Способ повышения стабильности частоты опорных генераторов в системах связи Российский патент 2024 года по МПК H03L7/00 

Изобретение относится к радиосвязи и может быть использовано в системах синхронизации приемо-передающих устройств радиолиний. С помощью систем и устройств синхронизации решается с разной степенью успеха задача оптимального приёма сигналов, для чего организуется слежение за несущими и поднесущими частотами принимаемых сигналов, тактовая синхронизация цифровых сигналов, измерение частоты и фазы сигналов, синтез сетки высокостабильных частот, когерентная демодуляция сигналов с различными видами модуляции, сокращение времени сеансов связи с сохранением объёма передаваемой информации.

Известен способ передачи дискретных сообщений по каналам радиосвязи с тактовой и цикловой синхронизацией передатчика и приемника [Патент №2377723 Российская федерация, МПК Н04В 7/00 (2006.01). Способ передачи дискретных сообщений по каналам радиосвязи: № 2007125107/09, заявл. 02.07.2007, опубл. 27.12.2009 / В.И. Хазан, Д.И. Федосов. – 14 с.]. Повышение помехоустойчивости в указанном изобретении обеспечивается принудительной синхронизацией передатчика и приёмника по внешним сигналам, либо от специального сигнала, сформированного высокостабильным эталоном частоты. Эта синхронизация осуществляется непрерывно (постоянно) по отдельному входу вне зависимости от факта передачи сообщения, что является недостатком данного способа синхронизации.

Причиной, по которой требуется проводить процедуры синхронизации, является старение элементов кварцевых генераторов опорной частоты и в первую очередь старение кварцевых резонаторов, вызывающее ухудшение долговременной стабильности частоты. В современных радиопередатчиках и радиоприемниках используются кварцевые опорные генераторы (ОГ) с термокомпенсацией и с термостатированием, долговременная стабильность которых не превышает значений 1⋅10^-6÷1⋅10^-8 за год, в лучшем случае. Достигнутый уровень долговременной стабильности частоты является недостаточным даже для нескольких часов непрерывной работы систем связи с большим объёмом передаваемой информации и для систем с требованиями к минимизации времени периодического сеанса выхода в радиоэфир. ОГ снабжаются электронными узлами коррекции частоты [Альтшуллер, Г.Б. Экономичные миниатюрные кварцевые генераторы / Г.Б. Альтшуллер, Н.Н. Елфимов, В.Г. Шакулин. – Москва : Связь, 1979. – 159 с.]. Известные существующие системы синхронизации должны постоянно корректировать частоту опорных генераторов. При автономной работе радиопередатчика и приёмника, сразу после процедуры синхронизации, частота ОГ изменяется по причине старения кварцевых резонаторов и элементов генераторов, нарушая через небольшой промежуток времени безошибочную передачу информации. Недостатком существующих систем синхронизации (в том числе системы с фазовой автоподстройкой частоты, системы с синхронизацией по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем) является то что, как только процедура синхронизации и коррекции частоты прервана, начинается отклонение частоты ОГ от заданного значения по причине старения кварцевых резонаторов и элементов генераторов со скоростью, не зависимой от способа проведённой процедуры синхронизации.

