CN110808712A - 一种智能化晶振相噪综合补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种智能化晶振相噪综合补偿方法，涉及电子技术领域，包括电子系统，电子系统内设有晶振，还包括以下步骤：(1)根据电子系统的要求确定相噪容许值和降噪频段；(2)获取电子系统的功率谱函数和晶振的实际相位噪声值；(3)计算电子系统的权重因子Q；(4)根据权重因子和相噪容许值设计相噪补偿系统，通过使用本发明的智能化晶振相噪综合补偿方法，能够使晶振模块在恶劣振动环境下能够保持高稳定性的频率信号输出，同时保证模块在随机振动下不出现损坏。

Description

一种智能化晶振相噪综合补偿方法

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种智能化晶振相噪综合补偿方法。

背景技术

频率源系统由晶振模块及频综电路组成，在振动条件下，不仅晶振模块中的晶体谐振器工作状态受振动影响，而且电容、电感、变容管等电路器件同样会引起振荡器相噪恶化，整个频率源系统的相噪恶化值可达10dB-50dB。在飞行试验中，外测设备经常出现测量精度下降、信号中有低频干扰调制或锁相环失锁等现象，直接导致系统不能正常工作。随着电子装备小型化、高频段的发展趋势以及平台的更高振动量级特点，对模块提出了更小减振空间和更纯净的频率信号的要求。目前，频率源系统广泛采用的钢丝绳减振器、橡胶减振器等被动减振方法均以改善隔振率为目标，已经远远不能满足系统对频率源系统稳准纯的苛刻要求。因此，由环境振动引起频率源相位噪声问题已成为制约电子装备系统性能提高的一个极其重要的瓶颈问题。

国内外空间高速飞行器电子系统设计领域中，对通讯、导航、雷达使用的基准频率源都采用了各种减振方案。但是，在实际工程中，为了满足系统要求，研发者往往需要不断提高隔振率，这通常需要占用更多的系统资源(体积、重量、用电量、信号通道数)，以至于高纯度的频率源系统只能长期停留在实验室水平，且同一设计方案的频率源系统在振动环境中的环境适应性差别较大，这给频率源减振降噪设计带来巨大的困惑。因此，同时考虑隔振率和电性能指标为设计目标，综合利用电补偿和减振降噪的优点，期望设计出振动条件下高稳定性的晶振模块。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供了一种智能化晶振相噪综合补偿方法，能够使晶振模块在恶劣振动环境下能够保持高稳定性的频率信号输出，同时保证模块在随机振动下不出现损坏。

本发明提供的一种智能化晶振相噪综合补偿方法，包括电子系统，电子系统内设有晶振，还包括以下步骤：

(1)根据电子系统的要求确定相噪容许值和降噪频段；

(2)获取电子系统的功率谱函数；

(3)计算电子系统的权重因子Q；

(4)根据权重因子和相噪容许值设计相噪补偿系统。

其中，相噪容许值为电子系统降噪频段范围要求的相位噪声值，所述降噪频段包括超过5KHz的高频段和低于5KHz的低频段，步骤(2)中的功率谱函数为电子系统在工作环境下测得的，通过对具体的系统指标设计对应的补偿方法，以最小化系统资源、最大化降噪效果。

更进一步的，所述步骤(3)具体包括，

(31)计算功率谱函数中各个关键频点的权系数c_i；

(32)获取各关键频点的实际相位噪声值；

(33)计算权重因子Q，

其中：e表示自然常数，

表示相噪容许值，

表示加权因子， L_i为关键频点的实际相位噪声值，

为关键频点的理想相位噪声值。

其中c_i的计算公式为：

其中，f₁,f₂,f₃,f₄为功率谱函数上功率谱密度转折点对应的频率，f_a,f_b为需要降噪的频段范围。所述关键频点为f_a到f_b降噪频段范围内随机选取的点，所述关键频点根据f_a,f_b与f₁,f₂,f₃,f₄位置关系的不同具有不同的权系数c_i。其中，所述晶振的实际相位噪声值是在电子系统工作环境下测得的相位噪声值，

更进一步的，还包括步骤(5)根据确定的相噪容许值选择相关器件的参数，并对相噪补偿系统进行仿真，以确定补偿设计方案。所述仿真包括电路仿真及动力学仿真，通过利用电路仿真软件及动力学仿真软件进行相应的仿真计算，以估算降噪效果。

