CN103222225A - 合并独立定时校正的低功率无线电受控时钟 - Google Patents

Abstract

将跟踪由其数据帧结构和调制方案定义的数字广播和广播协议提供的时间的计时设备，调整为具有在操作范围，抗干扰能力，由于增强的链接鲁棒性采用更低成本的天线操作的能力和减少的能耗方面的计时设备的高级性能。通过依靠独立的自补偿，计时设备采用不频繁的广播接收来操作。这减轻了用于确保定时精度的频繁接收的需求，同时也降低了能耗。漂移的连续测量值均值和方差在设备中被评估并设置漂移估计误差的估计上界。基于该边界，对应于估计漂移中的误差而不是漂移本身的幅度，该设备采用接收策略而不是进行更不频繁地接收。

Description

合并独立定时校正的低功率无线电受控时钟

在先申请引用

本申请要求于2010年9月22日提交的名称为“A Reduced-CostEnhanced-Performance System for Broadcasting and Receiving an AtomicClock Timing Signal”的申请号为61/385,167的美国临时专利申请的优先权，该申请全部内容通过引用合并入本文。

技术领域

本发明涉及无线通信领域，更具体地说，涉及能够以高能效并且可靠的方式通过与无线接收的信号同步来补偿其固有不精确性的计时设备。

本发明背景

无线电受控时钟（RCC）是一种为用户提供精确定时信息的计时设备以允许多个用户在时间上对准或同步，该精确定时信息来自从中心位置广播的接收信号。通俗地说，由于用于在广播端获得定时的源的性质，这些设备通常被称为“原子钟”。在美国，国家标准技术研究所（NIST）提供这种以低频（60kHz）数字调制信号方式的广播，该信号由科罗拉多州科林斯堡的无线电电台WWVB以高功率发射。在该广播中编码的信息包含美国的官方时间。这也包含关于夏令时（DST）实施的定时信息，该信息在美国由于各种原因逐年变化。

在世界其他地区（包括欧洲和日本）存在在低频上操作的类似服务。存在很多消费市场产品，包括表、闹钟和壁挂钟，它们能够接受这些广播中的一个或多个，并且显示在大约一秒内的精度的正确时间。虽然广播可以持续活跃，但是典型的无线电受控时钟可被设置为仅一天一次接收广播。这种接收，如果成功（取决于无线链路和潜在干扰的条件）的话，通常被用于重置计时设备，使得如果设备被不正确地设置或者已远离正确时间漂移，它将会根据在广播信号中通信的时间被设置。自然地，该信号的更加不频繁的接收，例如仅一周一次而不是每天执行，可导致将在计时设备中出现的更大定时漂移，然而这可以节能，在电池供电设备中可能至关重要。

可在用于官方计时和广播的关于精确原子源的计时设备（如手表）中具有的自然漂移将取决于其频率源的特性，通常基于晶体振荡器。在该设备中使用的普通晶体是被调谐到32.768kHz的晶体，其除以2¹⁵来提供1Hz的速率或每秒一个脉冲。然而，这些广泛可用的低成本晶体可能具有范围为从每百万分之几（ppm）到±20ppm的不准确性，再次取决于它们的操作效果和温度范围。例如，未被补偿的其晶体在高于标称的32.768kHz10ppm处谐振的计时设备在一个月期间将累积比实际时间超前大约26秒的定时漂移，因为一个月有大约2,600,000秒。

在这些设备中的广播接收的目的之一是确保在漂移变得不可容许之前对这些漂移补偿，尽管现有的消费产品不允许用户指定可容许的时间漂移，但是假设时间漂移在一秒的量级上。

这些广播的接收的第二个目的是确保在设备中一直假设DST的正确状态。例如，如果假设计时设备在十月的最后一个星期天的早上2点，根据该转换的历史时间表，时间要移回到早上1点，然而更近的该DST转换的特殊情况时间表是十一月的第一个星期天的早上2点，则设备中的时间将会被不正确地设置为比实际时间滞后1个小时持续一整周。通过从该广播接收关于DST转换的实际时间表的信息，例如提前一个月的时间，可确保在计时设备中设置的时间的正确性而无需在将应用DST转换的那天接收广播。

