一種時鐘同步系統數字鎖相環實現方法
2023-10-09 14:34:49
專利名稱：一種時鐘同步系統數字鎖相環實現方法
技術領域：
本發明涉及通訊傳輸領域的時鐘同步系統，尤其是涉及高性能時鐘同步系統數字鎖相環實現方法。
高性能的時鐘同步系統是任何通訊傳輸領域必不可少的，並且在很大程度上決定了整個傳輸系統的性能，可稱之為傳輸系統的心臟。時鐘同步系統是基於鎖相環路的同步原理，跟蹤一個高準確度、高穩定度的參考時鐘源，輸出頻率和輸入頻率經過相位(頻率)比較後，得出一個相差(頻率差)值，再經過低通濾波方法，去控制高性能的壓控振蕩器(VCXO)，最終使得輸出頻率和輸入頻率嚴格保持相同。而這中間最關鍵的就是低通濾波方法，即鎖相環方法。方法的好壞將直接影響時鐘捕捉的快速性、時鐘跟蹤的準確性和穩定性。鎖相環方法一般都採用幾組參數兩組捕捉參數，一組跟蹤參數，其中第一組捕捉參數捕捉範圍很大(比例係數很大)，相應導致時鐘抖動也很大；而第二組捕捉參數捕捉範圍縮小，相應引起時鐘抖動也比較小。而傳統的鎖相環方法在失鎖或切換時鐘源時，都馬上採用捕捉帶非常寬的第一組捕捉參數，由於參數與跟蹤參數相差很大，導致時鐘在捕捉過程中產生劇烈的頻率變化和抖動，誤碼產生的機率大大增加。傳統的時鐘同步系統，捕捉時間也比較長，一般不少於半分鐘，有的長達3分鐘甚至更長，時鐘跟蹤的準確性和穩定性不夠理想，這將影響數據業務傳輸的實時性、準確性和穩定性。
本發明的目的就在於提供一種新的數字鎖相環實現方法，自適應控制多組捕捉參數，大大縮短數字鎖相環進行捕捉的時間，為各類傳輸系統提供一個高性能的時鐘同步系統。
為了實現上述目的，本發明數字鎖相環實現方法包括以下步驟1)鎖相環程序開始後，首先讀取輸入基準源與輸出時鐘之間的相位差，與上一次相位差作比較，判斷時鐘是否鎖定；2)如果當前時鐘已經鎖定，則繼續跟蹤輸入基準源；執行步驟4)；3)如果當前時鐘還沒有鎖定，需要繼續捕捉；在繼續捕捉過程中，捕捉參數的自適應切換有兩種情況a、如果輸入基準源與輸出時鐘的頻率已經接近，即時鐘已經接近鎖定時，自動切換到捕捉帶寬更窄的捕捉參數來進行捕捉，執行步驟5)；b、如果在某些情況下原先時鐘源已經惡化嚴重，前後時鐘源差別很大，當發生採用當前捕捉參數在一定時間內捕捉不到輸入時鐘源時，自動切換到捕捉帶寬更寬的捕捉參數來進行捕捉，執行步驟5)；4)在跟蹤過程中，需判斷是否因為時鐘源惡化等原因而導致時鐘失鎖，如果失鎖，則需切換時鐘源，並改變捕捉參數為捕捉帶寬最窄的參數，返回步驟1)；如果沒有失鎖，則執行步驟5)；5)根據鑑相差值計算出相應的數模轉換值(DA)，轉換成模擬電壓後去控制壓控晶振(VCXO)，等待一段時間後返回步驟1)。
在上述鎖相環實現方法中，為了滿足各種系統要求，參數可以有很多組，並且允許跟理論值有較大偏差。可以通過理論計算，並結合實際應用電路，給出最適合系統的各組參數。
對鎖相方法進行改進後，本發明在切換前後所用的時鐘源時，儘量接近原先採用的參數；在捕捉過程中，採用參數自適應方法，靈活配置各組捕捉參數，使得程序能快速捕捉、平滑地捕捉到新的時鐘源。因此本發明的鎖相環路捕捉時間短，輸出時鐘準確、穩定，時鐘源切換平滑，時鐘同步性能優異。
下面結合附圖和具體的實施例對本發明做進一步詳細的描述。
圖1是二階數字鎖相環模型示意圖；圖2是數字鎖相環的具體實現的示意圖；圖3是改進的鎖相方法流程示意圖；圖4是改進鎖相程序的實例流程圖。
本實施例採用傳統的二階二型數字鎖相環。二階數字鎖相環的數學模型如圖1所示。
