CN114362868A - 一种时变信道的双向测频方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种时变信道的双向测频方法，包括以下步骤：S1、对时变信道引入的最大频率偏移量MAX_Δfd进行预估，对无线信道根据平台移动速率引入的最大多普勒频移进行估算；S2、设计DDMTD的混频参数，使得公共参考源的频率与被测频率的频差ΔfDDMTD>MAX_Δfd，并通过DDMTD进行频率检测；S3、对从站A和主站B进行粗同步；S4、在完成粗同步的基础上，对从站A和主站B进行细同步。本发明提供了一种基于物理层编码或载波测量频率偏差的方案，相对于PTP中基于编码层的频率偏差测量方案更加高效。本发明提供了一种双向测频的方案，可以将本振的频率偏差与时变信道引入的频率偏差相分离；高效的检测出本振频率偏差。
Description
技术领域
本发明属于双向校时技术领域，具体涉及一种时变信道的双向测频方法。
背景技术
在常规基于通信RTT的高精度双向校时方案中，最常用的方法是采用PTP协议。但是在PTP协议中，只提供了基于双向对称的静态链路的计算方法。而在通信信道因环境变化出现传输时延变化时，精度会出现下降。在引起信道时延变化的因素中，有些变化是双向对称的，采用本专利提供的方法可以有效的检测信道时延变化引入的频率偏移，进而完成对时延变化的补偿，提升在时变信道中的双向时频传递精度。
这种对称的时变信道包括但不限于因温度变化引起时延变化的光纤信道、因运动导致收发不对称的无线信道。
在Precise Time protocol，PTP遵循IEEE1588协议中，规定了一种基于硬件时间戳的双向校时方法。通过这个方法，利用信道的双向传输时延对称的特性可以在从端获得高精度的时频同步。
该技术方法解决了时间戳因软件和操作系统时延导致的抖动，大大提升了时间戳的精度，提升了双向校时的精度。但是由于方案本身基于信道时延双向对称的假设，在信道发生动态变化时，双向信道的时延差异将会引入误差，导致精度下降。
例如在光纤信道中，光纤的折射率和色散特性会随着温度变化而变化。光信号在光纤中传递的光程变化带来比较大的时延抖动(光纤时延的温度系数约为30ps/℃·km)。在1000公里的光纤上，每1℃引入的时间误差将达到30ns，按每小时1℃的温度变化速率计算，引入频率偏差在1E-11量级。这个偏差对高精度时频传递是不能忽视的。
发明内容
本发明的目的在于，为克服现有技术缺陷，提供了一种时变信道的双向测频方法。
本发明目的通过下述技术方案来实现：一种时变信道的双向测频方法，包括以下步骤：
S1、对时变信道引入的最大频率偏移量MAX_Δfd进行预估，对无线信道根据平台移动速率引入的最大多普勒频移进行估算；
S2、设计DDMTD的混频参数，使得公共参考源的频率与被测频率的频差ΔfDDMTD>MAX_Δfd，并通过DDMTD进行频率检测；
S3、对从站A和主站B进行粗同步；
S4、在完成粗同步的基础上，对从站A和主站B进行细同步。
进一步地：所述时变信道包括光纤信道，所述光纤信道的最大频率偏移量MAX_Δfd预估为5E-11。
进一步地：所述步骤S3中粗同步的具体步骤为：
S31、从站A向主站B发送包含从站A的硬件时戳注入模块产生的T1数据包，对T1数据包的编码或调制信号包含从站A的频率fA；
S32、在主站B接收到信号后，从编码或调制信号中提取出从站A经时变信道传输的频率f′A以及T1数据包，在硬件时戳检测模块中记录信号到达的时间T2，并在鉴频鉴相模块测量出频率偏差Δf′B-A；
S33、通过主站B向从站A发送响应包，响应包中包含T1、T2、Δf′B-A以及主站B的硬件时戳注入模块产生的T3数据包，对响应数据包的编码或调制信号包含主站B的频率fB；所述响应数据包包括T1、T2、Δf′B-A和T3；
S34、在从站A接收到信号后，从编码或调制信号中提取出主站B经时变信道传输的频率f′B以及T1、T2、T3、Δf′B-A，并在硬件时戳检测模块中记录信号达到的时间T4，在鉴相鉴频模块中测量出频率偏差Δf′A-B；
