專利名稱：一種基于最小二乘法模型的時鐘調整算法的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于最小二乘法模型的時鐘調整算法，可用于采用修正高穩(wěn)晶體方法來提供高精度時鐘源的時鐘設備，屬于通信技術領域。
背景技術：
數(shù)字同步網是數(shù)字通信網正常運行的基礎，也是保障各種業(yè)務網運行質量的重要手段。它與電信管理網、信令網一起并列為電信網的三大支撐網，在電信網中具有舉足輕重的地位。
對于任何通信設備，都需要時鐘為其提供工作頻率，所以時鐘性能是影響設備性能的一個重要方面。時鐘常被稱為設備的心臟。時鐘工作時的性能主要由兩個方面決定自身性能和外同步信號的質量。而外同步信號的質量就是由數(shù)字同步網來保證的。當設備組成系統(tǒng)和網絡后，數(shù)字同步網必須為系統(tǒng)和網絡提供精確的定時，以保障其正常運行，網內各節(jié)點時鐘的精度影響一個數(shù)字通信網工作是否正常。
我國的數(shù)字通信網規(guī)模龐大，分布范圍廣，所以數(shù)字同步網一般要接收幾個基準主時鐘共同控制。如果采取定時鏈路來傳輸定時信號，那么隨著數(shù)字傳輸距離的增長，傳輸損傷逐漸增大、可靠性逐漸降低。而利用裝配在基準鐘上的GPS接收機跟蹤UTC(世界協(xié)調時)，來實現(xiàn)對基準鐘的不斷調整，使之與UTC保持一致的長期頻率準確度，從而達到各個基準鐘同步運行和全網高度同步的目的是切實可行的，也是方便實用的。并且，在數(shù)字同步網中采用GPS配置基準鐘，實現(xiàn)方法簡單，同步時間精度高，提高了全網性能，成本卻相對低廉，并且便于維護管理，所以GPS時鐘在基準鐘中得到廣泛使用。
GPS是英文Navigation Satellite Timing and Ranging/Global PositionSystem的字頭縮寫詞NAVSTAR/GPS的簡稱。它的含義是，利用導航衛(wèi)星進行測時和測距，構成全球定位系統(tǒng)，這一全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)簡稱為GPS。GPS系統(tǒng)的空間部分由24顆衛(wèi)星組成，均勻分布在6個仰角為55度的軌道面上。GPS系統(tǒng)的利用者接收衛(wèi)星發(fā)送的擴頻信號，測量電波傳播時間求出衛(wèi)星到接收機天線的距離，利用空間三球相交一點的原理，解算以接收機位置為未知數(shù)的方程，從而確切知道接收機的位置。它可以為全球用戶提供連續(xù)、實時、高精度的三維位置、速度和時間信息，可以滿足各種不同用戶的需要。GPS系統(tǒng)由空中衛(wèi)星、地面跟蹤監(jiān)測站、地面衛(wèi)星數(shù)據注入站、地面數(shù)據處理中心和數(shù)據通訊網絡等部分組成。用戶只需購買GPS接收機，就可享受免費的導航、授時和定位服務。當前，GPS時鐘已成為世界上傳播范圍最廣、精度最高的時間發(fā)布系統(tǒng)之一，民用接收機接收到的GPS時鐘與國際標準時間UCT(Universal Co-ordinated Time)保持高度同步，最高精度可達20ns。但是，民用GPS時鐘的可靠性并沒有得到保障，其所有者并不保證GPS的精度和可靠性，對民用用戶不承擔責任。而且GPS接收機接收到的GPS時鐘或多或少存在以下一些誤差(1)星歷誤差GPS信號中予報的衛(wèi)星位置的誤差，(2)衛(wèi)星鐘差GPS信號中予報的衛(wèi)星原子鐘的偏差，(3)電離層誤差由于大氣電離層效應引起的GPS信號接收的誤差，(4)對流層誤差由于大氣對流層效應引起的GPS信號接收的誤差，(5)多徑誤差由于反射信號進入接收機天線引起的GPS信號接收的誤差，(6)接收機誤差由于熱噪聲、軟件和各通道之間的硬件偏差等引起的測量值誤差，(7)跟蹤衛(wèi)星過少誤差在某些條件下GPS接收機鎖定的衛(wèi)星小于4顆而產生定時誤差。因此，在實際應用中，GPS接收機產生的時鐘信號的精度和穩(wěn)定性難以得到保證。通常GPS接收機給出的時鐘精度以概率指標表示，接收機產生秒脈沖(1PPS)的誤差服從正態(tài)分布。例如MOTOROLAUT ONCORE型接收機，統(tǒng)計精度為50ns(1σ)。表示該接收機的秒脈沖偏差服從正態(tài)分布，GPS時鐘誤差落于1σ范圍(50ns)內的慨率為0.6828，落于2σ范圍(100ns)內的慨率為0.9546；落于3σ范圍(150ns)內的慨率為0.9974。但在衛(wèi)星失鎖或衛(wèi)星時鐘實驗跳變的條件下，GPS時鐘誤差甚至達幾十上百毫秒。
