CN104184535B - 时钟同步方法和时钟同步装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种时钟同步方法和时钟同步装置。包括：获取从时钟设备的晶体振荡器输出的本地时钟以及主时钟设备广播的基准时钟，将本地时钟和基准时钟进行比较，得到比较时钟偏差；调节输入晶体振荡器的控制电压以改变本地时钟，当比较时钟偏差小于预定阈值时，将对应的控制电压作为晶体振荡器的初始电压；在本地时钟的一个时隙的起始时刻向主时钟设备发送往返计时询问报文，并在时隙内接收主时钟设备返回的往返计时应答报文；根据往返计时询问报文和往返计时应答报文提供的时间信息计算得到本地时钟与基准时钟之间的实际时钟偏差；根据实际时钟偏差调节初始电压，以使得本地时钟与基准时钟同步。本发明能够实现低精度晶体振荡器的精确时钟同步。
Description
技术领域
本发明涉及时钟同步技术领域，尤其是一种时钟同步方法和时钟同步装置。
背景技术
基于TDMA(Time Division Multiple Access，时分多址)机制的网络要正常工作，必须建立网络同步。网络同步的目的是使主从设备工作在同一时钟上，离开网络的单个时钟设备毫无意义。目前各类通信设备的本地时钟信号源一般采用晶体振荡器实现。然而，晶体振荡器由于存在老化率、准确度、稳定性、使用环境等差异，会造成各通信设备之间的频率漂移，导致。网络同步如果出现恶化将导致传输信号中产生大量抖动、帧失步、误码，甚至网络中断等现象，例如，对于语音业务将产生杂音或干扰；对于数据通信将导致通信速率下降；对于定位服务将降低定位精度。
现有技术为了达到精确时钟同步采用的方式是选用高精度晶体振荡器。高精度的晶体振荡器输出的时钟的稳定度和准确度相对于低精度晶体振荡器将提高一个数量级，但是成本却呈几倍增长。即使如此，随着使用时间的增加，高精度晶体振荡也会由于个体的差异造成各个设备之间时间偏差不断增大，最终导致高精度晶体振荡器失去其作用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种时钟同步方法和时钟同步装置，能够实现低精度晶体振荡器的精确时钟同步。
本发明采用的一种技术方案是提供一种时钟同步方法，所述时钟同步方法包括：获取从时钟设备的晶体振荡器输出的本地时钟以及主时钟设备广播的基准时钟，将所述本地时钟和所述基准时钟进行比较，得到比较时钟偏差；调节输入所述晶体振荡器的控制电压以改变所述本地时钟，当所述比较时钟偏差小于预定阈值时，将对应的控制电压作为所述晶体振荡器的初始电压；在所述本地时钟的一个时隙的起始时刻向所述主时钟设备发送往返计时询问报文，并在所述时隙内接收所述主时钟设备返回的往返计时应答报文；根据所述往返计时询问报文和所述往返计时应答报文提供的时间信息计算得到所述本地时钟与所述基准时钟之间的实际时钟偏差；根据所述实际时钟偏差调节所述初始电压，以使得所述本地时钟与所述基准时钟同步。
优选地，在所述根据所述往返计时询问报文和所述往返计时应答报文提供的时间信息计算得到所述本地时钟与所述基准时钟之间的实际时钟偏差的步骤之前，所述时钟同步方法还包括：判断所述往返计时应答报文是否为首次接收；如果所述往返计时应答报文为首次接收，计算所述往返计时询问报文和所述往返计时应答报文在所述从时钟设备和所述主时钟设备之间的传输延时；根据所述传输延时调节所述初始电压，以消除所述传输延时带来的时钟偏差。
优选地，所述时钟同步方法还包括：如果所述往返计时应答报文不是首次接收，则进行所述根据所述往返计时询问报文和所述往返计时应答报文提供的时间信息计算得到所述本地时钟与所述基准时钟之间的实际时钟偏差的步骤。