圖中F(s)為低通濾波器的傳遞函數，Kv為環路增益。F(s)=1+a/s，a為積分係數。鎖相環的閉環傳遞函數為H(s)=θ0(s)/θi(s)=(2ξωs+ω2)/(s2+2ξωs+ω2)式中ξ=(Kv/4a)1/2，ω=(aKv)1/2。ξ為阻尼係數，ω為自由振蕩頻率。
只要ξ、ω選定，即可由上兩式獲得Kv和a值。
可以看出，H(s)具有低通特性，只要ξ、ω選擇得當，就可以較好地濾除輸入相位的抖動。窄帶寬(ξ、ω乘積小)可以有效的抑制抖動，準確地鎖定中心頻率，但跟蹤能力差，一般用在捕獲時；加大帶寬(ξ、ω乘積大)，可以提高跟蹤能力，但引起了較大的相位抖動，一般用在跟蹤時。
實際的鎖相電路模型如圖2所示。其中可編程控制器完成鑑相(圖2中位置A)，CPU完成鎖相方法(圖2中位置B)，經變換輸出至數模轉換器D/A控制VCXO晶體振蕩電路(圖2中位置C)。
其中，低通濾波器的傳遞函數及各種參數的轉換方法(即鎖相程序)由CPU實現，即圖2中位置B所示。Km為數字鑑相器的相差計數輸出值到相位差的轉換係數；Kθ為鑑相靈敏度；Kn為VCXO控制電壓的數位化轉換係數；Kf為壓控振蕩器的壓控靈敏度。Kf，Kθ，Kv之間有如下關係Kv=Kf·Kθ對選定的壓控振蕩器，Kf為已知，Kv可通過選定的ξ、ω確定，再由上式確定Kθ。當數字鑑相器的時鐘頻率確定後，Km也即確定。數模轉換器的解析度確定後，Kn隨之確定。
可將Km、Kθ、Kn合併為Kd，則Kd=Km·Kθ·Kn。
理論和實驗分析表明，快捕時選擇較大的比例係數Kd、適中的積分係數a，可以較快地進入跟蹤狀態；而跟蹤時選則較小的Kd、a，可以提高漂移跟蹤能力，更好地慮除抖動。鎖相環方法一般都採用兩組捕捉參數、一組跟蹤參數，其中第一組捕捉參數捕捉範圍很大(比例係數Kd很大)，相應導致時鐘抖動也很大；而第二組捕捉參數捕捉範圍縮小，相應引起時鐘抖動也比較小。而以往的鎖相環方法在失鎖或切換時鐘源時，都馬上採用第一組捕捉參數，到頻率接近時再改作第二組捕捉參數。雖然捕捉帶非常寬，但由於參數與跟蹤參數相差很大，導致時鐘在捕捉過程中產生劇烈的頻率變化和抖動，誤碼產生的機率大大增加，捕捉時間也變得更長。
為了使捕捉時間短、時鐘源切換平滑，本發明採用多組參數，並採用自適應控制參數的鎖相環方法，其流程示意如圖3所示，總體步驟如下
鎖相環程序開始後，步驟301首先讀取輸入基準源與輸出時鐘之間的相位差，與上一次相位差作比較，步驟302判斷時鐘是否鎖定。如果兩次相位差相同，則說明輸入基準源與輸出時鐘的頻率已經相同，即時鐘已經鎖定，執行步驟304，輸出時鐘只要繼續跟蹤輸入基準源就可以了。如果兩次相位差不相同，則說明輸入基準源與輸出時鐘的頻率不相同，即時鐘還沒有鎖定，需要繼續捕捉。在繼續捕捉過程303中，捕捉參數的自適應切換有兩種情況①如果輸入基準源與輸出時鐘的頻率已經接近，即時鐘已經接近鎖定，則自動切換到捕捉帶寬更窄的捕捉參數來進行捕捉；②如果在某些情況下原先時鐘源已經惡化嚴重，前後時鐘源差別很大，當發生採用當前捕捉參數在一定時間內捕捉不到輸入時鐘源時，程序自動切換到捕捉帶寬更寬的捕捉參數來進行捕捉；然後執行步驟307。在上述跟蹤過程304後，步驟305需判斷是否因為時鐘源惡化等原因而導致時鐘失鎖，如果失鎖，則步驟306，即需切換時鐘源，並改變捕捉參數為捕捉帶寬最窄的參數，返回步驟301；如果沒有失鎖，則執行步驟307，執行低通方法並輸出結果，等待一段時間後返回步驟301。
