一種基於加速振動條件的射頻晶振剩餘壽命估計方法與流程
2023-05-21 10:33:46 1
本發明屬於射頻模塊健康評估及壽命預測技術領域，更為具體地講，涉及一種基於加速振動條件的射頻晶振剩餘壽命估計方法。
背景技術：
晶體振蕩器電路(晶振)是電子系統的參考源，其性能將直接影響電子系統的整機性能,它們可以執行很多重要操作，包括頻率轉換，同步，定時，和射頻區的濾波。而相位噪聲從頻域的角度表徵頻率信號的短期穩定度，評估晶振的輸出質量。本發明以100M Hz低相噪晶體振蕩器在加速失效實驗條件下由相位噪聲表徵的性能退化為對象進行射頻晶振剩餘壽命的預測。
相位噪聲是指由於系統內部各種不確定噪聲作用下所引起信號相位的隨機起伏,一般是由隨機噪聲和冪律噪聲所產生。由於相位噪聲的存在,導致實際的振蕩器輸出信號中存在著無用的信號幅度和頻率起伏。隨著使用時間的增加，晶振內部元件性能老化，噪聲越來越大，導致輸出信號的起伏增加，相位噪聲譜升高。
基於統計回歸的模型可以從歷史樣本中獲取同類產品的性能退化特點，對於正在使用的產品的退化預測有著很好的參考指示作用。且統計回歸模型可以結合不確定性分析得到剩餘壽命的分布情況，比起點估計的機器學習方法增加了對不確定性的概率意義的刻畫，得出的結果更加可信和完整。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種基於加速振動條件的射頻晶振剩餘壽命估計方法，針對晶振本身構成和工作性質，採用宏觀數學冪律模型和內部物理特性分析相結合的方式，得到晶振的剩餘壽命期望和概率密度曲線。
為實現上述發明目的，本發明一種基於加速振動條件的射頻晶振剩餘壽命估計方法，其特徵在於，包括以下步驟：
(1)、選取實驗射頻晶振，並進行加速振動失效實驗
維持整個實驗過程中溫度、溼度條件不變，設置振動臺的輸入電壓、加速度自控制功率譜、平均推力和平均位移，對選取的射頻晶振進行加速振動失效實驗；
(2)、提取射頻晶振的m組單邊帶相位噪聲譜圖像
設實驗過程中一個完整的加速循環周期為T，採樣點總數為K；在前N個加速循環周期內，每間隔n1個加速循環周期作為一採樣點，在N個加速循環周期後，每間隔n2個加速循環周期作為一採樣點，且n1＞n2；
在每個採樣點對射頻晶振進行採樣，提取射頻晶振的相位噪聲，得到每個採樣時刻的單邊帶相位噪聲譜圖像；
按照上述方法，重複實驗m次，得到m組不同採樣時刻的單邊帶相位噪聲譜圖像；
(3)、歸一化m組單邊帶相位噪聲譜圖像
將m組單邊帶相位噪聲譜圖像對應時刻的每個採樣點的相位噪聲求均值，得到一組K幅均值單邊帶相位噪聲譜圖像
(4)、在p個頻偏fm處提取均值單邊帶相位噪聲譜圖像的關鍵點，記錄它們的坐標(fm1,Lv(fm1)),(fm2,Lv(fm2)),…(fmp,Lv(fmp))；
(5)、根據射頻晶振的性能指標，計算相位白噪聲係數b0、閃爍調相噪聲係數b-1和閃爍調頻係數b-3；
b-1＝b0fc,b-3＝b-1fL3
其中，fc為轉折頻率，fL為lesson頻率，K＝1.3806505×10-23，T＝305K，P0＝-13.65dBm，F為高穩晶振放大器的增益；
(6)、利用非線性最小二乘擬合方法得到基於冪律和模型的方程
其中，
sa(fm)為由反饋和隨機遊走噪聲造成的主要殘餘分量；
設起始時刻b-4,b-5為零，隨著振動周期的增加，b-4,b-5的值不斷變化，通過非線性最小二乘擬合記錄出b0,b-1,b-3,b-4,b-5的變化規律，並進行主成分分析降維變成有壽命指示作用的一維向量q，其長度為T；
(7)、利用一維向量q建立帶漂移的維納過程數學模型，運用貝葉斯迭代算法得出當前振動周期下晶振的剩餘壽命概率分布以及期望剩餘壽命。
本發明的發明目的是這樣實現的：
本發明一種基於加速振動條件的射頻晶振剩餘壽命估計方法，通過同時同地同條件對同類晶振產品進行失效實驗，根據它們的相位噪聲譜圖像的分析確定其壽命狀態，從一類歷史樣本的共同規律中確定此類產品的退化規律，建立數學模型，最後應用到現場樣本進行驗證，這樣在減小了雜散和諧波的影響下，能夠準確反映射頻晶振壽命的平均情況。
