利用鎖相環(huán)用于時(shí)間和頻率同步的方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于時(shí)間和頻率同步的方法和裝置。具體但非排他地，涉及使用鎖相 環(huán)在使用例如IEEE 1588精確時(shí)間協(xié)議(PTP)的分組網(wǎng)絡(luò)上的時(shí)間和頻率同步。
【背景技術(shù)】
[0002] 移動網(wǎng)絡(luò)分為兩類:頻分雙工(FDD)，其使用兩個分離的頻帶來發(fā)送/接收；以及時(shí) 分雙工（TDD)，其在單個頻帶上發(fā)送和接收。LTE-TDD、WiMAX TDD、CDMA網(wǎng)絡(luò)（在北美普遍）、 TD-CDMA和TD-SCDMA(除頻率同步以外還)需要時(shí)間同步，而LTE-FDD、GSM(全球移動通信系 統(tǒng)）、W-CDMA和其它無線技術(shù)僅需要頻率同步。即使隨著LTE-FDD的使用，諸如網(wǎng)絡(luò)MM)和基 于位置的服務(wù)這樣的新的LTE移動服務(wù)也將需要精確時(shí)間同步。
[0003] 本發(fā)明特別應(yīng)用于分組網(wǎng)絡(luò)上的時(shí)鐘同步(時(shí)間和頻率二者），尤其是電信網(wǎng)絡(luò)同 步。與需要毫秒級準(zhǔn)確性以良好操作的IT計(jì)算系統(tǒng)和傳感器網(wǎng)絡(luò)不同，電信網(wǎng)絡(luò)要求亞微 秒(實(shí)際上，納秒)級準(zhǔn)確性。這種嚴(yán)格的時(shí)鐘質(zhì)量等級常規(guī)上由GPS、原子時(shí)鐘和TDM定時(shí)鏈 路來提供。因此，ITU-T、IEEE和其它標(biāo)準(zhǔn)體限定了特殊標(biāo)準(zhǔn)，以允許分組網(wǎng)絡(luò)支持電信網(wǎng)絡(luò) 的特殊同步需求?，F(xiàn)在被廣泛接受且被電信業(yè)采用的一個這種最近的標(biāo)準(zhǔn)是IEEE 1588精 確定時(shí)協(xié)議(PTP)。甚至存在針對電信應(yīng)用限定的特殊IEEE 1588資料。即使用于IT計(jì)算系 統(tǒng)和傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步具有相同的基本概念，這些系統(tǒng)也具有不同的應(yīng)用需求、協(xié)議、 架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，因此完全不將它們考慮在電信同步的范圍內(nèi)。
[0004] IEEE 1588是現(xiàn)今工業(yè)接受的基于分組的方法/標(biāo)準(zhǔn)，其用于從主裝置分配定時(shí)信 息以使得分布式系統(tǒng)的時(shí)鐘能夠以高精準(zhǔn)(納秒級準(zhǔn)確性）同步。其基本原理是基于圖1所 示的同步消息的常規(guī)交換的主/從概念，從而通過在分組網(wǎng)絡(luò)2上交換消息，將從裝置3中的 從時(shí)鐘5同步到主裝置1中的主時(shí)鐘4。
[0005] IEEE 1588通過將網(wǎng)絡(luò)中的所有時(shí)鐘調(diào)整到最高質(zhì)量時(shí)鐘（最優(yōu)主時(shí)鐘 (grandmaster clock))來同步這些時(shí)鐘。與僅支持頻率轉(zhuǎn)移的稱作同步以太網(wǎng)的另一基于 分組的技術(shù)不同，IEEE 1588支持頻率和時(shí)間轉(zhuǎn)移二者轉(zhuǎn)移。IEEE 1588除時(shí)鐘恢復(fù)機(jī)制以 外還限定了寬范圍的同步能力(伺服算法、PLL、定時(shí)器等）以在從(客戶)裝置使用以其本地 時(shí)鐘同步到主裝置。
