CN102186106B - 单频网中时钟同步装置 - Google Patents

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Abstract

一种数字信号处理技术领域的单频网中时钟同步装置，包括：码流恢复单元、本地晶振单元、锁相环单元和数字信号处理器，本发明通过在单频网中统一传输的TS流，用通用芯片完成码流时钟恢复，然后利用锁相环芯片把本地晶振锁定在恢复出来的码流时钟上。其输出的参考时钟，精度高，结构简单，价格低廉；避免了对外部的GPS同步参考时钟依赖，完全可以取代传统昂贵的GPS同步参考时钟设备来完成整个单频网内的时钟和频率同步。

Description

单频网中时钟同步装置
技术领域
本发明涉及的是一种数字信号处理技术领域的装置，具体是一种单频网中时钟同步装置。
背景技术
在数字信号传输系统中，为了增加覆盖范围，改善覆盖效果，在一定的地理区域内（市、省，或者甚至是一个国家），使用多个发射点，通过一个频段在同一时刻发射同样的无线信号，从而实现对该地理区域的可靠覆盖，这种组网方式称之为单频网。
单频网组网方式，是扩大覆盖范围、改善覆盖质量的最好方法，对比起消耗频谱资源、且频谱规划复杂的多频网组网方式来说，在频谱资源珍稀的当今，显得尤其重要。单频网的核心技术问题主要就是同步问题，强调的是在不同的发射点，需要以相同频率在相同时刻发射相同的节目。单频网的同步要求得不到满足的话，将会对覆盖重叠区的接收系统人为的造成复杂、恶劣的多径影响，产生相干干扰，恶化接收性能。传统的数字电视单频网结构示意图如图1所示。
因此，在单频网的构架下，所有的同步发射点都需要一个基准的标准时钟，这个标准时钟的频率往往是10MHz。目前，这些发射点10MHz标准时钟的获得，通常是利用外部的GPS同步时钟参考设备，接收GPS系统信号并锁定，从而提供一个任何时候在任何地点都同步的准确的10MHz时钟。
这种方式有4点缺陷：每一个发射点都需要一个标准时钟，用以保证各个发射点之间的时间完全同步，所需要添加的外部GPS时钟参考设备价格昂贵，维护成本高；整个单频网依赖于系统以外的信息工作，而这个单频网系统以外的GPS系统很容易受到人为的干扰，一旦GPS失锁，各个发射点的基准频率丢失，各个发射点的发射频率会相差各异，导致整个单频网的崩溃；即使是自然环境（如闪电雷击、太阳风暴等不可抗因素），也很容易导致GPS系统受到干扰，一旦GPS失锁，各个发射点的基准频率丢失，各个发射点的发射频率会相差各异，导致整个单频网的崩溃；GPS系统开机，以及失锁后恢复时间很长，以小时计，导致整个单频网无法快速进入正常工作状态。
在传统的单频网网络结构下，电视节目信号通过复用器后，以标准MPEG格式的TS流进入中心站的主单频网适配器。该主单频网适配器信号对输入的TS流进行巨帧处理（MIP），插入时间、信令等信息，然后送入节目分配网络。在各同步发射点，对应的收端适配器解析MIP包，计算传输延时并进行补偿，从而保证单频网时间同步和码流同步的要求，如图1所示。
传统技术上，为保证单频网的时间同步，在各同步发射点需要一个基准的标准时钟，常常通过外部GPS同步时钟参考设备来提供，如图3所示。一旦该GPS同步时钟参考设备受到人为、自然环境等干扰发生失锁，那么各同步发射点的频率将发生漂移，从而导致整个单频网系统的崩溃。
经过对现有技术的检索发现，中国专利号ZL200710041715.1，授权公告号CN100512436C，授权公告日2009-7-8公开了一种“铁路电视单频网中系统时钟馈送和恢复方法”，该技术简化了各同步发射点对GPS同步时钟参考设备的要求，其所使用的GPS设备只需要能产生1pps秒脉冲，并不需要输出高精度的10MHz时钟。这对比起传统的方法的确有了一定程度的改进，然而该技术需要同时在发射端的主单频网适配器和接收端适配器（同步器）插入计数操作，因此只能使用应用该专利技术的特定专用设备，或者必须对原有设备进行技术改造，并不具有通用性，尤其不利于不同厂家的设备进行互联互通；二来，它需要在TS流中额外插入的时间标签，破坏了原有TS流的设置；最后也是最重要的是，该时钟恢复算法属于跟踪算法，由于需要数字信号处理器在一定时间内平均计算数值，跟踪的频率非常低，从而导致恢复出来的时钟容易产生来回抖动。