CN107122335A - 晶振快速驯服和保持算法设计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种晶振快速驯服和保持算法设计，包括拟合、跟踪、保持三个阶段，将拟合估计、环路滤波器逐级带宽切换算法应用于晶振驯服和保持，能快速驯服晶振相位，使频率快速达到稳定，同时获得较高频率准确度和稳定度；经一段时间驯服后，失去外部标准信号后的保持过程中，输出的相位与频率也能维持较高的精度。

Description

晶振快速驯服和保持算法设计

技术领域

本发明属于时间频率系统、守授时设备内的晶振算计技术领域，尤其涉及一种晶振快速驯服和保持算法设计。

背景技术

现有的时间频率系统、守授时设备内的晶振驯服算法多为固定锁相环实现，保持算法通常为维持测量失效前的晶振控制状态。

采用传统的驯服和保持算法存在以下缺陷：

驯服算法中如果环路带宽较宽，则最终频率准确度差，如果环路带宽较窄，则初期相位震荡大且驯服稳定时间长；保持算法中无法消除晶振的频率漂移，由于晶振的频率漂移，保持算法的相位偏移正比于保持时间的平方，故相位偏移(与标准时间的时差)增长很快。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种晶振快速驯服和保持算法设计。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种晶振快速驯服和保持算法设计，包括以下步骤：

S0：拟合阶段，先存储一段连续时差测量数据到拟合数组，再经最小二乘拟合得到当前时差和频差，最后调整一次时差并控制晶振频率，使残余时差接近零，使晶振频率接近标准频率；

S1：跟踪阶段，采用数字环路滤波器逐级带宽切换方法，从宽带宽到窄带宽逐步提高晶振频率的准确度和稳定度，同时执行滑动平均拟合得到频率变化率；

S2：保持阶段，使用跟踪阶段中得到的频率变化率进行外推，以部分消除晶振频率漂移的影响，使相位偏移正比于保持时间。

进一步地，步骤S0的具体操作步骤如下：

S01：判断时差测量数据是否有效，如果无效，则保持计数器清零并跳转至步骤S2，如果有效，则继续执行步骤S02；

S02：将时差测量数据存入拟合数组，拟合计数器增1；

S03：判断拟合计数器的大小，如果拟合计数器小于完成拟合阶段需要连续有效数据的个数，则跳转至步骤S01并开始判断下一个时差测量数据，如果拟合计数器大于或等于完成拟合阶段需要连续有效数据的个数，则继续执行步骤S04；

S04：采用最小二乘法对拟合数组进行拟合计算，得到当前时差和频差；

S05：一次调整时差，并控制晶振频率，使残余时差接近零，使晶振频率接近标准频率；

S06：将跟踪计数器清零，将当前数字环路滤波器置为数字环路滤波器[0]，滑动平均数据的计数清零，频率变化率置无效。

进一步地，步骤S1的具体操作步骤如下：

S11：判断时差测量数据是否有效，如果无效，则保持计数器清零并跳转至步骤S2，如果有效，则继续执行步骤S12；

S12：跟踪计数器增1，判断跟踪计数器的大小，如果达到带宽切换预定计数值，则切换数字环路滤波器带宽，然后继续执行步骤S13，如果没有达到带宽切换预定计数值，则直接执行步骤S13；

S13：将时差测量数据输入数字环路滤波器，使用当前滤波器参数做数字滤波计算并输出晶振频率控制值；

S14：控制晶振频率，判断滑动平均数据的计数大小，如果小于滑动平均的有效长度，则继续执行步骤S15，如果不小于滑动平均的有效长度，则跳转至步骤S17；

S15：滑动平均数据的计数增1，将晶振频率值存入滑动平均数据存储数组；

S16：判断滑动平均数据的计数大小，如果等于滑动平均的有效长度，则频率变化率置有效，并跳转至步骤S18，如果不等于滑动平均的有效长度，则跳转至步骤S11并开始判断下一个时差测量数据；

S17：将滑动平均数据存储数组中最旧的数据替换为当前晶振频率控制值；

S18：定义滑动平均的有效长度为M，使用滑动平均数据存储数组中最新的M个数据执行滑动平均拟合计算频率变化率。

进一步地，步骤S2的具体操作步骤如下：

S21：判断时差测量数据是否有效，如果有效，则拟合计数器清零，并跳转至步骤S0，如果无效，则保持计数器增1；

S22：判断保持计数器的大小，如果达到进行连续外推的最大次数，则跳转至步骤S21并开始判断下一个时差测量数据，如果没有达到进行连续外推的最大次数，则继续执行步骤S23；