优选地，所述根据所述实际时钟偏差调节所述初始电压的步骤包括：判断所述实际时钟偏差是否大于零；如果所述实际时钟偏差大于零，获取所述晶体振荡器的电压频率特性曲线的斜率；如果所述斜率为正，则增大所述初始电压，否则减小所述初始电压。
优选地，所述根据所述实际时钟偏差调节所述初始电压的步骤还包括：如果所述实际时钟偏差小于零，获取所述晶体振荡器的电压频率特性曲线的斜率；如果所述斜率为正，则减小所述初始电压，否则增大所述初始电压。
本发明采用的另一种技术方案是提供一种时钟同步装置，所述时钟同步装置包括：比较模块，用于获取从时钟设备的晶体振荡器输出的本地时钟以及主时钟设备广播的基准时钟，将所述本地时钟和所述基准时钟进行比较，得到比较时钟偏差；初始调节模块，用于调节输入所述晶体振荡器的控制电压以改变所述本地时钟，当所述比较时钟偏差小于预定阈值时，将对应的控制电压作为所述晶体振荡器的初始电压；报文交互模块，用于在所述本地时钟的一个时隙的起始时刻向所述主时钟设备发送往返计时询问报文，并在所述时隙内接收所述主时钟设备返回的往返计时应答报文；时钟计算模块，用于根据所述往返计时询问报文和所述往返计时应答报文提供的时间信息计算得到所述本地时钟与所述基准时钟之间的实际时钟偏差；时钟同步模块，用于根据所述实际时钟偏差调节所述初始电压，以使得所述本地时钟与所述基准时钟同步。
优选地，所述时钟计算模块还用于在根据所述往返计时询问报文和所述往返计时应答报文提供的时间信息计算得到所述本地时钟与所述基准时钟之间的实际时钟偏差之前，判断所述往返计时应答报文是否为首次接收；如果所述往返计时应答报文为首次接收，计算所述往返计时询问报文和所述往返计时应答报文在所述从时钟设备和所述主时钟设备之间的传输延时；所述时钟同步模块还用于根据所述传输延时调节所述初始电压，以消除所述传输延时带来的时钟偏差。
优选地，所述时钟计算模块用于在所述往返计时应答报文不是首次接收时，根据所述往返计时询问报文和所述往返计时应答报文提供的时间信息计算得到所述本地时钟与所述基准时钟之间的实际时钟偏差。
优选地，所述时钟同步模块包括稳压单元、时钟同步单元和电压转换单元，所述稳压单元用于生成固定参考电压；所述时钟同步单元用于根据所述实际时钟偏差更改预设的调节参数；所述电压转换单元用于根据所述固定参考电压和所述调节参数调节所述初始电压，其中，所述初始电压和所述调节参数成正比例关系。
优选地，所述晶体振荡器为恒温晶体振荡器。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：通过比较从时钟设备和主时钟设备之间的时钟偏差，调节从时钟设备的晶体振荡器的初始电压，再根据从时钟设备和主时钟设备之间的往返计时询问报文和往返计时应答报文的交互计算得到本地时钟与基准时钟之间的实际时钟偏差，根据实际时钟偏差调节初始电压，达到精确时钟同步的目的，由于实际时钟偏差是根据往返计时询问报文和往返计时应答报文提供的时间信息计算得到，对于晶体振荡器的精度没有要求，从而能够实现低精度晶体振荡器的精确时钟同步。本发明提供的方法简单有效，可以在长时间使用的情况下延长晶体振荡器的使用寿命，节约设计成本，延长产品的生命周期。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明时钟同步方法一种实施例的流程示意图。
图2是本发明实施例的从时钟设备和主时钟设备进行报文交互的示意图。
图3是本发明时钟同步方法另一种实施例的流程示意图。
图4是本发明时钟同步装置实施例的结构示意图。
