基于啁啾扩频的无线时钟同步方法及系统

本发明属于通信，更进一步涉及无线通信中的一种基于啁啾扩频的无线时钟同步方法及系统。本发明可用于通信系统，雷达系统，数据采集系统，天文观测系统等系统的无线高精度时钟同步，满足多台分布式设备的同步应用需求。

背景技术：

1、目前，随着科学技术的快速发展，现代工业对时钟同步精度的要求越来越高，诸多领域对网络的实时性和确定性有了更高要求，实现高精度、高可靠性的对时方式受到了广泛的关注。时钟同步按传输媒介分类可以分为无线和有线，无线时钟同步相对于有线时钟同步具有高灵活性、便携性、移动性、容错率高的优势。ieee指定了多个与无线时钟同步相关的标准。其中广泛应用的是：ieee 1588:也被称为precision time protocol(ptp)。这个标准不是专门为无线设计的，但它提供了在局域网中(无论是有线还是无线)实现亚微秒级时间同步的机制。有些无线技术已经开始采用或考虑采用ptp进行时间同步。ieee 802.11:广泛用于wi-fi网络的标准。尽管这个标准主要关注无线局域网的设计，但它也包含了时间同步的机制。ieee 802.15.4:一个针对低速无线个人区域网络的标准，尤其用于无线传感器网络。其中的time synchronized channel hopping(tsch)模式特别关注时间同步。

2、成都飞机工业(集团)有限责任公司在其申请的专利文献“一种用于无线网络采集系统的同步授时和数据传输方法”(申请号：202211144952.1，申请公布号：cn 115884352a)中公开了一种用于无线网络采集系统的同步授时和数据传输方法。该方法的实现步骤包括：第一，adas控制主系统通过发送消息接口发送时间戳至adas接口控制设备的以太网口端口。第二，adas接口控制将从主发送消息接口接收的时间戳在以太网端口物理层解析。第三，adas控制接口设备通过无线网络发送同步报文至无线网络采集系统，无线网络采集节点接收报文并记录时间戳。节点立即返回确认帧并记录时间戳，adas接口控制设备接收确认帧并记录时间戳。第四，通过重复这个过程，无线网络采集节点计算出时间误差和网络延时时间。第五，adas接口控制设备将从无线网络采集系统接收到的传感器数据进行处理和组包，并通过无线通信协议将数据上传至adas控制主系统或上位机。该方法存在的不足之处是，第一，该无线同步系统缺少对不同设备节点的时钟偏移去纠正，时钟偏移累计会导致同步的稳定性下降；第二，该无线同步系统需要经过同步报文、确认帧、跟随报文共三次通信过程，跟随报文这一通信过程存在冗余，降低通信资源的利用率；第三，其时钟同步精度依赖于时间戳记录的系统主频，最高可以做到纳秒级别，无法达到亚纳秒级别。

3、西安远方航空技术发展有限公司在其申请的专利文献“一种机载无线时钟同步方法、系统、飞行器及存储介质”(申请号：202310465042.1，申请公布号：cn 116723564a)中公开了一种机载无线时钟同步方法、系统、飞行器及存储介质。其装置包括第一同步装置和至少一个第二同步装置，第一同步装置的时钟与gps时钟同步，并包括第一通信芯片，第二同步装置也包括第二通信芯片。该装置存在的不足之处是，时钟修正装置采用了晶振控制单元和压控晶振进行时钟修正，调整范围有限，晶振的长期漂移会导致晶振精度，超过压控调整范围，可能随着使用年限的增加，会出现无法实现同步的功能，且必须要gps模块，无法在gnss系统拒止情况下使用。。该申请专利方法的实现步骤包括：第一，第一同步装置利用第一通信芯片向第二同步装置发送报文，第二同步装置利用第二通信芯片接收报文。第二，第二同步装置根据报文的发送时间和接收时间对自身进行时钟修正，以与第一同步装置实现时钟同步。第三，为了实现时钟同步，第二同步装置可以使用晶振控制单元和压控晶振进行时钟修正。第四，在通信过程中，第一通信芯片和第二通信芯片使用短的能量脉冲序列进行通信，通过正交频分调制或直接排序将脉冲扩展到一个频率范围内。第五，通过改变脉冲的幅度、时间和相位来加载需要传送的信息，从而实现信息的传输，提供精确硬件时间戳。该方法存在的另一个不足之处是，无线同步的通信波形采用脉冲信号，传输过程中容易受到干扰，影响同步精度。

技术实现思路

1、本发明目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种基于啁啾扩频的无线时钟同步方法及系统，用于解决无线时钟同步方法和设备中存在同步精度低、同步精度受限于系统主频、通信过程冗余、时钟偏移累计导致的稳定性差、压控晶振方式调整范围窄、无线通信波形易受干扰、电路实现复杂的问题。

