CN101083523A - 一种实现集成时间戳时钟同步锁相环的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种集成时间戳时钟同步的数字锁相环的方法及装置，首先通过时间服务器发出的对时间戳报文流S(t)中携带的时间数值作为所需的输入同步信号，并以时间服务器发出的时间戳报文抵达锁相环所在节点的时刻为记录本地时间戳R(t)的时刻，然后以本地时钟计时脉冲基准频率的本地时间戳的数值为参考输入信号，且数控震荡器根据环路滤波器滤波后的信号进行实时的调节输出脉冲的频率，最后时间戳发生/记录器根据数控振荡器(DC0)本地时钟频率输出的信号，输出节点所需的本地时间戳。通过本发明在选用较大频率漂移率、低稳定度振荡器的情况下，为分布式系统提供高准确度的时间同步。

Description

一种实现集成时间戳时钟同步锁相环的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种实现集成时间戳时钟同步锁相环的方法及装置，尤其涉及一种在计算机网络、工业测控系统、传感网络等分布式系统上实现时间同步的数字锁相环的方法及装置。

背景技术

随着分布式系统的应用日趋扩大，以及为获得更优越的系统性能，在高速无线网络、无线传感网络以及以太网中，许多应用已要求达到10μs或更高的时间同步准确度。虽然从理论上可以采用概率性时间同步算法，利用客户机-服务器模式不断重复地读取参考时间，最终使系统的时间同步达到某个确定的精确度，但在实际应用中系统规模的扩大会受到同步报文数量过度增加而带来的网络负荷、能源消耗以及计算资源占用等因素的制约。由于本地时钟所采用的振荡器、时间同步的周期以及实现时间同步的方案，对进一步提高时间同步的准确度都是至关重要的，但如果采用偏移率大、稳定度低的晶体振荡器，不仅系统各个节点的本地时钟的稳定性差，即使采用了各类时间同步措施，也很难保证系统能够达到所要求的高准确度的时间同步。相反选用偏移率小、稳定度高的振荡器无疑将使分布式应用系统的造价大幅度提高，从而极大地限制了分布式系统的应用范围。

目前在电信系统和通信网络领域实现同步所采用的数字锁相环的同步输入信号，都是从通信数据中恢复的频率信号，并用该频率信号锁定接收端的频率，使接收端的时钟频率和相位能与发送端保持一致。发明专利《频率时钟的同步化》(专利申请号：89102615.0)采用的就是这类同步技术的一个实现，该发明是一种在信息通路时钟频率与局部时钟频率之间进行频率时钟同步化用的设备，其中频率比较是由一个频率比较器在局部时钟频率源处进行，并产生出校正信号。校正信号经由公用的控制总线从频率比较器传送到局部时钟频率源。但这样的同步方式并不适用于基于交换网络的分布式系统的各个节点的时间同步。这是因为，在交换式网络中，由于所采用的网络协议，使从发送端到接收端的报文传输不具备严格的连续性，也不可能具有准确的周期性。这就使从报文的比特流中提取发送端加载的频率信号成为不可能。因此，传统的数字锁相环会因无法获得可靠的同步输入信号而无法应用于分布式系统的时间同步中。

发明专利《时钟再生电路及其所用元件》(专利申请号：95102687.9)涉及的是一种采用模拟锁相环技术实现时钟频率同步的技术。该专利公开了一种从数据信号再生数据时钟的时钟再生电路。时钟再生电路包括一个电压控制振荡器，一个相位检测器，一个频率误差检测电路以及一个电荷泵，电荷泵的输出是由相位检测器和频率误差检测器电路的输出控制的。一个从电压控制振荡器输出的VCO时钟通过包括这些元件的反馈环而与数据时钟同步。频率误差检测电路通过检测在数据信号的过渡边VCO时钟的相位变化而检测在VCO时钟与数据时钟间的频率误差。该发明虽然采用的是模拟锁相环，却同样无法适用于在交换式网络中。

