一种基于DDS的输出频率调整方法和守时系统

申请号 CN202311443974.2 申请日 2023-11-01 公开(公告)号 CN117472144A 公开(公告)日 2024-01-30
申请人 北京无线电计量测试研究所; 发明人 晏攀; 李世光; 陈治高; 吴东雪; 罗毕锟; 王鑫;
摘要 本 申请 公开了一种基于DDS的输出 频率 调整方法,用于守时系统,所述守时系统包含 原子 钟和基于DDS的 相位 微跃计,通过DDS原子钟输出频率进行调整,包括以下步骤:比较原子钟输出 信号 和标准时间信号,确定需调整的频偏值;确定与目标频偏值对应的控制字,通过控制字按照时序调整DDS输出频率;所述控制字有多级,前一级控制字按照时序每工作n个周期,后一级控制字工作1个周期。本申请还包含用于实现所述方法的守时系统。本申请的技术方案克服了频率调整量在非零状态下,传统的DDS出现的频率跳变的问题,提高了DDS频率调整 精度 。
权利要求

1.一种基于DDS的输出频率调整方法,其特征在于,用于守时系统,所述守时系统包含原子钟和基于DDS的相位微跃计,通过DDS对原子钟输出频率进行调整,包括以下步骤:
比较原子钟输出信号和标准时间信号,确定需调整的频偏值;
确定与目标频偏值对应的控制字,通过控制字按照时序调整DDS输出频率;所述控制字有多级,前一级控制字按照时序每工作n个周期,后一级控制字工作1个周期。
2.如权利要求1所述基于DDS的输出频率调整方法,其特征在于,确定与目标频偏值对应的控制字的步骤具体包括:
根据目标频偏值和每一位控制字对应的频率变化,计算各个控制字的值。
3.如权利要求1所述基于DDS的输出频率调整方法,其特征在于,确定与目标频偏值对应的控制字的步骤具体包括:
预设两级控制字,对DDS输出频率进行加抖;
确定与所述需调整的频偏值对应的控制字,再根据预设的控制字和所述需调整的频偏值对应的控制字之间的差异,确定与目标频偏值对应的控制字。
4.如权利要求1所述基于DDS的输出频率调整方法,其特征在于,在确定需要调整的频偏值的步骤之后,还包含以下步骤:
预设两级控制字,对DDS输出频率进行加抖;
根据加抖的频偏值和需调整的频偏值确定目标频偏值。
5.如权利要求3或4所述基于DDS的输出频率调整方法,其特征在于,所述预设的两级控制字的中心值相差大于设定阈值
6.如权利要求3或4所述基于DDS的输出频率调整方法,其特征在于,所述DDS输出经过环路滤波器处理,滤除输出信号的至少一部分频率高的成分。
7.如权利要求1~4任意一项所述基于DDS的输出频率调整方法,其特征在于,所述多级为4级。
8.一种基于DDS的输出频率调整的守时系统,用于实现权利要求1~7任意一项所述方法,其特征在于,包括原子钟、比较器、基于DDS的相位微跃计、处理器;
所述比较器,用于比较标准时间信号和原子钟输出信号,确定需调整的频偏值;
所述相位微跃器,用于调整原子钟输出信号的频率和/或相位;
所述处理器,用于确定与目标频偏值对应的控制字,再将所述控制字经过FPGA以固定时序配置给DDS,调整所述相位微跃计输出。
9.如权利要求8所述基于DDS的输出频率调整的守时系统,其特征在于,还包含:
环路滤波器处理,用于滤除DDS输出信号的至少一部分频率高的成分。
10.如权利要求8所述基于DDS的输出频率调整的守时系统,其特征在于,还包含:
计数器,用于对控制字工作时序的周期进行计数;
所述FPGA,用于配置DDS控制字,具体为:
从第一控制字开始,前一级控制字按照时序每工作n个周期,后一级控制字工作1个周期,然后回归到第一级控制字,重复上述过程,直到遍历全部控制字。

