时频基准信号快速生成方法、装置、设备和存储介质与流程

1.本技术涉及信号处理技术领域，特别是涉及一种时频基准信号快速生成方法、装置、设备和存储介质。


背景技术：

2.随着信号处理技术的发展，时频保障设备在实际使用过程中，需要以最快的速度进入正常工作状态，为时频设备提供时频基准信号。恒温晶振锁定时间短(5分钟以内)，但长期稳定度差，铷原子钟频率准确度高且长期稳定度好，但进入稳态工作时间较长(20分钟以上)。现有提高晶振长期稳定度的常用方法是采用gnss(global navigation satellite system，全球卫星导航系统)定时信号1pps(1pulse per second，秒脉冲)。gnss定时信号具有高准确度、高稳定度、低漂移的特点，利用该定时信号可以解决晶振老化引起的准确度下降和长期稳定性能差的问题。
3.然而，通过gnss定时信号校准恒温晶振的输出频率，在接收不到卫星信号或者卫星信号受到干扰的情况下，不能稳定输出准确的频率信号，因此，提供一种适用于没有卫星信号情况下的时频保障设备具有重要意义，而目前的时频保障设备中，单一使用恒温晶振，提供的频率信号长期稳定度差，不能满足时频保备对频率长稳的要求，单一使用铷原子钟，则需要较长时间才能进入稳态工作，不能满足时频设备对进入正常工作所需时间的要求(一般要求小于5分钟)。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种时频基准信号快速生成方法、装置、计算机设备和存储介质。
5.一种时频基准信号快速生成方法，所述方法包括：
6.获取恒温晶振稳定工作后输出的第一频率信号，对所述第一频率信号进行区分放大，得到第一区放信号和第二区放信号，输出第二区放信号作为时频基准信号；
7.当铷原子钟进入稳态工作后，获取铷原子钟输出的第二频率信号，根据所述第二频率信号，采用频差倍增法测量所述第一区放信号的频率准确度；
8.将所述频率准确度输入至微处理器中进行卡尔曼滤波算法迭代，输出相位微跃控制量；
9.根据所述相位微跃控制量校准所述第二区放信号，得到校准后第二区放信号，以对时频设备进行频率校准。
10.在其中一个实施例中，还包括：对所述第一频率信号的第一区放信号进行多次倍频和混频，得到频率扩大信号，在每次混频时，将混频后的所述第二频率信号加入混频器；将混频后的所述第二频率信号和所述频率扩大信号混频，得到混频信号；通过计数器对所述混频信号测频，得到频率准确度。
11.在其中一个实施例中，还包括：获取状态方程和预先构建的线性连接矩阵，根据所
述状态方程、所述线性连接矩阵以及预先设置的零均值的白噪声，得到测量矩阵；根据相位差、频率准确度和频率漂移率，构建卡尔曼滤波算法的状态方程；根据所述状态方程和测量矩阵进行卡尔曼滤波算法迭代，得到相位微跃控制量。
12.在其中一个实施例中，所述状态方程表示为：
[0013][0014]
其中，是系统状态转移矩阵，设定相位差为x1，频率准确度为x2，频率漂移率为x3的卡尔曼过程噪声，t表示观测时刻，τ表示观测时间间隔，δx表示观测误差。
[0015]
在其中一个实施例中，还包括：所述第一频率信号和所述第二频率信号的频率为10mhz。
[0016]
一种时频基准信号快速生成装置，所述装置包括：恒温晶振模块、铷原子钟模块、区分放大模块、频差倍增频率比对器、微处理器和相位微跃模块；
[0017]
恒温晶振与区分放大模块连接，铷原子钟与频差倍增频率比对器连接，区分放大模块分别与频差倍增频率比对器和相位微跃模块连接，频差倍增频率比对器与微处理器连接，微处理器与相位微跃模块连接，相位微跃模块与时频设备连接；
[0018]
恒温晶振稳定工作后输出第一频率信号至区分放大模块；区分放大模块将第一频率信号进行区分放大，输出第一区放信号和第二区放信号，在铷原子钟进入稳态工作前，区分放大模块输出第二区放信号至相位微跃模块，经相位微跃模块输出所述第二区放信号作为时频基准信号；铷原子钟进入稳态工作后输出第二频率信号至频差倍增频率比对器；频差倍增频率比对器接收第一区放信号和第二频率信号，输出频率准确度；微处理器用于根据频率准确度，通过卡尔曼滤波迭代输出相位微跃控制量；相位微跃模块用于根据相位微跃控制量校准第二区放信号，输出校准后的时频基准信号。
