一種控制晶振輸出時鐘的方法及裝置的製作方法
2023-04-26 04:44:31
專利名稱：一種控制晶振輸出時鐘的方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及時鐘控制技術領域，尤其涉及一種控制晶振輸出時鐘的方法及裝置。
背景技術：
各類通訊產品和設備中廣泛應用晶振振蕩器(簡稱晶振)作為本地的時鐘源。晶振的作用是為設備提供一個時鐘信號源。在對時鐘要求比較嚴格的情況下，例如，採用時分復用模式的Wimax (全球微波互聯接入)等協議，時鐘在整個協議中相當重要，如果網元中時鐘不同步，就無法實現網元同步和切換基站等功能，導致用戶無法通訊。本地晶振產生的IS (秒)受溫度、老化等的影響，在短時間內穩定，長時間運行後會有偏差，目前，可以採用GPS(全球衛星定位系統)接收機，在搜到足夠數量的衛星後進行算法處理，輸出穩定的Is作為參考時鐘，來對本地時鐘進行修正，可以使本地時鐘儘可能穩定。GPS接收機輸出的Is脈衝是由接收的多顆衛星的原子鐘信號合成而成，具有長時穩定性。在地球的任何地方，在天氣好的時候一般都可以搜到8顆左右的衛星。衛星採用原子時鐘，精度極高，GPS接收機內部具有固化的算法，進行計算後輸出穩定的ls，但是，由於搜星受外部環境如天氣、硬體狀況的影響，而且1秒才能收到一次，不能完全代替本地時鐘，所以採用本地時鐘計數IOM次作為本地的ls，用GPS接收機發出的ls，每1秒同步一次本地時鐘。如圖1所示，現有技術中以GPS接收機發出的Is作為標準，用本地晶振輸出的時鐘每計數IOM次作為一個本地輸出的ls，和標準Is進行比較，每一個控制周期(即計算晶振的控制電壓變化量並寫晶振的數字模擬轉換器的周期)對兩個Is比較得到的偏差，進行 PID (比例-積分-微分)運算得到晶振壓控電壓，設置一次晶振的模擬數字轉換器，來調節晶振的輸出頻率，形成一個閉環控制，使得晶振輸出的時鐘能夠不斷向GPS接收機發出的 IS靠近。中國專利申請公開說明書CN200720069790. 4公開了一種GPS/NTP雙輸入同步時鐘，包括GPS接收單元、時間基準單元、時間保持單元00(0振蕩器、實時時鐘、總線、至少一個輸出卡和顯示卡板，GPS接收單元一端與GPS天線連接，另一端與基準單元連接，基準單元分別與時間保持單元00(0振蕩器和實時時鐘連接，同時通過總線與至少一個輸出卡和顯示卡板連接，其特徵在於，基準單元和總線分別與NTP輸入卡板連接，NTP輸入卡板與 RG45線纜連接。中國專利申請公開說明書CN200510055360公開了一種射頻拉遠模塊中時鐘信號的數字鎖相方法，涉及寬帶碼分多址(WCDMA)系統的射頻拉遠模塊中時鐘信號的數字鎖相方法，該方法以時鐘信號的數字鎖相技術為核心，利用現場可編程門陣列(FPGA)實現數字鎖相，其中以GPS接收機產生的1周期/秒(1 方波信號或光傳輸物理接口模塊提取的基站時鐘30. 7MHz方波信號分頻後產生的1周期/秒信號做基準，通過數字鎖相技術動態調整OCXO輸出頻率，以獲得長期穩定的高精度時鐘信號，從而為射頻拉遠模塊中的其他單板提供高精度的同步時鐘。綜上所述，現有方法都是將GPS接收機輸出的IS作為外部參考時鐘來校準本地時鐘，但是，在失去GPS參考的情況下，本地時鐘將處於不可控狀態，長時間運行後會出現偏差。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種控制晶振輸出時鐘的方法及裝置，實現在失去外部參考時鐘的情況下，晶振仍能輸出穩定的時鐘。為解決上述技術問題，本發明的一種控制晶振輸出時鐘的方法，包括在晶振處於正常的控制狀態時，保存對晶振進行控制的晶振壓控電壓；在失去外部參考時鐘時，採用所保存的晶振壓控電壓對晶振進行控制。