用于校准器件的装置及其相关方法

专利名称：用于校准器件的装置及其相关方法
技术领域：
本发明通常涉及用于响应一个参考信号的值校准诸如VCO(压控振荡器)这样的器件的校准方法和装置。特别地，本发明涉及响应一参考信号的校准器件，该参考信号显示出可接受的短期频率稳定度特性，但是它又是易受到长期频率干扰的影响。该参考信号的值可以用一个显示出可接受的长期频率稳定度特性但可能易受到短期频率干扰影响的参考信号有选择地进行调整。
本发明的一个实施例可用于例如蜂窝式无线电通信基站的PLL(锁相环)电路中。将诸如PCM时钟信号或GPS时钟信号这样的一个由网络产生的信号提供给这个无线电通信基站。这样的信号显示出好的长期频率稳定特性但易受到短期频率不稳定性的影响。一种诸如OVCXO(过压控制的晶体振荡器)的设置在无线电通信基站中的本机振荡器产生一个参考信号，该参考信号显示出好的短期频率稳定特性但由于晶体振荡器的老化而易受到长期频率不稳定性的影响。无线电通信基站的VCO被锁定到由OVCXO产生的这个参考信号。该参考信号通过网络产生的信号在选择的每隔一段时间被调整。因此导致由VCO产生的一个振荡信号显示出可接受的短期和长期的频率稳定特性。
许多类型的器件至少在所选择的时间间隔内必须被校准以确保它们的正常操作。这种器件的一个典型例子是耦合在带有一个参考信号的锁相环中的一个VCO(压控振荡器)。
当，例如，VCO构成PLL(锁相环)电路的一部分时，由VCO产生的振荡信号的振荡频率就被锁定在VCO可操作地与之响应的一个参考信号的频率上。
许多种无线电通信装置都使用耦合在PLL电路中的VCO。由VCO形成的振荡信号可用于构成由发射机装置发射的发射信号。并且，例如由接收机装置的VCO所产生的振荡信号可用于接收信号的接收过程。无线电通信装置的正常操作都要求由VCO产生的振荡信号有可接受的频率稳定性。
可用于蜂窝式通信系统中的一个无线电基站是使用耦合在PLL电路中的无线电通信装置的典型例子。需要由VCO产生的振荡信号有可接受的频率稳定性，以便于可以将由无线电基站产生的下行链路信号正确地发射到一个移动终端而不干扰其它正在发射的下行链路信号。同样需要频率稳定性有可接受的水平以便于允许无线电基站正确地接收由移动终端发射到无线电基站的上行链路信号。
由各种标准设置团体发布的操作说明中提出了，特别是，蜂窝通信装置中的操作必须遵守的频率稳定性要求。用于GSM、PCS1900以及DCS1800移动蜂窝式无线电通信系统的运行说明都提出了严格的定时精度以确保无线电基站可运行在这样的系统中，即在该系统中至少能产生显示可接受的频率稳定性水平的信号。
通过使用PI校准的锁相环(PLL)电路来确保遵守在无线电基站中所需的适当的运行技术要求中提出的所需的定时精度。在这种电路中，VCO被锁定到一个频率稳定性高的参考信号上。例如，有时使用一个PCM时钟信号来构成施加到无线电基站上的这个参考信号。PCM时钟信号是一个8kHz的参考信号，该参考信号是由在一个良好控制的环境ETSI G.823和G.824技术要求中的网络操作员提出产生的，特别是在PCM时钟信号中的抖动具有可接受的水平。当PCM时钟信号显示出至少与在适当的或这样的技术要求中所提出的信号要求一样好的特性时，无线电基站可以运行于遵守由适当的标准设置团体所发布的运行技术要求。
以Stratum标准来测量参考信号的质量。PCM时钟信号的Stratum标准指出了该参考信号最大可允许的频率偏差。前述的ETSI G823和G824技术要求提出了相应于“Stratum-2”标准的频率稳定性标准。
但是一些网络不能保证诸如PCM时钟信号这样的参考信号能一直处于在适当的ETSI G823和G824技术要求的其中之一所提出的要求之中。
提供对稳定性水平的保证较差的一个参考信号更为廉价。所以在一些网络中，不能保证一直是Stratum-2标准的参考信号被代替来提供给无线电基站。可以保证Stratum-3标准的参考信号被代替提供。由网络提供到无线电基站的参考信号不能确定总是Stratum-2标准的信号，但是在间歇的周期该参考信号通常是Stratum-2频率稳定性标准的信号。在这样的周期过程中，该参考信号是一种不充分的信号，即Stratum-3频率稳定性标准。所以，这样的参考信号具有好的长期频率稳定性特性，但有潜在的差的短期频率稳定性特性。
为了确保在这种网络中满足无线电基站的运行所需的频率稳定性标准，一些无线电基站包括能产生Stratum-2质量的参考信号的参考振荡器。OVCXO(过压控制晶体振荡器)是这种Stratum-2振荡器的一个典型例子。
OVCXO以及一些其他类型的Stratum-2振荡器显示出好的短期频率稳定度特性，但由于晶体振荡器的老化而易受到长期频率不稳定性的影响。按照惯例，这样的振荡器必须有规律地校准。通常使用人工操作程序来完成校准。这种程序是昂贵的，特别地，当无线电通信系统的大量无线电基站的必须有规律地被校准时。
由网络提供的PCM时钟信号的好的长期频率稳定性特性可被用来修正位于无线电基站的Stratum-2振荡器老化的方法将减少对人工校准Stratum-2振荡器的需要。