S23：判断频率变化率是否有效，如果无效，则跳转至步骤S21并开始判断下一个时差测量数据，如果有效，则继续执行步骤S24；

S24：使用跟踪阶段中得到的频率变化率外推当前晶振频率控制值，控制晶振频率，之后跳转至步骤S21并开始判断下一个时差测量数据。

本发明的有益效果在于：

本专利将拟合估计、环路滤波器逐级带宽切换算法应用于晶振驯服和保持，能快速驯服晶振相位，使频率快速达到稳定，同时获得较高频率准确度和稳定 度；经一段时间驯服后，失去外部标准信号后的保持过程中，输出的相位与频率也能维持较高的精度。

附图说明

图1是本发明中拟合、跟踪和保持三个阶段的状态转移过程示意图；

图2是本发明中拟合阶段的流程图；

图3是本发明中跟踪阶段的流程图；

图4是本发明中保持阶段的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

实施例：

首先定义符号，如表1所示：

表1符号说明

本发明所述晶振快速驯服和保持算法设计，主要分为拟合、跟踪和保持三个阶段，三个阶段的状态转移过程如图1所示。

S0拟合阶段

先存储一段连续时差测量数据到拟合数组，再经最小二乘拟合得到当前时差和频差，最后调整一次时差并控制晶振频率，使残余时差接近零，使晶振频率接近标准频率。

S1跟踪阶段

采用数字环路滤波器逐级带宽切换方法，从宽带宽到窄带宽逐步提高晶振频率的准确度和稳定度，同时执行滑动平均拟合得到频率变化率。

S2保持阶段

使用跟踪阶段中得到的频率变化率进行外推，以部分消除晶振频率漂移的影响，使相位偏移正比于保持时间。

如图2所示，拟合阶段的具体操作过程如下：

S01：判断时差测量数据dt是否有效，如果无效，则保持计数器counter2清零，counter2＝0，转入保持阶段S2，如果有效，则继续执行步骤S02；

S02：将时差测量数据dt存入拟合数组，a[counter0]＝dt，拟合计数器counter0增1；

S03：判断拟合计数器counter0的大小，如果counter0＜N0，则跳转至步骤S01并开始判断下一个时差测量数据，如果counter0≥N0，则继续执行步骤S04；

S04：采用最小二乘法对拟合数组a[]进行拟合计算，得到当前时差Δt和频差Δf；

S05：一次调整时差Δt，并控制晶振频率f，使残余时差接近零，使晶振频 率接近标准频率，f＝f-Δf；

S06：将跟踪计数器counter1清零，counter1＝0，将当前数字环路滤波器置为数字环路滤波器[0]，CurParam＝ParamArray[0]，滑动平均数据的计数清零，mc＝0，频率变化率df置无效，即dfValid为假。

如图3所示，跟踪阶段的具体操作过程如下：

S11：判断时差测量数据dt是否有效，如果无效，则保持计数器counter2清零，counter2＝0，转入保持阶段S2，如果有效，则继续执行步骤S12；

S12：跟踪计数器counter1增1，判断跟踪计数器counter1是否达到带宽切换预定计数值，如果counter1等于VArray[i]，则切换数字环路滤波器带宽，CurParam＝ParamArray[i]，继续执行步骤S13，如果counter1不等于VArray[i]，则直接执行步骤S13；

S13：将时差测量数据dt输入数字环路滤波器，使用当前滤波器参数CurParam做数字滤波计算并输出晶振频率控制值f；

S14：控制晶振频率f，判断滑动平均数据的计数mc的大小，如果mc＜M，则继续执行步骤S15，如果mc≮M，则跳转至步骤S17；

S15：滑动平均数据的计数mc增1，将晶振频率值f存入滑动平均数据存储数组MoveAvgA[]中；

S16：判断mc大小，如果mc等于M，则频率变化率df置有效，dfValid＝true，跳转至步骤S18，如果mc不等于M，则跳转至步骤S11并开始判断下一个时差测量数据dt；

S17：将MoveAvgA[]中最旧的数据替换为当前晶振频率控制值f；

S18：使用MoveAvgA[]中最新的M个数据执行滑动平均拟合计算出频率变化率df。

如图4所示，保持阶段的具体操作过程如下：

S21：判断时差测量数据dt是否有效，如果有效，则拟合计数器counter0清零，counter0＝0，转入拟合阶段S2，如果无效，则保持计数器counter2增1；

S22：判断保持计数器counter2的大小，如果counter2≥N2，则跳转至步骤S21并开始判断下一个时差测量数据，如果counter2＜N2，则继续执行步骤S23；

S23：判断频率变化率df是否有效，如果无效，即dfValid为假，则跳转至步骤S21并开始判断下一个时差测量数据，如果有效，即dfValid为真，则继续执行步骤S24；

S24：使用跟踪阶段中得到的频率变化率df外推当前晶振频率控制值，f＝f+df，控制晶振频率f，之后跳转至步骤S21并开始判断下一个时差测量数据。

我公司在某型号设备采用了本驯服算法，时差测量数据dt的速率为1Hz，参数见表2。

表2主要参数取值

参数符号	取值
		N0	4
N2	7200
		k	3
ParamArray[]	带宽分别为0.1Hz,0.01Hz,0.002Hz
		VArray[]	分别为0,60,300
M	1200