進一步地，採用所保存的晶振壓控電壓對晶振進行控制的方法為對若干個所保存的晶振壓控電壓求平均，將得到的平均值作為失去外部參考時鐘時的晶振壓控電壓對晶振進行控制；或從所保存的晶振壓控電壓中選擇作為失去外部參考時鐘時的晶振壓控電壓對晶振進行控制。進一步地，該方法還包括保存晶振壓控電壓時，設置一數據存儲標識；在完成晶振處於正常的控制狀態時對晶振壓控電壓的保存後，將數據存儲標識設置為標記數據存儲完成；在失去外部參考時鐘時，根據數據存儲標識將晶振切換到保持(holdover)狀態， 並執行採用所保存的晶振壓控電壓對晶振進行控制。進一步地，在保存對晶振進行控制的晶振壓控電壓時，每個控制周期保存一次晶振壓控電壓；若每個控制周期中產生多個晶振壓控電壓，則對該多個晶振壓控電壓求均值，對該均值進行保存。進一步地，在未完成晶振處於正常的控制狀態時對晶振壓控電壓的保存時，將數據存儲標識設置為標記數據存儲未完成；在失去外部參考時鐘時，根據數據存儲標識將晶振切換到自由振蕩狀態。進一步地，若晶振為恆溫控制晶體振蕩器(OCXO)，則還採用所保存的晶振壓控電壓計算對該OCXO進行老化補償的去老化係數，將該去老化係數與上一次的在失去外部參考時鐘時的晶振壓控電壓進行累加，對OCXO進行控制。進一步地，計算對該OCXO進行老化補償的去老化係數的方法包括從所保存的晶振壓控電壓中讀取出兩組數據\[1]和&[1]，分別對該兩組
數據求均值7和;T計算第一子係數kl，M =Il(X1W-^Xi-A)，計算第二子係數k2，
X1 X2 ？y=0
BB
^2= Σ^2W-^)0'-Α)，計算母係數 km，A:m =|>·-Α)2 ；
/=0 /=0計算第一保持係數&，€ = </、，計算第二保持係數K，€ =、/紇，計算 M = K-K，計算去老化係數Δν，Δν = ^"-^"-Μ;
其中，A為固定係數，B > 0。進一步地，一種控制晶振輸出時鐘的裝置，包括相互連接的數據存儲模塊和晶振控制模塊；數據存儲模塊，用於在晶振處於正常的控制狀態時，保存對晶振進行控制的晶振壓控電壓；晶振控制模塊，用於在失去外部參考時鐘時，從數據存儲模塊讀取所保存的晶振壓控電壓，採用所讀取的晶振壓控電壓對晶振進行控制。進一步地，晶振控制模塊採用所讀取的晶振壓控電壓對晶振進行控制的方法為對若干個所讀取的晶振壓控電壓求平均，將得到的平均值作為失去外部參考時鐘時的晶振壓控電壓對晶振進行控制；或從所讀取的晶振壓控電壓中選擇作為失去外部參考時鐘時的晶振壓控電壓對晶振進行控制。進一步地，該裝置還包括標識設置模塊；數據存儲模塊，還用於在完成晶振處於正常的控制狀態時對晶振壓控電壓的保存後，將通知標識設置模塊數據保存完成；標識設置模塊，用於根據數據存儲模塊的通知，設置一數據存儲標識為標記數據存儲完成；晶振控制模塊，在失去外部參考時鐘時，根據數據存儲標識將晶振切換到保持 (holdover)狀態，並執行採用所保存的晶振壓控電壓對晶振進行控制。綜上所述，本發明中是晶振在失去GPS接收機輸出的1秒參考時鐘的情況下，仍然能對晶振壓控電壓進行控制，從而達到儘可能穩定輸出時鐘的效果，提高了系統的可靠性。 本發明給出的方法簡捷清晰，易於實現且無額外軟硬體資源需求，可以作為具有GPS參考的恆溫控制晶體振蕩器(OCXO)、溫度補償晶體振蕩器(TCXO)晶振在失去參考時繼續穩定輸出時鐘下的一個通用方法，對於wimax等對時鐘要求非常嚴格的系統，具有重要意義。
圖1為現有技術中採用GPS接收機輸出的Is時鐘作為參考對晶振進行控制的原理圖；圖2為本實施方式實現控制晶振輸出時鐘的方法的流程圖；圖3為本實施方式對OCXO晶振進行控制的方法的流程圖；圖4為本實施方式實現控制晶振輸出時鐘的裝置的架構圖。