说明书全文

一种基于DDS的输出频率调整方法和守时系统

技术领域

[0001] 本申请涉及时间频率技术领域,尤其涉及一种基于DDS的输出频率调整方法和守时系统。

背景技术

[0002] 目前,基于直接数字频率合成(DDS)的相位微跃计运用在守时系统技术领域,其精密、稳定的调整技术是守时系统的关键技术,不仅给民用领域带来极大便利,还给军用领域带来精确的时间。本文的设备被用于对守时原子钟频率与相位的精密、稳定微调,以抵消原子钟因环境变化,器件老化等因素,造成的钟漂与钟差。然而,基于DDS相位微跃器的传统方法,在经过频率调整时会有幅度跳跃现象,并且跟着的频率调整量成正比关系。这种跳跃的现象,不仅在原子钟连续稳定运行的情况下,会影响频率和相位的精密微调。还会使相位微跃计无法降低输出频率的相噪。发明内容
[0003] 本申请提出一种基于DDS的输出频率调整方法和守时系统,本申请的方法和装置提高基于DDS的调整精度与频率稳定度,不仅用于改进DDS的调整精度,还很大程度上克服了频率调整量在非零状态下,传统的DDS出现的频率跳变的问题。
[0004] 一方面,本申请实施例提出一种基于DDS的输出频率调整方法,用于守时系统,所述守时系统包含原子钟和基于DDS的相位微跃计,通过DDS对原子钟输出频率进行调整,包括以下步骤:
[0005] 比较原子钟输出信号和标准时间信号,确定需调整的频偏值;
[0006] 确定与目标频偏值对应的控制字,通过控制字按照时序调整DDS输出频率;所述控制字有多级,前一级控制字按照时序每工作n个周期,后一级控制字工作1个周期。
[0007] 在本申请的一个实施例中,确定与目标频偏值对应的控制字的步骤具体包括:根据目标频偏值和每一位控制字对应的频率变化,计算各个控制字的值。
[0008] 在本申请的一个实施例中,在确定需要调整的频偏值的步骤之后,还包含以下步骤:
[0009] 预设两级控制字,对DDS输出频率进行加抖;
[0010] 根据加抖的频偏值和需调整的频偏值确定目标频偏值。
[0011] 在本申请的一个实施例中,确定与目标频偏值对应的控制字的步骤具体包括:预设两级控制字,对DDS输出频率进行加抖;确定与所述需调整的频偏值对应的控制字,再根据预设的控制字和所述需调整的频偏值对应的控制字之间的差异,确定与目标频偏值对应的控制字。
[0012] 在本申请的一个实施例中,所述预设的两级控制字的中心值相差大于设定阈值
[0013] 在本申请的一个实施例中,所述DDS输出经过环路滤波器处理,滤除输出信号的至少一部分频率高的成分。
[0014] 在本申请的一个实施例中,所述多级为4级。
[0015] 另一方面,本申请实施例还提出一种基于DDS的输出频率调整的守时系统,用于实现本申请任意一项实施例所述方法,所述装置包括原子钟、比较器、基于DDS的相位微跃计、处理器;
[0016] 所述比较器,用于比较标准时间信号和原子钟输出信号,确定需调整的频偏值;
[0017] 所述相位微跃器,用于调整原子钟输出信号的频率和/或相位;
[0018] 所述处理器,用于确定与目标频偏值对应的控制字,再将所述控制字经过FPGA以固定时序配置给DDS,调整所述相位微跃计输出。
[0019] 在本申请的一个实施例中,还包含:环路滤波器处理,用于滤除DDS输出信号的至少一部分频率高的成分。
[0020] 在本申请的一个实施例中,还包含:计数器,用于对控制字工作时序的周期进行计数。
[0021] 在本申请的一个实施例中,所述FPGA,用于配置DDS控制字,具体为:从第一控制字开始,前一级控制字按照时序每工作n个周期,后一级控制字工作1个周期,然后回归到第一级控制字,重复上述过程,直到遍历全部控制字。
[0022] 本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果:
[0023] 本申请发明在算法(增加高频抖动,与频率的快速切换)与设计(增加外部相环)上进行了改进与优化。实现了频率调整量在非零状态下,极大的改善了传统DDS出现频率跳变问题,使得相位微跃计降低输出频率的相噪,并在调整过程中提高了调整精度。
[0024] 本申请的方案人为注入的高频抖动改善传统方法出现的频率跳变,降低相位微跃计的输出频率的相噪。在本申请的最佳实施例中,采用4级控制字A、B、C、D按照固定时序的切换使得调整精度逐渐递进,提高相位调整精度。计算频率控制字带来的频率与相位变化,本发明设置四个频率控制字可以达到6.77E‑21量级。附图说明
[0025] 此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解,构成本申请的一部分,本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请,并不构成对本申请的不当限定。在附图中:
[0026] 图1为本申请方法应用场景的系统示意图;
[0027] 图2为本申请基于DDS的输出频率调整方法的实施例流程图
[0028] 图3为本申请的DDS控制字更新流程示意图;
[0029] 图4为传统DDS设置频偏输出1E‑12的频差时变曲线;
[0030] 图5为算法改进后频偏输出1E‑12的频差时变曲线;
[0031] 图6为传统DDS设置频偏输出1E‑13的频差时变曲线;
[0032] 图7为算法改进后频偏输出1E‑13的频差时变曲线;
[0033] 图8为传统DDS设置频偏输出3E‑12的频差时变曲线;
[0034] 图9为算法改进后频偏输出3E‑12的频差时变曲线。

