CN101848076B

CN101848076B - 一种时钟信号维持方法和装置

Info

Publication number: CN101848076B
Application number: CN 201010166839
Authority: CN
Inventors: 葛芷斌; 鲁雪峰
Original assignee: New Postcom Equipment Co Ltd
Current assignee: Beijing Haiyun Technology Co ltd
Priority date: 2010-05-10
Filing date: 2010-05-10
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2030-05-10
Also published as: CN101848076A

Abstract

本发明公开了一种时钟信号维持方法和装置。所述方法包括：以全球定位系统GPS的秒脉冲信号为参考，根据公式DAC＝DAC′+k1×Δfreq对晶振进行调节，直至晶振的时钟频率达到标称值，然后根据公式DAC＝DAC″+k2×Δphase对晶振进行调节；记录关于时间点t、温度T和晶振的调节值DAC的n组数据；在GPS的秒脉冲信号失效时，根据公式DAC＝aT+bt+DAC_HV对晶振进行调节，以维持晶振的时钟频率。本发明的技术方案在相同条件下，能够大大延长时钟的维持时间。

Description

一种时钟信号维持方法和装置

技术领域

本发明设计通信技术领域，特别是涉及一种时钟信号维持方法和装置。

背景技术

在时分复用同步码分多址(TD-SCDMA，Time DivisionSynchronous CDMA)系统中，不同基站的5ms上下行开关控制信号要求严格的同步，不同基站的时钟源需要很严格同频同相特性，因此需要时钟算法保障频率和相位的锁定，以实现理想的跟踪锁定特性。

当恶劣天气出现，或者上级全球定位系统(GPS，Global PositionSystem)参考信号丢失时，基站在一定时间内需要有时钟算法维持系统时钟频率和相位稳定度，可以在一定时间内继续提供通话等业务。

图1是现有基站中的时钟源的组成结构示意图。如图1所示，GPS模块接收GPS信号，并将GPS产生的秒脉冲(1PPS，1Pulse PerSecond)信号送到鉴相器(PD)。PD对炉温控制晶体振荡器(OCXO，Oven Controlled Crystal Oscillator)输出的时钟和GPS模块输出的1PPS进行鉴相，用鉴相的结果控制OCXO的压控调整端，调整OCXO的输出频率，使得OCXO输出的时钟能锁定GPS。在GPS参考丢失时，锁定模数转换器(DAC，Digital to Analog Converter)的值，利用OCXO自身的精度完成时钟的维持。

可见，在现有技术中，当GPS参考丢失后，依靠时钟源的稳定度达到时分双工(TDD，Time Division Dual)信号响应时间的稳定度。例如，现有的TD-SCDMA系统要求24小时维持精度为±1.5us，如使用通用的10MHz的OCXO，需要的时钟精度为1.7×10^-11。而达到这样精度的时钟(即晶振)的造价是非常高的，而如果使用精度地的时钟，则所能维持的时间较短。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种时钟信号维持方法，该方法在相同条件下，能够大大延长时钟的维持时间。

本发明还提供了一种时钟信号维持装置，该装置在相同条件下，能够大大延长时钟的维持时间。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明公开了一种时钟信号维持方法，该方法包括：

以全球定位系统GPS的秒脉冲信号为参考，根据公式(1)对晶振进行调节，直至晶振的时钟频率达到标称值，然后根据公式(2)对晶振进行调节；

DAC＝DAC′+k1×Δfreq 公式(1)；

DAC＝DAC″+k2×Δphase 公式(2)；

其中，DAC是晶振的当前调节值，DAC′是晶振的上一次调节值，Δfreq是第一指定长度时间内的平均频率计数差，DAC″是晶振的时钟频率达到标称值时的调节值，Δphase是第二指定长度时间内的平均相位计数差，k1和k2是常数；

