CN106936425B - 时钟频率保持方法及装置 - Google Patents

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    • H03L7/06—Automatic control of frequency or phase; Synchronisation using a reference signal applied to a frequency- or phase-locked loop
    • H03L7/08—Details of the phase-locked loop
    • H03L7/099—Details of the phase-locked loop concerning mainly the controlled oscillator of the loop

Abstract

本发明提供一种时钟频率保持方法及装置，所述方法包括：在参考时钟源异常时，获取高稳晶振的当前温度信息及时钟IC的当前频率控制字；从所述当前频率控制字分离出当前温度信号与当前老化信号；根据所述当前温度信号及所述当前温度信息进行温度预测；并且根据当前老化信号进行老化预测；根据温度预测及老化预测的结果确定温度补偿和老化补偿；根据所述温度补偿及老化补偿确定写入时钟IC的频率控制字，以保持时钟IC的输出频率不变。上述方法，可在不产生高昂成本的前提下，在参考时钟源异常时，保持时钟频率输出稳定和准确。

Description

时钟频率保持方法及装置
技术领域
本发明涉及信息处理领域，尤其涉及一种时钟频率保持方法及装置。
背景技术
随着移动通信技术的迅猛发展，对时钟的质量要求越来越高。在基站系统中，通常使用高稳晶振(恒温晶振OCXO或温度补偿晶振TCXO)作为晶体时钟，一旦晶体时钟出现频率误差，将导致整个基站失效，表现为用户电话打不通，不能上网等异常情况。因此，需要保证晶体振荡频率输出的稳定性和准确性。
温度和时间变化会使晶体振荡频率改变、产生误差。因此，在基站控制系统中通常依据一个稳定的参考时钟，并采用一套锁相控制技术来补偿晶体振荡频率的改变和产生的误差，保证晶体时钟输出频率的稳定、准确。
在参考时钟异常(参考错误或丢失)的情况下，晶体时钟没有参考时钟源的误差补偿，将处于自由振荡状态，晶体时钟会受老化以及环境温度的影响，在长时间参考时钟异常情况下，晶体振荡频率将发生改变，最终晶体时钟所输出的频率将不能满足基站系统的要求，导致基站失效。
为此，目前常用方案是使用高稳定度(0.1ppb)的晶振来解决参考源异常情况下晶体时钟频率不准问题，由于此种晶振价格昂贵，此种方案将会带来高昂的生产成本。
除此之外，还可采用压控方式来调整晶振的频率输出，这种方案将受限于晶振的频率调整范围。由于需要对晶振进行频率调整，一旦频率调整超过晶振允许的频率调整范围，将产生频率调整超限问题，不能完成频率校准，此时就只能更换晶振。
因此，目前亟需一种在不产生高昂成本前提下，可以在参考时钟源异常时，保证时钟频率输出稳定、准确的方法。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种时钟频率保持方法及装置，可以在不产生高昂成本的前提下，在参考时钟源异常时，保持时钟频率输出稳定和准确。
第一方面，本发明提供一种时钟频率保持方法，包括：
在参考时钟源异常时，获取高稳晶振的当前温度信息及时钟IC的当前频率控制字；
从所述当前频率控制字分离出当前温度信号与当前老化信号；
根据所述当前温度信号及所述当前温度信息进行温度预测；并且根据当前老化信号进行老化预测；
根据温度预测及老化预测的结果确定温度补偿和老化补偿；
根据所述温度补偿及老化补偿确定写入时钟IC的频率控制字，以保持时钟IC的输出频率不变。
优选地，在所述获取高稳晶振的当前温度信息及时钟IC的当前频率控制字之前，所述方法还包括：
在参考时钟源有效时，周期性采集高稳晶振的温度信息及时钟IC的频率控制字，并根据所述温度信息及频率控制字确定所述高稳晶振随时间变化和温度变化的漂移特性；
相应地，所述根据所述当前温度信号及所述当前温度信息进行温度预测；并且根据当前老化信号进行老化预测，包括：
根据所述高稳晶振随时间变化和温度变化的漂移特性，以及所述当前温度信号和当前温度信息、当前老化信号分别进行温度预测和老化预测。
优选地，所述根据所述当前频率控制字分离出当前温度信号与当前老化信号，包括：
将所述当前频率控制字进行一级递归滤波处理，去除参考时钟源的噪声信号，以得到去除噪声的频率控制信号；
