CN106922015A - 无线通信设备及其频率同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信领域，公开了一种无线通信设备及其频率同步方法。本发明中，包含以下步骤：锁定定位系统的秒脉冲信号；无线通信模块内置的计数器，根据秒脉冲信号对为无线通信模块提供时钟输出的时钟源，进行时钟频率的计数；无线通信模块内置的频率控制单元根据计数结果得到时钟源相对秒脉冲信号的频率偏差；频率控制单元根据该频率偏差生成频率调整信息；频率控制单元将生成的频率调整信息，发送至所述时钟源，调整时钟源的时钟频率。由于是直接利用无线通信模块内部的硬件电路和软件算法来实现的频率同步，软件实现方便，设备组成简单，既提高了精度，又降低了系统的设备成本。

Description

无线通信设备及其频率同步方法

技术领域

本发明涉及通信领域，特别涉及无线通信设备的频率同步技术。

背景技术

在基于基站的移动通信模式中，终端设备都有本地的时钟。但是考虑到终端成本的要求，通常其频率精度不能满足移动通信的要求。同时考虑到温度变化带来的频率变化，以及时间(老化)对时钟频率的影响，所以通常的做法是利用基站发射信号的频率，来调整本地的时钟的频率，从而达到终端设备频率和基站频率同步的目的，其示意图如图1所示。

在无线自组网(Mobile Ad Hoc NETwork，简称MANET)通信系统，采用的是一种不需要基站的“对等结构”移动通信模式，网络中所有联网设备可以在移动过程中动态组网。那么设备的时间和频率上的同步就不能按照基于基站的方式，与基站的频率达到同步。

在无线自组网通信系统中，网络中并没有一个频率基准的设备，各个设备的处于“平等”的地位。但是由于无线通信的要求，对设备的频率稳定度有比较高的要求。若使用频率稳定度高的时钟源，那么就会增加系统的成本，这对自组网系统来说将是很大的限制。同时，高精度时钟源可选择性有限，对设备的元器件选型的限制也比较大。

目前的自组网设备中都装备了全球定位系统(Global PositioningSystem，简称GPS)模块。此模块主要的组成部分是GPS接收机，以及对应的数字信号处理器。GPS模块除了提供定位坐标信息外，还提供一个秒脉冲(pulses per second，简称1PPS)信号，此信号以一种脉冲信号的方式输出，时钟的精度很高，GPS卫星通常使用原子钟来提供稳定度极高的时钟源，因此可以利用GPS模块高的频率稳定度的特性，将自组网中的设备都和GPS信号来同步。

无线自组网模块直接使用GPS的输出时钟信号。在与GPS卫星信号锁定后，模块输出时钟信号的频率稳定度通常可以满足自组网无线通信的要求。无线自组网模块直接使用GPS的输出时钟信号即可，这样再加入网络的设备都和GPS信号同步。

但是该方法存在以下问题：依赖于GPS模块的是否输出时钟，同时输出的时钟是否能满足无线通信模块的要求，比如GPS模块输出了30.72MHz的时钟，而无线通信模块需要19.2MHz的频率。另外，增加时钟输出的功能，其实增加了GPS模块的成本，即增加了整个设备的成本，同时对GPS模块的选型和替代方案的选择等也有很大的局限性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无线通信设备及其频率同步方法，使得在不增加无线通信模块额外功能，以及不增加整个设备硬件电路的情况下，通过无线通信模块已有的内置计数器和频率控制单元，在计算频率偏差的过程中结合软件处理算法，即可生成频率调整信息，达到频率同步的目的，设备组成简单，软件实现方便，精度较高，设备成本较低。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种无线通信设备的频率同步方法，包含以下步骤：锁定定位系统的秒脉冲信号；无线通信模块内置的计数器，根据秒脉冲信号对为无线通信模块提供时钟输出的时钟源，进行时钟频率的计数；无线通信模块内置的频率控制单元根据计数结果得到时钟源相对秒脉冲信号的频率偏差；频率控制单元根据该频率偏差生成频率调整信息；频率控制单元将生成的频率调整信息，发送至时钟源，调整时钟源的时钟频率。