发明内容

本发明提出一种新颖并且可用的用于补偿在作为其固有不准确性的计时设备的无线电受控时钟（RCC）类型中具有的自然漂移，并且用于在适当时刻应用一个小时时间移位校正的夏令时（DST）的***和方法。本发明允许RCC在更低的占空比运行，以用来最小化与无线接收相关联的能耗。这在主要是电池供电设备（诸如接收器电路操作的过大占空比可能不可容许地缩短电池寿命的手表）中是有利的。

本发明的***被分成两个实体，这允许设备的计时功能准确、可靠和高能效。这些包括（1）新的通讯协议，广播信号根据该新的通讯协议编码和调制的信息，和（2）接收器操作的结构和方法。本发明的通信协议适于允许现有技术设备根据传统通信协议运行，使得它们不受由本发明引入的协议的改变影响。然而，适于根据本发明操作的设备从各种性能优势中获益。这些优势包括（1）通信链路的更好的鲁棒性，（2）允许在更低信噪干扰比（SINR）下的可靠操作，（3）提供正确时间的更好可靠性，和（4）减少的能耗，这导致电池供电设备的延长的电池寿命。

根据本发明的一个实施例，应用到载波上的调制局限于其相位，因而允许存在根据传统通信协议操作的设备，借此可通过包络检测提取信息，以使用经调制的协议运行而不受影响。尽管本发明的通信协议的向后兼容性质可代表在升级现有***时的实际需求，但是本发明的范围不限于该调制方案的使用和与现有通信协议结合运行。

由本发明提供的增强的鲁棒性导致关于现有技术设备的适当运行所需的SNIR的更低的SNIR值的可靠接收，该增强的鲁棒性是使用如下方式的结果（1）已知的具有良好自相关特性的巴克码（baker code），（2）允许在作为每一数据帧一部分的信息比特域内的误差检测和校正编码，以及（3）高级调制方案的使用，该调制方案在本发明的一个实施例中为二进制相移键控（BPSK）。代表对跖（antipodal）***的BPSK调制已知为关于信号功率提供信号空间中的最大距离，然而在世界范围内用于时间广播的历史上的调制方案基于脉冲宽度调制，其依靠需要更高的SINR以达到同样的决策误差概率或误差比特率（BER）的幅度解调。

在本发明的设备中假设或设置正确时间的增强的可靠性通过时间计算程序的使用达到，该程序不仅考虑从接收帧提取的信息，而且考虑已在计时设备中假设的时间。例如，如果从接收帧提取的信息暗示年份比计时设备已经长期假设的年份超前很多年，那么很有可能接收错误并应当被舍弃。

在更精细的尺度上，当在所接收信号上使用已知的巴克码的相关操作产生噪声结果（即，相关峰值更接近于低相关结果）时，基于此定时抽取可能是不准确的，则接收器可以采用平滑滤波，其中将从接收信号抽取的定时信息相对于在设备中本地假设的时间加权，使得定时调整同时考虑它们两者，而不是如现有技术设备中通常使用的仅基于所接收信号来确定。

根据本发明操作的设备（诸如手表）可基于准确广播的接收，通过记录和跟踪在某一段时间（例如其操作的第一周）上执行的连续定时调整，估计在设备内自然发生的漂移程度。这种漂移将通常是其晶体振荡器谐振所在的频率的不准确性的结果。注意到其晶体振荡器谐振所在的频率的不准确性的实际起因，对于本发明并不关键并且不会影响它的范围。

当测量到的漂移超过某个阈值时，或者当存在指示其时间导数超过某一斜率的漂移中的明显趋势（可能源自需要更换的耗尽的电池）时，设备可提供警告。

在本发明的一个实施例中，设备定时漂移的初始估计可基于由充分准确的外部测试设备执行并提供给设备的测量结果。

设备通过更加准确的前述源的使用获得的漂移估计，允许设备执行周期性的校正，基于此，它可以依靠导致更低能耗的更不频繁的广播信号的接收。

例如，如果根据本发明实现的RCC反复从提示每天漂移1.4秒的定时的接收信号提取定时，可假设在随后数天期间发生这种漂移，并可通过简单的计算对该预测的漂移进行独立地校正，即无需接收广播。