[0019]
在其中一个实施例中，还包括：对所述第一频率信号的第一区放信号进行多次倍频和混频，得到频率扩大信号，在每次混频时，将混频后的所述第二频率信号加入混频器；将混频后的所述第二频率信号和所述频率扩大信号混频，得到混频信号；通过计数器对所述混频信号测频，得到频率准确度。
[0020]
在其中一个实施例中，还包括：所述第一频率信号和所述第二频率信号的频率为10mhz。
[0021]
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
[0022]
获取恒温晶振稳定工作后输出的第一频率信号，对所述第一频率信号进行区分放大，得到第一区放信号和第二区放信号，输出第二区放信号作为时频基准信号；
[0023]
当铷原子钟进入稳态工作后，获取铷原子钟输出的第二频率信号，根据所述第二频率信号，采用频差倍增法测量所述第一区放信号的频率准确度；
[0024]
将所述频率准确度输入至微处理器中进行卡尔曼滤波算法迭代，输出相位微跃控制量；
[0025]
根据所述相位微跃控制量校准所述第二区放信号，输出校准后的时频基准信号。
[0026]
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
[0027]
获取恒温晶振稳定工作后输出的第一频率信号，对所述第一频率信号进行区分放大，得到第一区放信号和第二区放信号，输出所述第二区放信号作为时频基准信号；
[0028]
当铷原子钟进入稳态工作后，获取铷原子钟输出的第二频率信号，根据所述第二频率信号，采用频差倍增法测量所述第一区放信号的频率准确度；
[0029]
将所述频率准确度输入至微处理器中进行卡尔曼滤波算法迭代，输出相位微跃控制量；
[0030]
根据所述相位微跃控制量校准所述第二区放信号，输出校准后的时频基准信号。
[0031]
上述时频基准信号快速生成方法、装置、计算机设备和存储介质，在铷原子钟进入稳态工作前，通过恒温晶振输出第一频率信号，经区分放大得到第一区放信号和第二区放信号，就可以在短时间内输出第二区放信号对时频设备进行频率校准，且输出信号短期稳定性好，当铷原子钟进入稳态工作后，以铷原子钟输出的第二频率信号为参考源通过频差倍增法快速测量第一区放信号的频率准确度，可以大幅缩短频率准确度的计算时间，将频率准确度输入微处理器，得到相位微跃控制量，根据相位微跃控制量实现对第二区放信号的校准，使得新的输出信号长期稳定性好。本发明实施例，可以用于接收不到北斗信号或北斗信号受到干扰的情况，能够生成满足时频设备准备时间短、输出频率信号既准又稳的特殊需求，同时使时频保障设备兼具短期稳定度和长期稳定度的优点。
附图说明
[0032]
图1为一个实施例中时频基准信号快速生成方法的流程示意图；
[0033]
图2为一个实施例中频差倍增频率比对器的结构示意图；
[0034]
图3为另一个实施例中卡尔曼滤波算法的流程示意图；
[0035]
图4为一个实施例中时频基准信号快速生成装置的结构框图；
[0036]
图5为一个实施例中计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
[0037]
为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
[0038]
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种时频基准信号快速生成方法，包括以下步骤：
[0039]
步骤102，获取恒温晶振稳定工作后输出的第一频率信号，对第一频率信号进行区分放大，得到第一区放信号和第二区放信号，输出第二区放信号作为时频基准信号。
[0040]
恒温晶振进入稳态工作时间短、短期稳定度好，可以满足时频保障设备进入正常工作状态时间短、短期稳定度高的使用要求。区分放大的主要作用是缓冲、增加10mhz频率信号的驱动能力，将信号由1路区放为2路。