记录关于时间点t、温度T和晶振的调节值DAC的n组数据；n为大于或等于3的自然数；

将所述记录的n组数据带入公式(3)，计算出温度参数a、时间参数b和参考调节参数DAC_HV的值；

DAC＝aT+bt+DAC_HV 公式(3)；

在GPS的秒脉冲信号失效时，将温度参数a、时间参数b和参考调节参数DAC_HV以及当前时间点t和当前温度T带入公式(3)得到当前晶振调节值DAC，根据所得到的当前晶振调节值DAC对晶振进行调节，以维持晶振的时钟频率。

本发明还公开了一种时钟信号维持装置，该装置包括：GPS接收单元、晶振、核心处理单元、数模转换器、时钟锁相环、频率计数单元和相位检测单元，其中：

GPS接收单元，用于接收GPS产生的秒脉冲信号，并将GPS的秒脉冲信号发送到频率计数单元和相位检测单元；

晶振，用于输出时钟信号；

时钟锁相环，用于以晶振的时钟信号为参考，产生指定频率的本地时钟，并将本地时钟发送到频率计数单元和相位检测单元；

频率计数单元，用于以GPS的秒脉冲为参考，对来自时钟锁相环的本地时钟进行计数，并将计数值发送给核心处理单元；

相位检测单元，用于根据来自时钟锁相环的本地时钟产生本地的秒脉冲信号，以GPS的秒脉冲信号的上升沿为基准，用本地时钟采集本地的秒脉冲信号上升沿到GPS的秒脉冲信号上升沿的计数值，将计数值发送给核心处理单元；

核心处理单元，用于根据来自频率计数单元的计数值获得第一指定长度时间内的本地时钟的平均频率计数差Δfreq，根据来自相位检测单元的计数值获得第二指定长度时间内的平均相位计数差Δphase；用于根据公式(1)计算出晶振调节值DAC输出给数模转换器，直至晶振的时钟频率达到标称值，然后根据公式(2)计算出晶振调节值DAC输出给数模转换器；用于记录关于时间点t、温度T和晶振的调节值DAC的n组数据，n为大于或等于3的自然数，将所述记录的n组数据带入公式(3)，计算出温度参数a、时间参数b和参考调节参数DAC_HV的值；用于在GPS的秒脉冲信号失效时，将温度参数a、时间参数b和参考调节参数DAC_HV以及当前时间点t和当前温度T带入公式(3)得到晶振调节值DAC输出给数模转换器；

DAC＝DAC′+k1×Δfreq 公式(1)；

DAC＝DAC″+k2×Δphase 公式(2)；

DAC＝aT+bt+DAC_HV 公式(3)；

其中，DAC是晶振的当前调节值，DAC′是晶振的上一次调节值，DAC″是晶振的时钟频率达到标称值时的调节值，k1和k2是常数；

数模转换器，用于接收核心处理单元输出的晶振调节值DAC，进行数模转换处理，用所得到的模拟信号对晶振进行调节。

由上述可见，本发明这种以全球定位系统GPS的秒脉冲信号为参考，根据公式(1)对晶振进行调节，直至晶振的时钟频率达到标称值，然后根据公式(2)对晶振进行调节；记录关于时间点t、温度T和晶振的调节值DAC的n组数据；n为大于或等于3的自然数；将所述记录的n组数据带入公式(3)，计算出温度参数a、时间参数b和参考调节参数DAC_HV的值；在GPS的秒脉冲信号失效时，将温度参数a、时间参数b和参考调节参数DAC_HV以及当前时间点t和当前温度T带入公式(3)得到当前晶振调节值DAC，根据所得到的当前晶振调节值DAC对晶振进行调节，以维持晶振的时钟频率的技术方案，在相同条件下，能够大大延长时钟的维持时间。

附图说明

图1是现有基站中的时钟源的组成结构示意图；

图2是本发明实施例一种时钟信号维持装置的组成结构图

图3是本发明实施例的维持基站时钟稳定度的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

图2是本发明实施例一种时钟信号维持装置的组成结构图。如图2所示，该装置包括：GPS接收单元201、频率计数单元202、相位检测单元203、晶振204、时钟锁相环205、核心处理单元206和数模转换器207。其中：