更通常地，一种允许器件用一个易受短期干扰影响的参考信号来校准的方法将是有利的。
根据与校准装置和方法有关的这个背景信息可以发现它已经包括了本发明的显著的改进。
因此，本发明有利地提供了用于校准器件以响应于易受短期干扰的参考信号的装置以及相关方法。
在一种实施方式中，本发明的一个实施例可操作地位于一个锁相环电路中，在该锁相环电路中给被校准的振荡器提供一个调整信号。该调整信号具有允许振荡器构成一个显示可接受的短期和长期频率稳定性特性的振荡信号的品质。由具有可接受的短期频率稳定性特性但易受长期频率偏差影响的参考源产生的一个参考信号在所选的时间间隔内被改变以响应由具有可接受的长期频率稳定性特性但可能易受短期频率稳定性影响的参考源所产生信号的值。从此形成一个调整信号并用于调整振荡器的振荡频率。
在本发明的一个方面，蜂窝通信系统的一个无线电基站被耦合以接收诸如PCM时钟信号的网络产生信号。该PCM时钟信号显示出好的可接受的长期频率稳定性特性但易受短期频率不稳定性影响。一个诸如OVCXO的Stratum-2振荡器构成无线电基站的一部分并产生一个显示出好的短期频率稳定度特性但易受到由例如晶体振荡器的老化而导致的长期频率不稳定性的影响。本发明的这个实施例的运行允许本机振荡器形成一个显示长期和短期的可接受水平的频率稳定性特性的信号。
在本发明的另一方面，控制由一个振荡电路中的振荡器形成的一个输出振荡信号以便于该输出振荡信号具有可接受的长期和短期频率稳定性特性。第一反馈元件被耦合以接收这个输出振荡信号并接收第一参考信号。第一参考信号显示出至少与第一所选稳定性标准一样好的短期频率稳定性特性。第一反馈元件形成代表输出振荡信号相对于第一参考信号的偏差的第一差分信号。第二反馈元件被耦合以接收这个输出振荡信号并接收第二参考信号。这个第二参考信号显示出至少与第二所选稳定性标准一样好的长期频率稳定性特性。第二反馈元件形成代表输出振荡信号相对于第二参考信号的偏差的第二差分信号。一个补偿值发生器被耦合来接收第二差分信号并形成一个补偿值信号。当第二参考信号显示出至少与第三所选稳定性标准一样好的短期频率稳定性特性时，这个补偿值信号响应第二差分信号的值而形成。一个调整器被耦合来接收第一差分信号并至少有选择地接收补偿值信号。这个调整器响应该补偿值信号修正第一差分信号并形成用于控制振荡器频率的一个控制信号。
在本发明的另一方面，一个锁相环电路锁定一个振荡电路的振荡器的频率。多个参考源形成多个参考信号。每个参考信号都有一个显示频谱密度的噪声分量，该噪声分量与其它参考信号的噪声分量比在不同的频率处有频谱分量。一个组合器被至少有选择地耦合来接收由多个参考信号源产生的参考信号。这个组合器有选择地组合参考信号来由此形成合成信号。这个合成信号调整振荡器的振荡频率，从而频率锁定振荡器使其振荡在所选的振荡频率上。
所以，在这些和其它方面，一种方法和相关装置响应一个在其中参考信号受到短期干扰的影响的参考信号的值校准一器件。通过将一似真值(plansibility value)与该参考信号部分相关来确认参考信号部分的值。将参考信号部分的说明和与之相关的似真值提供给一个Kalman观测器。有选择地改变存在于Kalman观测器中的值以响应提供给Kalman观测器的说明和与之相关的似真值。形成一个调整信号以响应存在于Kalman观测器中的值。并且，将该调整信号施加到这个器件中。


图1显示了设置用来调整一个器件的本发明实施例的功能性框图。
图2显示了在其中可运行本发明的一个实施例的锁相环电路的功能性框图。
图3显示了在其中可运行本发明的一个实施例的蜂窝式无线电基站中的PLL功能性框图。
图4显示了在其中可运行本发明的一个实施例的另一个锁相环电路的功能性框图。
图5显示了本发明实施例的一个补偿值发生器的功能性框图。
图6显示了图5中所示的补偿值发生器的一个实施例的一部分功能性框图。
图7显示了列出本发明详细说明的一个实施例方法的方法步骤的方法流程图。
图1显示了本发明一个实施例的调整信号发生器10。这个调整信号发生器可产生用来校准器件的信号，这里为器件12。调整信号发生器通过线13被耦合来接收由参考信号源14产生的一个参考信号。
调整信号发生器10在线18上产生用于校准器件12的一个调整信号。在线18上产生的这个调整信号是一个可选择的值以响应施加到位于线13上的调整信号发生器10的参考信号的值。
由参考信号源14产生的这个参考信号易受短期干扰，并且该调整信号发生器10可操作地部分确定何时参考信号的值是具有短期干扰的值。当参考信号这些部分是表明短期干扰已被引入的值时，调整信号发生器就不使用这些部分的值来构成在线18上的调整信号。
这个调整信号发生器10包括一个确认器22(validator)。该确认器22被耦合来接收在线13上产生的参考信号。操作确认器22来确认该参考信号的值是否可能不受短期干扰的影响。并且，确认器22将一个似真值与这个参考信号值联系起来。
这个调整信号发生器10还进一步包括一个Kalman观测器24，这里示出的是功能性地通过线26和28与确认器22相连。Kalman观测器24还进一步功能性地通过反馈回路32与确认器22相连。