為了與GPS系統(tǒng)抗衡，俄羅斯構造了GLONASS(Global Orbiting NavigationSatellite System)定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)提供給民用時鐘信號的精度較高，但接收機價格較貴，同樣俄羅斯也不保證GLONASS的精度和可靠性，對民用用戶也不承擔責任，且造價高，難以得到廣泛推廣應用。
除了GPS時鐘和GLONASS時鐘，其它常規(guī)時鐘頻率產生方法可以是晶體、銣鐘等，這一類時鐘穩(wěn)定性較高，單個時間間隔的隨機漂移非常小，但長時間運行的累計誤差較大。晶體會老化，易受外界環(huán)境變化影響，長期的精度漂移影響；原子鐘長期使用后也會產生偏差，需要定時校準。而GPS系統(tǒng)由于其工作特性的需要，定期對自身時鐘系統(tǒng)進行修正，所以其自身時鐘系統(tǒng)長期穩(wěn)定，具有對外界物理因素變化不敏感特性。晶體或銣鐘以GPS為長期參考，可以獲得低成本、高性能的基準時鐘。
為推廣GPS時鐘的應用，需要解決兩方面問題(1)對GPS時鐘實時監(jiān)測，對秒脈沖序列精度進行評估，保證輸出的準確性；(2)對GPS時鐘進行誤差補償，以提高輸出時鐘的精度。
為解決以上2個問題，一種方法是采用幾個不同的衛(wèi)星時鐘系統(tǒng)如GPS系統(tǒng)和GLONASS系統(tǒng)進行相互比較校驗，以提高時鐘的精度和可靠性，該方法實現(xiàn)復雜，成本高，另一種方法是采用GPS時鐘同步守時鐘(原子鐘、晶振時鐘或CPU內部時鐘)的方法，正常運行時由GPS時鐘校正守時鐘，在GPS失步狀態(tài)下，由守時鐘代替GPS時鐘。當采用晶振時鐘或CPU內部時鐘作為守時鐘時，該方法只能消除GPS短時失鎖產生的較大偏差，不能消除SA干擾等產生的較小偏差。如要提高時鐘精度，需采用比GPS時鐘精度更高的原子鐘對GPS時鐘進行同步比較監(jiān)測，該方法造價高，很難推廣實現(xiàn)。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種保證時鐘輸出準確性的基于最小二乘法模型的時鐘調整算法。
為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明的技術方案是提供一種基于最小二乘法模型的時鐘調整算法，其特征在于，采用C語言編制的程序，運行于時鐘同步設備中，其方法為一種基于最小二乘法模型的GPS時鐘調整算法，其特征在于，采用C語言編制的程序，運行于時鐘同步設備中，其方法為第一步根據壓控晶體的參數(shù)計算D/A轉換芯片的控制初值DA，以此初值上電控制晶體；第二步將恒溫高穩(wěn)晶體的秒脈沖與GPS接收機的秒脈沖對齊，開始跟蹤；第三步根據相差計算對應的晶體電壓調整值調整晶體，相位落后加快頻率，相位超前降低頻率，開始進入快速跟蹤GPS的過程，此過程持續(xù)半小時，
記錄下最后四百次的相位差數(shù)據，即公式9的偏差序列Y；半小時后設此時晶體控制電壓D/A值為DA，記錄s時間序列X即公式2值取四百；第四步每一秒由前X-1秒的相位差數(shù)據由線形回歸算法預估本秒的相位差 即公式14，根據相位和頻率的對應關系以及高穩(wěn)晶體頻率和控制電壓的計算關系計算本次對晶體的控制電壓值補償值ΔDA1即公式15，以此補償值修正晶體的電壓的控制參數(shù)為DA+ΔDA1，調整完畢后X遞加；調整完畢后DA值更新為DA＝DA+ΔDA1；第五步如果本秒相差大于100ns(使用MOTOROLA VP ONCORE時為2σ單位，此時秒鑒相結果(超前/滯后)準確性的概率等于GPS秒脈沖落于2σ范圍內的慨率為95.46％)時可認為相位差過大，必須進行一定相位補償，補償?shù)南辔粸槌?00ns的部分，根據相位和頻率的對應關系以及高穩(wěn)晶體頻率和控制電壓的計算關系計算本次對晶體的控制電壓值補償值ΔDA2(見公式15)，以此補償值修正晶體電壓的控制參數(shù)為DA+ΔDA2；調整完畢后DA值不更新；第六步重復第四步反復修正，時間越長，樣點數(shù)越多，此時壓控晶體的每秒鐘的電壓控制參數(shù)DA將沿著某個中心值上下小幅波動，總體趨近于一條水平直線，通過線性回歸克服了GPS秒脈沖抖動帶來的影響。
本發(fā)明采用高精度晶振對GPS時鐘進行監(jiān)測與校正的簡便實用方法，建立GPS時鐘誤差的測量模型，提出一種高精度時鐘的產生方法，并成功地將其應用于時鐘同步設備中。
