CN108667546A - 一种移动小基站设备中模糊自适应的软锁相方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种移动小基站设备中模糊自适应的软锁相方法，根据移动小基站设备收取GPS信号秒脉冲和VCXO误差特性，提出压控晶振同步频率模糊自适应方案，包括在传统GPS驯服VCXO软锁相算法结构上，根据设备实际应用所处环境GPS提供不同精度的秒脉冲信号，制定模糊控制器输入量与输出量的隶属函数，结合模糊控制规则以离线方式得到模糊查询表，将模糊查询表嵌入到FPGA中；在实际设备运行时，根据求取的误差量||error||实时调整滤波器参数kp和ki，降低外界干扰对设备时钟误差的影响。本方法降低了不同使用环境下GPS秒脉冲误差对时钟频率的影响，增强设备的环境适应能力，具有广泛适用性。

Description

一种移动小基站设备中模糊自适应的软锁相方法
技术领域
本发明涉及基于微基站的4G定位设备应用技术领域，特别设计一种移动小基站设备中模糊自适应的软锁相方法。
背景技术
随着移动通信的迅速发展和移动电话的普及，公安部门一直存在着通过伪基站定位犯罪嫌疑人或者是对某一片区域进行通信压制的需求。在目前市场中，针对GSM、TD-SCDMA、WCDMA等通信制式的主动式定位或者是通信压制设备已经在公安部门、检察部门得到了广泛应用，但是随着4G网络的公网商用，越来越多的用户终端待机驻留在4G网络中，使得目前针对GSM、TD-SCDMA、WCDMA等通信制式的主动式定位设备失效。
为了解决上述问题，针对国内已经大规模商用的TDD-LTE和FDD-LTE网络，有必要开发出一套可用于4G移动终端定位***，以满足公共***门的客户需求。其中关键在于，移动小基站设备中的软锁相方法。目前传统GPS驯服VCXO软锁相算法，通过FPGA计算GPS1PPS内VCXO输出的脉冲数，与理想VCXO频率作差，通过反馈回路驯服VCXO。但传统GPS驯服VCXO软锁相算法反馈回路比例增益和积分增益采用固定参数，当设备所处环境变化时，GPS提供的秒脉冲误差也会随之变化，设备输出的时钟频率误差较大。
而基于4G定位的微基站设备由于需要在各种移动环境下接收导航星全球定位***(NAVS TAR Global Po-sitioning System,简称GPS)信号，但由于GPS接收机授时精度易受环境因素的影响，短期稳定度难以得到保证，而移动定位设备的使用环境较为复杂，同时对频率准确度和稳定度的要求较高。
发明内容
本发明的目的就在于克服现有技术缺点和不足，为减小由于GPS秒脉冲不稳定对设备频率准确度的影响，防止移动设备中由于GPS信号各种跳变，中断，误差，干扰等对***时钟频率稳定度和准确度的冲击，同时实现***VCXO输出频率的快速锁定，设计了一种基于模糊自适应调参方式来优化软锁相的方法。
本发明所采用的技术方案为一种移动小基站设备中模糊自适应的软锁相方法，根据移动小基站设备收取GPS信号秒脉冲和VCXO误差特性，提出压控晶振同步频率模糊自适应方案，包括在传统GPS驯服VCXO软锁相算法结构上，根据设备实际应用所处环境GPS提供不同精度的秒脉冲信号，制定模糊控制器输入量与输出量的隶属函数，结合模糊控制规则以离线方式得到模糊查询表，将模糊查询表嵌入到FPGA中；在实际设备运行时，根据求取的误差量||error||实时调整滤波器参数kp和ki，降低外界干扰对设备时钟误差的影响。
而且，采用VCXO软锁相装置实现，所述VCXO软锁相装置包括GPS接收天线、GPS协议芯片、FPGA芯片、模数转换芯片以及VCXO。
而且，GPS接收天线接收的信号输入GPS协议芯片，GPS协议芯片连接到FPGA芯片，FPGA芯片经过模数转换器连接VCXO的输入端，VCXO的输出端连接FPGA芯片。
而且，包括以下步骤，
步骤1、启动VCXO软锁相装置；
步骤2、GPS协议芯片解析出1PPS信号送到FPGA芯片；
步骤3、将离线获取的模糊控制器参数数组嵌入到FPGA芯片内部；
步骤4、根据GPS输出的秒脉冲和VCXO提供的时钟频率，求取误差量||error||，进行第一次优化，包括判断是否满足||error||≥C，是则进入步骤5，否则进入步骤6；其中，C为预设的相应阈值；
步骤5、若满足||error||≥C，设备采用VCXO提供的时钟频率，进入步骤8；