在所说明的实施例中，Kalman观测器模拟参考信号源并通过路径32给确认器22提供反馈回路置信区间值。由确认器22来使用这个反馈回路置信区间值来确定施加到确认器22上的这个参考信号免于短期干扰的影响的似真性。
在一个实施例中，确认器22缓冲参考信号值并确定被缓冲序列的一个平均值。如果这个平均值是在反馈回路置信区间值内的一个值时，确认器22确认缓冲序列并通过线26将平均值的指示传到Kalman观测器24。
还可以进一步操作确认器22将一似真值与缓冲序列相关。在一个实施例中，确定这个似真值以响应缓冲序列平均值的统计方差。如果缓冲序列的特性值一般都接近于这个平均值，那么该平均值的方差就相当低而与这种序列有关的似真值就相当高。通过线28，将与由确认器22确认的缓冲序列相关的似真值提供到Kalman观测器24。
如前所述的Kalman观测器24构成参考信号源14的一个模型。在线18上产生的调整信号构成由参考信号源14所产生的参考信号的一个改进形式。由Kalman观测器产生的调整信号的值通过响应于由确认器22确认的缓冲序列的平均值而被改变所选数量，并通过线26被施加到Kalman观测器上，与与之相关并在线28上的似真值一起被施加到Kalman观测器。
也就是说，在参考信号源14模型的基础上Kalman观测器构成一个序列。并且，调整这个由该模型所构成的序列以响应由确认器22在线26和28上提供的值。在一个实施例中，调整在Kalman观测器上形成的值的数量并且该数量依赖于在线26上提供的平均值以及在线28上提供的似真值。对于一个给定的平均值，如果似真值高，那么Kalman观测器改变在Kalman观测器中形成的序列的数量就比当似真值是一个较低值时的要大。
因此，用由Kalman观测器模拟的值来形成在线18上产生的用于校准器件12的调整信号，但是在适当的时候，通过由确认器形成的值来调整。当由参考信号源14产生的参考信号显示出短期干扰时，就不使用与之相关的信号部分来调整由Kalman观测器形成的值。并且，即使通过确认器来确认这个信号部分，如果与之相关的似真值低，调整由Kalman观测器形成的值的量减少。
图2说明了通常标为42的用于本发明的一个实施例中的一个锁相环电路。在这个锁相环电路的运行过程中，控制VCO(压控振荡器)44的振荡频率以便于振荡器44在线46上产生一个所需频率的振荡信号。通过本发明实施例的操作，使振荡信号成为具有可接受的长期和短期频率稳定性特性的信号。在根据其中电路42构成在蜂窝通信系统中运行的无线电基站的一部分的实施例来描述图2所示的典型锁相环电路42时，该电路42还可用来组成其它装置的这部分电路。同样可以根据此来描述电路42的运行。
这个锁相环电路42包括第一参考信号源52。该信号源52在线53上产生显示好的短期频率稳定性特性但在长时间内易受频率漂移影响的参考信号。例如这个参考信号源52可以由OVCXO来构成，OVCXO产生Stratum-2品质的信号，但该信号在很长时间即超过一年的时间内显示频率漂移。
将在线53上产生的第一参考信号提供给第一反馈元件54。通过反馈线56还将由压控振荡器44产生的振荡信号提供给第一反馈元件54。该第一反馈元件54在线57上形成代表由信号源52产生的第一参考信号的值与由VCO44产生的振荡信号值之差值的第一差分信号。将在线57上形成的第一差分信号作为一个输入信号提供给调整器60。
通过反馈线56还将由VCO44在线46上产生的振荡信号提供给第二反馈元件58。第二反馈元件58通过线63进一步耦合来接收由第二参考信号源62产生的第二参考信号。这个第二参考信号源62显示好的长期频率稳定性特性，但易受短期频率稳定性的影响。
由信号源62产生的第二参考信号的一个例子是PCM时钟信号。如前所述，在一些蜂窝式网络中，不能保证PCM时钟信号一直是Stratum-2品质的信号。在一些时间内，被称为“延期”(hold over)的第二参考信号是小于Stratum-2品质标准的信号。
第二反馈元件58在线64上形成代表第二参考信号与由VCO44产生的振荡信号之间的相位差的第二差分信号。将由第二反馈元件58形成的这个第二差分信号提供到补偿值发生器65。
操作补偿值发生器65来形成一个补偿信号，该补偿信号的值响应第二参考信号的值但不是代表显示短期偏移的那部分第二参考信号值的值。将该补偿信号通过线66提供给调整器60的第二输入端。
操作调整器60在线68上形成用于对VCO44进行频率调整的一个调整信号。由调整器60形成的这个调整信号是响应由第一参考信号源52产生的第一参考信号值的值，该值在一个选择的间隔由通过补偿值发生器65产生的补偿值信号来调整。第一参考信号易受其影响的长期漂移通过响应具有长期频率稳定性的第二参考信号所形成的补偿值信号来进行补偿。当这种调整信号提供给VCO44时，VCO44在所希望的频率上维持振荡。当由补偿值信号补偿第一参考信号的长期频率漂移时，就不需要第一参考信号源52的再次校准了。因此使线46上由VCO44产生的振荡信号显示出好的长期和短期频率稳定性特性。