要达到工程应用的高精度，只能通过大大延长锁定的时间（长达数小时甚至数天），不利于工程应用以及我国国情。例如发射设备需要每天重新开关机的情况下，若每次都要重新用数小时锁定时钟的话，工程实用性将大大打折扣。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种单频网中时钟同步装置，通过在单频网中统一传输的TS流，用通用芯片完成码流时钟恢复，然后利用锁相环芯片把本地晶振锁定在恢复出来的码流时钟上。其输出的参考时钟，精度高，结构简单，价格低廉；避免了对外部的GPS同步参考时钟依赖，完全可以取代传统昂贵的GPS同步参考时钟设备来完成整个单频网内的时钟和频率同步。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：码流恢复单元、本地晶振单元、锁相环单元和数字信号处理器，其中：码流恢复单元接收端适配器输出的TS流并进行码流同步锁定以及时钟恢复处理后将与TS流同步的码流时钟输出至锁相环的第一时钟输入端和数字信号处理器，或者是码流恢复单元接收端适配器输出的TS流并进行码流同步锁定以及时钟恢复处理后将与TS流同步的码流时钟输出至数字信号处理器。
所述的锁相环的第一时钟输入端接收码流恢复单元或数字信号处理器输出的码流时钟，锁相环的第二时钟输入端连接本地晶振输出的参考时钟，锁相环单元的控制端接收数字信号处理器输出的锁相环控制字并输出晶振控制字至本地晶振单元完成反馈控制，由本地晶振单元输出锁定后的本地参考时钟。
所述的TS流是指：经过主单频网适配器的巨帧处理的含有帧初始化包的TS流。
所述的码流恢复单元读取TS流中的帧初始化包并构建出跟TS流完全同步的码流时钟。
所述的数字信号处理器根据本地晶振的时钟与恢复的码流时钟之间的倍数关系输出锁相环控制字。
所述的数字信号处理器由控制字生成模块和/或交互模块组成，其中：控制字生成模块通过独立自动检测或通过交互模块手动预设的方式得到本地晶振与码流时钟的倍数关系TR/TX，从而生成对应的锁相环控制字，其中：TR为恢复出的码流时钟，TX为本地晶振的时钟。
所述的自动检测是指：预测周期T内分别用码流时钟TR与本地晶振的时钟TX于数字信号处理器中计数，记得到的码流时钟个数NR与本地晶振的时钟个数NX，则TR与TX的倍数关系即为NR与NX的倍数关系的倒数，NX/NR=TR/TX；所述的手动预设是指：通过向交互模块手动输入当前本地晶振的时钟频率,记为Fx，手动输入码流时钟频率,记为FR，则倍数关系为Fx/FR=TR/TX。由倍数关系可得到锁相环控制字。
所述的锁相环单元接收锁相环控制字并将本地晶振的时钟以同频率或者准确倍数方式锁定在码流时钟上并输出晶振控制字至本地晶振。
本发明最特别之处在于，即使主单频网适配器由于设备、人为或者自然环境等因素的干扰，导致并未锁定在外部的GPS同步时钟参考源上的情况下，本发明仍然能够保证各个发射点彼此之间的时间和频率保持严格的一致。此时各个发射点的时间将同步在主单频网适配器的本地晶振上，因而即使没有外部GPS设备或者丢失外部GPS时钟参考源，单频网仍然能够维持正常工作。这对于单频网组网来说有着极大的现实意义，其将极大的减少了对外部GPS系统的依赖性，避免了常见的由于GPS信号偶尔失锁引发的故障，从而大大增强了系统的鲁棒性。
本发明所提供的时钟信息传输方法有以下的优势，
1.不依赖于额外的GPS时钟参考源，极大的降低了组网的设备成本以及维护的费用
2.不受任何人为或者自然环境因素影响
3.不增加任何额外的信息量和传输通道，不改变原有的码流内容及设置，有利于提高设备通用性，降低设备复杂度，且可实现不同厂家的设备互联互通
4.快速锁定，整个单频网系统各同步发射点的时钟锁定时间在毫秒级
5.恢复出的参考时钟精度高，能满足单频网组网要求
6.价格低廉
附图说明
图1为传统单频网网络结构。
图2为实施例1结构示意图。
图3为采用GPS系统的单频网结构。
图4为实施例1应用示意图。
图5为实施例2结构示意图。