Известен способ коррекции частоты ОГ (прототип) [Патент № 2669707 С1 Российская Федерация, МПК H03L 7/00 (2006.01), H04L 7/08 (2006.01), G08C 19/26 (2006.01)Способ повышения точности тактовой и цикловой синхронизации в системах связи: заявка 2017137574, заявл. 26.10.2017, опубл. 15.10.2018 / А.В. Косых, В.А. Хазан; заявитель Омский гос. технич. ун-т. – 4 с.], заключающийся в том, что коррекцию частоты ОГ периодически осуществляют с помощью управляющего напряжения, поступающего от микропроцессора и подаваемого на реактивный элемент опорного генератора, значение реактивности которого зависит от этого напряжения. В прототипе с началом очередного цикла повышения точности тактовой и цикловой синхронизации измеряют модуль и определяют знак рассинхронизациипо времени передающих и приемных устройств системы связи. По достижении допустимого значения модуля расстройки по времени определяют время, в течение которого произошла эта расстройка, производят оценку отклонения частоты опорного генератора от номинального значения и, зная зависимость частоты опорного генератора от значения управляющего напряжения, которое воздействует на реактивный элемент управляемого по частоте опорного генератора, с микропроцессора подают такое напряжение, которое обеспечивает генерацию опорным генератором колебания с частотой, наиболее близкой к номинальной частоте, повышая стабильность частоты. После окончания режима коррекции частоты микропроцессор ставит систему тактовой и цикловой синхронизации в начальное положение, после чего начинается следующий цикл работы описанного алгоритма повышения стабильности ОГ.

Недостатком этого метода коррекции частоты ОГ является то, что эта операция коррекции частоты нивелирует только имеющуюся на данный момент времени разность частот между эталонным и подстраиваемым генератором. Что касается процесса дальнейшего изменения частоты опорного генератора из-за старения кварцевого резонатора и элементов генератора, то это явление продолжает влиять на уход частоты колебания, генерируемого ОГ, что снижает долговременную стабильность ОГ и постоянно требует периодической коррекции его частоты по эталонным сигналам через относительно короткие промежутки времени.

Техническая задача данного изобретения - увеличить интервалы времени синхронной работы радиолинии системы связи между процедурами коррекции частоты ОГ от внешних сигналов с эталонной частотой за счет повышения долговременной стабильности частоты ОГ путём коррекции прогнозируемого ухода частоты ОГ от номинального значения по причине старения кварцевого резонатора и элементов генератора с одновременным повышением точности тактовой и цикловой синхронизации приемо-передающих устройств радиолиний и обеспечения в течение длительного времени при работе в автономном режиме (без внешних эталонных сигналов) их минимальной расстройки по частоте.

Задачу повышения стабильности частоты и поддержания тактовой и цикловой синхронизации с длительным хранением достигнутой точности и снижением количества процедур проведения коррекции частоты ОГ с использованием внешних эталонных сигналов возможно решить, производя автономную периодическую коррекцию частоты ОГ передатчиков и приемников с прогнозированием ухода частоты из-за старения кварцевого резонатора и элементов ОГ.