图5是本发明时钟同步装置的时钟同步模块的结构示意图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
如图1所示，是本发明时钟同步方法一种实施例的流程示意图。本实施例的时钟同步方法包括以下步骤：
S11：获取从时钟设备的晶体振荡器输出的本地时钟以及主时钟设备广播的基准时钟，将本地时钟和基准时钟进行比较，得到比较时钟偏差。
其中，由于从时钟设备和主时钟设备的晶体振荡器存在差异性，如老化率、准确度、稳定性、使用环境等差异因素，造成从时钟设备和主时钟设备之间存在较大的时钟偏差。本实施例可以通过示波器获取从时钟设备的晶体振荡器输出的本地时钟以及主时钟设备广播的基准时钟，并在示波器上将本地时钟和基准时钟进行比较，从而得到比较时钟偏差。
S12：调节输入晶体振荡器的控制电压以改变本地时钟，当比较时钟偏差小于预定阈值时，将对应的控制电压作为晶体振荡器的初始电压。
其中，可选地，晶体振荡器为恒温晶体振荡器，采用电压控制方式。在本实施例中，可以在一定控制电压的范围内进行调节，从中选取比较时钟偏差最小时对应的控制电压作为初始电压。初始电压确定后，能够使从时钟设备与主时钟设备之间的时间偏差尽量保持在比较小的状态。
S13：在本地时钟的一个时隙的起始时刻向主时钟设备发送往返计时询问报文，并在时隙内接收主时钟设备返回的往返计时应答报文。
其中，本地时钟和基准时钟虽然存在时钟偏差，但是两者的时隙相同。
S14：根据往返计时询问报文和往返计时应答报文提供的时间信息计算得到本地时钟与基准时钟之间的实际时钟偏差。
其中，往返计时询问报文和往返计时应答报文提供的时间信息既包含往返计时询问报文的到达时间，也包含往返计时询问报文的到达时间。具体地，请参见图2，是本发明实施例的从时钟设备和主时钟设备进行报文交互的示意图。图中A表示主时钟设备的时隙，B表示从时钟设备的时隙。在时隙B的起始时刻，从时钟设备向主时钟设备发送往返计时询问报文RTTI，并在时隙B内接收主时钟设备返回的往返计时应答报文RTTR，往返计时应答报文RTTR中包含由主时钟设备确定的往返计时询问报文RTTI的到达时间TOAI，从时钟设备在接收到往返计时应答报文RTTR后确定往返计时应答报文RTTR的到达时间TOAR。假设往返计时询问报文RTTI和往返计时应答报文RTTR的传播时间相等，忽略从时钟设备的消息处理时间、接收抖动等误差，则
TOAI＝tp+E (1)
tp＝TOAR+E－td (2)
其中，TOAI是由主时钟设备确定的往返计时询问报文RTTI的到达时间，TOAR是由从时钟设备确定的往返计时应答报文RTTR的到达时间，td是固定值，tp是往返计时询问报文RTTI和往返计时应答报文RTTR的传播时间，E是实际时钟偏差。根据式(1)和式(2)，可以得到：
E＝(TOAI－TOAR+td)/2 (3)
S15：根据实际时钟偏差调节初始电压，以使得本地时钟与基准时钟同步。
其中，利用此实际时钟偏差对本地时钟进行校正即可修正从时钟设备与主时钟设备之间的时间偏差，使本地时钟与基准时钟达到精确时钟同步。
如图3所示，是本发明时钟同步方法另一种实施例的流程示意图。本实施例的时钟同步方法包括以下步骤：
S21：获取从时钟设备的晶体振荡器输出的本地时钟以及主时钟设备广播的基准时钟，将本地时钟和基准时钟进行比较，得到比较时钟偏差。
S22：调节输入晶体振荡器的控制电压以改变本地时钟，当比较时钟偏差小于预定阈值时，将对应的控制电压作为晶体振荡器的初始电压。
S23：在本地时钟的一个时隙的起始时刻向主时钟设备发送往返计时询问报文，并在时隙内接收主时钟设备返回的往返计时应答报文。
