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基于GRU神经网络的恒温晶振频率漂移预测

电子器件 2024年第2期47卷 502-508页

作者：王彬晏学成张海利刘岳巍石家庄铁道大学电气与电子工程学院河北石家庄050043 河北远东通信系统工程有限公司河北石家庄050200

恒温晶振作为新时代5G通信系统的重要器件,其频率稳定性相当重要,准确预测恒温晶振频率漂移可以提高系统工作状态的安全性与可靠性。为进一步提高频率漂移预测精度,满足5G通信系统需求,提出了一种基于门控循环单元(GRU)神经网络的晶振... 详细信息

恒温晶振作为新时代5G通信系统的重要器件,其频率稳定性相当重要,准确预测恒温晶振频率漂移可以提高系统工作状态的安全性与可靠性。为进一步提高频率漂移预测精度,满足5G通信系统需求,提出了一种基于门控循环单元(GRU)神经网络的晶振频率预测模型。该模型同时考虑温度、老化两种因素,并利用神经网络具有出色的自适应性与非线性泛化能力,学习恒温晶振频率漂移变化规律。最后以14 d实测数据为例进行研究分析,并与循环神经网络、长短时记忆神经网络做对比实验,以均方根误差、平均绝对误差、算法运行时间作为评价指标,结果表明GRU网络具有更高的预测精度、更快的运算速度。

关键词：恒温晶振频率漂移预测温度老化 GRU神经网络

基于GNSS和ZYNQ的恒温晶振驯服装置研究

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长江信息通信 2024年第3期37卷 130-132,137页

作者：杨业泉张浩冯文杰三峡大学电气与新能源学院湖北宜昌443002 三峡大学理学院湖北宜昌443002 三峡大学计算机与信息学院湖北宜昌443002

为了提高恒温晶振频率的准确度和稳定度,设计了基于ZYNQ技术的GNSS驯服恒温晶振频标装置。在ZYNQ的PL端采用粗测量加细测量的方法测量时间,PS端使用奇异值剔除与滤波算法对测量数据进行处理,实现恒温晶振频率的驯服和时间跟踪。采用模... 详细信息

为了提高恒温晶振频率的准确度和稳定度,设计了基于ZYNQ技术的GNSS驯服恒温晶振频标装置。在ZYNQ的PL端采用粗测量加细测量的方法测量时间,PS端使用奇异值剔除与滤波算法对测量数据进行处理,实现恒温晶振频率的驯服和时间跟踪。采用模块化设计和编程,提高了装置的通用性和可移植性。通过实验测试,对恒温晶振驯服前后的数据进行多次比对,结果表明其平均频率准确度达到1.09×10^(-12),频率稳定度达到8.56×10^(-12),其稳定度提升了两个数量级。

关键词： ZYNQ GNSS驯服时间测量恒温晶振 1PPS

基于Kalman滤波与GRU神经网络的恒温晶振同步时钟算法研究

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基于Kalman滤波与GRU神经网络的恒温晶振同步时钟算法研究

作者：晏学成石家庄铁道大学

学位级别：硕士

在信息时代的今天,移动通信、卫星导航等科学技术都在快速发展,人们对时钟频率源的稳定性及精确度提出了更高的要求。目前,恒温晶体振荡器由于短期稳定性较好且价格低廉的特性,其应用领域在不断拓宽。然而,恒温晶体振荡器受多种因素影响... 详细信息

