CN100550822C - 自适应时钟恢复 - Google Patents

Abstract

一种从TDM数据分组恢复TDM输出的时钟信号的方法，从一个具有源TDM时钟的源设备到一个具有目的TDM时钟的目的设备，在分组网络上传输该TDM数据，在方法包括：提供至少一些分组，其中带有当产生该分组时表示源TDM时钟状态的远程时间戳；提供所述至少一些分组，其中带有当接收该分组时表示目的TDM状态的本地时间戳；确定表示所述本地和远程时间戳之差的过渡时间值；和基于上述确定的所述过渡时间，控制TDM输出的时钟频率。

Description

自适应时钟恢复

技术领域

本发明涉及一种来自于TDM数据包的TDM输出的时钟信号恢复，其中TDM数据包通过一个分组网络进行传输。

背景技术

TDM链路是带有由服务时钟f_service调节的固定比特率的同步回路。利用分组网络，入口和出口频率之间的连接因分组按期间断而断开。从图1来看，在用户住宅的TDM服务频率f_service应该在分组网络的出口(f_regen)处得到精确再现。在频率上长期不匹配的结果就是，在分组网络出口处的队列将不是满就是空，这取决于再生时钟是低于原始时钟还是高于原始时钟。这将导致数据丢失和服务降低。

ATM电路仿真服务的相关标准，ITU标准I.363.1和ATM论坛(ATMForum)标准af-vtoa-0078，概括地提到了自适应时钟恢复的概念。

发明内容

本发明目的是提供了一种恢复时钟信号的方法，和一种时钟恢复***。

根据本发明一个方面，一种从TDM数据分组恢复TDM输出的时钟信号的方法，从一个具有源TDM时钟的源设备到一个具有目的TDM时钟的目的设备，在分组网络上传输该TDM数据，所述方法其特征在于包括：使至少一些分组带有远程时间戳或是能够生成远程时间戳的信息，所述远程时间戳仅以计算源TDM时钟周期所确定的比特计算为基础并表示当产生该分组时源TDM时钟状态；使所述至少一些分组带有本地时间戳，所述本地时间戳的仅以目的TDM时钟周期所确定的比特计算为基础并表示当接收该分组时目的TDM时钟状态；确定表示所述本地和远程时间戳之间差的过渡时间值；随时间过滤所述过渡时间值，以产生过滤的过渡时间；和仅基于上述确定的所述过滤的过渡时间，控制TDM输出的时钟频率；其中任何大于预定值的过渡时间都不作为对任一控制算法的输入，来调节所述TDM输出的时钟频率。

根据本发明另一个方面，一种时钟恢复***，用于从TDM数据分组恢复TDM输出的时钟信号，从一个具有源TDM时钟的源设备到一个具有目的TDM时钟的目的设备，在分组网络上传输该TDM数据，在***包括：远程时间戳抽取装置，用于从收到的分组中抽取出一个远程时间戳值所述远程时间戳仅以计算源TDM时钟周期所确定的比特计算为基础并表示当产生该分组时源TDM时钟的状态；本地时间戳装置，用于给所接收分组提供一个本地时间戳，所述本地时间戳的仅以目的TDM时钟周期所确定的比特计算为基础并表示当接收该分组时目的TDM时钟的状态；一个差分器，用于确定一个表示所述本地和远程时间戳之间差的过渡时间；一个用于对所述差分器输出进行过滤的过滤器以产生过滤的过渡时间；和时钟控制装置，用来仅根据所述过滤的过渡时间控制TDM输出的频率，其中所述时钟控制装置忽略那些大于预定值的过渡时间。

下面将仅仅通过举例的方式、结合参考附图，来更加详细地描述本发明的实施例。

附图说明

图1是示意图，示出了通过分组网络传送的租用专线TDM服务；和

图2是示意图，示出了按照本发明实施例基于过渡时间的时钟恢复方法。

具体实施方式

在图1中，来自于源设备的分组(信息包)传输速率是等时的，并由f_service来确定。然而，到达目的设备的分组达到速率受到介入分组网络干扰。分组通常将达到通过变化延迟量而分离的猝发。连续分组与猝发之间的延迟，将根据在网络中的信息量而变化。网络的特性是不确定性的，但是经过此较长时期，在目的设备的到达速率将等于在信息源的离开速率(假定无丢失分组或重复分组)。