[0041]
步骤104，当铷原子钟进入稳态工作后，获取铷原子钟输出的第二频率信号，根据
第二频率信号，采用频差倍增法测量第一区放信号的频率准确度。
[0042]
铷原子钟频率准确度高、长期稳定好，以铷原子钟为参考源对恒温晶振的频率信号进行校准，且在铷原子钟进入稳态工作前，依靠恒温晶振输出第二区放信号对时频设备进行频率校准，就可以使时频保障设备达到进入正常工作状态时间短、频率准确度高、长期稳定度和短期稳定度均较高的使用要求，提升时频设备的整体性能，缩短准备时间，增强设备使用保障性。且不以卫星信号为参考源，就可以使得时频保障设备在无卫星信号或者卫星信号受到干扰时，仍能稳定工作，为时频设备提供保障。
[0043]
步骤106，将频率准确度输入至微处理器中进行卡尔曼滤波算法迭代，输出相位微跃控制量。
[0044]
相位微跃控制量指的是对第二区放信号频率准确度的调整量。通过计算相位微跃控制量，就可以对第一频率信号进行校准。
[0045]
步骤108，根据相位微跃控制量校准第二区放信号，输出校准后的时频基准信号。
[0046]
采用相位微跃技术，能够提升短期稳定性及相噪性能指标，通过频率微调或相位微调实现原子时驾驭功能，从而大幅提高恒温晶振频率的校准准确度，减小输出频率的相位抖动。
[0047]
上述时频基准信号快速生成方法中，在铷原子钟进入稳态工作前，通过恒温晶振输出第一频率信号，经区分放大得到第一区放信号和第二区放信号，就可以在短时间内输出第二区放信号对时频设备进行频率校准，且输出信号短期稳定性好，当铷原子钟进入稳态工作后，以铷原子钟输出的第二频率信号为参考源通过频差倍增法快速测量第一区放信号的频率准确度，可以大幅缩短频率准确度的计算时间，将频率准确度输入微处理器，得到相位微跃控制量，根据相位微跃控制量实现对第二区放信号的校准，使得新的输出信号长期稳定性好。本发明实施例，可以用于接收不到北斗信号或北斗信号受到干扰的情况，能够生成满足时频设备准备时间短、输出频率信号既准又稳的特殊需求，同时使时频保障设备兼具短期稳定度和长期稳定度的优点。
[0048]
在其中一个实施例中，如图2所示，提供了一种频差倍增频率比对器的结构示意图，根据第二频率信号，采用频差倍增法测量第一区放信号的频率准确度的步骤包括：对第一区放信号进行多次倍频和混频，得到频率扩大信号，在每次混频时，将混频后的第二频率信号加入混频器；将混频后的第二频率信号和频率扩大信号混频，得到混频信号；通过计数器对混频信号测频，得到频率准确度。
[0049]
在本实施例中，参考源为铷原子钟进入稳态工作后输出的第二频率信号，被测源为恒温晶振稳定工作后输出第一频率信号的第二区放信号，图2中，f0表示第二频率信号的频率，f
x
表示第二区放信号的频率，f
x
＝f0+δf,δf表示频率准确度，在卡尔曼滤波算法中用x2表示。具体地，m＝10，n＝4。通过频差倍增频率比对器可以直接测量频率准确度，不需要对时差信息进行数据采集和计算，大大减少数据测量和数据计算的时间，可在10s内得到计算结果。
[0050]
在其中一个实施例中，如图3所示，提供了一种卡尔曼滤波算法的流程示意图，将频率准确度输入至微处理器中进行卡尔曼滤波算法迭代，输出相位微跃控制量包括：获取状态方程和预先构建的线性连接矩阵，根据状态方程、线性连接矩阵以及预先设置的零均值的白噪声，得到测量矩阵；根据相位差、频率准确度和频率漂移率，构建卡尔曼滤波算法
的状态方程；根据状态方程和测量矩阵进行卡尔曼滤波算法迭代，得到相位微跃控制量。
[0051]
在本实施例中，kalman滤波器的系统状态方程描述如下：
[0052]
x(k)＝a*x(k-1)+b*u(k)+w(k)其中，x为系统状态，a和b为状态转移矩阵，k为时间系数，u为系统的已知输入，w为过程噪声向量。
[0053]
z(k)＝h*x(k)+v(k)
[0054]
其中，z是系统测试值，v是测量噪声，h是线性连接矩阵；
[0055]
振荡器的相位输出模型为：
[0056][0057]