图3示出了通常标为82的在一个蜂窝式无线电基站中的一个锁相环电路。这里，再次控制VCO44的振荡频率以便于在线46上产生的振荡信号是具有所需振荡频率的信号。通过本发明的一个实施例的运行过程，使在线46上产生的振荡信号的振荡频率显示出可接受的长期和短期频率稳定性特性。VCO44的振荡频率使用一个短期稳定的Stratum-2振荡器84，在该振荡器中，使用一个长期稳定的提供给在其中通过线86来包括PLL82的无线电基站的PCM时钟信号来校准从振荡器84上产生的参考信号。
由振荡器84产生的参考信号通过线89施加到求和器件88的第一输入端。通过反馈线56将在线46上产生的振荡信号提供给求和器件88的第二输入端。将在线86上产生的PCM时钟信号提供给求和器件92的第一输入端。在其上产生振荡信号的反馈线56被提供到求和器件92的第二输入端。求和器件88和92每个都产生相位差信号。在线93上产生由器件88形成的相位差信号并且该信号代表了由VCO44产生的振荡信号与由振荡器84产生的参考信号之间的相位差。并且，在线94上产生由器件92形成的相位差信号并且该信号代表了由VCO产生的信号与PCM时钟信号之间的相位差。
将由求和器件产生的相位差信号提供给调整器62，并将在线94上由求和器件92产生的相位差信号提供给补偿值发生器65，这里的补偿值信号发生器65是由其中执行一个校准算法的处理器件所构成的。补偿值发生器65在线96上产生一个提供给调整器62的补偿值信号。
在本发明实施例的操作过程中，补偿值发生器65确定何时PCM时钟信号会时域变坏，例如，由于在PCM所根据的时间谱系中的任何一个网络元件中的延期(holdover)而造成的。在这种情况发生过程中，停止参考信号源84的校准。
在特定时间处，在调整器62处进行两个源的求和过程。由于一个最近的先期求和过程，所以PCM时钟信号的贡献限定了Stratum-2振荡器84的频率漂移。为了计算这个漂移，测量PCM时钟信号。如果PCM时钟信号表现出漂移到远处，那么这种漂移实际上是Stratum-2振荡器在相反方向上的漂移。所以，所测量的PCM时钟信号的漂移特性与Stratum-2振荡器84的漂移一样。补偿值发生器65的操作确定何时PCM时钟信号会暂时变坏。在这段时间过程中，调整器62不使用补偿值信号来校准参考源84。并且，由调整器62提供给VCO44的相位调整信号包括当PCM-参考信号是具有好的频率稳定性特性时响应补偿值信号的校准分量。
图4示出了通常标为102的在其中可运行本发明的一个实施例的锁相环(PLL)电路。这里，在PLL电路的运行过程中，也控制VCO44的振荡频率。在线46上由VCO44产生一个振荡信号，并且，一个反馈回路56提供在反馈排列中振荡信号的指示。并且，VCO44的振荡频率依靠由调整器103产生并被施加到VCO44上的调整信号。
PLL电路102被耦合以接收这里为N个的多个参考源信号。这N个参考源信号每个都显示带有具有位于不同频率间隔处的频谱分量的频谱密度的噪声。
在图的说明中，在线104、106和108上的三个参考源信号被分别施加到源专用滤波器112、114和116。滤波器112、114和116将施加到其上的参考源信号滤波。
滤波器112在线117上形成一个施加到求和元件118的第一输入端上的滤波信号。滤波器114在线119上形成一个施加到求和元件122的第一输入端上的滤波信号。并且，滤波器116在线123上形成一个施加到求和元件124的一个输入端上的滤波信号。在其上形成由VCO产生的振荡的反馈线56也被施加到求和元件118、122和124的输入端上。
每个求和元件118、122和124在三个单独的线125上形成相位差信号。每个这样的相位差信号依次被施加到求和元件126上。这些参考信号以根据它们相应的噪声频谱密度的方式结合从而在线127上形成一个单独的具有比其中任何一个单独的参考信号的噪声频谱密度小的噪声频谱密度的参考信号。通过对参考信号源的合适的选择，由调整器103形成的调整信号使VCO44运行来产生一个具有长期稳定性的带有频率精确性高的低抖动信号的振荡信号。
在线104、106和108上产生的参考源信号可以有选择地用由图3所示的振荡器84这样的Stratum-2振荡器产生的振荡信号、PCM时钟信号、GPS(全球定位系统)信号或由其它类型的参考信号源产生的一个参考信号来构成。类比可以在概括的带有图3所示的PLL电路82的图4中示出的PLL电路102的多个参考源的实施例之间提取出，即，图3所示的补偿值发生器65可以被认为是一个PCM时钟信号的一个源特定滤波器。
图5示出了构成本发明一个实施例的补偿值信号发生器65的一个调整信号发生器。在操作过程中，操作该调整信号发生器来校准诸如图1所示的器件12。在一个典型的实施方式中，根据上述图2-4所述，该调整信号发生器形成了一个PLL电路的补偿值发生器65。在根据其中调整信号发生器构成一个蜂窝式无线电基站的PLL电路中的补偿值发生器65的这种实施方式来对调整信号发生器的典型操作进行描述时，可以同样地根据对除PLL电路的VCO之外的器件校准来描述该发生器的操作过程。