图6为实施例1数字信号处理器结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图2所示，本实施例包括：码流恢复单元、本地晶振单元、锁相环单元和数字信号处理器，其中：码流恢复单元接收端适配器输出的TS流并进行码流同步锁定以及时钟恢复处理后，将与TS流同步的码流时钟输出至锁相环的第一时钟输入端和数字信号处理器，锁相环的第一时钟输入端接收码流恢复单元输出的码流时钟，锁相环的第二时钟输入端连接本地晶振输出的参考时钟，锁相环单元的控制端接收数字信号处理器输出的锁相环控制字并输出晶振控制字至本地晶振单元完成反馈控制，由本地晶振单元输出锁定后的本地参考时钟。
所述的TS流是指：经过主单频网适配器的巨帧处理的含有帧初始化包（MIP）的TS流。
所述的码流恢复单元读取TS流中的帧初始化包并构建出跟TS流完全同步的码流时钟，该码流恢复单元在本实施例中采用通用码流恢复芯片实现。
所述的数字信号处理器根据本地晶振的时钟与收到的码流时钟之间的倍数关系输出锁相环控制字，该数字信号处理器包括：控制字生成模块。
所述的控制字生成模块指的是，首先自动检测方式得到本地晶振与码流时钟的倍数关系：在所述同步装置初始化阶段，在同一时刻用初始化信号Rst对计数器CR和CX清零，然后在设置预测周期T内分别用码流时钟TR与本地晶振的时钟TX于数字信号处理器中计数器CR和CX进行计数，记得到的计数器读数分别记为码流时钟个数NR与本地晶振的时钟个数NX，则TR与TX的倍数关系即为NR与NX的倍数关系的倒数，NX/NR=TR/TX。结构如图6所示。得到倍数关系后生成对应的锁相环控制字送到锁相环控制端。该锁相环控制字为实时计算得到。
所述的锁相环单元接收锁相环控制字并输出晶振控制字从而将本地晶振的时钟准确锁定在恢复出来的码流时钟锁上。该锁相环单元在本实施例中采用通用模拟锁相环芯片实现。
如图3和图4所示，本实施例包括以下步骤：
第一步、TS流经过发射端主单频网适配器完成巨帧处理（MIP）后通过单频网节目分配网络发送到接收端各个同步发射点，同时送入发射点的激励器以及本发明装置。
第二步，本发明装置接收经过巨帧处理后的TS流，恢复出与发射端主单频网适配器的时钟参考源准确锁定的参考时钟，输出到激励器。其具体步骤如下：
2.1）码流同步锁定：TS流中携带了发射端主单频网适配器的时钟信息，其输入通用的码流恢复芯片，码流恢复芯片通过读取TS流中的帧初始化包（MIP），完成码流串并转换并锁定，从而最终构建出跟TS流完全同步的码流时钟。
2.2）时钟恢复处理：数字信号处理器通过自动判断或者手动设置得到本地晶振和码流时钟的倍数关系输出给锁相环相应控制字。从而使得本地晶振准确的锁定在恢复出的码流时钟，从而准确锁定在发射端主单频网适配器的参考时钟上，并最终输出到各个发射点的激励器。
第三步、各个发射点的激励器接收本发明装置恢复出来的完全一致的参考时钟，作为各个发射点的系统参考时钟，对单频网中传送的TS流进行编码、调制、变频等操作，从而实现单频网中所需要的码流同步、时钟同步和频率同步。
实施例2
如图5所示，本实施例中的码流恢复单元接收端适配器输出的TS流并进行码流同步锁定以及时钟恢复处理后将与TS流同步的码流时钟输出至数字信号处理器，锁相环的第一时钟输入端接收数字信号处理器输出的码流时钟，锁相环的第二时钟输入端连接本地晶振输出的参考时钟，锁相环单元的控制端接收数字信号处理器输出的锁相环控制字并输出晶振控制字至本地晶振单元完成反馈控制，由本地晶振单元输出同步后的本地参考时钟。
所述的数字信号处理器根据本地晶振的时钟与内置的码流时钟之间的倍数关系输出锁相环控制字，同时输出码流时钟给锁相环第一时钟输入端。该数字信号处理器包括：交互模块和控制字生成模块。
所述的交互模块是指：通过包括（但不仅限于）串行通信接口（RS232或者RS485）、网口（RJ45Ethernet）或者按键加液晶等人机交互的方式，手动输入当前本地晶振的时钟频率,记为Fx（如40MHz），手动输入码流时钟频率,记为FR（如27MHz)，则得到本地晶振和码流时钟的倍数关系Fx/FR=TR/TX
所述的锁相环控制字生成模块为：根据本地晶振与码流时钟的倍数关系TR/TX生成相应的控制字，从而保证锁相环将本地晶振准确锁定在恢复出来的码流时钟上。该倍数关系在本实施例中为通过交互模块手动预设得到。
通过数字信号处理器输出码流时钟给锁相环第一时钟输入端的好处是可以通过数字信号处理器专用的时钟管脚进行输出，保证了时钟传输的高精度与高性能。