将所述去除噪声的频率控制信号进行二级递归滤波处理，分离出所述当前老化信号；
将所述去除噪声的频率控制信号进行三级递归滤波处理，分离出所述当前温度信号。
优选地，所述根据所述当前温度信号及所述当前温度信息进行温度预测，包括：
根据所述高稳晶振随温度变化的漂移特性、所述当前温度信号及所述当前温度信息，采用卡尔曼温度模型进行温度预测。
优选地，在所述根据所述当前温度信号及所述当前温度信息进行温度预测之前，所述方法还包括：
对所述当前温度信号进行预处理；
所述根据所述当前温度信号及所述当前温度信息进行温度预测，包括：
根据所述高稳晶振随温度变化的漂移特性、所述当前温度信息及经过预处理的温度信号，采用卡尔曼温度模型进行温度预测。
优选地，所述对所述当前温度信号进行预处理，包括：
根据所述当前温度信号及存储的M个温度值求均值，并将温度的均值作为经过预处理的温度信号，M为大于等于1的整数。
优选地，所述根据当前老化信号进行老化预测，包括：
根据所述高稳晶振随时间变化的漂移特性及所述当前老化信号，采用卡尔曼老化模型进行老化预测。
第二方面，本发明提供一种时钟频率保持装置，包括：
信息获取单元，用于在参考时钟源异常时，获取高稳晶振的当前温度信息及时钟IC的当前频率控制字；
信号分离单元，用于从所述当前频率控制字分离出当前温度信号与当前老化信号；
预测单元，用于根据所述当前温度信号及所述当前温度信息进行温度预测；并且根据当前老化信号进行老化预测；
补偿单元，用于根据温度预测及老化预测的结果确定温度补偿和老化补偿；
频率控制字确定单元，用于根据所述温度补偿及老化补偿确定写入时钟IC的频率控制字，以保持时钟IC的输出频率不变。
优选地，所述装置还包括：
漂移特性学习单元，用于在参考时钟源有效时，周期性采集高稳晶振的温度信息及时钟IC的频率控制字，并根据所述温度信息及频率控制字确定所述高稳晶振随时间变化和温度变化的漂移特性；
相应地，所述预测单元，还用于根据所述高稳晶振随时间变化和温度变化的漂移特性，以及所述当前温度信号和当前温度信息、当前老化信号分别进行温度预测和老化预测。
优选地，所述信号分离单元，用于将所述当前频率控制字进行一级递归滤波处理，去除参考时钟源的噪声信号，以得到去除噪声的频率控制信号；
将所述去除噪声的频率控制信号进行二级递归滤波处理，分离出所述当前老化信号；
将所述去除噪声的频率控制信号进行三级递归滤波处理，分离出所述当前温度信号。
由上述技术方案可知，本发明的时钟频率保持方法及装置，通过获取当前温度信息及当前频率控制字，分离出当前温度信号及当前老化信号，并根据当前温度信号及当前温度信息进行温度预测；根据当前老化信号进行老化预测，从而确定温度及老化补偿，根据温度及老化补偿确定写入时钟IC的频率控制字，以使在参考时钟源异常时，保持时钟频率输出稳定和准确。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的时钟频率保持方法的流程示意图；
图2为本发明另一实施例提供的时钟频率保持方法的流程示意图；
图3为本发明一实施例提供的时钟频率保持装置的结构示意图；
图4为本发明一实施例提供的时钟系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他的实施例，都属于本发明保护的范围。
图1示出了本发明一实施例提供的时钟频率保持方法的流程示意图，如图1所示，本实施例的时钟频率保持方法如下所述。
101、在参考时钟源异常时，获取高稳晶振当前温度信息及时钟IC当前频率控制字。
应该说明的是，在上述步骤101之前，该方法还包括图中未示出的步骤101’。
101’、在参考时钟源有效时，周期性采集高稳晶振的温度信息及时钟IC的频率控制字，并根据所述温度信息及频率控制字确定所述高稳晶振随时间变化和温度变化的漂移特性。
在实际应用中，为保持晶体时钟输出频率稳定，可依据一稳定的参考时钟，并采用锁相控制技术来补偿晶体振荡频率的改变及产生的误差，从而保证晶体时钟输出频率准确。
因此，在参考时钟源有效时，可将上述的时钟IC与参考时钟源锁定，并周期性采集高稳晶振的温度信息及与该高稳晶振连接的时钟IC的频率控制字。例如，可每间隔3秒或5秒采集一次温度信息及频率控制字。根据实际需要可设置其它周期进行信息的采集，本实施例不对周期的具体取值进行限定。
应该说明的是，在学习高稳晶振随时间和温度变化的漂移特性的过程中，获取的温度信息需要经过预处理。
