基于晶振的高性能時(shí)間保持方法研究

樊多盛，劉婭,3，李孝輝,3，陳瑞瓊

基于晶振的高性能時(shí)間保持方法研究

樊多盛1,2，劉婭1,2,3，李孝輝1,2,3，陳瑞瓊1,2

（1. 中國科學(xué)院 國家授時(shí)中心，西安 710600;2. 中國科學(xué)院 時(shí)間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600;3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

以晶振作為時(shí)鐘時(shí)間源，經(jīng)外部參考時(shí)間源馴服后，在參考時(shí)間源中斷的情況下，通過對(duì)晶振的老化和溫度補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)晶振的高性能時(shí)間保持。本文采用一顆秒穩(wěn)優(yōu)于5×10-11的晶振作為試驗(yàn)對(duì)象，經(jīng)過馴服后，在參考時(shí)間中斷的情況下，根據(jù)歷史時(shí)間偏差數(shù)據(jù)和環(huán)境溫度變化量對(duì)該款晶振進(jìn)行老化和溫度補(bǔ)償，將晶振自主保持24 h約20.05μs提高至補(bǔ)償后的0.4 μs。實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明晶振經(jīng)馴服后在保持狀態(tài)下，利用本文提出的晶振老化和溫度補(bǔ)償技術(shù)，基于晶振的時(shí)間保持能力得到了明顯的提升，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

時(shí)間保持；老化；溫度補(bǔ)償；壓控晶振

0 引言

目前，很多時(shí)間用戶維持時(shí)間的頻率源是高性能壓控晶振，如移動(dòng)通信普通基站中的頻率源是壓控晶振，將其溯源到GPS或BDS衛(wèi)星系統(tǒng)，以維持基站自身的時(shí)間。尤其是5G移動(dòng)通信中，壓控晶振作為基站維持時(shí)間的頻率源，通過無線或者有線溯源到上一級(jí)時(shí)間基準(zhǔn)，對(duì)本地基站的時(shí)間同步和時(shí)間保持性能提出了更高的要求，在5G載波聚合、多點(diǎn)協(xié)同和超短幀中要求時(shí)間同步的相對(duì)精度優(yōu)于260 ns[1-2]；同時(shí)，5G的室內(nèi)定位增值服務(wù)對(duì)時(shí)間同步的相對(duì)精度要求更高，要求在一定區(qū)域內(nèi)基站間時(shí)間同步的相對(duì)精度要優(yōu)于10 ns[3-5]。

因晶振自身的老化、易受環(huán)境影響等因素，晶振作為頻率源，使基站本身的時(shí)間保持有一定風(fēng)險(xiǎn)，該風(fēng)險(xiǎn)是在溯源鏈路中斷時(shí)，晶振該怎樣工作，才可以對(duì)基站自身的時(shí)間性能影響最小，且具有充分的容錯(cuò)時(shí)間。

高性能的壓控晶振，如本文采用的秒穩(wěn)為5×10-11的壓控晶振，其在室溫環(huán)境中，因自身的老化，24 h偏離國家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間（UTC（NTSC））約為20 μs，在基站時(shí)間鏈路中斷的情況下，用自由運(yùn)行的晶振維持基站時(shí)間，顯然已經(jīng)不能滿足基站的時(shí)間保持能力，而在移動(dòng)通信發(fā)展的5G時(shí)代，通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)鐘頻率的穩(wěn)定性和精確度要求越來越高，要求參考時(shí)間源的時(shí)間保持能力優(yōu)于±1.5 μs/24 h之內(nèi)[6-8]。因此需要在基站鏈路中斷的情況下，對(duì)自由運(yùn)行的晶振進(jìn)行控制，才可以滿足基站的時(shí)間保持能力。

本文通過歷史時(shí)間偏差數(shù)據(jù)對(duì)晶振老化參數(shù)的擬合和實(shí)時(shí)對(duì)其運(yùn)行環(huán)境溫度變化進(jìn)行補(bǔ)償，使得晶振的時(shí)間保持能力優(yōu)于500 ns/1d。通過該種方法提升晶振自身的時(shí)間保持能力，遠(yuǎn)優(yōu)于通信業(yè)界對(duì)基站時(shí)間保持能力為±1.5 μs/1 d的時(shí)間保持期望。

