，将系统时钟发送至数字锁相环单元3，一般用晶振作为基准，通过倍频生成所需要的系统时钟频率；数字锁相环单元3用于在正常模式下，根据输出同步时钟信号的反馈信号与秒脉冲的相位差产生频率调节字，根据频率调节字和系统时钟产生与秒脉冲信号同步的同步时钟信号，将同步时钟信号输出至外部，将频率调节字输出至特性学习预测单元4；还用于在保持模式下，根据特性学习预测单元4输入的预测频率调节字生成同步时钟信号并输出；还用于在保持模式下输出失锁前最后一个锁定状态下的同步时钟信号；测温单元6用于测量实时温度，将温度信息发送给特性学习预测单元4；特性学习预测单元4用于将设定时间内接收到的频率调节字进行去抖和滤波，并结合温度信息进行建模，达到预设学习时间后进行该时刻频率调节字的预测，将该时刻的预测频率调节字发送给数字锁相环单元3。
其中，特性学习预测单元4包括：去抖模块7、滤波模块8、建模模块9和预测模块10；如图2所示；
去抖模块7用于消除频率调节字的异常抖动，消除方法为，先计算出正常的频率调节字的大小，然后根据时钟特性正常波动的范围大小来确定异常的频率调节字的门限值，例如设定时间内收到10个频率调节字，MAX1、MAX2、MIN1、MIN2分别为10个收到的频率调节字的最大值、次大值、最小值和次小值，根据时钟特性，推算的门限波动范围为±5000,那么频率调节字TW(i)的上门限值TW上门限(i)和下门限值TW下门限(i)：
若TW下门限(i)≤TW(i)≤TW上门限(i)，则将该频率调节字发送给滤波模块8，若TW(i)＜TW下门限(i)或者TW(i)＞TW上门限(i)，则将该频率调节字丢弃；
滤波模块(8)用于采用N点平均滤波的方法对接收到的消除异常抖动的频率调节字进行平均滤波，将滤波后的频率调节字发送至建模模块9；滤波方法为：式中，TWB(i)为滤波后的频率调节字；TWA(j)为滤波前的频率调节字，j为正整数；N为滤波的平均个数；
建模模块9用于建立滤波后的频率调节字关于系统时钟生成单元内部恒温晶振老化和温度的函数模型：TWB(i)＝K×t(i)+Q×T(i)+θ(i)，式中，K为老化特性参数，t(i)为时间函数，Q为温度特性参数，T(i)为温度函数，θ(i)为噪声函数；达到预设学习时间后，根据已知时间t(i)，已知温度T(i)和频率调节字TWB(i)，解出老化特性参数K和温度特性参数Q，将函数参数发送至预测模块10；
预测模块10用于根据函数模型计算该时刻的预测频率调节字并发送至数字锁相环单元。
一种具有学习功能的同步时钟保持方法，如图3所示，包括以下步骤：
(1)天馈单元从卫星中接收授时信号，将授时信号发送给同步授时接收单元；
(2)同步授时接收单元对授时信号进行解析，得到秒脉冲信号，将秒脉冲信号发送至数字锁相环单元；
(3)检测数字锁相环单元是否接收到秒脉冲信号，若是，则执行步骤(4)；否则执行步骤(6)；
(4)数字锁相环单元进入正常模式，根据输出同步时钟信号的反馈信号与秒脉冲的相位差产生频率调节字，根据频率调节字和系统时钟产生与秒脉冲信号同步的同步时钟信号，将同步时钟信号输出至外部，将频率调节字输出至特性学习预测单元；
(5)特性学习预测单元将设定时间内接收到的频率调节字进行去抖和滤波，并结合温度信息进行建模，达到预设学习时间后进行该时刻频率调节字的预测，将该时刻的预测频率调节字发送给数字锁相环单元；
(6)检测特性学习预测单元的学习状态，若达到预设学习时间，则特性学习预测单元将预测频率调节字发送至数字锁相环单元，执行步骤(7)；否则执行步骤(8)；
(7)数字锁相环单元根据预测频率调节字生成同步时钟信号并输出；
(8)数字锁相环单元根据失锁前最后一个锁定状态对应的频率调节字输出同步时钟信号。
其中，步骤(5)具体包括以下步骤：
(501)去抖模块消除频率调节字的异常抖动，消除方法为：