[0006] 在需要以端對端方式實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘轉(zhuǎn)移而沒有分組網(wǎng)絡(luò)輔助(例如，以不斷跳轉(zhuǎn)邊界 時(shí)鐘（BC)[1][2]或者透明時(shí)鐘(TC)的形式）的情況下，在分組網(wǎng)絡(luò)的兩端不存在可追蹤到 主要基準(zhǔn)時(shí)鐘(PRC)的基準(zhǔn)時(shí)鐘，或者在不存在網(wǎng)絡(luò)GPS服務(wù)時(shí)，依賴定時(shí)的接收終端節(jié)點(diǎn) 需要使用適應(yīng)性定時(shí)技術(shù)以重建發(fā)送定時(shí)基準(zhǔn)源的定時(shí)信號。接收終端將通常使用"基于 分組的"時(shí)鐘恢復(fù)機(jī)制，該時(shí)鐘恢復(fù)機(jī)制使接收方時(shí)鐘依從于發(fā)送方時(shí)鐘。該時(shí)鐘恢復(fù)機(jī)制 能夠處理在分組數(shù)據(jù)流中編碼的所發(fā)送的時(shí)鐘采樣(時(shí)間戳），以產(chǎn)生用于接收方的定時(shí)信 號。該時(shí)鐘恢復(fù)機(jī)制的目的是估計(jì)和補(bǔ)償在發(fā)送方時(shí)鐘和接收方時(shí)鐘的振蕩器之間發(fā)生的 頻率漂移。然而，分組延遲變化(PDV)和分組丟失的存在影響時(shí)鐘估計(jì)/補(bǔ)償處理的性能，使 得發(fā)送方時(shí)鐘顯現(xiàn)得比其實(shí)際快或慢，最終，導(dǎo)致大部分為漫游(wander)的傳播到接收方 時(shí)鐘信號。漫游是小于IOHz的時(shí)鐘噪聲，而抖動（jitter)是等于或大于IOHz的時(shí)鐘噪聲。
[0007] IEEE 1588PTP 基礎(chǔ)
[0008] 可使用時(shí)鐘（物理或者虛擬)將事件與時(shí)間關(guān)聯(lián)。單個事件的時(shí)間被稱作時(shí)間戳， 并是實(shí)數(shù)。在IEEE 1588v2PTP中，消息分為事件消息和普通消息。所有IEEE 1588PTP消息具 有共同的報(bào)頭。事件消息是時(shí)控消息，原因在于在各個消息的發(fā)送和接收時(shí)均產(chǎn)生準(zhǔn)確時(shí) 間戳。事件消息必須準(zhǔn)確地加上時(shí)間戳，這是因?yàn)榘l(fā)送時(shí)間戳和接收時(shí)間戳的準(zhǔn)確性直接 影響時(shí)鐘分布準(zhǔn)確性。
[0009]普通消息不需要加上時(shí)間戳。在發(fā)送和接收任何事件消息時(shí)產(chǎn)生時(shí)間戳事件。事 件消息的集合由5711(3、〇6137_1^9、？(16137_1^9和？(16137_1^8口組成。普通消息的集合由 Announce、Follow_Up、Delay_Resp、Pdelay_Resp_Follow_Up、Management和Singnaling組 成。IEEE 1588PTP允許兩種不同的加時(shí)間戳方法:一步或者兩步。一步時(shí)鐘更新正在傳輸中 的事件消息（Sync和Delay-Req)中的時(shí)間信息，而兩步時(shí)鐘在普通消息（Fol IowJJp和 Delay-Resp)中傳送分組的精確時(shí)間戳。
[0010] 3}01〇、〇6137_1^9、？〇11〇￥_1^和〇6137_1^8。消息用于產(chǎn)生和傳遞利用延遲請求-響 應(yīng)機(jī)制來同步普通和邊界時(shí)鐘所需的定時(shí)信息。Sync消息由主裝置將發(fā)送至其從裝置，并 且包含其發(fā)送的確切時(shí)間或者隨后跟隨著包含該時(shí)間的F〇llow_Up消息。在兩步普通或邊 界時(shí)鐘中，F(xiàn)o I IowJJp消息傳遞針對特定Sync消息的離開時(shí)間戳的值。De lay_Req消息是用 于接收節(jié)點(diǎn)利用De lay_Resp消息返回接收到De lay_Req消息的時(shí)間的請求。
