专利名称：一种能抑制时钟低频漂移的数字频率调节方法
技术领域：
本发明涉及通讯传输技术，特别是一种应用在需要抑制时钟低频漂移场合的数字频率调节方法。
背景技术：
抑制时钟漂移的传统方法是采用数字锁相环。数字锁相环基于锁相环路的同步原理，采用数字方式，跟踪一个输入参考时钟源，输出时钟和输入时钟经过相位(频率)比较后，得出一个相差(频率差)值，再经过低通滤波方法，去控制压控振荡器(VCXO)，最终使得输出时钟和输入时钟严格保持同频。
一般的数字锁相环都包括数字鉴相器、低通滤波器和压控振荡器三部分。数字鉴相器检测输入时钟源和输出时钟的相位差，低通滤波器根据数字鉴相器的检测结果经过低通滤波方法得出一个控制值，控制压控振荡器后输出时钟。低通滤波方法，即锁相环方法，一般都采用几组参数，包括捕捉参数和跟踪参数，其中捕捉参数捕捉时钟的范围较大，反映在方法上即逼近步长较大，所采用的比例系数较大，当然相应的时钟抖动也较大；而跟踪参数捕捉范围较小，反映在方法上即逼近步长较小，所采用的比例系数也较小，积分系数较大，相应的时钟抖动较小(详细内容可参考已申请专利，专利申请号为99117206.X)。
传统的数字锁相环一般对时钟高频抖动的抑制能力比较强，而相对来说对时钟的低频漂移抑制能力较差。在通常的传输领域，如专利99117206.X所述，这种锁相环即能胜任。但在某些实际应用场合，如对时钟的频率稳定度要求极高，而输入时钟源又因为线路时钟很差而不能保证稳定性时，传统的锁相环即不能胜任。如2M数据通过SDH传输后，将会引入抖动和漂移，幅值大的场合会有频率在0.01HZ、幅值达6～7ppm的漂移，线路时钟在如此低的频率上漂移，用传统紧耦合的锁相环是很难让输出频率稳定在土1ppm之内的。
通过对比相频率和数字锁相环所涉参数的自适应修改等改进，能够实现松耦合的时钟锁相环从而可以提高锁相环对低频时钟漂移的抑制能力(详细内容可参考已申请专利，专利申请号为00119876.9)。但是改进型的数字锁相环在抑制低频时钟漂移方面还是有困难的，体现在针对不同的应用场合选择合适的方法参数这个问题上。
由于时钟漂移可以从频率的角度去理解分析，可以使用数字频率调节方法抑制时钟漂移。该方法主要采用脉冲计数器、数字频率调节方法和压控振荡器。脉冲计数器定时测量输入、输出时钟的频率，然后计算出两个频率的差值，数字频率调节方法对频率差值进行处理并得到控制值，控制压控振荡器的输出产生满足要求的输出时钟。
发明内容
本发明的目的就在于提供一种新的数字频率调节方法，专门用来抑制时钟极其恶劣的低频漂移，可以为传输系统提供一个高稳定性的线路时钟。该方法简单可靠，所涉参数的选择也方便直观，能够克服数字锁相环参数难以选择的困难。
本发明所述的数字频率调节方法综合了分段平均和滑动平均方法对输入、输出时钟的频率差值进行处理，计算出每个时刻压控振荡器的控制值。在方法中定义了四种工作方式，分别是捕捉、跟踪、输入信号全部丢失和输入信号切换。
方法实现的步骤如下1)判断输入时钟的状况。如果所用输入时钟源全部丢失，转步骤5；如果输入时钟源发生切换，转步骤6；2)测量输入、输出时钟的频率差值并判断是否已经捕捉成功，如果成功，则转步骤4，否则转步骤3；3)捕捉处理，捕捉成功则设相应的标志，转步骤7；
4)跟踪处理，转步骤7；5)输入信号全部丢失处理，保持压控振荡器上次的控制值，转步骤7；6)输入信号发生切换，切换时钟源，转步骤7；7)返回。
下面描述方法中提到的四种工作方式。
一、捕捉利用分段平均和滑动平均的方法对输入、输出时钟的频率差值(deltf)进行处理，使输出时钟和输入时钟的平均频率相等。捕捉的步骤如下1)设捕捉分段平均时间长度为LCA，在分段平均时间长度内测量输入、输出时钟频率的差值(deltf)，计算出它们的平均值，这样就可以计算出一个能使该段时间长度内输入、输出时钟平均频率相等的压控振荡器的控制值。
2)在下一个分段平均时间长度内，实际输出的压控振荡器的控制值是以前分段平均时间段内计算出的压控振荡器控制值的滑动平均值。若设捕捉滑动平均窗口长度为LCM，那么，下一个分段平均时间长度内压控振荡器的控制值是前LCM分段平均时间长度内计算出的压控振荡器控制值的平均值。
3)若从捕捉开始时刻到当前的输入、输出时钟频率差值的平均值小于一个设定的值的时候，表明捕捉已经成功。
