專利名稱：一種能抑制時(shí)鐘低頻漂移的數(shù)字鎖相環(huán)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通訊傳輸領(lǐng)域的時(shí)鐘鎖相環(huán)，尤其是涉及需要抑制時(shí)鐘低頻漂移場合的數(shù)字鎖相環(huán)。
數(shù)字鎖相環(huán)是任何通訊傳輸領(lǐng)域必不可少的工具，它基于鎖相環(huán)路的同步原理，采用數(shù)字方式，跟蹤一個(gè)輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘源，輸出時(shí)鐘和輸入時(shí)鐘經(jīng)過相位(頻率)比較后，得出一個(gè)相差(頻率差)值，再經(jīng)過低通濾波算法，去控制壓控振蕩器(VCXO)，最終使得輸出時(shí)鐘和輸入時(shí)鐘嚴(yán)格保持同頻。
一般的數(shù)字鎖相環(huán)都包括數(shù)字鑒相器、低通濾波器和壓控振蕩器三部分。數(shù)字鑒相器檢測輸入時(shí)鐘源和輸出時(shí)鐘的相位差，低通濾波器根據(jù)數(shù)字鑒相器的檢測結(jié)果經(jīng)過低通濾波算法得出一個(gè)控制值，控制壓控振蕩器后輸出時(shí)鐘。低通濾波算法，即鎖相環(huán)算法，一般都采用幾組參數(shù)，包括捕捉參數(shù)和跟蹤參數(shù)，其中捕捉參數(shù)捕捉時(shí)鐘的范圍較大，反映在算法上即逼近步長較大，所采用的比例系數(shù)較大，當(dāng)然相應(yīng)的時(shí)鐘抖動(dòng)也較大；而跟蹤參數(shù)捕捉范圍較小，反映在算法上即逼近步長較小，所采用的比例系數(shù)也較小，積分系數(shù)較大，相應(yīng)的時(shí)鐘抖動(dòng)較小。
傳統(tǒng)的數(shù)字鎖相環(huán)一般對時(shí)鐘高頻抖動(dòng)的抑制能力比較強(qiáng)，而相對來說對時(shí)鐘的低頻漂移抑制能力較差。這主要跟鎖相環(huán)的一般用途有關(guān)。因?yàn)樵谝话闱闆r下，我們都需要鎖相環(huán)產(chǎn)生一個(gè)與輸入時(shí)鐘源緊耦合的輸出時(shí)鐘，即鎖相環(huán)的跟蹤性能較好，輸出時(shí)鐘能實(shí)時(shí)反映輸入時(shí)鐘源的變化。在具體實(shí)現(xiàn)上，反映在此鎖相環(huán)的積分環(huán)節(jié)較弱，比例環(huán)節(jié)較強(qiáng)。在通常的傳輸領(lǐng)域，上述鎖相環(huán)即能勝任。但在某些實(shí)際應(yīng)用場合，如對時(shí)鐘的頻率穩(wěn)定度要求極高，而輸入時(shí)鐘源又因?yàn)榫€路時(shí)鐘很差而不能保證穩(wěn)定性時(shí)，上述的鎖相環(huán)即不能勝任。如2M數(shù)據(jù)通過SDH傳輸后，將會(huì)引入抖動(dòng)和漂移，有些差的場合會(huì)有頻率在0.01HZ、幅值達(dá)6～7ppm的漂移，線路時(shí)鐘在如此低的頻率上漂移，用傳統(tǒng)緊耦合的鎖相環(huán)是很難讓輸出時(shí)鐘保持在一個(gè)較穩(wěn)定的頻率(如±1ppm之內(nèi))的。
本發(fā)明的目的就在于提供一種新的數(shù)字鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)方法，它能有效抑制時(shí)鐘的低頻漂移，自適應(yīng)控制比相頻率，又能盡量減小時(shí)鐘捕捉時(shí)間，為傳輸系統(tǒng)提供一個(gè)高穩(wěn)定性的線路時(shí)鐘。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，采用了以下技術(shù)方案1)鎖相環(huán)開始后，首先判斷當(dāng)前是否處于慢跟蹤狀態(tài)，如果是，則檢測相差，執(zhí)行步驟5；如果不是，則開始快速捕捉，即采用4000~16000的比相頻率，鎖相環(huán)參數(shù)設(shè)置成2000~10000的比例系數(shù)，0.000001~0.0001的積分系數(shù)；2)循環(huán)讀取輸入基準(zhǔn)源與輸出時(shí)鐘之間的相位差，每一次與相鄰上次基準(zhǔn)源與輸出時(shí)鐘之間的相位差作比較，得出鑒相差值；3)根據(jù)鑒相