示出的补偿信号发生器65可以功能性地由一个确认器152和一个Kalman观测器154来构成。在一个实施例中，确认器152和Kalman观测器154包括由一个处理器件执行的算法。通过线156将一个相位差信号提供给确认器152。在每个采样周期，使用该信号来构成与参考信号的平均频率漂移成比例的测量值。通过反馈环路158来进一步耦合确认器152来接收由Kalman观测器154形成的置信区间。
操作确认器152在通过反馈环路158由Kalman观测器提供的置信区间的基础上来确认从施加到其上的相位差信号计算出的测量值。表示从相位差信号计算出的并由确认器确认而确定的测量值部分的值在线162上经过确认器152并提供给Kalman观测器154。与这些值相关的似真值经过线164。Kalman观测器在线166上产生一个补偿值。
Kalman观测器154使用Stratum-2振荡器的老化模型。这个模型构成了对对Stratum-2振荡器老化的估计。这种估计以及这个估计的标准偏移形成了一个置信区间指示，该指示通过反馈路径158提供给确认器。确认器152可以因此停止其中PCM时钟链路处于延期的时间过程中的校准。当处于延期时，从提供给确认器152的相位差信号中计算出的测量值是位于由Kalman观测器154提供给确认器的置信区间内的值。
可以用如下定义的一个状态空间模型来模拟Stratum-2振荡器的老化·x1·x2=0100x1x2+v1v2]]>其中x1是以赫兹为单位的误差；x2是振荡器老化的时间导数，并且v，i＝1，2是未校正分别带有频谱密度Ψ1和Ψ2的白高斯噪声。
因此，这个模式是一个阶梯和一个锯齿形的组合，即一条带有偏移量的线。这样一种模式被称为“垂直的阿伦方差”模式并且是振荡器老化的一个短期说明。长期老化可以由一个非线性模式来表示，典型地，是一个由下面方程描述的较好的模式f(t)＝f0(1+A/n(Bt+1))其中f(t)是在时间t处的频率漂移。在提供给确认器152的采样之间使用由Kalman观测器154使用的模式时，适宜地使用振荡器的短期说明模式。但是对长期老化的分析表明老化是慢慢下降的而不是一个加速过程。
白高斯噪声的频谱密度与阿伦方差之间的对应关系如下表示{ψ=8π2h-2ψ=2h0]]>其中h0和h-2是用于在阿伦方差模式中采样一些比“闪烁最低值”低和高十倍的阿伦方差。
一个Stratum-2振荡器近似地体现出阿伦方差和其频谱密度h0＝2*10-20Ψ1＝4·10-20和h-2＝4*10-29Ψ2＝32·10-27
在延期(holdover)期间，PCM时钟信号显示出响应于Stratum-2和Stratum-3的品质标准的频率稳定性特性。一个Stratum-3振荡器显示出下列阿伦方差和频谱密度h0＝8*10-20Ψ1＝16·10-19和h-2＝4*10-27Ψ2＝32·10-21所测的量是振荡器x1的老化。由于每个同步网络的噪声特性通常不一样，所以噪声特性不构成由Kalman观测器154使用模式的一些部分。所以测量值模式与振荡器老化的模式相同，因而促使可以看见图3中的器件65作为用于PCM时钟信号的源特定的滤波器。
假设在采样例子中的系统噪声为一个常数，从而允许将振荡器模式转换为表示为下列式子的一个离散时间模式x1,k+1x2,k+1=1T01x1,kx2,k+TT2/20Tv1,k+1v2,k+1]]>其中T是采样周期。
在上述方程中与其前面的矩阵相乘的向量v1，k的协方差矩阵与采样时间k无关并被称为Q。在采样K处的频率偏移的所计算的测量值的方差被称为Rk。
在这个实施例中的Kalman观测器154构成一个非稳态的Kalman观测器。这样一种Kalman观测器包括下列状态空间模式xk＝Fxk-1+vkvk∈(0，Q)其中yk＝Hxk+nknk∈(0，Rk)非稳态Kalman观测器显示出一个作为使
最小的在测量值1到k+1的基础上所观测系统的估计状态向量的状态向量
，其中xk是真实的状态向量。
操作Kalman观测器来在第k次迭代期间进行下列的计算ϵk=yk-Hxk^]]>
其中εk是更新，即所测的输出减去预期输出。
然后，更新的协方差Sk是如下所示的测量值协方差与预期的协方差之和Sk＝HPkHT+Rk然后如下所示计算Kalman增益KkKk＝FPkHTSk-1将Kalman观测器提前一个时间阶梯和在所计算的更新值基础上的校正值并如下所示计算Kalman增益x^k+1=Fx^k+Kkϵk]]>然后如下所示计算Xk+1的PPk+1=F(Pk-PkHTSK-1HPK)FT+Q]]>对于每个新的迭代，Kalman观测器必须获得一个新的测量值Yk和一个测量值噪声方差Rk。在通常情况中，所有其它的矩阵和值还可以依靠采样k，但这里，这样的值都是常数。如果没有可利用的测量值，则将Rk设置为无穷大。因此，更新值的方差也被设置为无穷大，并且，Kk=0,x^k+1=Fx^k,Pk+1=FPkFT+Q]]>作为现有技术，除了模式矩阵F和H的值、系统噪声Q的协方差矩阵、状态向量x0的起始值以及它的协方差矩阵之外，不需要额外的信息。