本发明的实施方式还提供了一种无线通信设备，包含：定位模块、无线通信模块和时钟源；时钟源和定位模块分别与无线通信模块连接；时钟源为无线通信模块提供时钟输出；定位模块将锁定的定位系统的秒脉冲信号发送至无线通信模块；无线通信模块包含：计数器与频率控制单元；计数器用于根据秒脉冲信号对时钟源的时钟频率进行计数；频率控制单元用于根据计数结果得到时钟源相对秒脉冲信号的频率偏差，并根据该频率偏差生成频率调整信息发送至时钟源，调整时钟源的时钟频率。

本发明实施方式相对于现有技术而言，通过锁定定位系统的秒脉冲信号，利用无线通信模块已有的内置计数器，根据1PPS信号对为无线通信模块提供时钟输出的时钟源，进行时钟频率的计数；无线通信模块内置的频率控制单元根据计数结果得到时钟源相对秒脉冲信号的频率偏差，并根据该频率偏差生成频率调整信息，将该调整信号发送至时钟源，调整时钟源的时钟频率。解除了对定位模块(如GPS模块)时钟输出情况及频率输出类型的依赖，使得GPS模块的选型及替换方案的选择更灵活；由于秒脉冲信号的精准性高，因此基于秒脉冲信号进行时钟频率计数和频率偏差的计算，精度较高；此外，由于是直接利用无线通信模块内部现有的硬件电路(计数器和频率控制单元)和软件算法来实现的频率同步，未额外增加无线通信模块的功能(比如，时钟输出功能)，设备组成简单，软件实现方便，精度较高，降低了系统的设备成本。

另外，计数器根据秒脉冲信号对为无线通信模块提供时钟输出的时钟源，进行时钟频率的计数的步骤中，包含以下子步骤：通过倍频时钟将时钟源输出的基准时钟进行倍频；计数器根据秒脉冲信号对倍频后的时钟频率进行计数。计数器的测量时钟可以是时钟源的基准时钟，也可以使用模块内部的倍频后的时钟，使用倍频时钟来测量，可以有效地提高测量精度。

另外，计数器根据秒脉冲信号对为无线通信模块提供时钟输出的时钟源，进行时钟频率的计数的步骤中，计数器统计N个秒脉冲信号的时钟频率，N为大于1的自然数；频率控制单元根据计数结果得到时钟源相对秒脉冲信号的频率偏差的步骤中，包含以下子步骤：分别获取每一个秒脉冲信号的时钟频率；将获取的N个秒脉冲信号的时钟频率求和平均，得到平均后的一个秒脉冲信号的时钟频率；根据平均后的一个秒脉冲信号的时钟频率，计算频率偏差。秒脉冲信号具有短期内稳定性不高，而长期稳定性非常高的特点，能达到10^-12的量级，例如技术1s，误差在10^-12s量级。根据秒脉冲信号的特性，采用求和平均的软件算法来计算频率偏差，可以提高调整后频率稳定度，降低对无线通信模块定时精度的要求，提高时钟测量的精度。此外，由于采用无线通信模块已有的内置计数器统计时钟频率，无需额外增加无线通信模块的功能或者硬件电路设备，比如时钟输出功能，降低了设备成本。

另外，频率控制单元根据计数结果得到时钟源相对秒脉冲信号的频率偏差的步骤中，包含以下子步骤：获取前L个历史记录的一个秒脉冲信号的时钟频率；将获取的L个时钟频率，与计数器当前计数得到的一个秒脉冲信号的时钟频率，进行加权平均；根据加权平均后的一个秒脉冲信号的时钟频率，计算频率偏差。秒脉冲信号具有短期内稳定性不高，而长期稳定性非常高的特点，根据秒脉冲信号的特性，采用加权平均的算法来计算频率偏差，可以提高调整后频率稳定度，提高了时钟测量的精度。此外，由于采用无线通信模块已有的内置计数器统计时钟频率，无需额外增加无线通信模块的功能或者硬件电路设备，比如时钟输出功能，降低了设备成本。

另外，在计数器进行时钟频率的计数之前，还包含以下步骤：选择为无线通信模块提供时钟输出的时钟源。根据系统的需要选择不同类型的时钟源，或者从系统多个频率源中根据需要选择不同频率的时钟源，可以有效的降低系统的硬件成本。

