CN1323494A - 无线通信装置中小功率时钟的同步 - Google Patents

Abstract

一种控制工作于时隙寻呼环境的移动站的方法与电路,所述电路包括小功率时钟、时钟信号发生器、同步逻辑电路、频率误差估算器和睡眠控制器。在清醒时间内,低频时钟信号重新与高频时钟同步,从而在睡眠模式期间校正精度不高的小功率时钟的任何频率误差。

Description

无线通信装置中小功率时钟的同步

发明背景

Ⅰ．发明领域

本发明涉及无线通信装置中的时钟信号发生。具体地说，本发明涉及一种经改进的新方法与电路，使应用时隙寻呼的无线通信装置中的小功率振荡器与基准振荡器实现同步。

Ⅱ．相关技术的描述

在典型的无线通信系统中，可利用时隙寻呼法延长准备时间，从而延长移动站的电池寿命。例如，移动站可以是蜂窝网或PCS电话，或者局部环路(WLL)手机。例如，移动站可以是蜂窝或PCS电话，或者局部环路(WLL)手机。例如，在美国专利5,392,287(题为“减少移动接收机功耗的设备与方法”，于1995年2月21日颁发，已转让给本发明的受让人，在此引作参照)揭示的无线电话系统中，已揭示过一种时隙寻呼系统。

上述专利描述的系统可减少有一发射机和一台或多台接收机的通信系统的接收机功耗，其中从发射机到接收机的定期消息按“时隙”编排。对每台接收机都指定一个时隙，在此期间接收机可监视传输状况。发射机只在指定的时隙内向接收机发射消息。接收机在其指定的时隙内处于“活跃状态”，在其指定的时隙之后，若该消息要求接收机作附加的动作，则可保持在活跃状态。通常把这种活跃状态称为“唤醒”状态。

在“不活跃状态”期间(连续出现其指定的时隙之间的时间周期)，接收机可执行任何动作而无须与发射机协调。在此期间去除对一个或多个元件(如监视传输的那些元件)供电，可以节省电力。通常把这种不活跃状态称作“睡眠”状态。在指定时隙前面不活跃状态期间的某一时刻，接收机对这些元件供电并作初始化。这类初始化可以包括重新获取某个领示信道信号，如果其计时信号在前面的不活跃状态期间已经漂移而与发射机的计时信号失去同步，则接收机本身可对该领示信道信号同步。

当移动站处于备用模式时，即不是主动地参与呼叫，则备用时间因而也是电池寿命受制于耗用了多少电流，而移动站则处于睡眠模式。在典型的移动站中，这娄空处于睡眠模式时，约耗用掉备用模式期间平均电流耗用量的一半。

移动站虽然处于睡眠模式，但是它必须至少保持一台计数器计量睡眠时间，让它对其下一个指定的时隙准时“醒来”。在大多数移动站中，一般用极其精确的时间基准(如温度补偿型晶体振荡器(TCXO))计量睡眠时间。另外，通常要求用其它时钟信号发生电路(如时钟缓冲器、时钟分频器和其它相关的时钟发生单元)由TCXO基准产生有用而可靠的时钟信号。这种尽管能形成一种高度精确的计时方案，但是所有这些元件耗费了大量电流(为3mA量级)。

为减少睡眠期间的电流消耗而延长备用时间，曾有人建议在睡眠模式中切断TCXO和相关的时钟信号发生电路，并在其位置上使用不太精确的小功率晶体振荡器。在移动站唤醒时，由于经常出现TCXO允许的精度和产生的高频等问题，所以曾有人建议，在精度要求不很高、钟频高分辨率显得不重要的场合，可用小功率振荡器来计量睡眠周期。

顺便提一下，小功率低频晶体振荡器的制造较为便宜，在手表等应用中极为普及，因而立马可供货。与更精密的晶体振荡器相比，它们耗电极小(为0.015mA量级)。所有这些省电、廉价的优点使它们在移动站中用于计量睡眠周期很有吸引力。

然而，这类小功率低频晶体振荡器对温度变化也出奇地敏感，在预期的工作温度范围内，变化的量级为60PPM。它们不可校正，不可补偿。另外，它们的时间分辨度很粗糙。所有这些误差都降低了它们在移动站中正常监视睡眠周期的能力。

