一種基于全數(shù)字鎖相環(huán)的高精度同步時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于全數(shù)字鎖相環(huán)的高精度同步時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)方法。其步驟為：采用鑒相器對(duì)輸入衛(wèi)星時(shí)鐘信號(hào)和輸出同步時(shí)鐘信號(hào)的相位進(jìn)行比較，并通過數(shù)字濾波器產(chǎn)生相位差信號(hào)；時(shí)鐘源狀態(tài)監(jiān)測(cè)器在線監(jiān)測(cè)衛(wèi)星時(shí)鐘的工作狀態(tài)；正常工作模式時(shí)，脈沖增減控制器根據(jù)數(shù)字濾波器輸出的相位差產(chǎn)生分頻器的分頻控制系數(shù)；失步工作模式時(shí)，自校正控制器利用衛(wèi)星時(shí)鐘失效前的分頻控制系數(shù)、當(dāng)前的環(huán)境溫度以及噪聲參數(shù)產(chǎn)生分頻控制系數(shù)；分頻器根據(jù)分頻控制系數(shù)產(chǎn)生高精度同步時(shí)鐘輸出信號(hào)。本發(fā)明方法產(chǎn)生的同步時(shí)鐘信號(hào)同時(shí)具有隨機(jī)誤差小與累積誤差小的優(yōu)點(diǎn)，在衛(wèi)星時(shí)鐘失效一段時(shí)間內(nèi)仍可保持較高的授時(shí)精度，可為電力系統(tǒng)提供精確時(shí)間同步秒脈沖信號(hào)。
【專利說明】一種基于全數(shù)字鎖相環(huán)的高精度同步時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種同步時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)方法，特別涉及一種基于全數(shù)字鎖相環(huán)的高精度同 步時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 國產(chǎn)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和美國全球定位系統(tǒng)等多種衛(wèi)星授時(shí)系統(tǒng)(下文統(tǒng)稱衛(wèi)星 時(shí)鐘）可提供全天候授時(shí)信號(hào)，授時(shí)精度高，且具有廣域時(shí)間同步性能好、不受地理和氣候 等條件限制、應(yīng)用簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)廣域測(cè)量、故障行波定位等方向得到了越來越多 的應(yīng)用，基于衛(wèi)星時(shí)鐘的精確時(shí)間同步技術(shù)受到廣泛關(guān)注。
[0003] 但在衛(wèi)星失鎖等情況下，秒脈沖誤差可達(dá)幾十微秒甚至上百微秒；同時(shí)衛(wèi)星時(shí)鐘 信號(hào)在傳播過程中會(huì)受到各種電磁千擾，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致信號(hào)中斷；其精度與穩(wěn)定性難以 滿足保護(hù)監(jiān)控等領(lǐng)域的時(shí)間同步要求。所以在利用衛(wèi)星時(shí)鐘作為廣域時(shí)間同步源時(shí)，要考 慮衛(wèi)星時(shí)鐘信號(hào)的可靠性問題，特別是衛(wèi)星時(shí)鐘失效后的時(shí)間同步精度。
[0004] 晶振時(shí)鐘具有較大的累積誤差與較小的隨機(jī)誤差，而衛(wèi)星時(shí)鐘的誤差特性則正好 相反，兩種時(shí)鐘的授時(shí)誤差特性互補(bǔ)。為了保證時(shí)間同步系統(tǒng)的精度與穩(wěn)定性，專家學(xué)者提 出了多種基于衛(wèi)星時(shí)鐘與晶振時(shí)鐘誤差互補(bǔ)的授時(shí)方案，如采用衛(wèi)星時(shí)鐘信號(hào)在線修正晶 振秒脈沖的累積誤差以及利用高精度晶振監(jiān)測(cè)修正衛(wèi)星時(shí)鐘隨機(jī)誤差等，有效提高了衛(wèi)星 時(shí)鐘的精度和穩(wěn)定性，但現(xiàn)有各方案均存在不足：樣本數(shù)據(jù)量大、忽略了晶振的頻率漂移、 補(bǔ)償方案計(jì)算復(fù)雜等。