具体来说，学习高稳晶振随时间变化的漂移特征可为高稳晶振的老化特性，为保持学习过程中温度信息的稳定性，可取温度信息为一温度的平均值。
举例来说，系统可存储的温度信息最多为K个，且最先存储的温度信息为To。若当前获取的温度信息为Tn，当前存储的温度信息的个数为M个，M个温度信息的总和为Tm，则在M<K时，经过预处理的温度信息为Tn’＝(Tm+Tn)/(M+1)；在M＝K时，经过预处理的温度信息为Tn’＝(Tm+Tn-To)/K。
在实际应用时，经过至少2小时的学习后，可确定上述高稳晶振随时间变化及温度变化的漂移特性。在参考时钟源出现异常时，可根据上述的漂移特性进行下述的温度预测和老化预测的过程。
102、从所述当前频率控制字分离出当前温度信号与当前老化信号。
应该说明的是，在确定频率控制字时，需要将温度信号及老化信号写入频率控制字，从而使时钟IC输出的频率中包含了温度及时间对频率的影响的信息。因此，在获取当前频率控制字时可将当前温度信号和老化信号进行分离。
在具体应用时，上述的步骤102包括图中未示出的子步骤1021至子步骤1023。
1021、将所述当前频率控制字进行一级递归滤波处理，去除参考时钟源的噪声信号，以得到去除噪声的频率控制信号。
可理解的是，在参考时钟源有效时，通过参考时钟源进行时钟IC输出频率的校正和补偿，因此频率控制字中包括参考时钟源的信号。而在参考时钟源异常时，要将参考时钟源对最终写入时钟IC的频率控制字中的参考时钟源信号去除。
1022、将所述去除噪声的频率控制信号进行二级递归滤波处理，分离出所述当前老化信号。
1023、将所述去除噪声的频率控制信号进行三级递归滤波处理，分离出所述当前温度信号。
举例来说，可将上述的频率控制字通过3个滤波器IIRF(Infinite ImpulseResponse Filters，简称IIRF)进行递归滤波处理。
103、根据所述当前温度信号及所述当前温度信息进行温度预测；并且根据当前老化信号进行老化预测。
在实际应用中，在上述的步骤103之前还包括图中未示出的步骤103’。
103’、对所述当前温度信号进行预处理。
具体来说，可根据所述当前温度信号及存储的M个温度值求均值，并将温度的均值作为经过预处理的温度信号，M为大于等于1的整数。
举例来说，可采用上述的温度预处理方式对当前温度信号进行处理。具体地，在M<K时，经过预处理的温度信号为Tn’＝(Tm+Tn)/(M+1)；在M＝K时，经过预处理的温度信号为Tn’＝(Tm+Tn-To)/K。其中，K为系统最多可存储的温度信息的个数，To为最先存储的温度信息。
经过上述的预处理后，上述的步骤103可包括子步骤1031和子步骤1032。
1031、根据所述高稳晶振随温度变化的漂移特性、所述当前温度信息及经过预处理的温度信号，采用卡尔曼温度模型进行温度预测。
1032、根据所述高稳晶振随时间变化的漂移特性及所述当前老化信号，采用卡尔曼老化模型进行老化预测。
应该说明的是，本实施例的温度预测和老化预测均采用卡尔曼模型进行处理，因此，上述的高稳晶振随时间变化和温度变化的漂移特性的学习过程同样采用卡尔曼学习过程，从而可使之后的温度预测和老化预测结果更为准确。
104、根据温度预测及老化预测的结果确定温度补偿和老化补偿。
可理解的是，上述的预测值为保持时钟IC输出频率准确的预测值，而实际测量值与其相比存在一定偏差，因此，可根据温度预测及老化预测的结果与实际测量值进行温度补偿和老化补偿。
105、根据所述温度补偿及老化补偿确定写入时钟IC的频率控制字，以保持时钟IC的输出频率不变。
举例来说，若当前获取的频率控制字为Fn，经过上述步骤后的温度补偿为ΔFt，老化补偿为ΔFa，则最终写入时钟IC的频率控制字为Fn’＝Fn+ΔFt+ΔFa。
本实施例的时钟频率保持方法，通过获取当前温度信息及当前频率控制字，分离出当前温度信号及当前老化信号，并根据当前温度信号及当前温度信息进行温度预测；根据当前老化信号进行老化预测，从而确定温度及老化补偿，根据温度及老化补偿确定写入时钟IC的频率控制字，以使在参考时钟源异常时，保持时钟频率输出稳定和准确。
应该说明的是，在进行上述的温度预测及老化预测时，需要经过充足时间的高稳晶振随时间变化和温度变化的漂移特性学习过程(通常大于2小时)，只有在保证学习足够的前提下，才能保证温度预测和老化预测的结果更为准确。由此，针对高稳晶振随时间变化和温度变化的漂移特性学习时间可采用图2所示的时钟频率保持方法保持时钟IC的输出频率不变
如图2所示，本实施例的时钟频率保持方法如下所述。
201、判定是否完成高稳晶振随时间变化和温度变化的漂移特性的学习，在判断为是时，执行步骤202至步骤206；否则执行步骤207。