差值來判斷時(shí)鐘是否接近鎖定；如果還沒有接近鎖定，則繼續(xù)捕捉，即根據(jù)得到的鑒相差值計(jì)算出相應(yīng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換值(DA)，轉(zhuǎn)換成模擬電壓后去控制壓控振蕩器(VCXO)，并返回；如果當(dāng)前時(shí)鐘已經(jīng)接近鎖定，則采用8~32比相頻率，鎖相環(huán)參數(shù)也設(shè)置成100~500的比例系數(shù)，0.01~1的積分系數(shù)，繼續(xù)捕捉輸入時(shí)鐘源；4)判斷是否已經(jīng)鎖定；如果還沒有鎖定，則繼續(xù)捕捉，即根據(jù)得到的鑒相差值計(jì)算出相應(yīng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換值(DA)，轉(zhuǎn)換成模擬電壓后去控制壓控振蕩器(VCXO)，并返回；如果當(dāng)前時(shí)鐘已經(jīng)鎖定，則置慢跟蹤標(biāo)志，并繼續(xù)采用8~32比相頻率、100~500的比例系數(shù)和0.01~1的積分系數(shù)，進(jìn)行跟蹤輸入時(shí)鐘源；5)判斷時(shí)鐘是否失鎖；如果沒有失鎖，則繼續(xù)捕捉，即根據(jù)得到的鑒相差值計(jì)算出相應(yīng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換值(DA)，轉(zhuǎn)換成模擬電壓后去控制壓控振蕩器(VCXO)，并返回；如果已經(jīng)失鎖，則切換時(shí)鐘源，采用8~32比相頻率，鎖相環(huán)參數(shù)也設(shè)置成100~500的比例系數(shù)，0.01~1的積分系數(shù)，重新進(jìn)行捕捉輸入時(shí)鐘源。
在上述數(shù)字鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)方法中，既能快速接近線路時(shí)鐘源，又能在一定程度上抑制線路時(shí)鐘的低頻漂移，從而滿足了目標(biāo)系統(tǒng)對線路時(shí)鐘的要求，同時(shí)保持輸出時(shí)鐘的穩(wěn)定性。
下面結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的描述。


圖1是二階數(shù)字鎖相環(huán)模型示意圖；圖2是數(shù)字鎖相環(huán)的具體實(shí)現(xiàn)的示意圖；圖3是比相頻率調(diào)節(jié)示意圖；圖4是改進(jìn)后的鎖相環(huán)流程示意圖；本實(shí)施例在軟件算法上采用傳統(tǒng)的二階二型數(shù)字鎖相環(huán)。二階數(shù)字鎖相環(huán)的數(shù)學(xué)模型如圖1所示。
圖中F(s)為低通濾波器的傳遞函數(shù)，K為環(huán)路增益。F(s)=1+a/s,a為積分系數(shù)。鎖相環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為H(s)=θ0(s)/θi(s)=(2ξωs+ω2)/(s2+2ξωs+ω2)式中ξ=(K/4a)1/2,ω=(aK)1/2。ξ為阻尼系數(shù)，ω為自由振蕩頻率。
只要ξ、ω選定，即可由上兩式獲得K和a值。
可以看出，H(s)具有低通特性，只要ξ、ω選擇得當(dāng)，就可以較好地濾除輸入相位的抖動(dòng)。窄帶寬(ξ、ω乘積小)可以有效的抑制抖動(dòng)，準(zhǔn)確地鎖定中心頻率，但跟蹤能力差，一般用在捕獲時(shí)；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(dòng)，一般用在跟蹤時(shí)。
實(shí)際的鎖相電路模型如圖2所示。其中可編程控制器完成鑒相(圖2中位置A)，其中一個(gè)輸入時(shí)鐘為輸入時(shí)鐘源，另一個(gè)輸入時(shí)鐘為反饋的時(shí)鐘源，即此鎖相環(huán)輸出的時(shí)鐘；CPU完成鎖相算法，即低通濾波器的傳遞函數(shù)及各種參數(shù)的轉(zhuǎn)換算法(即鎖相程序)，如圖2中位置B所示。K為鎖相環(huán)的比例系數(shù)，a為積分系數(shù)；經(jīng)變換輸出至數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A控制壓控振蕩器(VCXO)(圖2中位置C)。