其中，a是初始相位，b是频率偏差，c是频率漂移，δξ1(t)是原子钟的相位噪声，δξ2(t)是测量噪声，在此相位模型下有三个状态参数，分别是相位差、频率准确度以及频率漂移率，包括这三个参数的kalman滤波器的状态方程如下：
[0058]
x(k)＝[x1(k),x2(k),x3(k)]
t
[0059]
其中x1是相位差，x2是频率准确度，x3是频率漂移率，方程的输入量是恒温晶振与铷原子钟的频率差，即频率准确度，故测量矩阵如下：
[0060]
z(k)＝x1(k)+n0(t)
[0061]
此处线性连接矩阵h＝[1 0 0]，n0(t)是零均值的白噪声，其协方差为
[0062]
q0＝σ
02
。
[0063]
如图3所示，一个完整的kalman(卡尔曼)滤波周期主要包括以下步骤：
[0064]
s10：输入初始参数。其中，x(0|0)为初始系统状态值、p是系统状态x对应的协方差，p(0|0)为初始协方差。
[0065]
s20：计算卡尔曼增益，计算公式为
[0066][0067]
其中，r为测量噪声的协方差，h
t
为线性连接矩阵的转置。
[0068]
s30：更新系统状态估计值，计算公式如下：
[0069]
x(k|k)＝x(k|k-1)+kg(k)*[(z(k)-h*x(k|k-1)]
[0070]
s40：计算误差协方差，计算公式为
[0071]
p(k|k)＝(i-kg(k)*h)*p(k|k-1)
[0072]
其中，i为单位矩阵。
[0073]
s50：计算系统目标，即相位微跃计控制量，计算公式如下：
[0074]
x(k+1|k)＝a*x(k|k)+b*u(k+1)
[0075]
p(k+1|k)＝a*p(k|k)*a
t
+q
[0076]
其中，x(k+1|k)为系统目标，即相位微跃计控制量，p(k+1|k)为正定矩阵，a
t
为状态转移矩阵的转置，q为状态转移协方差矩阵。
[0077]
在其中一个实施例中，状态方程表示为：
[0078][0079]
其中，是系统状态转移矩阵，设定相位差为x1，频率准确度为x2，频率漂移率为x3的卡尔曼过程噪声，t表示观测时刻，τ表示观测时间间隔，δx表示观测误差。
[0080]
在本实施例中，频率准确度通过频差倍增频率比对器测量得到，kalman过程噪声的协方差矩阵表示为：
[0081][0082]
其中，q1＝σ
12
是相位白噪声的方差，q2＝σ
22
是频率白噪声的方差，q3＝σ
32
是频率游走噪声的方差，fh为噪声的有效带宽，h2为相位白噪声，h0为频率白噪声，h-2
为频率随机游走噪声。
[0083]
在其中一个实施例中，还包括第一频率信号和第二频率信号的频率为10mhz。
[0084]
具体地，如图4所示的时频基准信号快速生成装置结构框图，第一频率信号经区分放大后得到的第一区放信号和第二区放信号的频率不变，输出至时频设备的时频基准信号的频率也为10mhz。
[0085]
应该理解的是，虽然图1-5的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1-5中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
[0086]
在一个实施例中，如图4所示，提供了一种时频基准信号快速生成装置，包括：恒温晶振模块、铷原子钟模块、区分放大模块、频差倍增频率比对器、微处理器和相位微跃模块；
[0087]
恒温晶振与区分放大模块连接，铷原子钟与频差倍增频率比对器连接，区分放大模块分别与频差倍增频率比对器和相位微跃模块连接，频差倍增频率比对器与微处理器连接，微处理器与相位微跃模块连接，相位微跃模块与时频设备连接；
[0088]
恒温晶振稳定工作后输出第一频率信号至区分放大模块；区分放大模块将第一频率信号进行区分放大，输出第一区放信号和第二区放信号，在铷原子钟进入稳态工作前，区分放大模块输出第二区放信号至相位微跃模块，经相位微跃模块输出第二区放信号作为时
