Model-driven compensation of the effects of environmental conditions on quartz oscillator based clocks

Abstract

Quarzoszillatoren sind aufgrund der niedrigen Implementierungskosten und der akzeptablen Stabilität eine wichtige Frequenzquelle für die Uhren in Echtzeitsystemen. Da die Aufrechterhaltung einer globalen Zeit eine Voraussetzung für ein korrektes Verhalten von verteilten Echtzeitsystemen ist, werden die lokalen Uhren regelmäßig mit einer externen gemeinsamen Zeitreferenz synchronisiert, die größtmögliche Stabilität hat. Diese Lösung bietet eine genaue globale Zeit mit geringen Implementierungs- und Wartungskosten. Wenn die externe Zeitreferenz nicht verfügbar ist, hängt die Länge der Zeitspanne, in der das System genügend genaue globale Zeit aufweist, von der Stabilität der Quarzoszillatoren in den jeweiligen lokalen Uhren ab. Die wichtigsten Faktoren, die Auswirkungen auf die Frequenzstabilität von Quarzoszillatoren haben, sind die Umgebungsbedingungen und die Quarzalterung. Obwohl verschiedene Ansätze existieren, um diese Auswirkungen auszugleichen, gibt es nur ein paar Ansätze, die mehrere Bedingungen berücksichtigen und noch weniger Ansätze sind erweiterbar hinsichtlich des Software- und Hardwaredesigns. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und die Umsetzung eines quarzspezifischen Modells, das jene Frequenzabweichungen vorausbestimmt, welche durch die Auswirkungen der jetzigen Umgebungsbedingungen ausgelöst werden. Die berechnete Frequenzabweichung des Quarzes wird dazu verwendet, die Abweichung der Uhr zu korrigieren und somit die o.g. Zeitspanne zu verlängern. Die wichtigsten Anforderungen sind die Beherrschbarkeit der Systemkomplexität und die Erweiterbarkeit der Software und der Hardware. Dies wird durch die Entwicklung von zwei Modellen für zwei unterschiedliche Quarzoszillatoren demonstriert. Die Regressionsanalyse, als eine Form des maschinellen Lernens, wird zur Modellierung und zur Vorhersage des Quarzverhaltens eingesetzt. Eine Verbesserung von einer Größenordnung für beide Quarzoszillatoren wird erreicht. Darüber hinaus berechnet das Modell regelmäßig einen Korrekturwert für die Abweichung der Systemuhr und erzeugt einen präzisen Puls pro Sekunde (PPS). Wenn die externe Zeitreferenz verfügbar ist, wird sie dazu verwendet, das Modell während der Betriebszeit zu trainieren. Der Quarzalterungseffekt und die mögliche Rechenungenauigkeit werden somit kompensiert. Dies führt zu einer zusätzlichen Verbesserung von einer Größenordnung für die Systemuhr. Eine erweiterte Methode für die Identifikation und die Korrektur des Quarzalterungseffekts wird angegeben. Neben den Verbesserungen der Frequenzstabilität sind weitere Erweiterungen für den entwickelten Ansatz möglich, z.B. die Erkennung von manipulierten externen Synchronisationssignalen.

Quartz oscillators have been established as the main frequency source for clocks in real-time systems due to their low implementation costs and acceptable stability. Since maintaining a global time is an indispensable presupposition for a correct behavior of distributed real-time systems, the local clocks are synchronized periodically with an external common reference time with the highest possible stability. This solution provides an accurate global time with lower implementation and maintenance costs. When the external reference time is not available, the system holdover is determined by the frequency stability of the quartz oscillators of the local clocks. The main factors that have impacts on the frequency stability of quartz oscillators are the conditions of the enclosing environment and quartz aging. Although various approaches exist to compensate the effects of these factors and to extend the system holdover, there are few approaches which consider multiple conditions and even less ones are extensible regarding the software and hardware design. The objective of this thesis is the design and implementation of a quartz specific model that predicts the frequency deviation caused by the effects of the current environmental conditions. The predicted deviation is used to correct the clock drift and hence to extend the system holdover. The main requirements are the manageable system complexity and the extensibility regarding the software and the hardware design. This is demonstrated by developing two compensation models for two different quartz oscillators using the regression analysis as machine learning technique to model the quartz behavior. An improvement of one order of magnitude for both quartz oscillators is achieved. Furthermore, the model periodically predicts a correction value for the drift of the system clock and generates an accurate Pulse Per Second (PPS). The external reference time is used when it is available to train the model during the system operation. This compensates for quartz aging effects and calculation inaccuracies. As a result, an additional improvement of one order of magnitude for the system clock is achieved. An enhanced technique for quartz aging identification and compensation is stated. Apart from the improvements in the frequency stability, further extensions for the developed approach are possible, e.g. the detection of manipulated external synchronization signals.