现有的分布式系统的时间同步方案，主要是利用各种远端时间的读取技术，不断地获取时间服务器的标准时间，并用该时间不断地修正节点上的本地时间，使各个节点的时间能与时间服务器的标准时间达到一定精度意义上的同步。同时为了实现较高的时间同步精度，一般还会辅以相应的时间报文网络传输延迟及误差的测算技术，并以此修正所获得的标准时间。发明专利《无线局域网络时钟同步化方法与媒体存取控制器》(专利申请号：02150421.0)采用的就是上述方案。该发明专利涉及的是一种时钟同步化方法与媒体存取控制器，应用于无线局域网络中的第一节点与第二节点之间，该方法包括：第一节点向第二节点发出一个请求信号；第二节点响应该请求信号而发出一个响应信号封包，响应信号封包中包括有一个时间标记值；当第一节点收到响应信号封包时，于响应信号封包中附加一个本地时间值；以及利用第一节点的控制程序来运算出该时间标记值与本地时间值间的差值T，差值T可提供给第一节点运用，以达成第一节点与第二节点间时钟的同步化，而该媒体存取控制器的特征在于具有分别可储存差值T与下一目标标志传送时间值的差值缓存器与下一目标标志传送时间缓存器。采用这样的方案要达到较高的时间同步精度的一个必要条件，是节点的本地时钟必须具有相当高的稳定性，也就是时钟的频率偏移必须是很低的。时钟的漂移量直接限制了可能达到的时间同步精度。

在分布式系统中，如果各个节点一律采用高稳定度的时钟，不仅会迅速增大系统的建设成本，也会给系统带来额外的实现复杂性。即便是采用带最基本的温度补偿的晶体振荡器，都会使系统用在时钟上的成本大大增加，同时还会使系统时钟模块的体积大增。所有这些都是分布式系统在实现时间同步时面临的矛盾。

发明内容

鉴于上述现有技术的现状和存在的问题，本发明的目的是提供一种本发明的目的在于通过采用一种新的基于较大偏移率、低稳定度的振荡器和较低的时间同步频率(较长的时间同步周期)的时间同步算法，在选用XO或TCXO这类较大频率漂移率、低稳定度振荡器的情况下，为分布式系统提供高准确度的时间同步。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：其装置主要包括：

一鉴相器：将时间服务器发出的时间戳报文流S(t)中携带的时间数值为输入的同步信号，并以时间服务器发出的时间戳报文抵达该锁相环所在节点的时刻为记录本地时间戳R(t)的时刻，且以锁相环输出为本地时钟计时脉冲基准频率的本地时间戳的数值为参考输入信号。一环路滤波器：对鉴相器输出的信号进行滤波。一数控振荡器：接收滤波器传输的信号，并根据此信号进行实时的调节输出脉冲的频率。时间戳发生/记录器：根据数控振荡器本地时钟频率输出的信号，输出节点所需的本地时间戳。其中该鉴相器为一个集成时间戳差值计算/存储器，计算前后抵达该鉴相器的由时间服务器发出的时间戳报文所携带的时间戳数值的的差值，及计算上述两个时间戳报文抵达本节点时记录下的两个本地时间戳的差值。且鉴相器的输出经环路滤波器传输于数控振荡器，作为此数控振荡器的输出脉冲频率控制信号。

上述环路滤波器将滤除网络传输中发生的抖动，并提取本地时钟的飘移信息，根据此飘移信息对本地时钟的计时脉冲频率进行补偿。其中一数控振荡器还包括：一个晶体振荡器、一个可变分频比计数器和一个计数寄存器，由晶体振荡器输出的脉冲信号经过经过分频后产生本地时钟的计时脉冲信号，且通过改变分频来调节计时脉冲的频率。