GPS接收单元201，用于接收GPS产生的秒脉冲(1PPS)信号，并将GPS的秒脉冲信号发送到频率计数单元202和相位检测单元203。

晶振204，用于输出时钟信号；这里晶振是晶体振荡器的简称，具体可以为炉温控制晶体振荡器OCXO；

时钟锁相环205，用于以晶振204的时钟信号为参考，产生指定频率的本地时钟，并将本地时钟发送到频率计数单元202和相位检测单元203。在本实施例中，时钟锁相环205产生的本地时钟的频率为61.44MHz。

频率计数单元202，用于以GPS的秒脉冲为参考，对来自时钟锁相环205的本地时钟进行计数，并将计数值发送给核心处理单元206。在本实施例中，频率计数单元202以GPS的秒脉冲的上升沿为参考，对来自锁相环的61.44MHz本地时钟进行计数，即记录在GPS秒脉冲的一个时钟周期内(即1秒内)有多少个本地时钟周期。

相位检测单元203，用于根据来自时钟锁相环205的本地时钟产生本地的秒脉冲信号，以GPS的秒脉冲信号的上升沿为基准，用本地时钟采集本地的秒脉冲信号上升沿到GPS的秒脉冲信号上升沿的计数值，将计数值发送给核心处理单元206。即在本实施例中，相位检测单元203采集本地的秒脉冲信号上升沿到GPS的秒脉冲信号上升沿的时间段内的本地时钟周期数。

核心处理单元206，用于根据频率检测单元202和相位检测单元203的计数值计算出晶振的调节值发送给数模转换器207。

数模转换器207，用于接收核心处理单元输出的晶振调节值DAC，进行数模转换处理，用所得到的模拟信号对晶振进行调节。

在图2所示的装置中，核心处理单元206承担了主要的晶振调节工作。核心处理单元206对晶振时钟信号的调节包括两个部分：有GPS参考时的晶振调节和GPS参考失效后的晶振调节，下面详细说明：

1、有GPS参考时的晶振调节

当GPS的秒脉冲信号可用时，核心处理单元206对晶振的调节又包括频率调节锁定阶段和相位调节锁定阶段。

频率调节锁定阶段：晶振在预热阶段会逐渐靠近标称的频率，但本地的1PPS和GPS的1PPS上升沿的相位会相差很大，因此在开始跟踪参考的阶段需要将频率误差缩减到很小的范围，即将本地1PPS和GPS的1PPS上升沿靠近到很小的范围，为后期调相做好基础。

在频率调节锁定阶段，核心处理单元206根据公式(1)计算出晶振调节值DAC输出给数模转换器207。

DAC＝DAC′+k1×Δfreq 公式(1)；

其中，DAC是晶振的当前调节值，DAC′是晶振的上一次调节值，Δfreq是第一指定长度时间内的平均频率计数差，k1是晶振调节系数。

在本实施例中第一指定长度时间取120秒，即核心处理单元206根据来自频率计数单元202的计数值获得120秒内的本地时钟的平均频率计数差Δfreq。这里本地时钟的平均频率计数差，是指本地时钟的实际频率与标称频率之间的差。

晶振调节系数k1的计算方法为：用调节值R1调节晶振，在晶振稳定后，以GPS的秒脉冲信号为参考，记录120秒内的本地时钟的频率计数差COUNT1；用调节值R2调节晶振，在晶振稳定后，以GPS的秒脉冲信号为参考，记录120秒内的本地时钟的频率计数差COUNT2；则k1＝(R1-R2)/(COUNT1-COUNT2)；

当本地时钟的平均频率计数差为0，即本地时钟在120秒内的实际计数值和标称值之间的差为0时，进入相位调节锁定阶段。

在相位调节锁定阶段，核心处理单元206根据公式(2)计算出晶振调节值DAC输出给数模转换器207。

DAC＝DAC″+k2×Δphase 公式(2)；

其中，DAC是晶振的当前调节值，DAC″是晶振的时钟频率达到标称值时的调节值，Δphase是第二指定长度时间内的平均相位计数差，k2晶振调节系数；

在本实施例中第二指定长度时间取30秒，即核心处理单元206根据来相位检测单元的计数值获得30秒内的本地时钟的平均相位计数差Δphase。这里前30秒内本地时钟的平均相位计数差，可以通过滑动窗的方式进行计算，每滑动一秒计算一次。晶振调节系数k2取4。

