基于高稳OCXO的快速驯服方法和系统与流程

基于高稳ocxo的快速驯服方法和系统
技术领域
1.本发明属于时间频率统一领域，具体涉及一种基于高稳恒温晶体振荡器(oven controlled crystal oscillator，ocxo)ocxo的快速驯服方法和系统。


背景技术：

2.晶体振荡器(crystal oscillator)是一种频率源，其原理是以具有压电特性的石英晶体谐振器为核心起振元件，以正反馈放大电路激发谐振器产生振荡，放大后输出稳定的频率信号。考虑到晶振频率会随着环境温度变化而漂移，造成性能的降低。因此可以把整个振荡电路放入一个恒温槽之中，在环境温度变化时，恒温槽的槽温基本不变，由此可大大提高晶振的频率温度稳定度，这就叫做恒温晶体振荡器(ocxo,oven controlled crystal oscillator)。
3.除了受温度影响以外，恒温晶振的频率也会随时间漂移，当从较长的尺度来观察其频率漂移规律时，业内称之为长期稳定度特性，也惯称为老化。相对原子钟而言，晶振的长期稳定度并太不好，最高级别的恒温晶振勉强可以达到二级钟的水平，多数只能达到三级钟。因此晶振使用时通常需要用高一级频标对其进行驯服，才能满足系统使用要求。
4.而当前时间频率领域主要是采用基于单一参考源的驯服算法，以pid、卡尔曼滤波、最小二乘法为代表，这类算法集成了相位测量频次低的测量技术，具有驯服ocxo时间长，频率源同步收敛速度慢的特点，故约束了时间频率的应用领域，增加了某些系统的负担，特别是军事领域的战斗机、航母等特殊系统。因而，如何设计出高精度、快速相位测量模块并实现基于多参考源的ocxo驯服算法是亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.基于现有技术存在的问题，通过研究高精度、快速相位测量技术，综合生产性、集成性、器件反应速率、市场等多方面的因素，提供了一种基于高稳ocxo的快速驯服方法和系统，其一方面采用电容弃电法测量作为快速驯服算法的基础技术。另一方面，通过频率锁相技术，提高参考源的频次，再结合ocxo的特性，综合pid、卡尔曼滤波等算法，设计了一套针对ocxo频标源的快速驯服与收敛算法，有效的解决了时间频率源的准备时间过长的问题。
6.在本发明的第一方面，提供了一种基于高稳ocxo的快速驯服方法，所述方法包括：
7.101、监控处理平台通过参考源选择算法选出一个主用参考源，将参考信号输入到锁相倍频器进行倍频处理，并将倍频处理后的高频参考信号输入到高精度相位测量模块；
8.102、监控处理平台通过控制字控制ocxo频标源输出的两路频标信号，第一路的第一频标信号输入到锁相分频器，锁相分频器输出分频后的第二频标信号，第二频标信号输入到高精度相位测量模块；第二路的第三频标信号直接输入到高精度相位测量模块；
9.103、高精度相位测量模块对高频参考信号、第二频标信号及第三频标信号进行处理，测量高频参考信号与第二频标信号之间的相位差；
10.104、高精度相位测量模块将相位差输入到监控处理平台中，监控处理平台通过快
速驯服算法输出更新后的控制字，并修正ocxo频标源的相关参数；直至所述ocxo频标源稳定，且与参考源的相位差收敛，结束快速驯服状态。
11.在本发明的第二方面，还提供了一种基于高稳ocxo的快速驯服系统，用于实现如本发明第一方面所述的一种基于高稳ocxo的快速驯服方法，所述系统包括多参考源、ocxo频标源、锁相倍频器、锁相分频器、高精度相位测量模块以及监控处理平台；
12.所述多参考源用于提供参考信号；
13.所述锁相倍频器用于对参考信号进行倍频处理；
14.所述ocxo频标源用于提供两路频标信号，包括第一路的第一频标信号和第二路的第三频标信号；
15.所述锁相分频器用于对第一频标信号进行分频处理；
16.所述高精度相位测量模块用于对倍频处理后的高频参考信号、分频处理后的第二频标信号以及第三频标信号进行处理，测量高频参考信号与第二频标信号之间的相位差；
17.所述监控处理平台用于根据所述高精度相位测量模块输出的相位差，调用快速驯服算法输出更新后的控制字，并修正ocxo频标源的相关参数；直至所述ocxo频标源稳定，且与参考源的相位差收敛，结束快速驯服状态。
18.本发明的有益效果：
19.本发明集成了快速驯服技术的时间钟组件或设备，有效缩短了设备或组件的准备时间，能够达到开机即用的目标。大大拓宽了设备的使用空间。同时也为后续提升ocxo频标源的守时特性，将快速驯服方法迁移到其他频标源奠定了坚实的基础。
附图说明
20.图1是本发明实施例中基于高稳ocxo的快速驯服方法流程示意图；
21.图2是本发明实施例中相位差测量的原理时序图；
22.图3是本发明实施例中充电过程示意图；
23.图4是本发明实施例中放电过程示意图；