GPS接收機在正常工作條件下，其時鐘的誤差服從正態(tài)分布，只存在單個秒脈沖的抖動，但從長時間來看，GPS時鐘并不存在累計誤差。而高穩(wěn)晶體短時間內的抖動很小，但存在較大的累計誤差。GPS時鐘與晶振時鐘的精度是互補的，如果把二者進行比較分析，使二者互為參考，利用GPS的長期精度特性對高穩(wěn)晶體進行校正，采用數(shù)理統(tǒng)計的方法估計出二者的誤差，進而對誤差進行在線主動補償，可以實現(xiàn)高精度時鐘。
在具體實現(xiàn)時采用對高精度晶振進行分頻，產生秒脈沖時鐘信號；晶振秒脈沖時鐘與GPS的秒脈沖進行相位比較，產生偏差序列，該偏差包括GPS時鐘的左右抖動相差和相位的累計誤差；采用數(shù)學回歸對兩種誤差進行估計，從而分離出各自的誤差，并對晶體累計誤差進行修正，由此構造一種簡便的高精度時鐘發(fā)生裝置。具體為通過分頻電路，將高精度時鐘的輸出時鐘進行分頻，分頻后得到秒脈沖信號經過數(shù)字鑒相濾器和GPS的秒脈沖信號進行相位比較，得到相位偏差序列樣本，晶振的累積誤差由CPU設置補償值修正。每秒調整一次，第N秒時的補償值由前N-1秒的GPS時鐘誤差和前N-1秒的補償值的歷史數(shù)據采用線性回歸的算法得到預估的補償值。
本發(fā)明的優(yōu)點是能保證GPS時鐘輸出準確性。


圖1為時鐘同步設備的結構示意圖；圖2為數(shù)字鑒相濾波器的結構示意框圖；圖3為數(shù)字鑒相濾波器內部的頂層電原理圖；圖4為“DP_CTRL”模塊中的電原理圖；圖5為最小二乘法模型的時鐘調整算法流程框圖。
具體實施例方式
以下結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
實施例如圖1所示，為時鐘同步設備為結構示意圖，所述的時鐘同步設備由數(shù)字鑒相濾器、GPS接收機、CPU和恒溫高穩(wěn)晶體組成，數(shù)字鑒相濾器與GPS接收機連接，同時數(shù)字鑒相濾器與CPU和恒溫高穩(wěn)晶體連接組成回路，CPURabbit2000，性能約等同于采用16M晶振的8051系列。
如圖2所示，為數(shù)字鑒相濾波器的結構示意框圖，本發(fā)明針對這種低成本的GPS接收模塊所提供的1pps的秒脈沖信號(或等效1pps信號)，作為外參考比較信號源，利用數(shù)?；旌偷逆i相環(huán)路所控制的本地的壓控石英晶體振蕩器的輸出等效1pps信號作為本地比較信號源，通過用FPGA進行數(shù)字鑒相及濾波技術，可靈活調整輸出信號的特性及精度，以滿足各種需要場合。本發(fā)明中，使用了兩個本地高頻信號源，1)，由16.384MHZ的壓控晶體振蕩器組成的可控本地標準高頻時鐘源，通過分頻，可產生2.048MHZ的輸出時鐘及本地1pps信號。2)，由16.384MHZ的4倍頻既65.536MHZ信號，作為數(shù)字鑒相及濾波工作時鐘。數(shù)字鑒相器比較本地秒脈沖信號與外參考秒脈沖信號的相位差，再通過數(shù)字濾波，及外部配套軟件的算法分析，可解決GPS模塊的1pps輸出擾動問題，以保證本地輸出信號精度，由此可產生出與輸入信號源精度相當?shù)亩喾N信號輸出。
本發(fā)明實施例所提供的一種數(shù)字鑒相濾波器，以及分別與數(shù)字鑒相濾波器連接的GPS模塊、2M頻率信號源模塊、CPU和16.384MHZ壓控頻率單元；由于數(shù)字鑒相及數(shù)字濾波還有一些輔助單元均是在一塊FPGA(可編程邏輯器件)中實現(xiàn)，所以在這里就FPGA內部的設計實現(xiàn)做詳細的說明。
如圖3所示，數(shù)字鑒相濾波器內部的頂層電原理如下頂層包括3個模塊(模塊1～模塊3)，每個模塊的左邊引腳均為輸入，右邊均為輸出。但是標注“雙向數(shù)據總線”的引腳為輸入輸出雙向。
1)接口模塊1“IO_INTERFACE”，負責與外部CPU進行數(shù)據交換，接收配置指令，上報本地秒信號與外參考秒信號的相位相對關系等；接口模塊1的輸入端分別連接GPS模塊和2M頻率信號源模塊，經數(shù)據總線連接CPU；根據配置，選出一個外參考源，并將其轉為秒脈沖輸出EXT_1PPS，作為鑒相的外參考依據。例如，CPU通過地址線ADDRES[31..24]，/CS，ALE，/WR配合，將地址為x“00”所對應的數(shù)據線DB[7..0]上的內容寫入本模塊，若數(shù)據內容為x“00”，則表明選“GPS_1PPS”為外參考源，接口模塊可直接將其輸出到模塊輸出端口“SEL_1PPS”，供外部模塊使用；若數(shù)據內容為x“01”，則表明選“2MHZ[4..1]”中的第一路(2MHZ[1])為外參考源，由于此時是2.048MHZ的頻率輸入，故模塊對其做分頻，產生1pps的秒脈沖，并將其輸出到模塊輸出端口“SEL_1PPS”，供外部模塊使用；其他類推，這樣“外參考”秒脈沖就產生了。
