CN1299522C - 无线通讯系统基带与射频之间实现精确定时的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无线通讯系统基带与射频之间实现精确定时的装置，包括位于基带-远端射频接口发送侧的帧头插入电路、数据插入电路、隐含时标插入电路和位于接收侧的帧头匹配电路、帧头锁定电路、数据恢复电路，隐含时标插入电路对经过帧头插入电路和数据插入电路处理后产生的帧数据插入时标，得到隐含时标的帧结构，接收侧的隐含时标的帧结构分别输出至所述数据恢复电路和帧头匹配电路，帧头匹配电路发现可能的帧头标志后由帧头锁定电路锁定出真正的帧头，并送入数据恢复电路中恢复数据，时标锁定电路接收来自帧头匹配电路的输出，并锁定输出时标。本发明以组帧方式传输基带射频信号，引入时标隐含插入与提取电路，在基带与射频之间实现精确定时。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线通讯系统，尤其涉及一种无线通讯系统基带与射频之间可实现精确定时的装置。
背景技术
某些无线通讯制式要求高精度的定时，而精确定时源成本较高，为降低成本，对一个基站系统，一般只在基带配置一个精确定时系统。对于射频部分，时钟需要从基带传送到射频。
对于基带和射频部分同址安装的基站，可通过专用的时钟线传送时钟。而对于基带与射频分离的基站系统，设置专用时钟线的难度高，代价大，可靠性差。所以一般将其复用到信令/业务中进行传输。
对射频部分，不但需要具有短期稳定度的精确高频时钟，还需要具有长期稳定度的、秒级的定时信号，称为时标。射频系统需要时标，主要是为了满足测距，基站在线测试的需求。有的基站中，还用时标信号来再生出高精度、稳定度的时钟源。
现有方案中，基带射频之间采用直接复用的传输方式。如图1所示，其为现有基带射频接口定时机制原理图，主要包括K比特复用器11、发送器12、接收器13以及K比特解复用器14。业务数据，以及其它开销，例如时标信号，校验比特，测距比特，通讯比特等等，平等地在K比特复用器11中作K∶1复用，然后通过一发送器12发送。在接收侧，在接收器13中用一个时钟数据恢复电路，恢复出所传送的数据。再通过K比特解复用器14解复用，得到原始的信号。
现有方案的问题是，由于除业务数据之外的开销实际带宽极小，但被当作数据平等地进行复用/解复用，从而导致传输的效率极其低下。
时标信号就是一种典型的，低带宽的开销。由于它是个秒级的信号，相对于高速的前反向业务数据来说基本上是个直流信号。如在复用器/解复用器中为其专门分配一个比特，显然浪费很大，一个粗略的估算是浪费1/K的带宽(K为复用位数)，即如果总带宽为1G，就浪费了100M容量。现有方案不能很好地解决这个问题。
为解决直接复用方式的效率低下、容量小的问题，可以引入类似于分组包的帧结构传送机制。即将数据/信令，以及其它开销，例如测距信号，通讯信号，校验信号等组装成一个固定格式的帧结构，在基带——远端射频接口中，信号虽然串行传送，但在接收侧，通过解复用后进行组帧，恢复出发送端所发的原始帧。即对基带和射频部分，接口是以帧为单位的。
在以帧结构传输过程中，首先要解决帧的定界问题。如果以K∶1的比例进行复用，在接收侧，很容易通过时钟/数据恢复电路得到K比特的边界，但是却无法直接得到每帧的边界。因此无法实现直接的帧恢复
需要解决的另一个问题是时标的传送。在找到帧边界后，则能够完成组帧，但仍无法直接得到长期时标。因此需要有一种时标信息的传送机制，例如在帧结构中增加时标定段，但这样带来了较大的带宽浪费。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种无线通讯系统基带与射频之间实现精确定时的装置，以组帧方式传输基带射频信号，并引入时标隐含插入与提取电路，在不增加额外开销的情况下，能满足移动通讯系统中对定时的严格要求以及对系统时标的需求，在基带与射频之间实现精确定时。