S24：判断往返计时应答报文是否为首次接收，如果往返计时应答报文为首次接收，进行步骤S25，否则进行步骤S27。
S25：计算往返计时询问报文和往返计时应答报文在从时钟设备和主时钟设备之间的传输延时。
其中，如果往返计时应答报文为首次接收，那么从时钟设备和主时钟设备之间的时钟偏差除了包含实际时钟偏差外，还包括往返计时询问报文和往返计时应答报文的传输延时，该传输延时是由于电磁波空间传播造成。由于传输延时远远大于实际时钟偏差，因此，首次接收到往返计时应答报文时需要先将传输延时消除。
S26：根据传输延时调节初始电压，以消除传输延时带来的时钟偏差。
S27：根据往返计时询问报文和往返计时应答报文提供的时间信息计算得到本地时钟与基准时钟之间的实际时钟偏差。
S28：判断实际时钟偏差是否大于零，如果实际时钟偏差大于零，进行步骤S29，否则进行步骤S31。
S29：获取晶体振荡器的电压频率特性曲线的斜率。
S30：如果斜率为正，则增大初始电压，否则减小初始电压。
S31：获取晶体振荡器的电压频率特性曲线的斜率。
S32：如果斜率为正，则减小初始电压，否则增大初始电压。
其中，如果实际时钟偏差大于零，表示从时钟设备的本地时钟相对基准时间滞后，如果电压频率特性曲线的斜率为正，则需增大初始电压，即增加输入晶体振荡器的电压值；如果电压频率特性曲线的斜率为负，则需减小初始电压，即减小输入晶体振荡器的电压值。如果实际时钟偏差小于零，表示从时钟设备的本地时钟相对基准时间提前，如果电压频率特性曲线的斜率为正，则需减小初始电压，即减小输入晶体振荡器的电压值；如果电压频率特性曲线的斜率为正，则需增大初始电压，即增大输入晶体振荡器的电压值。
如图4所示，是本发明时钟同步装置实施例的结构示意图。本实施例的时钟同步装置包括比较模块11、初始调节模块12、报文交互模块13、时钟计算模块14和时钟同步模块15。
比较模块11用于获取从时钟设备的晶体振荡器输出的本地时钟以及主时钟设备广播的基准时钟，将本地时钟和基准时钟进行比较，得到比较时钟偏差。可选地，晶体振荡器为恒温晶体振荡器。其中，由于从时钟设备和主时钟设备的晶体振荡器存在差异性，如老化率、准确度、稳定性、使用环境等差异因素，造成从时钟设备和主时钟设备之间存在较大的时钟偏差。本实施例可以通过示波器获取从时钟设备的晶体振荡器输出的本地时钟以及主时钟设备广播的基准时钟，并在示波器上将本地时钟和基准时钟进行比较，从而得到比较时钟偏差。
初始调节模块12用于调节输入晶体振荡器的控制电压以改变本地时钟，当比较时钟偏差小于预定阈值时，将对应的控制电压作为晶体振荡器的初始电压。其中，可选地，晶体振荡器采用电压控制方式，可以在一定控制电压的范围内进行调节，从中选取比较时钟偏差最小时对应的控制电压作为初始电压。初始电压确定后，能够使从时钟设备与主时钟设备之间的时间偏差尽量保持在比较小的状态。
报文交互模块13用于在本地时钟的一个时隙的起始时刻向主时钟设备发送往返计时询问报文，并在时隙内接收主时钟设备返回的往返计时应答报文。其中，本地时钟和基准时钟虽然存在时钟偏差，但是两者的时隙相同。
时钟计算模块14用于根据往返计时询问报文和往返计时应答报文提供的时间信息计算得到本地时钟与基准时钟之间的实际时钟偏差。其中，往返计时询问报文和往返计时应答报文提供的时间信息既包含往返计时询问报文的到达时间，也包含往返计时询问报文的到达时间。
时钟同步模块15用于根据实际时钟偏差调节初始电压，以使得本地时钟与基准时钟同步。其中，利用此实际时钟偏差对本地时钟进行校正即可修正从时钟设备与主时钟设备之间的时间偏差，使本地时钟与基准时钟达到精确时钟同步。
