CN104300969B - 一种基于全数字锁相环的高精度同步时钟实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于全数字锁相环的高精度同步时钟实现方法。其步骤为：采用鉴相器对输入卫星时钟信号和输出同步时钟信号的相位进行比较，并通过数字滤波器产生相位差信号；时钟源状态监测器在线监测卫星时钟的工作状态；正常工作模式时，脉冲增减控制器根据数字滤波器输出的相位差产生分频器的分频控制系数；失步工作模式时，自校正控制器利用卫星时钟失效前的分频控制系数、当前的环境温度以及噪声参数产生分频控制系数；分频器根据分频控制系数产生高精度同步时钟输出信号。本发明方法产生的同步时钟信号同时具有随机误差小与累积误差小的优点，在卫星时钟失效一段时间内仍可保持较高的授时精度，可为电力***提供精确时间同步秒脉冲信号。

Description

一种基于全数字锁相环的高精度同步时钟实现方法
技术领域
本发明涉及一种同步时钟实现方法，特别涉及一种基于全数字锁相环的高精度同步时钟实现方法。
背景技术
国产北斗卫星导航***和美国全球定位***等多种卫星授时***(下文统称卫星时钟)可提供全天候授时信号，授时精度高，且具有广域时间同步性能好、不受地理和气候等条件限制、应用简单等优点，在电力***广域测量、故障行波定位等方向得到了越来越多的应用，基于卫星时钟的精确时间同步技术受到广泛关注。
但在卫星失锁等情况下，秒脉冲误差可达几十微秒甚至上百微秒；同时卫星时钟信号在传播过程中会受到各种电磁干扰，严重时可能导致信号中断；其精度与稳定性难以满足保护监控等领域的时间同步要求。所以在利用卫星时钟作为广域时间同步源时，要考虑卫星时钟信号的可靠性问题，特别是卫星时钟失效后的时间同步精度。
晶振时钟具有较大的累积误差与较小的随机误差，而卫星时钟的误差特性则正好相反，两种时钟的授时误差特性互补。为了保证时间同步***的精度与稳定性，专家学者提出了多种基于卫星时钟与晶振时钟误差互补的授时方案，如采用卫星时钟信号在线修正晶振秒脉冲的累积误差以及利用高精度晶振监测修正卫星时钟随机误差等，有效提高了卫星时钟的精度和稳定性，但现有各方案均存在不足：样本数据量大、忽略了晶振的频率漂移、补偿方案计算复杂等。
近年来，锁相环技术得到了快速发展，锁相环的输出信号可自动跟踪输入信号相位，实现***的闭环自动控制。全数字锁相环由于具有可靠性高、抗干扰能力强、体积小、价格低、易于集成、***电路简单等优点外，解决了很多模拟环难以解决的根本性难题，如直流零点漂移、器件饱和、对温度敏感、必须进行初始化校准等难题。全数字锁相环技术在电网相位频率测量方面应用成熟，已在电力***领域得到了广泛应用。
发明内容
为满足电力***保护控制领域的高精度时间同步需求，实现在卫星时钟有效和失步情况下均保持较高的稳定性和同步性，本发明提供了一种基于全数字锁相环的高精度同步时钟实现方法。本发明利用全数字锁相环的相位跟踪优势，基于卫星时钟与晶振时钟误差互补的特点，提出了卫星时钟失效后的授时方案；本发明能有效提高输出时钟的稳定性。
本发明解决上述技术问题的技术方案包括以下步骤：
(1)在卫星时钟工作正常时，鉴相器对输入卫星时钟信号和输出同步时钟信号的相位进行比较，产生能够表征两者相位超前与滞后关系的输出信号；
(2)数字滤波器对鉴相器的输出信号进行滤噪处理，并根据相位超前与滞后情况产生相位差输出信号：卫星时钟信号相位超前时，输出相位差信号up，卫星时钟信号相位滞后时，输出相位差信号down；
(3)时钟源状态监测器在线监测卫星时钟的工作状态，接收正常时，选择正常工作模式，否则，选择失步工作模式；
(4)正常工作模式时，脉冲增减控制器根据数字滤波器输出的相位差产生分频器的分频控制系数N；