具体实施方式

[0035] 为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例仅是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
[0036] 以下结合附图,详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
[0037] 图1为本申请方法应用场景的系统示意图。通过原子钟与BIRM时间公报(Circular T)的偏差值做参考,确定相位微跃计的频率与相位调整量,从而调整原子钟的输出频率,保证其与世界时的精准同步。
[0038] 本申请实施例提出一种基于DDS的输出频率调整的守时系统,用于实现本申请任意一项实施例所述方法,所述装置包括原子钟110、比较器(图中未示出)、基于DDS的相位微跃计120、处理器(图中未示出)。
[0039] 所述比较器,用于比较标准时间信号和原子钟输出信号,确定需调整的频偏值;所述标准时间信号,例如可以来源于BIRM时间公报的信号源130。
[0040] 所述相位微跃器,用于调整原子钟输出信号的频率和/或相位。
[0041] 所述处理器,用于确定与目标频偏值对应的控制字,再将所述控制字经过FPGA以固定时序配置给DDS,调整所述相位微跃计输出。例如,提高基于DDS相位微跃计的调整精度和频率稳定度的算法。单片机负责计算控制字的调整量,再将信息经过FPGA以固定时序配给DDS,使得DDS的输出频率经过低通滤波器时,会将较高的频率滤掉,实现降低相位微跃计的输出相噪和提高调整精度,
[0042] 在本申请的一个实施例中,还包含:环路滤波器处理,用于滤除DDS输出信号的至少一部分频率高的成分。
[0043] 在本申请的一个实施例中,还包含:计数器,用于对控制字工作时序的周期进行计数。
[0044] 在本申请的一个实施例中,所述FPGA,用于配置DDS控制字,具体为:每一次的频率调整从第一控制字开始,前一级控制字按照时序每工作n个周期(或者n‑1个周期),后一级控制字工作1个周期,然后回归到第一级控制字,重复上述过程,直到遍历全部控制字。
[0045] 例如,一次频率的调整是由A、B、C、D按照固定时序切换后综合得到的。F1频率对应的控制字A的写入,F2的频率对应控制字B、C和D按照时序固定切换,目的:提高调整精度。
[0046] 设置A、B控制字的中心值差距较大的目的是使F1与F2来回跳跃的切换会经过综合后输出高低抖动的信号,该抖动中的部分分量超出环路滤波器带宽而被滤除。
[0047] 调整一个频率控制字带来的相位变化,通过判断相位是否超前或者滞后,由于是控制字是快速切换,所以改变相位控制字时,改变的是DDS的相位累加器的变化速率,达到调整相位 的目的。例如,调整一个频率 控制字 带来的相位 的变化为 :(本实例N为频率寄存器的位宽:48位,相位变化位
9.095飞秒),即需要调整的相位量位ph,对应相位累加寄存器的值位: 即可以根据调整频率控制字得到相位的调整。
[0048] 图2为本申请基于DDS的输出频率调整方法的实施例流程图。本申请实施例提出一种基于DDS的输出频率调整方法,用于守时系统,所述守时系统包含原子钟和基于DDS的相位微跃计,通过DDS对原子钟输出频率进行调整,本申请下述实施例涉及的具体方法如下:计算频率控制字带来的频率与相位的变化,获取频率与相位的调整量,计算频率控制字,高频快速切换,滤波处理。具体包括以下步骤:
[0049] 步骤210、比较原子钟输出信号和标准时间信号,确定需调整的频偏值;
[0050] 获取频率与相位调整量:根据原子钟的输出频率与国际计量局进行对比,获取相位微跃计的频率与相位调整量,即为需要调整的频偏值,设为x。
[0051] 优选地,还包含以下步骤220:
[0052] 步骤220、预设两级控制字,对DDS输出频率进行加抖;
[0053] 根据加抖的频偏值和需调整的频偏值确定目标频偏值。在本申请的一个实施例中,所述预设的两级控制字的中心值或对应的频偏值相差大于设定阈值,例如对应的频率值相差0X 4 0000 0000(16位二进制数,即10MHz)。所述加抖是指输出频率在其叠加的正频偏和负频偏之间跳变。
[0054] 步骤230、确定与目标频偏值对应的控制字,通过控制字按照时序调整DDS输出频率;所述控制字有多级。
[0055] 本申请的多级控制字用来调整频偏的过程为:每一次的频率调整从第一控制字开始,前一级控制字按照时序每工作n个周期(或者n‑1个周期),后一级控制字工作1个周期,然后回归到第一级控制字,重复上述过程,直到遍历全部控制字。优选地,所述多级为4级。