S35、在从站A的TWFTD补偿计算模块中，利用接收到的T1、T2、T3、Δf′B-A以及本地检测到的T4和Δf′A-B计算出Δf和ΔT，通过TWFTS滤波模块处理后，分别校准本地振荡器和本地定时器；
S36、返回步骤S31，进行多次粗同步。
进一步地：所述Δf和ΔT的计算公式为：
Δf＝(Δf′B-A-Δf′A-B)/2
ΔT＝(T2-T1+T3-T4)/2+ΔTCMP
上式中，ΔTCMP为时延不对称性补偿参数。
进一步地：所述步骤S4中细同步的具体步骤为：
S41、确定从站A和主站B的同步周期以及发包的起始时间，以便从站A向主站B同时进行发包操作；
S42、当达到约定的发包时间时，从站A向主站B同时向对方发包，从站A向主站B发送包含硬件时戳注入模块产生的T1数据包，对T1数据包的编码或调制信号包含从站A的频率fA，主站B向从站A发送包含硬件时戳注入模块产生的T3数据包，对T3数据包的编码或调制信号包含主站B的频率fB；
S43、在从站A接收到信号后，从编码或调制信号中提取出主站B经时变信道传输的频率f′B以及T3，在硬件时戳检测模块中记录信号到达的时间T4，在鉴频鉴相模块中测量出Δf′B-A；从站A将接收到的T3、硬件时戳检测模块记录的T4以及鉴频鉴相模块测量出的Δf′B-A发送给主站B；
S44、当主站B接收到信号后，从编码或调制信号中提取出从站A经时变信道传输的频率f′A以及T1，在硬件时戳检测模块中可以记录信号到达时间T2，在鉴频鉴相模块中测量出Δf′A-B；主站B将接收到的T1、硬件时戳检测模块记录的T2以及鉴频鉴相模块测量出的Δf′A-B发送给从站A；
S45、从站A接收主站B发送的T1、T2和Δf′A-B，结合自身记录的T3、T4和Δf′B-A，在从站A的TWFTD补偿计算模块中计算出Δf和ΔT，通过TWFTS滤波模块处理后，分别校准本地振荡器和本地定时器；同时可以计算出TDELAY和Δfd供从端监控模块，用于监测计算从站A的稳定性、时间连续性和信道时变特性；
S46、主站B接收从站A发送的T3、T4和Δf′B-A，结合自身记录的T1、T2和Δf′A-B，在主站B的TWFTD补偿计算模块中计算出Δf和ΔT，同时可以计算出TDELAY和Δfd供主端监控模块，用于监测计算主站B的稳定性、时间连续性和信道时变特性；
S47、按协商的同步周期返回步骤S42，或者重新协商同步周期，并返回步骤S42。
进一步地：所述Δf和Δfd的计算公式为：
Δf＝(Δf′B-A-Δf′A-B)/2
Δfd＝(Δf′B-A+Δf′A-B)/2
ΔT和TDELAY的计算公式为：
ΔT＝(T2-T1+T3-T4)/2+ΔTCMP
TDELAY＝((T4-T1)-(T3-T2))/2
上式中，ΔTCMP为时延不对称性补偿参数。
前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。
本发明的有益效果：
1)本发明提供了一种基于物理层编码或载波测量频率偏差的方案，相对于PTP中基于编码层的频率偏差测量方案更加高效。
2)本发明提供了一种双向测频的方案，可以将本振的频率偏差与时变信道引入的频率偏差相分离；高效的检测出本振频率偏差。
3)本发明提供的双向测频的方案可以检测时变信道引入的频率偏差，这个频率偏差可以用于校准时变信道引入的链路不对称性。
4)本发明要求在细同步过程中，主从节点同时发包，压缩了时变信道引入的不对称性。相较于PTP协议中，主从站随机发包，本发明更适合时变信道的应用。
附图说明
图1是本发明实现原理；
图2是本发明中时变信道的双向测频从端结构图；
图3是本发明中时变信道的双向测频主端结构图；
图4是本发明中TWFTD双向时频补偿计算模块示意图；
图5是本发明中粗同步示意图；