在有GPS参考的情况下，使用上述的公式(2)对晶振进行调节，可以将本地的1PPS信号上升沿与GPS的1PPS上升沿锁定到±1个61.44MHz时钟周期之内。

当前30秒的平均限位差大于等于6个61.44MHz的时钟周期时重新进入频率调节锁定阶段，根据前120秒的频率计数差重新跟踪GPS参考，当前120秒的频率计数差再次为0时重新返回相位调节锁定阶段，如此循环。

2、无GPS参考时的晶振频率的维持

当基站的GPS卫星丢失后，会失去1PPS参考时钟，因此需要一定的算法来实现维持本地晶振的频率稳定度。影响晶振频率稳定度的因素很多，在本发明实施例中考虑的主要的两大影响因素：时间和温度。

本发明实施例中核心处理单元206采用如下的公式(3)来计算GPS参考丢失后的晶振调节值：

DAC＝aT+bt+DAC_HV 公式(3)；

其中，t是某个时间点，DAC是t时刻的晶振调节值，a是温度参数，b是时间参数，T是t时刻的温度值，DAC_HV是参考调节参数。

为了确定温度参数a、时间参数b和参考调节参数DAC_HV的值，核心处理单元206还需要记录GPS参考丢失前的若干小时内的关于时间点t、温度T和晶振的调节值DAC的n组数据：{t_i，T_i，DAC_i}，i＝1，2，...，n。其中，DAC_i是t_i时刻的晶振调节值，T_i是t_i时刻的温度。

核心处理单元206将上述记录的n组数据带入公式(3)可得：

\{\begin{matrix} {DAC}_{1} = {aT}_{1} + {bt}_{1} + {DAC}_{HV} \\ {DAC}_{2} = {aT}_{2} + {bt}_{2} + {DAC}_{HV} \\ . . . . . . \\ {DAC}_{n} = {aT}_{n} + {bt}_{n} + {DAC}_{HV} \end{matrix} &DoubleRightArrow; (\begin{matrix} {DAC}_{1} \\ {DAC}_{2} \\ . . . . . . \\ {DAC}_{n} \end{matrix}) = (\begin{matrix} T_{1} & t_{1} & 1 \\ T_{2} & t_{2} & 1 \\ . . . & . . . & 1 \\ T_{n} & t_{n} & 1 \end{matrix}) (\begin{matrix} a \\ b \\ {DAC}_{HV} \end{matrix})

则，

(\begin{matrix} a \\ b \\ {DAC}_{HV} \end{matrix}) = {[A^{T} A]}^{- 1} A^{T} Y

公式(4)

其中，

t₁，t₂，...，t_n为采样样本时间，T₁，T₂，...，T_n为采样时间对应的温度，DAC₁，DAC₂，...，DAC_n为采样点对应的晶振调节值，n为采样个数。

可见，根据有GPS时所记录的n组采样数据以及公式(4)，可以计算出温度参数a、时间参数b和参考调节参数DAC_HV的值。

由于GPS参考丢失时的工作温度与前期的有GPS参考时的工作温度可能存在较大的差别，在本发明的实施例中还进一步对参考调节参数DAC_HV进行误差校正，具体为：

核心处理单元206，进一步用于取已记录数据中在时间上最靠近GPS的秒脉冲信号失效的时间点的n1组关于时间点t、温度T和晶振的调节值DAC的数据，即这n1组数据是所记录数据中的最后n1组数据；将温度参数a、时间参数b和参考调节参数DAC_HV以及所述n1组数据中的时间点t和温度T分别带入公式(3)得到n1个调节值，将该n1个调节值与所述n1组数据中的n1个调节值DAC进行比较，得到平均调节偏差值ΔDAC，根据公式DAC_HV＝DAC_HV+ΔDAC对参考调节参数DAC_HV进行修正。则利用公式(3)计算GPS丢失后的晶振调节值时的采用修正后的DAC_HV值。

