CN101179256A - 一种动态调整WiMAX基站晶振稳定度的装置及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种动态调整WiMAX基站晶振稳定度的装置及其实现方法，该装置包括频率计数器、相位检测器、晶体振荡器、数模转换器，GPS接收机。它利用GPS接收机输出的1pps信号来校准晶振输出信号频率的稳定度，可以快速将晶振的误差精度调整到0.5Hz之内，并最终使晶振的误差精度稳定在0.01Hz以内。该方法的特点是预先计算出相位检测器和晶振之间的调节系数，动态校准时，只需计算出相位检测器的误差值就可直接计算出晶振的误差值。利用调节系数调节晶振误差在晶振调节领域是一个新颖的方法，该方法的校准速度快，算法简单，可以将一个普通晶振的震荡频率快速调整到很高的精度，并且长期稳定度和短期稳定度都很好。

Description

一种动态调整WiMAX基站晶振稳定度的装置及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种调整晶振稳定度的方法，特别地，涉及一种动态调整WiMAX基站晶振稳定度的装置及其实现方法。

背景技术

WiMAX基站的各种时钟由晶振来提供，因此晶振的精度就决定了WiMAX基站各类时钟的精度。晶振的特点决定了它在短时间内有很高的稳定度，但是由于晶振本身的老化和环境的影响(例如温度的变化、电压波动等因素)，晶振的固有频率会发生漂移，普通晶振的漂移参数会比较大，一般是一天百分之几赫兹，一年几赫兹，漂移曲线可以参考图4。如果采用稳定度高的铷/铯晶振，成本会很高。如果让晶振自由振荡，WiMAX基站的时钟精度就会随着时间的推移越来越差，带之而来得影响就会使WiMAX基站的通信可靠性下降，因此需要在WiMAX基站运行的过程中，动态对晶振进行调整，使其输出频率稳定在可接受的精度之内。另外，对晶振的校准需要快速，这样基站受到外界干扰时，基站可以快速的对晶振进行补偿，保持晶振的频率稳定度，从而保证基站通信的可靠性。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种动态调节WiMAX基站晶振稳定度的装置。

本发明的另一个目的在于提供一种动态调节WiMAX基站晶振稳定度的方法。

本发明的一种用于WiMAX基站动态调节晶振稳定度的装置，包括GPS接收机、频率计数器、相位检测器、相位误差调节器、数/模转换器、晶体振荡器、时钟生成器，其中：

GPS接收机：用于接收GPS信号，将GPS产生的1pps信号传到频率计数器；为解决WiMAX基站晶振频率漂移的问题，在WiMAX基站内引入此GPS接收机用来接收GPS信号，输出1pps(1 pulse per second)信号，为频率计数器提供时间基准参考。

频率计数器：用于对输入的时钟信号进行计数，当检测到所述GPS接收机发送来的1pps信号的上升沿后开始计数，当检测到下一个1pps信号的上升沿后停止计数，将此计数值发送给相位检测器；