图6是本发明中细同步示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明要指出的是，本发明中，如未特别写出具体涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等，则本发明涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等均为本领域技术人员在现有技术的基础上，可以不经过创造性劳动可以得知的。
本发明的实现原理如图1所示，从站A向主站B发送信号，信号中会包含从站A的频率。
在信道中传递，会因为信道时变效应发生偏移，产生
f′A＝fA+Δfd (1)
主站B接收到f′A利用DDMTD进行频率检测，可以得到频率偏差
Δf′A-B＝f′A-fB (2)
由于，从站A和主站B的本振存在频率偏差，主站B的本振频率fB可以表示为：
fB＝fA+Δf (3)
则，主站B接收到f′A检测出的频率偏差可以表示为：
Δf′A-B＝f′A-fB＝(fA+Δfd)-(fA+Δf)＝Δfd-Δf (4)
同样，主站B向从站A发送信号，信号中会包含主站B的频率fB。
fB在信道中传递，会因为信道时变效应发生偏移，产生
f′B＝fB+Δfd (5)
从站A接收到f′B利用DDMTD进行频率检测，可以得到频率偏差
Δf′B-A＝f′B-fA＝(fB+Δfd)-(fB-Δf)＝Δfd+Δf (6)
通过数据交换，在主站B和从站A可以获知对方的频偏检测结果。
通过公式(4)和公式(6)联合求解，可以得到：
Δfd＝(Δf′B-A+Δf′A-B)/2 (7)
Δf＝(Δf′B-A-Δf′A-B)/2 (8)
在检测频率的同时，设备还可以通过时间标签的交换进行时间同步，见公式(9)和公式(10)。时间同步的原理来源于NTP和PTP时间同步协议。
ΔT＝(T2-T1+T3-T4)/2+ΔTCMP (9)
TDELAY＝((T4-T1)-(T3-T2))/2 (10)
实施例1：
参考图2、图3和图4共同所示，本发明公开了一种时变信道的双向测频方法，包括以下步骤：
S1、对时变信道引入的最大频率偏移量MAX_Δfd进行预估，对无线信道根据平台移动速率引入的最大多普勒频移进行估算；
S2、设计DDMTD的混频参数，使得公共参考源的频率与被测频率的频差ΔfDDMTD>MAX_Δfd(11)，并通过DDMTD进行频率检测；
S3、对从站A和主站B进行粗同步；如图5所示，粗同步的具体步骤为：
S31、从站A向主站B发送包含从站A的硬件时戳注入模块产生的T1数据包，对T1数据包的编码或调制信号包含从站A的频率fA；
S32、在主站B接收到信号后，从编码或调制信号中提取出从站A经时变信道传输的频率f′A以及T1数据包，在硬件时戳检测模块中记录信号到达的时间T2，并在鉴频鉴相模块测量出频率偏差Δf′B-A；
S33、通过主站B向从站A发送响应包，响应包中包含T1、T2、Δf′B-A以及主站B的硬件时戳注入模块产生的T3数据包，对响应数据包的编码或调制信号包含主站B的频率fB；
S34、在从站A接收到信号后，从编码或调制信号中提取出主站B经时变信道传输的频率f′B以及T1、T2、T3、Δf′B-A，并在硬件时戳检测模块中记录信号达到的时间T4，在鉴相鉴频模块中测量出频率偏差Δf′A-B；
S35、在从站A的TWFTD补偿计算模块中，利用接收到的T1、T2、T3、Δf′B-A以及本地检测到的T4和Δf′A-B计算出Δf和ΔT，通过TWFTS滤波模块处理后，分别校准本地振荡器和本地定时器；
S36、返回步骤S31，进行多次粗同步。
S4、在完成粗同步的基础上，对从站A和主站B进行细同步。如图6所示，细同步的具体步骤为：
S41、确定从站A和主站B的同步周期以及发包的起始时间，以便从站A向主站B同时进行发包操作；
S42、当达到约定的发包时间时，从站A向主站B同时向对方发包，从站A向主站B发送包含硬件时戳注入模块产生的T1数据包，对T1数据包的编码或调制信号包含从站A的频率fA，主站B向从站A发送包含硬件时戳注入模块产生的T3数据包，对T3数据包的编码或调制信号包含主站B的频率fB；