Сущность изобретения сформулировать можно следующим образом. Способ повышения стабильности частоты опорных генераторов в системах связи посредством компенсации отклонения частоты кварцевого генератора, вызванного старением кварцевого резонатора и элементов генератора, включающий периодическую коррекцию частоты опорного генератора с кварцевой стабилизацией по принимаемым информационным или внешним эталонным сигналам, с помощью управляющего напряжения, поступающего от управляющего устройства и подаваемого на вход коррекции частоты опорного генератора, зависимость величины отклонения частоты которого от этого напряжения известна, отличающийся тем, что с началом нового очередного цикла повышения точности по результатам прошедшего i-го цикла и предыдущего цикла (i-1) повышения точности частоты генерируемого опорным генератором колебания по принимаемым информационным или внешним эталонным сигналам фиксируется интервал времени между циклами ∆Т_i=t_i-t_(i-1), фиксируется величина и знак изменения управляющего напряжения ∆U_уi=U_уi-U_у(i-1) или величина и знак изменения кода управляющего напряженияΔС_i= С_yi-С_y(i-1) за счёт изменения которого нивелируется имеющиеся у генерируемого кварцевым генератором колебания величина набега фазы ∆t и отклонение частоты ∆f_i от номинального значения в прошедшем цикле , затем по величинам ∆Т_i, ∆f_i, ∆U_уi (или ΔС_i)определяется прогнозируемая величина интервала времени Δτ_i для осуществления автономной коррекции частоты по формуле Δτ_i = ∆U_МИН·ΔT_i/(U_У(i)-U_У(i-1)), где ∆U_МИН величина шага изменения управляющего напряжения, для поддержания тактовой и цикловой синхронизации в системе связи с допустимым набегом фазы для опорного генератора с известной крутизной управления частотой управляющим напряжением, или по формуле Δτ_i=ΔT_i/(С_i-С_i-1); через определённый таким образом интервал времени периодически автономно корректируется частота генерируемого опорным генератором колебания на величину, обусловленную изменением уровня управляющего напряжения с шагом∆U_МИН или изменением кода С на единицу при условии что управляющее напряжение при этом изменится не более ∆U_МИН в течение следующего цикла компенсации ухода частоты из-за старения кварцевого резонатора и элементов генератора до следующей возможности произвести коррекцию по принимаемым информационным или внешним эталонным сигналам, полученным от источников сигнала точного времени; если (U_У(i)-U_У(i-1)) < ∆U_МИН или (С_У(i)-С_У(i-1)) = 0 то параметры процесса автономной коррекции частоты принимаются следующими: Δτ_i = Δτ_i-1, ∆U_Уi = 0 или С_Уi = C_У(i-1) и управляющее напряжение не меняется до следующей коррекции по принимаемым информационным или внешним эталонным сигналам по которым может осуществляться тактовая и цикловая синхронизация и таким образом, с периодом времениΔτ_iуправляющее напряжение частотой кварцевого опорного генератора изменяют или оставляют с прежним значением, тем самым корректируя прогнозируемый уход частоты опорного генератора от номинального значения по причине старения кварцевого резонатора и элементов генератора и увеличивая интервалы времени коррекции частоты опорного генератора по внешним эталонным сигналам, а накопленные за несколько циклов синхронизации по внешним эталонным сигналам данные ∆Т_i, ∆f_i, ∆U_уi(или ΔС_i) используются для осуществления линейной или полиномиальной экстраполяции с применением калмановской фильтрации данных, прогнозирования нелинейной зависимости ухода частоты со временем из-за старения кварцевого резонатора с элементами генератора и в соответствии с прогнозом производить автономную коррекцию частоты, увеличивая интервалы времени коррекции частоты опорного генератора по внешним эталонным сигналам.

Способ осуществляется следующим образом.

Для сохранения точности синхронизации, достигнутой коррекцией (автоподстройкой) частоты по принимаемым эталонным сигналам, на долгое время требуется автономная коррекция прогнозируемого ухода частоты с помощью изменения управляющего напряжения (тока) с малым шагом, обеспечиваемым квантователем (цифро-аналоговым преобразователем) с большой разрядностью и гарантирующим требуемую точность управления частотой, периодически через автономно отсчитываемые отрезки времени. Отрезки времени отсчитываются благодаря подсчёту импульсов собственных колебаний корректируемого генератора управляющим устройством. Задачу увеличения интервалов времени коррекции частоты ОГ с использованием внешних эталонных сигналов за счет автономной (без использования внешних эталонных сигналов) периодической коррекции прогнозируемого ухода частоты ОГ от номинального значения по причине старения кварцевого резонатора и элементов генератора, можно решить реализовав алгоритм периодической коррекции следующим образом:

1. С началом нового (i+1) очередного цикла повышения точности по результатам прошедшего i-го цикла и предыдущего цикла (i-1) повышения точности частоты генерируемого опорным генератором колебания по принимаемым информационным или внешним эталонным сигналам фиксируется (запоминается) интервал времени между циклами ∆Т_i=t_i-t_(i-1), фиксируется (запоминается) величина и знак изменения управляющего напряжения ∆U_уi=U_уi-U_у(i-1) или величина и знак изменения кода управляющего напряжения ΔС_i= С_yi-С_y(i-1) за счёт изменения которого нивелируются имеющиеся у генерируемого кварцевым генератором колебания величина набега фазы ∆t_i и отклонение частоты ∆f_i от номинального значения в прошедшем цикле. По величинам ∆Т_i, ∆f_i, ∆U_уi(или ΔС_i) определяется прогнозируемая величина интервала времени Δτ_i для осуществления автономной коррекции частоты по формуле

