专利名称：一种动态调整WiMAX基站晶振稳定度的装置及其实现方法
技术领域：
本发明涉及一种调整晶振稳定度的方法，特别地，涉及一种动态调整WiMAX基站 晶振稳定度的装置及其实现方法。
背景技术：
WiMAX基站的各种时钟由晶振来提供，因此晶振的精度就决定了 WiMAX基站各 类时钟的精度。晶振的特点决定了它在短时间内有很高的稳定度，但是由于晶振本身的 老化和环境的影响(例如温度的变化、电压波动等因素)，晶振的固有频率会发生漂移，普 通晶振的漂移参数会比较大， 一般是一天百分之几赫兹， 一年几赫兹，漂移曲线可以参 考图4。如果采用稳定度高的铷/铯晶振，成本会很高。如果让晶振自由振荡，WiMAX 基站的时钟精度就会随着时间的推移越来越差，带之而来得影响就会使WiMAX基站的 通信可靠性下降，因此需要在WiMAX基站运行的过程中，动态对晶振进行调整，使其 输出频率稳定在可接受的精度之内。另外，对晶振的校准需要快速，这样基站受到外界 干扰时，基站可以快速的对晶振进行补偿，保持晶振的频率稳定度，从而保证基站通信 的可靠性。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种动态调节WiMAX基站晶振稳定度的装置。 本发明的另一个目的在于提供一种动态调节WiMAX基站晶振稳定度的方法。 本发明的一种用于WiMAX基站动态调节晶振稳定度的装置，包括GPS接收机、频
率计数器、相位检测器、相位误差调节器、数/模转换器、晶体振荡器、时钟生成器，其
中
GPS接收机用于接收GPS信号，将GPS产生的lpps信号传到频率计数器；为解 决WiMAX基站晶振频率漂移的问题，在WiMAX基站内引入此GPS接收机用来接收 GPS信号，输出lpps(l pulse per second)信号，为频率计数器提供时间基准参考。
频率计数器用于对输入的时钟信号进行计数，当检测到所述GPS接收机发送来的 lpps信号的上升沿后开始计数，当检测到下一个lpps信号的上升沿后停止计数，将此计
数值发送给相位检测器；
相位检测器用于对所述频率计数器产生的计数值进行滤波和平均处理，计算出当 前的相位误差，将此相位误差输入到相位误差调节器；
相位误差调节器根据当前的相位误差、调节系数和晶体振荡器的当前控制参数， 计算出调整后的晶振调节参数；
数/模转换器根据输入的所述晶振调节参数，生成实际的晶振调节电压，控制晶振 的振荡频率； .
晶体振荡器用于在晶振调节电压的控制下，产生振荡信号；
时钟生成器用于在晶体振荡器输出的所述振荡信号通过时钟生成器后，产生多路 时钟信号，其中一路输入所述频率计数器作为计数时钟；
本发明的另一个目的在于提供一种利用上述装置实现动态调节WiMAX基站晶振稳 定度的方法。
本发明的一种动态调节WiMAX基站晶振稳定度的方法，其中，晶体振荡器的晶振
调节参数根据公式
Ro = Ro' + Aphase*KD来计算，Ro是当前晶振调节参数，
Ro'是上一次晶振调节值，
Aphase是当前相位误差，
KD是晶振调整系数。
本发明的方法，其中所述Kd-晶振调节范围/相位检测器变化范围。 本发明的方法，其中获得KD的过程为 步骤一设置采样点数n;
步骤二用晶振允许的最小值OCXOmin调节晶振，记录相位检测器的测量值 COUNTmin ;
步骤三用晶振允许的最大值OCXOmax调节晶振，记录相位检测器的测量值 COUNTmax;
步骤四计算KD = (OCXOmax陽OCXOmin) / (COUNTmax - COUNTmin)。 本发明的方法，其中相位误差釆用粗调计算Aphase:相位误差和/采样点数。 本发明的方法，其中相位误差采用细调计算 设采样长度为n:{X0， Xi，X2, ... ,Xn-^