S43、在从站A接收到信号后，从编码或调制信号中提取出主站B经时变信道传输的频率f′B以及T3，在硬件时戳检测模块中记录信号到达的时间T4，在鉴频鉴相模块中测量出Δf′B-A；从站A将接收到的T3、硬件时戳检测模块记录的T4以及鉴频鉴相模块测量出的Δf′B-A发送给主站B；
S44、当主站B接收到信号后，从编码或调制信号中提取出从站A经时变信道传输的频率f′A以及T1，在硬件时戳检测模块中可以记录信号到达时间T2，在鉴频鉴相模块中测量出Δf′A-B；主站B将接收到的T1、硬件时戳检测模块记录的T2以及鉴频鉴相模块测量出的Δf′A-B发送给从站A；
S45、从站A接收主站B发送的T1、T2和Δf′A-B，结合自身记录的T3、T4和Δf′B-A，在从站A的TWFTD补偿计算模块中计算出Δf和ΔT，通过TWFTS滤波模块处理后，分别校准本地振荡器和本地定时器；同时可以计算出TDELAY和Δfd供从端监控模块，用于监测计算从站A的稳定性、时间连续性和信道时变特性；
S46、主站B接收从站A发送的T3、T4和Δf′B-A，结合自身记录的T1、T2和Δf′A-B，在主站B的TWFTD补偿计算模块中计算出Δf和ΔT，同时可以计算出TDELAY和Δfd供主端监控模块，用于监测计算主站B的稳定性、时间连续性和信道时变特性；
S47、按协商的同步周期返回步骤S42，或者重新协商同步周期，并返回步骤S42。
本发明在细同步过程中要求主从设备同时发送时戳信号，以压缩信道时变引入的不对称性，提升同步精度。
主从站点双向互送时戳和频偏检测值，从端用于矫正和监测，主端用于监测。
双向测频技术既能测定时变信道引入的频移，又能测定振荡器的频偏。
本方法不仅可以用于由于温度引起光纤时延变化引入的频率偏移的测定，还可以用于检测运动条件下多普勒频移。本发明也适用于其他类似的因信道变化引入的对称性的时延和频率变化的场景。
在完成基本的同步之后，要求主从设备同时发送时戳信号，以压缩信道时变引入的不对称性，提升同步精度。
本发明提出DDMTD用于频差检测的限制条件和方法，即要求按公式11设置DDMTD的参数。
对时变信道可能引入的最大频率偏移量(表示为MAX_Δfd)进行预估，如光纤信道MAX_Δfd预估为5E-11；无线信道则根据平台移动速率引入的最大多普勒频移进行估算。
本发明提出用DDMTD测量时间误差和频率误差，但是用其他方式测定时间误差和频率误差也是显而易见的，不构成对本发明的创新。
本发明要求主从站点双向互送时戳和频偏检测值，从端用于矫正和监测，主端用于监测。使得采用本发明的系统，不仅能够完成时间频率的校准，还能完成时间频率的监测。
在真实系统中，设备的本振频率(本发明中的fA和fB)与信道中的编码速率或载波频率不是相同的频率，但是各种频率均来自本振，具有相同的频偏量。本发明中为简化描述，采用同一符号表示。本行业工程师均能够理解其中的含义。对于本描述的改变不构成对本发明的创新。
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作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种时变信道的双向测频方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对时变信道引入的最大频率偏移量MAX_Δfd进行预估，对无线信道根据平台移动速率引入的最大多普勒频移进行估算；
S2、设计DDMTD的混频参数，使得公共参考源的频率与被测频率的频差ΔfDDMTD>MAX_Δfd，并通过DDMTD进行频率检测；
S3、对从站A和主站B进行粗同步；
S4、在完成粗同步的基础上，对从站A和主站B进行细同步。
2.根据权利要求1所述的时变信道的双向测频方法，其特征在于，所述时变信道包括光纤信道，所述光纤信道的最大频率偏移量MAX_Δfd预估为5E-11。
3.根据权利要求1所述的时变信道的双向测频方法，其特征在于，所述步骤S3中粗同步的具体步骤为：