(5)失步工作模式时，自校正控制器利用卫星时钟失效前的分频控制系数、当前的环境温度以及噪声参数产生分频控制系数N；
(6)分频器根据分频控制系数N对晶振信号进行分频，产生高精度同步时钟输出信号。
上述的一种基于全数字锁相环的高精度同步时钟实现方法，步骤(4)中脉冲增减控制器根据数字滤波器输出的相位差产生分频器的分频控制系数N，具体方法为：
脉冲增减控制器将相位差信号up调制成有效的减脉冲，相位差信号down调制成有效的增脉冲；当增脉冲有效时，如果前一个分频系数Ni-1≤Nclk(Nclk为标准秒时钟对应的分频系数，其数值等于晶振频率)，则Ni＝Ni-1+1，对下一个输出同步时钟信号实现滞后校正；如果前一个分频系数Ni-1＞Nclk，则Ni＝Ni-1，对下一个输出同步时钟信号不进行校正；当减脉冲有效时，如果前一个分频系数Ni-1≥Nclk，则Ni＝Ni-1-1，对下一个输出同步时钟信号实现超前校正；如果前一个分频系数Ni-1＜Nclk，则Ni＝Ni-1，对下一个输出同步时钟信号不进行校正。将判别结果Ni锁存，并作为下一秒的分频控制系数输出给分频器。
上述的一种基于全数字锁相环的高精度同步时钟实现方法，步骤(5)中根据温度变化情况和时间变化实时调整分频系数，以消除累积误差对输出同步时钟信号的影响，并利用自适应预测模型算法预测产生分频控制系数N。晶振累积误差(μ(t))表示输出同步时钟信号与输入卫星时钟信号从开始时刻到测量时刻累积的时间误差。tk时刻的晶振累积误差可表示为：
μ(tk)＝μ(tk-1)+Δμ(tk) (1)
晶振的老化时间、测量噪声及温度会对频率稳定性产生影响，由于晶振的老化速率对频率稳定性影响非常小，为了简化模型，将其影响并入噪声影响中。用α表示晶振频率稳定度的温度敏感度，u(k)表示tk时刻温度传感器测量的晶振温度，y(k)表示tk时刻的校正信号，ν(k)表示tk时刻的噪声。则tk时刻增加的累积误差可表示为：
Δμ(tk)＝αu(k-1)+y(k-1)+ν(k)-βν(k-1) (2)
将式(2)代入式(1)得：
假设μ(t0)＝0，则卫星时钟失效后tk时刻的分频控制系数N为：
本发明的技术效果是：根据卫星时钟累积误差小及晶振时钟随机误差小的特点，提出了一种基于全数字锁相环的高精度同步时钟实现方法。该方法在卫星时钟工作正常时，利用全数字锁相环使晶振时钟跟踪卫星时钟秒脉冲的相位波动，实时消除晶振时钟的累积误差；当卫星时钟失效时，利用卫星时钟失效前的分频控制系数、当前的环境温度以及噪声参数，预测修正晶振时钟的累积误差。仿真实验结果表明，该方法产生的同步时钟同时具有随机误差小且累积误差小的优点，在卫星时钟失效一段时间内仍可保持较高的授时精度，可为电力***提供精确时间同步秒脉冲信号。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1是全数字锁相环同步时钟原理框图；
图2是卫星时钟正常时的时钟误差；
图3是卫星时钟失效后的时钟误差；
具体实施方式
图1是全数字锁相环同步时钟原理框图。参见图1，在卫星时钟工作正常时，采用鉴相器对输入卫星时钟信号和输出同步时钟反馈信号的相位进行比较，产生能够表征两者相位超前与滞后关系的输出信号；数字滤波器对鉴相器输出信号进行滤噪处理，并产生相位差输出信号；时钟源状态监测器在线监测卫星时钟的工作状态，接收正常时，选择正常工作模式，否则，选择失步工作模式；脉冲增减控制器对数字滤波器输出的相位差大小进行判别，产生分频器的分频控制系数N；自校正控制器在失步工作模式时，利用卫星时钟失效前的分频控制系数、当前的环境温度以及噪声参数产生分频控制系数N；分频器根据控制系数N对晶振信号进行分频，产生输出高精度同步时钟信号。