[0005] 近年來，鎖相環(huán)技術(shù)得到了快速發(fā)展，鎖相環(huán)的輸出信號(hào)可自動(dòng)跟蹤輸入信號(hào)相 位，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)自動(dòng)控制。全數(shù)字鎖相環(huán)由于具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、體積小、價(jià) 格低、易于集成、外圍電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)外，解決了很多模擬環(huán)難以解決的根本性難題，如直 流零點(diǎn)漂移、器件飽和、對(duì)溫度敏感、必須進(jìn)行初始化校準(zhǔn)等難題。全數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)在電 網(wǎng)相位頻率測(cè)量方面應(yīng)用成熟，已在電力系統(tǒng)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為滿足電力系統(tǒng)保護(hù)控制領(lǐng)域的高精度時(shí)間同步需求，實(shí)現(xiàn)在衛(wèi)星時(shí)鐘有效和失 步情況下均保持較高的穩(wěn)定性和同步性，本發(fā)明提供了一種基于全數(shù)字鎖相環(huán)的高精度同 步時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)新方法。本發(fā)明利用全數(shù)字鎖相環(huán)的相位跟蹤優(yōu)勢(shì)，基于衛(wèi)星時(shí)鐘與晶振時(shí)鐘 誤差互補(bǔ)的特點(diǎn)，提出了衛(wèi)星時(shí)鐘失效后的授時(shí)方案；本發(fā)明能有效提高輸出時(shí)鐘的穩(wěn)定 性。
[0007] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案包括以下步驟： (1) 在衛(wèi)星時(shí)鐘工作正常時(shí)，鑒相器對(duì)輸入衛(wèi)星時(shí)鐘信號(hào)和輸出同步時(shí)鐘信號(hào)的相位 進(jìn)行比較，產(chǎn)生能夠表征兩者相位超前與滯后關(guān)系的輸出信號(hào)； (2) 數(shù)字濾波器對(duì)鑒相器的輸出信號(hào)進(jìn)行濾噪處理，并根據(jù)相位超前與滯后情況產(chǎn)生 相位差輸出信號(hào)：衛(wèi)星時(shí)鐘信號(hào)相位超前時(shí)，輸出相位差信號(hào)up，衛(wèi)星時(shí)鐘信號(hào)相位滯后 時(shí)，輸出相位差?旨號(hào)down ; (3) 時(shí)鐘源狀態(tài)監(jiān)測(cè)器在線監(jiān)測(cè)衛(wèi)星時(shí)鐘的工作狀態(tài)，接收正常時(shí)，選擇正常工作模 式，否則，選擇失步工作模式； (4) 正常工作模式時(shí)，脈沖增減控制器根據(jù)數(shù)字濾波器輸出的相位差產(chǎn)生分頻器的分 頻控制系數(shù)N ; (5) 失步工作模式時(shí)，自校正控制器利用衛(wèi)星時(shí)鐘失效前的分頻控制系數(shù)、當(dāng)前的環(huán)境 溫度以及噪聲參數(shù)產(chǎn)生分頻控制系數(shù)N ; (6) 分頻器根據(jù)分頻控制系數(shù)N對(duì)晶振信號(hào)進(jìn)行分頻，產(chǎn)生高精度同步時(shí)鐘輸出信號(hào)。
[0008] 上述的全數(shù)字鎖相環(huán)高精度同步時(shí)鐘方法，步驟（4)中脈沖增減控制器根據(jù)數(shù)字 濾波器輸出的相位差產(chǎn)生分頻器的分頻控制系數(shù)N，具體方法為： 脈沖增減控制器將相位差信號(hào)up調(diào)制成有效的減脈沖，相位差信號(hào)d〇wn調(diào)制成有效 的增脈沖；當(dāng)增脈沖有效時(shí)，如果前一個(gè)分頻系數(shù)< Νε11?(Νε11?為標(biāo)準(zhǔn)秒時(shí)鐘對(duì)應(yīng)的分頻 系數(shù)，其數(shù)值等于晶振頻率)，則吣=Νη+1，對(duì)下一個(gè)輸出同步時(shí)鐘信號(hào)實(shí)現(xiàn)滯后校正；如 果前一個(gè)分頻系數(shù)> Νε11?，則隊(duì)=Νη，對(duì)下一個(gè)輸出同步時(shí)鐘信號(hào)不進(jìn)行校正；當(dāng)減脈 沖有效時(shí)，如果前一個(gè)分頻系數(shù)Ng彡凡 1){，則隊(duì)=N^-l，對(duì)下一個(gè)輸出同步時(shí)鐘信號(hào)實(shí)現(xiàn) 超前校正；如果前一個(gè)分頻系數(shù)< Nelk，則隊(duì)=Νη，對(duì)下一個(gè)輸出同步時(shí)鐘信號(hào)不進(jìn)行 校正；將判別結(jié)果隊(duì)鎖存，并作為下一秒的分頻控制系數(shù)輸出給分頻器。