于1995年6月27日发表且转让给Motorola的美国专利5,428,820(题为“自适应无线电接收机控制器方法与设备”)，提出了一种对这类小功率晶体振荡器中固有的误差进行补偿的方法。在该专利中，移动站运用廉价的小功率低频振荡器计量睡眠周期，通过使当前睡眠周期长度适应先前睡眠周期的计时精度，计算小功率振荡器固有的误差。换言之，如果先前睡眠周期由于小功率振荡器的误差而变得太长，则移动站在当前睡眠周期中醒来得更早。为了确定睡眠周期是过长还是过短，移动站就要寻找某一表明其指定的时隙开头的独特字，诸如来自发射机的消息始标。若未收到独特字，移动站醒得太迟，就要减小睡眠持续时间。若收到了有效的独特定，移动站就按时或过早地醒来，则略微延长睡眠持续时间。

5,428,820专利的主要缺点是依赖于有时错误地接收寻找正确睡眠周期的独特字。而且，如果该独特字未被正确地接收和解调，则基于睡眠周期长度错误的预期结果而改变睡眠持续时间。除了独特字未被正确地接收和解调的睡眠周期的持续时间外，其它一些理由还包括通信信道的质量条件。

因此，要求有一种方法与电路来计算小功率振荡器中的误差以避免原有技术的限制，同时在移动站中可靠地计量睡眠周期。

发明概要

本发明是一种经改进的新方法与电路，用于控制在时隙寻呼环境中工作的移动站。本发明利用了这样一个事实，即移动站在唤醒的整个时间接收来自发射机的稳定的时间基准，并且监视其指定的寻呼时隙。在此唤醒时间内，将低频时钟信号重新与高频时钟同步，从而避免原有技术必须接收和解调某一独特字以确定正确的睡虑周期的限制。

该电路包括产生低频时钟信号的小功率时钟、产生高频时钟信号的时钟信号发生器、使低频与高频时钟信号同步的同步逻辑电路、测量估计的低频时钟误差的频率误差估算器，以及对校正的睡眠持续时间值取消时钟信号发生器供电的睡眠控制器。在该较佳实施例中，该电路还包括计量校正的睡眠持续时间值的可编程计数器，而睡眠控制器用校正的睡眠持续时间值对可编程计数器编程。

在一实施例中，同步逻辑电路包括至少一个数字锁存器，用于使低频时钟信号的上升沿对准高频时钟信号的上升沿。频率误差估算器还可包括一计数器和一累加器，计数器用于统计每一低频时钟信号周期的高频时钟信号周期数，累加器用于累计每一低频时钟信号周期的预计高频时钟信号周期数与每一低频时钟信号周期的实际高频时钟信号周期数之差。

附图简述

通过下面结合附图所作的详细描述，本发明的特点、目标和优点将变得更加明显，附图中用相同的标号表示相应的物件，其中：

图1是本发明电路的功能方框图；及

图2是本发明方法的流程图。

较佳实施例的详细描述

本发明特别适用于无线通信装置或移动站，诸如工作于时隙寻呼环境的便携式无线电话。在时隙寻呼操作中，如上面引用的美国专利5,392,287所描述的那样，移动站在其非指定的播叫时隙期间保持睡眠，在其指定的寻呼时隙之前立刻唤醒。

图1示出本发明电路的功能方框图。时钟信号发生器202产生高频高精度时钟信号，时钟信号发生器202最好如图示那样包括基准振荡器204和时钟合成器206。然而，时钟信号发生器202可以是本技术领域内任何一种已知的时钟信号发生电路，本发明并不限于时钟信号发生器202的实际构成。

在该较佳实施例中，基准振荡器204可以是一种可校正的补偿型晶体振荡器，诸如本技术领域已知的TCXO或压控TCXO(VCTCXO)。基准振荡器204最好产生一种供接收机200用来获取和解调RF信号的高频信号，因而将基准振荡器204优化成产生精确的高频信号。在该较佳实施例中，基准振荡器204产生19.68MHz信号或其它合适的RF基准频率19.2,19.8(MHz)等。时钟合成器206最好包括数字时钟发生逻辑电路，包括分频器、时钟缓冲器和本技术领域常规的其它元件，用于时钟发生。在该较佳实施例中，时钟全成器206产生的时钟信号，频率为9.8304MHz。

当应用本发明的移动站唤醒时，它监视其指定的寻呼信道，移动站从该指定的寻呼信道获取精确的计时基准。众所周知，接收机200接收该寻呼信道并对其解调，而该寻呼信道是发射机201利用基准振荡器204提供的基准频率发射的。接收机200一实施例的结构在题为“双模式数字FM通信系统”的美国专利申请08/779,601中作了进一步描述，该申请于1997年1月7日提出并转让给本发明的受让人，在此引作参照。

