利用锁相环用于时间和频率同步的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种用于时间和频率同步的方法和装置，尤其在利用例如IEEE 1588精确时间协议(PTP)的分组网络上的用于时间和频率同步的方法和装置。定时协议消息暴露于诸如分组延迟变化(PDV)或者分组丢失的网络中的缺陷。本发明专利技术的实施方式提供了一种基于直接数字合成的数字锁相环(DPLL)，以提供在从装置(时间客户)使用的时间信号和频率信号二者。还提供了结合针对时钟偏移和偏斜估计的递归最小二乘方机制的该DPLL的示例。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于时间和频率同步的方法和装置。具体但非排他地，涉及使用锁相环在使用例如IEEE1588精确时间协议(PTP)的分组网络上的时间和频率同步。
技术介绍
移动网络分为两类：频分双工(FDD)，其使用两个分离的频带来发送/接收；以及时分双工(TDD)，其在单个频带上发送和接收。LTE-TDD、WiMAXTDD、CDMA网络(在北美普遍)、TD-CDMA和TD-SCDMA(除频率同步以外还)需要时间同步，而LTE-FDD、GSM(全球移动通信系统)、W-CDMA和其它无线技术仅需要频率同步。即使随着LTE-FDD的使用，诸如网络MIMO和基于位置的服务这样的新的LTE移动服务也将需要精确时间同步。本专利技术特别应用于分组网络上的时钟同步(时间和频率二者)，尤其是电信网络同步。与需要毫秒级准确性以良好操作的IT计算系统和传感器网络不同，电信网络要求亚微秒(实际上，纳秒)级准确性。这种严格的时钟质量等级常规上由GPS、原子时钟和TDM定时链路来提供。因此，ITU-T、IEEE和其它标准体限定了特殊标准，以允许分组网络支持电信网络的特殊同步需求。现在被广泛接受且被电信业采用的一个这种最近的标准是IEEE1588精确定时协议(PTP)。甚至存在针对电信应用限定的特殊IEEE1588资料。即使用于IT计算系统和传感器网络的时间同步具有相同的基本概念，这些系统也具有不同的应用需求、协议、架构和实现目标，因此完全不将它们考虑在电信同步的范围内。IEEE1588是现今工业接受的基于分组的方法/标准，其用于从主装置分配定时信息以使得分布式系统的时钟能够以高精准(纳秒级准确性)同步。其基本原理是基于图1所示的同步消息的常规交换的主/从概念，从而通过在分组网络2上交换消息，将从装置3中的从时钟5同步到主装置1中的主时钟4。IEEE1588通过将网络中的所有时钟调整到最高质量时钟(最优主时钟(grandmasterclock))来同步这些时钟。与仅支持频率转移的称作同步以太网的另一基于分组的技术不同，IEEE1588支持频率和时间转移二者转移。IEEE1588除时钟恢复机制以外还限定了宽范围的同步能力(伺服算法、PLL、定时器等)以在从(客户)装置使用以其本地时钟同步到主装置。在需要以端对端方式实现时钟转移而没有分组网络辅助(例如，以不断跳转边界时钟(BC)[1][2]或者透明时钟(TC)的形式)的情况下，在分组网络的两端不存在可追踪到主要基准时钟(PRC)的基准时钟，或者在不存在网络GPS服务时，依赖定时的接收终端节点需要使用适应性定时技术以重建发送定时基准源的定时信号。接收终端将通常使用“基于分组的”时钟恢复机制，该时钟恢复机制使接收方时钟依从于发送方时钟。该时钟恢复机制能够处理在分组数据流中编码的所发送的时钟采样(时间戳)，以产生用于接收方的定时信号。该时钟恢复机制的目的是估计和补偿在发送方时钟和接收方时钟的振荡器之间发生的频率漂移。然而，分组延迟变化(PDV)和分组丢失的存在影响时钟估计/补偿处理的性能，使得发送方时钟显现得比其实际快或慢，最终，导致大部分为漫游(wander)的传播到接收方时钟信号。漫游是小于10Hz的时钟噪声，而抖动(jitter)是等于或大于10Hz的时钟噪声。