利用锁相环用于时间和频率同步的方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于时间和频率同步的方法和装置。具体但非排他地，涉及使用锁相 环在使用例如IEEE 1588精确时间协议(PTP)的分组网络上的时间和频率同步。
【背景技术】
[0002] 移动网络分为两类:频分双工(FDD)，其使用两个分离的频带来发送/接收；以及时 分双工（TDD)，其在单个频带上发送和接收。LTE-TDD、WiMAX TDD、CDMA网络（在北美普遍）、 TD-CDMA和TD-SCDMA(除频率同步以外还)需要时间同步，而LTE-FDD、GSM(全球移动通信系 统）、W-CDMA和其它无线技术仅需要频率同步。即使随着LTE-FDD的使用，诸如网络MM)和基 于位置的服务这样的新的LTE移动服务也将需要精确时间同步。
[0003] 本发明特别应用于分组网络上的时钟同步(时间和频率二者），尤其是电信网络同 步。与需要毫秒级准确性以良好操作的IT计算系统和传感器网络不同，电信网络要求亚微 秒(实际上，纳秒)级准确性。这种严格的时钟质量等级常规上由GPS、原子时钟和TDM定时链 路来提供。因此，ITU-T、IEEE和其它标准体限定了特殊标准，以允许分组网络支持电信网络 的特殊同步需求。现在被广泛接受且被电信业采用的一个这种最近的标准是IEEE 1588精 确定时协议(PTP)。甚至存在针对电信应用限定的特殊IEEE 1588资料。即使用于IT计算系 统和传感器网络的时间同步具有相同的基本概念，这些系统也具有不同的应用需求、协议、 架构和实现目标，因此完全不将它们考虑在电信同步的范围内。
[0004] IEEE 1588是现今工业接受的基于分组的方法/标准，其用于从主装置分配定时信 息以使得分布式系统的时钟能够以高精准(纳秒级准确性）同步。其基本原理是基于图1所 示的同步消息的常规交换的主/从概念，从而通过在分组网络2上交换消息，将从装置3中的 从时钟5同步到主装置1中的主时钟4。
[0005] IEEE 1588通过将网络中的所有时钟调整到最高质量时钟（最优主时钟 (grandmaster clock))来同步这些时钟。与仅支持频率转移的称作同步以太网的另一基于 分组的技术不同，IEEE 1588支持频率和时间转移二者转移。IEEE 1588除时钟恢复机制以 外还限定了宽范围的同步能力(伺服算法、PLL、定时器等）以在从(客户)装置使用以其本地 时钟同步到主装置。
[0006] 在需要以端对端方式实现时钟转移而没有分组网络辅助(例如，以不断跳转边界 时钟（BC)[1][2]或者透明时钟(TC)的形式）的情况下，在分组网络的两端不存在可追踪到 主要基准时钟(PRC)的基准时钟，或者在不存在网络GPS服务时，依赖定时的接收终端节点 需要使用适应性定时技术以重建发送定时基准源的定时信号。接收终端将通常使用"基于 分组的"时钟恢复机制，该时钟恢复机制使接收方时钟依从于发送方时钟。该时钟恢复机制 能够处理在分组数据流中编码的所发送的时钟采样(时间戳），以产生用于接收方的定时信 号。该时钟恢复机制的目的是估计和补偿在发送方时钟和接收方时钟的振荡器之间发生的 频率漂移。然而，分组延迟变化(PDV)和分组丢失的存在影响时钟估计/补偿处理的性能，使 得发送方时钟显现得比其实际快或慢，最终，导致大部分为漫游(wander)的传播到接收方 时钟信号。漫游是小于IOHz的时钟噪声，而抖动（jitter)是等于或大于IOHz的时钟噪声。
[0007] IEEE 1588PTP 基础
[0008] 可使用时钟（物理或者虚拟)将事件与时间关联。单个事件的时间被称作时间戳， 并是实数。在IEEE 1588v2PTP中，消息分为事件消息和普通消息。所有IEEE 1588PTP消息具 有共同的报头。事件消息是时控消息，原因在于在各个消息的发送和接收时均产生准确时 间戳。事件消息必须准确地加上时间戳，这是因为发送时间戳和接收时间戳的准确性直接 影响时钟分布准确性。