[0056] 在本申请的一个实施例中,确定与目标频偏值对应的控制字的步骤具体包括:根据目标频偏值和每一位控制字对应的频率变化,计算各个控制字的值。
[0057] 说明的是,当本实施例不包含步骤220时,所述的目标频偏值即为步骤210的“需调整的频偏值”。
[0058] 例如,本实施例不包含步骤220时候,计算各个控制字的过程为:
[0059] 根据输入频率f入,输出频率为f出,通过单片机计算四个不同控制字调整一位带来的变化。如下所示:设置各级控制字的频率调整量关系为A:B=B:C=C:D=n‑1,N为频率控N制寄存器的位宽(其中,可以取n=2 ,或者n取其他数值,这里不作限定)。以FPGA计数DDS的cnt/2个更新时钟为一个周期。即本发明的DDS芯片原理可知:系统时钟每计数cnt个可以是频率控制字的切换最小执行周期。
[0060] A、B、C和D构成的多级控制字,按照本申请的调整频偏的过程,有:
[0061] 调整每一位A的控制字频率变化(FREQA)为:(n‑1)/(2N/f入/f出)/n。
[0062] 调整每一位B的控制字频率变化(FREQB)为:1/(2N/f入/f出)/n。
[0063] 调整每一位C的控制字频率变化(FREQC)为:1/(2N/f入/f出)/n/n。
[0064] 调整每一位D的控制字频率变化(FREQD)为:1/(2N/f入/f出)/n/n/n。
[0065] 调整一个频率控制字带来的相位变化:cnt/2N*(1s/FREQ)。1s为1秒。
[0066] 即可以经过单片机计算得出A、B、C、D控制字的调整量为:
[0067] 计算控制字A的调整量:DA=x/FREQA(取整)
[0068] 计算控制字B的调整量:DB=(x‑DA*FREQA)/FREQB(取整,假设x‑DA*FREQA=ΔDA,A调整量之后的残余频偏)。
[0069] 计算控制字C的调整量:DC=[ΔDA‑(DB*FREQB)]/FREQC(取整,ΔDA‑(DB*FREQB)=ΔDB,B调整之后的残余频偏)。
[0070] 计算控制字D的调整量:DD=[ΔDB‑(DC*FREQC)]/FREQD(取整,ΔDB‑(DC*FREQC)为C调整之后的残余频偏,记为Δ4,)。在本发明中系统频率为40M,输出频率为10M,该Δ4偏差N可以达到6.77E‑21量级的调整精度((1/2)*(f入/f出)/n/n/n)。
[0071] 此时,所得到的控制字即对应于所述需调整的频偏值的控制字。
[0072] 再例如,本实施例包含步骤220时候,计算各控制字的过程为:
[0073] 输入需要调整的频偏值x,预设置两个控制字word_A与word_B,使其中心值差距较大(word_A在输出频率f出正方向拉大,word_B在输出频率f出负方向拉大),对应于加抖的频偏值,再通过单片机计算一次调频过程中各个控制字,值得注意的是:当频偏x为零的时候,word_A和word_B就是配置给DDS的控制字A和B也就是后文中的FA和FB,当频偏x不为零时,word_A和word_B仅作为初始值,计算需要配给DDS的控制字A、B、C、D。
[0074] 具体计算可以为:根据加抖的频偏值和需调整的频偏值之间的差值(第一差值),作为目标频偏值,再通过上述公式计算控制字A~D。
[0075] 具体计算还可以为:根据预设的控制字和对应于需调整的频偏值对应的控制字之间的差异(第二差值),计算与目标频偏值对应的控制字A~D。
[0076] 由于第二差值与第一差值是对应的,因此以上两种计算方式实质相同。
[0077] 例如,在本发明中输出频率10M,对应的控制字为FTW,当改变频率控制字时,DDS的累加器有进位误差,使得相位累加器在波形存储器采样时,采样点的相位不完全相同的,所以会导致输出频率抖动的现象,这是由于DDS自身原理决定的。为了加强这种频率跳跃现象,本发明设置两个不同且有一定差值的控制字A(word_A)和控制字B(word_B)作为DDS频率控制字的初始值。根据需要调整的频偏x,基于初始值计算需要配给DDS的频率控制字,确保加强输出频率的抖动。1、当输入频偏x等于零时,word_A和word_B等于控制字FA和FB,且FB=FC=FD;2、当输入频偏x大于零时,word_A减掉DA,即得到还需要调整的控制字A,记为FA(当输入频偏x不为零时且小于零时,word_A加DA,即得到还需要调整的控制字A,记为FA)。3、当输入频偏x大于零时,将word_B减掉DB得到还需要调整的控制字B,记为FB(当输入频偏x小于零时,将word_B加DB得到还需要调整的控制字B,记为FB),4、当输入频偏x大于零时,FB减掉DC得到还需要调整的控制字C,记为FC(当输入频偏x小于零时,FB加DC得到还需要调整的控制字C,记为FC),5、当频偏x大于零时,FC减掉DC得到还需要调整的控制字D,记为FD(当频偏x小于零时,FC加DC得到还需要调整的控制字D,记为FD)。