同理，CPU也將輸出信號的占空比參數(shù)，濾波器的參數(shù)寫入模塊，分別輸出到接口模塊“PW[7..0]”和“FILT_D[7..0]”端口上，供外部模塊使用。
另外，來自外模塊的“UP”、“DOWN”、“OVER_DIR”相位比較輸出信號也通過同樣的方式，由本接口模塊提供給CPU訪問讀取。
這樣，CPU就可不間斷的通過數(shù)據線掌握外參考源與本地源之間的相位相對關系，從而對壓控晶體振蕩器組成的可控本地標準高頻時種源進行調整，這樣持續(xù)反復的進行，通過CPU的特定算法，就最終達到閉環(huán)反饋環(huán)路的穩(wěn)定狀態(tài)，本地輸出信號也就精密的保持對外參考源的跟蹤。
2)本地模塊(LOCAL_CQ)2，用于完成對本地晶體振蕩器輸入頻率的分頻，按16.384MHZ轉到1hz的分頻系數(shù)進行分頻，并抽出其他所需頻率，同時還要按CPU配置的脈沖寬度數(shù)據調整輸出秒脈沖的占空比；本地模塊2的輸入端分別連接接口模塊1的外參考秒脈沖輸出端、濾波器參數(shù)輸出端、重置位輸出端和16.384MHZ頻率信號源模塊，本地模塊2分別設有其他所需頻率如秒脈沖、2.048MHZ、200HZ、8KMHZ等信號的輸出端；另外，當接收到CPU的重行同步置位指令后，要將分頻器狀態(tài)與外參考秒信號的相位重新對齊一次。所產生的秒脈沖L1PPS是鑒相的本地參考依據。
這里的核心就是一個可異步置位的同步時鐘定模計數(shù)器，模值為16.384×106，每當計數(shù)值歸零時，既為本地秒脈沖的起始邊沿，而高電平的寬度，即由“PW_D[7..0]”端口數(shù)值決定，當計數(shù)器值小于等于PW_D[7..0]的值時，輸出維持高電平，反之為低，若要擴充調整范圍，可通過增加脈沖配置數(shù)據“PW_D[7..0]”的位數(shù)來實現(xiàn)，由此，“本地”秒脈沖就產生了。另外，當RESYN端收到重置位信號時，就產生一個窄脈沖，并且保證使之與外參考的秒脈沖上升沿同步，由這個窄脈沖對計數(shù)器進行異步清零，這樣，重置位之后，本地計數(shù)器的狀態(tài)就與外參考源保持一致，這樣處理的目的，是為了加快對外參考源的跟蹤鎖定進程，而且還可以使后繼模塊的數(shù)字鑒相及濾波電路得以簡化，因為重置位之后，本地秒脈沖的相位已與外參考源的秒脈沖相位近乎一致，在短時間段內，兩者之間的相差漂移不會太大，所以濾波電路的觀察范圍就可以縮小。
3)數(shù)據處理模塊(DP_CTRL)3，用于內外兩個脈沖之間的相位檢測，還包括可調整數(shù)字濾波器。數(shù)據處理模塊3的輸入端分別連接接口模塊1的輸出端、本地模塊2的輸出端和16.384MHZ頻率信號源模塊的4倍頻輸出端，數(shù)據處理模塊3的輸出端連接接口模塊1的輸入端；本數(shù)據處理模塊的相位檢測，就是檢測兩個脈沖之間的相位相對關系，這兩個輸入脈沖就是先前描述過的外部模塊已處理過的“外參考”秒脈沖，“本地”秒脈沖，鑒相結果可反映出“外參考”秒脈沖與“本地”秒脈沖之間的相對位置和變化趨勢，鑒相結果是每秒種更新一次。
可調整數(shù)字濾波器的引入，一方面是可以對偶發(fā)的電路干擾做屏蔽，最主要的作用在于，當“外參考”秒脈沖是GPS接收模塊所產生時，其固有的秒脈沖“擾動”相對較大，以高精度的時鐘系統(tǒng)來衡量，其相位的跳變是不符合要求的，同時還會對鑒相器的鑒相結果造成干擾，尤其是當本地的時鐘源事實上已與外參考源保持高度一致時，這一現(xiàn)象會更明顯，為此，濾波器在這里的作用就是盡量將這種相位“跳變”過濾掉，或者說，就是將“突發(fā)”的“大相位差”上報給CPU，CPU會根據一定的算法，判斷出當前的實際狀態(tài)，從而避免不必要的調整或者“過調整”而導致的輸出信號性能指標下降。但是，一個實際使用上的問題需要考慮，因為個體電路元器件之間的潛在差異，尤其是可能的GPS接收模塊的電性能的差異(例如生產制造商的不同，生產的批次不同等等)，都有可能讓使用固定參數(shù)的的濾波器失去效能，為此，這里的濾波器參數(shù)是可設的，并且實時的由CPU來控制，由此，通過“過濾”的相位差寬度就可以改變，大大提高了電路效能的可靠性和實用性。