滑动窗口长度为m，则窗口从左向右滑动过程中得到的中间采样个数为n-m+l，滑 动时，将滑动窗口中的采样点相加并平均，得到一个新的采样序列，其长度为n-m+l:
(yo，yi,y2,... ,yn—m}
yi = Sxk/m
最后，将这n-m+l个中间值相加并平均，得到当前的相位误差 Aphase = E yi / (n-m+1)。
本发明的方法，其中频率计数器的误差为f=Emax * 68.3%， 其中Emax表示频率计数器的最大采样误差。
本发明的一种动态调整WiMAX基站晶振稳定度的装置及其实现方法，利用GPS接 收机输出的lpps信号来校准晶振输出信号频率的稳定度，通过计算相位检测器和晶振之 间的调节系数，可以快速将晶振的精度调整到0.5Hz之内，并最终使晶振的精度稳定在 0.01Hz以内。该方法可快速、准确地调节晶振的频率误差，算法简单，通过粗调和细调 之间的状态转换，偏差大时收敛快，偏差小时能使晶振达到自己的精度极限并保持稳定， 可以将一个普通晶振的震荡频率快速调整到很高的精度，并且长期稳定度和短期稳定度 都很好。
总之，本发明的装置及其实现方法，可在WiMAX基站运行的过程中，动态对晶振 进行调整，使其输出频率稳定在可接受的精度之内；可快速校准晶振，在基站受到外界 干扰时，基站可快速对晶振进行补偿，保持晶振的频率稳定度，从而保证基站通信的可 靠性。本发明的装置和实现方法，可广泛应用于WiMAX基站和扫频仪等设备中，提高 通信的可靠性；同时，无须购买昂贵的晶振，只需通过普通晶振和一个动态校准系统， 就能使基站的时钟快速达到满意的精度。
图1是晶振稳定度动态调节结构；
图2是晶振稳定度动态调节状态转换图3是晶振稳定度动态调节流程图4是没有进行晶振动态调节时晶振的频率漂移曲线； 图5是进行晶振动态调节时晶振的频率漂移曲线。
具体实施例方式
以下结合附图，对本发明作进一步说明。
图1是WiMAX晶振稳定度动态调节结构图。
频率计数器根据lpps信号提供的时间基准，对输入时钟进行计数，将此计数值传给 相位检测器，相位检测器采用特定算法对此计数值进行滤波/平均后，计算出相位差，用 相位差计算出对晶振的调节参数，然后对晶振进行调节。
频率计数器检测到lpps信号上升后，开始对输入的时钟信号进行计数，每一个时钟 周期计数值加l。当检测到下一个lpps信号的上升沿之后，停止计数，将当前的计数值 传递给相位检测器，同时计数器清0，开始进行下一次计数。
相位检测器预先计算出晶振与相位检测器之间的调节关系，即晶振调节系数，当计 算出当前的相位误差后，利用晶振调节系数就可计算出对晶振的偏差调节值，将此偏差 调节值与当前晶振调节值相加，就可算出实际的晶振调节值。用此晶振调节值调整晶振 的控制电压就可改变晶振的振荡频率，晶振振荡频率的改变又可调整频率计数器的计数 值，即这是一个闭环系统，通过不断调整相位误差可以使系统最终达到稳定。
当检测出的相位误差比较大时，系统通过对n个采样点进行平均，通过一次计算调 节就可将晶振频率调节到误差0.5Hz以内。
当检测出的相位误差比较小时，系统计算n个相位误差的平均值，每个相位误差用 m个釆样点进行窗口滑动平均的方法计算出，这时可以将晶振误差调节到O.OlHz附近， 并在此误差范围内上下摆动，达到稳定状态。
如果需要一个短期稳定的晶振输出频率，可以关闭系统的调节开关，即不对晶振进 行调节，这时晶振处于自由震荡状态，其短期稳定度由晶振本身的参数决定。
GPS以精密的时间保证为基础，有非常好的长期稳定性，但它的短期稳定性比较差。 结合GPS和晶振，利用GPS的长期稳定性校准晶振频率，可以提供一个短期和长期稳定 性都很好的晶振。另外，此方法的调节速度非常快，通过一两次调节就可使晶振处于很 高的频率精度。