其中，所述仿真具体包括，

(51)对相噪补偿系统进行仿真，并记录各个关键频点的偏差值；

(52)根据偏差值修改对应关键频点的加权因子：

其中，w_i为随机取值，

为仿真时该关键频点的相位噪声值；

(53)根据加权因子调整权重因子，并根据权重因子调整相噪补偿系统；

(54)重复步骤(51)-(53)，直到调整后的相噪补偿系统的相噪恶化值在相噪容许值之内，其中，w_i为根据调试经验确定的随机调试值，根据不同的晶振模块类型，取值有差异，但必须为正数。

更进一步的，还包括步骤(6)验证所述补偿设计方案是否达到各频段相位噪声的要求，若是则确定为晶振模块综合补偿方案，若否，则继续调整补偿设计方案。通过实验，使本发明既不仅仅进行仿真计算来设计，也不完全依赖实验调试，可有效降低设计成本和保障方案实际效果。

通过采用以上的技术方案，本发明的有益效果是：提供了一套智能化晶振相噪综合补偿方法，以实现电子系统在晶振振动条件下相位噪声的全频段智能补偿，以满足使用需求。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本发明智能化晶振相噪综合补偿方法设计流程示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明提供的一种智能化晶振相噪综合补偿方法，包括电子系统，电子系统内设有晶振，还包括以下步骤：

步骤1：根据电子系统的要求确定相噪容许值和降噪频段。

其中，降噪频段根据电子系统要求划分，在本实施例中划分降噪频段具体指划分需要降噪的高频段和低频段。

相噪容许值指该补偿系统的技术边界，通常表示该电子系统工作时所允许的相噪恶化值，根据电子系统的需求确定。在实际工程中，恶化值一般为理想值基础上恶化20dB，为常数，对于某个具体频段内要求基本一致，主要看是看中哪个频段：比如(50-100Hz，500-1000Hz等等)。不同的降噪频段有不同的相噪容许值。在本实施例中，分别对高频段和低频段设计功能不同的补偿系统。

针对相噪恶化低频段设计压控补偿系统，根据电子系统的工作环境，可得低频段相位噪声值，并根据该电子系统的设计需要，确定相应的技术边界，并设计压控补偿系统以达到改善低频段相位噪声指标的目的。假设晶振低频段理想的相位噪声值

无补偿系统相位噪声值为L_v，一般来说，系统所要求的相噪值介于两者之间，设为

则依据

值确定压控补偿系统的技术边界，以此达到改善低频段相位噪声指标的目的。

针对相噪恶化高频段设计减振系统，根据电子系统的工作环境，可得高频段相位噪声值的恶化水平，并根据电子系统的设计需要，确定相应的技术边界，并设计减振系统以达到改善高频段相位噪声指标的目的。具体包括:假设晶振高频段理想的相位噪声值

无补偿系统相位噪声值为L_h，系统要求的相位噪声值设为

则依据

值可确定隔振率的要求。

步骤2：获取电子系统的功率谱函数和晶振的实际相位噪声值。

具体指，根据电子系统所工作的环境，得到相应的功率谱函数曲线，使晶振模块在该振动环境下工作并记录该晶振在该工作环境下的相位噪声值；通常，在航空电子设备中，不同安装部位的功率谱密度函数不同。假设某个工况下，权系数c_i的计算应当对应于信号处理系统重点考量的载波频率偏移值区间为 [fa,fb]。其中，f₁,f₂，f₃,f₄为功率谱函数上功率谱密度转折点对应的频率，f_a,f_b为需要降噪的频段范围。

步骤3：根据低频段相噪容许值以及高频段相噪容许值可计算权重因子Q；权重因子指的是结合振动功率谱函数根据重点考量的关键频段也就是容许的噪声恶化的最大值而确定的加权值。通常根据电子系统比如雷达电子战综合射频系统对目标侦察、探测精度相关的系统指标反推在某个载频下对各个频段的相位噪声提出相应的要求。

该步骤3具体包括：

根据电子系统工作环境的功率谱函数曲线计算各个关键频点的权系数c_i，所述关键频点具体指在功率谱函数曲线的[fa,fb]区间，两端点f_a,f_b在该区间所有可能的取值范围的关系，如公式(1)所示。

求得

后开方的值即为权系数，在指定安装位置后均可以按照上述公式进行计算。

根据权系数c_i的值，计算权重因子Q，具体方法如公式(2)所示；

其中：e表示自然常数，

表示相噪容许值，

表示加权因子， L_i为关键频点的实际相位噪声值，

为关键频点的理想相位噪声值，1…i为关键频点的代号。

步骤4：根据权重因子以及相噪容许值设计初始的压控补偿系统以及减振系统；具体指根据计算得到的权重因子以及相噪容许值设计压控补偿系统以及减振系统所需要的元器件，如加速度传感器、压敏减振器等。