上述时间戳发生/记录器还可以接受采用其他时间同步技术实现的时间偏移调节信息，并根据此信息调节本地时钟与时间服务器时钟之间的走时偏移。

本发明的方法包括：

首先通过对时间戳报文流中携带的时间数值作为所需的输入同步信号，并以时间戳报文抵达锁相环所在节点的时刻为记录本地时间戳的时刻，且以本地时钟计时脉冲基准频率的本地时间戳的数值为参考输入信号，并根据滤波后的信号进行实时的调节输出脉冲的频率与输出节点所需的本地时间戳。且通过网卡对广播报文进行侦听与记录，并根据记录信息，将对侦听到的时间戳报文所附带的时间戳值和时间戳的编号以及时间戳报文抵达该网卡的本地时间和时间戳的编号进行记录，并存储。然后根据时间报文到达节点的记录，计算出前后报文的数值差Δti和前后时间报文到达的本地时间差Δti L，ei，且用长度为N的滑动窗口计算出ei的平均值ui。最后根据ui的数值来调整计数寄存器的数值，使网卡上时钟的计时脉冲的频率将随着接收到的时间戳而变化，即实现节点本地时钟的频率飘移的补偿。

通过以上技术本发明所采用时间服务器广播标准时间的分布式测控系统，这样一方面可以用时间服务器发出的时间戳报文不断修正客户节点本地时钟的计时频率漂移，又可以用时间服务器发出的时间偏移报文定时调整客户节点本地时钟的时间偏移；且在客户节点比较多的应用环境下，采用本发明仍然可以保证时钟同步的有效性。

附图说明

图1为本发明系统结构图；

图2为本发明的工作原理图；

图3为本发明的数控振荡器(DCO)的内部结构图；

图4为本发明的鉴相器的内部结构图；

图5为本发明一个应用实例的系统概要图；

图6所示为图5中时间服务器发出的时间戳报文的格式；

图7为本发明的一个实现实例的概要图；

图8为图7所示的实现实例的硬件结构图；

图9为图7所示的实现实例的软件流程图。

具体实施例

本发明的具体实施例结构如图1所示。锁相环以时间服务器发出的时间戳报文流S(t)中的携带的时间数值作为数字锁相环的鉴相器的输入同步信号，用以锁相环输出为本地时钟计时脉冲基准频率的本地时间戳的数值为鉴相器的参考输入信号。所采用的每一个本地时间戳R(t)的获取时刻，对应着一个从时间服务器发出的时间戳报文抵达该锁相环所在节点的本地时钟时刻。所采用的鉴相器实际上是一个集成时间戳差值计算/存储器器。其主要是：分别计算出前后抵达该鉴相器的由时间服务器发出的时间戳报文所携带的时间戳数值的差值；计算出前述两个时间戳报文抵达本节点时所记录下的两个本地时间戳的差值。鉴相器的输出，代表了本地时钟走时节拍相对于时间服务器时钟的漂移。且报文在交互式网络中的传输延迟的抖动信息主要为高频成分，因此可被数字低通滤波器有效滤除。因此，鉴相器的输出经过一个低通环路滤波器后，反映网络传输延迟抖动的成分将被滤除掉，剩下的是反映“客户”节点本地时钟的时间漂移的成分。这样，环路滤波器的输出就可作为锁相环中的数控振荡器(DCO)的控制信号。

其数控振荡器可实时地调节计数寄存器的数值，就可以实时地调节可变分频比计数器的分频比，也就实时地调节了数控振荡器的输出脉冲的频率。由数字锁相环调节的数控振荡器的输出，经过一个时间戳发生/纪录器后，就可以根据需要输出该节点所需的本地时间戳。时间戳发生/纪录器还可以接受其他时间同步技术的时间偏移调节信息，并据此信息调节本地时钟与时间服务器时钟之间的走时偏移，从而来实现较高精度的时间同步。

图2表示了基于时间戳的时钟计时脉冲频率同步系统的原理框图，即本发明涉及的数字锁相环的原理框图。数字锁相环由鉴相器、环路滤波器、数控振荡器(DCO)和本地时间戳钟发生器四个部分构成。图中，发送端时钟以时间戳报文的形式传输给接收端，接收端上的数字锁相环利用接收到的时间戳来使本地时钟的计时脉冲频率与发送端时钟的计时脉冲频率实现同步。当接收端将来自发送端的时间戳报文与本地的时间戳进行比较后，得到误差信号，再经低通滤波器滤除高频抖动，得到控制数控振荡器计数步长的控制信号，促使数控振荡器输出节点所需计时脉冲，最终驱动本地时间戳发生器产生所需的本地时间戳。

