基于晶振的高性能時間保持方法研究

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 國家授時中心，西安 710600;2. 中國科學(xué)院 時間頻率基準(zhǔn)重點實驗室，西安 710600;3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

以晶振作為時鐘時間源，經(jīng)外部參考時間源馴服后，在參考時間源中斷的情況下，通過對晶振的老化和溫度補償，實現(xiàn)晶振的高性能時間保持。本文采用一顆秒穩(wěn)優(yōu)于5×10-11的晶振作為試驗對象，經(jīng)過馴服后，在參考時間中斷的情況下，根據(jù)歷史時間偏差數(shù)據(jù)和環(huán)境溫度變化量對該款晶振進(jìn)行老化和溫度補償，將晶振自主保持24 h約20.05μs提高至補償后的0.4 μs。實驗結(jié)果對比表明晶振經(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償技術(shù)，基于晶振的時間保持能力得到了明顯的提升，具有一定的應(yīng)用價值。

時間保持；老化；溫度補償；壓控晶振

0 引言

目前，很多時間用戶維持時間的頻率源是高性能壓控晶振，如移動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間。尤其是5G移動通信中，壓控晶振作為基站維持時間的頻率源，通過無線或者有線溯源到上一級時間基準(zhǔn)，對本地基站的時間同步和時間保持性能提出了更高的要求，在5G載波聚合、多點協(xié)同和超短幀中要求時間同步的相對精度優(yōu)于260 ns[1-2]；同時，5G的室內(nèi)定位增值服務(wù)對時間同步的相對精度要求更高，要求在一定區(qū)域內(nèi)基站間時間同步的相對精度要優(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，使基站本身的時間保持有一定風(fēng)險，該風(fēng)險是在溯源鏈路中斷時，晶振該怎樣工作，才可以對基站自身的時間性能影響最小，且具有充分的容錯時間。

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)時間（UTC（NTSC））約為20 μs，在基站時間鏈路中斷的情況下，用自由運行的晶振維持基站時間，顯然已經(jīng)不能滿足基站的時間保持能力，而在移動通信發(fā)展的5G時代，通信網(wǎng)絡(luò)對時鐘頻率的穩(wěn)定性和精確度要求越來越高，要求參考時間源的時間保持能力優(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，對自由運行的晶振進(jìn)行控制，才可以滿足基站的時間保持能力。

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

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間源之間的時間偏差（參考時間源減去晶振的時間之差），根據(jù)時間偏差估算出晶振的狀態(tài)參數(shù)，依據(jù)狀態(tài)參數(shù)對晶振加以控制，使得晶振產(chǎn)生的時間信號與參考時間源之間的時間保持同步。在時間偏差數(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)與實時溫度變化量，對晶振進(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

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

2 晶振老化補償模型

對于晶振的控制方法，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)，對晶振的頻偏進(jìn)行修正同時對老化進(jìn)行補償。對于晶振，它的時間偏差規(guī)律可以用二次多項式表示：

由式（3）可以解算出晶振的頻偏系數(shù)：

即：

同時，由式（5）可以解算出晶振的初始相位系數(shù)：

對于式（6），算法模型是從0時刻開始運行，因此式（6）可以簡化為

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)下對其頻率進(jìn)行調(diào)整，實現(xiàn)晶振與參考信號的時間同步[9-11]。

在參考信號鏈路中斷的情況下，無法實時擬合晶振的頻偏和初始相位，此時，根據(jù)式（1）基于長期的歷史時間偏差數(shù)據(jù)，可以擬合出晶振的頻偏和老化參數(shù)，對晶振的頻率進(jìn)行補償，實現(xiàn)晶振在無參考信號時的時間保持。

晶振在參考信號鏈路中斷時頻率補償如式（8）所示：

3 晶振溫度補償模型

晶振的實時溫度偏差計算，是晶振在正常被參考源馴服時，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，參考溫度滑動更新，開始進(jìn)入保持時刻，所采集的晶振周圍溫度與參考溫度作差，從而計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，累積時長與晶振短期穩(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，從而提高晶振的時間保持能力，根據(jù)本文實驗，溫度偏差與控制量之間的關(guān)系可以用公式（12）表示：

4 晶振保持實驗結(jié)果

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

圖2 晶振保持控制系統(tǒng)測試原理圖

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

晶振保持控制系統(tǒng)在室溫環(huán)境中運行，晶振自由運行24 h，其偏離標(biāo)準(zhǔn)時間的峰峰值為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，其晶振自由運行24 h偏離標(biāo)準(zhǔn)時間的時差圖如圖3所示，去除一次頻偏后的殘差圖如圖4所示。

圖3 晶振自由運行24 h偏離標(biāo)準(zhǔn)時間的時差圖

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

為了評估晶振的時間保持性能，使用時間間隔測量設(shè)備測量晶振工作系統(tǒng)輸出1 PPS與UTC（NTSC）之間的鐘差值，測量鐘差見圖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，運行24 h其輸出的1 PPS與UTC（NTSC）的鐘差見圖7，以時間偏差1 μs為門限進(jìn)行統(tǒng)計，晶振輸出的1 PPS與UTC（NTSC）的鐘差見圖8。晶振馴服時長56 h時，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)計門限，晶振運行約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)運行24 h其ADEV比較

表2 晶振進(jìn)入保持狀態(tài)運行24 h其MTIE比較

表1和表2對比分析了晶振在保持狀態(tài)下與自由運行時其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比在自由運行時提高了一個數(shù)量級，且短期的ADEV與自由運行時相當(dāng)；從表2可以看出，晶振在自保持狀態(tài)下10 000 s的MTIE比在自由運行時提高了一個數(shù)量級，同時短期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期穩(wěn)定性；同時，基于老化和溫度模型對晶振進(jìn)行補償，使得晶振的時間保持能力得到了1個數(shù)量級的提升。

5 結(jié)論

本文主要研究了在晶振參考信號鏈路中斷的情況下，利用最小二乘法根據(jù)長時間歷史時間偏差數(shù)據(jù)對晶振的老化進(jìn)行補償，同時通過實時溫度補償消弱了環(huán)境對晶振的影響，從而提高了晶振的時間自保持能力。通過實驗論證了基于老化和溫度補償模型對提高晶振的時間保持能力效果明顯，實驗表明，晶振在參考信號鏈路中斷的情況下，運行24 h其輸出1 PPS與UTC（NTSC）的鐘差不超過380 ns，在對其短期穩(wěn)定性影響最小的情況下，其長期穩(wěn)定性得到了改善。通過這種途徑，晶振在參考信號鏈路中斷的情況下，其時間保持能力和頻率穩(wěn)定性都得到了提升，對以晶振作為時間源的時間用戶，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間保持方法研究[J]. 時間頻率學(xué)報, 2021, 44(1): 26-32.

2020-06-22；

2020-08-19

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