如果已定义无线电受控计时设备的可容许的定时误差，例如一秒，则每天发生1.4秒漂移的现有技术设备将被迫每天至少一次补偿它的定时。相反，可根据本发明的执行独立自补偿操作的设备，在从估计固有漂移的误差中而不是从漂移幅度中获得的速率上采用更低频率的接收同时，可遵循在其时间漂移的该一秒限制。时间漂移估计的误差可由设备各种实际限制引起，以及由温度变化和老化造成的其随时间的变化引起。因此，假设通常作为晶体频率误差结果的漂移估计存在误差。该误差的边界可以用于确定最高速率，RCC设备的独立补偿计时功能在该速率可从其尝试跟踪的绝对准确时间漂移。

例如，如果将在设备中实际发生的ε=1.4秒的定时误差（或者每日漂移）估计为1.3秒，表示δ=0.1秒的估计误差，则在缺少接收操作的设备中执行的自补偿将导致每天δ=0.1秒的有效的更慢的定时漂移。基于设备对实际限制的熟悉和/或基于在漂移ε的其连续估计的方差，上界的估计Δ≥δ允许RCC设备采用确保在允许其更不频繁的接收的同时将不会超过对允许的漂移指定的限制的接收策略。在本示例中，如果对估计误差假设的上界是Δ=0.2秒，其安全地在实际的δ=0.1秒之上，则设备可以每五天应用接收策略，因而确保在五天过程中未补偿的误差将不会超过指定所允许的一秒限制。在现实中，作为δ=0.1秒的其实际估计误差的结果，在五天过程中在该设备中发生的最大未补偿漂移将仅为5×0.1=0.5秒。

附图说明

参考附图仅通过示例的方式在此描述本发明，其中：

图1是图示根据本发明操作的***的示例高级别描述的框图。

图2是图示示例通信协议的帧的一般结构的图。

图3是图示示例通信协议中附加到幅度/相位调制载波上的相位调制的图。

图4是图示在本发明一个实施例中的漂移进程和用于执行基于接收的定时相关的时刻的定时图。

图5是图示在本发明的另一实施例中的漂移进程和用于执行基于接收的定时相关的时刻的定时图；以及

图6是图示本发明的独立的定时校正方法的流程图。

具体实施方式

图1中示出根据本发明操作的***的示例高级别描述的框图。一般标记为10的在发射器端的设备，包括从其获得时钟信号的高精度频率源12、具有用户界面16的时间编码生成器14、发射器18和发射天线19。

时间编码生成器14基于从源12向它输入的高精度频率源保持时间跟踪，构建表示时间信息和待发送的其它信息的数据帧，根据本发明的协议将数据帧调制到RF载波上，并且允许通过其用户界面16将在其中设置的时间初始化和其他控制。发射器18放大经调制的信号到期望级别，如例50kW，并且驱动用于信号的大范围覆盖全向广播的天线19。

一般标记为20并且通常合并入低成本消费市场产品的接收端的功能，包括接收天线22，接收器24，处理器和控制器26，计时功能30，晶体振荡器31，显示器32和用户界面34。

接收器24根据本发明的调制方案和协议从接收到的信号中提取定时和信息，并且将从在接收到的信号和在帧中使用的已知巴克码之间的相关结果获得的计算出的定时误差提供给处理和控制功能26。在处理器26中建立漂移计算和在该计算中估计的误差，并且从其获得用于随后接收的所需周期性。控制器功能/处理器26，通过控制线28适当地启用/禁用接收器的运行，使得限制关注的区间以最小化在那些这么做可能至关重要的应用（例如手表）中的能耗。基于由具有有限精度的晶体振荡器31提供的脉冲，计时功能30保持时间跟踪。可由处理器/控制器根据在特定时刻所估计的漂移调整计时，对该漂移进行测量、计算或者两者的组合。显示功能32可以用于显示时间以及各种对用户的指示，包括接收质量、在所显示时间中的误差的估计边界、电池状态等。基于按钮、滑动开关、触摸屏、键盘、计算机界面及其组合或者任何其他形式的人机界面的用户界面功能34，可以用来设置初始时间、定义最大允许的定时误差、根据待计算时间的时区、夏令时的使用等。

在图2中示出图示在示例通信协议中帧的一般结构的图。该帧包括在每60秒发送的60比特的一分钟帧内的已知定时处的已知巴克码。图3中示出图示在示例通信协议中附加到幅度/相位调制载波上的相位调制的图。该图描述了在以往WWVB广播中采用的幅度/脉冲宽度调制，以及根据本发明引入的相位调制。应注意到，在本发明提出的通信协议中，以独立定义的相位调制形式的增强和已知巴克码的使用并不局限于WWVB广播，也可以应用到类似的AM/脉宽方案所使用的和无需支持AM/脉宽调制而允许使用连续BPSK的全世界范围。