二、跟踪在跟踪阶段，仍旧需要保持输入、输出时钟的平均频率相等。不仅如此，由于本方法处理的是通讯传输系统的线路时钟，为了尽量避免线路产生滑码，在跟踪处理过程中，还将使输出时钟的频率以输入时钟频率平均值为中心，在允许的范围内按照预先设定的变化规律自适应地变化以缓解码流数据先进先出缓冲器的压力。为了继续保持输出时钟平均值，设定一个压控振荡器的控制值DK来记录保持输出、输入时钟平均频率相等的最可信的控制值。跟踪的步骤如下
1)设跟踪分段平均时间长度为LLA，在LLA长内测量输入、输出时钟频率差值，刷新输入、输出时钟频率差值的累计值(sum_deltf)。利用sum_deltf计算下一分段平均时间内的压控振荡器控制值的平均调整量(AD_DA)。
2)为了保证下一个分段平均时间内频率的变化满足要求，根据计算出的平均调整量和要求的频率变化范围(Vf)以预先设定的规律计算出下一个分段平均时间长度内每一个时刻压控振荡器的控制值和这些控制值的平均值(AV_DA)。
3)对每个分段平均时间长度内计算出的AV_DA取滑动平均，用计算出的滑动平均值刷新DK。若设跟踪滑动平均窗口长度为LLM，那么，下一个分段平均时间长度内压控振荡器的最可信控制值DK是前LLM个分段平均时间长度内计算出的各个AV_DA的平均值。
4)在跟踪时间达到设定的长度后，根据实际运行的历史记录重新计算最适应当前信号时钟低频漂移周期的分段平均窗口长度和滑动平均窗口长度，从而提高频率调节的效果。
三、输入信号全部丢失当出现输入信号全部丢失的情况时，使用当前压控振荡器的最可信控制值DK控制压控振荡器的输出产生一个固定的频率，同时设置信号捕捉成功标志为非，保证信号重新出现时直接进入到信号捕捉状态。
四、输入信号切换本方法可以处理多路信号输入，当出现当前信号丢失，而其它几路信号还有的情况时，重新选择其中一路信号，同时设置信号捕捉成功标志为非，保证下一步直接进入到信号捕捉状态。
下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的描述。
图1是数字频率调节方法硬件示意图；图2是数字频率调节方法的主流程图；
图3是数字频率调节方法捕捉流程图；图4是数字频率调节方法跟踪流程图；图5是数字频率调节方法具体实现的示意图；图6是输入时钟信号的频率漂移变化的一个实例；图7是应用本方法对图6所示信号进行处理后的输出时钟信号的频率漂移变化。
附图1给出了实例的硬件部分设计功能框图。图中，两个脉冲计数器分别对输入和输出时钟进行计数来实现测频的目的。输入输出时钟的频率值被CPU定时读入，可以计算出两个时钟的频率差值。该差值进入本方法的方法流程就能计算出所要的控制值，控制压控振荡器的输出。
附图2是数字频率调节方法的主流程图。
附图3和附图4分别是数字频率调节方法捕捉和跟踪的流程图。
实际的方法模型如附图5。
其中LCA是捕捉分段平均时间长度，LCM是捕捉滑动平均时间长度；LLA是跟踪分段平均时间长度，LLM是跟踪滑动平均时间长度；Vf是跟踪时允许的频率变化范围。
针对不同的应用场合，根据时钟低频漂移的恶化程度，即低频漂移的周期的大致情况，可以方便地对各个参数选择合适的值。为了抵抗时钟的低频漂移，使用分段平均对输入时钟频率进行处理，考虑到压控振荡器的频率特性，分段平均时间长度不能取得太长，于是再加上一个对分段平均值取滑动平均的处理以增强对低频时钟漂移的抑制功能。比如，抵抗周期达30分钟的低频时钟漂移，可以选择分段平均时间长度为60秒，滑动平均时间长度为1800秒的参数。
在一个实际的应用场合，输入时钟源的线路时钟经SDH恶化后，性能比较差，如附图6所示，图中，横轴是时间，单位是秒；纵轴是频率变化量，单位是ppm。附图6中频率变化的具体的指标为输入时钟频率漂移变化范围为±3.060903ppm。而系统要求要输出频率漂移范围应小于±1ppm。
方法实施时，首先取LCA＝60；LCM＝30；Vf＝±1ppm，对输入信号进行捕捉处理，在600秒左右，捕捉就告成功，输出时钟的频率漂移变化范围已经控制在±0.116868ppm之内，能够满足系统的要求。
捕捉成功后，就进入到跟踪过程。取LLA＝60；LLM＝30，继续对输入时钟进行处理，输出时钟的频率漂移变化范围仍旧控制在±0.116868ppm之内。在跟踪时跟踪30分钟后，对输入信号的历史数据进行分析，发现输入信号具有一定周期性，经计算，周期是300秒，于是调整LLA＝60；LLM＝10，继续对输入信号进行跟踪处理，输出时钟的频率漂移变化范围在接下来的时间里仍旧控制在±0.116868ppm之内。