例如，對於以下實際系統(硬體環境)a)鑑相計數時鐘頻率70MHz；b)D/A精度16位；c)VCXO標稱頻率19.44MHz；電壓範圍0.5～4.5V；壓控範圍±9ppm；d)比相頻率8kHz。e)CPU78C32主頻16.384MHZ本系統如果採用傳統的方法，參數與理論值比較接近，分別為捕捉參數1比例係數Kd=0．9282，積分係數a=4.95e-3；捕捉參數2比例係數Kd=0.4243，積分係數a=2.47e-4；跟蹤參數比例係數Kd=0.042，積分係數a=7e-6；從開始捕捉到進入穩定跟蹤的總時間為43秒；時鐘源切換時有誤碼產生；抖動和抖動傳遞函數都不是很理想。
針對上述系統，本實施例為了縮短捕捉時間，採用比傳統鎖相環更大的比例係數；為了減小跟蹤時時鐘抖動，採用比傳統鎖相環更小的積分係數。通過理論分析推算和實際電路應用實驗，對於上述系統，獲得改進以後的鎖相方法參數
第一組捕捉參數比例係數Kd=102.5，積分係數a=0.0068；第二組捕捉參數比例係數Kd=76.4，積分係數a=0.00053；跟蹤參數比例係數Kd=60.8，積分係數a=0.00000049；如前所述，一般在切換時鐘源時，時鐘源本身差別不大，而且方法對時鐘惡化情況鑑別非常敏感，所以切換前後所用的時鐘源頻率相差不大，沒有必要採用第一組捕捉參數，只要採用第二組捕捉參數就可以輕而以舉地捕捉到，因為第二組捕捉參數接近跟蹤參數，所以切換過程時鐘變化平滑，頻率幾乎沒有變化，杜絕了誤碼產生的可能性。當然，考慮到在某些情況下時鐘源惡化嚴重，前後時鐘源差別很大，所以當發生採用第二組捕捉參數在一定時間內捕捉不到輸入時鐘源時，程序會自動切換到第一組捕捉參數進行捕捉，確保快速精確地捕捉到輸入時鐘源。
改進後的程序流程如圖3所示(圖3是圖2的具體細化)首先執行步驟401，判斷是否為第一次檢測輸入時鐘基準與輸出時鐘的相位差。如果是第一次，則執行步驟402、403，讀取鑑相初值，並設捕捉參數為第一組參數(即快捕1)，使得捕捉範圍大，捕捉時間短；如果不是第一次，則執行步驟404，讀取並計算鑑相值，根據前一次鑑相值計算出兩次鑑相差值。然後步驟405判斷是否已經接近輸入基準源且當前處於快捕1狀態，如果條件滿足，則執行步驟416，把鎖相環捕捉參數改為快捕2，再執行406。如果條件不滿足，則直接執行406判斷是否鎖定。如果沒有鎖定，則步驟407判斷是否處於第二組參數狀態(即快捕2)。如果不是處於快捕2，則執行步驟415，根據鑑相差值計算出相應的數模轉換值(DA)，轉換成模擬電壓後去控制壓控晶振(VCXO)並返回；如果是處於快捕2，則執行步驟408，判斷是否已經進行了30次以上的快捕2。若小於30次，則執行步驟415，也輸出相應DA值，而如果已經超出30次，則說明快捕2捕捉已經失效，為了減少捕捉時間，步驟409自動轉為快捕1。在上述步驟406處，如果判斷已經鎖定，則步驟410置當前參數為跟蹤參數。然後步驟411判斷是否失鎖，即輸入輸出時鐘相位差的差值是否大於閥值(大於閥值則說明時鐘在長期跟蹤輸入時鐘基準源時，由於時鐘源惡化或其他原因失鎖)；如果已經失鎖，則步驟412、413根據具體需要切換相應時鐘源，並把捕捉參數置為第二組捕捉參數，回到步驟401；如果沒有失鎖，則執行步驟414、415，保存當前鑑相值，計算相應DA值，輸出至VCXO並返回。