频基准信号；铷原子钟进入稳态工作后输出第二频率信号至频差倍增频率比对器；频差倍增频率比对器接收第一区放信号和第二频率信号，输出频率准确度；微处理器用于根据频率准确度，通过卡尔曼滤波迭代输出相位微跃控制量；相位微跃模块用于根据相位微跃控制量校准第二区放信号，输出校准后的时频基准信号。
[0089]
在其中一个实施例中，频差倍增频率比对器还用于：对第一区放信号进行多次倍频和混频，得到频率扩大信号，在每次混频时，将混频后的第二频率信号加入混频器；将混频后的第二频率信号和频率扩大信号混频，得到混频信号；通过计数器对混频信号测频，得到频率准确度。
[0090]
在其中一个实施例中，还用于第一频率信号和第二频率信号的频率为10mhz。
[0091]
在其中一个实施例中，微处理器还用于获取状态方程和预先构建的线性连接矩阵；根据状态方程、线性连接矩阵以及预先设置的零均值的白噪声，得到测量矩阵；根据相位差、频率准确度和频率漂移率，构建卡尔曼滤波算法的状态方程；根据状态方程和测量矩阵进行卡尔曼滤波算法迭代，得到相位微跃控制量。
[0092]
在其中一个实施例中，微处理器还用于状态方程表示为：
[0093][0094]
其中，是系统状态转移矩阵，设定相位差为x1，频率准确度为x2，频率漂移率为x3的卡尔曼过程噪声，t表示观测时刻，τ表示观测时间间隔，δx表示观测误差。
[0095]
关于时频基准信号快速生成装置的具体限定可以参见上文中对于时频基准信号快速生成方法的限定，在此不再赘述。上述时频基准信号快速生成装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
[0096]
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是终端，其内部结构图可以如图5所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种时频基准信号快速生成方法。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
[0097]
本领域技术人员可以理解，图5中示出的结构，仅仅是与本技术方案相关的部分结构的框图，并不构成对本技术方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
[0098]
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，该存储器存储有
计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述实施例中方法的步骤。
[0099]
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中方法的步骤。
[0100]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本技术所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(rom)、可编程rom(prom)、电可编程rom(eprom)、电可擦除可编程rom(eeprom)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(ram)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，ram以多种形式可得，诸如静态ram(sram)、动态ram(dram)、同步dram(sdram)、双数据率sdram(ddrsdram)、增强型sdram(esdram)、同步链路(synchlink)dram(sldram)、存储器总线(rambus)直接ram(rdram)、直接存储器总线动态ram(drdram)、以及存储器总线动态ram(rdram)等。
[0101]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0102]
以上实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。