另外，由于“速度”和“精度”向來是一對矛盾，濾波范圍變小，系統(tǒng)跟蹤精度變高，但系統(tǒng)進入穩(wěn)定態(tài)就需時更長，反之，濾波范圍變大，系統(tǒng)跟蹤精度變低，但系統(tǒng)進入穩(wěn)定態(tài)就更快，為此，針對不同的應用場合，適當調整濾波器的參數(shù)設置，可改變系統(tǒng)的整體響應速度，提高工作效率。
如圖4所示，為“DP_CTRL”模塊中的電原理圖，所述數(shù)據處理模塊內設有鑒相器單元4和濾波器單元5、6；鑒相器單元(V_DPD)4為用VHDL硬件描述語言構建的數(shù)字鑒相器，鑒相器單元4的輸入端分別連接接口模塊1的外參考秒脈沖輸出端和本地模塊2的本地參考秒脈沖輸出端，用于識別出兩個輸入脈沖的相位關系，利用脈沖的邊沿來鑒別，和輸入的脈沖寬度無關，有很高的分辨率，當輸入的本地秒信號頻率高于或相位超前外參考秒信號時，輸出“DOWNDIR”就變‘1’，反之“UPDIR”就變‘1’。均為‘0’時，表示兩個輸入脈沖完全一致，即同頻同相?！癉OWNDIR”為‘1’，指示要將本地壓控晶振的頻率降下來，而“UPDIR”為‘1’時，表示要將本地壓控晶振的頻率上調加快。鑒相器單元4的加頻指示、減頻指示輸出端分別經與門連接接口模塊1的加頻控制、減頻控制輸入端。
a)超前濾波器單元(V_OVER_CTRL)5、滯后濾波器單元(V_OVER_CTRL)6，為用VHDL硬件描述語言構建的數(shù)字濾波器，用于溢出指示；當兩個輸入脈沖相差超出FID[7..0]所設定的值時，“OVER_ACT”輸出‘1’電平，這里使用了兩個這樣的模塊，就是為了區(qū)分兩種相對狀態(tài)a。本地秒信號超前外參考秒信號溢出，b。本地秒信號滯后外參考秒信號溢出，并合二為一成“OVER_DIR”輸出，供CPU檢測，F(xiàn)ID[7..0]是由CPU所設，可動態(tài)調整，它反映的是“clk×4”輸入時鐘(既65.536MHZ)的周期數(shù)，改變其值，可改變輸出時鐘的特性參數(shù)。
超前濾波器單元5的輸入端分別連接鑒相器單元4的加頻指示輸出端、16.384MHZ頻率信號源模塊的4倍頻輸出端、接口模塊1的濾波器參數(shù)輸出端，滯后濾波器單元6的輸入端分別連接鑒相器單元4的減頻指示輸出端、16.384MHZ頻率信號源模塊的4倍頻輸出端、接口模塊1的濾波器參數(shù)輸出端，超前濾波器單元5和滯后濾波器單元6的溢出指示輸出端經或門連接接口模塊1的溢出控制輸入端。
采用數(shù)學回歸對兩種誤差進行估計，從而分離出各自的誤差，并對晶體累計誤差進行修正，由此構造一種簡便的高精度時鐘發(fā)生裝置。具體為通過分頻電路，將高精度時鐘的輸出時鐘進行分頻，分頻后得到秒脈沖信號經過數(shù)字鑒相濾器和GPS的秒脈沖信號進行相位比較，得到相位偏差序列樣本，晶振的累積誤差由CPU設置補償值修正。每秒調整一次，第N秒時的補償值由前N-1秒的GPS時鐘誤差和前N-1秒的補償值的歷史數(shù)據采用線性回歸的算法得到預估的補償值。算法如下第一步.建立GPS時鐘同步晶振時鐘的數(shù)學模型GPS輸出時鐘與國際標準時間存在一定誤差e，e服從正態(tài)分布ε～N(0，σ2)。(1)s時間序列X1，2，3，4，…，x，…，n(2)GPS輸出的s時鐘序列對應的國際標準時間可記為1-e1，2-e2，3-e3，4-e4，…，x-ex，…，n-en(3)通用公式表示為yx′＝x-εxx∈N εx～(0，σ2) (4)式中yx′為GPS輸出第x個s時鐘對應的國際標準時間，時間誤差為ex。
設晶振分頻產生的s時鐘序列第0個s時鐘與國際標準時間的初始偏差為a；時間間隔誤差為b；由于高精度晶振的隨機誤差遠小于GPS的s時鐘的隨機誤差(如精度為10-9s的晶振隨機誤差＜1ns)，因此不考慮晶振s時鐘的隨機誤差，晶振分頻輸出s時鐘產生的時鐘序列對應的國際標準時間可記為1+a+b，2+a+2b，3+a+3b，4+a+4b，…，x+a+bx，…，n+a+bn(5)通用公式表示為yx″＝x+a+bx x∈N (6)式中yx″為晶振分頻輸出第x個s時鐘對應的國際標準時間，時間誤差為m(x)＝a+bc(7)則晶振分頻s時鐘(簡稱晶振s時鐘)與GPS的s時鐘的偏差為yx＝y(tǒng)x″-yx′＝a+bx+εxx∈N (8)偏差序列Y可表示為y1，y2，y3，y4，y5，y6，…，yx，…，yn(9)由Y的時間序列可以對a，b進行估計，從而計算晶振s時鐘誤差m(x)；同時由Y的時間序列可以對GPS的誤差ex進行估計，從而可以衡量GPS接收機的精度水平。