在本实施例中，时钟计算模块14还用于在根据往返计时询问报文和往返计时应答报文提供的时间信息计算得到本地时钟与基准时钟之间的实际时钟偏差之前，判断往返计时应答报文是否为首次接收；如果往返计时应答报文为首次接收，计算往返计时询问报文和往返计时应答报文在从时钟设备和主时钟设备之间的传输延时。时钟同步模块15还用于根据传输延时调节初始电压，以消除传输延时带来的时钟偏差。其中，如果往返计时应答报文为首次接收，那么从时钟设备和主时钟设备之间的时钟偏差除了包含实际时钟偏差外，还包括往返计时询问报文和往返计时应答报文的传输延时，该传输延时是由于电磁波空间传播造成。由于传输延时远远大于实际时钟偏差，因此，首次接收到往返计时应答报文时需要先将传输延时消除。
进一步地，时钟计算模块14用于在往返计时应答报文不是首次接收时，根据往返计时询问报文和往返计时应答报文提供的时间信息计算得到本地时钟与基准时钟之间的实际时钟偏差。
可选地，结合参见图5，是本发明时钟同步装置的时钟同步模块的结构示意图。时钟同步模块15包括稳压单元151、时钟同步单元152和电压转换单元153。稳压单元151用于生成固定参考电压。时钟同步单元152用于根据实际时钟偏差更改预设的调节参数。电压转换单元153用于根据固定参考电压和调节参数调节初始电压，其中，初始电压和调节参数成正比例关系。稳压单元151可以采用稳压芯片提供固定参考电压，电压转换单元153可以采用数字模拟电压转换芯片对固定参考电压进行转换得到输出电压，时钟同步单元152为电压转换单元153设置调节参数，以设置电压转换单元153的精度，例如电压转换单元153输出电压为V＝Vini×(D/65535)，Vini为固定参考电压，D为调节参数。
本发明实施例的时钟同步方法和时钟同步装置以主时钟设备的基准时钟为基准，通过调节从时钟设备的本地时钟与基准时钟之间的比较时钟偏差确定晶体振荡器的初始电压，达到粗同步，再通过从时钟设备与主时钟设备之间交互的往返计时询问报文和往返计时应答报文确定本地时钟与基准时钟之间的实际时钟偏差，根据实际时钟偏差进一步调节初始电压，以使得本地时钟与基准时钟同步，达到精确时钟同步，即细同步，由于实际时钟偏差是根据往返计时询问报文和往返计时应答报文提供的时间信息计算得到，对晶体振荡器的精度没有要求，从而能够实现低精度晶体振荡器的精确时钟同步。本发明提供的方法简单有效，可以在长时间使用的情况下延长晶体振荡器的使用寿命，节约设计成本，延长产品的生命周期。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (9)
1.一种时钟同步方法，其特征在于，所述时钟同步方法包括：
获取从时钟设备的晶体振荡器输出的本地时钟以及主时钟设备广播的基准时钟，将所述本地时钟和所述基准时钟进行比较，得到比较时钟偏差；
调节输入所述晶体振荡器的控制电压以改变所述本地时钟，当所述比较时钟偏差小于预定阈值时，将对应的控制电压作为所述晶体振荡器的初始电压；
在所述本地时钟的一个时隙的起始时刻向所述主时钟设备发送往返计时询问报文，并在所述时隙内接收所述主时钟设备返回的往返计时应答报文；
根据所述往返计时询问报文和所述往返计时应答报文提供的时间信息计算得到所述本地时钟与所述基准时钟之间的实际时钟偏差；
根据所述实际时钟偏差调节所述初始电压，以使得所述本地时钟与所述基准时钟同步；所述根据所述实际时钟偏差调节所述初始电压的步骤包括：判断所述实际时钟偏差是否大于零；如果所述实际时钟偏差大于零，获取所述晶体振荡器的电压频率特性曲线的斜率；如果所述斜率为正，则增大所述初始电压，否则减小所述初始电压。