另外，时钟源为数字补偿晶体振荡器DCXO。DCXO成本相对较低，从总体方案上降低了设备成本。

另外，还包含：如果未锁定定位系统的秒脉冲信号；则通过无线信号的同步，与点对点通信的对端设备进行频率同步；其中，频率控制单元根据对端设备发送的同步信号生成频率调整信息，发送至时钟源，调整时钟源的时钟频率。在定位系统的秒脉冲信号没有被锁定的情况下，直接使用通讯模块中的同步机制，也即是通过无线信号同步方法来实现两个设备的同步，而频率控制单元(Frequency Control，简称FC)，可以复用，并且可以由软件自动切换，可以灵活的与其他频率同步方式组合，适用于不同的应用场景。

附图说明

图1是现有技术中基于基站的频率同步示意图；

图2是根据本发明第一实施方式中的无线通信设备的频率同步方法的流程图；

图3是根据本发明第四实施方式中的无线通信设备系统结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种无线通信设备的频率同步方法，本实施方式中，以无线通信设备为自组网设备，定位系统为GPS为例进行说明，具体流程如图2所示。

在步骤301中，为无线通信模块选择时钟源。可以根据系统的需要选择不同的时钟源，不同的时钟源可以指不同类型的，比如时钟源为数字补偿晶体振荡器(digitally compensated crystal oscillator，简称DCXO)，DCXO成本相对较低，可以从总体上降低设备的成本；又可以指多个频率源，一个系统内可能会存在多个频率源，比如26MHz，32.768KHz，30.72MHz和256MHz等，可以根据需要选择不同频率的时钟源。根据需要并结合无线通信模块的性能，正确、合理、灵活的选择时钟源，可以有效的降低系统的硬件成本。

在步骤302中，判断是否锁定定位系统的秒脉冲信号。若未锁定定位系统的秒脉冲信号，进入步骤303，采用其他的频率同步方案，调整时钟源的时钟频率。比如说，通过无线信号的同步，与点对点(Peer to Peer，简称P2P)通信的对端设备进行频率同步。具体的说，频率控制单元根据对端设备发送的同步信号生成频率调整信息，发送至时钟源，调整时钟源的时钟频率。

若GPS模块锁定定位系统的秒脉冲信号，进入步骤304，无线通信模块内置的计数器对时钟源进行时钟频率计数。具体的说，无线通信模块内置的计数器根据秒脉冲信号对为无线通信模块提供时钟输出的时钟源，进行时钟频率的计数，计数器统计N个秒脉冲信号的时钟频率，N为大于1的自然数。1pps信号是一个数字秒冲信号，可以使用一个计数器，现以统计1个1pps信号的时钟频率为例进行说明，在进行实际计数时，选择至少两个1pps信号进行统计，在一个1pps秒冲周期内，来对GPS模块内的时钟进行计数，从而得到测量的效果。比如说，无线通信模块内置计数器使用26MHz时钟作为激励源，而1pps信号的上升沿作为计数器的计数触发信号，那么每个周期秒冲周期都能得到此周期内26MHz时钟的个数。采用无线通信模块已有的内置计数器统计时钟频率，无需额外增加无线通信模块的功能或者硬件电路设备，比如时钟输出功能，降低了设备成本。

接着，进入步骤305，内置频率控制单元根据计数结果得到频率偏差。具体的说，分别获取每一个秒脉冲信号的时钟频率；将获取的N个秒脉冲信号的时钟频率求和平均，得到平均后的一个秒脉冲信号的时钟频率；根据平均后的一个秒脉冲信号的时钟频率，计算频率偏差。秒脉冲信号具有短期内稳定性不高，而长期稳定性非常高的特点，根据秒脉冲信号的特性，采用求和平均的算法来计算频率偏差，可以提高调整后频率稳定度，降低对GPS模块定时精度的要求，提高时钟的测量的精度。采用无线通信模块已有的内置频率控制单元来计算频率偏差，计算频率偏差时采用软件算法来实现，比如，求和平均算法，软件实现方便，精度较高，且无需增加无线通信模块额外功能或者硬件电路设备，降低了整体设备成本。