采用晶振动态调整方法后，晶振的漂移会有明显的改善，参见图5。 1、总体结构
重新参见图1，该图示出了 WiMAX晶振的动态调整结构。 GPS接收机
通过GPS天线接收GPS发射的lpps信号，将此信号输入频率计数器作为计数的参
考。
频率计数器
当检测到GPS发送来的lpps信号的上升沿后开始计数，当检测到下一个lpps信号
的上升沿后停止计数，将此计数值发送给相位检测器。
* 相位检测器
用来对频率计数器产生的计数值进行采样、滤波和平均处理，计算出当前的相位误 差，将此相位误差输入到相位误差调节器。
* 相位误差调节器
根据当前的相位误差和晶振的当前控制参数，计算出调整后的晶振调节参数 数/模转换器
根据输入的晶振调节参数，生成实际的晶振调节电压，控制晶振的震荡频率。
* 时钟生成器
晶振输出的震荡信号通过时钟生成器后，产生多路时钟信号，其中一路输入频率计 数器作为计数时钟。
2、 相位误差调节器的实现 Ro = Ro, + Aphase * Kd
* R0:当前晶振调节参数
* Ro，上一次晶振调节参数
* Aphase:当前相j立误差
* KD:晶振调整系数
相位误差调节器的输入是Ro，(上一次晶振调节参数)和Aphase (当前相位误差)， 输出Ro(当前晶振调节参数)，通过测量相位误差，就可直接计算出对晶振的调节参数。
3、 相位检测器的实现
1)计算晶振调整系数(KD)
这个过程要在晶振动态调节算法运行之前进行，目的是计算出以后要用到的参数KD. KD=晶振调节范围/相位检测器变化范围 KD计算过程为
步骤一设置相位检测器采样点数n;
步骤二用晶振允许的最小值OCXOmin调节晶振，记录相位检测器的测量值 COUNTmin;
步骤三用晶振允许的最大值OCXOmax调节晶振，记录相位检测器的测量值 COUNTmax;
步骤四计算KD = (OCXOmax - OCXOmin) / (COUNTmax - COUNTmin); 步骤五将KD保存到FLASH中，供WiMAX基站启动时使用。
2) WiMAX运行过程中对晶振进行动态调节所处的状态 实际运行过程中，对晶振的调节可能处于3种状态，如图2所示
当晶振相位误差大于0.5Hz时，进入粗调状态
当晶振相位误差小于0.5Hz时，进入细调状态
*如果要在细调时达到高的短期稳定度，进入保持状态，即晶振此时处于自由振荡 状态，此时时钟精度依赖于晶振本身的稳定性。
3) 相位误差检测流程 相位误差检测流程参见图3
4) 滤波门限的确定
频率计数器的计数误差近似服从正态分布，所以滤波门限为 f=Emax = = 68.3%
其中Emax表示频率计数器的最大采样误差。
5) 相位误差算法
a) 粗调算法
Aphase=相位误差和/采样点数
b) 细调算法 设采样长度为n:
{Xo, Xi， X2， ... ， Xn-i}
滑动窗口长度为tn，则窗口从左向右滑动过程中得到的中间采样个数为n-m+l，滑 动时，将滑动窗口中的采样点相加并平均，得到一个新的采样序列，其长度为n-m+l:
{y。, yi,y2,…，yn-m}
yi = HXk/m
最后，将这n-m+l个中间值相加并平均，得到当前的相位误差 △phase = E yi / (n-m+l)
权利要求