计算设定时间内接收到的频率调节字TW(i)的上门限值TW上门限(i)和下门限值TW下门限(i)：
式中，MAX1、MAX2、MIN1、MIN2分别为设定时间内收到的频率调节字的最大值、次大值、最小值和次小值，±L为门限波动范围；i为接收到的频率调节字的序列，i为正整数；
若TW下门限(i)≤TW(i)≤TW上门限(i)，则将该频率调节字发送给滤波模块(8)，若TW(i)＜TW下门限(i)或者TW(i)＞TW上门限(i)，则丢弃；
(502)滤波模块采用N点平均滤波的方法对接收到的消除异常抖动的频率调节字进行平均滤波，将滤波后的频率调节字发送至建模模块；滤波方法为：式中，TWB(i)为滤波后的频率调节字；TWA(j)为消除异常抖动的频率调节字，j为正整数；N为滤波的平均个数；
(503)建模模块建立滤波后的频率调节字关于系统时钟生成单元内部恒温晶振的函数模型：TWB(i)＝K×t(i)+Q×T(i)+θ(i)，式中，K为老化特性参数，t(i)为时间函数，Q为温度特性参数，T(i)为温度函数，θ(i)为噪声函数；达到预设学习时间后，根据已知时间t(i)，已知温度T(i)和频率调节字TWB(i)，解出老化特性参数K和温度特性参数Q，将函数模型发送至预测模块；
(504)预测模块根据函数模型计算该时刻的预测频率调节字并发送至数字锁相环单元。
综上所述，以上示例仅为帮助理解本申请的方法和核心思想，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种具有学习功能的同步时钟保持系统，包括：天馈单元(1)、同步授时接收单元(2)、数字锁相环单元(3)、系统时钟生成单元(5)、测温单元(6)，其特征在于，还包括特性学习预测单元(4)；
天馈单元(1)用于从卫星中接收授时信号，将授时信号发送给同步授时接收单元(2)；同步授时接收单元(2)用于将授时信号进行解析，得到秒脉冲信号，将秒脉冲信号发送至数字锁相环单元(3)；系统时钟生成单元(5)用于生成系统时钟，将系统时钟发送至数字锁相环单元(3)；数字锁相环单元(3)用于在正常模式下，根据输出的同步时钟信号的反馈信号与秒脉冲信号的相位差产生对应的频率调节字，根据频率调节字和系统时钟产生与秒脉冲信号同步的同步时钟信号，将同步时钟信号输出至外部，将频率调节字输出至特性学习预测单元(4)；数字锁相环单元(3)还用于在保持模式下，根据特性学习预测单元(4)输入的预测频率调节字生成同步时钟信号并输出；数字锁相环单元(3)还用于在保持模式下输出失锁前最后一个锁定状态下的频率调节字生成的同步时钟信号；测温单元(6)用于测量实时温度，将温度信息发送至特性学习预测单元(4)；特性学习预测单元(4)用于将设定时间内接收到的频率调节字进行去抖和滤波，并结合温度信息进行建模，达到预设学习时间后进行该时刻频率调节字的预测，将该时刻的预测频率调节字发送给数字锁相环单元(3)。
2.根据权利要求1所述的一种具有学习功能的同步时钟保持系统，其特征在于，特性学习预测单元(4)包括：去抖模块(7)、滤波模块(8)、建模模块(9)和预测模块(10)；
去抖模块(7)用于消除频率调节字的异常抖动，消除的方式为：
计算设定时间内接收到的频率调节字TW(i)的上门限值TW上门限(i)和下门限值TW下门限(i)：
式中，MAX1、MAX2、MIN1、MIN2分别为设定时间内收到的M个的频率调节字的最大值、次大值、最小值和次小值，±L为门限波动范围；i为接收到的频率调节字的序列，i为正整数；
若TW下门限(i)≤TW(i)≤TW上门限(i)，则将该频率调节字发送给滤波模块(8)，若TW(i)＜TW下门限(i)或者TW(i)＞TW上门限(i)，则丢弃；