Δτ_i = ∆U_МИН·ΔT_i/(U_У(i)-U_У(i-1)),

где ∆U_МИН величина шага изменения управляющего напряжения (минимальное обеспечиваемое изменение напряжения) для поддержания тактовой и цикловой синхронизации в системе связи с допустимым набегом фазы для опорного генератора с известной крутизной управления частотой управляющим напряжением, или по формуле

Δτ_i = ΔT_i/(С_yi-С_y(i-1)).

В начале каждого последующего цикла повышения точности по принимаемым информационным или внешним эталонным сигналам, фиксируются (запоминаются) величины ∆Т_i, ∆f_i, ∆U_уi(или ΔС_i) и вычисляется длительность интервала времени для автономной коррекции частоты Δτ_i, величина которого применяется, начиная со второго цикла повышения точности.

2. Между подстройками частоты по принимаемым информационным или внешним эталонным сигналам (внутри начавшегося (i+1) цикла), периодически через равные отрезки времени Δτ_i значение управляющего напряжения изменяется в ту или другую сторону (в зависимости от направления ухода частоты колебания опорного генератора или знака разности (С_yi-С_y(i-1)) на величину ∆U_МИН или на величину изменения напряжения от изменения кода цифро-аналогового преобразователя на единицу. При этом если разность (U_У(i)-U_У(i-1)) меньше по модулю величины ∆U_МИН или (С_yi-С_y(i-1)) = 0, то параметры процесса автономной коррекции частоты для (i+1) цикла принимаются следующими: Δτ_i = Δτ_i-1, ∆U_Уi = 0 или С_Уi = C_У(i-1) и управляющее напряжение не меняется до следующей коррекции по принимаемым информационным или внешним эталонным сигналам по которым может осуществляться тактовая и цикловая синхронизация.

3. По накопленным за несколько циклов синхронизации с использованием внешних эталонных сигналов данным (∆Т_i, ∆f_i, ∆U_уi(или ΔС_i), Δτ_i) может осуществляться полиномиальная экстраполяция прогнозирования нелинейной зависимости ухода частоты со временем из-за старения кварцевого резонатора с элементами генератора и в соответствии с прогнозом (экстраполяцией) управление величиной Δτ_i внутри циклов (между сеансами синхронизации по внешним эталонным сигналам) для автономной коррекции частоты, увеличивая интервалы времени коррекции частоты опорного генератора по внешним эталонным сигналам. В частности, полиномиальная экстраполяция процесса отклонения частоты из-за старения кварцевого резонатора и элементов генератора может быть осуществлена при помощи калмановской фильтрации данных.

Техническим результатом предлагаемого способа является повышение долговременной стабильности частоты ОГ с увеличением времени работы радиолинии системы связи в режиме тактовой и цикловой синхронизации между процедурами коррекции частоты ОГ от внешних сигналов с эталонной частотой за счёт проведения процедур автономной коррекции частоты прогнозируемого ухода частоты от номинального значения частоты ОГ из-за процессов старения кварцевого резонатора и элементов генератора.

Изобретение относится к радиосвязи и может быть использовано в системах взаимной синхронизации приемо-передающих устройств радиолиний. Технический результат - повышение точности тактовой и цикловой синхронизации приемо-передающих устройств радиолиний и обеспечение в течение длительного времени при работе в автономном режиме их минимальной расстройки по частоте. Для этого производится периодическая цикловая коррекция частоты опорного генератора посредством измерения отрезка времени, в течение которого происходит максимально допустимый набег разности фаз между колебаниями рабочего опорного генератора и эталонного генератора. В результате оценивается скорость изменения частоты колебания опорного генератора, обусловленная старением кварцевого резонатора и элементов генератора. По разработанному алгоритму формируется управляющее напряжение, которое нивелирует как имеющую место постоянную расстройку частоты колебаний опорного генератора относительно номинального значения, так и пошагово периодически изменяет через определенный интервал времени частоту регулируемого опорного генератора.