图3表示了本发明涉及的锁相环采用的数控振荡器(DCO)的内部结构图。通常分布式系统节点的本地时钟由一个晶体振荡器和一个脉冲计数器组成，脉冲计数器用来记录晶体振荡器产生脉冲的个数。本发明涉及的锁相环采用的数控振荡器就是这样的一个系统。本地时钟的计时频率v(t)与振荡器频率f(t)之间的关系可以表示为：

v(t)＝Sgf(t)  (1)

其中S为计数器的步长，也称为时钟与振荡器频率之间的耦合系数。计时脉冲频率的调整由数控振荡器完成。本地时钟的晶体振荡器输出频率为f(t)的脉冲信号，该脉冲经过计数基数为1/S的计数器后，输出频率为v(t)＝Sf(t)的计时脉冲。其中，脉冲计数器的计数基数1/S由计数寄存器提供，且计数寄存器保存的计数基数值的大小受计数器步长控制信号调节。

图4表示了本发明涉及的锁相环采用的鉴相器的内部结构图。在图4中的数字锁相环中，当接收端节点接收到时间戳流t1，t2，t3，...，ti的时候，同时计算出每个时间戳与其随后的时间戳之间的时间差为Δti＝ti+1  -ti，计算结果存储在接收端节点上，如图3所示。尽管时间戳报文抵达接收端的时候带有一定的抖动，Δti却仍然可以精确地表示出前后两个时间戳的产生时刻的时间差。

记录接收端节点收到某个时间戳报文的本地时间(本地时间戳)同样被存储在接收端节点上，并且表示为tL1，tL2，tL3，...，tLi。前后两个本地时间戳的时间差ΔtLi表示为：

Δt_Li＝t_Li+1-t_Li

＝(t_i+1+ε_i+1+δ_i+1)-(t_i+ε_i+δ_i))

＝f_i+1-t_i+δ_i+1-δ_i+ε_i+1-ε_i

其中：

δi+1，δi是接收端节点本地时间相对于实际时间ti+1和ti.的偏差。

εi+1，εi/是在tLi+1和tLi时刻，从发送端到接收端节点的报文传输延迟。

假设在相对比较短的时间内，接收端节点本地时钟的漂移率是相同的，即σ＝0则有：

δ_i+1-δ_i＝ρ_i(t_i+1-t_i)＝ρ_i*Δt_i

定义Δεi 为时刻tLi+1和tLi以太网的抖动，即：

Δε_i＝ε_i+1-ε_i0

则：

Δt_Li＝Δt_i*(1+ρ_i)+Δε_i

ρ_i＝Δt_Li/Δt_i-1-Δε_i/Δt_i

在基于报文交换的网络环境下，发送端与接收端的延迟是不断变化的，这使时间同步过程变得相当复杂，因为变化的延迟给接收到的时间戳报文带来了可观的抖动。研究表明，网络延迟抖动的频率远远大于本地时钟的漂移。因此，鉴相器的输出误差信号只要经过一个具有低通特性环路滤波器，便可以滤除输入信号中的网络延迟抖动和噪声。由于Δεi可被数字低通滤波器有效滤除，因此低通滤波器的输出为：

u_i＝ρ_iΔt_i

上式表明ui与本地时钟的漂移率ρi是呈线型关系。当ui的数值为正数时，表明本地时钟走得比实际时钟要快，可以通过增加图2、3、4中数控振荡器的步长计数器的数值来减少式(1)中S的数值，从而降低本地时钟的走时节拍。