接着，进入步骤306，生成频率调整信息。频率控制单元根据计算到得的频率偏差生成频率调整信息。对于在GPS定位系统的秒脉冲信号没有被锁定的情况下，直接使用通讯模块中的同步机制，也即是通过无线信号同步方法来实现两个设备的同步，而频率控制模块FC，可以复用，并且可以由软件自动切换，可以灵活的与其他频率同步方式组合，适用于不同的应用场景。

接着，进入步骤307，调整时钟源的时钟频率。频率控制单元将生成的频率调整信息，发送至时钟源，调整时钟源的时钟频率。

需要说明的是，本实施方式只是以自组网设备为例，并不仅限于自组网设备，其他类似设备也同样适用，比如点对点(Peer to Peer，简称P2P)通信的一端，亦可以使用此频率同步方法。

不难发现，在本实施方式中，使用了无线通信模块内置的计数器，用来测量秒脉冲信号，从而得到本地时钟相对1PPS信号的频率偏差，并通过无线通信模块本身具有的频率控制单元(FC)来调整时钟源的频率，采用无线通信模块已有的内置计数器统计时钟频率，采用无线通信模块已有的内置频率控制单元来计算频率偏差，计算频率偏差时采用软件算法来实现，比如，求和平均算法，软件实现方便，精度较高，因所使用的计数器和频率控制单元均为无线通信模块中已有的功能，而无需增加时钟输出功能，也不会再增加无线通信模块额外功能和硬件电路设备，设备组成简单；此外，根据无线通信模块的性能指标，选择合适的时钟测量的处理算法，也可以提高时钟测量的精度。解除了对定位模块(如GPS模块)时钟输出情况及频率输出类型的依赖，使得GPS模块的选型及替换方案的选择更灵活。

本发明的第二实施方式涉及一种无线通信设备的频率同步方法。第二实施方式与第一实施方式大致相同，主要区别之处在于：在第一实施方式中，在步骤305中，频率控制单元根据计数结果得到频率偏差，在利用软件处理计算频率偏差的过程中采用的是求和平均的算法。而在本发明第二实施方式中，采用的是加权平均算法，具体的说，获取前L个历史记录的一个秒脉冲信号的时钟频率；将获取的L个时钟频率，与计数器当前计数得到的一个秒脉冲信号的时钟频率，进行加权平均；根据加权平均后的一个秒脉冲信号的时钟频率，计算频率偏差。秒脉冲信号具有短期内稳定性不高，而长期稳定性非常高的特点，根据秒脉冲信号的特性，采用加权平均的算法来计算频率偏差，可以提高调整后频率稳定度，降低对GPS模块定时精度的要求，提高了测量精度，降低了设备成本。此外，本领域技术人员可以理解，在计算频率偏差的过程中采用的算法，还可以有其它变形，如统计多个秒脉冲信号的时钟频率，每个秒脉冲信号的时钟频率有不同的加权系数，越近的，加权系数越高，通过加权之后获取时钟频率，然后计算频率偏差，在此不再赘述。

本发明的第三实施方式涉及一种无线通信设备的频率同步方法。第三实施方式在第一、第二实施方式的基础上进行了改进，主要改进之处在于：通过倍频时钟将时钟源输出的基准时钟进行倍频；计数器根据秒脉冲信号对倍频后的时钟频率进行计数。计数器的测量时钟可以是时钟源的基准时钟，也可以使用模块内部的倍频后的时钟，使用倍频时钟来测量，可以有效地提高测量精度。

上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

本发明第四实施方式涉及一种无线通信设备，如图3所示，包含：包含：定位模块、无线通信模块和时钟源；时钟源和定位模块分别与无线通信模块连接；时钟源为无线通信模块提供时钟输出；定位模块将锁定的定位系统的秒脉冲信号发送至无线通信模块；无线通信模块包含：计数器与频率控制单元；计数器用于根据秒脉冲信号对时钟源的时钟频率进行计数；频率控制单元用于根据计数结果得到时钟源相对秒脉冲信号的频率偏差，并根据该频率偏差生成频率调整信息发送至时钟源，调整时钟源的时钟频率。

进一步地，无线通信模块还包含：倍频时钟，用于将时钟源输出的基准时钟进行倍频；计数器根据秒脉冲信号对倍频后的时钟频率进行计数。

不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的设备实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