第二步.晶振s時鐘的誤差估計采用式(8)的一元線性回歸模型，即采用式(7)的回歸方程，分析時間序列X與偏差序列Y的相關特性，對a，b進行最小二乘估計，估計值分別為b^=Σx=1n(x-x‾)(yx-y‾)Σx=1n(x-x‾)2---(10)]]>a^=y‾-b^x‾---(11)]]>式中y，x分別為偏差序列Y及時間序列X的平均值，x‾=1nΣx=1nx=n+12---(12)]]>
y‾=1nΣx=1nyx---(13)]]>則晶振輸出的第x個s時鐘與國際標準時間之間的誤差估計值 為μ^(x)=a^+b^x---(14)]]>得到的 是一個時間量，單位為秒，還需將其和高穩(wěn)晶體的控制量電壓(單位為V)進行轉換?？刂齐妷河蒁/A芯片的控制量決定，轉換公式如下ΔDA=μ^(x)*DMAXfMaxfMIN-1---(15)]]>式中DMAX取決于DA轉換芯片的位數(shù)，如DA為十六位轉換芯片，則DMAX＝65536。如DA為八位轉換芯片，則DMAX＝256。fMIN為壓控高穩(wěn)晶體調節(jié)到的最小頻率，fMAX為壓控高穩(wěn)晶體可調節(jié)到的最大頻率。
根據誤差估計值 得到的ΔDA對晶振s時鐘進行調整，即可產生高精度時鐘輸出。
第三步.GPS接收機輸出的s時鐘誤差估計GPS接收機輸出的秒脈沖誤差的估計，實際上是對式(1)中σ2的估計，由于σ2＝D(ε)＝E(ε2)是e的二階原點距，按距估計法，可用樣本二階原點距作為它的估計值σ^2=1nΣx=1nϵx2---(16)]]>而由式(8)得εx＝y(tǒng)x-a-bx (17)用 分別替代a，b，即得σ2的估計量σ^2=1nΣx=1n(yx-a^-b^x)2---(18)]]> 的大小反映接收機輸出秒脈沖的精度。當誤差估計值 時，認為GPS接收機失步或故障。
如圖5所示，為最小二乘法模型的GPS時鐘調整算法流程框圖，本發(fā)明通過分頻電路，將高精度時鐘的輸出時鐘進行分頻，分頻后得到秒脈沖信號經過數(shù)字鑒相濾器和GPS的秒脈沖信號進行相位比較，得到相位偏差序列樣本，晶振的累積誤差由CPU設置補償值修正。每秒調整一次，第N秒時的補償值由前N-1秒的GPS時鐘誤差和前N-1秒的補償值的歷史數(shù)據采用線性回歸的算法得到預估的補償值。以此補償值作為修正對高穩(wěn)晶體頻率進行調整，并由本次的鑒相結果計算出下一秒的補償值，其步驟為第一步根據壓控晶體的參數(shù)計算D/A轉換芯片的控制初值DA，以此初值上電控制晶體。具體方法如下本例高穩(wěn)壓控晶體的頻率調節(jié)范圍為16.384M±15Hz，DA轉換芯片為16位，參考電壓5V，DA賦值為0時輸出電壓為0，輸出頻率16.384M-15Hz。DA賦值為0時輸出電壓為5V，輸出頻率16.384M+15Hz。為了保證上電頻率初始值大致為16.384M，DA取值32768即可；第二步將晶體的秒脈沖與GPS的秒脈沖對齊，開始跟蹤；第三步根據相差計算對應的晶體電壓調整值調整晶體，相位落后加快頻率，相位超前降低頻率，開始進入快速跟蹤GPS的過程。此過程的目的是為了使晶體的輸出頻率的中心值能進入一個比較準確的范圍，并在此范圍內小幅波動。此過程持續(xù)半小時，記錄下最后四百次的相位差數(shù)據(即公式9的偏差序列Y)。此時晶體控制電壓D/A值為DA，本例DA為32210。記錄s時間序列X(公式2)值取四百；第四步每一秒由前X-1秒的相位差數(shù)據由線形回歸算法預估本秒的相位差 (設本例為+5ns)(見公式14)，根據相位和頻率的對應關系以及高穩(wěn)晶體頻率和控制電壓的計算關系計算本次對晶體的控制電壓值補償值ΔDA1＝-179(見公式15)。以此補償值修正晶體的電壓的控制參數(shù)為為DA+ΔDA1＝32210-179＝32031，調整完畢后X遞加為401；調整完畢后DA值更新為DA＝DA+ΔDA1＝32031；第五步如果本秒相差大于100ns(使用MOTOROLA VP ONCORE時為2σ單位，此時秒鑒相結果(超前/滯后)準確性的概率等于GPS秒脈沖落于2σ范圍內的慨率為95.46％)如本例為+105ns時可認為相位差過大，必須進行一定相位補償，補償?shù)南辔粸槌?00ns的部分，根據相位和頻率的對應關系以及高穩(wěn)晶體頻率和控制電壓的計算關系計算本次對晶體的控制電壓值補償值ΔDA2＝-179(見公式15)，以此補償值修正晶體電壓的控制參數(shù)為DA+ΔDA2＝32031-179＝31852；調整完畢后DA值不更新；第六步重復第四步反復修正，時間越長，樣點數(shù)越多，此時壓控晶體的每秒鐘的電壓控制參數(shù)DA將沿著某個中心值上下小幅波動，總體趨近于一條水平直線。通過線性回歸克服了秒脈沖抖動帶來的影響。