[0011]在圖1中例示了針對兩步時(shí)鐘的同步消息交換的基本模式。針對兩步時(shí)鐘的消息 交換模式可解釋如下。主裝置1將Sync消息發(fā)送至從裝置3,并且標(biāo)記消息發(fā)送時(shí)間T1。從裝 置3接收Sync消息并且根據(jù)其本地時(shí)鐘5標(biāo)記接收時(shí)間T2。主裝置1通過以下兩種方式之一 將時(shí)間戳Tl傳送至從裝置：1)在Sync消息（未示出）中嵌入時(shí)間戳T1。這需要針對最高準(zhǔn)確 性和精確性的一些硬件處理（即，硬件加時(shí)間戳）。2)如圖1所示在F 〇llow_Up消息中嵌入時(shí) 間戳T1。接著，從裝置3將Delay_Req消息發(fā)送至主裝置1并且標(biāo)記消息發(fā)送時(shí)間T3。主裝置1 接收Delay_Req消息并且標(biāo)記接收時(shí)間T4。主裝置1通過將時(shí)間戳T4嵌入Delay_Resp消息中 來將時(shí)間戳T4傳送至從裝置3。
[0012] 在該P(yáng)TP消息交換的最后，從裝置3具有全部四個時(shí)間戳{11、了233、了4}。這些時(shí)間 戳可用于計(jì)算從裝置的時(shí)鐘5相對于主時(shí)鐘4的偏移和在兩個時(shí)鐘之間消息的平均傳播時(shí) 間。偏移和傳播時(shí)間的計(jì)算假設(shè)主-從傳播時(shí)間和從-主傳播時(shí)間是相等的，即對稱通信路 徑。
[0013] 可按照端對端方式將時(shí)間/頻率從主裝置1轉(zhuǎn)移至從裝置3,而不涉及中間網(wǎng)絡(luò)節(jié) 點(diǎn)6,如圖2所例示。在這種情景下，從裝置3唯一負(fù)責(zé)正確地恢復(fù)主時(shí)鐘信號。與其它方法 (例如，利用不斷跳轉(zhuǎn)邊界時(shí)鐘或者透明時(shí)鐘）相比，這里的時(shí)間/頻率轉(zhuǎn)移更有挑戰(zhàn)性，這 是因?yàn)閺难b置3暴露于由中間分組網(wǎng)絡(luò)2(圖3和圖4)產(chǎn)生的所有PDV。網(wǎng)絡(luò)裝置(開關(guān)、路由 器等）中的分組的處理和緩沖帶來了經(jīng)過分組網(wǎng)絡(luò)2行進(jìn)的分組的時(shí)間延遲的變化，這往往 導(dǎo)致轉(zhuǎn)移的時(shí)鐘信號惡化。分組網(wǎng)絡(luò)中固有的PDV是時(shí)鐘噪聲的主要來源。在從裝置根據(jù) PTP定時(shí)信號中的恢復(fù)的時(shí)鐘包含需要被去除或衰減的時(shí)鐘噪聲(大部分由rov貢獻(xiàn)）。在從 裝置使用濾波處理以濾掉時(shí)鐘噪聲，因此產(chǎn)生"平滑的"時(shí)鐘輸出。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 在其最寬的范圍，本發(fā)明的從裝置包括從時(shí)鐘和鎖相環(huán)，該從時(shí)鐘和鎖相環(huán)用于 處理期望該從時(shí)鐘與其同步的主時(shí)鐘的時(shí)間和頻率的估計(jì)。
