[发明专利]非线性恒温晶体振荡器补偿电路

说明书

本发明公开了一种用于恒温晶体振荡器的补偿电路，该恒温晶体振荡器用作保持模式下的锁相回路的基准。非线性函数模块生成经修改的老化信号，该经修改的老化信号是老化信号的非线性函数。第一卡尔曼滤波器基于温度信号生成该晶体振荡器的频率漂移的估计。第二卡尔曼滤波器基于该经修改的老化信号生成频率漂移的估计。组合和比较模块组合由该第一卡尔曼滤波器和该第二卡尔曼滤波器生成的该等估计，并且将该等估计与所检测的频率漂移进行比较以产生误差信号来更新该等卡尔曼滤波器。在保持模式下，该等卡尔曼滤波器基于在正常模式下的该锁相回路的操作期间获得的更新来生成误差信号以校正该振荡器频率。

技术领域

本发明涉及精确定时领域，尤其涉及一种用于补偿由于温度和老化效应而引起的恒温晶体振荡器中的频率变化的电路，尤其是在主基准源发生故障的情况下用作数字锁相回路(DPLL)的备用基准的电路。

背景技术

现代通信系统(诸如移动电话服务)在很大程度上依赖于精确定时基准。通常，这由锁定到主基准(诸如GPS信号)的DPLL提供。偶尔主基准信号将丢失，在这种情况下，DPLL进入保持模式，在这种模式中其依赖于精确的本地基准，该精确的本地基准通常是恒温晶体振荡器(oven-controlled crystal oscillator,OXCO)。

虽然恒温晶体振荡器提供极其稳定的基准频率，但是这些恒温晶体振荡器由于设备的温度变化和老化而随时间推移经历漂移。

美国专利号6,711,230以及由C.W.T Nicholls和G.C.Carleton在2004年IEEE国际超声学、铁电和频率控制联合50周年会议(2004 IEEE International Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control Joint 50^th Anniversary Conference)上给出的名称为Adaptive OCXO Drift Correction Algorithm的论文描述了一种采用在正常PLL操作期间训练的单独卡尔曼滤波器的补偿电路，并且其中该经训练的卡尔曼滤波器用于基于在正常模式期间获得的更新来控制保持模式下的振荡器的输出频率，该专利和文献的内容以引用方式并入本文。在Nicholls中描述的卡尔曼滤波器假设频率对使用年限的依赖性是线性的，或者至少可以通过线性模型来逼近，其中与线性度的任何偏离通过在卡尔曼滤波器内采用更高阶的多项式项来校正。

卡尔曼滤波器是本领域中熟知的，并且通常用于从可以对系统的物理行为进行建模的噪声环境中提取数据。遗憾的是，OXCO的频率对使用年限的依赖性看起来是对数的，因此不会随时间推移而得到适当补偿。

发明内容

本发明的实施方案基于以下观察：OCXO的频率对使用年限的依赖性至少最初是高度非线性的过程，并且振荡器性能的显著改善可通过使补偿电路基于非线性模型，优选地对数老化模型来实现，其中老化信号首先通过非线性模块以获得至卡尔曼滤波器的输入信号，卡尔曼滤波器本身可采用关于非线性输入信号的线性预测模型。因此，与在尝试补偿卡尔曼滤波器中的任何非线性的同时将物理模型视为线性的现有技术不同，本发明的实施方案替代地在将输入信号的非线性版本输入至卡尔曼滤波器之前执行非线性处理。在这种情况下，使用年限是指晶体振荡器已经运行的时间。

因此，应当理解的是，本文提及“非线性模型”是指以下事实：卡尔曼滤波器接收与卡尔曼滤波器不同的测量输入变量的非线性版本作为输入，其中预测矩阵结合更高阶项。采用根据本发明的实施方案的非线性模型的卡尔曼滤波器可以具有以下形式的预测矩阵：

其中f(x)_n为由卡尔曼滤波器上游的函数模块生成的函数，并且其在老化模块的优选实施方案中为对数函数。然而，应当理解的是，如果确定特定类型的OCXO的老化函数可以由另一个函数(诸如指数函数)更准确地表示，则函数模块可以是指数模块。