在图2中，发送帧200包括持续m秒的巴克码220、超前巴克码的持续k秒的信息域210、和跟随巴克码的持续剩余的60-(m+k)秒的域230，使得3个域总共持续60秒。m和k的值优选是固定的并且它们的和小于60，使得巴克码的位置在帧中可预测，允许接收器在期望的定时处寻找它，同时如果不再关注信息比特则忽略它们。

第N发送帧200前面是帧N-1240，后面是帧N+1250，两者都持续60秒并分别代表帧N前后的分钟。

图3将发送中的三个连续示例比特图示为时域波形300。每个持续1秒时间的该3个比特，310、320和330被分成载波功率为低（WWVB的-17dB）的第一部分340和载波功率为高的第二部分350。在现有技术设备使用的已有WWVB协议中，每比特的信息取决于这两部分的持续时间，均匀的0.5/0.5秒分割代表“1”，而不均匀的0.2/0.8秒分割代表“0”。0.8/0.2秒的分割代表可用于定时识别而不携带信息的“标记（marker）”。

根据本发明，将信息调制附加到现有使用BPSK调制的调制中。由在t=2秒时如图3中的第三比特330所示的在比特开始处出现的反相360的具有反相的载波代表“1”。尽管由脉冲宽度代表的信息被示为“1”，“0”，“1”，但是根据本发明的BPSK协议并行发送的信息被示为“0”，“0”，“1”。应注意到，虽然并未示出载波频率在图中按比例绘制以增强清晰度，但是优选对于相位变换出现在载波的零交叉时刻，如在对于WWVB载波频率为60kHz（每比特60,000周期）的情况中当比特持续整数倍的载波周期时的情况。

图4示出图示本发明的一个实施例中的漂移过程和用于执行基于接收的定时校正的时刻的图。在该实施例中，当示出一般标记为380的时域波形时，计时设备中发生定时漂移。例如，假设设置在P=24小时的接收382的固定循环，示出两个成功接收时刻384以基本上消除幅度为ε的累积漂移。然而，示出可能已经发生更差的SNIR情况的失败的接收时刻386以导致漂移的持续累积直至漂移累积加倍到2·ε的点388，假设在另一周期P的结束时安排的下一接收之前不***任何额外的接收尝试。

图5中示出在本发明另一实施例中的漂移过程和用于执行基于接收的定时校正的时刻的定时图。在RCC计时设备的另一实施例中发生的定时漂移以一般标记为400的时域波形示出。

假设持续时间P=T_i的初始期410用于基于在时刻450的广播接收的漂移确定和消除。漂移估计

用于得出可基于他们的平均的漂移估计，同时可基于在它们或他们的方差之间的最大差值来确定从其获得上界B的估计误差。应理解的是，在此出于图示的目的示出3个估计的使用，并且该数目可取决于可在特定实现中存在的各种需求和限制变得更高或更低。在所估计的漂移被用于在没有接收发生的时刻430发生的漂移补偿的同时，边界B用来确定从该点向前发生接收的扩展周期P=T_f。在时刻430的计算出的漂移补偿被示出是近似的，导致减少而不违背完成漂移的消除在接收时刻460理论上是可能的。在缺乏计算出的补偿的情况下，漂移470被示出达到可能超过最大允许漂移440的理论值ε_T。补偿时刻430可以任意安排，因为它们不需要接收并且旨在限制计时设备中发生的漂移到特定允许显示以下，同时也提供平滑校正，而不是在更长时期后累积的更大幅度的突然校正。

尽管更不频繁接收的最终周期P=T_f基于前述的漂移相关的测量和计算来设置，但是时刻450可根据接收条件来安排，该条件可通过尝试一天中的不同时间并对比发生在不同时刻的接收质量（例如SINR）的测量值建立。虽然各种类型的干扰可在不同天的相同时刻之间呈现不相关的特性，但是在该时刻的信号水平将通常是相关的。这是因为在通常用于该***的在低频处的接收在晚上更强，这是由于电离层的有利条件，这对远程操作至关重要。