IEEE1588PTP基础可使用时钟(物理或者虚拟)将事件与时间关联。单个事件的时间被称作时间戳，并是实数。在IEEE1588v2PTP中，消息分为事件消息和普通消息。所有IEEE1588PTP消息具有共同的报头。事件消息是时控消息，原因在于在各个消息的发送和接收时均产生准确时间戳。事件消息必须准确地加上时间戳，这是因为发送时间戳和接收时间戳的准确性直接影响时钟分布准确性。普通消息不需要加上时间戳。在发送和接收任何事件消息时产生时间戳事件。事件消息的集合由Sync、Delay_Req、Pdelay_Req和Pdelay_Resp组成。普通消息的集合由Announce、Follow_Up、Delay_Resp、Pdelay_Resp_Follow_Up、Management和Singnaling组成。IEEE1588PTP允许两种不同的加时间戳方法：一步或者两步。一步时钟更新正在传输中的事件消息(Sync和Delay-Req)中的时间信息，而两步时钟在普通消息(Follow_Up和Delay-Resp)中传送分组的精确时间戳。Sync、Delay_Req、Follow_Up和Delay_Resp消息用于产生和传递利用延迟请求-响应机制来同步普通和边界时钟所需的定时信息。Sync消息由主装置将发送至其从装置，并且包含其发送的确切时间或者随后跟随着包含该时间的Follow_Up消息。在两步普通或边界时钟中，Follow_Up消息传递针对特定Sync消息的离开时间戳的值。Delay_Req消息是用于接收节点利用Delay_Resp消息返回接收到Delay_Req消息的时间的请求。在图1中例示了针对两步时钟的同步消息交换的基本模式。针对两步时钟的消息交换模式可解释如下。主装置1将Sync消息发送至从装置3，并且标记消息发送时间T1。从装置3接收Sync消息并且根据其本地时钟5标记接收时间T2。主装置1通过以下两种方式之一将时间戳T1传送至从装置：1)在Sync消息(未示出)中嵌入时间戳T1。这需要针对最高准确性和精确性的一些硬件处理(即，硬件加时间戳)。2)如图1所示在Follow_Up消息中嵌入时间戳T1。接着，从装置3将Delay_Req消息发送至主装置1并且标记消息发送时间T3。主装置1接收Delay_Req消息并且标记接收时间T4。主装置1通过将时间戳T4嵌入Delay_Resp消息中来将时间戳T4传送至从装置3。在该PTP消息交换的最后，从装置3具有全部四个时间戳{T1、T2、T3、T4本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种从装置，其通过网络连接至具有主时钟的主装置，其中，该从装置包括：从时钟；以及数字锁相环，该数字锁相环包括相位检测器、环路滤波器、相位累加器和计数器，其中：所述从装置被设置成：与所述主装置交换定时消息并且记录如下时间戳：根据所述主时钟从所述主装置发送所述定时消息的时间、根据所述从时钟接收所述定时消息的时间、根据所述从时钟发送所述定时消息的时间；以及根据所述主时钟接收所述定时消息的时间，根据所述时间戳估计所述从时钟相对于所述主时钟的偏斜和偏移；以及基于所估计的偏斜和偏移，使所述从时钟同步到所述主时钟，以产生主时间估计；所述数字锁相环对所述主时间估计进行如下处理：在接收到对主时间的第一估计时，所述计数器被初始化；所述相位检测器被设置成在接收对主时间的随后估计时，检测所述计数器的输出与接收到的估计之间的相位差，并且产生表示该差的误差信号；由所述环路滤波器对所述误差信号进行滤波，以产生滤波后的误差信号；使用滤波后的误差信号来控制所述相位累加器的频率；以及所述相位累加器的输出使所述计数器计数递增并且还提供同步到所述主时钟的频率的所述从时钟的时钟频率。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种从装置，其通过网络连接至具有主时钟的主装置，其中，该从装置包括：
从时钟；以及
