一种面向分布式应用的采样时钟同步系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种面向分布式应用的采样时钟同步系统及方法，属于海洋仪器领域，所述系统包括第一时钟源、第二时钟源、基准秒脉冲、逻辑控制部分和采样时钟；所述的第一时钟源、第二时钟源分别提供与期望频率在给定温度范围内的误差绝对正偏和绝对负偏的两个时钟信号；所述的基准秒脉冲：作为同步参考基准，来自包括GPS、北斗等模块在内的秒脉冲输出；所述的逻辑控制部分：以基准秒脉冲为参考，对输出采样时钟进行动态跟踪调整，确保采样时钟频率持续无限接近期望理论值。本发明专利技术系统以基准秒脉冲为参考，通过对输出采样时钟进行脉冲级别的精确控制，确保长期工作状态下采样时钟频率无限接近期望理论值，从而实现分布式节点之间长时间持续同步采样。

【技术实现步骤摘要】
一种面向分布式应用的采样时钟同步系统及方法
本专利技术属于海洋仪器领域，具体为一种面向分布式应用的采样时钟同步系统及方法。
技术介绍
水下声学目标定位与跟踪一直受到广泛的关注。随着水面无人艇、水下自主机器人、水下滑翔机、波浪滑翔器等无人自主平台的发展，基于多点的分布式水声检测、定位与跟踪成为研究的热点。然而对分布式的节点采集的水声信号进行相干处理，必须解决不同节点之间水声信号长时间持续同步采样的问题。水声信号采样系统中，输出采样信号的数模变换器件A/D工作速率通常受采样时钟控制，经过若干个采样时钟周期会产生一个样点数据。采样时钟通常由晶振产生，由于受到生产工艺的限制，晶振的实际频率与理论期望值会有一定的偏差，偏差值通常约为0.5～20ppm。因此，分布式节点采用不同的晶振在连续采样的情况下，随着时间的推移分布式节点之间时间误差的积累会越来越大，对应样点的数量也会差得越来越多，使得采样信号同步变得非常困难，无法满足多节点信号相干处理的需求。现有水声探测分布式节点之间采样时钟同步的方法包括：1.采用高精度原子钟。原子钟的同步有效期短，只有2到3天，不适合长时间的工作；另外，原子钟还存在对钟流程繁琐、成本高以及功耗大等问题。2.采用基于GPS驯服的压控振荡器。GPS的秒脉冲信号具备较好的长期稳定性，但是压控振荡器采用模拟电压的方式进行频率控制，受到电压精度和稳定性的限制，振荡器的输出频率无法精确调整。因此，随着时间的推移仍然会导致分布式节点之间采样数据在时间上的不可控偏差。专利
技术实现思路
本专利技术提出一种面向分布式应用的采样时钟同步系统及方法，所述方法基于基准秒脉冲(通常来自GPS或者北斗等模块的秒脉冲输出)、两个频率绝对误差反向偏离的时钟源并结合一定的逻辑控制，实现分布式节点之间采样数据的长时间持续同步。一种面向分布式应用的采样时钟同步系统，所述系统包括第一时钟源、第二时钟源、基准秒脉冲、逻辑控制部分和采样时钟；所述的第一时钟源、第二时钟源分别提供与期望频率在给定温度范围内的误差绝对正偏和绝对负偏的两个时钟信号，具体可以是普通有源晶振、温补晶振、恒温晶振以及其他时钟源等。所述的基准秒脉冲：作为同步参考基准，来自包括GPS、北斗等模块在内的秒脉冲输出；所述的逻辑控制部分：以基准秒脉冲为参考，对输出采样时钟进行动态跟踪调整，确保采样时钟频率持续无限接近期理论望值。