步骤6、若满足||error||＜C，进行第二次优化，包括由FPGA根据||error||和模糊控制器参数数组，实时调整参数kp和ki；
步骤7、FPGA芯片基于调整结构，通过模数转换芯片来调整VCXO的压控端；
步骤8、返回步骤2，VCXO逐步减少和1PPS秒脉冲的同步相差，直到最终达到锁定状态。
而且，所述移动小基站设备是车载移动基站。
而且，通过模数转换芯片调节VCXO的压控端实现方式为，FPGA芯片通过SPI总线写模数转换器的寄存器，模数转换器输出的模拟电压值随着寄存器值的变化而变化，模数转换器的输出电压值送到VCXO的压控端，电压调大，VCXO的输出频率增大，电压减小，VCXO的输出频率也随之减小。
本发明公开一种移动小基站设备中模糊自适应的软锁相方法，在FPGA(Field－Programmable Gate Array)内部运用模糊自适应算法，根据设备在不同环境下，本方法能根据GPS提供的秒脉冲信号和VCXO输出的时钟信号，求取中间参数，并以此为条件，结合模糊控制器，实时调整滤波参数，达到自适应控制VCXO端电压，减小时钟误差的目的。本方法降低了不同使用环境下GPS秒脉冲误差对时钟频率的影响，增强设备的环境适应能力，与常规软锁相算法相比较，计算量相当，同时本方法具体实现可建立在传统的软锁相硬件平台上，无需额外的硬件支持，具有广泛适用性。
本发明同现有技术相比所具有的优点、特点或积极效果：
利用GPS秒脉冲信号长期稳定度好和VCXO短期稳定度好的特点进行互补，能根据设备处于不同环境下，用算法求取的中间参数，结合模糊控制器，实时调整比例增益kp和积分增益ki，降低了环境因素对设备时钟频率误差的影响，增强了设备的环境适应能力，同时与传统软锁相算法计算量相当。
该电路避免使用分立硬件电路和单片机控制器，降低了硬件成本。并且能够抑制或削弱环境干扰的影响，且***结构简单，提高了设备的可靠性。
附图说明
图1是本发明实施例中硬件组成架构框图；
图2是本发明实施例中模糊自适应的软锁相方法原理图；
图3是本发明实施例中模糊控制器隶属函数图；
图4是本发明实施例中模糊控制规则图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例及附图，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。
本发明提供一种移动小基站设备中模糊自适应的软锁相方法，基于微基站的4G定位设备应用场景，比如在信号不稳定的街道，丘陵地貌，或者存在信号反射的湖面，江边，或者在信号覆盖差的偏远山区，野外等场景，根据车载移动基站收取GPS信号秒脉冲和VCXO误差特性，给出一种压控晶振同步频率模糊自适应的方案设计。
模糊自适应的软锁相方法在传统GPS驯服VCXO软锁相算法结构上，根据设备实际应用所处环境GPS所提供不同精度的秒脉冲信号，制定了模糊控制器输入量与输出量的隶属函数，如图3所示。并结合模糊控制规则，如图4所示，以离线方式得到了模糊查询表，将此模糊查询表嵌入到FPGA中。在实际设备运行时，根据求取的中间参数||error||实时调整滤波器参数kp和ki，达到了降低外界干扰对设备时钟误差的影响。
具体实施时，模糊控制器隶属函数图可根据实际调试经验在MATLAB下绘制，图3中，N＝小；Z＝正常；SP＝较大；P＝大；LP＝很大。图4为||error||和比例参数kp和积分参数ki对应关系，可根据||error||得到kp和ki，基于模糊控制理论，可通过kp和ki在反馈电路中对DAC输入的数字量进行调整。
参见图1，本发明提供于移动定位基站的VCXO软锁相装置，包括GPS接收天线(ANT)，GPS协议芯片，FPGA芯片，模数转换芯片DAC以及压控VCXO。GPS接收天线接收的信号输入GPS协议芯片，GPS协议芯片连接到FPGA，FPGA经过模数转换器连接VCXO的输入端。VCXO的输出端连接FPGA。
所述VCXO是Voltage Control X-tal Oscillator，电压控制晶体振荡器。
由于软锁相算法效果直接受反馈回路比例增益kp和积分增益ki影响，而4G移动终端定位***实际应用环境比较复杂，GPS输出秒脉冲信号不稳定，若采用固定参数kp和ki，软锁相效果并不理想。
软锁相算法中，当比例增益kp和积分增益ki较小时，软锁相算法输出频率准确性主要取决于VCXO，若设备所处环境GPS提供的秒脉冲误差较小，则软锁相算法求取的频率误差主要来自于VCXO。