2、为了实现上述目的，本发明的思路是：本发明通过啁啾扩频调制与解调，突破信号采样率对无线时钟同步的精度的制约，实现超采样周期分辨率的到达时间估计，并在在客户端与服务器采用往返时延测量方式测量出客户端与服务器间的钟差；然后采用卡尔曼滤波器对钟差和钟速做最优估计；最后利用fpga内部的mmcm动态调节时钟相位方式，实现较低主频下更高分辨率的时钟调整步长突破系统主频对同步精度的限制。

3、为了实现上述目的，本发明的无线时钟同步装置，包含一个服务器和至少一个客户端，服务器和客户端中的模块均构建在fpga上。所述服务器包括同步协议控制模块，啁啾扩频发射模块，啁啾扩频接收模块，延时模块，计数器模块，所述客户端包括同步协议控制模块，啁啾扩频发射模块，啁啾扩频接收模块，计数器模块，mmcm动态移相模块，卡尔曼滤波模块；其中：

4、服务器中的同步协议控制模块用于读取本地时钟；啁啾扩频发射模块用于对信道进行编码，对编码后的调制符号进行啁啾扩频波形调制，生成并发送回复帧；啁啾扩频接收模块用于捕获客户端发送同步请求，通过符号同步和频率同步接收完整的前导头，同时输出前导头到达标志；延时模块用于执行延时操作；计数器模块用于本地时钟的计数。

5、客户端中的同步协议控制模块用于读取本地时钟，利用时间偏差公式，计算客户端和服务器的时钟偏差，校正计数器模块的计数值和mmcm动态相移模块的时钟相位；啁啾扩频发射模块用于对信道进行编码，对编码所得的调制符号进行啁啾扩频波形的调制，生成并发送同步请求；啁啾扩频接收模块用于捕获服务器发送回复报文后，通过符号同步和频率同步，接收完整的前导头的同时输出前导头到达标志；计数器模块用于本地时钟的计数；mmcm动态移相模块用于本地时钟相位的调整；卡尔曼滤波模块用于对时钟偏差进行滤波，得到钟差和钟速；

6、本发明的无线时钟同步方法的步骤包括如下：

7、步骤1，客户端的同步协议控制模块在读取本地时钟的同时，啁啾扩频发射模块对信道进行编码，对编码所得的调制符号进行啁啾扩频波形的调制，生成并发送同步请求；

8、步骤2，服务器的采用线性啁啾扩频通信方式接收同步请求：

9、服务器的啁啾扩频接收模块捕获客户端发送同步请求后，通过符号同步和频率同步，接收完整的前导头的同时输出前导头到达标志并用同步协议控制模块读取本地时钟；

10、步骤3，服务器发送回复报文：

11、服务器的延时模块执行延时操作后，同步协议控制模块读取本地时钟信息，啁啾扩频发射模块编码后的调制符号进行啁啾扩频波形的调制，生成并发送回复帧；

12、步骤4，客户端采用步骤2相同的方式接收回复报文：

13、客户端的啁啾扩频接收模块捕获服务器发送回复报文后，通过符号同步和频率同步，接收完整的前导头的同时输出前导头到达标志并用同步协议控制模块读取本地时钟；

14、步骤5，客户端的同步协议控制模块利用时间偏差公式，计算客户端和服务器的时钟偏差，利用卡尔曼滤波模块的卡尔曼滤波器对时钟偏差进行滤波，得到钟差和钟速；

15、步骤6，客户端利用钟差和钟速，同步协议控制模块校正计数器模块的计数值和mmcm动态相移模块的时钟相位。

16、本发明与现有技术相比具有以下优点：

17、第一，本发明的方法采用线性啁啾扩频通信方式，接收端根据信号的前导头完成到达时间估计，无需跟踪操作，快速完成信号到达时间的计算，克服了现有技术无线时钟同步通信波形易受干扰的缺陷，使得本发明能获得更好抗噪声干扰，抗多径效应的能力。

18、第二，本发明的方法实现对通信波形符号偏移的小数部分估计，实现了超采样时间分辨率的到达时间估计，极大的提高了到达时间估计精度。克服了现有技术到达时间估计受限于采样频率的缺陷，使得本发明能提高无线时钟同步的精度。

19、第三，本发明的方法针对客户端与服务器的本地时钟间存在时钟频率不同的情况，采用了卡尔曼滤波器对时钟偏差进行最优滤波，计算出客户端与服务器的钟差和钟速再进行纠正，克服了现有技术时钟偏移累计会导致时钟同步的稳定性下降的缺陷，使得本发明能提高时钟同步的稳定性。

20、第四，本发明的装置实现计数器和mmcm动态移相两个模块调整计数周期和时钟相位，有效提高时钟调整精度，突破了系统主频对时钟调整精度的限制。克服了现有压控晶振方案中，误差调整范围窄，且随着使用年限增大无法实现同步调整的缺陷，避免了压控调整电路，增强了无线时钟同步系统的稳定性。