具體實施例方式本實施方式是在失去GPS接收機輸出的Is作為參考時鐘的情況下，保證晶振繼續穩定地輸出時鐘，以克服在失去參考時鐘的情況下，無法對晶振進行控制而對設備造成的影響，可以增加設備的可靠性。目前採用GPS接收機輸出的Is作為參考時鐘時，晶振所處的狀態可以分為預熱、 粗調、精調1、精調2和自由振蕩。預熱是指單板開始上電時，GPS接收機與單板的CPU進行電文應答的準備過程，該過程不進行晶振的鑑相和電壓控制等。在GPS接收機完成初始化、接收衛星電文正常、連續IOs狀態為3D FIX或TIME模式和IS無錯誤的情況下，結束晶振預熱階段，如果具有外部的參考時鐘，晶振可控，晶振可能進入的狀態為粗調、精調1和精調2。粗調是指GPS接收機完成初始化之後，進入正常的晶振控制流程所處的第一個階段。在晶振控制進入粗調狀態之後，晶振在不斷的調節本地的ls，向GPS的標準Is不斷靠攏。根據一個控制周期得到的晶振壓控電壓均值所處的範圍，以及多次比較相鄰控制周期之間變化趨勢，晶振狀態相應地在粗調、精調1和精調2三種狀態之間切換，其中精調2的時鐘精確度最高。自由振蕩是指無法控制晶振，晶振自由運行，此刻晶振輸出的時鐘不可用，對於 wimax基站而言，此刻終端全部脫網，接入、切換全部失敗。現有技術中在失去外部參考時鐘的情況下晶振進入自用振蕩狀態。在晶振失去外部參考時鐘的情況下，如果要使時鐘儘可能維持穩定，就需要繼續控制晶振壓控電壓，且晶振壓控電壓要儘可能靠近晶振正常控制時的電壓數據，從Is狀態來看，就是在失去外部參考時鐘時，晶振仍然儘量不偏離ls，保持時鐘的穩定性。因此，本實施方式考慮對晶振增加一種狀態holdover (保持)狀態，holdover狀態是指晶振失去參考時鐘時仍然能夠穩定輸出時鐘的狀態，能夠對晶振的老化進行補償， 使晶振穩定輸出時鐘。要使得晶振能夠進入holdover狀態，前提條件是在有GPS外部參考，晶振處於精調2狀態時，存儲晶振壓控電壓數據，該數據稱為holdover數據。在不具備GPS接收機輸出的IS作為外部參考時，如果存儲了所需的holdover數據，則進入holdover狀態；否則， 進入自由振蕩狀態。下面結合附圖對本實施方式進行詳細說明。圖2為本實施方式控制晶振輸出時鐘的方法，包括201 在晶振處於正常控制狀態(如精調2)時，存儲holdover數據；在GPS接收機穩定輸出Is的情況下，根據GPS輸出的Is和本地Is鑑相的結果， 根據PID (比例-積分-微分)算法在每個控制周期計算晶振壓控電壓，將計算得到是晶振壓控電壓發送給晶振的數模轉換器，通過該數模轉換器調節晶振的輸出頻率，以控制晶振的輸出時鐘。在晶振處於狀態精調2時，晶振已處於穩定輸出時鐘的狀態，因此，將精調2 時的晶振壓控電壓作為holdover數據進行存儲。可以每個控制周期存儲一次holdover數據，每個控制周期中的每一秒鐘都在鑑相，如控制周期為5秒則產生5個晶振壓控電壓，求出這5個電壓的均值，作為一個 holdover數據，作為holdover數據的晶振壓控電壓可以存儲到內存的一個數組中。202 當完成數據存儲後，設置一數據存儲標識，標記holdover數據存儲完成；203:在晶振失去外部參考時鐘時，根據數據存儲標識判斷holdover數據是否存儲完成，如果已存儲所需的holdover數據，則將晶振切換到holdover狀態；在GPS接收機受外界影響，搜星不足4顆或天饋異常等情況發生時，可能導致GPS 接收機輸出的Is消失，也就是失去外部參考時鐘。可以在失去外部參考時鐘達到某一指定時間，如10秒左右時，將晶振切換到holdover狀態，維持本地時鐘不中斷，維護時鐘的正常輸出。如果未存儲所需的holdover數據，則將晶振切換到自由振蕩狀態。204 採用所存儲的holdover數據，對晶振進行控制。本實施方式中可以對所存儲的holdover數據中的若干個求平均，將求得的平均值作為晶振壓控電壓，對晶振進行控制，也可以從所存儲的holdover數據中選擇數據作為晶振壓控電壓，對晶振進行控制。