同時，本發明一種基於加速振動條件的射頻晶振剩餘壽命估計方法還具有以下有益效果：
(1)、通過對射頻晶振同類產品的構成特性及其壽命指標——相位噪聲進行針對性的分析，在數據建模和預測階段將其結果用於優化統計回歸模型的參數設置，算法同產品結合度高，得出的方法具有理論可信度；
(2)、數據處理階段採用的方法從宏觀數學模型的角度減小了雜散和諧波的影響，最後得出的結果極為接近，反映了射頻晶振壽命的平均情況。
附圖說明
圖1是基於加速振動條件的射頻晶振剩餘壽命估計方法流程圖；
圖2是實施例射頻晶振分別在0循環周期和9200循環周期處記錄的的原始均值單邊帶相位噪聲譜圖像；
圖3展示了實施例方法分別在0循環周期和9200循環周期處提取到的關鍵點非線性最小二乘冪律擬合結果；
圖4是本發明實施例晶振的q向量在隨振動周期的變化圖；
圖5是實施例晶振在l時刻的真實剩餘壽命和用本發明方法得出的剩餘壽命概率密度曲線分布對比圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的具體實施方式進行描述，以便本領域的技術人員更好地理解本發明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當已知功能和設計的詳細描述也許會淡化本發明的主要內容時，這些描述在這裡將被忽略。
實施例
圖1是基於加速振動條件的射頻晶振剩餘壽命估計方法流程圖。
在本實施例中，如圖1所示，本發明一種基於加速振動條件的射頻晶振剩餘壽命估計方法，包括以下步驟：
(1)、選取實驗射頻晶振，並進行加速振動失效實驗
維持整個實驗過程中溫度、溼度條件不變，設置振動臺的輸入電壓、加速度自控制功率譜、平均推力和平均位移，對選取的射頻晶振進行加速振動失效實驗；
在本實施例中，本發明基於加速振動條件的射頻晶振剩餘壽命估計方法選取了10組同類高穩射頻晶振，加速度有效值為7.40202g＝m/s2，加速度均方根值(RMS)為0.02286g2/Hz，設置每個振動周期為1分鐘，振動臺輸出加速度振動頻率在20Hz到2KHz之間。
(2)、提取射頻晶振的m組單邊帶相位噪聲譜圖像
設實驗過程中一個完整的加速循環周期為T，採樣點總數為K；在前N個加速循環周期內，每間隔n1個加速循環周期作為一採樣點，在N個加速循環周期後，每間隔n2個加速循環周期作為一採樣點，且n1＞n2；
在每個採樣點對射頻晶振進行採樣，提取射頻晶振的相位噪聲，得到每個採樣時刻的單邊帶相位噪聲譜圖像；
按照上述方法，重複實驗m次，得到m組不同採樣時刻的單邊帶相位噪聲譜圖像；
在本實施例中，實驗過程中一個完整的加速循環周期為10000，在前7000個加速循環周期內，每間隔500個加速循環周期作為一採樣點，在7000個加速循環周期後，每間隔100個加速循環周期作為一採樣點。一個加速循環周期共45個採樣點。按照上述方法，重複實驗10次，得到10組不同採樣時刻的單邊帶相位噪聲譜圖像。如圖2所示，同時顯示在0循環周期和9200循環周期處的真實相位噪聲譜圖；
(3)、歸一化m組單邊帶相位噪聲譜圖像
將m組單邊帶相位噪聲譜圖像對應時刻的每個採樣點的相位噪聲求均值，得到一組K幅均值單邊帶相位噪聲譜圖像
在本實施例中，將10組單邊帶相位噪聲譜圖像對應時刻的每個採樣點的相位噪聲求均值，得到一組45幅均值單邊帶相位噪聲譜圖像G0,G500,G1000,…G7000,G7100,…G10000。
(4)、在p個頻偏fm處提取均值單邊帶相位噪聲譜圖像的關鍵點，記錄它們的坐標(fm1,Lv(fm1)),(fm2,Lv(fm2)),…(fmp,Lv(fmp))，Lv(fm)為在fm處的單邊帶相位噪聲值，單位為dBc；
在本實施例中，從頻偏fm 10Hz處到100MHz在每個十倍頻區間等頻距取9個關鍵點，一幅圖像取46個關鍵點在，記錄它們的坐標(10,Lv(10)),(20,Lv(20)),…(100,Lv(100)),…(100M,Lv(100M))。