可见，在基站的GPS参考时钟失效后，将所计算出的将温度参数a、时间参数b和参考调节参数DAC_HV以及当前时间和当前温度带入公式(3)就可以计算出当前时间点的实际晶振调节值。

图3是本发明实施例的维持基站时钟稳定度的流程图。如图3所示，当晶振所在的板卡上电后，维持基站时钟稳定度的软件流程包括以下步骤：

步骤301，判断晶振所在板卡是上电启动还是热启动，如果是上电启动，则执行步骤302，如果是热启动则直接执行步骤303。

步骤302，对晶振进行预热处理。本发明的一个实施例中可以对晶振预热15分钟。

步骤303，检测GPS的秒脉冲信号是否可用，是则执行步骤304，否则等待，直至GPS信号可用。

步骤304，利用GPS的秒脉冲信号检测晶振的输出是否可以调整到标称值，是则执行步骤305，否则报告错误。

步骤305，检测晶振的频率是否达到标称频率，是则执行步骤307，否则执行步骤306。

步骤306，以GPS的秒脉冲信号为参考，根据公式(1)对晶振进行调节，返回步骤305。

步骤307，以GPS的秒脉冲信号为参考，根据公式(2)对晶振进行调节。

步骤308，记录关于时间点t、温度T和晶振的调节值DAC的一组数据。

步骤309，判断所参考的GPS秒脉冲信号是否可用，是则返回步骤307，否则执行步骤310。

步骤310，启动维持定时器，将所记录的时间点t、温度T和晶振的调节值DAC的n组数据带入公式(4)计算出温度参数a、时间参数b和参考调节参数DAC_HV，并对DAC_HV进行修正。

步骤311，根据公式(3)对晶振进行调节。

步骤312，判断参考GPS是否恢复，是则返回步骤307，否则执行步骤313。

步骤313，判断维持定时器是否超时，是则退出维持程序，进入异常模式，否则返回步骤311。

本发明的上述方案，可以使用精度较低的时钟源完成以前高精度的时钟才能完成的功能，很大的降低了系统的成本。在使用相同的时钟源的情况下，在相同环境下，本发明的方案可以极大地延长时钟的维持时间。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims

1.一种时钟信号的维持方法，其特征在于，该方法包括：

以全球定位系统GPS的秒脉冲信号为参考，根据公式(1)对晶振进行调节，直至晶振的时钟频率达到标称值，然后在第一指定长度时间内的平均频率计数差为0时，根据公式(2)对晶振进行调节；

DAC＝DAC′+k1×Δfreq 公式(1)；

DAC＝DAC″+k2×Δphase 公式(2)；

DAC＝aT+bt+DAC_HV 公式(3)；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述以GPS的秒脉冲信号为参考，根据公式(1)对晶振进行调节包括：

用调节值R 1调节晶振，在晶振稳定后，以GP S的秒脉冲信号为参考，记录第一指定长度时间内的本地时钟的频率计数差COUNT1；用调节值R2调节晶振，在晶振稳定后，以GPS的秒脉冲信号为参考，记录第一指定长度时间内的本地时钟的频率计数差COUNT2；根据公式k1＝(R1-R2)/(COUNT1-COUNT2)得到k1的值；

以GPS的秒脉冲信号为参考，对本地时钟进行计数，从而得到第一指定长度时间内的本地时钟的平均频率计数差Δfreq；

其中，所述本地时钟是锁相环以所述晶振为参考产生的。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据公式(2)对晶振进行调节包括：

k2取值为4；

根据本地时钟产生本地的秒脉冲信号，以GPS的秒脉冲信号的上升沿为基准，用本地时钟采集本地的秒脉冲信号上升沿到GPS的秒脉冲信号上升沿的计数值，得到第二指定长度时间内的平均相位计数差Δphase；

其中，所述本地时钟是锁相环以所述晶振为参考产生的。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在计算出温度参数a、时间参数b和参考调节参数DAC_HV的值之后，该方法进一步包括：