[0015] 本發(fā)明的第一方面提供了一種從裝置，該從裝置通過網(wǎng)絡(luò)連接至具有主時(shí)鐘的主 裝置，其中，該從裝置包括:從時(shí)鐘；以及數(shù)字鎖相環(huán)，該數(shù)字鎖相環(huán)包括相位檢測器、環(huán)路 濾波器、相位累加器和計(jì)數(shù)器，其中：該從裝置設(shè)置成：與該主裝置交換定時(shí)消息并且記錄 如下時(shí)間戳:根據(jù)主時(shí)鐘從主裝置發(fā)送所述定時(shí)消息的時(shí)間、根據(jù)從時(shí)鐘接收所述定時(shí)消 息的時(shí)間、根據(jù)從時(shí)鐘發(fā)送所述定時(shí)消息的時(shí)間、以及根據(jù)主時(shí)鐘接收所述定時(shí)消息的時(shí) 間，根據(jù)所述時(shí)間戳估計(jì)從時(shí)鐘相對于主時(shí)鐘的偏斜和偏移；以及基于所估計(jì)的偏斜和偏 移使所述從時(shí)鐘同步到主時(shí)鐘，以產(chǎn)生主時(shí)間估計(jì)。數(shù)字鎖相環(huán)對主時(shí)間估計(jì)進(jìn)行如下處 理:在接收對主時(shí)間的第一估計(jì)時(shí)，計(jì)數(shù)器被初始化;相位檢測器被設(shè)置成在接收到主時(shí)間 的隨后估計(jì)時(shí)，檢測計(jì)數(shù)器的輸出與接收到的估計(jì)之間的相位差，并且產(chǎn)生表示該差的誤 差信號；由環(huán)路濾波器對誤差信號進(jìn)行濾波，以產(chǎn)生濾波后的誤差信號;使用濾波后的誤差 信號來控制相位累加器的頻率；以及相位累加器的輸出使計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)遞增并且還提供同步 到主時(shí)鐘的頻率的從時(shí)鐘的時(shí)鐘頻率。
[0016] 可使用從裝置中的數(shù)字鎖相環(huán)使由網(wǎng)絡(luò)(例如，可為分組網(wǎng)絡(luò)）引入的時(shí)鐘噪聲衰 減至等同于應(yīng)用的時(shí)鐘輸出需求的水平。
[0017] 優(yōu)選地，定時(shí)消息是根據(jù)IEEE 1588PTP的消息，例如，Sync、Follow Up、Delay_Req 或者 Delay_Response 消息。
[0018] 優(yōu)選地，從裝置利用計(jì)數(shù)器的輸出作為同步到主時(shí)鐘的時(shí)間的從時(shí)鐘的時(shí)鐘時(shí) 間。
[0019] 該方面的從裝置因此可針對在分組網(wǎng)絡(luò)上的端對端時(shí)間和頻率分配提供基于時(shí) 間戳的時(shí)鐘恢復(fù)技術(shù)。該技術(shù)不要求來自分組網(wǎng)絡(luò)的輔助，并且仍然能夠提供亞微秒級時(shí) 鐘準(zhǔn)確性。數(shù)字鎖相環(huán)可提供在從裝置(時(shí)間客戶端)使用的時(shí)間和頻率信號這二者。多數(shù) 技術(shù)通常僅提供一種信號類型而非二者。
[0020] 計(jì)數(shù)器輸出（時(shí)間信號)隨后可根據(jù)需要格式化成各種標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號。
[0021] 該方面的從裝置還可包括直接數(shù)字合成器，該直接數(shù)字合成器根據(jù)相位累加器的 輸出產(chǎn)生模擬頻率信號，該直接數(shù)字合成器包括:相位累加器;振蕩器;映射裝置;和數(shù)模轉(zhuǎn) 換器。從裝置還可包括低通濾波器，該低通濾波器設(shè)置成對直接數(shù)字合成器的輸出進(jìn)行濾 波。
[0022] 從裝置可按照其它方式處理或調(diào)整相位累加器的輸出，以提供符合從裝置中的終 端應(yīng)用的抖動需求的信號。具有接口形式因素的各種形式的信號(方波、正弦波等)可由相 位累加器溢出輸出構(gòu)造。這些信號可由另一(通常是模擬)鎖相環(huán)調(diào)整。
[0023] 在一個實(shí)施方式中，數(shù)字鎖相環(huán)的計(jì)數(shù)器還用于提供針對在從裝置接收定時(shí)消息 的時(shí)間的時(shí)間戳和從從裝置發(fā)送定時(shí)消息的時(shí)間的時(shí)間戳。