(5)、根據射頻晶振的性能指標，計算相位白噪聲係數b0、閃爍調相噪聲係數b-1和閃爍調頻係數b-3；
b-1＝b0fc,b-3＝b-1fL3
其中，fc為轉折頻率，fL為lesson頻率，K＝1.3806505×10-23，T＝305K，P0＝-13.65dBm，F為高穩晶振放大器的增益；
(6)、利用非線性最小二乘擬合方法得到基於冪律和模型的方程
其中，
sa(fm)為由反饋和隨機遊走噪聲造成的主要殘餘分量；
設起始時刻b-4,b-5為零，隨著振動周期的增加，b-4,b-5的值不斷變化，通過非線性最小二乘擬合記錄出b0,b-1,b-3,b-4,b-5的變化規律，並進行主成分分析降維變成有壽命指示作用的一維向量q，其長度為T；
如圖3所示，分別在0循環周期和9200循環周期處提取到的關鍵點及其非線性最小二乘冪律擬合結果。
根據射頻晶振的性能指標，計算得到初始循環周期相位白噪聲係數b0＝3.12e-17，閃爍調相噪聲係數b-1＝7.25e-13，閃爍調頻係數b-3＝3.85e-7；
利用非線性最小二乘擬合方法得到基於冪律和模型的方程，得到b0,b-1,b-3,b-4,b-5隨振動周期的退化規律如表1所示，本實施例中僅展示21個採樣點的值；
表1是b0,b-1,b-3,b-4,b-5隨振動周期的退化規律表。
表1
本實施例選取的晶振的q向量隨振動周期的變化規律如圖4所示，其中，q向量含有b0,b-1,b-3,b-4,b-5的主要信息，其退化特徵能表徵晶振的壽命過程；圖中的誤差棒代表了非線性最小二乘擬合誤差sa(fm)；
(7)、利用一維向量q建立帶漂移的維納過程數學模型，運用貝葉斯迭代算法得出當前振動周期下晶振的剩餘壽命概率分布以及期望剩餘壽命。
其中，如圖5所示，實施例晶振在l時刻的真實剩餘壽命和用本發明方法得出的剩餘壽命概率密度曲線分布進行對比，在圖中展示了當前監測時刻從第8000循環周期至採樣截止循環周期的預測剩餘壽命概率曲線以及對應時刻的真實剩餘壽命，下面對求取當前振動周期下晶振的剩餘壽命概率分布以及期望剩餘壽命的具體方法進行詳細說明，具體包括以下步驟：
(7.1)、建立帶漂移的維納過程數學模型：
以一維向量q作為評估指標，其總體上服從帶漂移的指數分布：
B(t)代表q的當前時刻t處的退化變量，γ為初始循環周期的q值，α'、θ'為指數過程雙參量，σ為指數過程維納漂移係數；
為便於處理，將B(t)對數化為D(t)：
D(t)＝ln[B(t)-γ-ε]＝α+θt+λW(t)
其中，α,θ符合聯合正態分布：l為當前監測時刻點；μ0,μ1,ρl分別為α的期望、α的方差、θ的期望、θ的方差的先驗估計、α,θ的相關係數λ為待估計常數，W(t)為維納過程；
(7.2)、更新先驗估計μ0,μ1,λ：
(7.2.1)分析q的變化規律得到初始時刻先驗估計μ0,μ1,λ，進入步驟(7.2.2)；
(7.2.2)後驗概率μα,μθ,ρ隨l迭代更新：
進入(7.2.3)；
其中，d1,d2,…dl(l＜nfailure)為採樣至l時刻的數據點，τ1,τ2,…τl為採樣時刻點；
(7.2.3)根據E-M算法，先驗概率參數μ0,μ1,λ更新：
當前時刻小於l時，返回(7.2.2)；反之，進入(7.2.4)；
其中，s表示E-M算法新數據到來時尋優過程的迭代次數；
(7.2.4)將迭代到l時刻的結果代入預測的剩餘壽命概率密度函數：
其中，rl為表徵l時刻剩餘壽命的隨機變量；
l時刻預測的剩餘壽命期望為：
由圖5可以看出，通過本實例選取的晶振按照上述方法進行處理後，本發明算法運行結果與真實結果很接近，且給出了誤差區間。
儘管上面對本發明說明性的具體實施方式進行了描述，以便於本技術領域的技術人員理解本發明，但應該清楚，本發明不限於具體實施方式的範圍，對本技術領域的普通技術人員來講，只要各種變化在所附的權利要求限定和確定的本發明的精神和範圍內，這些變化是顯而易見的，一切利用本發明構思的發明創造均在保護之列。