取已记录的关于时间点t、温度T和晶振的调节值DAC的n1组数据，该n1组数据是已记录数据中在时间上最靠近GPS的秒脉冲信号失效的时间点的数据，且n1小于n；

将温度参数a、时间参数b和参考调节参数DAC_HV以及所述n1组数据中的时间点t和温度T分别带入公式(3)得到n1个调节值，将该n1个调节值与所述n1组数据中的n1个调节值DAC进行比较，得到平均调节偏差值ΔDAC；

根据公式DAC_HV＝DAC_HV+ΔDAC对参考调节参数DAC_HV进行修正。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，在以GPS的秒脉冲信号为参考，根据公式(1)对晶振进行调节之前，该方法进一步包括以下步骤：

A、判断晶振所在板卡是上电启动还是热启动，如果是上电启动，则先对晶振进行预热处理，然后执行步骤B，如果是热启动则直接执行步骤B；

B、检测GPS的秒脉冲信号是否可用，是则执行步骤C，否则等待，直至GPS信号可用；

C、利用GPS的秒脉冲信号检测晶振的输出是否可以调整到标称值，是则执行所述以GPS的秒脉冲信号为参考，根据公式(1)对晶振进行调节的步骤，否则报告错误。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：

在GPS的秒脉冲信号失效后，根据公式(3)对晶振的时钟频率进行维持的时间超过预设时间时，结束对晶振的时钟频率的维持。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：

如果在所述预设时间内GPS信号恢复，则重新根据公式(2)对晶振进行调节。

8.一种时钟信号维持装置，其特征在于，该装置包括：GPS接收单元、晶振、核心处理单元、数模转换器、时钟锁相环、频率计数单元和相位检测单元，其中：

晶振，用于输出时钟信号；

核心处理单元，用于根据来自频率计数单元的计数值获得第一指定长度时间内的本地时钟的平均频率计数差Δfreq，根据来自相位检测单元的计数值获得第二指定长度时间内的平均相位计数差Δphase；用于根据公式(1)计算出晶振调节值DAC输出给数模转换器，直至晶振的时钟频率达到标称值，然后在第一指定长度时间内的平均频率计数差为0时，根据公式(2)计算出晶振调节值DAC输出给数模转换器；用于记录关于时间点t、温度T和晶振的调节值DAC的n组数据，n为大于或等于3的自然数，将所述记录的n组数据带入公式(3)，计算出温度参数a、时间参数b和参考调节参数DAC_HV的值；用于在GP S的秒脉冲信号失效时，将温度参数a、时间参数b和参考调节参数DAC_HV以及当前时间点t和当前温度T带入公式(3)得到晶振调节值DAC输出给数模转换器；

DAC＝DAC′+k1×Δfreq 公式(1)；

DAC＝DAC″+k2×Δphase 公式(2)；

DAC＝aT+bt+DAC_HV 公式(3)；

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，

所述核心处理单元，将k2的值设为4，并根据公式k1＝(R1-R2)/(COUNT1-COUNT2)得到k1的值；

其中，COUNT1是在用调节值R1调节晶振，并在晶振稳定后，以GPS的秒脉冲信号为参考记录的第一指定长度时间内的本地时钟的频率计数差；COUNT2是用调节值R2调节晶振，并在晶振稳定后，以GPS的秒脉冲信号为参考记录的第一指定长度时间内的本地时钟的频率计数差。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，

所述核心处理单元，进一步用于取已记录数据中在时间上最靠近GPS的秒脉冲信号失效的时间点的n1组关于时间点t、温度T和晶振的调节值DAC的数据；将温度参数a、时间参数b和参考调节参数DAC_HV以及所述n1组数据中的时间点t和温度T分别带入公式(3)得到n1个调节值，将该n1个调节值与所述n1组数据中的n1个调节值DAC进行比较，得到平均调节偏差值ΔDAC，根据公式 DAC_HV＝DAC_HV+ΔDAC对参考调节参数DAC_HV进行修正。