在目的设备处的TDM输出是等时的并且由f_regen来确定。这将由图2中的数控振荡器(DCO)(22)来提供。所述输出由一个分组延迟变量(PDV)缓冲器(12)来供应。如果在TDM输出需要进行传输时缓冲器内部具有零分组，则会发生不愿出现的欠载运行情况。为了减少欠载运行事件，有必要增大PDV缓冲器(12)，从而使其可以容纳足够的分组来供应给大多数内部分组延迟的TDM输出。然而，PDV缓冲器(12)不能任意进行加大，因为这将直接延长衔接的等待时间，一般来说，需要此等待时间尽可能的短，而最大可容许的等待时间要取决于应用本身。例如，声音要比数据需要更低的等待时间。

因此，最佳的PDV缓冲器深度取决于网路条件和应用。这里所描述的时钟恢复方法，允许独立于时钟恢复机构地改变缓冲器深度。这使得在设置PDV缓冲器之前使时钟恢复保持急定，并且使得在操作期间对缓冲器进行改变，以匹配网络特性中的任何潜在变化。

当一个分组到达分组输入(10)时，将其置于一个PDV缓冲器(12)的一个队列(14)中。该分组的时间戳被抽取出来并传到一个差分器(16)。当生成分组时，通过计算如图1所示的源TDM时钟f_service的周期，在源设备处确定远程时间戳。当接收到该分组时，通过计算也如图1所示的本地TDM时钟f_regen的周期，确定本地时间戳。

差分器(16)从本地时间戳减去远程时间戳得到过渡时间。

Transit Time(n)＝Local Timestamp(n)-Remote Timestamp(n)

等式(1)

应该注意到，本地与远程时钟频率和初始计算值相对于彼此而言，并非在初始时就等时，等式1中的数值“过渡时间”并不表示分组在源设备与目的设备之间传输所用的真实时间，而是表示两个时钟的比特时钟周期计算值之间的差值估量。

因此，人们给出了一个理想、固定的延迟分组网络，如果f_service超过了f_regen，该过渡时间值将会减少，而如果f_regen超过了f_service，该过渡时间值将会增加，如果这些频率相同，则过渡时间为恒定。在本发明的一个实施例中，将用来确定本地时间戳的计数器30初始化成第一次所接收到的远程时间戳的值，且将过渡时间的初始值设定为零。

对于每个所接收到的分组(假设无分组丢失)，远程时间戳将以一个固定数量增加，该固定数量代表了在源设备处自上一个分组后所经过的比特时钟周期数，也就是，包含于分组有效负荷中的比特数。

在丢失分组情况出现时***是稳定的，因为在丢失分组之后接收到的下一个分组的本地时间戳不受丢失的影响。丢失分组仅代表了在测量中的一个短期分解丢失。在典型的***中，每秒将会有成百上千的信息存在，从而使在最大可能情况下发生的分组丢失率(即，百分之几)，对算法产生的影响微不足道。

时间戳是能被看成为时钟相位的计算值(而不是实际时间)。

所以上述等式(1)可以表示为：

Φ(n)＝θ₂(n)-θ₁(n)

其中：Φ(n)是过渡时间

θ₂是在比特周期内的本地时钟相位

θ₁是在比特周期内的远程时钟相位

可以通过下式得出频率差：

ΔΦ(n)＝Φ(n)-Φ(n-1)

＝[θ₂(n)-θ₁(n)]-[θ₂(n-1)-θ₁(n-1)]

＝[θ₂(n)-θ₂(n-1)]-[θ₁(n)-θ₁(n-1)]

＝[f₂(n)-f₁(n)]·Δt

＝Δf·Δt

其中：Δt是分组到达的时间间隔

f₁是远程时钟频率

f₂是本地时钟频率

Δf是本地时钟频率与远程时钟频率之间的差

一个时钟控制算法(20)可以利用Δf来调整本地时钟频率。

对于实际网络，过渡时间Φ(n)由于收到的分组流的猝发自然状态而引起上下波动。这将导致在所恢复时钟中的波动。因此提供一个过滤器功能(24)，可以带来以下益处：

·在数值处理方面可减少时钟控制算法(20)(可以由一个外部CPU执行)的工作量

·通过使得时钟控制时间间隔增加，来减少时钟控制算法(20)的工作量

·减少在所恢复时钟中的波动

例如，过滤器(24)可以是带有下述差分等式的第一级低通滤波器，可以简单地在硬件中执行而不需要任何除法器和乘法器：

Φ_av(n)＝Φ_av(n-1)+(Φ(n)-Φ_av(n-1))/2^p    等式(2)