202、获取高稳晶振的当前温度信息及时钟IC的当前频率控制字。
203、从所述当前频率控制字分离出当前温度信号与当前老化信号。
204、根据所述当前温度信号及所述当前温度信息进行温度预测；并且根据当前老化信号进行老化预测。
205、根据温度预测及老化预测的结果确定温度补偿和老化补偿。
206、根据所述温度补偿和老化补偿确定写入时钟IC的频率控制字，以保持时钟IC的输出频率不变。
上述的步骤202至步骤206与图1中的步骤101至步骤105类似，此处不再赘述。
在上述的步骤201中判断为否时，执行下述的步骤207。
207、根据当前频率控制字及存储的N个频率控制字求均值，并将频率控制字的均值作为写入时钟IC的频率控制字。
举例来说，系统可存储的频率控制字最多为K个，且最先存储的温度信息为Fo。若当前获取的频率控制字为Fn，当前存储的频率控制字的个数为M个，M个频率控制字的总和为Fm，则在M<K时，写入时钟IC的频率控制字为Fn’＝(Fm+Fn)/(M+1)；在M＝K时，经过预处理的温度信息为Fn’＝(Fm+Fn-Fo)/K。
本实施例的时钟频率保持方法，通过获取当前温度信息及当前频率控制字，分离出当前温度信号及当前老化信号，并根据当前温度信号及当前温度信息进行温度预测；根据当前老化信号进行老化预测，从而确定温度及老化补偿，根据温度及老化补偿确定写入时钟IC的频率控制字，以使在参考时钟源异常时，保持时钟频率输出稳定和准确。
图3示出了本发明一实施例提供的时钟频率保持装置，如图3所述，本实施例的时钟频率保持装置，包括：信息获取单元31、信号分离单元32、预测单元33、补偿单元34和频率控制字确定单元35。
信息获取单元31，用于在参考时钟源异常时，获取高稳晶振的当前温度信息及时钟IC的当前频率控制字；
信号分离单元32，用于从所述当前频率控制字分离出当前温度信号与当前老化信号；
预测单元33，用于根据所述当前温度信号及所述当前温度信息进行温度预测；并且根据当前老化信号进行老化预测；
补偿单元34，用于根据温度预测及老化预测的结果确定温度补偿和老化补偿；
频率控制字确定单元35，用于根据所述温度补偿及老化补偿确定写入时钟IC的频率控制字，以保持时钟IC的输出频率不变。
优选地，本实施例的时钟频率保持装置还包括图中未示出的漂移特性学习单元，用于在参考时钟源有效时，周期性采集高稳晶振的温度信息及时钟IC的频率控制字，并根据所述温度信息及频率控制字确定所述高稳晶振随时间变化和温度变化的漂移特性。
相应地，所述预测单元33，还用于根据所述高稳晶振随时间变化和温度变化的漂移特性，以及所述当前温度信号和当前温度信息、当前老化信号分别进行温度预测和老化预测。
优选地，上述的信号分离单元32，具体用于将所述当前频率控制字进行一级递归滤波处理，去除参考时钟源的噪声信号，以得到去除噪声的频率控制信号；
将所述去除噪声的频率控制信号进行二级递归滤波处理，分离出所述当前老化信号；
将所述去除噪声的频率控制信号进行三级递归滤波处理，分离出所述当前温度信号。
优选地，上述的预测单元33，具体用于根据所述高稳晶振随温度变化的漂移特性、所述当前温度信号及所述当前温度信息，采用卡尔曼温度模型进行温度预测。
优选地，上述的预测单元33，还用于根据所述高稳晶振随时间变化的漂移特性及所述当前老化信号，采用卡尔曼老化模型进行老化预测。
本实施例的时钟频率保持装置，可以用于执行上述图1或图2所示方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。
本实施例的时钟频率保持装置，通过获取当前温度信息及当前频率控制字，分离出当前温度信号及当前老化信号，并根据当前温度信号及当前温度信息进行温度预测；根据当前老化信号进行老化预测，从而确定温度及老化补偿，根据温度及老化补偿确定写入时钟IC的频率控制字，以使在参考时钟源异常时，保持时钟频率输出稳定和准确。
在实际应用时，可采用微控制单元(Microcontroller Unit，简称MCU)作为上述的时钟频率保持装置，设置温度采集模块来采集高稳晶振的温度信息，设置参考时钟源对时钟IC进行补偿。在参考时钟源出现异常时，采用MCU进行温度信号和老化信号的补偿，使时钟IC输出的频率稳定和准确，其各部分之间的具体连接关系如图4所示。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (8)

1.一种时钟频率保持方法，其特征在于，所述方法包括：