在信息时代的今天,移动通信、卫星导航等科学技术都在快速发展,人们对时钟频率源的稳定性及精确度提出了更高的要求。目前,恒温晶体振荡器由于短期稳定性较好且价格低廉的特性,其应用领域在不断拓宽。然而,恒温晶体振荡器受多种因素影响,如工作时间增加、环境温度变化和内部工艺老化,其输出频率会产生逐渐递增或递减的漂移变化,从而导致长期稳定性较差,这约束了它在高精度通信领域的应用,针对此问题本文开始了对恒温晶振同步时钟算法的研究。恒温晶振同步时钟算法主要分为两个阶段:授时阶段与守时阶段。本文针对授时阶段提出了基于改进的Kalman滤波授时算法,以GPS秒脉冲信号授时恒温晶振,使其频率精确度得以提升;针对守时阶段提出了基于门控循环单元神经网络的守时算法,使恒温晶振在丢失GPS秒脉冲信号后仍能保持较高的稳定性。本文主要设计高精度的授时算法和高稳定度守时算法完成同步时钟算法的目的,并满足5G通信系统的指标需求。首先,本文介绍了恒温晶体振荡器的物理结构、老化和温度等主要影响其输出频率的因素,并分析了GPS授时原理及授时误差。然后在授时阶段,研究基于改进的Kalman滤波授时算法,并结合PID控制使GPS秒脉冲信号对恒温晶振作驯服工作,这样不仅可以对时钟相位差实施奇异值去除和平滑处理,还能减弱GPS秒脉冲信号相位波动或其他原因对恒温晶体振荡器授时的影响,然后由相位差得到的调控量输入到数模转换器中,得到一个电压调整值,将该数值补偿给恒温晶体振荡器以达到频率校正的目的,使得校正后的恒温晶体振荡器时钟信号与GPS时钟信号维持在同一标准,能够有效的弥补其精确度的劣势。其次,在守时阶段系统装置失去了GPS秒脉冲信号的时间基准,恒温晶振的输出频率受到多种因素的影响,包括晶体老化情况和环境温度的变化等。由于这些因素的作用,晶振的输出频率可能会发生漂移,从而对系统的输出频率精度产生影响。为了解决这个问题,本文研究了一种恒温晶振频率预测模型,该模型是基于门控循环单元神经网络搭建的,可以同时考虑温度、老化两种因素,并利用神经网络具有出色的自适应性与非线性泛化能力,学习授时阶段的恒温晶振频率变化规律,可以较好的预测出守时阶段频率漂移量,并结合相应的计算方式以达成对恒温晶振输出频率的补偿,能够有效的优化恒温晶体振荡器长期稳定性。最后设计同步时钟硬件系统及搭建测试平台对恒温晶振授时和守时算法进行测试,仿真结果显示:同步授时算法准确度可以达到5ns左右,满足了5G通信系统的要求授时标准在±20ns以内,通过硬件实测数据也验证了此算法实现了高精度授时的目的。在失去参考时钟信号后,根据授时算法中记录的恒温晶体振荡器相关数据,选用GRU神经网络守时算法,并与其他几种方法作比较,实验结果说明了GRU网络具有更高的预测精度、更快的运算速度。在精准的预测出恒温晶振由于温度和老化而引起的频率偏移量后,再将频率偏移量补偿给恒温晶振,硬件实测结果显示了守时精度在-1.408μs/12h,满足了5G通信系统的要求守时指标在±1.5μs/12h以内,通过数据反应了此算法也达到高稳定度守时的目的。故本文设计的高精度授时与高稳定度守时算法可进一步提高5G通信系统的安全性与可靠性。

关键词：恒温晶振通信系统授时/守时算法 Kalman滤波器 GRU神经网络

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恒温晶振低噪声供电电源设计

通信电源技术 2022年第2期39卷 44-46页

作者：李朋张旭达河北远东通信系统工程有限公司河北石家庄050000

为恒温晶振设计了一款供电用开关电源模块。针对输入电压范围比较宽的应用环境,使用了可升、降压的Buck-Boost变换器结构。为了避免开关电源的开关噪声对恒温晶振的相位噪声产生影响,设计了有效的滤波电路,且六面屏蔽的模块化设计避免... 详细信息

为恒温晶振设计了一款供电用开关电源模块。针对输入电压范围比较宽的应用环境,使用了可升、降压的Buck-Boost变换器结构。为了避免开关电源的开关噪声对恒温晶振的相位噪声产生影响,设计了有效的滤波电路,且六面屏蔽的模块化设计避免了辐射噪声的影响。通过实验验证了供电电源模块的有效性。