其中：Φ_av是滤波输出

Φ是差值

P是确定过滤器时间常量的可编程参数

n是在分组输入处所接收到的分组的每个时间增量的采样值

时钟控制算法(20)能够在固定时间间隔内读取Φ_av，以得出：

ΔΦ_av(m)＝Φ_av(m)-Φ_av(m-1)

可以表示为：

Φ_av(m)＝θ_2av(m)-θ_1av(m)

其中θ_2av(m)和θ_1av(m)也是通过由等式(2)描述的过滤操作得出的，

因此：

ΔΦ_av(m)＝[θ_2av(m)-θ_2av(m-1)]-[θ_1av(m)-θ_1av(m-1)]

ΔΦ_av(m)＝[f₂(m)-f₁(m-1)]·Δt

＝Δf·Δt

其中：Δt是采样(m)和(m-1)之间的时间间隔

f₁是远程时钟频率

f₂是本地时钟频率

Δf是本地时钟频率与远程时钟频率之间的差

时钟控制算法(20)将会读取Φ_av，并确定所需校正量从而将本地时钟聚加到远程时钟，并且将所需频率写到一个DCO(22)中。

通过下面的差分等式给出一个简单的第一级时钟控制算法：

F(m)＝F(m-1)+β(ΔΦ_av(m)/Δt)

其中：F(m)是写入到DCO中的频率；

F(m-1)是当前DCO频率；

β是确定一个时间常数的常量；

ΔΦ_av(m)是平均过渡时间内的变化量；

m是时钟控制算法读取ΔΦ_av值的每个时间增量的采样值；和

Δt是由时钟控制算法的值读取之间的时间间隔。

这种时钟控制算法的效果在于，通过响应所过滤的过渡时间值内的变化量ΔΦ_av(m)来校正DCO频率，从而限制远程与本地时钟的频率差。常量项β确定此校正的时间常量。它被选择用以跟踪远程时钟频率f_service内的长期偏差，但是由于分组延迟变化而滤去短期变化。

通过下面的等式给出一种增强的时钟控制算法：

F(m)＝F(m-1)+β(ΔΦ_av(m)/Δt)+γ((Φ_av(m)-K)/Δt)

其中：F(m)是写入DCO的频率；

F(m-1)是当前DCO频率；

ΔΦ_av(m)是平均过渡时间内的变化量；

m是时钟控制算法读取ΔΦ_av值的每个时间增量的采样值；

β和γ均是确定算法的时间常数的常量；

K是为所过滤的过渡时间Φ_av(m)提供一个“中心值”的常量；和

Δt是由时钟控制算法的值读取之间的时间间隔。

这个等式与简单时钟控制算法之间的差别就是增加了γ((Φ_av(m)-K)/Δt)这一项。该项有助于当Φ_av(m)从中心值偏离时，通过校正DCO频率以使所过滤过渡时间值保持在一个中心值K。这样具有在远程和本地时钟之间控制相移的效果。由于过渡时间Φ(1)的初始值常常设定为零，所以K的值也因此而常常设定为零。

常量项γ确定该校正的时间常数。当带有β项时，其被选择跟踪远程时钟频率中的长期偏差，但是由于分组延迟变化而滤去短期变化。

一个PDV深度控制算法(26)对PDV缓冲器(12)进行了相对少有的调整(通过向或从缓冲器中增加或移除分组)，这种调整可能基于：

·由过滤器(28)提供的队列深度的过滤后深度读取，它可以是由等式(2)描述的类型

·欠载运行事件(表示队列(14)过小)

·最大和最小深度读取

·网络延迟测量(例如，由网络“ping”工具来获得)