为了实现上述目的，本发明提供了一种无线通讯系统基带与射频之间实现精确定时的装置，其特点在于，包括位于基带-射频接口发送侧的帧头插入电路、数据插入电路、隐含时标插入电路和位于接收侧的帧头匹配电路、帧头锁定电路、数据恢复电路、时标锁定电路，所述隐含时标插入电路对所述帧头插入电路和数据插入电路共同产生的帧数据插入时标，得到隐含时标的帧结构，接收侧的隐含时标的帧结构分别输出至所述数据恢复电路和帧头匹配电路，所述帧头匹配电路发现的帧头标志转由所述帧头锁定电路锁定出真正的帧头实现帧定时，并送入所述数据恢复电路中恢复数据，所述时标锁定电路接收来自所述帧头匹配电路的输出，并锁定，然后输出时标。
上述的无线通讯系统基带与射频之间实现精确定时的装置，其特点在于，所述基带-远端射频接口发送侧还包括接收所述隐含时标的帧结构并将其复用发送的复用发送电路，以及接收侧接收该复用发送电路发送的信号，并将其解复用的接收解复用电路。
上述的无线通讯系统基带与射频之间实现精确定时的装置，其特点在于，所述帧头匹配电路包括K比特匹配器、模板寄存器、匹配计数器、匹配判决器，从所述模板寄存器每次取出K比特与从接收器解复用后的K比特数据一起送至所述K比特匹配器进行匹配判断，匹配的结果送至所述匹配计数器，所述匹配计数器将匹配后的计数值送至所述模板寄存器和所述匹配判决器，并在完全匹配时由所述匹配判决器输出原始帧头信号。
上述的无线通讯系统基带与射频之间实现精确定时的装置，其特点在于，所述帧头锁定电路包括正常帧长寄存器、本地帧头产生器、本地帧头复位控制器、一致性判决器、近期正常帧计数器以及锁定判决电路，所述本地帧头产生器根据本地时钟和所述正常帧长寄存器来定期产生本地帧头，与所述原始帧头信号一起输入所述一致性判决器做一致性判断，其输出信号进入所述近期正常帧计数器，得到的计数值送至所述锁定判决电路作最终的锁定状态判断，所述本地帧头复位控制器可复位本地帧头，使其同步于下一个原始帧头信号。
上述的无线通讯系统基带与射频之间实现精确定时的装置，其特点在于，所述时标锁定电路包括本地时标产生器、本地时标复位控制器、一致性判决器、时标失锁处理器、时标帧头匹配器、普通帧头匹配器、信号合并器、无效帧头过滤器以及帧头锁定电路，来自所述普通帧头匹配器的普通帧头与来自所述时标帧头匹配器的时标帧头在所述信号合并器中合并，得到合并帧头信号，所述原始帧头信号输入所述帧头锁定电路锁出真正的帧头信号，与所述时标帧头匹配器输出的时标帧头一起通过所述无效帧头过滤器，过滤出有效时标帧头信号，所述有效时标帧头信号与所述本地时标产生器产生的本地时标一起输入至所述一致性判决器，输出锁定时标或触发所述时标失锁处理器进行时标失锁异常处理；所述本地时标复位控制器可复位本地时标，使其同步于下一个原始时标帧头信号。
上述的无线通讯系统基带与射频之间实现精确定时的装置，其特点在于，所述近期正常帧计数器通过读取一敏感帧数寄存器的敏感帧数值Nsf作为锁定状态判决时的采样区间，所述近期正常帧计数器对此区间内的正常帧数进行统计。
上述的无线通讯系统基带与射频之间实现精确定时的装置，其特点在于，所述锁定判决电路还读取来自失锁阈值寄存器的失锁阈值Nnl和来自锁定阈值寄存器的锁定阈值Nlk，与当前锁定帧数及其前期状态一起确定出当前锁定状态。
上述的无线通讯系统基带与射频之间实现精确定时的装置，其特点在于，所述一致性判决电路、近期正常帧计数器、锁定判决电路以本地帧头产生器产生的本地时标作为其工作的时标周期。