关键词：恒温晶振低噪声供电模块升降压变换器

恒温晶振(OCXO)计算机辅助调试和自动测试系统

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仪器仪表学报 2002年第6期23卷 642-644页

作者：赵曙光杨万海陈丽萍高建宁西安电子科技大学西安710071

介绍恒温晶振 (OCXO)调试和测试的基本原理 ,讨论 OCXO计算机辅助调试和自动测试系统的设计要点和关键技术 ,包括系统功能与结构 ,软、硬件设计要点等。该系统已投入实际使用。

关键词：自动测试系统计算机辅助测试计算机辅助调试恒温晶振 OCXO

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一种低功耗驯服恒温晶振的设计

无线互联科技 2022年第24期19卷 79-82页

作者：罗毕锋罗毕锟电子科技大学自动化工程学院成都611731

文章介绍了一种低功耗驯服恒温晶体振荡器的设计,利用Matlab进行仿真设计的方法,指导实际电路的设计和调试。在传统恒温晶振的内部,增加驯服锁相板,并通过应用RTOS来减小晶振的实际功耗。最终设计了一种标称频率为10 MHz的低功耗驯服恒... 详细信息

文章介绍了一种低功耗驯服恒温晶体振荡器的设计,利用Matlab进行仿真设计的方法,指导实际电路的设计和调试。在传统恒温晶振的内部,增加驯服锁相板,并通过应用RTOS来减小晶振的实际功耗。最终设计了一种标称频率为10 MHz的低功耗驯服恒温晶振,该晶振的频率准确度在驯服150 min后,频率准确度可达到≤5E-12,与传统恒温晶振相比,有较大的改善,且在稳定后与传统恒温晶振的稳定功耗差距很小。

关键词： PID 恒温晶振驯服 RTOS 低功耗

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喷泉钟驾驭恒温晶振方法研究

时间频率学报 2022年第2期45卷 110-114页

作者：肖娅聪刘昆刘洪康房芳陈伟亮戴少阳郑发松李天初中国计量科学研究院北京100029 北京理工大学北京100081

喷泉钟驾驭氢钟、晶振等频率源,能够输出标准频率。为了实现上述目标,本文使用自由运转的恒温晶振5 MHz频率输出作为喷泉钟的本振信号,尝试利用喷泉钟锁定恒温晶振。5 MHz本振信号经过倍频和频率综合生成铯原子喷泉钟激励微波源所使用的... 详细信息

喷泉钟驾驭氢钟、晶振等频率源,能够输出标准频率。为了实现上述目标,本文使用自由运转的恒温晶振5 MHz频率输出作为喷泉钟的本振信号,尝试利用喷泉钟锁定恒温晶振。5 MHz本振信号经过倍频和频率综合生成铯原子喷泉钟激励微波源所使用的9.192 GHz的频率信号。喷泉钟使用PI锁定方法,得到此激励微波源的频率信号与铯原子超精细能级跃迁频率信号的差值。为了驾驭恒温晶振,将恒温晶振5 MHz信号经过相位微跃器的调整,锁定至喷泉钟的超精细能级跃迁频率信号。喷泉钟运行周期约为1.5 s,产生一个频率差值。我们使用每5个频率差值计算一个平均频率差值,多个平均频率差值经过局部加权线性回归算法,预估下一个平均频率差值。预估的频率差值经过计算,得到相对频率调整量。计算模拟表明,存在一组合适的计算参数,使得调整后的纸面频率差值数据稳定度大幅提高。使用这种驾驭方法,将得到的相对频率调整量反馈至相位微跃器。实验表明,参考恒温晶振的相位微跃器5 MHz信号频率漂移消失,中长期频率稳定度有极大的改善。

关键词：喷泉钟恒温晶振驾驭

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恒温晶振驯服和保持技术的研究

恒温晶振驯服和保持技术的研究

作者：贾杨洁西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着5G移动通信产业化的不断加速,测控通信、卫星导航和电力网络等领域对时钟基准源的准确度和稳定度提出了更高的要求。恒温晶振(Oven Controlled Crystal Oscillator,OCXO)作为常用的时钟源,其短期稳定度较好,但由于受到老化和环境温... 详细信息