最大和最小深度值被设定为当前每个时间的队列深度，它们由PDV缓冲器深度控制算法(26)来读取，并且接下来，每当分组队列深度被改变，都对最大和最小深度值进行调整。

可以使用任选其一的过滤算法。

例如2^nd和更高级的模糊逻辑、神经网络、和随时间改变诸如时间常数或时钟控制时间间隔等参数的自调谐算法，都可以使用任选其一的时钟控制算法。

时钟控制和深度控制算法可以使用一个内部或外部CPU。

一个比特、字节、帧或分组计算值的一部分可以代替比特而用作时间戳单元。

所描述的方法使用了所有的数据分组。它也能够使用分组的子集，或者使用特定的定时分组。

在分组为一致有效负载大小相同的、且提供了从源设备到目的设备传输的分组中可利用的序列号的地方，能够在没有远程时间戳时实现该方法。通过以TDM有效负载大小乘序列号，可以在目的设备重新产生远程时间戳。正如上面所提到的那样，所述大小可以由一个比特、多个比特、字节、帧或分组的一部分来表示。使用由源设备应用的序列号，确保了时间戳计算不会被丢失的或失序的分组破坏。

基于这些***或其他非同步***，该方法已经应用到了分组的定时恢复中。上述方法的一个典型应用就是，在跨越诸如以太网、ATM或IP等分组网络的TDM(时分多路转换)电路仿真技术中使用。电路仿真技术可以用于支持利用传统TDM设备提供给用户的专线服务。例如，图1示出一个跨越分组网络传送的专线TDM服务。它的优点在于，载体网络可以升级为一个分组交换网络，同时仍然保持他们已有的TDM业务。

如上所描述的时钟恢复方法提供了以下优点：

1.该方法可以利用在目的设备处的所有接收进来的数据分组，将平均f_regen(即本地时钟)会聚成平均f_service(即远程时钟)。

2.不需要昂贵的时钟再生电路(诸如恒温器控制的晶体振荡器)。

3.将在接收进来的分组中获得的时间戳与本地时间戳值进行比较，从而得出过渡时间值。

4.过滤所得出的过渡时间值序列。

5.时钟控制算法使用所过滤过渡时间值，以调整设备的本地TDM时钟。

6.来自于时钟恢复算法的过滤器分离，使得时钟控制算法以比过滤器低得多的速率进行操作。从而，例如，能在硬件中应用高速过滤器，并且用一个外部CPU执行低速的时钟控制算法。这带来的显著的益处，诸如灵活性、开发风险的降低，为特定环境优化解决方案的容易性等等。

7.提供一种方法使本地时间戳被初始化为第一次所接收到的远程时间戳的值，以减少循环处理问题，并防止恢复时钟的启动错误。

8.提供一种方法允许分组从PDV缓冲器中被删除，和允许伪分组被***到PDV缓冲器中，以便于调整设备的等待时间。这并不影响上述提到的本地时间戳的值。

9.在适当的时间间隔过滤PDV缓冲器深度。

10.保持最小和最大PDV缓冲器深度值。

11.所过滤PDV缓冲器深度，和最小和最大PDV缓冲器深度值可以由一缓冲器深度控制算法来使用，该算法运行的速率远远低于过滤进行升级的速率。

12.这里所述的时钟恢复方法允许PDV缓冲器深度独立于时钟恢复机构地改变。这将在设置PDV缓冲器之前使得时钟恢复稳定，并且在操作期间允许缓冲器被改变以匹配任何网络特性中的潜在变化。

该方法还能够从过渡时间计算中排除迟到分组，这可以改善运行。这种分组可以人工地提高过渡时间，使所恢复的时钟看起来好像运行得非常快。

Claims (17)

1.一种从TDM数据分组恢复TDM输出的时钟信号的方法，从一个具有源TDM时钟的源设备到一个具有目的TDM时钟的目的设备，在分组网络上传输该TDM数据，所述方法其特征在于包括：

使至少一些分组带有远程时间戳或是能够生成远程时间戳的信息，所述远程时间戳仅以计算源TDM时钟周期所确定的比特计算为基础并表示当产生该分组时源TDM时钟状态；

使所述至少一些分组带有本地时间戳，所述本地时间戳的仅以目的TDM时钟周期所确定的比特计算为基础并表示当接收该分组时目的TDM时钟状态；

确定表示所述本地和远程时间戳之间差的过渡时间值；

随时间过滤所述过渡时间值，以产生过滤的过渡时间；和

仅基于上述确定的所述过滤的过渡时间，控制TDM输出的时钟频率；

其中任何大于预定值的过渡时间都不作为对任一控制算法的输入，来调节所述TDM输出的时钟频率。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述过滤使用的过滤器是第一级低通滤波器。