1 晶振保持控制系統(tǒng)

晶振保持控制，是指通過獲得晶振與參考時(shí)間源之間的時(shí)間偏差（參考時(shí)間源減去晶振的時(shí)間之差），根據(jù)時(shí)間偏差估算出晶振的狀態(tài)參數(shù)，依據(jù)狀態(tài)參數(shù)對(duì)晶振加以控制，使得晶振產(chǎn)生的時(shí)間信號(hào)與參考時(shí)間源之間的時(shí)間保持同步。在時(shí)間偏差數(shù)據(jù)鏈路中斷的情況下，依據(jù)晶振的歷史狀態(tài)參數(shù)與實(shí)時(shí)溫度變化量，對(duì)晶振進(jìn)行控制，使其進(jìn)行自保持。晶振保持控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 晶振保持控制系統(tǒng)原理圖

對(duì)晶振馴服的目的在于計(jì)算出晶振的頻偏和老化參數(shù)，在時(shí)間偏差鏈路中斷后，利用該頻偏和老化參數(shù)對(duì)晶振的老化進(jìn)行補(bǔ)償，提升晶振的時(shí)間保持能力。

2 晶振老化補(bǔ)償模型

對(duì)于晶振的控制方法，以最小二乘方法為核心，通過最小二乘法擬合解算出晶振的狀態(tài)參數(shù)，對(duì)晶振的頻偏進(jìn)行修正同時(shí)對(duì)老化進(jìn)行補(bǔ)償。對(duì)于晶振，它的時(shí)間偏差規(guī)律可以用二次多項(xiàng)式表示：

由式（3）可以解算出晶振的頻偏系數(shù)：

即：

同時(shí)，由式（5）可以解算出晶振的初始相位系數(shù)：

對(duì)于式（6），算法模型是從0時(shí)刻開始運(yùn)行，因此式（6）可以簡(jiǎn)化為

通過式（5）和式（6）結(jié)算出了晶振的頻偏和初始相位，晶振在馴服狀態(tài)下對(duì)其頻率進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)晶振與參考信號(hào)的時(shí)間同步[9-11]。

在參考信號(hào)鏈路中斷的情況下，無法實(shí)時(shí)擬合晶振的頻偏和初始相位，此時(shí)，根據(jù)式（1）基于長(zhǎng)期的歷史時(shí)間偏差數(shù)據(jù)，可以擬合出晶振的頻偏和老化參數(shù)，對(duì)晶振的頻率進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)晶振在無參考信號(hào)時(shí)的時(shí)間保持。

晶振在參考信號(hào)鏈路中斷時(shí)頻率補(bǔ)償如式（8）所示：

3 晶振溫度補(bǔ)償模型

晶振的實(shí)時(shí)溫度偏差計(jì)算，是晶振在正常被參考源馴服時(shí)，采集晶振周圍的環(huán)境溫度，通過累積求平均的方式產(chǎn)生參考溫度，參考溫度滑動(dòng)更新，開始進(jìn)入保持時(shí)刻，所采集的晶振周圍溫度與參考溫度作差，從而計(jì)算出晶振周圍的溫度偏差。通過累積求平均的方式產(chǎn)生參考溫度，累積時(shí)長(zhǎng)與晶振短期穩(wěn)定性息息相關(guān)。

因此，晶振進(jìn)入保持后其周圍環(huán)境溫度變化偏差如公式（11）所示：

溫度偏差與晶振控制量之間關(guān)系，即將溫度偏差轉(zhuǎn)換為晶振的壓控電壓，該壓控電壓弱化因溫度變化引起的晶振的頻率偏離，從而提高晶振的時(shí)間保持能力，根據(jù)本文實(shí)驗(yàn)，溫度偏差與控制量之間的關(guān)系可以用公式（12）表示：