当比例增益kp和积分增益ki较大时，软锁相算法求取的频率误差主要取决于GPS提供的秒脉冲，因VCXO短期稳定性较好，则锁相算法求取频率误差主要来自于GPS。
为增加设备的适应能力，减小环境因素对设备频率误差的影响，在传统的GPS驯服VCXO框架上，本方法对软锁相进行了两次优化，根据附图2所示：
首先，以||error||为条件判断GPS秒脉冲信号质量，对软锁相过程进行优化，本发明提出根据预设的相应阈值C进行优化，
当满足||error||≥C时，认为GPS输出的秒脉冲信号误差较大，会影响时钟精度，此时，设备在短时间内依靠VCXO提供的时钟，以减小时钟频率误差。
当满足||error||＜C时，结合模糊控制器再次对软锁相过程进行优化，即第二次优化。因VCXO短期内较为稳定，故算法求取的中间参数||error||，反应了GPS输出秒脉冲精度，通过||error||结合模糊控制器，实时调整反馈回路滤波参数kp和ki。
具体实施时，阈值C可根据实际调测取经验值。
第二次优化调整方式为，与设备在常规状态下计算的误差量相比较，
当||error||较小时，GPS秒脉冲精确度较高，此时算法解算的时钟频率应主要取决于GPS提供的秒脉冲，故应增大kp和ki；
反之，当||error||较大时，GPS秒脉冲误差较大，此时算法解算的时钟频率应主要取决于VXCO提供的时钟，故应减小kp和ki。
具体增大和减小kp和ki，根据Mtalab下离线获取模糊控制器参数数组，和FPGA计算的error值而定。
具体实施时，可以在设备未收遮挡干扰的情况下，预先提取设备在常规状态下计算的误差量。
参见图2，实施例提供的流程包括以下步骤：
步骤1、启动GPS接收天线，GPS协议芯片，FPGA芯片，模数转换芯片以及VCXO所构成***的硬件框架；
步骤2、GPS协议芯片解析出1PPS信号送到FPGA芯片；
步骤3、将离线获取的模糊控制器参数数组嵌入到FPGA芯片内部，参见图3和图4，具体实施时可在Mtalab下离线获取模糊控制器参数数组；
步骤4、根据GPS输出的秒脉冲和VCXO提供的时钟频率，相减然后取绝对值，求取误差量||error||，进行第一次优化，包括判断是否满足||error||≥C，是则进入步骤5，否则进入步骤6；
步骤5、若满足||error||≥C，设备短期内依靠VCXO提供的时钟频率，然后进入步骤8；
步骤6、若满足||error||＜C，进行第二次优化，包括由FPGA根据||error||和模糊控制器参数数组，实时调整参数kp和ki；
步骤7、FPGA芯片，基于调整后的kp和ki，通过反馈调节模数转换芯片DAC来调整VCXO的压控端；其中，S为积分项在频域的表达形式；
步骤8、返回步骤2，VCXO逐步减少和1PPS秒脉冲的同步相差，直到最终达到锁定状态，从而提高VCXO的频率准确度和长期稳定性；即以1PPS做为时间戳的基准参考，然后用算法去校准时偏偏移值每个步进的差值，当两个步进之间的差值接近相等时，判断达到锁定状态，否则未达到锁定状态，继续返回步骤2。
具体实施时，可采用软件方式实现流程的自动运行。
为便于实施参考起见，提供使用本发明实施例所提供装置的工作方式如下：
GPS协议芯片通过GPS天线，接收卫星信号后，产生秒脉冲信号1PPS，以及接收天线的位置坐标，时间，卫星状态等信息，并发送到FPGA芯片。
根据实际工程应用中获得的模糊控制器输入量(||error||)和输出量(kp,ki)范围，制定模糊控制器输入量与输出量的隶属函数；根据控制规律，制定模糊控制规则，以Matlab为平台，通过离线方式获取输入量与输出量的对应关系，即模糊查询表，将此表制作成一个二维数组，以下简称参数数组。
FPGA芯片利用***时钟对1PPS进行计数，分析得到误差量||error||，进行下一步处理，若满足||error||＜C，则算法进行调整；否则，设备短时间内依靠VCXO输出的时钟频率。调整方式为，根据FPGA分析得到的||error||和参数数组，实时调整滤波参数kp和ki。经反馈回路，通过DAC调节VCXO的压控端电压，来实现对VCXO频率的调整；当频率差缩小到一定范围内，可以认定VCXO已经锁定，输出lock锁定指示信息。