上述的无线通讯系统基带与射频之间实现精确定时的装置，其特点在于，所述时标帧头在每个系统时标周期Tsystem中出现一次，且位于每个系统时标周期的起始点位置。
上述的无线通讯系统基带与射频之间实现精确定时的装置，其特点在于，所述系统时标周期Tsystem为所述帧结构的帧周期Tframe的整数倍。
上述的无线通讯系统基带与射频之间实现精确定时的装置，其特点在于，所述敏感帧数值Nsf可为任意值，且所述失锁阈值Nnl在1～Nsf之间任意选择，所述锁定阈值Nlk在1～Nsf-1之间任意选择。
上述的无线通讯系统基带与射频之间实现精确定时的装置，其特点在于，所述模板寄存器为具有能够覆盖帧头长度的最小字节数n的n*K模板寄存器，所述匹配计数器的输出控制所述模板寄存器的输出指针在始终匹配的情况下，使其在0～n-1之间遍历。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1为现有基带射频接口定时机制原理图；
图2为本发明的实现精确定时的装置较佳实施例的结构图；
图3为本发明中帧头匹配电路结构图；
图4为本发明中帧头锁定电路结构图；
图5为本发明帧头锁定状态示意图；
图6为本发明时标帧头示意图；
图7为本发明时标锁定电路结构图。
具体实施方式
本发明主要描述帧产生以及帧提取电路是如何传送及获得帧边界，以及时标插入、提取电路是如何传送及获得时标的。
由于移动通讯系统中，基带至射频的前反向信号都是经过基带调制之后的定速率数据。因此，规定帧长为固定值。对每一帧，设置一个帧头标志，作为帧结构中的一个特殊开销字段。
如图2所示，其为本发明的无线通讯系统基带与射频之间实现精确定时的装置的较佳实施例的结构示意图，位于基带-远端射频接口发送侧的帧头插入电路21、数据插入电路22、隐含时标插入电路24、复用发送电路23和位于接收侧的接收解复用电路25、帧头匹配电路27、帧头锁定电路28、数据恢复电路26、时标锁定电路29。
在发送侧，所述帧头插入电路21，与所述数据插入电路22一起，生成带有帧头的帧数据。帧数据经过隐含时标插入电路24处理，得到隐含时标的帧结构241。隐含时标的帧结构241经复用发送电路23复用后变成串行信号，发送到接收端，由接收器接收，并解复用，重新生成隐含时标的帧结构241，但此时的帧尚未定界。如果不需要串行发送，则复用发送电路23和接收侧的接收解复用电路25可以省略。
接收侧的接收解复用电路25解复用出隐含时标的帧结构241，被送到一个帧头匹配电路27。帧头匹配电路27根据特定的帧头模板对帧中的数据进行匹配，发现可能的帧头标志。之后由一个帧头锁定电路28锁定出真正的帧头。该帧头被送到数据恢复电路26，以从帧结构中恢复出数据。
帧头匹配电路27的输出还送到一个时标锁定电路29。所述时标锁定电路29从匹配的帧头中找出隐含的时标信息，并进行锁定，得到时标输出。
请结合图2，参考图3，其为本发明中帧头匹配电路结构图，包括K比特匹配器271、模板寄存器272、匹配计数器273、匹配判决器274。设复用比为K∶1，则称K比特为一个字节(Word)。设能够覆盖帧头长度的最小字节(Word)数为n，则需要一个n*K比特的模板寄存器272。该寄存器272中存放等匹配的帧头内容。
从模板寄存器272中，每次取出K个比特，与接收器25解复用后的K比特数据一起，送到一个K比特匹配器271，该匹配器271每个时钟节拍工作一次，对两路输入进行匹配判断。
匹配的结果送到一个计数器。该计数器称为匹配计数器273。在初始态时，该匹配计数器273置0。当出现匹配时，匹配计数器273加1。而一旦出现不匹配，该匹配计数器273清0。
匹配计数器273的输出送到模板寄存器272和匹配判决器274，它控制模板输出指针，在始终匹配的情况下，使其在0至n-1之间遍历。
