一种基于全数字锁相环的高精度同步时钟实现方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于全数字锁相环的高精度同步时钟实现方法。其步骤为：采用鉴相器对输入卫星时钟信号和输出同步时钟信号的相位进行比较，并通过数字滤波器产生相位差信号；时钟源状态监测器在线监测卫星时钟的工作状态；正常工作模式时，脉冲增减控制器根据数字滤波器输出的相位差产生分频器的分频控制系数；失步工作模式时，自校正控制器利用卫星时钟失效前的分频控制系数、当前的环境温度以及噪声参数产生分频控制系数；分频器根据分频控制系数产生高精度同步时钟输出信号。本发明方法产生的同步时钟信号同时具有随机误差小与累积误差小的优点，在卫星时钟失效一段时间内仍可保持较高的授时精度，可为电力系统提供精确时间同步秒脉冲信号。
【专利说明】一种基于全数字锁相环的高精度同步时钟实现方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种同步时钟实现方法，特别涉及一种基于全数字锁相环的高精度同 步时钟实现方法。
【背景技术】
[0002] 国产北斗卫星导航系统和美国全球定位系统等多种卫星授时系统(下文统称卫星 时钟）可提供全天候授时信号，授时精度高，且具有广域时间同步性能好、不受地理和气候 等条件限制、应用简单等优点，在电力系统广域测量、故障行波定位等方向得到了越来越多 的应用，基于卫星时钟的精确时间同步技术受到广泛关注。
[0003] 但在卫星失锁等情况下，秒脉冲误差可达几十微秒甚至上百微秒；同时卫星时钟 信号在传播过程中会受到各种电磁千扰，严重时可能导致信号中断；其精度与稳定性难以 满足保护监控等领域的时间同步要求。所以在利用卫星时钟作为广域时间同步源时，要考 虑卫星时钟信号的可靠性问题，特别是卫星时钟失效后的时间同步精度。
[0004] 晶振时钟具有较大的累积误差与较小的随机误差，而卫星时钟的误差特性则正好 相反，两种时钟的授时误差特性互补。为了保证时间同步系统的精度与稳定性，专家学者提 出了多种基于卫星时钟与晶振时钟误差互补的授时方案，如采用卫星时钟信号在线修正晶 振秒脉冲的累积误差以及利用高精度晶振监测修正卫星时钟随机误差等，有效提高了卫星 时钟的精度和稳定性，但现有各方案均存在不足：样本数据量大、忽略了晶振的频率漂移、 补偿方案计算复杂等。
[0005] 近年来，锁相环技术得到了快速发展，锁相环的输出信号可自动跟踪输入信号相 位，实现系统的闭环自动控制。全数字锁相环由于具有可靠性高、抗干扰能力强、体积小、价 格低、易于集成、外围电路简单等优点外，解决了很多模拟环难以解决的根本性难题，如直 流零点漂移、器件饱和、对温度敏感、必须进行初始化校准等难题。全数字锁相环技术在电 网相位频率测量方面应用成熟，已在电力系统领域得到了广泛应用。
【发明内容】
[0006] 为满足电力系统保护控制领域的高精度时间同步需求，实现在卫星时钟有效和失 步情况下均保持较高的稳定性和同步性，本发明提供了一种基于全数字锁相环的高精度同 步时钟实现新方法。本发明利用全数字锁相环的相位跟踪优势，基于卫星时钟与晶振时钟 误差互补的特点，提出了卫星时钟失效后的授时方案；本发明能有效提高输出时钟的稳定 性。
[0007] 本发明解决上述技术问题的技术方案包括以下步骤： (1) 在卫星时钟工作正常时，鉴相器对输入卫星时钟信号和输出同步时钟信号的相位 进行比较，产生能够表征两者相位超前与滞后关系的输出信号； (2) 数字滤波器对鉴相器的输出信号进行滤噪处理，并根据相位超前与滞后情况产生 相位差输出信号：卫星时钟信号相位超前时，输出相位差信号up，卫星时钟信号相位滞后 时，输出相位差?旨号down ; (3) 时钟源状态监测器在线监测卫星时钟的工作状态，接收正常时，选择正常工作模 式，否则，选择失步工作模式； (4) 正常工作模式时，脉冲增减控制器根据数字滤波器输出的相位差产生分频器的分 频控制系数N ; (5) 失步工作模式时，自校正控制器利用卫星时钟失效前的分频控制系数、当前的环境 温度以及噪声参数产生分频控制系数N ; (6) 分频器根据分频控制系数N对晶振信号进行分频，产生高精度同步时钟输出信号。