值得一提的是，本实施方式中所涉及到的各模块均为逻辑模块，在实际应用中，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现。此外，为了突出本发明的创新部分，本实施方式中并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，但这并不表明本实施方式中不存在其它的单元。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种无线通信设备的频率同步方法，所述无线通信设备包含无线通信模块，其特征在于，包含以下步骤：

锁定定位系统的秒脉冲信号；

所述无线通信模块内置的计数器，根据所述秒脉冲信号对为所述无线通信模块提供时钟输出的时钟源，进行时钟频率的计数；

所述无线通信模块内置的频率控制单元根据所述计数结果得到所述时钟源相对秒脉冲信号的频率偏差；

所述频率控制单元根据该频率偏差生成频率调整信息；

所述频率控制单元将生成的所述频率调整信息，发送至所述时钟源，调整所述时钟源的时钟频率。

2.根据权利要求1所述的无线通信设备的频率同步方法，其特征在于，所述计数器根据所述秒脉冲信号对为所述无线通信模块提供时钟输出的时钟源，进行时钟频率的计数的步骤中，包含以下子步骤：

通过倍频时钟将所述时钟源输出的基准时钟进行倍频；

所述计数器根据所述秒脉冲信号对所述倍频后的时钟频率进行计数。

3.根据权利要求1所述的无线通信设备的频率同步方法，其特征在于，所述计数器根据所述秒脉冲信号对为所述无线通信模块提供时钟输出的时钟源，进行时钟频率的计数的步骤中，所述计数器统计N个所述秒脉冲信号的时钟频率；所述N为大于1的自然数；

所述频率控制单元根据所述计数结果得到所述时钟源相对秒脉冲信号的频率偏差的步骤中，包含以下子步骤：

分别获取每一个所述秒脉冲信号的时钟频率；

将获取的所述N个秒脉冲信号的时钟频率求和平均，得到平均后的一个秒脉冲信号的时钟频率；

根据所述平均后的一个秒脉冲信号的时钟频率，计算所述频率偏差。

4.根据权利要求1所述的无线通信设备的频率同步方法，其特征在于，所述频率控制单元根据所述计数结果得到所述时钟源相对秒脉冲信号的频率偏差的步骤中，包含以下子步骤：

获取前L个历史记录的一个秒脉冲信号的时钟频率；

将所述获取的L个时钟频率，与所述计数器当前计数得到的一个秒脉冲信号的时钟频率，进行加权平均；

根据所述加权平均后的一个秒脉冲信号的时钟频率，计算所述频率偏差。

5.根据权利要求1所述的无线通信设备的频率同步方法，其特征在于，在所述计数器进行时钟频率的计数之前，还包含以下步骤：

选择为所述无线通信模块提供时钟输出的时钟源。

6.根据权利要求1所述的无线通信设备的频率同步方法，其特征在于，所述时钟源为数字补偿晶体振荡器DCXO。

7.根据权利要求1所述的无线通信设备的频率同步方法，其特征在于，还包含：

如果未锁定所述定位系统的秒脉冲信号；

则通过无线信号的同步，与点对点通信的对端设备进行频率同步；其中，所述频率控制单元根据所述对端设备发送的同步信号生成频率调整信息，发送至所述时钟源，调整所述时钟源的时钟频率。

8.根据权利要求1所述的无线通信设备的频率同步方法，其特征在于，

所述无线通信设备为自组网设备。

9.一种无线通信设备，其特征在于，包含：定位模块、无线通信模块和时钟源；所述时钟源和所述定位模块分别与所述无线通信模块连接；

所述时钟源为所述无线通信模块提供时钟输出；所述定位模块将锁定的定位系统的秒脉冲信号发送至所述无线通信模块；

所述无线通信模块包含：计数器与频率控制单元；

所述计数器用于根据所述秒脉冲信号对所述时钟源的时钟频率进行计数；

所述频率控制单元用于根据所述计数结果得到所述时钟源相对秒脉冲信号的频率偏差，并根据该频率偏差生成频率调整信息发送至所述时钟源，调整所述时钟源的时钟频率。

10.根据权利要求9所述的无线通信设备，其特征在于，所述无线通信模块还包含：

倍频时钟，用于将所述时钟源输出的基准时钟进行倍频；

所述计数器根据所述秒脉冲信号对所述倍频后的时钟频率进行计数。