如果n个字节(Word)全部匹配，则匹配计数器273可以加到n-1，否则就始终小于n-1。因此匹配计数器273是否等于n-1，作为是否匹配的判决条件。出现匹配之后，匹配计数器273清0，开始下一轮的匹配，并由匹配判决器274输出原始帧头信号。
每出现一次完全匹配，则输出一次原始帧头信号，由于在帧体的正常数据中，也可能存在与帧头完全相同的比特流，因此该原始帧头信号还并不代表真正的帧头，需要送到帧头锁定电路28中作进一步判决。
请结合参考图4，帧头锁定电路28是以原始帧头信号为输入，按照一定规律锁出真正的帧头信号。这首先需要一个本地帧头产生器281。本地帧头产生器281根据本地时钟和正常帧长寄存器289的值Lnf来定期地产生本地帧头。
在刚启动时，或系统长期处于失锁态时，通过一个本地帧头复位控制器282来复位本地帧头，使其同步于下一个原始帧头。
本地帧头与原始帧头送到一个一致性判决器283，该一致性判决器283在每个时标周期对两个输入作一次一致性判断，此处的时标周期，以本地帧头产生器281产生的本地时标为准，这是为了防止断链或长期链路异常导致后续电路不工作的问题。
一致性判决电路输出的信号，进入一个近期正常帧计数器284中。该近期正常帧计数器284的计读取敏感帧数寄存器286的值Nsf，敏感帧数是指作锁定状态判决时，所依据的采样区间。近期正常帧计数器284对此区间之内的正常帧数进行统计。在复位时，近期正常帧计数器284的值清0。当一致性判决器输出一致信号时，近期正常帧计数器284加1，但计数值最大不超过Nsf。当近期正常帧计数器284计数计到Nsf并且一致性判决器仍然输出一致信号时，近期正常帧计数器284的值保持。而当一致性判决器输出不一致信号时，近期正常帧计数器284减1，但其最小值为0。当近期正常帧计数器284到达0而一致性判决器仍输出不一致信号时，近期正常帧计数器284保持。
近期一致帧计数值，被送到一个锁定判决电路285，作最终的锁定状态判断。判断需要两个阈值：来自失锁阈值寄存器的失锁阈值Nnl和来自锁定阈值寄存器的锁定阈值Nlk。之所以为两个阈值而不是一个，是为了满足锁定的迟滞效应的需求。
近期正常帧计数器284及锁定判决电路285，与一致性判决电路283一样，其工作节拍均以本地帧头产生器281产生的本地时标为准。
图5示出了几个阈值和锁定状态之间的关系。敏感帧数Nsf可以任意选择。其取值越大，工作状态越稳定，不受异常波动的影响，但捕获时间也相应延长。其取值越小，捕获越快，但链路工作状态也越不稳定，一些小的波动容易导致失锁。
锁定阈值Nlk，可以在1至Nsf之间任意选择。越大，则锁定条件越苛刻，如等于Nsf，则近期无一帧异常才认为锁定，
失锁阈值Nnl可以在1至Nsf-1之间选择。失锁阈值越高，则越容易进入失锁状态。
仅仅根据当前锁定帧数和两个阈值，还不能确定出当前锁定状态，还要根据其前期状态。例如，如果前期处于失锁态，则其近期锁定帧数必须达到或超过锁定阈值，才认为再次进入锁定状态。而如果前期处于锁定态，则期近期锁定帧数必须小于失锁阈值时，才认为失锁。利用这一特点，很容易实现锁定及失锁的迟滞效应，如Nnl＝Nlk，则无迟滞效应，如Nnl＜Nlk，则有正向迟滞效应，反之，有反向迟滞效应。
以上讲述帧头的插入与提取过程。而未解决时标的插入与提取的问题。在本发明中，未为时标分配专门的字段，而是采用隐含插入帧头的方式，这样可以最大程度地节省传输带宽。