4 晶振保持實(shí)驗(yàn)結(jié)果

晶振保持控制系統(tǒng)采用中國科學(xué)院國家授時(shí)中心主鐘輸出的1 PPS信號(hào)作為基準(zhǔn)，對(duì)晶振進(jìn)行馴服，馴服時(shí)間24 h后，在基準(zhǔn)信號(hào)鏈路中斷的情況下，晶振進(jìn)行自保持。晶振保持控制系統(tǒng)測(cè)試原理圖見圖2所示。時(shí)間間隔測(cè)量設(shè)備測(cè)量國家授時(shí)中心主鐘輸出的1 PPS與晶振產(chǎn)生的1 PPS之間的鐘差，計(jì)算機(jī)采集時(shí)間間隔測(cè)量設(shè)備測(cè)量值，將測(cè)量值發(fā)送給晶振保持控制系統(tǒng)用于晶振的馴服，在計(jì)算機(jī)停止給晶振保持控制系統(tǒng)發(fā)送測(cè)量值后，計(jì)算機(jī)繼續(xù)通過時(shí)間間隔測(cè)量設(shè)備測(cè)量了晶振輸出1 PPS與UTC（NTSC）的鐘差，對(duì)晶振的時(shí)間保持性能進(jìn)行評(píng)估[9,12]。

圖2 晶振保持控制系統(tǒng)測(cè)試原理圖

晶振保持控制系統(tǒng)測(cè)試原理圖中所提及的時(shí)間間隔測(cè)量設(shè)備是指SR620。其時(shí)間間隔測(cè)量的精度優(yōu)于50 ps，滿足該測(cè)試系統(tǒng)要求[9,12]。

晶振保持控制系統(tǒng)在室溫環(huán)境中運(yùn)行，晶振自由運(yùn)行24 h，其偏離標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的峰峰值為20.05 μs/1 d，去除一次頻偏后其殘差的峰峰值為556.5 ns/1 d，其晶振自由運(yùn)行24 h偏離標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的時(shí)差圖如圖3所示，去除一次頻偏后的殘差圖如圖4所示。

圖3 晶振自由運(yùn)行24 h偏離標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的時(shí)差圖

圖4 晶振自由運(yùn)行24 h偏離標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的時(shí)差去除一次頻偏后的殘差圖

為了評(píng)估晶振的時(shí)間保持性能，使用時(shí)間間隔測(cè)量設(shè)備測(cè)量晶振工作系統(tǒng)輸出1 PPS與UTC（NTSC）之間的鐘差值，測(cè)量鐘差見圖5。晶振馴服狀態(tài)下其輸出1 PPS與UTC（NTSC）的鐘差見圖6，晶振進(jìn)入保持狀態(tài)后，運(yùn)行24 h其輸出的1 PPS與UTC（NTSC）的鐘差見圖7，以時(shí)間偏差1 μs為門限進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，晶振輸出的1 PPS與UTC（NTSC）的鐘差見圖8。晶振馴服時(shí)長(zhǎng)56 h時(shí)，馴服狀態(tài)下其輸出1 PPS與UTC（NTSC）的鐘差優(yōu)于10 ns。晶振進(jìn)入保持狀態(tài)后，運(yùn)行24 h其輸出1 PPS與UTC（NTSC）的鐘差優(yōu)于380 ns，以1 μs為統(tǒng)計(jì)門限，晶振運(yùn)行約38 h其輸出1 PPS與UTC（NTSC）的鐘差優(yōu)于1 μs。

由圖4至圖8及表1和表2可以看出，晶振馴服56 h后進(jìn)入保持狀態(tài)，保持24 h其輸出1 PPS與UTC（NTSC）的鐘差最大值不超過380 ns；晶振進(jìn)入保持后短期穩(wěn)定性破壞最小的情況下，其10 s采樣的Allan偏差A(yù)DEV為6.49×10-12，10 000 s采樣的ADEV為5.83×10-12，10 s采樣的最大時(shí)間間隔誤差MTIE為1.35×10-9，10 000 s采樣的MTIE為1.93×10-7。