[0008] 上述的全数字锁相环高精度同步时钟方法，步骤（4)中脉冲增减控制器根据数字 滤波器输出的相位差产生分频器的分频控制系数N，具体方法为： 脉冲增减控制器将相位差信号up调制成有效的减脉冲，相位差信号d〇wn调制成有效 的增脉冲；当增脉冲有效时，如果前一个分频系数< Νε11?(Νε11?为标准秒时钟对应的分频 系数，其数值等于晶振频率)，则吣=Νη+1，对下一个输出同步时钟信号实现滞后校正；如 果前一个分频系数> Νε11?，则队=Νη，对下一个输出同步时钟信号不进行校正；当减脉 冲有效时，如果前一个分频系数Ng彡凡 1){，则队=N^-l，对下一个输出同步时钟信号实现 超前校正；如果前一个分频系数< Nelk，则队=Νη，对下一个输出同步时钟信号不进行 校正；将判别结果队锁存，并作为下一秒的分频控制系数输出给分频器。
[0009] 上述的全数字锁相环高精度同步时钟方法，步骤（5)中根据温度变化情况和时间 变化实时调整分频系数，以消除累积误差对输出同步时钟信号的影响，并利用自适应预测 模型算法预测产生分频控制系数Ν。晶振累积误差（μ (t))表示输出同步时钟信号与输入 卫星时钟信号从开始时刻到测量时刻累积的时间误差。tk时刻的晶振累积误差可表示为：
【权利要求】
1. 一种基于全数字锁相环的高精度同步时钟实现方法，包括如下步骤： (1) 在卫星时钟工作正常时，鉴相器对输入卫星时钟信号和输出同步时钟信号的相位 进行比较，产生能够表征两者相位超前与滞后关系的输出信号； (2) 数字滤波器对鉴相器的输出信号进行滤噪处理，并根据相位超前与滞后情况产生 相位差输出信号：卫星时钟信号相位超前时，输出相位差信号up，卫星时钟信号相位滞后 时，输出相位差信号down ; (3) 时钟源状态监测器在线监测卫星时钟的工作状态，接收正常时，选择正常工作模 式，否则，选择失步工作模式； (4) 正常工作模式时，脉冲增减控制器根据数字滤波器输出的相位差产生分频器的分 频控制系数N ; (5) 失步工作模式时，自校正控制器利用卫星时钟失效前的分频控制系数、当前的环境 温度以及噪声参数产生分频控制系数N ; (6) 分频器根据分频控制系数N对晶振信号进行分频，产生高精度同步时钟输出信号。
2. 根据权利要求1所述的全数字锁相环高精度同步时钟方法，步骤（4)中脉冲增减控 制器根据数字滤波器输出的相位差产生分频器的分频控制系数N，具体方法为： 脉冲增减控制器将相位差信号up调制成有效的减脉冲，相位差信号down调制成有效 的增脉冲；当增脉冲有效时，如果前一个分频系数队^ <凡11;(凡11;为标准秒时钟对应的分频 系数，其数值等于晶振频率)，则队=Nh+1，对下一个输出同步时钟信号实现滞后校正；如 果前一个分频系数Nh >Ndk，则队=Ng，对下一个输出同步时钟信号不进行校正；当减脉 冲有效时，如果前一个分频系数Ng彡N dk，则队=Ng-Ι，对下一个输出同步时钟信号实现 超前校正；如果前一个分频系数Ng < Ndk，则队=Ng，对下一个输出同步时钟信号不进行 校正；将判别结果队锁存，并作为下一秒的分频控制系数输出给分频器。
3. 根据权利要求1所述的全数字锁相环高精度同步时钟方法，步骤（5)中 自校正控制器利用卫星时钟失效前的分频控制系数、当前的环境温度以及噪声 参数产生分频控制系数N;具体方法为：用α表示晶振频率稳定度的温度敏感 度，u (k)表示tk时刻温度传感器测量的晶振温度，y (k)表示tk时刻的校正 信号，v (k)表示tk时刻的噪声；卫星时钟失效后tk时刻的分频控制系数N为：
【文档编号】H03L7/08GK104300969SQ201410196230
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年5月12日 优先权日:2014年5月12日
【发明者】李泽文, 邓拓夫, 曾祥君, 舒磊, 曹晶, 程骏 申请人:长沙理工大学