其中比相頻率在可編程器件內(nèi)部調(diào)節(jié)，鎖相環(huán)工作頻率與比相頻率的比值也是整個(gè)鎖相環(huán)比例環(huán)節(jié)的一部分。
理論和實(shí)驗(yàn)分析表明，鎖相環(huán)程序開始后，首先采用快速捕捉方法，硬件上可采用4000~16000的比相頻率，軟件上則采用2000~10000的比例系數(shù)，0.000001~0.0001的積分系數(shù)。這樣鎖相環(huán)的捕捉速度較快，能很快接近時(shí)鐘源。當(dāng)接近時(shí)鐘源時(shí)，則硬件上采用8～32的比相頻率，軟件上采用100~500的比例系數(shù)，0.01~1的積分系數(shù)，繼續(xù)捕捉輸入時(shí)鐘源，直至鎖定；如果當(dāng)前時(shí)鐘已經(jīng)鎖定，則硬件上繼續(xù)采用相同的比相頻率，軟件上采用相同的比例系數(shù)，相同的積分系數(shù)，進(jìn)行跟蹤輸入時(shí)鐘源；在跟蹤過程中，需判斷是否因?yàn)闀r(shí)鐘源丟失、惡化等原因而導(dǎo)致時(shí)鐘失鎖，如果時(shí)鐘源丟失或惡化，則需切換時(shí)鐘源，并用與時(shí)鐘源丟失或惡化前相同的跟蹤參數(shù)來捕捉新的時(shí)鐘源，以保持鎖相環(huán)輸出時(shí)鐘的頻率、相位連續(xù)性；在每個(gè)壓控振蕩器的控制周期當(dāng)中，軟件可根據(jù)需要選擇積分環(huán)節(jié)的長短，把一段時(shí)間之內(nèi)的鑒相差值積分值濾波，再通過本發(fā)明的低通濾波器算法計(jì)算出相應(yīng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換值(DA)，轉(zhuǎn)換成模擬電壓后去控制壓控振蕩器(VCXO)，輸出頻率。
調(diào)節(jié)比相頻率如圖3所示，總體步驟如下輸入時(shí)鐘源在進(jìn)行鑒相之前，先經(jīng)過兩個(gè)不同分頻比，如分別為1024和8192的分頻器，分別為第一分頻器301和第二分頻器302，經(jīng)過分頻后的兩個(gè)不同頻率時(shí)鐘，經(jīng)過一個(gè)由控制信號(hào)控制的第一頻率選擇器307，進(jìn)入鑒相器310的一端；同時(shí)，鎖相環(huán)的輸出時(shí)鐘在進(jìn)行鑒相之前，也經(jīng)過兩個(gè)不同分頻比的第三分頻器303和第四分頻器304，經(jīng)過分頻后的兩個(gè)不同頻率時(shí)鐘，經(jīng)過一個(gè)由相同控制信號(hào)控制的第二頻率選擇器308，進(jìn)入鑒相器310的另一端；其中，第一頻率選擇器307和第二頻率選擇器308的控制信號(hào)為同一個(gè)控制信號(hào)。兩個(gè)時(shí)鐘經(jīng)鑒相器310鑒相后輸出相位差，作為計(jì)數(shù)器311的使能控制信號(hào)。另外，可編程器件內(nèi)還需要一個(gè)已知頻率的高頻脈沖信號(hào)，此高頻脈沖信號(hào)也經(jīng)過兩個(gè)不同分頻比的第五分頻器305和第六分頻器306，經(jīng)過分頻后的兩個(gè)不同頻率時(shí)鐘，經(jīng)過一個(gè)與第一頻率選擇器307和第二頻率選擇器308同樣控制信號(hào)控制的第三頻率選擇器309，作為計(jì)數(shù)器311的計(jì)數(shù)脈沖輸入。這樣，計(jì)數(shù)器311的輸出就是輸入時(shí)鐘源和鎖相環(huán)輸出時(shí)鐘經(jīng)過相同分頻后的相位差值了。從圖中可以看出，只要通過控制第一頻率選擇器307、第二頻率選擇器308和第三頻率選擇器309，就可以很方便地改變比相頻率。同時(shí)，在不同比相頻率時(shí)，所有的時(shí)鐘都是按照相同分頻比來進(jìn)行分頻的，故所得的鑒相差值在相位差固定時(shí)也是相同的。