24.图5是本发明实施例中基于高稳ocxo的快速驯服系统结构示意图。
具体实施方式
25.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、完整地描述，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。基于本发明中的实施例，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实施例，都属于本发明保护的范围。
26.图1是本发明实施例中基于高稳ocxo的快速驯服方法流程示意图，如图1所示，所述方法包括：
27.101、监控处理平台通过参考源选择算法选出一个主用参考源，将参考信号输入到锁相倍频器进行倍频处理，并将倍频处理后的高频参考信号输入到高精度相位测量模块；
28.在本发明实施例中，监控处理平台通过参考源选择算法选出一个主用参考源包括监控处理平台根据当前配置的参考源选择策略，运行相应的参考源选择算法，从多个参考源候选集合中选择出一个主用参考源，所述参考源选择算法可以是现有的任意一种参考源
相关的选择算法，本发明对此不作具体的限定，而所述监控处理平台通过参考源选择算法选出一个主用参考源还可以是利用选择字来从多参考源中选择出一个主用参考源，这个主用参考源能够提供相应的参考信号，将参考信号输入到锁相倍频器后，锁相倍频器对所述参考信号进行倍频处理，从而得到高频参考信号；这个高频参考信号将输入到高精度相位测量模块中，用于后续的判断。
29.所述多参考源可以包括北斗/gps授时、双向比对输出信号、卫星共视输出信号和精密网络授时输出信号，这些参考源能够支持ns量级的时间同步，为后续频标源的守时和快速驯服奠定了基础。
30.102、监控处理平台通过控制字控制ocxo频标源输出的两路频标信号，第一路的第一频标信号输入到锁相分频器，锁相分频器输出分频后的第二频标信号，第二频标信号输入到高精度相位测量模块；第二路的第三频标信号直接输入到高精度相位测量模块；
31.在本发明实施例中，监控处理平台利用控制字来从对ocxo频标源进行控制，其中ocxo频标源会输出两路频标信号，一路被称为第一频标信号，另一路被称为第三频标信号；第一频标信号将会继续输入到锁相分频器中，锁相分频器对所述第一频标信号进行分频处理，将分频处理后与所述高频参考信号同频的第二频标信号和第三频标信号输入到高精度相位测量模块中，用于后续的测量。
32.103、高精度相位测量模块对倍频处理后的高频参考信号、第二频标信号以及第三频标信号进行处理，测量高频参考信号与第二频标信号之间的相位差；
33.本发明实施例中将相位差的测量过程分为三个时差的测量，大时差t2表示相位差脉冲中的第二频标信号的整数个脉冲数量所对应的时差，小时差t1表示开门信号与第三频标信号的第一个上升沿之间的相位差，小时差t3表示关门信号与第三频标信号的最后一个上升沿之间的相位差；通过三个时差之间的关系计算出高频参考信号与第二频标信号之间的精确相位差。
34.基于上述划分，所述高精度相位测量模块包括时差脉冲形成电路、第一时差测量电路、第二时差测量电路和第三时差测量电路；所述时差脉冲形成电路用于在开门信号与关门信号之间形成相位差脉冲；所述第一时差测量电路用于测量得到开门信号与第三频标信号的第一个上升沿之间的相位差；所述第二时差测量电路用于测量得到相位差脉冲中的第二频标信号的整数个脉冲数量；所述第三时差测量电路用于测量得到关门信号与第三频标信号的最后一个上升沿之间的相位差；其中，所述开门信号为高频参考信号时，所述关门信号为第二频标信号；所述开门信号为第二频标信号时，所述关门信号为高频参考信号。
35.在本发明实施例中，所述第一时差测量电路用于测量得到开门信号与第三频标信号之间的相位差包括当开门信号上升沿到来时，开始对第三频标信号的量化时钟计数，对电容充电，当第三频标信号的第一个上升沿到来时，停止对电容充电，并开始通过电阻恒流放电，采用慢放回路延长电容放电时间，通过对电容电压进行采样量化，利用计数器得到电容放电计数脉冲个数，计算得到第一时差。
36.在本发明实施例中，所述第三时差测量电路用于测量得到关门信号与第三频标信号之间的相位差包括当第三频标信号的最后一个上升沿到来时，开始对第三频标信号的量化时钟计数，对电容充电，当关门信号上升沿到来时，停止对电容充电，并开始通过电阻恒流放电，采用慢放回路延长电容放电时间，通过对电容电压进行采样量化，利用计数器得到
电容放电计数脉冲个数，计算得到第二时差。
37.可以理解的，在上述实施例中，当停止对电容进行充电的瞬间，就开始对电容放电，开始放电这一瞬间处理器就会启动定时器，当电压放电放到一定程度，定时器就会停止计数，就可以测量出脉冲对应的时差，本发明对第一时差和第三时差进行扩展，通过快充慢放的方式对扩展后的时间进行再次进行时钟计数，使放电时间更易评估与测量，这种方式使得评估出的高频参考信号与第二频标信号的时差结果更准确，为后续的快速驯服奠定了基础