随着5G移动通信产业化的不断加速,测控通信、卫星导航和电力网络等领域对时钟基准源的准确度和稳定度提出了更高的要求。恒温晶振(Oven Controlled Crystal Oscillator,OCXO)作为常用的时钟源,其短期稳定度较好,但由于受到老化和环境温度等因素的影响,其频率会逐渐发生漂移现象,长期稳定性较差,无法独立应用于高精度的授时、守时、导航定位等领域。而用全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite Systems,GNSS)信号对恒温晶振的驯服和保持是解决这一问题的主要途径,针对GNSS信号丢失后,短时间的有效保持技术是目前国内外研究的热点和难点。本文研究了基于北斗信号对恒温晶振驯服下,时钟保持技术的提升。具体研究内容和结果如下:(1)针对恒温晶振失去外部基准后,对输出频率保持能力提升的技术研究。通过对恒温晶振输出频率的老化趋势进行分析,研究了一种基于BP神经网络算法的保持模型和更接近多数晶振漂移趋势的幂指函数模型。基于此幂指函数模型和BP神经网络模型对不同老化趋势的恒温晶振进行拟合和预估,采用残差平方和、卡方系数和相关系数等判定系数多方面对比预估结果,验证BP神经网络算法保持模型的正确性和适用性。(2)提高BP算法的拟合能力和预估精度的技术研究。采用了Savitzky-Golay滤波和Vondrak滤波两种滤波算法,对恒温晶振频差数据进行预处理。Vondrak滤波算法可以将预估输出与期望输出的误差从4×10降低到2×10,Savitzky-Golay滤波比较灵活,可以自由选择窗口大小,设置窗口大小为9,误差最优能够降到1.5×10。(3)建立了OCXO驯服和保持系统。设计了系统的总体方案,确定每个模块的功能并完成相关软硬件设计,以北斗1PPS信号为基准,采用时间间隔测量模块GP21测量北斗1PPS信号与OCXO分频信号之间的时间差,根据时差、频差及压控灵敏度关系,转换为控制OCXO的压控电压,实现OCXO的驯服。在失去1PPS基准后,切换为保持模式,采用BP算法结合滤波处理建立保持模型实现OCXO的保持。(4)对系统中恒温晶振的驯服能力进行测试,驯服后三天内的频率准确度优于1×10,日老化率从0.5ppb/d提高到0.06ppb/d,改善了恒温晶振的长期稳定度。对基准信号丢失后恒温晶振的保持能力进行了仿真测试,在前6个小时OCXO频率准确度达到1.5×10,在失锁后24小时的准确度达到2×10量级,守时精度能达到接近1.75μs的指标。

关键词：恒温晶振 BP神经网络驯服保持

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一种小型超低相噪恒温晶振的设计

压电与声光 2015年第3期37卷 420-422,426页

作者：蒋松涛成都天奥电子股份有限公司四川成都611731

该文分析了晶振超低相噪设计方法及影响因素,重点阐述了有载品质因数(Q)值、电路结构等对相噪的影响,并基于改进型的巴特勒振荡电路在小体积下进行了超低相噪恒温晶振的设计,对其主振电路、放大电路、稳压电路等进行了概要的分析。该文... 详细信息

该文分析了晶振超低相噪设计方法及影响因素,重点阐述了有载品质因数(Q)值、电路结构等对相噪的影响,并基于改进型的巴特勒振荡电路在小体积下进行了超低相噪恒温晶振的设计,对其主振电路、放大电路、稳压电路等进行了概要的分析。该文研制的100 MHz小型超低相噪恒温晶振体积达到20mm×20mm×10mm,相噪指标最优达到-168dBc/Hz@1kHz,达到了预期的研制目标。

关键词：石英晶体恒温晶振超低相噪小体积振荡器