为了确保Kalman观测器不进行误操作，对Kalman观测器做如下限制1)每秒老化x2不超过一个通常每秒老化的值，2)在三个采样过程中，最大校正K(y-ypred)不超过通常的偏移(加上由于延期而依附于跳过的这个采样时期的采样数)，3)如果跳过一个测量值序列，x2被分成两个。这种计算确保坚韧性而不是一个快速的观测器。如果跳过测量值序列，有理由假设在跳过序列之前的值曾被污染并可能错误估计老化的导数。在这种情况中，长的延期可能会导致x1的估计值在错误方向上偏移开老化的许多测量值。为了总体上消除这种风险，在延期处应该将x2设置为0。如上所述，一个妥协方案是分解x2。
在Kalman观测器运行于上述所列的迭代步骤的执行过程期间，计算x1的标准偏移o。使用标准偏移值来计算由使用下列方程的确认器所用的置信区间阈值＝max(k1o，σ0)置信区间＝x1±阈值其中其中σ0和k1是预定的常数。
如果x1与实际的振荡器的真实老化之间的差很大，那么在阈值已经发展地足够大之前需要许多采样。一旦测量值已经被接受，那么标准偏移以及阈值会变得很小。在观测器中对刷新的限制不允许足够大的校正以使测量回到正轨，并且Kalman观测器回到它的起始点，即，大的误差和小的阈值。为了防止一个无尽的循环，在所选的失败跟踪的时间周期之后，取而代之，开始Kalman观测器操作的快速同步模式。
换句话说，当Kalman观测器的运行不成功地跟踪振荡器的老化一段所选时间周期时，或当第一次启动无线电基站时，便开始了快速同步模式。快速同步模式的使用允许Kalman观测器在振荡器真实老化的邻近范围内获得一个估计的x。然后，Kalman观测器的通常运行恢复。快速同步模式是基于这样的假设，即Kalman观测器可以自己来处理比较小的延期因为这样小的延期能导致较高的协方差因而带来较小的影响。所以可以提高置信区间的阈值使其变为阈值＝max(k2σ，σ1)置信区间＝x1±阈值其中σ1和k2是预定常数。
同样，当在这种模式中，改变振荡器模式为Stratum-3振荡器的模式以便于获得一个较高的带宽。并且，每次更新不使用最大的校正。一个固定的时间周期之后停止快速同步模式，假定在这个时间估计的老化是在一个预定的区域内。在线166上产生补偿值时，提供Stratum-2振荡器的估计老化x1。
在一个实施例中，有选择地进行补偿值的改变以响应在线156上接收到信号的品质指示。这样的品质指示通常是由于补偿值或老化的标准偏移σ的最后更新而丢弃的测量值的一部分。以这种方式，使用该品质指示来决定通过Kalman观测器154当前估计的老化是否被用作在线166上所提供的补偿值或是否被认为太不可靠。如果认为太不可靠，则不改变在线166上提供的补偿值。
在一个实施例中，操作确认器152来执行提供到线156上的信号部分的外部拒绝。提供到其上的信号序列被存在一个缓冲器中，并且在一个选择的时间周期内计算用于测量的平均值以及它的标准偏移值。该平均值与通过反馈环路158提供的置信区间相比较。如果该平均值在置信区间的外部，则该值被称为局外值。如果该平均值在置信区间内，确认器接受缓冲序列和在其上确定的平均值以及提供给Kalman观测器154的它的标准偏移。如果确定该值为一个局外值，则丢弃该值并且Kalman观测器154使用它的模式来更新振荡器的估计的老化以及它的标准偏移。然后开始一个新的测量周期。或者使用一个测量值的缓冲器然后计算一个平均值和标准偏移，或者用“飞行”(flying)算法，来实现局外拒绝方法。
由在一个所选的时间周期中获得的测量值来计算由确认器152确定的平均值以及它的标准偏移。在一个缓冲器中存储该序列能降低对在每个测量时刻执行计算的需要。该序列的平均值ξ以及标准偏移s计算如下ξ=1NΣk=1Nxk]]>s2=1N-1Σk=1N(xk-ξ)2]]>其中N是构成储存在缓冲器中序列的符号数，xk是测量值数k。可以如下计算协方差Ver(ξ)Var(ξ)=Var(1NΣk=1Nxk)=1N2Σk=1NVar(xk)=s2N]]>将平均值的协方差计算值用作测量值的协方差，将平均值用作Kalman观测器154中的测量值，条件是该平均值是在所估计的老化+/-阈值的置信区间内。
在一个可替换的实施例中，使用一个基于所描述的模式为一常数的并在每个测量时刻更新的非稳态Kalman观测器来构成在一个所选时间周期内的平均值以及它的所计算测量值的协方差。如果所估计的常数在置信区间内，那么它以及它的协方差就被作为测量值和测量值协方差提供给Kalman观测器154。
在另一个实施例中，确认器152使用变化检测方法来确认由线156提供到其上的信号。在这种方法中，使用在所选时间周期过程中在线156上的确认器152中接收到的信号值来计算储存在缓冲器中的测量值。然后使用一个变化检测器来发现可能通过延期已经在缓冲器中导致的变化。由延期或其它故障引起的不可能的测量值的持续时间是孤立的并应放弃。存储在缓冲器中的剩余序列的平均值以及它的标准偏移都被提供给Kalman观测器154。也能使用多个缓冲器来实现将要在下面描述的变化检测。可以选择缓冲器的缓冲长度从而可以检测由保存引起的漂移。