權利要求
1.一種基于最小二乘法模型的時鐘調整算法，其特征在于，采用C語言編制的程序，運行于時鐘同步設備中，其方法為第一步根據壓控晶體的參數(shù)計算D/A轉換芯片的控制初值DA，以此初值上電控制晶體；第二步將恒溫高穩(wěn)晶體的秒脈沖與GPS接收機的秒脈沖對齊，開始跟蹤；第三步根據相差計算對應的晶體電壓調整值調整晶體，相位落后加快頻率，相位超前降低頻率，開始進入快速跟蹤GPS的過程，此過程持續(xù)半小時，記錄下最后四百次的相位差數(shù)據，即公式9的偏差序列Y；半小時后設此時晶體控制電壓D/A值為DA，記錄s時間序列X即公式2值取四百；第四步每一秒由前X-1秒的相位差數(shù)據由線形回歸算法預估本秒的相位差 即公式14，根據相位和頻率的對應關系以及高穩(wěn)晶體頻率和控制電壓的計算關系計算本次對晶體的控制電壓值補償值ΔDA1即公式15，以此補償值修正晶體的電壓的控制參數(shù)為DA+ΔDA1，調整完畢后X遞加；調整完畢后DA值更新為DA＝DA+ΔDA1；第五步如果本秒相差大于100ns時可認為相位差過大，必須進行一定相位補償，補償?shù)南辔粸槌?00ns的部分，根據相位和頻率的對應關系以及高穩(wěn)晶體頻率和控制電壓的計算關系計算本次對晶體的控制電壓值補償值ΔDA2即公式15，以此補償值修正晶體電壓的控制參數(shù)為DA+ΔDA2；調整完畢后DA值不更新；第六步重復第四步反復修正，時間越長，樣點數(shù)越多，此時壓控晶體的每秒鐘的電壓控制參數(shù)DA將沿著某個中心值上下小幅波動，總體趨近于一條水平直線，通過線性回歸克服了GPS秒脈沖抖動帶來的影響。
2.根據權利要求1所述的一種基于最小二乘法模型的時鐘調整算法，其特征在于，所述的步驟(3)-步驟(6)中的計算方法為第一步建立GPS時鐘同步晶振時鐘的數(shù)學模型GPS輸出時鐘與國際標準時間存在一定誤差e，e服從正態(tài)分布ε～N(0，σ2)；(1)s時間序列X1，2，3，4，...，x，...，n(2)GPS輸出的s時鐘序列 對應的國際標準時間可記為1-e1，2-e2，3-e3，4-e4，...，x-ex，...，n-en(3)通用公式表示為yx′＝x-εxx∈N εx～(0，σ2) (4)式中yx′為GPS輸出第x個s時鐘對應的國際標準時間，時間誤差為ex，設晶振分頻產生的s時鐘序列第0個s時鐘與國際標準時間的初始偏差為a；時間間隔誤差為b；不考慮晶振s時鐘的隨機誤差，晶振分頻輸出s時鐘產生的時鐘序列對應的國際標準時間可記為1+a+b，2+a+2b，3+a+3b，4+a+4b，...，x+a+bx，...，n+a+bn(5)通用公式表示為yx″＝x+a+bx x∈N (6)式中yx″為晶振分頻輸出第x個s時鐘對應的國際標準時間，時間誤差為m(x)＝a+bx(7)則晶振分頻s時鐘(簡稱晶振s時鐘)與GPS的s時鐘的偏差為yx＝y(tǒng)x″-yx′＝a+bx+εxx∈N (8)偏差序列Y可表示為y1，y2，y3，y4，y5，y6，...，yx，...，yn(9)由Y的時間序列可以對a，b進行估計，從而計算晶振s時鐘誤差m(x)；同時由Y的時間序列可以對GPS的誤差ex進行估計，從而可以衡量GPS接收機的精度水平；第二步晶振s時鐘的誤差估計采用式(8)的一元線性回歸模型，即采用式(7)的回歸方程，分析時間序列X與偏差序列Y的相關特性，對a，b進行最小二乘估計，估計值分別為b^=Σx=1n(x-x‾)(yx-y‾)Σx=1n(x-x‾)2---(10)]]>a^=y‾-b^x‾---(11)]]>式中y，x分別為偏差序列Y及時間序列X的平均值，x‾=1nΣx=1nx=n+12---(12)]]>y‾=1nΣx=1nyx---(13)]]>則晶振輸出的第x個s時鐘與國際標準時間之間的誤差估計值 為μ^(x)=a^+b^x---(14)]]>得到的 是一個時間量，單位為秒，還需將其和高穩(wěn)晶體的控制量電壓(單位為V)進行轉換，控制電壓由D/A芯片的控制量決定，轉換公式如下ΔDA=μ^(x)*DMAXfMaxfMIN-1---(15)]]>根據誤差估計值 得到的ΔDA對晶振s時鐘進行調整，即可產生高精度時鐘輸出；第三步GPS接收機輸出的s時鐘誤差估計GPS接收機輸出的秒脈沖誤差的估計，實際上是對式(1)中σ2的估計，由于σ2＝D(ε)＝E(ε2)是e的二階原點距，按距估計法，可用樣本二階原點距作為它的估計值σ^2=1nΣx=1nϵx2---(16)]]>而由式(8)得εx＝y(tǒng)x-a-bx (17)用 分別替代a，b，即得σ2的估計量σ^2=1nΣx=1n(yx-a^-b^x)2---(18)]]> 的大小反映接收機輸出秒脈沖的精度，當誤差估計值 時，認為GPS接收機失步或故障。