[0009] 上述的全數(shù)字鎖相環(huán)高精度同步時(shí)鐘方法，步驟（5)中根據(jù)溫度變化情況和時(shí)間 變化實(shí)時(shí)調(diào)整分頻系數(shù)，以消除累積誤差對(duì)輸出同步時(shí)鐘信號(hào)的影響，并利用自適應(yīng)預(yù)測(cè) 模型算法預(yù)測(cè)產(chǎn)生分頻控制系數(shù)Ν。晶振累積誤差（μ (t))表示輸出同步時(shí)鐘信號(hào)與輸入 衛(wèi)星時(shí)鐘信號(hào)從開始時(shí)刻到測(cè)量時(shí)刻累積的時(shí)間誤差。tk時(shí)刻的晶振累積誤差可表示為：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于全數(shù)字鎖相環(huán)的高精度同步時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)方法，包括如下步驟： (1) 在衛(wèi)星時(shí)鐘工作正常時(shí)，鑒相器對(duì)輸入衛(wèi)星時(shí)鐘信號(hào)和輸出同步時(shí)鐘信號(hào)的相位 進(jìn)行比較，產(chǎn)生能夠表征兩者相位超前與滯后關(guān)系的輸出信號(hào)； (2) 數(shù)字濾波器對(duì)鑒相器的輸出信號(hào)進(jìn)行濾噪處理，并根據(jù)相位超前與滯后情況產(chǎn)生 相位差輸出信號(hào)：衛(wèi)星時(shí)鐘信號(hào)相位超前時(shí)，輸出相位差信號(hào)up，衛(wèi)星時(shí)鐘信號(hào)相位滯后 時(shí)，輸出相位差信號(hào)down ; (3) 時(shí)鐘源狀態(tài)監(jiān)測(cè)器在線監(jiān)測(cè)衛(wèi)星時(shí)鐘的工作狀態(tài)，接收正常時(shí)，選擇正常工作模 式，否則，選擇失步工作模式； (4) 正常工作模式時(shí)，脈沖增減控制器根據(jù)數(shù)字濾波器輸出的相位差產(chǎn)生分頻器的分 頻控制系數(shù)N ; (5) 失步工作模式時(shí)，自校正控制器利用衛(wèi)星時(shí)鐘失效前的分頻控制系數(shù)、當(dāng)前的環(huán)境 溫度以及噪聲參數(shù)產(chǎn)生分頻控制系數(shù)N ; (6) 分頻器根據(jù)分頻控制系數(shù)N對(duì)晶振信號(hào)進(jìn)行分頻，產(chǎn)生高精度同步時(shí)鐘輸出信號(hào)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全數(shù)字鎖相環(huán)高精度同步時(shí)鐘方法，步驟（4)中脈沖增減控 制器根據(jù)數(shù)字濾波器輸出的相位差產(chǎn)生分頻器的分頻控制系數(shù)N，具體方法為： 脈沖增減控制器將相位差信號(hào)up調(diào)制成有效的減脈沖，相位差信號(hào)down調(diào)制成有效 的增脈沖；當(dāng)增脈沖有效時(shí)，如果前一個(gè)分頻系數(shù)隊(duì)^ <凡11;(凡11;為標(biāo)準(zhǔn)秒時(shí)鐘對(duì)應(yīng)的分頻 系數(shù)，其數(shù)值等于晶振頻率)，則隊(duì)=Nh+1，對(duì)下一個(gè)輸出同步時(shí)鐘信號(hào)實(shí)現(xiàn)滯后校正；如 果前一個(gè)分頻系數(shù)Nh >Ndk，則隊(duì)=Ng，對(duì)下一個(gè)輸出同步時(shí)鐘信號(hào)不進(jìn)行校正；當(dāng)減脈 沖有效時(shí)，如果前一個(gè)分頻系數(shù)Ng彡N dk，則隊(duì)=Ng-Ι，對(duì)下一個(gè)輸出同步時(shí)鐘信號(hào)實(shí)現(xiàn) 超前校正；如果前一個(gè)分頻系數(shù)Ng < Ndk，則隊(duì)=Ng，對(duì)下一個(gè)輸出同步時(shí)鐘信號(hào)不進(jìn)行 校正；將判別結(jié)果隊(duì)鎖存，并作為下一秒的分頻控制系數(shù)輸出給分頻器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全數(shù)字鎖相環(huán)高精度同步時(shí)鐘方法，步驟（5)中 自校正控制器利用衛(wèi)星時(shí)鐘失效前的分頻控制系數(shù)、當(dāng)前的環(huán)境溫度以及噪聲 參數(shù)產(chǎn)生分頻控制系數(shù)N;具體方法為：用α表示晶振頻率穩(wěn)定度的溫度敏感 度，u (k)表示tk時(shí)刻溫度傳感器測(cè)量的晶振溫度，y (k)表示tk時(shí)刻的校正 信號(hào)，v (k)表示tk時(shí)刻的噪聲；衛(wèi)星時(shí)鐘失效后tk時(shí)刻的分頻控制系數(shù)N為：
【文檔編號(hào)】H03L7/08GK104300969SQ201410196230
【公開日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2014年5月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月12日
【發(fā)明者】李澤文, 鄧拓夫, 曾祥君, 舒磊, 曹晶, 程駿 申請(qǐng)人:長(zhǎng)沙理工大學(xué)