反之，当ui的数值为负数时，表明本地时钟走得比实际时钟要慢，可以通过减少步长计数器的数值来增加式(1)中S的数值，从而提高本地时钟的计时脉冲频率。因此，根据ui实时地调节接收端节点本地时钟的计数步长寄存器的数值，就可以达到采用时间戳报文流来补偿客户节点本地时钟漂移的目的。在图1时钟飘移和时钟偏移的同步过程框架中，时间偏移调整或补偿过程是工作在图4的数字锁相环中的本地时间戳发生器功能模块之上的。图中的本地时间戳发生器模块除了按本地时钟计时脉冲频率产生系统所需的时间戳信号外，还可以根据各种时间偏移测算方法，测算时钟的偏移量，并据此测算值对本地时钟进行修正。

图5为本发明一个应用实例的概要图。在该图中，时间服务器和对应的客户节点同处在一个支持广播的网络中(这里是一个以太网内)。时间服务器的标准时间是从一个GPS接收机上获得，其过程一般为将时间服务器的系统时间，用GPS接收机接收到的时间进行同步。时间服务器的本地时钟本身具有较高的稳定度，与GPS标准时间的同步过程，可以采用GPS接收机所提供的软件和硬件来实现。时间服务器将从GPS接收机获得的标准时间，以时间戳报文的形式，按照大致相同(不必绝对相同)的时间间隔，广播给网络中的客户节点。

时间服务器在发出广播时间戳报文的时候，在时间戳报文中加入时间戳报文标志。客户节点接收到时间戳报文后，各个节点分别调节自己本地时钟的计时脉冲频率，从而使各个客户节点的本地时钟的计时脉冲频率的漂移可以得到有效的补偿。在客户节点的网卡上，包含有本发明所描述的集成时间戳时钟同步锁相环，并由该锁相环实现稳定的本地时间。

图6所示是图5中时间服务器发出的时间戳报文的格式。时间戳报文中除了包含标准的报头和校验位外，还包含有时间戳数值、时间戳的编号和时间戳广播报文标志。客户节点根据广播报文中的时间戳广播报文标志判断该报文是否为时间戳报文。

图7是本发明的一个实现实例的概要图。该图表示的是一个客户节点所采用的专用以太网卡的一个实现实例。本网卡的实现要点是普通以太网卡的物理层和MAC(Media Access Control访问控制层)之间，插入用本发明所描述的集成时间戳时钟同步锁相环实现一个时间同步模块。对于采用该网卡的客户节点，如果接收到的是普通的报文，则报文将从网卡的物理层直接转发到MAC层，然后通过网卡的RCI接口传输到客户节点的应用系统中。

当从时间服务器发出的时间戳报文抵达客户节点的网卡时，时间戳报文从RJ45口、经过网卡的MAC层抵达网卡上的一个大规模可编程集成模块。网卡上的这个大规模可编程集成模块用来实现图1所示的全部功能，即根据所接收到的时间戳报文，实时地修正本地时钟的计时脉冲频率。客户节点的本地时钟由该网卡上的时钟提供，客户节点可以访问该时钟的数值，也可以实时地设置该时钟的当前数值(即偏移调整)。

图8是图7所示的实现实例的关于本发明的集成时间戳时钟同步锁相环硬件组成简图。该图所示的硬件部分，处于图7所示网卡的物理层和MAC(访问控制层)层之间。在微处理器的控制下，在时间同步报文被截取和存储的同时也获取并存储了相对应的本地时间戳。时间同步报文从网卡的RJ45口经过网卡的物理层，再经过图8的I/O接口被微处理器读取和存储。本地时间戳则通过网卡内部的总线，从时间发生器中读取。时间发生器的时钟数值不仅可以被读出，而且还可以被写入。对时间发生器的时钟数值的写入过程，实际上就是对本地时钟的偏移量进行调整的过程。