相位检测器：用于对所述频率计数器产生的计数值进行滤波和平均处理，计算出当前的相位误差，将此相位误差输入到相位误差调节器；

相位误差调节器：根据当前的相位误差、调节系数和晶体振荡器的当前控制参数，计算出调整后的晶振调节参数；

数/模转换器：根据输入的所述晶振调节参数，生成实际的晶振调节电压，控制晶振的振荡频率；

晶体振荡器：用于在晶振调节电压的控制下，产生振荡信号；

时钟生成器：用于在晶体振荡器输出的所述振荡信号通过时钟生成器后，产生多路时钟信号，其中一路输入所述频率计数器作为计数时钟；

本发明的另一个目的在于提供一种利用上述装置实现动态调节WiMAX基站晶振稳定度的方法。

本发明的一种动态调节WiMAX基站晶振稳定度的方法，其中，晶体振荡器的晶振调节参数根据公式

R_O＝R_O’+Δphase*K_D来计算，R_O是当前晶振调节参数，

R_O’是上一次晶振调节值，

Δphase是当前相位误差，

K_D是晶振调整系数。

本发明的方法，其中所述K_D＝晶振调节范围/相位检测器变化范围。

本发明的方法，其中获得K_D的过程为：

步骤一：设置采样点数n；

步骤二：用晶振允许的最小值OCXOmin调节晶振，记录相位检测器的测量值COUNTmin；

步骤三：用晶振允许的最大值OCXOmax调节晶振，记录相位检测器的测量值COUNTmax；

步骤四：计算K_D＝(OCXOmax-OCXOmin)/(COUNTmax-COUNTmin)。

本发明的方法，其中相位误差采用粗调计算：Δphase＝相位误差和/采样点数。

本发明的方法，其中相位误差采用细调计算：

设采样长度为n：

{x₀，x₁，x₂，...，x_n-1}

滑动窗口长度为m，则窗口从左向右滑动过程中得到的中间采样个数为n-m+1，滑动时，将滑动窗口中的采样点相加并平均，得到一个新的采样序列，其长度为n-m+1：

{y₀，y₁，y₂，...，y_n-m}

y_i＝∑x_k/m

最后，将这n-m+1个中间值相加并平均，得到当前的相位误差：

Δphase＝∑y_i/(n-m+1)。

本发明的方法，其中频率计数器的误差为f＝Emax*68.3％，

其中Emax表示频率计数器的最大采样误差。

本发明的一种动态调整WiMAX基站晶振稳定度的装置及其实现方法，利用GPS接收机输出的1pps信号来校准晶振输出信号频率的稳定度，通过计算相位检测器和晶振之间的调节系数，可以快速将晶振的精度调整到0.5Hz之内，并最终使晶振的精度稳定在0.01Hz以内。该方法可快速、准确地调节晶振的频率误差，算法简单，通过粗调和细调之间的状态转换，偏差大时收敛快，偏差小时能使晶振达到自己的精度极限并保持稳定，可以将一个普通晶振的震荡频率快速调整到很高的精度，并且长期稳定度和短期稳定度都很好。

总之，本发明的装置及其实现方法，可在WiMAX基站运行的过程中，动态对晶振进行调整，使其输出频率稳定在可接受的精度之内；可快速校准晶振，在基站受到外界干扰时，基站可快速对晶振进行补偿，保持晶振的频率稳定度，从而保证基站通信的可靠性。本发明的装置和实现方法，可广泛应用于WiMAX基站和扫频仪等设备中，提高通信的可靠性；同时，无须购买昂贵的晶振，只需通过普通晶振和一个动态校准***，就能使基站的时钟快速达到满意的精度。

附图说明

图1是晶振稳定度动态调节结构；

图2是晶振稳定度动态调节状态转换图；

图3是晶振稳定度动态调节流程图；

图4是没有进行晶振动态调节时晶振的频率漂移曲线；

图5是进行晶振动态调节时晶振的频率漂移曲线。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明作进一步说明。

图1是WiMAX晶振稳定度动态调节结构图。

频率计数器根据1pps信号提供的时间基准，对输入时钟进行计数，将此计数值传给相位检测器，相位检测器采用特定算法对此计数值进行滤波/平均后，计算出相位差，用相位差计算出对晶振的调节参数，然后对晶振进行调节。

频率计数器检测到1pps信号上升后，开始对输入的时钟信号进行计数，每一个时钟周期计数值加1。当检测到下一个1pps信号的上升沿之后，停止计数，将当前的计数值传递给相位检测器，同时计数器清0，开始进行下一次计数。

相位检测器预先计算出晶振与相位检测器之间的调节关系，即晶振调节系数，当计算出当前的相位误差后，利用晶振调节系数就可计算出对晶振的偏差调节值，将此偏差调节值与当前晶振调节值相加，就可算出实际的晶振调节值。用此晶振调节值调整晶振的控制电压就可改变晶振的振荡频率，晶振振荡频率的改变又可调整频率计数器的计数值，即这是一个闭环***，通过不断调整相位误差可以使***最终达到稳定。

当检测出的相位误差比较大时，***通过对n个采样点进行平均，通过一次计算调节就可将晶振频率调节到误差0.5Hz以内。

当检测出的相位误差比较小时，***计算n个相位误差的平均值，每个相位误差用m个采样点进行窗口滑动平均的方法计算出，这时可以将晶振误差调节到0.01Hz附近，并在此误差范围内上下摆动，达到稳定状态。

如果需要一个短期稳定的晶振输出频率，可以关闭***的调节开关，即不对晶振进行调节，这时晶振处于自由震荡状态，其短期稳定度由晶振本身的参数决定。

GPS以精密的时间保证为基础，有非常好的长期稳定性，但它的短期稳定性比较差。结合GPS和晶振，利用GPS的长期稳定性校准晶振频率，可以提供一个短期和长期稳定性都很好的晶振。另外，此方法的调节速度非常快，通过一两次调节就可使晶振处于很高的频率精度。

采用晶振动态调整方法后，晶振的漂移会有明显的改善，参见图5。

1、总体结构

重新参见图1，该图示出了WiMAX晶振的动态调整结构。

·GPS接收机

通过GPS天线接收GPS发射的1pps信号，将此信号输入频率计数器作为计数的参考。

·频率计数器

当检测到GPS发送来的1pps信号的上升沿后开始计数，当检测到下一个1pps信号的上升沿后停止计数，将此计数值发送给相位检测器。

·相位检测器

用来对频率计数器产生的计数值进行采样、滤波和平均处理，计算出当前的相位误差，将此相位误差输入到相位误差调节器。

·相位误差调节器

根据当前的相位误差和晶振的当前控制参数，计算出调整后的晶振调节参数

·数/模转换器

根据输入的晶振调节参数，生成实际的晶振调节电压，控制晶振的震荡频率。

·时钟生成器

晶振输出的震荡信号通过时钟生成器后，产生多路时钟信号，其中一路输入频率计数器作为计数时钟。

2、相位误差调节器的实现

R_O＝R_O’+Δphase*K_D

·R_O：当前晶振调节参数

·R_O’：上一次晶振调节参数

·Δphase：当前相位误差

·K_D：晶振调整系数

相位误差调节器的输入是R_O’(上一次晶振调节参数)和Δphase(当前相位误差)，输出R_O(当前晶振调节参数)，通过测量相位误差，就可直接计算出对晶振的调节参数。

3、相位检测器的实现

1)计算晶振调整系数(K_D)

这个过程要在晶振动态调节算法运行之前进行，目的是计算出以后要用到的参数K_D.