具体实现例如图6、图7所示。如图7所示的时标锁定电路示意图，包括本地时标产生器297、本地时标复位控制器298、一致性判决器296、时标失锁处理器299、时标帧头匹配器291、普通帧头匹配器292、信号合并器293、无效帧头过滤器295以及帧头锁定电路294。来自所述普通帧头匹配器292的普通帧头与来自所述时标帧头匹配器291的时标帧头在所述信号合并器293中合并，得到原始帧头信号，所述原始帧头信号输入所述帧头锁定电路294锁出真正的帧头信号，与所述时标帧头匹配器291输出的时标帧头一起通过所述无效帧头过滤器295，过滤出有效时标帧头信号，所述有效时标帧头信号与所述本地时标产生器297根据一正常时标间隔寄存器2971产生的本地时标一起输入至所述一致性判决器296，并输出锁定时标或触发所述时标失锁处理器299进行时标失锁异常处理。当时标长时间失锁或初始化时，所述本地时标复位控制器298根据来自所述一致性判决器296的时标锁定状态，复位本地时标，使其同步于下一个原始时标帧头信号。
如图6所示，在本发明中，设一帧长度为Tframe68，含帧头及帧体，而系统时标间隔为Tsystem66，在选择Tframe68时，应使Tsystem66恰为Tframe68的整数倍。若不能实现，则需要改Tsystem66，例如将Tsystem66增大整数倍，最终满足Tsystem66与Tframe68之间的整数倍关系。
本发明还规定了两种帧头：普通帧头63及时标帧头61。首先，所有帧均与系统时标对齐。并在对齐的时刻将帧头标记为时标帧头61，而其余帧为普通帧头63。这样，时标帧头61在每个系统时标周期Tsystem66会出现一次，并位于每个系统时标周期Tsystem66的起始点位置。
时标需要一套独立于帧头锁定的机制进行锁定判决。因此，要同时识别普通帧头63和时标帧头61，则需要两套匹配器，两套匹配器的原理一样，只是其匹配模板不同。
普通帧头63，需要与时标帧头61合并之后，才能得到最终的帧头信号，这是因为原始帧头要作帧头锁定判断，而无论普通帧头63还是时标帧头61对于帧头锁定都是平等的。
由时标帧头匹配器291输出的时标帧头，还需要通过一个无效帧头过滤器295，依据帧头锁定电路294产生的锁定后的帧头信号，过滤掉无效的帧头，无效帧头是由正常帧数据中恰好与时标帧头相匹配的比特流产生的匹配。经过滤除之后的有效时标帧头信号，与本地时标一起，送入一致性判决器296。
本地时标，是由本地时钟维护的，当时标长时间失锁，或在初始化时，本地时标产生器298复位，同步于下一个链路上检测到的时标信号。
在链路时标和本地时标一致的情况下，一致性判决电路296直接给出锁定后的时标输出。而在链路时标和本地时标不一致的情况下，给出时标失锁指示，并触发所述时标失锁处理器299做出相应的异常处理。
帧头插入与提取电路，使得以组帧方式传输基带射频信号成为可能，从而大大提高了传输效率。而时标隐含插入与提取，在不增加额外开销的情况下，满足了移动通讯系统中对定时要求严格以及对系统时标的需求。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (12)
1、一种无线通讯系统基带与射频之间实现精确定时的装置，其特征在于，包括：位于基带-射频接口之间发送侧的帧头插入电路、数据插入电路、隐含时标插入电路和位于接收侧的帧头匹配电路、帧头锁定电路、数据恢复电路、时标锁定电路，所述隐含时标插入电路对所述帧头插入电路和数据插入电路共同产生的帧数据插入时标，得到隐含时标的帧结构，接收侧的隐含时标的帧结构分别输出至所述数据恢复电路和帧头匹配电路，所述帧头匹配电路发现的帧头标志转由所述帧头锁定电路锁定出真正的帧头实现帧定时，并送入所述数据恢复电路中恢复数据，所述时标锁定电路接收来自所述帧头匹配电路的输出，并锁定，然后输出时标。
2、根据权利要求1所述的无线通讯系统基带与射频之间实现精确定时的装置，其特征在于，所述基带-远端射频接口发送侧还包括接收所述隐含时标的帧结构并将其复用发送的复用发送电路，以及接收侧接收该复用发送电路发送的信号，并将其解复用的接收解复用电路。