1、一种动态调整WiMAX基站晶振稳定度的装置，其特征在于该装置包括GPS接收机、频率计数器、相位检测器、相位误差调节器、数/模转换器、晶体振荡器、时钟生成器，其中GPS接收机用于接收GPS信号，将GPS产生的1pps信号传到频率计数器；频率计数器用于对输入的时钟信号进行计数，当检测到所述GPS接收机发送来的1pps信号的上升沿后开始计数，当检测到下一个1pps信号的上升沿后停止计数，将此计数值发送给相位检测器；相位检测器用于对所述频率计数器产生的计数值进行滤波和平均处理，计算出当前的相位误差，将此相位误差输入到相位误差调节器；相位误差调节器根据当前的相位误差、调节系数和晶体振荡器的当前控制参数，计算出调整后的晶振调节参数；数/模转换器根据输入的所述晶振调节参数，生成实际的晶振调节电压，控制晶振的振荡频率；晶体振荡器用于在晶振调节电压的控制下，产生振荡信号；时钟生成器用于在晶体振荡器输出的所述振荡信号通过时钟生成器后，产生多路时钟信号，其中一路输入所述频率计数器作为计数时钟。
2、 一种利用如权利要求1所述装置实现动态调整WiMAX基站晶振稳定度的方法， 其中，晶体振荡器的晶振调节参数根据公式Ro = Ro' + Aphase*KD来计算，Ro是当前晶振调节参数，Ro'是上一次晶振调节值，八phase是当前相位误差，KD是晶振调节系数。
3、 如权利要求2所述的方法，其中所述&0=晶振调节范围/相位检测器变化范围。
4、 如权利要求3所述的方法，其中获得KD的过程为 步骤一设置采样点数n;步骤二用晶振允许的最小值OCXOmin调节晶振，记录相位检测器的测量值 COUNTmin ;步骤三用晶振允许的最大值OCXOmax调节晶振，记录相位检测器的测量值<formula>formula see original document page 3</formula>步骤四计算<formula>formula see original document page 3</formula>
5、 如权利要求2所述的方法，其中相位误差采用粗调计算AphaSe=相位误差和/ 采样点数。
6、 如权利要求2所述的方法，其中相位误差采用细调计算设采样长度为n:{X0, XbX2,…，Xn-,}滑动窗口长度为m，则窗口从左向右滑动过程中得到的中间采样个数为n-m+1,滑 动时，将滑动窗口中的采样点相加并平均，得到一个新的采样序列，其长度为n<formula>formula see original document page 3</formula><formula>formula see original document page 3</formula>最后，将这n-m+1个中间值相加并平均，得到当前的相位误差 <formula>formula see original document page 3</formula>
7、 如权利要求2所述的方法，其中频率计数器的误差为<formula>formula see original document page 3</formula>其中Emax表示频率计数器的最大采样误差。
全文摘要
本发明涉及一种动态调整WiMAX基站晶振稳定度的装置及其实现方法，该装置包括频率计数器、相位检测器、晶体振荡器、数模转换器，GPS接收机。它利用GPS接收机输出的1pps信号来校准晶振输出信号频率的稳定度，可以快速将晶振的误差精度调整到0.5Hz之内，并最终使晶振的误差精度稳定在0.01Hz以内。该方法的特点是预先计算出相位检测器和晶振之间的调节系数，动态校准时，只需计算出相位检测器的误差值就可直接计算出晶振的误差值。利用调节系数调节晶振误差在晶振调节领域是一个新颖的方法，该方法的校准速度快，算法简单，可以将一个普通晶振的震荡频率快速调整到很高的精度，并且长期稳定度和短期稳定度都很好。
文档编号H03B5/04GK101179256SQ20071017929
公开日2008年5月14日 申请日期2007年12月12日 优先权日2007年12月12日
发明者付永魁, 刚 刘, 森 吕 申请人:北京北方烽火科技有限公司