2.根据权利要求1所述的时钟同步方法，其特征在于，在所述根据所述往返计时询问报文和所述往返计时应答报文提供的时间信息计算得到所述本地时钟与所述基准时钟之间的实际时钟偏差的步骤之前，所述时钟同步方法还包括：
判断所述往返计时应答报文是否为首次接收；
如果所述往返计时应答报文为首次接收，计算所述往返计时询问报文和所述往返计时应答报文在所述从时钟设备和所述主时钟设备之间的传输延时；
根据所述传输延时调节所述初始电压，以消除所述传输延时带来的时钟偏差。
3.根据权利要求2所述的时钟同步方法，其特征在于，所述时钟同步方法还包括：
如果所述往返计时应答报文不是首次接收，则进行所述根据所述往返计时询问报文和所述往返计时应答报文提供的时间信息计算得到所述本地时钟与所述基准时钟之间的实际时钟偏差的步骤。
4.根据权利要求3所述的时钟同步方法，其特征在于，所述根据所述实际时钟偏差调节所述初始电压的步骤还包括：
如果所述实际时钟偏差小于零，获取所述晶体振荡器的电压频率特性曲线的斜率；
如果所述斜率为正，则减小所述初始电压，否则增大所述初始电压。
5.一种时钟同步装置，其特征在于，所述时钟同步装置包括：
比较模块，用于获取从时钟设备的晶体振荡器输出的本地时钟以及主时钟设备广播的基准时钟，将所述本地时钟和所述基准时钟进行比较，得到比较时钟偏差；
初始调节模块，用于调节输入所述晶体振荡器的控制电压以改变所述本地时钟，当所述比较时钟偏差小于预定阈值时，将对应的控制电压作为所述晶体振荡器的初始电压；
报文交互模块，用于在所述本地时钟的一个时隙的起始时刻向所述主时钟设备发送往返计时询问报文，并在所述时隙内接收所述主时钟设备返回的往返计时应答报文；
时钟计算模块，用于根据所述往返计时询问报文和所述往返计时应答报文提供的时间信息计算得到所述本地时钟与所述基准时钟之间的实际时钟偏差；
时钟同步模块，用于根据所述实际时钟偏差调节所述初始电压，以使得所述本地时钟与所述基准时钟同步；所述根据所述实际时钟偏差调节所述初始电压的步骤包括：判断所述实际时钟偏差是否大于零；如果所述实际时钟偏差大于零，获取所述晶体振荡器的电压频率特性曲线的斜率；如果所述斜率为正，则增大所述初始电压，否则减小所述初始电压。
6.根据权利要求5所述的时钟同步装置，其特征在于，所述时钟计算模块还用于在根据所述往返计时询问报文和所述往返计时应答报文提供的时间信息计算得到所述本地时钟与所述基准时钟之间的实际时钟偏差之前，判断所述往返计时应答报文是否为首次接收；如果所述往返计时应答报文为首次接收，计算所述往返计时询问报文和所述往返计时应答报文在所述从时钟设备和所述主时钟设备之间的传输延时；
所述时钟同步模块还用于根据所述传输延时调节所述初始电压，以消除所述传输延时带来的时钟偏差。
7.根据权利要求6所述的时钟同步装置，其特征在于，所述时钟计算模块用于在所述往返计时应答报文不是首次接收时，根据所述往返计时询问报文和所述往返计时应答报文提供的时间信息计算得到所述本地时钟与所述基准时钟之间的实际时钟偏差。
8.根据权利要求5所述的时钟同步装置，其特征在于，所述时钟同步模块包括稳压单元、时钟同步单元和电压转换单元，
所述稳压单元用于生成固定参考电压；
所述时钟同步单元用于根据所述实际时钟偏差更改预设的调节参数；
所述电压转换单元用于根据所述固定参考电压和所述调节参数调节所述初始电压，其中，所述初始电压和所述调节参数成正比例关系。
9.根据权利要求5或8所述的时钟同步装置，其特征在于，所述晶体振荡器为恒温晶体振荡器。
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