数字锁相环，该数字锁相环包括相位检测器、环路滤波器、相位累加器和计数器，其中：
所述从装置被设置成：
与所述主装置交换定时消息并且记录如下时间戳：根据所述主时钟从所述主装置发送
所述定时消息的时间、根据所述从时钟接收所述定时消息的时间、根据所述从时钟发送所
述定时消息的时间；以及根据所述主时钟接收所述定时消息的时间，
根据所述时间戳估计所述从时钟相对于所述主时钟的偏斜和偏移；以及
基于所估计的偏斜和偏移，使所述从时钟同步到所述主时钟，以产生主时间估计；
所述数字锁相环对所述主时间估计进行如下处理：
在接收到对主时间的第一估计时，所述计数器被初始化；
所述相位检测器被设置成在接收对主时间的随后估计时，检测所述计数器的输出与接
收到的估计之间的相位差，并且产生表示该差的误差信号；
由所述环路滤波器对所述误差信号进行滤波，以产生滤波后的误差信号；
使用滤波后的误差信号来控制所述相位累加器的频率；以及
所述相位累加器的输出使所述计数器计数递增并且还提供同步到所述主时钟的频率
的所述从时钟的时钟频率。
2.根据权利要求1所述的从装置，其中，所述从装置利用所述计数器的输出作为所述从
时钟的时钟时间，所述从时钟的所述时钟时间同步到所述主时钟的时间。
3.根据权利要求1或2所述的从装置，所述从装置还包括直接数字合成器，该直接数字
合成器根据所述相位累加器的输出产生模拟频率信号，所述直接数字合成器包括：
相位累加器；
振荡器；
映射装置；以及
数模转换器。
4.根据权利要求3所述的从装置，所述从装置还包括低通滤波器，该低通滤波器被设置
成对所述直接数字合成器的输出进行滤波。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的从装置，其中，所述数字锁相环的所述计数器还
用于提供针对在所述从装置接收定时消息的时间的时间戳和从所述从装置发送定时消息
的时间的时间戳。
6.根据权利要求5所述的从装置，其中，在所述从装置从所述主装置接收到第一定时消
息时计数器被初始化，并且在接收到第一主时间估计时，所述计数器被复位至所述第一主
时间估计。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的从装置，所述从装置还包括自由运行的第二计数
器，其中，该第二计数器用于提供针对在所述从装置接收定时消息的时间的时间戳和从所
述从装置发送定时消息的时间的时间戳。
8.一种使从装置中的从时钟的时间和频率同步到通过网络连接至该从装置的主装置
中的主时钟的方法，该方法包括以下步骤：
在所述主装置与所述从装置之间交换定时消息和以下时间戳：根据所述主时钟从所述
主装置发送所述定时消息的时间、根据所述从时钟接收所述定时消息的时间、根据所述从
时钟发送所述定时消息的时间、以及根据所述主时钟接收所述定时消息的时间，
根据所述时间戳估计所述从时钟相对于所述主时钟的偏斜和偏移；以及
基于所估计的偏斜和偏移使所述从时钟同步到所述主时钟，以产生主时间估计；
使用包括相位检测器、环路滤波器、相位累加器和计数器在内的数字锁相环对上述主
时间估计进行如下处理：
在接收到对主时间的第一估计时，初始化所述计数器；
在接收到对主时间的随后估计时，使用所述相位检测器来检测所述计数器的输出与接
收到的估计之间的相位差，并且产生表示该差的误差信号；
使用所述环路滤波器对所述误差信号进行滤波，以产生滤波后的误差信号；
使用滤波后的误差信号控制所述相位累加器的频率；以及
使用所述相位累加器的输出使计数器计数递增，并且
获得同步到所述主时钟的频率的所述从时钟的时钟频率作为所述相位累加器的输出。
9.根据权利要求8所述的方法，所述方法还包括以下步骤：使用所述计...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·阿维亚，
申请(专利权)人：哈利法科学技术研究大学，英国电讯有限公司，阿联酋电信公司，
类型：发明
国别省市：阿联酋;AE