K_D＝晶振调节范围/相位检测器变化范围

K_D计算过程为：

步骤一：设置相位检测器采样点数n；

步骤二：用晶振允许的最小值OCXOmin调节晶振，记录相位检测器的测量值COUNTmin；

步骤三：用晶振允许的最大值OCXOmax调节晶振，记录相位检测器的测量值COUNTmax；

步骤四：计算：K_D＝(OCXOmax-OCXOmin)/(COUNTmax-COUNTmin)；

步骤五：将K_D保存到FLASH中，供WiMAX基站启动时使用。

2)WiMAX运行过程中对晶振进行动态调节所处的状态

实际运行过程中，对晶振的调节可能处于3种状态，如图2所示

·当晶振相位误差大于0.5Hz时，进入粗调状态

·当晶振相位误差小于0.5Hz时，进入细调状态

·如果要在细调时达到高的短期稳定度，进入保持状态，即晶振此时处于自由振荡状态，此时时钟精度依赖于晶振本身的稳定性。

3)相位误差检测流程

相位误差检测流程参见图3

4)滤波门限的确定

频率计数器的计数误差近似服从正态分布，所以滤波门限为：

f＝Emax*68.3％

其中Emax表示频率计数器的最大采样误差。

5)相位误差算法

a)粗调算法

Δphase＝相位误差和/采样点数

b)细调算法

设采样长度为n：

{x₀，x₁，x₂，...，x_n-1}

滑动窗口长度为m，则窗口从左向右滑动过程中得到的中间采样个数为n-m+1，滑动时，将滑动窗口中的采样点相加并平均，得到一个新的采样序列，其长度为n-m+1：

{y₀，y₁，y₂，...，y_n-m}

yi＝∑x_k/m

最后，将这n-m+1个中间值相加并平均，得到当前的相位误差：

Δphase＝∑y_i/(n-m+1)

Claims (7)

1.一种动态调整WiMAX基站晶振稳定度的装置，其特征在于：该装置包括GPS接收机、频率计数器、相位检测器、相位误差调节器、数/模转换器、晶体振荡器、时钟生成器，其中：

GPS接收机：用于接收GPS信号，将GPS产生的1pps信号传到频率计数器；

频率计数器：用于对输入的时钟信号进行计数，当检测到所述GPS接收机发送来的1pps信号的上升沿后开始计数，当检测到下一个1pps信号的上升沿后停止计数，将此计数值发送给相位检测器；

相位检测器：用于对所述频率计数器产生的计数值进行滤波和平均处理，计算出当前的相位误差，将此相位误差输入到相位误差调节器；

相位误差调节器：根据当前的相位误差、调节系数和晶体振荡器的当前控制参数，计算出调整后的晶振调节参数；

数/模转换器：根据输入的所述晶振调节参数，生成实际的晶振调节电压，控制晶振的振荡频率；

晶体振荡器：用于在晶振调节电压的控制下，产生振荡信号；

时钟生成器：用于在晶体振荡器输出的所述振荡信号通过时钟生成器后，产生多路时钟信号，其中一路输入所述频率计数器作为计数时钟。

2.一种利用如权利要求1所述装置实现动态调整WiMAX基站晶振稳定度的方法，其中，晶体振荡器的晶振调节参数根据公式

R_O＝R_O’+Δphase*K_D来计算，R_O是当前晶振调节参数，

R_O’是上一次晶振调节值，

Δphase是当前相位误差，

K_D是晶振调节系数。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述K_D＝晶振调节范围/相位检测器变化范围。

4.如权利要求3所述的方法，其中获得K_D的过程为：

步骤一：设置采样点数n；

步骤二：用晶振允许的最小值OCXOmin调节晶振，记录相位检测器的测量值COUNTmin；

步骤三：用晶振允许的最大值OCXOmax调节晶振，记录相位检测器的测量值COUNTmax；

步骤四：计算_KD＝(OCXOmax-OCXOmin)/(COUNTmax-COUNTmin)。

5.如权利要求2所述的方法，其中相位误差采用粗调计算：Δphase＝相位误差和/采样点数。

6.如权利要求2所述的方法，其中相位误差采用细调计算：

设采样长度为n：

{x₀，x₁，x₂，...，x_n-1}

滑动窗口长度为m，则窗口从左向右滑动过程中得到的中间采样个数为n-m+1，滑动时，将滑动窗口中的采样点相加并平均，得到一个新的采样序列，其长度为n-m+1：

           {y₀，y₁，y₂，...，y_n-m}

           y_i＝∑x_k/m

最后，将这n-m+1个中间值相加并平均，得到当前的相位误差：

           Δphase＝∑y_i/(n-m+1)。

7.如权利要求2所述的方法，其中频率计数器的误差为f＝Emax*68.3％

其中Emax表示频率计数器的最大采样误差。

Images