S31、从站A向主站B发送包含从站A的硬件时戳注入模块产生的T1数据包，对T1数据包的编码或调制信号包含从站A的频率fA；
S32、在主站B接收到信号后，从编码或调制信号中提取出从站A经时变信道传输的频率f′A以及T1数据包，在硬件时戳检测模块中记录信号到达的时间T2，并在鉴频鉴相模块测量出频率偏差Δf′B-A；
S33、通过主站B向从站A发送响应包，响应包中包含T1、T2、Δf′B-A以及主站B的硬件时戳注入模块产生的T3数据包，对响应数据包的编码或调制信号包含主站B的频率fB；所述响应数据包包括T1、T2、Δf′B-A和T3；
S34、在从站A接收到信号后，从编码或调制信号中提取出主站B经时变信道传输的频率f′B以及T1、T2、T3、Δf′B-A，并在硬件时戳检测模块中记录信号达到的时间T4，在鉴相鉴频模块中测量出频率偏差Δf′A-B；
S35、在从站A的TWFTD补偿计算模块中，利用接收到的T1、T2、T3、Δf′B-A以及本地检测到的T4和Δf′A-B计算出Δf和ΔT，通过TWFTS滤波模块处理后，分别校准本地振荡器和本地定时器；
S36、返回步骤S31，进行多次粗同步。
4.根据权利要求3所述的时变信道的双向测频方法，其特征在于，所述Δf和ΔT的计算公式为：
Δf＝(Δf′B-A-Δf′A-B)/2
ΔT＝(T2-T1+T3-T4)/2+ΔTCMP
上式中，ΔTCMP为时延不对称性补偿参数。
5.根据权利要求1所述的时变信道的双向测频方法，其特征在于，所述步骤S4中细同步的具体步骤为：
S41、确定从站A和主站B的同步周期以及发包的起始时间，以便从站A向主站B同时进行发包操作；
S42、当达到约定的发包时间时，从站A向主站B同时向对方发包，从站A向主站B发送包含硬件时戳注入模块产生的T1数据包，对T1数据包的编码或调制信号包含从站A的频率fA，主站B向从站A发送包含硬件时戳注入模块产生的T3数据包，对T3数据包的编码或调制信号包含主站B的频率fB；
S43、在从站A接收到信号后，从编码或调制信号中提取出主站B经时变信道传输的频率f′B以及T3，在硬件时戳检测模块中记录信号到达的时间T4，在鉴频鉴相模块中测量出Δf′B-A；从站A将接收到的T3、硬件时戳检测模块记录的T4以及鉴频鉴相模块测量出的Δf′B-A发送给主站B；
S44、当主站B接收到信号后，从编码或调制信号中提取出从站A经时变信道传输的频率f′A以及T1，在硬件时戳检测模块中可以记录信号到达时间T2，在鉴频鉴相模块中测量出Δf′A-B；主站B将接收到的T1、硬件时戳检测模块记录的T2以及鉴频鉴相模块测量出的Δf′A-B发送给从站A；
S45、从站A接收主站B发送的T1、T2和Δf′A-B，结合自身记录的T3、T4和Δf′B-A，在从站A的TWFTD补偿计算模块中计算出Δf和ΔT，通过TWFTS滤波模块处理后，分别校准本地振荡器和本地定时器；同时可以计算出TDELAY和Δfd供从端监控模块，用于监测计算从站A的稳定性、时间连续性和信道时变特性；
S46、主站B接收从站A发送的T3、T4和Δf′B-A，结合自身记录的T1、T2和Δf′A-B，在主站B的TWFTD补偿计算模块中计算出Δf和ΔT，同时可以计算出TDELAY和Δfd供主端监控模块，用于监测计算主站B的稳定性、时间连续性和信道时变特性；
S47、按协商的同步周期返回步骤S42，或者重新协商同步周期，并返回步骤S42。
6.根据权利要求5所述的时变信道的双向测频方法，其特征在于，所述Δf和Δfd的计算公式为：
Δf＝(Δf′B-A-Δf′A-B)/2
Δfd＝(Δf′B-A+Δf′A-B)/2
ΔT和TDELAY的计算公式为：
ΔT＝(T2-T1+T3-T4)/2+ΔTCMP
TDELAY＝((T4-T1)-(T3-T2))/2
上式中，ΔTCMP为时延不对称性补偿参数。
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