通過對程序結構流程的合理化改進後，在上述同樣系統環境中，該例的一些指標如下1.捕捉時間從開始捕捉到進入穩定跟蹤的總時間小於5秒；2.時鐘源切換時鐘源切換無誤碼；3.無輸入抖動的輸出抖動指標
4.2M口抖動傳遞函數
從上述指標可以看出，時鐘輸出精確度和穩定度達到了傳輸領域的要求；時鐘性能指標滿足ITU-TG.813和G.823建議的有關指標要求，其中部分指標遠遠超過建議中的指標要求，包括輸出抖動產生以及抖動傳遞特性等。
對於本實施例較為簡單的系統，採用兩組捕捉參數的自適應切換就可以達到滿意的效果。當然，對於一些較為複雜的系統，採用三組或更多組的捕捉參數，並採用本發明的參數自適應控制方法，也能使捕捉時間縮短、時鐘切換平滑。
權利要求
1.一種時鐘同步系統數字鎖相環實現方法，包括以下步驟1)鎖相環程序開始後，首先讀取輸入基準源與輸出時鐘之間的相位差，與上一次相位差作比較，判斷時鐘是否鎖定；2)如果當前時鐘已經鎖定，則繼續跟蹤輸入基準源；執行步驟4)；3)如果當前時鐘還沒有鎖定，需要繼續捕捉；在繼續捕捉過程中，捕捉參數的自適應切換有兩種情況a、如果輸入基準源與輸出時鐘的頻率已經接近，即時鐘已經接近鎖定時，自動切換到捕捉帶寬更窄的捕捉參數來進行捕捉，執行步驟5)；b、如果在某些情況下原先時鐘源已經惡化嚴重，前後時鐘源差別很大，當發生採用當前捕捉參數在一定時間內捕捉不到輸入時鐘源時，自動切換到捕捉帶寬更寬的捕捉參數來進行捕捉，執行步驟5)；4)在跟蹤過程中，需判斷是否因為時鐘源惡化等原因而導致時鐘失鎖，如果失鎖，則需切換時鐘源，並改變捕捉參數為捕捉帶寬最窄的參數，返回步驟1)；如果沒有失鎖，則執行步驟5)；5)根據鑑相差值計算出相應的數模轉換值(DA)，轉換成模擬電壓後去控制壓控晶振(VCXO)，等待一段時間後返回步驟1)。
2.如權利要求1所述的一種時鐘同步系統數字鎖相環實現方法，其特徵在於所述捕捉參數可以有很多組，所述參數採用比理論數值更大的比例係數；採用比理論數值更小的積分係數。
3.如權利要求2所述的一種時鐘同步系統數字鎖相環實現方法，其特徵在於所述參數採用兩組捕捉參數、一組跟蹤參數，第一組捕捉參數的捕捉帶寬比第二組捕捉參數要大。
4.如權利要求3所述的一種時鐘同步系統數字鎖相環實現方法，其特徵在於在所述捕捉過程中，如果輸出時鐘的頻率已經接近輸入基準源(即接近鎖定)且當前處於第一組捕捉參數狀態，鎖相環捕捉參數則自動切換為第二組捕捉參數進行捕捉；在所述捕捉過程中，當發生採用第二組捕捉參數在一定時間內捕捉不到輸入時鐘源時，則自動切換到第一組捕捉參數進行捕捉；在所述切換時鐘源步驟中，首先採用第二組捕捉參數進行捕捉。
5.如權利要求4所述的一種時鐘同步系統數字鎖相環實現方法，其特徵在於採用所述第二組捕捉參數進行捕捉，連續超過30次，仍捕捉不到輸入時鐘源時，自動切換到第一組捕捉參數進行捕捉。
全文摘要
一種時鐘同步系統數字鎖相環實現方法,首先判斷是否鎖定,如果鎖定,繼續跟蹤;如果還沒有鎖定,繼續捕捉;如果時鐘已經接近鎖定,切換到捕捉帶寬更窄的捕捉參數;當採用當前捕捉參數在一定時間內捕捉不到時,切換到捕捉帶寬更寬的捕捉參數。跟蹤時判斷是否失鎖,如果失鎖,則切換時鐘源,並改變參數為捕捉帶寬最窄的捕捉參數;如果沒有失鎖,則執行低通方法並輸出。因為採用捕捉參數自適應配置,能快速、平滑地捕捉到時鐘源。
文檔編號H03L7/06GK1286530SQ9911720
公開日2001年3月7日 申請日期1999年11月12日 優先權日1999年11月12日
發明者何趙鋼 申請人:深圳市中興通訊股份有限公司