3.如上述任一项权利要求所述的方法，其中将所接收分组置于一个分组缓冲器中，并且缓冲器深度由一个深度控制算法来进行控制。

4.如权利要求3所述的方法，其中所述深度控制算法通过增加或移除分组来对所述分组缓冲器进行调整。

5.如权利要求1所述的方法，其中通过计算所接收到的分组有效负载比特数目，从而在所述目的设备处计算所述远程时间戳。

6.如权利要求1所述的方法，其中按顺序给每个分组分配一个序列号，并且其中通过用分组序列号乘以分组有效负载大小，从而在所述目的设备上计算所述远程时间戳。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述时钟频率由一个时钟控制算法来控制，该算法确保所述时钟频率中的变化与平均过渡时间中的变化成比例。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述时钟控制算法由下式给出：

F(m)＝F(m-1)+β(ΔΦ_av(m)/Δt)

其中：F(m)是写入到数控振荡器中的频率；

F(m-1)是当前数控振荡器频率；

β是确定一个时间常数的常量；

ΔΦ_av(m)是平均过渡时间内的变化量；

m是每次时钟控制算法读取ΔΦ_av值时递增的采样数；和

Δt是由时钟控制算法读取值之间的时间间隔。

9.如权利要求7所述的方法，其中所述时钟控制算法还合并源和目的TDM时钟的锁相。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述时钟控制算法由下式给出：

F(m)＝F(m-1)+β(ΔΦ_av(m)/Δt)+γ((Φ_av(m)-K)/Δt)

其中：F(m)是写入数控振荡器的频率；

F(m-1)是当前数控振荡器频率；

ΔΦ_av(m)是平均过渡时间内的变化量；

m是每次时钟控制算法读取ΔΦ_av值时递增的采样数；

β和γ均是确定算法的时间常数的常量；

K是为所过滤的过渡时间Φ_av(m)提供一个“中心值”的常量；和

Δt是由时钟控制算法的值读取之间的时间间隔。

11.一种时钟恢复***，用于从TDM数据分组恢复TDM输出的时钟信号，从一个具有源TDM时钟的源设备到一个具有目的TDM时钟的目的设备，在分组网络上传输该TDM数据，在***包括：

远程时间戳抽取装置，用于从收到的分组中抽取出一个远程时间戳值，所述远程时间戳仅以计算源TDM时钟周期所确定的比特计算为基础并表示当产生该分组时源TDM时钟的状态；

本地时间戳装置，用于给所接收分组提供一个本地时间戳，所述本地时间戳仅以目的TDM时钟周期所确定的比特计算为基础并表示当接收该分组时目的TDM时钟的状态；

一个差分器，用于确定一个表示所述本地和远程时间戳之间差的过渡时间；

一个用于对所述差分器输出进行过滤的过滤器以产生过滤的过渡时间；和

时钟控制装置，用来仅根据所述过滤的过渡时间控制TDM输出的频率，

其中所述时钟控制装置忽略那些大于预定值的过渡时间。

12.如权利要求11所述的时钟恢复***，其中所述过滤器是第一级低通滤波器。

13.如权利要求11或12所述的时钟恢复***，其中进一步包括一个分组缓冲器，用于接纳所接收的分组，以及一个深度控制装置，用于控制分组缓冲器的深度。

14.如权利要求13所述的时钟恢复***，其中设置所述深度控制装置，通过增加或移除分组，从而对所述分组缓冲器进行调整。

15.如权利要求11所述的时钟恢复***，其中所述远程时间戳抽取装置通过计算所接收到的每个分组有效负载中比特数目，来计算所述远程时间戳。

16.如权利要求11所述的时钟恢复***，其中序列号按顺序分配给每个分组；其中在所述目的设备上通过用分组序列号乘以分组有效负载大小来计算所述远程时间戳。

17.如权利要求11所述的时钟恢复***，其中所述时钟控制装置根据权利要求7-10中任何一项运行一个时钟控制算法。

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