在参考时钟源异常时，获取高稳晶振的当前温度信息及时钟IC的当前频率控制字；
从所述当前频率控制字分离出当前温度信号与当前老化信号；
根据所述当前温度信号及所述当前温度信息进行温度预测；并且根据当前老化信号进行老化预测；
根据温度预测及老化预测的结果确定温度补偿和老化补偿；
根据所述温度补偿及老化补偿确定写入时钟IC的频率控制字，以保持时钟IC的输出频率不变；
所述频率控制字中包括参考时钟源的信号，以及温度及时间对频率的影响的信息；
在所述获取高稳晶振的当前温度信息及时钟IC的当前频率控制字之前，所述方法还包括：
在参考时钟源有效时，周期性采集高稳晶振的温度信息及时钟IC的频率控制字，并根据所述温度信息及频率控制字确定所述高稳晶振随时间变化和温度变化的漂移特性；
相应地，所述根据所述当前温度信号及所述当前温度信息进行温度预测；并且根据当前老化信号进行老化预测，包括：
根据所述高稳晶振随时间变化和温度变化的漂移特性，以及所述当前温度信号和当前温度信息、当前老化信号分别进行温度预测和老化预测。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述从所述当前频率控制字分离出当前温度信号与当前老化信号，包括：
将所述当前频率控制字进行一级递归滤波处理，去除参考时钟源的噪声信号，以得到去除噪声的频率控制信号；
将所述去除噪声的频率控制信号进行二级递归滤波处理，分离出所述当前老化信号；
将所述去除噪声的频率控制信号进行三级递归滤波处理，分离出所述当前温度信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述当前温度信号及所述当前温度信息进行温度预测，包括：
根据所述高稳晶振随温度变化的漂移特性、所述当前温度信号及所述当前温度信息，采用卡尔曼温度模型进行温度预测。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述根据所述当前温度信号及所述当前温度信息进行温度预测之前，所述方法还包括：
对所述当前温度信号进行预处理；
所述根据所述当前温度信号及所述当前温度信息进行温度预测，包括：
根据所述高稳晶振随温度变化的漂移特性、所述当前温度信息及经过预处理的温度信号，采用卡尔曼温度模型进行温度预测。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述对所述当前温度信号进行预处理，包括：
根据所述当前温度信号及存储的M个温度值求均值，并将温度的均值作为经过预处理的温度信号，M为大于等于1的整数。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据当前老化信号进行老化预测，包括：
根据所述高稳晶振随时间变化的漂移特性及所述当前老化信号，采用卡尔曼老化模型进行老化预测。
7.一种时钟频率保持装置，其特征在于，所述装置包括：
信息获取单元，用于在参考时钟源异常时，获取高稳晶振的当前温度信息及时钟IC的当前频率控制字；
信号分离单元，用于从所述当前频率控制字分离出当前温度信号与当前老化信号；
预测单元，用于根据所述当前温度信号及所述当前温度信息进行温度预测；并且根据当前老化信号进行老化预测；
补偿单元，用于根据温度预测及老化预测的结果确定温度补偿和老化补偿；
频率控制字确定单元，用于根据所述温度补偿及老化补偿确定写入时钟IC的频率控制字，以保持时钟IC的输出频率不变；
所述频率控制字中包括参考时钟源的信号，以及温度及时间对频率的影响的信息；
所述装置还包括：
漂移特性学习单元，用于在参考时钟源有效时，周期性采集高稳晶振的温度信息及时钟IC的频率控制字，并根据所述温度信息及频率控制字确定所述高稳晶振随时间变化和温度变化的漂移特性；
相应地，所述预测单元，还用于根据所述高稳晶振随时间变化和温度变化的漂移特性，以及所述当前温度信号和当前温度信息、当前老化信号分别进行温度预测和老化预测。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述信号分离单元，用于将所述当前频率控制字进行一级递归滤波处理，去除参考时钟源的噪声信号，以得到去除噪声的频率控制信号；
将所述去除噪声的频率控制信号进行二级递归滤波处理，分离出所述当前老化信号；
将所述去除噪声的频率控制信号进行二级递归滤波处理，分离出所述当前温度信号。
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