图6功能性地示出了使用用两个缓冲器172和174并且每个都可以存储通过线156提供给确认器152的信号所构成的N个值的两个缓冲器方法的确认器152。在每个采样周期使用由线156提供的信号来构成与参考信号的平均频率漂移成比例的测量值。通过预滤波器176对测量值滤波，由采样器178来采样，并将采样信号分量存储在缓冲器172中。进一步由采样器182对测量值采样并将采样分量存储在缓冲器174中。如上所述，变化检测器184检测存在缓冲器172中的采样信号分量的测量值的变化。由变化检测器184作出决定使用或抛弃所存储的序列部分。响应该决定，一个开关元件186或闭合或打开，因此有选择地将在确认器中确认的值的说明提供给Kalman观测器154。
在图6所示实施例的确认器152运行过程中，将每M个测量值的平均值存在缓冲器172和174。储存在缓冲器172中的测量值由预滤波器176预滤波从而抑制抖动以便于可以检测出低频漂移，储存在缓冲器174中的测量值仅仅储存在那里以防止测量值间的彼此干扰。在储存在缓冲器172中的值上进行变化检测器184的操作可以检测储存在那里值的低频变化。响应于由变化检测器184作出的决定，有选择地丢弃储存在缓冲器174中的值。将没有丢弃的部分提供给Kalman观测器，即将平均值和它的相应的协方差提供给Kalman观测器。
图7示出了通常标为202的本发明实施例中的一种方法。该方法校准器件以响应在其中参考信号易受短期干扰影响的参考信号值。
首先，如方框204所示，确认参考信号组成部分的值可能免于短期干扰的影响，其中，一个似真值与参考信号的部分相关。然后，如方框206所示，将具有至少与所选数量一样大的似真值的参考信号部分的说明以及与之相关的似真值一起提供给Kalman观测器。
然后，如方框208所示，有选择地改变存在Kalman观测器中的存储值以响应提供给它的说明。然后，如方框214所示，构成一个调整信号以响应存在Kalman观测器中的存储值。并且，如方框216所示，将该调整信号施加到这个器件上。
因此，通过本发明实施例的操作，使用一个具有可接受的短期频率稳定性特性的参考源以及具有可接受的长期频率稳定性特性的参考源来校准一个器件。
上面所描述的是实现本发明的最佳实施例，但本发明的范围不局限于此。通过随后的权利要求来确定本发明的范围。
权利要求
1.用于调整由振荡电路中的一个振荡器构成的输出振荡信号频率的装置，所述装置包括第一反馈元件，耦合来接收输出振荡信号并接收第一参考信号，第一参考信号显示至少与第一所选频率稳定性标准一样好的短期频率稳定性特性，所述第一反馈元件用来构成第一差分信号，这个第一差分信号代表输出振荡信号相对于第一参考信号的偏移；第二反馈元件，耦合来接收输出振荡信号并接收第二参考信号，第二参考信号显示至少与第二所选频率稳定性标准一样好的长期频率稳定性特性，所述第二反馈元件用来构成第二差分信号，这个第二差分信号代表输出振荡信号相对于第二参考信号的偏移；一个补偿值发生器，耦合来接收第二差分信号，所述补偿值发生器用来构成一个补偿值信号，当第二参考信号的短期频率稳定性特性至少与第三所选频率稳定性标准一样好时，构成补偿值信号以响应第二差分信号的值，并且一个调整器，耦合来接收第一差分信号并至少有选择地接收补偿值信号，所述调整器用来修改第一差分信号以响应补偿值信号并用来构成控制振荡器频率的一个控制信号。
2.如权利要求1的装置，其特征在于第一参考信号显示至少与Stratum-2标准一样好的短期频率稳定性特性。
3.如权利要求2的装置，还进一步包括一个Stratum-2振荡器，所述Stratum-2振荡器用于产生第一参考信号。
4.如权利要求1的装置，其特征在于第二参考信号显示至少与Stratum-2标准一样好的长期频率稳定性特性。
5.如权利要求4的装置，其特征在于振荡电路构成了无线电通信系统中的无线电基站的一部分，并且其中第二反馈元件耦合来接收的第二参考信号包括一个在网络上产生的信号。
6.如权利要求5的装置，其特征在于这个无线电通信系统包括一个蜂窝式通信系统并且其中第二参考信号包括一个PCM时钟信号。
7.如权利要求1的装置，其特征在于第二参考信号包括一个在网络上产生的信号，并且其中所述补偿值发生器将抖动和偏移分量移出这个网络上产生的信号。
8.如权利要求7的装置，其特征在于振荡电路构成了无线电通信系统中的无线电基站的一部分，并且其中网络上产生的信号包括一个PCM时钟信号。
9.如权利要求7的装置，其特征在于振荡电路构成了无线电通信系统中的无线电基站的一部分，并且其中网络上产生的信号包括一个在运行于GPS网络中的GPS接收机上接收到的一个时钟信号。
10.如权利要求8的装置，其特征在于所述的补偿值发生器包括一个Kalman观测器和一个测量值确认器，所述Kalman观测器用于估计第一参考信号的频率漂移，所述的测量值确认器用于确认第二差分信号的值。
11.如权利要求10的装置还进一步包括一个用于产生第一参考信号的Stratum-2振荡器，其特征在于由于Stratum-2振荡器的老化使第一参考信号易受频率漂移的影响，并且其中由所述Kalman观测器估计的第一参考源的估计值包括对由于Stratum-2振荡器的老化而引起的频率漂移的估计值。