此鎖相環(huán)總的流程如圖4所示，具體描述如下鎖相環(huán)開始后，首先執(zhí)行步驟401，判斷當(dāng)前是否為慢跟蹤狀態(tài)。如果不是，則執(zhí)行步驟402，硬件上采用4000~16000的比相頻率，軟件上采用2000~10000的比例系數(shù)，0.000001~0.0001的積分系數(shù)，對于傳輸領(lǐng)域中輸入時(shí)鐘源是19.44MHZ時(shí)，比相頻率可以取8000，比例系數(shù)可以取8000，積分系數(shù)可以取0.00001；然后執(zhí)行步驟403，檢測輸入時(shí)鐘源和輸出時(shí)鐘的相差；根據(jù)檢測結(jié)果，執(zhí)行步驟404，判斷是否接近鎖定；如果沒有接近鎖定，則執(zhí)行步驟405，繼續(xù)捕捉輸入時(shí)鐘源，再執(zhí)行步驟411，通過低通濾波算法，得出數(shù)模轉(zhuǎn)換的控制值，再經(jīng)壓控振蕩器輸出時(shí)鐘；如果在執(zhí)行上述404步驟時(shí)，判斷結(jié)果是接近鎖定，則執(zhí)行步驟406，硬件上采用8~32的比相頻率，軟件上采用0.01~1的積分系數(shù)，100~500的比例系數(shù)，對于傳輸領(lǐng)域中輸入時(shí)鐘源是19.44MHZ時(shí)，比相頻率可以取16，比例系數(shù)可以取200，積分系數(shù)可以取0.1；然后再執(zhí)行步驟407，判斷是否鎖定；如果沒有鎖定，則執(zhí)行步驟405，繼續(xù)捕捉；如果已經(jīng)鎖定，則執(zhí)行步驟408，置慢跟蹤標(biāo)志位，采用與步驟406相同的比例系數(shù)、積分系數(shù)和比相頻率，并開始跟蹤輸入時(shí)鐘源；然后執(zhí)行步驟409，判斷是否失鎖，如果沒有失鎖，則執(zhí)行步驟411，通過低通濾波算法，得出數(shù)模轉(zhuǎn)換的控制值，再經(jīng)壓控振蕩器輸出時(shí)鐘；如果失鎖，則執(zhí)行步驟410，切換可用的時(shí)鐘源，再執(zhí)行步驟412，進(jìn)行相差檢測，開始重新捕捉輸入時(shí)鐘源。在步驟401處如果判斷是慢跟蹤，則直接檢測相差，然后再執(zhí)行步驟409。
對于以下實(shí)際系統(tǒng)，輸入時(shí)鐘源的線路時(shí)鐘，性能比較差，具體指標(biāo)為抖動(dòng)(漂移)頻率為0.1HZ，抖動(dòng)(漂移)幅值為土20UI，系統(tǒng)要求鎖相環(huán)輸出時(shí)鐘頻率穩(wěn)定度在±1ppm之內(nèi)a)鑒相計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率16.384MHz；b)D/A精度13位；c)VCXO標(biāo)稱頻率16.384MHz；電壓范圍0.5～4.5V；壓控范圍±9ppm；d)CPU78C32主頻16.384MHZ本系統(tǒng)如果采用傳統(tǒng)的鎖相環(huán)，采用的比相頻率保持為8kHZ；此鎖相環(huán)的輸出時(shí)鐘指標(biāo)為抖動(dòng)(漂移)幅值大于±9ppm，不能滿足系統(tǒng)所要求時(shí)鐘頻率穩(wěn)定度指標(biāo)。
針對上述系統(tǒng)，本實(shí)施例采用了兩種比相頻率，分別為8kHZ和16HZ，按照圖4所述的流程，獲得輸出時(shí)鐘指標(biāo)滿足了系統(tǒng)要求，具體指標(biāo)為時(shí)鐘源輸入抖動(dòng)頻率=0.1Hz，抖動(dòng)幅度=±20.00UI鎖相環(huán)輸出最大頻率偏移=0.31ppm，抖動(dòng)幅度=0.6UI從上述指標(biāo)可以看出，時(shí)鐘輸出的穩(wěn)定度達(dá)到了系統(tǒng)的要求。
權(quán)利要求
1.一種能抑制時(shí)鐘低頻漂移的數(shù)字鎖相環(huán)方法，包括以下步驟1)鎖相環(huán)開始后，首先判斷當(dāng)前是否處于慢跟蹤狀態(tài)，如果是，則檢測相差，執(zhí)行步驟5)；如果不是，則開始快速捕捉，即采用4000~16000的比相頻率，鎖相環(huán)參數(shù)設(shè)置成2000~10000的比例系數(shù)，0.000001~0.0001的積分系數(shù)；2)循環(huán)讀取輸入基準(zhǔn)源與輸出時(shí)鐘之間的相位差，每一次與相鄰上次基準(zhǔn)源與輸出時(shí)鐘之間的相位差作比較，得出鑒相差值；3)根據(jù)鑒相差值來判斷時(shí)鐘是否接近鎖定；如果還沒有接近鎖定，則繼續(xù)捕捉，即根據(jù)得到的鑒相差值計(jì)算出相應(yīng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換值(DA)，轉(zhuǎn)換成模擬電壓后去控制壓控振蕩