如上述专利描述的那样，接收机200包括一通常称为“AFC”(自动频率控制)的频率跟踪回路(未示出)，它根据从发射机201接收的RF信号的相位，产生一供基准振荡器使用的频率误差信号。由于发射机201发射的RF信号的相位与稳定的系统时间同步，所以接收机200可根据接收的RF信号的相位导出稳定的时间基准。施加给基准振荡器204的频率误差信号有助于对接收的RF载频作闭环跟踪，导致从基准振荡器204向时钟合成器206输出极坚实、稳定且高度精确的高频基准信号。相位与频率跟踪环路在本技术领域是众所周知的，可按要求使用许多不同的环路来校正基准振荡器204的频率。

另应指出，本发明并非只适用于有外部时间基准的场合。换言之，时钟信号发生器202可以是一种位于移动站内部或外面的独立的基准。在独立的基准的情况中，应假设该时钟信号发生器202精确得足以无须作任何外部校正。

时钟信号发生器202还包括在图1中标为“通/断”的使能输入端，可施加使能信号来接通或断开时钟信号发生器202。时钟信号发生器202接通时，产生上述的时钟信号。然而，当将禁止信号加到时钟信号发生器202的使能输入端时，就如上述那样停止产生时钟信号。还可以禁止稳压器。再者，当时钟信号发生器202被禁止时，就减小包括时钟信号发生器202的几乎所有元件的动力消耗。这样，当将禁止信号加到时钟信号发生器202的使能输入端时，它基本上消耗零电流。

另一方面，小功率时钟224最好是一种32.768KHz的晶体振荡器，有关电路是上述的常见电路。但要指出，在另一些实施例中，可以使用其它振荡器设计方案而不改变本发明的特征。在该较佳实施例中，在移动站上电的同时，小功率时钟224保持继续上电，这与移动站处于睡眠模式时断电的时钟信号发生器202相反，当移动站处于睡眠模式时，小功率时钟224保持上电而产生低频时钟信号。

睡眠控制器222将睡眠持续时间值编入可编程计数器226。睡眠间隔持续时间取决于连续指定的时隙之间的时间长度和下面将要描述的小功率时钟224的频率误差估算值。睡眠控制器222可以是本技术领域中已知的常规微处理器以及相关的电路与存储器，编程有控制进入与退出睡眠模式的软件指令。应当指出，虽然将睡眠控制器图示为单个功能块，但是它可以具体构制成若干元件和相关的软件。可编程计数器226可以是本领域中已知的任何一种合适的计数器或定时器。

小功率时钟224产生的低频时钟信号作为对可编程计数器226的一个输入被接收。根据睡眠控制器222先前编程的睡眠持续时间值，经低频时钟信号计时，可编程计数器226递减计数至终止。可编程计数器226一旦终止，使能信号就从睡眠控制器222输出到时钟信号发生器202的使能输入端。依此方法，当移动站退出睡眠模式准备监视其指定的寻呼信道时隙时，时钟信号发生器202就接通。

反之，在监视了其指定的寻呼信道时隙后，若对移动站不再有消息，睡眠控制器222就向时钟信号发生器202的使能输入端发出禁止信号，由此减小几乎所有时钟信号发生元件的动力消耗，包括时钟信号发生器202，其中还包括基准振荡器204和时钟合成器206，仅让小功率时钟224赋能以对睡眠控制器222载入可编程计数器226的下一个睡眠持续时间值计时。

至此已经明白，通过在睡眠模式期间对时钟信号发生器202断电，同时让赋能的小功率时钟224对睡眠持续时间计时，本发明可节省睡眠模式期间的电流。但如上所述，小功率时钟224有一定的预期频率误差，原因在于其构成特征以及温度与制造质量。本发明通过使低频时钟224与更精确而稳定的时钟信号发生器202重新同步，解决了小功率时钟224的误差。

将小功率时钟224产生的低频时钟信号当作同步逻辑208的第一输入来接收，将时钟信号发生器202产生的高频时钟信号当作同步逻辑208的第二输入来接收。

图1中将较佳实施例的同步逻辑208示作三个串接的倒相锁存器，后接带一个倒相输入端的“与”门。但要指出，可用其它数字逻辑电路实现同样的功能而不背离本发明。

在该较佳实施例中，时钟信号发生器202产生的高频时钟信号被当作第一锁存器210的时钟输入来接收，小功率时钟224产生的低频时钟信号被当作第一锁存器210的数据输入来接收。如本领域中众所周知的，典型的数字锁存器有一建立与保护时间，当锁存器被计时时，在输出端产生与输入端呈现的同样的逻辑值(或其反数)。这样，第一锁存器210的输出将是一种与小功率时钟224产生的低频时钟信号极为相似的形状与周期的波形，虽然可能为反相(若第一锁存器210是倒相锁存器)。明显的差别在于，第一锁存器210输出的上升沿或下降沿将与正在对第一锁存器210计时的高频时钟信号的上升沿或下降沿同步。