12.如权利要求10的装置，其特征在于所述测量值确认器通过在第二差分信号的基础上进行变化检测计算来确定测量值。
13.如权利要求10的装置，其特征在于所述测量值确认器确定第二差分信号的值，其中该第二差分信号被确定来以比所选数量小的一个估计值偏移。
14.如权利要求10的装置，其特征在于所述测量值确认器包括具有一个在其上执行的测量值确定算法的处理装置，当执行时，该测量值确定算法用于确定在一个所选时间间隔期间接收到的测量值并用于将与所说明的测量值有关的似真值提供给Kalman观测器。
15.如权利要求14的装置还进一步包括一个用于在其上存储测量值的测量值-确认器缓冲器，当分析时，存贮在其中的值允许进行偏移分析。
16.如权利要求15的装置，其特征在于所述缓冲器包括多个缓冲器，存在这些缓冲器中的值用于允许滤波的不同标准。
17.如权利要求16的装置，其特征在于如果这些测量值是在由Kalman观测器提供给测量值确认器的反馈环路置信区间内，那么由所述测量值确认器来确定测量值。
18.如权利要求17的装置，其特征在于所述测量值确认器进一步确定第二差分信号的指示值是否不可能是精确的，并且有选择地将第二差分信号的指示值提供给与之响应的Kalman观测器。
19.如权利要求10的装置，其特征在于所述Kalman观测器具有一个与之相关的带宽并且其中所述Kalman观测器使用多个Stratum-2振荡器老化的模式来改变与所述Kalman观测器相关的带宽。
20.如权利要求10的装置，其特征在于所述Kalman观测器具有与之相关的修正电平和状态变量，并且其中由Kalman观测器完成的连续的估计是在修正电平的最大范围内并在状态变量的最大范围内。
21.如权利要求10的装置，其特征在于有选择地对补偿值进行更新以响应第二参考信号的品质标准的说明。
22.如权利要求21的装置，其特征在于品质标准的说明包括对老化估计的标准偏移的说明。
23.如权利要求1的装置，其特征在于所述的补偿值发生器包括具有在其上执行的一个校准算法的处理装置，当执行时，该校准算法用于形成补偿值信号的值。
24.一种用于调整由一个振荡电路中的振荡器所形成的输出振荡信号频率的方法，所述方法包括这些步骤形成代表输出振荡信号相对于第一参考信号的偏移的第一差分信号，这个第一参考信号显示至少与第一所选频率稳定性标准一样好的短期频率稳定性特性；形成代表输出振荡信号相对于第二参考信号的偏移的第二差分信号，这个第二参考信号显示至少与第二所选频率稳定性标准一样好的长期频率稳定性特性；当第二参考信号显示至少与第三所选频率稳定性标准一样好的短期频率稳定性特性时，形成一个响应第二差分信号值的补偿值信号；有选择地更改响应于补偿值信号的第一差分信号来构成一个控制信号；并且施加该控制信号来调整振荡器的振荡频率。
25.一种用于调整振荡电路中的振荡器频率的锁相环电路，所述锁相环电路包括第一参考源用于构成第一参考信号，该第一参考信号具有显示第一频谱密度的一个噪声分量；至少一个第二参考源用于构成至少一个第二参考信号，该第二参考信号具有显示至少一个第二频谱密度的一个噪声分量，至少一个第二参考信号的噪声分量与第一参考信号的噪声分量相比在不同的频率处具有频谱分量；一个组合器至少有选择地耦合来接收分别由所述第一参考源构成的第一参考信号和所述至少第二参考源所构成的至少一个第二参考信号，所述组合器用于有选择地组合第一参考信号和第二参考信号并且用于构成由此而形成的一个合成信号，该合成信号用于控制振荡器的频率，因而相位锁定振荡器振荡在一个所选频率上。
26.如权利要求25的锁相环电路，其特征在于所述至少第二参考信号源包括多个参考源，所述参考源中的每一个形成一个具有噪声分量的参考信号，该噪声分量显示与由其它所述参考源形成的其它参考信号的噪声分量相比在不同的频率区域具有频谱分量的一个频谱密度。
27.一种用于校准响应于一个参考信号值的器件的校准方法，该参考信号易受短期干扰的影响，所述方法包括这些步骤确定参考信号部分的值可能可以免于短期干扰的影响，将一个似真值与在所述的确定步骤期间确定的参考信号的至少一部分相关，将在所述的确定步骤期间确定的参考信号一部分的说明以及与之相关的似真值提供给Kalman观测器，有选择地改变储存在Kalman观测器中的存储值以响应在提供步骤中所提供的说明以及相关的似真值，形成一个响应于储存在Kalman观测器中的存储值的调整信号，并且将该调整信号施加到器件上来校准该器件。
全文摘要
用于响应参考信号(89)的值来校准一个器件(44)的装置(82)和相关方法(202)。该参考信号可能易受短期干扰的影响。在一个实现方式中,一个蜂窝式无线电基站使用一个锁相基站VCO(44)的Stratum－2振荡器(84)。由于该Stratum－2振荡器的老化而进行补偿,因此提供一个导致VCO显示可接受的短期和长期频率稳定性特性的调整信号。
文档编号H03L7/08GK1242115SQ97180929
公开日2000年1月19日 申请日期1997年10月10日 优先权日1996年10月22日
发明者J·K·厄斯特林, M·K·林德斯科格 申请人:艾利森电话股份有限公司