器(VCXO)，并返回；如果當(dāng)前時(shí)鐘已經(jīng)接近鎖定，則采用8~32比相頻率，鎖相環(huán)參數(shù)也設(shè)置成100~500的比例系數(shù)，0.01~1的積分系數(shù)，繼續(xù)捕捉輸入時(shí)鐘源；4)判斷是否已經(jīng)鎖定；如果還沒有鎖定，則繼續(xù)捕捉，即根據(jù)得到的鑒相差值計(jì)算出相應(yīng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換值(DA)，轉(zhuǎn)換成模擬電壓后去控制壓控振蕩器(VCXO)，并返回；如果當(dāng)前時(shí)鐘已經(jīng)鎖定，則置慢跟蹤標(biāo)志，并繼續(xù)采用8~32比相頻率、100~500的比例系數(shù)和0.01~1的積分系數(shù)，進(jìn)行跟蹤輸入時(shí)鐘源；5)判斷時(shí)鐘是否失鎖；如果沒有失鎖，則繼續(xù)捕捉，即根據(jù)得到的鑒相差值計(jì)算出相應(yīng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換值(DA)，轉(zhuǎn)換成模擬電壓后去控制壓控振蕩器(VCXO)，并返回；如果已經(jīng)失鎖，則切換時(shí)鐘源，采用8~32比相頻率，鎖相環(huán)參數(shù)也設(shè)置成100~500的比例系數(shù)，0.01~1的積分系數(shù)，重新進(jìn)行捕捉輸入時(shí)鐘源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種能抑制時(shí)鐘低頻漂移的數(shù)字鎖相環(huán)方法，其特征在于所述步驟1)中的比相頻率取8000，比例系數(shù)取8000，積分系數(shù)取0.00001。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種能抑制時(shí)鐘低頻漂移的數(shù)字鎖相環(huán)方法，其特征在于所述步驟3)中的比相頻率取16，比例系數(shù)取200，積分系數(shù)取0.1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種能抑制時(shí)鐘低頻漂移的數(shù)字鎖相環(huán)方法，其特征在于在所述的步驟4)中，采用與步驟3)相同的比相頻率、比例系數(shù)和積分系數(shù)，進(jìn)行跟蹤輸入時(shí)鐘源。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種能抑制時(shí)鐘低頻漂移的數(shù)字鎖相環(huán)方法，其特征在于所述的步驟5)中，為保持時(shí)鐘的平滑性，采用與步驟3)相同的比相頻率、比例系數(shù)和積分系數(shù)，重新進(jìn)行捕捉輸入時(shí)鐘源。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種能抑制時(shí)鐘低頻漂移的數(shù)字鎖相環(huán)方法，其特征在于自適應(yīng)控制比相頻率。
全文摘要
一種能抑制時(shí)鐘低頻漂移的數(shù)字鎖相環(huán)方法,涉及通訊傳輸領(lǐng)域的時(shí)鐘鎖相環(huán),此方法先采用較高的比相頻率,鎖相環(huán)參數(shù)設(shè)置成較高的比例系數(shù),較低的積分系數(shù)快速捕捉輸入時(shí)鐘,若當(dāng)前時(shí)鐘已接近鎖定,則采用較低比相頻率,較低的比例系數(shù),較高的積分系數(shù),繼續(xù)捕捉輸入時(shí)鐘源;若當(dāng)前時(shí)鐘已經(jīng)鎖定,則置慢跟蹤標(biāo)志,并繼續(xù)采用較低比相頻率、較低的比例系數(shù)和較高的積分系數(shù)跟蹤輸入時(shí)鐘源;根據(jù)得到的鑒相差值計(jì)算出相應(yīng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換值,控制壓控振蕩器。
文檔編號(hào)H03L7/08GK1325186SQ0011987
公開日2001年12月5日 申請日期2000年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月31日
發(fā)明者何趙鋼 申請人:深圳市中興通訊股份有限公司