[0009]普通消息不需要加上时间戳。在发送和接收任何事件消息时产生时间戳事件。事 件消息的集合由5711(3、〇6137_1^9、？(16137_1^9和？(16137_1^8口组成。普通消息的集合由 Announce、Follow_Up、Delay_Resp、Pdelay_Resp_Follow_Up、Management和Singnaling组 成。IEEE 1588PTP允许两种不同的加时间戳方法:一步或者两步。一步时钟更新正在传输中 的事件消息（Sync和Delay-Req)中的时间信息，而两步时钟在普通消息（Fol IowJJp和 Delay-Resp)中传送分组的精确时间戳。
[0010] 3}01〇、〇6137_1^9、？〇11〇￥_1^和〇6137_1^8。消息用于产生和传递利用延迟请求-响 应机制来同步普通和边界时钟所需的定时信息。Sync消息由主装置将发送至其从装置，并 且包含其发送的确切时间或者随后跟随着包含该时间的F〇llow_Up消息。在两步普通或边 界时钟中，Fo I IowJJp消息传递针对特定Sync消息的离开时间戳的值。De lay_Req消息是用 于接收节点利用De lay_Resp消息返回接收到De lay_Req消息的时间的请求。
[0011]在图1中例示了针对两步时钟的同步消息交换的基本模式。针对两步时钟的消息 交换模式可解释如下。主装置1将Sync消息发送至从装置3,并且标记消息发送时间T1。从装 置3接收Sync消息并且根据其本地时钟5标记接收时间T2。主装置1通过以下两种方式之一 将时间戳Tl传送至从装置：1)在Sync消息（未示出）中嵌入时间戳T1。这需要针对最高准确 性和精确性的一些硬件处理（即，硬件加时间戳）。2)如图1所示在F 〇llow_Up消息中嵌入时 间戳T1。接着，从装置3将Delay_Req消息发送至主装置1并且标记消息发送时间T3。主装置1 接收Delay_Req消息并且标记接收时间T4。主装置1通过将时间戳T4嵌入Delay_Resp消息中 来将时间戳T4传送至从装置3。
[0012] 在该PTP消息交换的最后，从装置3具有全部四个时间戳{11、了233、了4}。这些时间 戳可用于计算从装置的时钟5相对于主时钟4的偏移和在两个时钟之间消息的平均传播时 间。偏移和传播时间的计算假设主-从传播时间和从-主传播时间是相等的，即对称通信路 径。
[0013] 可按照端对端方式将时间/频率从主装置1转移至从装置3,而不涉及中间网络节 点6,如图2所例示。在这种情景下，从装置3唯一负责正确地恢复主时钟信号。与其它方法 (例如，利用不断跳转边界时钟或者透明时钟）相比，这里的时间/频率转移更有挑战性，这 是因为从装置3暴露于由中间分组网络2(图3和图4)产生的所有PDV。网络装置(开关、路由 器等）中的分组的处理和缓冲带来了经过分组网络2行进的分组的时间延迟的变化，这往往 导致转移的时钟信号恶化。分组网络中固有的PDV是时钟噪声的主要来源。在从装置根据 PTP定时信号中的恢复的时钟包含需要被去除或衰减的时钟噪声(大部分由rov贡献）。在从 装置使用滤波处理以滤掉时钟噪声，因此产生"平滑的"时钟输出。
【发明内容】
[0014] 在其最宽的范围，本发明的从装置包括从时钟和锁相环，该从时钟和锁相环用于 处理期望该从时钟与其同步的主时钟的时间和频率的估计。
[0015] 本发明的第一方面提供了一种从装置，该从装置通过网络连接至具有主时钟的主 装置，其中，该从装置包括:从时钟；以及数字锁相环，该数字锁相环包括相位检测器、环路 滤波器、相位累加器和计数器，其中：该从装置设置成：与该主装置交换定时消息并且记录 如下时间戳:根据主时钟从主装置发送所述定时消息的时间、根据从时钟接收所述定时消 息的时间、根据从时钟发送所述定时消息的时间、以及根据主时钟接收所述定时消息的时 间，根据所述时间戳估计从时钟相对于主时钟的偏斜和偏移；以及基于所估计的偏斜和偏 移使所述从时钟同步到主时钟，以产生主时间估计。数字锁相环对主时间估计进行如下处 理:在接收对主时间的第一估计时，计数器被初始化;相位检测器被设置成在接收到主时间 的随后估计时，检测计数器的输出与接收到的估计之间的相位差，并且产生表示该差的误 差信号；由环路滤波器对误差信号进行滤波，以产生滤波后的误差信号;使用滤波后的误差 信号来控制相位累加器的频率；以及相位累加器的输出使计数器计数递增并且还提供同步 到主时钟的频率的从时钟的时钟频率。