38.高精度相位测量模块对倍频处理后的高频参考信号、第二频标信号以及第三频标信号进行处理，测量高频参考信号与第二频标信号之间的相位差的过程包括：
39.大时差t2的测量是依靠计数链记录内频标脉冲的个数，后再配合内频标的周期来实现的。大时差计数链开始计数是由高频参考信号的上升沿触发的，计数链停止计数是由分频后的第二频标信号的上升沿触发，在两个上升沿之间的内频标填充脉冲个数便由计数链统计下来，计数链的值被读取后立即对计数链清零。
40.对于小时差t1、t3的测量是利用电容的充放实现的。首先由大时差测量留下来的小脉冲t1(或t3)，对电容进行充电，充电过程非常快，如图3所示，图中的t0即对应着t1(或t3)小脉冲的时间。充电完成后，对电容放电，此放电过程经电路处理后变为线性的，如图4所示，且放电时间远大于充电时间，当前本实施例实现的是放电时间是充电时间的2000倍。在放电过程中，本实施例再利用计数法实现小脉冲相位的精确测量，最后与大时差配合，共同实现高精度相位测量。
41.104、高精度相位测量模块将相位差输入到监控处理平台中，监控处理平台通过快速驯服算法输出更新后的控制字，并修正ocxo频标源的相关参数；直至所述ocxo频标源稳定，且与参考源的相位差收敛，结束快速驯服状态。
42.步骤104中，监控处理平台通过快速驯服算法输出更新后的控制字，并修正ocxo频标源的相关参数包括：
43.401、对高精度相位测量模块的输出结果进行加权调和平均运算，这里可以将10个输出结果作为一组，再将这一组运算结果输入到ocxo的驯服算法单元；
44.402、ocxo驯服算法依据驯服时间、ocxo的预测准确度、温度、电磁环境参数、电源纹波参数选择对应的控制算法；
45.403、按照选择出的控制算法，运算输出当前对ocxo频率的控制字，输出对下一阶段频率准确度的预估值，至此，一次完整的驯服过程即完成；下一次驯服过程从步骤401开始。
46.在本发明实施例中，监控处理平台能够调用快速驯服算法，这里的快速驯服算法可以包括pid、卡尔曼滤波等算法，基于相位差能够更新控制字；所述控制字用来控制ocxo频标源输出的两路频标信号，反复执行步骤102～104，直至所述ocxo频标源快速稳定，且与参考源的相位差快速收敛，就可以完成快速驯服的过程。
47.在一些实施例中，结束快速驯服状态后，就可以进入平稳驯服状态，而平稳驯服状态的具体驯服过程可以采用现有技术实现，本发明对此不作具体的限定。
48.图5是本发明实施例中基于高稳ocxo的快速驯服系统结构示意图，如图5所示，所述系统包括多参考源、ocxo频标源、锁相倍频器、锁相分频器、高精度相位测量模块以及监
控处理平台；
49.所述多参考源用于提供参考信号；
50.所述锁相倍频器用于对参考信号进行倍频处理；
51.所述ocxo频标源用于提供两路频标信号，包括第一路的第一频标信号和第二路的第三频标信号；
52.所述锁相分频器用于对第一频标信号进行分频处理；
53.所述高精度相位测量模块用于对倍频处理后的高频参考信号、分频处理后的第二频标信号以及第三频标信号进行处理，测量高频参考信号与第二频标信号之间的相位差；
54.所述监控处理平台用于根据所述高精度相位测量模块输出的相位差，调用快速驯服算法输出更新后的控制字，并修正ocxo频标源的相关参数；直至所述ocxo频标源稳定，且与参考源的相位差收敛，结束快速驯服状态。
55.在本发明实施例中，所述系统还包括参考源选择单元，所述参考源选择单元用于从多参考源中选择主用参考源。
56.具体的，高精度时间传输接口输入到参考源选择单元，选出一个主用参考源至锁相倍频器对参考信号进行倍频处理，形成高频参考信号输入到高精度相位测量模块；另一方面，ocxo频标源输出两路频标信号，一路输入到锁相分频器，分出一路与高频参考信号同频的信号至高精度相位测量模块，另一路直接输入至高精度相位测量模块。
57.高精度相位测量模块通过电容充电法与数字内插法测量出精密相位差到监控处理平台，监控处理平台通过快速驯服算法输出ocxo的控制信号，使ocxo快速稳定，与参考源的相位差快速收敛。从而达到缩短时间频率源准备时间的目标。
58.本方案中核心部分是高精度相位测量技术与监控、处理平台上运行的快速驯服算法。同时，本方案支持多种ns量级的时间同步，诸如北斗/gps授时、双向比对、卫星共视、精密网络授时等，拓展了该项技术的应用空间，也为后续频标源的守时特性，将快速驯服方法迁移到其他频标源奠定了坚实的基础。
59.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。