第一锁存器210的输出被当作第二锁存器212的数据输入来接收。同样地，第二销存器212的输出被当作第三锁存器214的数据输入来接收。所有锁存器210-214都由时钟信号发生器202产生的高频时钟信号计时。第二和第三锁存器212与214执行如上述参照第一锁存器210描述的同样的同步功能。

最后，第三锁存器214的输出被当作“与”门216的倒相输入来接收，而第二锁存器212的输出作为“与”门216的非倒相输入应用。本领域的技术人员将明白，锁存器210-214与“与”门216用来使小功率时钟224产生的低频时钟信号与时钟信号发生器202产生的高频时钟信号同步，并作边沿检测。

应当指出，可用更多或更少的锁存器和其它数字逻辑代替图1所示的那些锁存器与逻辑电路。同步逻辑208的其它实现方法对本领域的技术人员是显而易见的。但在该较佳实施例中，为了避免与锁存器相关的任何亚稳定性问题，而且在本领域内已知，通常用一个以上的锁存器减小锁存器亚稳定性的统计学相似性以及导致丢失低频时钟信号波形完整性。

同步逻辑208向频率误差估算器217输出同步的低频时钟信号。在该较佳实施例中，频率估算器217包括9位上行计数器218和16位累加器220。同步的低频时钟信号加到9位上行计数器218的复位输入端，时钟信号发生器202产生的高频时钟信号加到9位递增计数器218的时钟输入端。在该较佳实施例中，同步的低频时钟信号将9位递增计数器218复位到-300(-160十六进制)。这样，对于同步的低频时钟信号的每个周期而言，9位递增计数器被复位，并从-300开始重新开始递增计数。在该较佳实施例中，由于时钟信号发生器202产生的高频时钟信号的频率为9.8304MHz，而同步逻辑208产生的同步的低频时钟信号的频率为32.768KHz，所以对于同步的低频时钟信号的每一个周期而言，一般正好有300个高频时钟信号周期。这样，在每次由同步的低频时钟信号将9位递增计数器218复位到-300时，通过对高频时钟信号计时，它将一直计数回零。

因为9位递增计数器218通常在复位前已计数回零，所以对一个低频时钟信号周期而言，任何保持不变的计数或任何超过零的额外计数代表着小功率时钟224估算的频率误差。将每个这类独立的误差计数加到16位累加器220的输入端，在同步的低频时钟信号的256个周期内累加。然后，16位累加器220向睡眠控制器222提供估算的频率误差。

应该指出，对本发明而言，9位递增计数器218和16位累加器220准确的位尺寸与结构并非是关键，可以使用尺寸或大或小的其它计数器，如8位或10位的计数器，这不违背本发明。本领域的技术人员显然也明白，可用复位为+300的同样尺寸的递减计数器代替9位递增计数器218。再者，9位递增计数器218使用的-300复位值只是高频时钟信号的频率除以同步的低频时钟信号的频率而已，根据涉及的实际频率，同样可以使用任何其它的复位值。而且在另一实施例中，计数器218本身不复位，而是从其输出里减去某一常数而使误差归一化。

另外，本领域的技术人员将明白，16位累加器220可以被集成与转储单元等不同尺寸的装置或结构代替。选择在256个周期内累加估算的频率误差作为求均时在统计上重要而方便的数字。因此，本发明并不限于在该范围内对估算的频率误差取平均的这一周期数。最后要指出，很容易把频率误差估算器217设计成使用执行产生同步的低频时钟信号估算的频率误差同一功能的其它数字逻辑电路，这不违背本发明。

如前所述，同步的低频信号估算的频率误差由16位累加器220提供给睡眠控制器222。多个累加器输出可以在微处理器软件中一起取平均或滤波以产生精确的睡眠频率误差。而且，如前所述，睡眠控制器222根据连续指定的寻呼时隙之间的周期产生睡眠持续时间值，以算术方法把这一估算的频率误差加到睡眠持续时间值里，以便产生校正的睡眠持续时间值。然后，用校正的睡眠持续时间值对可编程计数器226编程，由此算出小功率时钟224中的频率误差。