圖5 晶振工作系統(tǒng)產(chǎn)生1 PPS與UTC（NTSC）之間的鐘差圖

圖6 晶振馴服狀態(tài)下其輸出1 PPS與UTC（NTSC）之間的鐘差圖

圖7 晶振進(jìn)入保持后24 h其輸出1 PPS與UTC（NTSC）之間的鐘差圖

圖8 晶振進(jìn)入保持后不超過1 μs其輸出1 PPS與UTC（NTSC）之間的鐘差圖

表1 晶振進(jìn)入保持狀態(tài)運(yùn)行24 h其ADEV比較

表2 晶振進(jìn)入保持狀態(tài)運(yùn)行24 h其MTIE比較

表1和表2對(duì)比分析了晶振在保持狀態(tài)下與自由運(yùn)行時(shí)其ADEV和MTIE的情況，從表1可以看出，晶振在自保持狀態(tài)下10 000 s的ADEV比在自由運(yùn)行時(shí)提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，且短期的ADEV與自由運(yùn)行時(shí)相當(dāng)；從表2可以看出，晶振在自保持狀態(tài)下10 000 s的MTIE比在自由運(yùn)行時(shí)提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)短期MTIE有明顯的改善。

綜上，可以看出晶振進(jìn)入保持后，在沒有破壞晶振短期穩(wěn)定性的前提下，使晶振獲得了較好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性；同時(shí)，基于老化和溫度模型對(duì)晶振進(jìn)行補(bǔ)償，使得晶振的時(shí)間保持能力得到了1個(gè)數(shù)量級(jí)的提升。

5 結(jié)論

本文主要研究了在晶振參考信號(hào)鏈路中斷的情況下，利用最小二乘法根據(jù)長(zhǎng)時(shí)間歷史時(shí)間偏差數(shù)據(jù)對(duì)晶振的老化進(jìn)行補(bǔ)償，同時(shí)通過實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償消弱了環(huán)境對(duì)晶振的影響，從而提高了晶振的時(shí)間自保持能力。通過實(shí)驗(yàn)論證了基于老化和溫度補(bǔ)償模型對(duì)提高晶振的時(shí)間保持能力效果明顯，實(shí)驗(yàn)表明，晶振在參考信號(hào)鏈路中斷的情況下，運(yùn)行24 h其輸出1 PPS與UTC（NTSC）的鐘差不超過380 ns，在對(duì)其短期穩(wěn)定性影響最小的情況下，其長(zhǎng)期穩(wěn)定性得到了改善。通過這種途徑，晶振在參考信號(hào)鏈路中斷的情況下，其時(shí)間保持能力和頻率穩(wěn)定性都得到了提升，對(duì)以晶振作為時(shí)間源的時(shí)間用戶，起到了事半功倍的效果。

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Research of high performance time keeping method based on crystal oscillator

FAN Duo-sheng1,2, LIU Ya1,2,3, LI Xiao-hui1,2,3, CHEN Rui-qiong1,2

（1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China; 2. Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China）

Using the crystal oscillator as the clock time source, when the reference time source is interrupted, the high performance time keeping of the crystal oscillator controlled by the external reference time source is achieved by aging and temperature compensation of the crystal oscillator. In this paper, a crystal oscillator with stability better than 5×10-11/s is used as the test object. After the crystal oscillator is controlled by reference time source, compensates for the aging and temperature of the crystal oscillator are achieved based on historical time deviation data and the amount of ambient temperature change when the reference time is interrupted. Compared with the result of 20.05 μs within 24 hours for the uncontrolled case, the precision of the crystal oscillator self-maintenance is better than 0.4 μs within 24 hours. The comparison of the experimental results shows that after the crystal oscillator is controlled, under the holding state, through the aging and temperature compensation of the crystal proposed in this paper, its time retention ability has been significantly improved and the long-term stability of the frequency of the crystal has been improved. The research has certain application value.

time keeping; aging; temperature compensation; voltage controlled crystal oscillator

10.13875/j.issn.1674-0637.2021-01-0026-07

樊多盛, 劉婭, 李孝輝, 等. 基于晶振的高性能時(shí)間保持方法研究[J]. 時(shí)間頻率學(xué)報(bào), 2021, 44(1): 26-32.

2020-06-22；

2020-08-19

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（U2031125；12003040）；陜西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2018ZDXM-GY-011）