Способ повышения стабильности частоты опорных генераторов в системах связи посредством компенсации отклонения частоты кварцевого генератора, вызванного старением кварцевого резонатора и элементов генератора, включающий периодическую коррекцию частоты опорного генератора с кварцевой стабилизацией по принимаемым информационным или внешним эталонным сигналам, с помощью управляющего напряжения, поступающего от управляющего устройства и подаваемого на вход коррекции частоты опорного генератора, зависимость величины отклонения частоты которого от этого напряжения известна, отличающийся тем, что с началом нового очередного цикла повышения точности по результатам прошедшего i-го цикла и предыдущего цикла (i-1) повышения точности частоты генерируемого опорным генератором колебания по принимаемым информационным или внешним эталонным сигналам фиксируется интервал времени между циклами ∆Т_i=t_i-t_(i-1), фиксируется величина и знак изменения управляющего напряжения ∆U_уi=U_уi-U_у(i-1) или величина и знак изменения кода управляющего напряжения ∆С_i= С_yi-С_y(i-1), за счёт изменения которого нивелируются имеющиеся у генерируемого кварцевым генератором колебания величина набега фазы ∆t и отклонение частоты ∆f_i от номинального значения в прошедшем цикле, затем по величинам ∆Т_i, ∆f_i, ∆U_уi (или ∆С_i) определяется прогнозируемая величина интервала времени ∆ для осуществления автономной коррекции частоты по формуле ∆ = ∆U_МИН·∆T_i/(U_У(i)-U_У(i-1)), где ∆U_МИН - величина шага изменения управляющего напряжения, для поддержания тактовой и цикловой синхронизации в системе связи с допустимым набегом фазы для опорного генератора с известной крутизной управления частотой управляющим напряжением, или по формуле ∆=∆T_i/(С_i-С_i-1); через определённый таким образом интервал времени периодически автономно корректируется частота генерируемого опорным генератором колебания на величину, обусловленную изменением уровня управляющего напряжения с шагом ∆U_МИН или изменением кода С на единицу при условии, что управляющее напряжение при этом изменится не более ∆U_МИН в течение следующего цикла компенсации ухода частоты из-за старения кварцевого резонатора и элементов генератора до следующей возможности произвести коррекцию по принимаемым информационным или внешним эталонным сигналам, полученным от источников сигнала точного времени; если (U_У(i)-U_У(i-1)) < ∆U_МИН или (С_У(i)-С_У(i-1)) = 0, то параметры процесса автономной коррекции частоты принимаются следующими: ∆ = ∆, ∆U_Уi = 0 или С_Уi = C_У(i-1), и управляющее напряжение не меняется до следующей коррекции по принимаемым информационным или внешним эталонным сигналам, по которым может осуществляться тактовая и цикловая синхронизация, и, таким образом, с периодом времени ∆ управляющее напряжение частотой кварцевого опорного генератора изменяют или оставляют с прежним значением, тем самым корректируя прогнозируемый уход частоты опорного генератора от номинального значения по причине старения кварцевого резонатора и элементов генератора и увеличивая интервалы времени коррекции частоты опорного генератора по внешним эталонным сигналам, а накопленные за несколько циклов синхронизации по внешним эталонным сигналам данные ∆Т_i, ∆f_i, ∆U_уi (или ∆С_i) используются для осуществления линейной или полиномиальной экстраполяции с применением калмановской фильтрации данных, прогнозирования нелинейной зависимости ухода частоты со временем из-за старения кварцевого резонатора с элементами генератора и в соответствии с прогнозом производят автономную коррекцию частоты, увеличивая интервалы времени коррекции частоты опорного генератора по внешним эталонным сигналам.