[0016] 可使用从装置中的数字锁相环使由网络(例如，可为分组网络）引入的时钟噪声衰 减至等同于应用的时钟输出需求的水平。
[0017] 优选地，定时消息是根据IEEE 1588PTP的消息，例如，Sync、Follow Up、Delay_Req 或者 Delay_Response 消息。
[0018] 优选地，从装置利用计数器的输出作为同步到主时钟的时间的从时钟的时钟时 间。
[0019] 该方面的从装置因此可针对在分组网络上的端对端时间和频率分配提供基于时 间戳的时钟恢复技术。该技术不要求来自分组网络的辅助，并且仍然能够提供亚微秒级时 钟准确性。数字锁相环可提供在从装置(时间客户端)使用的时间和频率信号这二者。多数 技术通常仅提供一种信号类型而非二者。
[0020] 计数器输出（时间信号)随后可根据需要格式化成各种标准时间信号。
[0021] 该方面的从装置还可包括直接数字合成器，该直接数字合成器根据相位累加器的 输出产生模拟频率信号，该直接数字合成器包括:相位累加器;振荡器;映射装置;和数模转 换器。从装置还可包括低通滤波器，该低通滤波器设置成对直接数字合成器的输出进行滤 波。
[0022] 从装置可按照其它方式处理或调整相位累加器的输出，以提供符合从装置中的终 端应用的抖动需求的信号。具有接口形式因素的各种形式的信号(方波、正弦波等)可由相 位累加器溢出输出构造。这些信号可由另一(通常是模拟)锁相环调整。
[0023] 在一个实施方式中，数字锁相环的计数器还用于提供针对在从装置接收定时消息 的时间的时间戳和从从装置发送定时消息的时间的时间戳。
[0024] 在该实施方式中，计数器可在从装置从主装置接收到第一定时消息时被初始化， 并且在接收第一主时间估计时，计数器可复位至所述第一主时间估计。
[0025] 在另选实施方式中，从装置还包括自由运行第二的计数器，其中第二计数器用于 提供针对在从装置接收到定时消息的时间的时间戳和从从装置发送定时消息的时间的时 间戳。
[0026] 从装置优选地使用用于估计(从装置相对于主从装置的）时钟偏移和偏斜的递归 技术来产生主时间估计。该递归估计技术优选地为指数加权递归最小二乘方方法，其在结 构上类似卡尔曼滤波器但不需像传统卡尔曼滤波器中那样需要要测量和处理噪声统计量 的知识。这种方法的示例在以下实施方式中描述。
[0027] 该方面的从装置优选地通过执行根据下面描述的第二方面的方法的相关步骤来 操作。
[0028] 本方面的从装置可包括上述优选和可选特征的一些、全部的任意组合，或者不需 要上述优选和可选特征。
[0029] 在其最宽的范围，本发明的方法提供使用锁相环处理从装置中的主时钟的时间和 频率的初始估计来使从时钟的时间和频率同步到主时钟的方法。
[0030] 本发明的第二方面提供一种将从装置中的从时钟的时间和频率同步到经网络连 接至从装置的主装置中的主时钟的方法，该方法包括以下步骤:在主装置与从装置之间交 换定时消息和以下时间戳:根据主时钟从主装置发送所述定时消息的时间；根据从时钟接 收所述定时消息的时间；根据从时钟发送所述定时消息的时间；以及根据主时钟接收所述 定时消息的时间，根据所述时间戳估计从时钟相对于主时钟的偏斜和偏移；以及基于所估 计的偏斜和偏移使所述从时钟同步到主时钟，以产生主时间估计;使用包括相位检测器、环 路滤波器、相位累加器和计数器的数字锁相环对主时间估计进行如下处理:在接收到主时 间的第一估计时，初始化计数器;在接收到主时间的随后估计时，使用相位检测器来检测计 数器的输出与接收到的估计之间的相位差，并且产生表示该差的误差信号;使用环路滤波 器对误差信号进行滤波，以产生滤波后的误差信号;使用滤波后的误差信号控制相位累加 器的频率；以及使用相位累加器的输出使计数器计数递增并且获得同步到主时钟的频率的 从时钟的时钟频率作为相位累加器的输出。
[0031] 从装置中的数字锁相