3.根據權利要求1所述的一種基于最小二乘法模型的時鐘調整算法，其特征在于，所述的時鐘同步設備由數(shù)字鑒相濾波器、GPS接收機、CPU和恒溫高穩(wěn)晶體組成，數(shù)字鑒相濾器與GPS接收機連接，同時數(shù)字鑒相濾波器與CPU和恒溫高穩(wěn)晶體連接組成回路。
4.根據權利要求3所述的一種基于最小二乘法模型的時鐘調整算法，其特征在于，所述的數(shù)字鑒相濾波器在FPGA(可編程邏輯器件)中實現(xiàn)，分別與數(shù)字鑒相濾波器連接的有GPS模塊、標準信號源模塊、CPU和可控本地標準壓控頻率單元，構成一高精度的時鐘裝置，其特征在于，所述數(shù)字鑒相濾波器包括一接口模塊，用于與包括CPU在內的FPGA的外部模塊進行信息交換，即將內外兩個脈沖之間的相位檢測信息輸出給CPU，將CPU的占空比參數(shù)、濾波器參數(shù)、重置位等輸入信號傳輸給FPGA內相應模塊；其輸入端分別連接所述GPS模塊和所述標準信號源模塊，經數(shù)據總線連接所述CPU；一本地模塊，用于完成對本地晶體振蕩器輸入頻率的分頻，及本地秒脈沖的重置位，并輸出其他所需頻率；其輸入端分別連接所述接口模塊的外參考秒脈沖輸出端、濾波器參數(shù)輸出端、重置位輸出端和可控本地標準壓控頻率單元模塊，所述本地模塊分別設有其他所需頻率的輸出端；一數(shù)據處理模塊，包括調整由CPU設置濾波器參數(shù)的可調整數(shù)字濾波器，用于內外兩個脈沖之間的相位檢測；其輸入端分別連接所述接口模塊的輸出端、所述本地模塊的輸出端和可控本地標準壓控頻率單元模塊的倍頻輸出端，其輸出端連接所述接口模塊的輸入端；所述CPU依據內外兩個脈沖之間的相位檢測信息，控制本地模塊的重置位、濾波器的參數(shù)、輸出信號的占空比。
5.根據權利要求4所述的一種基于最小二乘法模型的時鐘調整算法，其特征在于，所述的數(shù)據處理模塊內設有一鑒相器單元，用于識別出兩個輸入脈沖的相位關系，其輸入端分別連接接口模塊的外參考秒脈沖輸出端和本地模塊的本地參考秒脈沖輸出端，其加頻指示、減頻指示輸出端分別經與門連接接口模塊的加頻控制、減頻控制輸入端；一超前濾波器單元和一滯后濾波器單元，用于溢出指示；超前濾波器單元的輸入端分別連接鑒相器單元的加頻指示輸出端、可控本地標準壓控頻率單元模塊的倍頻輸出端、接口模塊的濾波器參數(shù)輸出端；滯后濾波器單元的輸入端分別連接鑒相器單元的減頻指示輸出端、可控本地標準壓控頻率單元模塊的倍頻輸出端、接口模塊的濾波器參數(shù)輸出端，超前濾波器單元和滯后濾波器單元的溢出指示輸出端經或門連接接口模塊的溢出控制輸入端。
6.根據權利要求4所述的一種基于最小二乘法模型的時鐘調整算法，其特征在于，所述的標準信號源模塊為2M頻率信號源模塊。
7.根據權利要求4所述的一種基于最小二乘法模型的時鐘調整算法，其特征在于，所述的可控本地標準壓控頻率單元為16.384MHZ的壓控頻率單元。
8.根據權利要求4所述的一種基于最小二乘法模型的時鐘調整算法，其特征在于，所述的本地模塊輸出端的其他所需頻率為秒脈沖、2.048MHZ、200HZ、8KMHZ。
9.根據權利要求4所述的數(shù)字鑒相濾波器，其特征是，所述可控本地標準壓控頻率單元模塊的倍頻輸出端為16.384MHZ壓控頻率單元模塊的4倍頻輸出端。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于最小二乘法模型的時鐘調整算法，其特征在于，建立相位差的數(shù)學模型，每秒對高穩(wěn)晶體的頻率控制采用前N秒的鑒相結果進行預估，并將本次輸出的鑒相結果保存作為下一秒預估的參數(shù)；并以2σ以外的鑒相結果對累積相位差進行補償，隨著樣點增多，最后將高穩(wěn)晶體的頻率波動控制在一個很小的范圍之內，本發(fā)明的優(yōu)點是能保證時鐘輸出準確性。
文檔編號H04B7/26GK101079687SQ20061002687
公開日2007年11月28日 申請日期2006年5月25日 優(yōu)先權日2006年5月25日
發(fā)明者徐峻 申請人:上海欣泰通信技術有限公司