在图6中示出图示本发明的独立定时校正方式的流程图。在RCC设备中该方法涵盖几个关键操作。最初，将设备假设为设置到任意时间（步骤510），需要从所接收信号的正确时间的获取（步骤512）。然后，选择初始周期P=T_i用于周期性接收，基于此，将完成设备漂移的初步学习（例如，每两天或T_i=48小时）（步骤514）。

然后执行重复测量和校正。检测是否已过去周期T_i时间（步骤516），并且如果已经过去，那么将接收器打开以接收巴克接收来建立和消除漂移（步骤518）。然后，将测量的漂移记录到数组中（步骤520），并且对嵌套T_i和测量值数目的计数器N重置计时器（522）。如果N仍未达到预定值，即达到测量值/漂移估计的某个数值N（步骤524），则该方法返回到步骤516。

随后，RCC设备处理N个测量到的漂移的数组以确定均值、方差、最大值和趋势（时间导数）（步骤530）结果。然后，设备计算将要应用在具有合理精度的自补偿中的估计的漂移速率（步骤532），和用于应用漂移补偿的方案（可能比每T_f更频繁）（步骤534）。此外，在步骤536（其中T_f＞T_i，例如T_f=2周）中建立每T_f出现的接收方案，允许用于遍及例如1年的长时间运行的接收所消耗的能量中的减少。

应注意，接收方案不必是周期性的，并且能够基于满足最大可允许漂移以及可以为设备的操作定义的额外条件的经随机化或另外选择的时刻。一旦过去T_f（步骤540），则重置T_f的计时器（步骤538），开启接收器用于定时调整（以建立和消除漂移）（步骤542）。然后，设备校正其漂移、细化其漂移估计并将结果存储在数组中以用于长期处理（步骤544）。

然后，设备检验在接收时刻测量到的漂移在预定范围之内（步骤546）。当漂移超过允许的范围时，可减小接收周期P（减小T_f）（步骤550），反之，当漂移呈现比定义的可容许范围更小的范围时，可增加周期P（增大T_f）（步骤548），这允许能耗的进一步减小。

在此提供了根据本发明构建的示例RCC设备操作的描述和解释。如果将漂移估计为每天0.25秒，则不管时间信号广播的接收，RCC设备都可基于该估计每天校正其定时。8天没有接收时，设备仍可以找到所累积的4秒漂移的校正，并且然后将能够在接收到的帧中搜索巴克码，同时允许其减小的窗口（要供电的接收器的减少时间）。该自补偿能力允许设备更加独立，保证在更长的周期上的可靠操作而无需和广播信号同步，因此允许接收器操作的更低的占空比，更短的接收窗口，和随之而来的降低的整体能耗。该优点在其能量源通常是小电池的表中尤其重要。

Claims (9)

1.计时设备，包括： 

计时电路，可操作以保持基于从振荡器接收的脉冲的时间跟踪； 

接收器，可操作以接收作为在持续期间中持续数秒的广播帧一部分的相位调制的巴克码； 

处理器，可操作以基于提供鲁棒性的所述相位调制的巴克码来执行定时调整。 

2.根据权利要求1的设备，其中所述计时设备包括表。 

3.根据权利要求1的设备，其中所述计时设备包括闹钟。 

4.根据权利要求1的设备，其中所述计时设备包括壁挂钟。 

5.根据权利要求1的设备，其中所述计时设备包括公共事业仪表。 

6.根据权利要求1的设备，其中所述处理器可操作以基于所述相位调制数据帧的接收来获得初始定时，其中在所述相位调制数据帧处应用编码以允许在接收到的数据帧中的误差检测和校正。 

7.一种计时设备，包括： 

计时电路，可操作以保持基于从振荡器接收的脉冲的时间跟踪； 

接收器，可操作以接收作为在持续期间中持续数秒的广播帧一部分的相位调制的巴克码； 

处理器，可操作以： 

基于一个或多个针对获得的准确定时信息的定时误差的测量值执行定时漂移的自补偿；以及 

当不能保证接收成功时执行相对不频繁的接收从而提供增强的鲁棒性，同时减少所述设备的能耗。 

8.根据权利要求7的设备，其中通过包含准确定时信息的广播接收获得准确定时信息。 

9.根据权利要求7的设备，其中通过外部源获得准确定时信息。 

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