目前的指標是可以保證在1小時內，本地Is的偏差在800ns之內，使得網元時鐘可以保持同步。應用示例1 下面以對0CX0晶振進行控制為例說明本實施例的方法。0CX0晶振體積較大，內部具有溫度補償電路，可以作為時鐘模塊的源頭。00(0作為高精密的頻率源，應用於各種設備的時鐘參考和基站的保持模式。如GSM、CDMA2000、 TD-SCDMA和WCDMA等各種標準的基站、時間伺服器、高精密檢測儀器和軍事通信設備等。根據晶振的特性，計算出的晶振壓控電壓，可以最大程度滿足晶振輸出時鐘與標準Is的偏離不大於1575ns，在晶振失去參考後，仍然可以在較長一段時間內鎖定，保證時鐘穩定可靠的輸出。0CX0晶振的特點是在不同時間段的變化曲線不一樣，但是老化的趨勢始終一致， 在holdover狀態要做的是對老化趨勢進行補償，將老化補償回來。根據實驗研究的結果， 存儲442個holdover數據，可以計算得出對晶振的老化進行補償的晶振壓控電壓，使得晶振能夠得到最精準的控制，從而仍然可以輸出穩定的時鐘。存儲442個holdover數據，在控制周期為10秒時，需要4420秒能夠存夠所需的holdover數據。如果存滿則從最低的空間開始重新存儲，為0CX0晶振進入holdover狀態後的應用做準備。對於0CX0晶振，在失去參考時鐘進入holdover狀態後，可以啟動一個計時器，每 1秒加1，便於對holdover數據分階段操作，如圖3所示，控制晶振輸出時鐘的方法包括301 從進入holdover狀態前存儲的holdover數據中，讀取若干個holdover數據 (比如10個)存入holdover數組1中；讀取出的holdover數據最好是最新存儲的數據。302 從進入hoIdover狀態前存儲的hoIdover數據中，再讀取出與hoIdover數組 1中相同數量且不重複的holdover數據，存放到holdover數組2中；303 分別求出holdover數組1和holdover數組2中數據的累加和；304:對求出的兩個累加和分別除以數組中存儲的數據的個數，得到holdover均值 1 ( ^ )和 holdover 均值 2( ^ )；305 啟用一個計數器，初始計數值為0，將holdover數組1的第1個數據減去$， 得到差值1，將計數器的值減去固定係數A(例如108. 5)得到差值2，求差值1與差值2的乘積，累加到第一子係數GO中Gc1的初始值為0)；採用同樣的方法對holdover數組2求第二子係數0 )；將計數值減去固定係數A，對差值求平方，將結果累加到母係數GO上(km 的初始值為0)，並對計數器加1，重複執行上述操作；例如，將442個holdover數據分為兩組X1 [221]和& [221]，其中& [221]為近期的數據，採用B表示重複執行的次數，B > 0，本示例中B = 117。
步驟304 可表示為
權利要求
1.一種控制晶振輸出時鐘的方法，包括在晶振處於正常的控制狀態時，保存對所述晶振進行控制的晶振壓控電壓； 在失去外部參考時鐘時，採用所保存的晶振壓控電壓對所述晶振進行控制。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述採用所保存的晶振壓控電壓對所述晶振進行控制的方法為對若干個所保存的晶振壓控電壓求平均，將得到的平均值作為失去外部參考時鐘時的晶振壓控電壓對所述晶振進行控制；或從所保存的晶振壓控電壓中選擇作為失去外部參考時鐘時的晶振壓控電壓對所述晶振進行控制。