图9是图7所示的实现实例的软件流程图。当客户节点的网卡完成系统的初始化后，网卡就开始不断地侦听广播端口。当侦听到广播报文后，就将该报文接收下来。接着网卡判断该广播报文是否包含有时间戳信息，如果不是时间戳报文，则网卡上的时间同步不对该报文进行处理。如果是时间戳报文，则(1)将该时间戳报文带来的时间戳值和时间戳的编号一起存储起来，(2)将该时间戳报文抵达该网卡的本地时间和时间戳的编号记录并一起存储起来。然后根据图4所示的办法，计算出前后时间报文的数值差Δti和计算出前后时间报文的到达的本地时间差Δti L，ei。然后用长度为N的滑动窗口计算出ei的平均值ui。网卡上的数控振荡器(图3所示)接着根据ui的数值，调整计数寄存器的数值，这样网卡上时钟的计时脉冲的频率就将随着接收到的时间戳而变化，从而实现对客户节点本地时钟的频率漂移的补偿。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1、一种实现时间同步的数字锁相环的装置，其特征在于，包括：

A一鉴相器：将时间服务器发出的时间戳报文流S(t)中携带的时间数值为输入的同步信号，并以时间服务器发出的时间戳报文抵达该锁相环所在节点的时刻为记录本地时间戳R(t)的时刻，且以锁相环输出为本地时钟计时脉冲基准频率的本地时间戳的数值为参考输入信号；

B一环路滤波器：对鉴相器输出的信号进行滤波；

C一数控振荡器(DCO)：接收滤波器传输的信号，并根据此信号进行实时的调节输出脉冲的频率；

D时间戳发生/记录器：根据数控振荡器本地时钟频率输出的信号，输出节点所需的本地时间戳。

2、根据权利要求1所述实现时间同步的数字锁相环的装置，其特征在于，步骤A还包括：

该鉴相器为一个集成时间戳差值计算/存储器，计算前后抵达该鉴相器的由时间服务器发出的时间戳报文所携带的时间戳数值的的差值，及计算上述两个时间戳报文抵达本节点时记录下的两个本地时间戳的差值。

3、根据权利要求1所述实现时间同步的数字锁相环的装置，其特征在于，步骤B还包括：该环路滤波器将滤除网络传输中发生的抖动，并提取本地时钟的飘移信息，根据此飘移信息对本地时钟的计时脉冲频率进行补偿。

4、根据权利要求1所述述实现时间同步的数字锁相环的装置，其特征在于，一数控振荡器还包括：一个晶体振荡器、一个可变分频比计数器和一个计数寄存器，其中晶体振荡器输出的脉冲信号经过经过分频后产生本地时钟的计时脉冲信号，且通过改变分频来调节计时脉冲的频率。

5、根据权利要求1所述述实现时间同步的数字锁相环的装置，其特征在于，其步骤D还包括：该时间戳发生/记录器还可以接受采用其他时间同步技术实现的时间偏移调节信息，并根据此信息调节本地时钟与时间服务器时钟之间的走时偏移。

6、根据权利要求2所述实现时间同步的数字锁相环的装置，其特征在于，上述鉴相器的输出经环路滤波器传输于数控振荡器，作为此数控振荡器的输出脉冲频率控制信号。

7、一种实现时间同步的数字锁相环的方法，其特征在于，包括：

通过对时间戳报文流中携带的时间数值作为所需的输入同步信号，并以时间戳报文抵达锁相环所在节点的时刻为记录本地时间戳的时刻，且以本地时钟计时脉冲基准频率的本地时间戳的数值为参考输入信号，并根据滤波后的信号进行实时的调节输出脉冲的频率与输出节点所需的本地时间戳。

8、根据权利要求7所述实现时间同步的数字锁相环的方法，其特征在于，包括通过网卡对广播报文进行侦听与记录，并根据记录信息，将对侦听到的时间戳报文所附带的时间戳值和时间戳的编号以及时间戳报文抵达该网卡的本地时间和时间戳的编号进行记录，并存储。

9、根据权利要求8所述实现时间同步的数字锁相环的方法，其特征在于，包括根据时间报文到达节点的记录，计算出前后报文的数值差Δti和前后时间报文到达的本地时间差Δti L，ei，且用长度为N的滑动窗口计算出ei的平均值ui。

10、根据权利要求9所述实现时间同步的数字锁相环的方法，其特征在于，根据ui的数值来调整计数寄存器的数值，使网卡上时钟的计时脉冲的频率将随着接收到的时间戳而变化，即实现节点本地时钟的频率飘移的补偿。

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