换言之，如果小功率时钟224较之更精确的时钟信号发生器202有延误，则16位累加器220产生的估算的频率将为负值，结果，睡眠控制器222将从睡眠持续时间值中减去该估算的频率误差。因此，得到的用来对可编程计数器226编程的校正的睡眠持续时间值，将小于要求只基于时隙间睡眠周期的标称持续时间，这将使可编程计数器226更早地计完数，从而为其下一个指定的时隙“准时”唤醒移动站。如果小功率时钟224比时钟信号发生器202走得快，就作相反的操作。

再参照图2，它示出了图1电路实施本发明方法的流程图。应当理解，有些步骤可以同时执行。过程在块300开始，此时归属于本发明的移动站“醒来”，表示已对来自发射机201的信号进行接收与解调所必需的所有元件上电，这也包括对时钟信号发生器202上电，使它产生供接收机200使用的高频时钟信号，还对同步逻辑电路208上电。

在块302，正如本领域中众所周知的，移动站再次获取寻呼信道，并开始监视其指定的寻呼信道时隙，在移动站醒来并监视其指定的时隙的同时，过程进行到块304，如上所述，同步逻辑208使低频时钟信号与高频时钟信号同步。由于移动站在监视其指定的时隙时可以唤醒20或40ms，所以在移动站醒来的同时，同步逻辑208有足够的时间执行重新同步。

在块306，测量估算的低频时钟误差。在图1的较佳实施例中，按针对9位递增计数器218和16位累加器220描述的方法执行该步骤。在块308，睡眠控制器222根据指定的寻呼时隙(即连续指定的寻呼时隙间的时间间隔)和低频时钟估算的频率误差产生校正的睡眠持续时间值。该步骤执行后，小功率时钟224的频率误差已校正，移动站再进入睡眠模式经历校正的睡眠持续时间值，而该值已按上面参照图1描述的方法装入可编程计数器226。

前面对较佳实施例的说明能使本领域的技术人员应用本发明。对这些技术人员而言，显然明白对这些实施例的各种修正，而且无须应用创造能力就可将这里规定的一般原理应用于其它实施例。因此，本发明不用来限制这里所示的诸实施例，而是在最广泛的范围内与这里揭示的原理与新特征相一致。

Claims (8)

1．一种控制工作于时隙寻呼环境的移动站的电路，其特征在于，所述电路包括：

产生低频时钟信号的小功率时钟；

产生高频时钟信号的时钟信号发生器；

使所述低频时钟信号与所述高频时钟信号同步的同步逻辑电路；

测量估算的低频时钟误差的频率误差估算器；及

将电力从所述时钟信号发生器除去而实现所述校正的睡眠持续时间值的睡眠控制器。

2．如权利要求1所述的电路，其特征在于，它还包括计量所述校正的睡眠持续时间值的可编程计数器，其中所述睡眠控制器按所述校正的睡眠持续时间值对所述可编程计数器进行编程。

3．如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述同步逻辑电路包括至少一个数字锁存器，用于将所述低频时钟信号的一边沿对准所述高频时钟信号的上升沿。

4．如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述频率误差估算器包括：

计数器，用于统计每个低频时钟信号周期的高频时钟信号周期数；及

累加器，用于累计每个低频时钟信号周期期望的高频时钟信号周期数与每个低频时钟信号周期实际的高频时钟信号周期数之差。

5．一种控制工作于时隙寻呼环境的移动站的方法，其特征在于，它包括以下步骤：

产生低频时钟信号；

产生高频时钟信号；

使所述低频与高频时钟信号同步；

测量估算的低频时钟误差；

根据所述估算的低频时钟误差产生校正的睡眠持续时间值；及

进入睡眠模式达到所述校正的睡眠持续时间值。

6．如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：

按所述校正的睡眠持续时间值对可编程计数器进行编程；及

计量所述校正的睡眠持续时间值。

7．如权利要求5所述的方法，其特征在于，使所述低频与高频时钟信号同步的所述步骤，包括使所述低频时钟信号的边沿与所述高频时钟信号的上升沿对准。

8．如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述测量估算的低频时钟误差的步骤包括下述步骤：

统计每个低频时钟信号周期的高频时钟信号周期数；

累计每个低频时钟信号周期期望的高频时钟信号周期数与每个低频时钟信号周期实际的高频时钟信号周期数之差。

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