实施例2

在实施例1的基础上，还包括步骤5：根据确定的相噪容许值选择相关器件的参数，并对相噪补偿系统进行仿真，以确定补偿设计方案。所述仿真包括电路仿真及动力学仿真，通过利用电路仿真软件及动力学仿真软件进行相应的仿真计算，以估算降噪效果。

其中，所述仿真具体包括电路仿真以及动力学仿真，在降噪系统的技术边界确定后，对所能允许的比如加速度传感器、压敏减振器等器件进行参数选择，在此基础上，利用电路仿真软件及动力学仿真软件进行相应的仿真计算以估算降噪效果。

步骤包括：

对相噪补偿系统进行仿真，并记录各个关键频点的偏差值；

通过理论计算，得到初始加权因子，但该初始加权因子往往有比较大的偏差，因此，需要对实际各个频率相噪的恶化值进行仿真，记录下偏差值。例如：假设第i个频率未达到指标，相位噪声值记为

将第i个加权因子修改为

根据偏差值修改对应关键频点的加权因子：

其中，w_i为随机调试的值，优选二分法确定，

为仿真时该关键频点的相位噪声值；

根据加权因子调整权重因子，并根据权重因子调整相噪补偿系统；

重复步骤(51)-(53)，直到调整后的相噪补偿系统的仿真相噪恶化值在相噪容许值之内，其中，w_i根据调试经验确定，根据不同的晶振模块类型，取值有差异，但必须为正数。

实施例3

在实施例2的基础上，由于确定了设计目标和设计方案以后，相应的补偿原理样机在实际使用中通常与理论和仿真计算有差别。因此，需通过设计侧重关键频点的实验，重点考察关键频点的仿真以及实验数据，并记录关键频点的差异值记为ΔL_v。并对系统设计的权重因子进行调整，由于权重因子是一维的，通过常规迭代的方式获取最符合系统要求的设计方案并通过实验验证。

其中，迭代的方法具体包括：通过在步骤2中提到过的工作环境中测试，进行相噪恶化值的检测，实验验证所述补偿设计方案是否达到各频段相位噪声的要求，若是则确定为晶振模块综合补偿方案，若否，则继续调整补偿设计方案。

若在上述步骤中不存在满足系统要求可行解，则应考虑系统提出的指标是否过于苛刻，并以此反过来指导电子系统方案的修改。

上述说明显示出并描述了本发明的一个优选实施例，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 (6)

1.一种智能化晶振相噪综合补偿方法，包括电子系统，电子系统内设有晶振，其特征在于，还包括以下步骤：

(1)根据电子系统的要求确定相噪容许值和降噪频段；

(2)获取电子系统的功率谱函数；

(3)计算电子系统的权重因子Q；

(4)根据权重因子和相噪容许值设计相噪补偿系统。

2.根据权利要求1所述的智能化晶振相噪综合补偿方法，其特征在于：所述降噪频段分为高频段和低频段。

3.根据权利要求1所述的智能化晶振相噪综合补偿方法，其特征在于：所述步骤(3)具体包括，

(31)计算功率谱函数中各个关键频点的权系数c_i；

(32)获取各关键频点的实际相位噪声值；

(32)计算权重因子Q，

其中：e表示自然常数，

表示相噪容许值，

表示加权因子，L_i为关键频点的实际相位噪声值，为关键频点的理想相位噪声值。

4.根据权利要求3所述的智能化晶振相噪综合补偿方法，其特征在于：还包括步骤(5)根据确定的相噪容许值选择相关器件的参数，并对相噪补偿系统进行仿真，以确定补偿设计方案。

5.根据权利要求4所述的智能化晶振相噪综合补偿方法，其特征在于：所述仿真具体包括，

(51)对相噪补偿系统进行仿真，并记录各个关键频点的偏差值；

(52)根据偏差值修改对应关键频点的加权因子：

其中，w_i为随机取值，

为仿真时该关键频点的相位噪声值；

(53)根据加权因子调整权重因子，并根据权重因子调整相噪补偿系统；

(54)重复步骤(51)-(53)，直到调整后的相噪补偿系统的相噪恶化值在相噪容许值之内。

6.根据权利要求5所述的智能化晶振相噪综合补偿方法，其特征在于：还包括步骤(6)验证所述补偿设计方案是否达到各频段相位噪声的要求，若是则确定为晶振模块综合补偿方案，若否，则继续调整补偿设计方案。