所述的码流恢复单元，采用通用的串化器/解串器（SERDERS）芯片，例如cy7b933/923，或者（但不仅限于）是LMH0071。其目的是将通用ASI接口过来的标准TS流完成同步锁定、串并转换，最终恢复出与TS流完全准确一致的码流时钟。
所述的锁相环，采用通用的模拟锁相环，例如ADF4001，其功能在于通过配置控制值设定鉴相频率与时钟关系，并输出一个电压控制值，从而将本地晶振时钟的频率，准确的锁定在码流时钟上。
所述的本地晶振，采用通用的压控振荡器，例如TCXO、OCXO等，由于存在锁相环，本地晶振的时钟频率并无严格要求，从而增加了应用的灵活性。通过锁相环，确保该时钟将准确的锁定在与码流时钟上，从而准确的锁定在发射端主单频网适配器参考时钟（或其准确的倍数）上。
本装置通过单频网中统一分发的TS流实现时钟传输，接收端设备无需依赖于额外的GPS时钟参考源，大大降低了对组网设备的要求。其传输时钟的精度主要受发端主单频网适配器的时间参考源的精度所限制，后续处理不降低其精度档级。例如主单频网适配器采用外接GPS时钟参考源，则本装置所实现的传输时钟完全可以做到跟外接GPS时钟的精度档级。假如主单频网适配器采用本地晶振，如稳定度在0.05ppm，则本装置所实现的传输时钟精度档级跟本地晶振同档级。因此在大大降低对单频网组网设备成本及维护费用的同时，时钟精度能得到很好的保障，而且本发明装置的本地时钟并不受限于固定频率，因而具有较大的经济性和实用性。

Claims (9)

1.一种单频网中时钟同步装置，其特征在于，包括：码流恢复单元、本地晶振单元、锁相环单元和数字信号处理器，其中：码流恢复单元接收端适配器输出的TS流并进行码流同步锁定以及时钟恢复处理后将与TS流同步的码流时钟输出至锁相环的第一时钟输入端和数字信号处理器，或者是码流恢复单元接收端适配器输出的TS流并进行码流同步锁定以及时钟恢复处理后将与TS流同步的码流时钟输出至数字信号处理器；
所述的锁相环的第一时钟输入端接收码流恢复单元或数字信号处理器输出的码流时钟，锁相环的第二时钟输入端连接本地晶振输出的参考时钟，锁相环单元的控制端接收数字信号处理器输出的锁相环控制字并输出晶振控制字至本地晶振单元完成反馈控制，由本地晶振单元输出锁定后的本地参考时钟；
所述的锁相环单元接收锁相环控制字并将本地晶振的时钟以同频率或者准确倍数方式锁定在码流时钟上并输出晶振控制字至本地晶振。
2.根据权利要求1所述的单频网中时钟同步装置，其特征是，所述的TS流是指：经过主单频网适配器的巨帧处理的含有帧初始化包的TS流。
3.根据权利要求1所述的单频网中时钟同步装置，其特征是，所述的码流恢复单元读取TS流中的帧初始化包并构建出跟TS流完全同步的码流时钟。
4.根据权利要求1或3所述的单频网中时钟同步装置，其特征是，所述的码流恢复单元采用通用码流恢复芯片实现。
5.根据权利要求1所述的单频网中时钟同步装置，其特征是，所述的数字信号处理器根据本地晶振的时钟与恢复的码流时钟之间的倍数关系输出锁相环控制字。
6.根据权利要求1或5所述的单频网中时钟同步装置，其特征是，所述的数字信号处理器由控制字生成模块和/或交互模块组成，其中：控制字生成模块通过独立自动检测或通过交互模块手动预设的方式得到本地晶振与码流时钟的倍数关系TR/TX，从而生成对应的锁相环控制字，其中：TR为恢复出的码流时钟，TX为本地晶振的时钟。
7.根据权利要求6所述的单频网中时钟同步装置，其特征是，所述的交互模块采用串行通信接口、网口或者按键加液晶实现。
8.根据权利要求6所述的单频网中时钟同步装置，其特征是，所述的自动检测是指：预测周期T内分别用码流时钟TR与本地晶振的时钟TX于数字信号处理器中计数，记得到的码流时钟个数NR与本地晶振的时钟个数NX，则TR与TX的倍数关系即为NR与NX的倍数关系的倒数，NX/NR=TR/TX；所述的手动预设是指：通过向交互模块手动输入当前本地晶振的时钟频率,记为Fx，手动输入码流时钟频率,记为FR，则倍数关系为Fx/FR=TR/TX;由倍数关系可生成锁相环控制字。
9.根据权利要求1所述的单频网中时钟同步装置，其特征是，所述的锁相环单元采用通用模拟锁相环芯片实现。
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