通过DAC调节VCXO的压控端电压的实现方式为，FPGA通过SPI总线写模数转换器的寄存器，模数转换器输出的模拟电压值随着寄存器值的变化而变化。模数转换器的输出电压值送到VCXO的压控端，电压调大，VCXO的输出频率增大，电压减小，VCXO的输出频率也随之减小。
FPGA根据模糊自适应的软锁相方法，通过模数转换器对VCXO进行调整，VCXO变化后的频率又反馈回FPGA，形成一个负反馈，最终的结果就是输出频率将稳定在标准频率左右很小的偏差范围内，达到一种频率相对稳定的状态。
模数转换器接口简单，可以有广泛的选择范围。VCXO利用1PPS实现软锁相的***实现，是现有的技术。
具体实施时，GPS天线，GPS协议芯片，FPGA可以由技术人员根据性能，成本需求选择具体芯片型号，还可以设置电源模块，向各个器件供电。本发明只要求保护硬件方面的改进，各部分工作芯片的选择和调试可以由技术人员指定。
本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种移动小基站设备中模糊自适应的软锁相方法，其特征在于：根据移动小基站设备收取GPS信号秒脉冲和VCXO误差特性，提出压控晶振同步频率模糊自适应方案，包括在传统GPS驯服VCXO软锁相算法结构上，根据设备实际应用所处环境GPS提供不同精度的秒脉冲信号，制定模糊控制器输入量与输出量的隶属函数，结合模糊控制规则以离线方式得到模糊查询表，将模糊查询表嵌入到FPGA中；在实际设备运行时，根据求取的误差量||error||实时调整滤波器参数kp和ki，降低外界干扰对设备时钟误差的影响。
2.根据权利要求1所述的一种移动小基站设备中模糊自适应的软锁相方法，其特征在于：采用VCXO软锁相装置实现，所述VCXO软锁相装置包括GPS接收天线、GPS协议芯片、FPGA芯片、模数转换芯片以及VCXO。
3.根据权利要求2所述的一种移动小基站设备中模糊自适应的软锁相方法，其特征在于：GPS接收天线接收的信号输入GPS协议芯片，GPS协议芯片连接到FPGA芯片，FPGA芯片经过模数转换器连接VCXO的输入端，VCXO的输出端连接FPGA芯片。
4.根据权利要求2所述的一种移动小基站设备中模糊自适应的软锁相方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤1、启动VCXO软锁相装置；
步骤2、GPS协议芯片解析出1PPS信号送到FPGA芯片；
步骤3、将离线获取的模糊控制器参数数组嵌入到FPGA芯片内部；
步骤4、根据GPS输出的秒脉冲和VCXO提供的时钟频率，求取误差量||error||，进行第一次优化，包括判断是否满足||error||≥C，是则进入步骤5，否则进入步骤6；其中，C为预设的相应阈值；
步骤5、若满足||error||≥C，设备采用VCXO提供的时钟频率，进入步骤8；
步骤6、若满足||error||＜C，进行第二次优化，包括由FPGA根据||error||和模糊控制器参数数组，实时调整参数kp和ki；
步骤7、FPGA芯片基于调整后的kp和ki，通过反馈调节模数转换芯片DAC来调整VCXO的压控端；
步骤8、返回步骤2，VCXO逐步减少和1PPS秒脉冲的同步相差，直到最终达到锁定状态。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种移动小基站设备中模糊自适应的软锁相方法，其特征在于：所述移动小基站设备是车载移动基站。
6.根据权利要求2或3或4所述的一种移动小基站设备中模糊自适应的软锁相方法，其特征在于：通过模数转换芯片调节VCXO的压控端实现方式为，FPGA芯片通过SPI总线写模数转换器的寄存器，模数转换器输出的模拟电压值随着寄存器值的变化而变化，模数转换器的输出电压值送到VCXO的压控端，电压调大，VCXO的输出频率增大，电压减小，VCXO的输出频率也随之减小。
7.根据权利要求5所述的一种移动小基站设备中模糊自适应的软锁相方法，其特征在于：通过模数转换芯片调节VCXO的压控端实现方式为，FPGA芯片通过SPI总线写模数转换器的寄存器，模数转换器输出的模拟电压值随着寄存器值的变化而变化，模数转换器的输出电压值送到VCXO的压控端，电压调大，VCXO的输出频率增大，电压减小，VCXO的输出频率也随之减小。
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