进入跟踪处理24小时后输出信号的频率变化如附图7所示。
权利要求
1.一种能抑制时钟低频漂移场合的数字频率调节方法，包括分段平均和滑动平均方法，其特征在于，对输入、输出时钟的频率差值进行处理，计算出每个时刻压控振荡器的控制值；并具有捕捉、跟踪、输入信号全部丢失和输入信号切换四种工作方式。
2.按照权利要求1所述的能抑制时钟低频漂移场合的数字频率调节方法，其特征在于，该方法实现的步骤如下1)判断输入时钟的状况。如果所用输入时钟源全部丢失，转步骤5；如果输入时钟源发生切换，转步骤6；2)测量输入、输出时钟的频率差值并判断是否已经捕捉成功，如果成功，则转步骤4，否则转步骤3；3)捕捉处理，捕捉成功则设相应的标志，转步骤7；4)跟踪处理，转步骤7；5)输入信号全部丢失处理，保持压控振荡器上次的控制值，转步骤7；6)输入信号发生切换，切换时钟源，转步骤7；7)返回。
3.按照权利要求1所述的能抑制时钟低频漂移场合的数字频率调节方法，其特征在于，捕捉的工作方式为利用分段平均和滑动平均的方法对输入、输出时钟的频率差值(deltf)进行处理，使输出时钟和输入时钟的平均频率相等，捕捉的步骤如下1)设捕捉分段平均时间长度为LC4，在分段平均时间长度内测量输入、输出时钟频率的差值(deltf)，计算出它们的平均值，这样就可以计算出一个能使该段时间长度内输入、输出时钟平均频率相等的压控振荡器的控制值，2)在下一个分段平均时间长度内，实际输出的压控振荡器的控制值是以前分段平均时间段内计算出的压控振荡器控制值的滑动平均值，若设捕捉滑动平均窗口长度为LCM，那么，下一个分段平均时间长度内压控振荡器的控制值是前LCM个分段平均时间长度内计算出的压控振荡器控制值的平均值，3)若从捕捉开始时刻到当前的输入、输出时钟频率差值的平均值小于一个设定的值的时候，表明捕捉已经成功。
4.按照权利要求1所述的能抑制时钟低频漂移场合的数字频率调节方法，其特征在于，跟踪的工作方式为继续保持输出时钟平均值，设定一个压控振荡器的控制值DK来记录保持输出、输入时钟平均频率相等的最可信的控制值，跟踪的步骤如下1)设跟踪分段平均时间长度为LLA，在LLA时长内测量输入、输出时钟频率差值，刷新输入、输出时钟频率差值的累计值(sum_deltf)。利用sum_deltf计算下一分段平均时间内的压控振荡器控制值的平均调整量(AD_DA)，2)根据计算出的平均调整量和要求的频率变化范围(Vf)以预先设定的规律计算出下一个分段平均时间长度内每一个时刻压控振荡器的控制值和这些控制值的平均值(AV_DA)，3)对每个分段平均时间长度内计算出的AV_DA取滑动平均，用计算出的滑动平均值刷新DK。若设跟踪滑动平均窗口长度为LLM，那么，下一个分段平均时间长度内压控振荡器的最可信控制值DK是前LLM个分段平均时间长度内计算出的各个AV_DA的平均值。4)在跟踪时间达到设定的长度后，根据实际运行的历史记录重新计算最适应当前信号时钟低频漂移周期的分段平均窗口长度和滑动平均窗口长度。
5.按照权利要求1所述的能抑制时钟低频漂移场合的数字频率调节方法，其特征在于，输入信号全部丢失工作方式为当出现输入信号全部丢失的情况时，使用当前压控振荡器的最可信控制值控制压控振荡器的输出产生一个固定的频率，同时设置信号捕捉成功标志为非，保证信号重新出现时直接进入到信号捕捉状态。
6.按照权利要求1所述的能抑制时钟低频漂移场合的数字频率调节方法，其特征在于，输入信号切换工作方式为当出现当前信号丢失，而其它几路信号还有的情况时，重新选择其中一路信号，同时设置信号捕捉成功标志为非，保证下一步直接进入到信号捕捉状态。
全文摘要
本发明是一种能抑制时钟低频漂移场合的数字频率调节方法,该方法综合了分段平均和滑动平均方法,对输入、输出时钟的频率差值进行处理,计算出每个时刻压控振荡器的控制值；并具有捕捉、跟踪、输入信号全部丢失和输入信号切换四种工作方式。可为传输系统提供一个高稳定性的线路时钟。
文档编号H04L7/02GK1423450SQ01139058
公开日2003年6月11日 申请日期2001年12月3日 优先权日2001年12月3日
发明者郭新冬 申请人:深圳市中兴通讯股份有限公司上海第二研究所