逻辑控制部分包含硬件FPGA以及对应的逻辑实现；进一步，所述的逻辑控制部分包括3个模块，分别为选择器、相位同步单元和跟踪控制模块；所述的选择器根据输入指示实现在两个时钟信号之间进行无缝切换，切换过程在两个时钟信号都为低电平的时候完成，确保不会出现多余脉冲、毛刺以及大幅度的相位抖动；所述的相位同步单元包括锁相环、延时控制模块和两个延时器；第一时钟源的输入时钟信号经过锁相环生产一个高倍频时钟，作为延时控制模块的工作时钟；延时控制模块对第一时钟源和第二时钟源输入的时钟信号进行延时控制，当前被选择器选中输出的一路时钟信号相位固定不变，另外一路时钟信号的延时需要动态调整以跟随选中一路，两路输入到选择器的时钟脉冲信号下降沿始终接近对齐，从而确保选择器在低电平切换时不会产生多余脉冲及毛刺；所述的跟踪控制模块包含脉冲计数器、通道切换控制器和误差消除计算器，脉冲计数器以基准秒脉冲为参考在一个计算周期(通常为若干个基准脉冲周期)内对第一时钟源和第二时钟源的输出时钟的脉冲以及采样时钟的脉冲进行计数；由误差消除计算器根据当前周期的计数结果以及累计误差进行运算，决定下一个计算周期的时钟选择策略；最后由通道切换控制器在误差消除计算器给定的时间点完成选择器的具体路径切换，最终实现输出时钟信号频率以基准秒脉冲为参考无限接近期望理论值。本专利技术还提供所述系统的运行方法，具体的工作流程描述如下：这里以计算周期为一个基准秒脉冲周期为例，给定一个期望频率F，则在一个基准秒脉冲周期内的输出脉冲个数C满足C＝F；通过筛选找到第一时钟源，其输出时钟频率正偏(F+δ1)，以及第二时钟源其输出时钟频率负偏(F-δ2)，两者也可以互换，即第一时钟源输出时钟频率负偏(F-δ2)，第二时钟源输出时钟频率正偏(F+δ1)，因此这两路时钟源在一个基准秒脉冲周期内理论输出脉冲个数为：C(+)＝F+δ1——第一时钟源一个基准秒脉冲周期内的输出脉冲个数C(-)＝F-δ2——第二时钟源一个基准秒脉冲周期内的输出脉冲个数δ1、δ2为晶振的常规误差，其相对于F的比值一般小于20ppm。如果将两路时钟源在一个基准秒脉冲周期内进行时间上线性组合，则最终输出采样时钟的脉冲个数为：C(k)＝k*C(+)+(1-k)*C(-)C(k)为脉冲个数，确定k值即可输出采样时钟脉冲数量实现精准控制，这里k满足0≤k≤1，其实际意义为进行输出通道切换的时间点；当然由于时钟源的输出时钟频率是动态变化的，因此k值也需要根据当前的时钟频率和累计误差动态调整，从而实现采样时钟频率以基准秒脉冲为参考无限接近期望值F。1)定义以下变量(假设系统从0时刻开始工作)：C(+)n:第n个基准秒脉冲周期内第一时钟源的输出时钟脉冲个数；C(-)n:第n个基准秒脉冲周期内第二时钟源的输出时钟脉冲个数；Cn:第n个基准秒脉冲周期内采样时钟脉冲个数；上述三个值在每一个基准秒脉冲周期结束时由脉冲计数器通过计数得到，因此第n个基准秒脉冲周期内采样时钟脉冲个数与期望值的偏差为：△n＝Cn–C；C为采样时钟期望脉冲数从0时刻起，采样时钟输出的脉冲个数与期望总数的累计偏差为：n为当前已完成的基准秒脉冲周期数2)通过C(+)1～C(+)n对C(+)n+1进行对下一个基准脉冲周期进行预测，通用的函数如下：C(+)’n+1＝f(C(+)1,C(+)2,…C(+)n)，C(+)’n+1表示第n+1基准脉冲周期内第一时钟源的输出时钟脉冲个数的预估值；同样，对第二时钟源的输出时钟脉冲有如下预测：C(-)’n+1＝f(C(-)1,C(-)2,…C(-)n)，C(-)’n+1表示第n+1基准脉冲周期内第二时钟源的输出时钟脉冲个数的预估值；预测函数f(X1,X2,…,Xn)会根据有源晶振的类型以及环境因素进行相应的调整，一种通用的做法就是求平均值，其表达式如下：X’n+1＝(1/n)(X1+X2+···+Xn)3)根据△(n)、C(+)’n+1、C(-)’n+1可以确定下一个基准脉冲周期的切换策略，由于下一个基准脉冲周期输出的采样时钟脉冲需要抵消掉前面的误差，所以期望的采样时钟脉冲数应该是：C‘n+1＝C-△(n),C‘n+1表示第n+1个基准秒脉冲周期期望的采样时钟脉冲数根据C‘n+1个时钟脉冲应该持续一个基准秒脉冲周期的原则，可以得到如下的结果，如果第n个基准脉冲周期结束后选择器选通的是第一时钟源，那么第n+1个基准脉冲周期的切换时刻为：...