[0078] 而相位控制量是通过改变相位累加器的增量值来间接的改变输出信号的相位,即调整一个频率控制字可以通过改变相位累加器的增量来改变相位变化,所以,可以根据判断波形的超前与滞后,通过频率控制字的增量进行微调,可以有效的提高DDS的调整精度。
[0079] 步骤240、所述DDS输出经过环路滤波器处理,滤除输出信号的至少一部分频率高的成分。
[0080] 环路滤波器处理:将一次调频的结果从DDS里面综合后输出的频率较高的抖动信号通过环路低通滤波器(中心频点为10M,带宽为4hz)的处理后,能够将频率较高的部分(本发明里的抖动1220hz)滤掉,使得改善输出频率的抖动,降低输出频率的相为噪声。
[0081] 图3为本申请的DDS控制字更新流程示意图。
[0082] 高频快速抖动:调整频率过程中控制字A控制频点F1,F2频点为B、C、D按时序固定切换控制,精度是不断地递进。首先,在本发明中通过单片机的计算,A与B的切换频率可达1220hz,可以实现把频点拉到较高的位置,其次,设置控制字对应的频率调整量为A:B=B:C=C:D=n‑1的固定比例,在图3中,n取128。n代表FPGA在计数更新时钟的次数内配给DDS的ABCD控制字所占据的时间比例,这样的设计可以使控制字在一个快速切换的状态中。首先,通过预设的控制字人为的拉大A与B之间的控制字差值(比如A向正方向取,B负方向取),然后再根据本申请的方案确定控制字A~D的值,按照固定时序切换A、B、C、D控制字过程中出现剧烈抖动的现象,这种属于本发明的人为注入抖动,以便于后续降低输出频率的相噪。
[0083] 控制固定时序输出:FPGA程序里命名三个寄存器,分别为count0,count1,count2,再count0计满(cnt/2)‑1个更新时钟过程中,将单片机计算的FA配给DDS,计至count0等于cnt时,将单片机计算的FB配给DDS,覆盖掉FA,并将count1计B为一次,当count1计至B的次数为cnt时,将单片机计算的FC配给DDS,覆盖掉FB,并count2计入C一次,count2计至C的次数为cnt,将单片机计算的FD配给DDS,一次调频过程结束,这样的固定时序输出使得DDS可以通过控制ABCD控制字所占比的时间有效的综合出抖动的信号。
[0084] 本申请提出的方法和装置首先通过单片机计算输入频偏需要的调整量,并人为注入抖动信号,其次,FPGA将单片机的控制字信息按照固定时序配给DDS,使频率切换过程中频谱被搬移到了相对较高的位置,即高频抖动信号。最后,低通滤波器过滤DDS输出的高频抖动信号,降低DDS输出频率的相噪,这种方法不仅再提高DDS调整精度,还可以极大幅度改善传统方法出现的频率跳变。
[0085] 图4~9为传统DDS与算法优化改进后DDS分别设置频偏输出1E‑12、1E‑13、3E‑12时的结果。图中曲线均为频偏值,从图中可以看到,频率调整量在非零状态下,传统的DDS出现频率跳变,而经过算法优化后的DDS,频率跳变得到大幅改善,平均频偏下降了至少一个数量级。
[0086] 还需要说明的是,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包含……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0087] 本技术领域技术人员可以理解,除非特意声明,所使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是,本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件,但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解,当元件被“连接”到另一元件时,它可以直接连接到其他元件,或者也可以存在中间元件。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。
[0088] 本技术领域技术人员可以理解,除非另外定义,这里使用的所有术语(包括技术、术语和科学术语),具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
[0089] 以上所述仅为本申请的实施例而已,并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说,本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的权利要求范围之内。
QQ群二维码
意见反馈