3.如權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，該方法還包括保存所述晶振壓控電壓時，設置一數據存儲標識；在完成晶振處於正常的控制狀態時對所述晶振壓控電壓的保存後，將所述數據存儲標識設置為標記數據存儲完成；在失去外部參考時鐘時，根據所述數據存儲標識將所述晶振切換到保持(holdover) 狀態，並執行所述採用所保存的晶振壓控電壓對所述晶振進行控制。
4.如權利要求1或2所述的方法，其特徵在於在保存對所述晶振進行控制的晶振壓控電壓時，每個控制周期保存一次晶振壓控電壓；若每個控制周期中產生多個晶振壓控電壓，則對該多個晶振壓控電壓求均值，對該均值進行保存。
5.如權利要求3所述的方法，其特徵在於在未完成晶振處於正常的控制狀態時對所述晶振壓控電壓的保存時，將所述數據存儲標識設置為標記數據存儲未完成；在失去外部參考時鐘時，根據所述數據存儲標識將所述晶振切換到自由振蕩狀態。
6.如權利要求2所述的方法，其特徵在於若所述晶振為恆溫控制晶體振蕩器(OCXO)，則還採用所保存的晶振壓控電壓計算對該 00(0進行老化補償的去老化係數，將該去老化係數與上一次的在失去外部參考時鐘時的晶振壓控電壓進行累加，對所述OCXO進行控制。
7.如權利要求6所述的方法，其特徵在於所述計算對該00(0進行老化補償的去老化係數的方法包括從所保存的晶振壓控電壓中讀取出兩組數據Xl[i]和&[i]，分別對該兩組數據求均值;T和:7計算第一子係數『「^二！；…⑴-^^^-八^計算第二子係數『 X\ X2 , /=0,計算母係數 K =Σθ'-Α)2 ；/=0 i=0計算第一保持係數石A=^fkm ,計算第二保持係數ζ石=、/、,計算Μ = 計算去老化係數Δν，Δν = ^-^"-Μ; 其中，A為固定係數，Β>0。
8.—種控制晶振輸出時鐘的裝置，包括相互連接的數據存儲模塊和晶振控制模塊； 所述數據存儲模塊，用於在晶振處於正常的控制狀態時，保存對所述晶振進行控制的晶振壓控電壓；所述晶振控制模塊，用於在失去外部參考時鐘時，從所述數據存儲模塊讀取所保存的晶振壓控電壓，採用所讀取的晶振壓控電壓對所述晶振進行控制。
9.如權利要求8所述的裝置，其特徵在於，所述晶振控制模塊採用所讀取的晶振壓控電壓對所述晶振進行控制的方法為對若干個所讀取的晶振壓控電壓求平均，將得到的平均值作為失去外部參考時鐘時的晶振壓控電壓對所述晶振進行控制；或從所讀取的晶振壓控電壓中選擇作為失去外部參考時鐘時的晶振壓控電壓對所述晶振進行控制。
10.如權利要求1或2所述的裝置，其特徵在於，該裝置還包括標識設置模塊；所述數據存儲模塊，還用於在完成晶振處於正常的控制狀態時對所述晶振壓控電壓的保存後，將通知所述標識設置模塊數據保存完成；所述標識設置模塊，用於根據所述數據存儲模塊的通知，設置一數據存儲標識為標記數據存儲完成；所述晶振控制模塊，在失去外部參考時鐘時，根據所述數據存儲標識將所述晶振切換到保持(holdover)狀態，並執行所述採用所保存的晶振壓控電壓對所述晶振進行控制。
全文摘要
本發明公開了一種控制晶振輸出時鐘的方法及裝置，包括在晶振處於正常的控制狀態時，保存對晶振進行控制的晶振壓控電壓；在失去外部參考時鐘時，採用所保存的晶振壓控電壓對晶振進行控制。本發明中是晶振在失去GPS接收機輸出的1秒參考時鐘的情況下，仍然能對晶振壓控電壓進行控制，從而達到儘可能穩定輸出時鐘的效果，提高了系統的可靠性。本發明給出的方法簡捷清晰，易於實現且無額外軟硬體資源需求，可以作為具有GPS參考的恆溫控制晶體振蕩器(OCXO)、溫度補償晶體振蕩器(TCXO)晶振在失去參考時繼續穩定輸出時鐘下的一個通用方法，對於wimax等對時鐘要求非常嚴格的系統，具有重要意義。
文檔編號H03L7/00GK102291122SQ20101020190
公開日2011年12月21日 申請日期2010年6月17日 優先權日2010年6月17日
發明者姜良成, 馬鳳乾, 馬磊 申請人:中興通訊股份有限公司