3、根据权利要求2所述的无线通讯系统基带与射频之间实现精确定时的装置，其特征在于，所述帧头匹配电路包括K比特匹配器、模板寄存器、匹配计数器、匹配判决器，从所述模板寄存器每次取出K比特与从接收器解复用后的K比特数据一起送至所述K比特匹配器进行匹配判断，匹配的结果送至所述匹配计数器，当出现匹配时，匹配计数器加1，若不匹配，该匹配计数器清0；所述匹配计数器将匹配后的计数值送至所述模板寄存器和所述匹配判决器，并在完全匹配时由所述匹配判决器输出原始帧头信号。
4、根据权利要求3所述的无线通讯系统基带与射频之间实现精确定时的装置，其特征在于，所述帧头锁定电路包括正常帧长寄存器、本地帧头产生器、本地帧头复位控制器、一致性判决器、近期正常帧计数器以及锁定判决电路，所述本地帧头产生器根据本地时钟和所述正常帧长寄存器来定期产生本地帧头，与所述原始帧头信号一起输入所述一致性判决器做一致性判断，其输出信号进入所述近期正常帧计数器，得到的计数值送至所述锁定判决电路作最终的锁定状态判断，所述本地帧头复位控制器可复位本地帧头，使其同步于下一个原始帧头信号。
5、根据权利要求3所述的无线通讯系统基带与射频之间实现精确定时的装置，其特征在于，所述时标锁定电路包括本地时标产生器、本地时标复位控制器、一致性判决器、时标失锁处理器、时标帧头匹配器、普通帧头匹配器、信号合并器、无效帧头过滤器以及帧头锁定电路，来自所述普通帧头匹配器的普通帧头与来自所述时标帧头匹配器的时标帧头在所述信号合并器中合并，得到合并帧头信号，所述原始帧头信号输入所述帧头锁定电路锁出所述的真正的帧头信号，与所述时标帧头匹配器输出的时标帧头一起通过所述无效帧头过滤器，过滤出有效时标帧头信号，所述有效时标帧头信号与所述本地时标产生器产生的本地时标一起输入至所述一致性判决器，输出锁定时标或触发所述时标失锁处理器进行时标失锁异常处理；所述本地时标复位控制器可复位本地时标，使其同步于下一个原始时标帧头信号。
6、根据权利要求4所述的无线通讯系统基带与射频之间实现精确定时的装置，其特征在于，所述近期正常帧计数器通过读取一敏感帧数寄存器的敏感帧数值Nsf作为锁定状态判决时的采样区间，所述近期正常帧计数器对此区间内的正常帧数进行统计。
7、根据权利要求6所述的无线通讯系统基带与射频之间实现精确定时的装置，其特征在于，所述锁定判决电路还读取来自失锁阈值寄存器的失锁阈值Nnl和来自锁定阈值寄存器的锁定阈值Nlk，与当前锁定帧数及其前期状态一起确定出当前锁定状态。
8、根据权利要求4所述的无线通讯系统基带与射频之间实现精确定时的装置，其特征在于，所述一致性判决电路、近期正常帧计数器、锁定判决电路以本地帧头产生器产生的本地时标作为其工作的时标周期。
9、根据权利要求5所述的无线通讯系统基带与射频之间实现精确定时的装置，其特征在于，所述时标帧头在每个系统时标周期Tsystem中出现一次，且位于每个系统时标周期的起始点位置。
10、根据权利要求9所述的无线通讯系统基带与射频之间实现精确定时的装置，其特征在于，所述系统时标周期Tsystem为所述帧结构的帧周期Tframe的整数倍。
11、根据权利要求7所述的无线通讯系统基带与射频之间实现精确定时的装置，其特征在于，所述敏感帧数值Nsf可为任意值，且所述失锁阈值Nnl在1～Nsf之间任意选择，所述锁定阈值Nlk在1～Nsf-1之间任意选择。
12、根据权利要求3所述的无线通讯系统基带与射频之间实现精确定时的装置，其特征在于，所述模板寄存器为具有能够覆盖帧头长度的最小字节数n的n*K模板寄存器，所述匹配计数器的输出控制所述模板寄存器的输出指针在始终匹配的情况下，使其在0～n-1之间遍历。
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