滤波模块(8)用于采用N点平均滤波的方法对接收到的消除异常抖动的频率调节字进行平均滤波，将滤波后的频率调节字发送至建模模块(9)；滤波的方式为：式中，TWB(i)为滤波后的频率调节字；TWA(j)为滤波前的频率调节字，j为正整数；N为滤波的平均个数；
建模模块(9)用于根据滤波后的频率调节字和温度信息建立系统时钟生成单元关于内部恒温晶振的老化、温度的函数模型：
TWB(i)＝K×t(i)+Q×T(i)+θ(i)，式中，K为老化特性参数，t(i)为时间函数，Q为温度特性参数，T(i)为温度函数，θ(i)为噪声函数；达到预设学习时间后，根据已知时间t(i)，已知温度T(i)和滤波后的频率调节字TWB(i)，解出老化特性参数K和温度特性参数Q，将函数模型发送至预测模块(10)；
预测模块(10)用于根据函数模型计算该时刻的预测频率调节字并发送至数字锁相环单元(3)。
3.一种具有学习功能的同步时钟保持方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)天馈单元从卫星中接收授时信号，将授时信号发送给同步授时接收单元；
(2)同步授时接收单元对授时信号进行解析，得到秒脉冲信号，将秒脉冲信号发送至数字锁相环单元；
(3)检测数字锁相环单元是否接收到秒脉冲信号，若是，则执行步骤(4)；否则执行步骤(6)；
(4)数字锁相环单元进入正常模式，根据输出同步时钟信号的反馈信号与秒脉冲信号的相位差产生对应的频率调节字，根据频率调节字和系统时钟产生与秒脉冲信号同步的同步时钟信号，将同步时钟信号输出至外部，将频率调节字输出至特性学习预测单元；
(5)特性学习预测单元将设定时间内接收到的频率调节字进行去抖和滤波，并结合温度信息进行建模，达到预设学习时间后进行该时刻频率调节字的预测，将该时刻的预测频率调节字发送给数字锁相环单元；结束本流程；
(6)检测特性学习预测单元的学习状态，若达到预设学习时间，则执行步骤(7)；否则执行步骤(8)；
(7)数字锁相环单元根据预测频率调节字生成同步时钟信号并输出；结束本流程；
(8)数字锁相环单元根据失锁前最后一个锁定状态对应的频率调节字输出同步时钟信号。
4.根据权利要求3所述的一种具有学习功能的同步时钟保持方法，其特征在于，步骤(5)具体包括以下步骤：
(501)去抖模块消除频率调节字的异常抖动，消除方法为：
计算设定时间内接收到的频率调节字TW(i)的上门限值TW上门限(i)和下门限值TW下门限(i)：
式中，MAX1、MAX2、MIN1、MIN2分别为设定时间内收到的M个频率调节字的最大值、次大值、最小值和次小值，±L为门限波动范围；i为接收到的频率调节字的序列，i为正整数；
若TW下门限(i)≤TW(i)≤TW上门限(i)，则将该频率调节字发送给滤波模块(8)，若TW(i)＜TW下门限(i)或者TW(i)＞TW上门限(i)，则丢弃；
(502)滤波模块采用N点平均滤波的方法对接收到的消除异常抖动的频率调节字进行平均滤波，将滤波后的频率调节字发送至建模模块；滤波方法为：式中，TWB(i)为滤波后的频率调节字；TWA(j)为滤波前的频率调节字，j为正整数；N为滤波的平均个数；
(503)建模模块建立滤波后的频率调节字关于系统时钟生成单元内部恒温晶振的老化、温度的模型函数模型：
TWB(i)＝K×t(i)+Q×T(i)+θ(i)，式中，K为老化特性参数，t(i)为时间函数，Q为温度特性参数，T(i)为温度函数，θ(i)为噪声函数；达到预设学习时间后，根据已知时间t(i)，已知温度T(i)和频率调节字TWB(i)，解出老化特性参数K和温度特性参数Q，将函数模型发送至预测模块；
(504)预测模块根据函数模型计算该时刻的预测频率调节字并发送至数字锁相环单元。
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