为了验证本发明所描述的一种基于全数字锁相环的高精度同步时钟实现方法的可行性，使用MATLAB进行仿真实验验证，为提高实验的准确度，仿真中采用的时钟尽量与实际时钟吻合，其中卫星时钟的随机误差服从均值为零的正态分布，σ＝50ns；晶振频率为500MHz，频率精度10-9，频率稳定度10-11(实际应用时可选用25MHz高精度晶振，经过FPGA倍频到500MHz)，假定晶振温度恒定为50℃，并采用高频脉冲信号模拟噪声干扰。利用此500MHz的晶振作为本地时钟，卫星时钟作为输入时钟，利用上述步骤可得到精确稳定的输出时钟。
实验开始时，卫星时钟工作正常，采用脉冲增减控制器输出的分频系数产生输出时钟，结果如图2所示；两小时时，卫星时钟失效，采用自校正控制器计算的分频系数产生输出时钟，结果如图3所示。
图2中μt为卫星时钟随机误差值，μ't为自校正控制器模拟产生的输出时钟误差。从图中可以看出，误差估计值曲线逼近真实值曲线，估计效果良好，证明了上述数学模型的正确性。从图3可以看出，输出时钟的误差逐渐累积增大。
由仿真结果可知，本专利所述方法能够综合利用卫星时钟和晶振时钟的优点，产生累积误差和随机误差均小的高精度同步时钟。在实际应用中为提高卫星时钟失效后的时钟精度，应尽可能保证环境温度恒定，使高精度晶振有足够的长期稳定度。

Claims (2)

1.一种基于全数字锁相环的高精度同步时钟实现方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在卫星时钟工作正常时，鉴相器对输入卫星时钟信号和输出同步时钟信号的相位进行比较，产生能够表征两者相位超前与滞后关系的输出信号；
(2)数字滤波器对鉴相器的输出信号进行滤噪处理，并根据相位超前与滞后情况产生相位差输出信号：卫星时钟信号相位超前时，输出相位差信号up，卫星时钟信号相位滞后时，输出相位差信号down；
(3)时钟源状态监测器在线监测卫星时钟的工作状态，接收正常时，选择正常工作模式，否则，选择失步工作模式；
(4)正常工作模式时，脉冲增减控制器根据数字滤波器输出的相位差产生分频器的分频控制系数N；
(5)失步工作模式时，自校正控制器利用卫星时钟失效前的分频控制系数、当前的环境温度以及噪声参数产生分频控制系数N；
(6)分频器根据分频控制系数N对晶振信号进行分频，产生高精度同步时钟输出信号；
步骤(4)中脉冲增减控制器根据数字滤波器输出的相位差产生分频器的分频控制系数N，具体方法为：
脉冲增减控制器将相位差信号up调制成有效的减脉冲，相位差信号down调制成有效的增脉冲；当增脉冲有效时，如果前一个分频系数Ni-1≤Nclk，Nclk为标准秒时钟对应的分频系数，其数值等于晶振频率，则Ni＝Ni-1+1，对下一个输出同步时钟信号实现滞后校正；如果前一个分频系数Ni-1＞Nclk，则Ni＝Ni-1，对下一个输出同步时钟信号不进行校正；当减脉冲有效时，如果前一个分频系数Ni-1≥Nclk，则Ni＝Ni-1-1，对下一个输出同步时钟信号实现超前校正；如果前一个分频系数Ni-1＜Nclk，则Ni＝Ni-1，对下一个输出同步时钟信号不进行校正；将判别结果Ni锁存，并作为下一秒的分频控制系数输出给分频器。
2.根据权利要求1所述的一种基于全数字锁相环的高精度同步时钟实现方法，其特征在于，步骤(5)中自校正控制器利用卫星时钟失效前的分频控制系数、当前的环境温度以及噪声参数产生分频控制系数N；具体方法为：
用α表示晶振频率稳定度的温度敏感度，u(k)表示tk时刻温度传感器测量的晶振温度，y(k)表示tk时刻的校正信号，ν(k)表示tk时刻的噪声；卫星时钟失效后tk时刻的分频控制系数N为：
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