该设备在中国科学院国家授时中心的测试结果(测试证书编号：NTSCZLJC-MCG-1702)如下，其中1天的时差仅为1.467us，传统算法一般在10～50us。

测试结论：

持续不间断测试约16天，共采集数据1460025个，其中有效数据1460025个，数据有效率100％。

根据测试数据分析，以国家授时中心保持的协调世界时主钟信号为参考，天文授时设备(此处设备型号省略)输出10MHz信号特性如下：

频率准确度：1.71e-11

日频率漂移率：9.30e-14

1天相位偏移量：1466.92ns

15天相位累积偏移量：20417.32ns

频率稳定度：7.85e-13/天

根据当前测得频偏量和频率漂移量建模，预测365天的相位累积偏移量：532.42μs。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种晶振快速驯服和保持算法设计，其特征在于，包括以下步骤：

S0：拟合阶段，先存储一段连续时差测量数据到拟合数组，再经最小二乘拟合得到当前时差和频差，最后调整一次时差并控制晶振频率，使残余时差接近零，使晶振频率接近标准频率；

S1：跟踪阶段，采用数字环路滤波器逐级带宽切换方法，从宽带宽到窄带宽逐步提高晶振频率的准确度和稳定度，同时执行滑动平均拟合得到频率变化率；

S2：保持阶段，使用跟踪阶段中得到的频率变化率进行外推，以部分消除晶振频率漂移的影响，使相位偏移正比于保持时间。

2.根据权利要求1所述的晶振快速驯服和保持算法设计，其特征在于，步骤S0的具体操作步骤如下：

S01：判断时差测量数据是否有效，如果无效，则保持计数器清零并跳转至步骤S2，如果有效，则继续执行步骤S02；

S02：将时差测量数据存入拟合数组，拟合计数器增1；

S03：判断拟合计数器的大小，如果拟合计数器小于完成拟合阶段需要连续有效数据的个数，则跳转至步骤S01并开始判断下一个时差测量数据，如果拟合计数器大于或等于完成拟合阶段需要连续有效数据的个数，则继续执行步骤S04；

S04：采用最小二乘法对拟合数组进行拟合计算，得到当前时差和频差；

S05：一次调整时差，并控制晶振频率，使残余时差接近零，使晶振频率接近标准频率；

S06：将跟踪计数器清零，将当前数字环路滤波器置为数字环路滤波器[0]，滑动平均数据的计数清零，频率变化率置无效。

3.根据权利要求1所述的晶振快速驯服和保持算法设计，其特征在于，步骤S1的具体操作步骤如下：

S11：判断时差测量数据是否有效，如果无效，则保持计数器清零并跳转至步骤S2，如果有效，则继续执行步骤S12；

S12：跟踪计数器增1，判断跟踪计数器的大小，如果达到带宽切换预定计数值，则切换数字环路滤波器带宽，然后继续执行步骤S13，如果没有达到带宽切换预定计数值，则直接执行步骤S13；

S13：将时差测量数据输入数字环路滤波器，使用当前滤波器参数做数字滤波计算并输出晶振频率控制值；

S14：控制晶振频率，判断滑动平均数据的计数大小，如果小于滑动平均的有效长度，则继续执行步骤S15，如果不小于滑动平均的有效长度，则跳转至步骤S17；

S15：滑动平均数据的计数增1，将晶振频率值存入滑动平均数据存储数组；

S16：判断滑动平均数据的计数大小，如果等于滑动平均的有效长度，则频率变化率置有效，并跳转至步骤S18，如果不等于滑动平均的有效长度，则跳转至步骤S11并开始判断下一个时差测量数据；

S17：将滑动平均数据存储数组中最旧的数据替换为当前晶振频率控制值；

S18：定义滑动平均的有效长度为M，使用滑动平均数据存储数组中最新的M个数据执行滑动平均拟合计算频率变化率。

4.根据权利要求1所述的晶振快速驯服和保持算法设计，其特征在于，步骤S2的具体操作步骤如下：

S21：判断时差测量数据是否有效，如果有效，则拟合计数器清零，并跳转至步骤S0，如果无效，则保持计数器增1；

S22：判断保持计数器的大小，如果达到进行连续外推的最大次数，则跳转至步骤S21并开始判断下一个时差测量数据，如果没有达到进行连续外推的最大次数，则继续执行步骤S23；

S23：判断频率变化率是否有效，如果无效，则跳转至步骤S21并开始判断下一个时差测量数据，如果有效，则继续执行步骤S24；

S24：使用跟踪阶段中得到的频率变化率外推当前晶振频率控制值，控制晶振频率，之后跳转至步骤S21并开始判断下一个时差测量数据。