[0024] 在該實(shí)施方式中，計(jì)數(shù)器可在從裝置從主裝置接收到第一定時(shí)消息時(shí)被初始化， 并且在接收第一主時(shí)間估計(jì)時(shí)，計(jì)數(shù)器可復(fù)位至所述第一主時(shí)間估計(jì)。
[0025] 在另選實(shí)施方式中，從裝置還包括自由運(yùn)行第二的計(jì)數(shù)器，其中第二計(jì)數(shù)器用于 提供針對在從裝置接收到定時(shí)消息的時(shí)間的時(shí)間戳和從從裝置發(fā)送定時(shí)消息的時(shí)間的時(shí) 間戳。
[0026] 從裝置優(yōu)選地使用用于估計(jì)(從裝置相對于主從裝置的）時(shí)鐘偏移和偏斜的遞歸 技術(shù)來產(chǎn)生主時(shí)間估計(jì)。該遞歸估計(jì)技術(shù)優(yōu)選地為指數(shù)加權(quán)遞歸最小二乘方方法，其在結(jié) 構(gòu)上類似卡爾曼濾波器但不需像傳統(tǒng)卡爾曼濾波器中那樣需要要測量和處理噪聲統(tǒng)計(jì)量 的知識。這種方法的示例在以下實(shí)施方式中描述。
[0027] 該方面的從裝置優(yōu)選地通過執(zhí)行根據(jù)下面描述的第二方面的方法的相關(guān)步驟來 操作。
[0028] 本方面的從裝置可包括上述優(yōu)選和可選特征的一些、全部的任意組合，或者不需 要上述優(yōu)選和可選特征。
[0029] 在其最寬的范圍，本發(fā)明的方法提供使用鎖相環(huán)處理從裝置中的主時(shí)鐘的時(shí)間和 頻率的初始估計(jì)來使從時(shí)鐘的時(shí)間和頻率同步到主時(shí)鐘的方法。
[0030] 本發(fā)明的第二方面提供一種將從裝置中的從時(shí)鐘的時(shí)間和頻率同步到經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連 接至從裝置的主裝置中的主時(shí)鐘的方法，該方法包括以下步驟:在主裝置與從裝置之間交 換定時(shí)消息和以下時(shí)間戳:根據(jù)主時(shí)鐘從主裝置發(fā)送所述定時(shí)消息的時(shí)間；根據(jù)從時(shí)鐘接 收所述定時(shí)消息的時(shí)間；根據(jù)從時(shí)鐘發(fā)送所述定時(shí)消息的時(shí)間；以及根據(jù)主時(shí)鐘接收所述 定時(shí)消息的時(shí)間，根據(jù)所述時(shí)間戳估計(jì)從時(shí)鐘相對于主時(shí)鐘的偏斜和偏移；以及基于所估 計(jì)的偏斜和偏移使所述從時(shí)鐘同步到主時(shí)鐘，以產(chǎn)生主時(shí)間估計(jì);使用包括相位檢測器、環(huán) 路濾波器、相位累加器和計(jì)數(shù)器的數(shù)字鎖相環(huán)對主時(shí)間估計(jì)進(jìn)行如下處理:在接收到主時(shí) 間的第一估計(jì)時(shí)，初始化計(jì)數(shù)器;在接收到主時(shí)間的隨后估計(jì)時(shí)，使用相位檢測器來檢測計(jì) 數(shù)器的輸出與接收到的估計(jì)之間的相位差，并且產(chǎn)生表示該差的誤差信號;使用環(huán)路濾波 器對誤差信號進(jìn)行濾波，以產(chǎn)生濾波后的誤差信號;使用濾波后的誤差信號控制相位累加 器的頻率；以及使用相位累加器的輸出使計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)遞增并且獲得同步到主時(shí)鐘的頻率的 從時(shí)鐘的時(shí)鐘頻率作為相位累加器的輸出。
[0031] 從裝置中的數(shù)字鎖相