【技术保护点】
1.一种面向分布式应用的采样时钟同步系统，其特征在于所述系统包括第一时钟源、第二时钟源、基准秒脉冲、逻辑控制部分和采样时钟；/n所述的第一时钟源、第二时钟源分别提供与期望频率在给定温度范围内误差绝对正偏和误差绝对负偏的两个时钟信号，具体可以是普通有源晶振、温补晶振、恒温晶振以及其他时钟源等；/n所述的基准秒脉冲：作为同步参考基准，来自包括GPS、北斗等模块在内的秒脉冲输出；/n所述的逻辑控制部分：以基准秒脉冲为参考，对输出采样时钟进行动态跟踪调整，确保采样时钟频率持续无限接近期理论望值；逻辑控制部分包含硬件FPGA以及对应的逻辑实现。/n

【技术特征摘要】
1.一种面向分布式应用的采样时钟同步系统，其特征在于所述系统包括第一时钟源、第二时钟源、基准秒脉冲、逻辑控制部分和采样时钟；
所述的第一时钟源、第二时钟源分别提供与期望频率在给定温度范围内误差绝对正偏和误差绝对负偏的两个时钟信号，具体可以是普通有源晶振、温补晶振、恒温晶振以及其他时钟源等；
所述的基准秒脉冲：作为同步参考基准，来自包括GPS、北斗等模块在内的秒脉冲输出；
所述的逻辑控制部分：以基准秒脉冲为参考，对输出采样时钟进行动态跟踪调整，确保采样时钟频率持续无限接近期理论望值；逻辑控制部分包含硬件FPGA以及对应的逻辑实现。


2.根据权利要求1所述的一种面向分布式应用的采样时钟同步系统，所述的逻辑控制部分包括3个模块，分别为选择器、相位同步单元和跟踪控制模块；
所述的选择器根据输入指示实现在两个时钟信号之间进行无缝切换，切换过程在两个时钟信号都为低电平的时候完成，确保不会出现多余脉冲、毛刺以及大幅度的相位抖动；
所述的相位同步单元包括锁相环、延时控制模块和两个延时器；第一时钟源的输入时钟信号经过锁相环生产一个高倍频时钟，作为延时控制模块的工作时钟；延时控制模块对第一时钟源和第二时钟源输入的时钟信号进行延时控制，当前被选择器选中输出的一路时钟信号相位固定不变，另外一路时钟信号的延时需要动态调整以跟随选中一路，两路输入到选择器的时钟脉冲信号下降沿始终接近对齐，从而确保选择器在低电平切换时不会产生多余脉冲及毛刺；
所述的跟踪控制模块包含脉冲计数器、通道切换控制器和误差消除计算器，脉冲计数器以基准秒脉冲为参考在一个计算周期内对第一时钟源和第二时钟源的输出时钟的脉冲以及采样时钟的脉冲进行计数；由误差消除计算器根据当前周期的计数结果以及累计误差进行运算，决定下一个计算周期的时钟选择策略；最后由通道切换控制器在误差消除计算器给定的时间点完成选择器的具体路径切换，最终实现输出时钟信号频率以基准秒脉冲为参考无限接近期望理论值。


3.权利要求1或2所述一种面向分布式应用的采样时钟同步系统的运行方法，具体的工作流程描述如下：以计算周期为一个基准秒脉冲周期为例，给定一个期望频率F，则在一个基准秒脉冲周期内的输出脉冲个数C满足C＝F；
通过筛选找到第一时钟源，其输出时钟频率正偏为F+δ1，以及第二时钟源其输出时钟频率负偏为F-δ2，两者也可以互换，即第一时钟源输出时钟频率负偏为F-δ2，第二时钟源输出时钟频率正偏为F+δ1，因此，这两路时钟源在一个基准秒脉冲周期内理论输出脉冲个数为：
C(+)＝F+δ1——第一时钟源一个基准秒脉冲周期内的输出脉冲个数
C(-)＝F-δ2——第二时钟源一个基准秒脉冲周期内的输出脉冲个数
δ1、δ2为晶振的常规误差，其相对于F的比值小于20ppm；
如果将两路时钟源在一个基准秒脉冲周期内进行时间上线性组合，则最终输出采样时钟的脉冲个数为：
C(k)＝k*C(+)+(1-k)*C(-)
其中，C(k)为脉冲个数，确定k值即可输出采样时钟脉冲数量实现精准控制，这里k满足0≤k≤1，其实际意义为进行输出通道切换的时间点；当然由于时钟源的输出时钟频率是动态变化的，因此k值也需要根据当前的时钟频率和累计误差动态调整，从而实现采样...

【专利技术属性】
技术研发人员：颜曦，陆欢佳，董武文，
申请(专利权)人：杭州锐讯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33