CN103684729A - 时钟同步装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了时钟同步装置及方法，装置包括：隔直器，将来自无源天线的GPS信号输出到放大器，隔断放大器反馈的电流；放大器，对GPS信号放大后输出到GPS接收模块；GPS接收模块，根据GPS信号得到GPS秒脉冲信号并输出到时差测量模块；本地时钟参考模块，将本地时钟参考信号输出到分频模块，根据模数转换模块发来的模拟电压修正本地时钟参考信号；分频模块，将本地时钟参考信号分频为秒脉冲信号并输出到时差测量模块；时差测量模块，测量本地时钟秒脉冲信号与GPS秒脉冲信号间的时差并发给数据处理模块；数据处理模块，根据时差得到频率偏差并发给模数转换模块；模数转换模块，将频率偏差转换为模拟电压并发给本地时钟参考模块。本发明提高了时钟同步精度。

Description

时钟同步装置及方法

技术领域

本发明涉及无线技术领域，具体涉及时钟同步装置及方法。

背景技术

高速铁路是当今世界铁路发展的潮流。高速列车与地面之间的通信成为国内外宽带无线通信研究的热点问题。随着高速铁路的发展，铁路信息化要求车地之间的通信数据越来越多。一方面，列车运行、列车安全监控、维护等实时信息需要传送到地面上，满足铁路路网对移动体（机车、车辆等）实时动态跟踪和信息传输的需要；另一方面，以旅客为主体的移动信息，需要在车地之间实时传送。然而，铁路现有的通信***只能解决中低速条件下列车和地面之间的列控窄带通信需求，因此，构建新一代高速铁路宽带无线接入***势在必行。

信道特性是无线通信***设计的基础。研究高铁无线信道的统计特性，首先是对高铁信道典型场景的测量。由于高速铁路行驶里程较长，一般会经历城市、平原、高架桥、山区、隧道、U型槽等多种类型线路，且信道由于大Doppler频偏和快变Doppler造成信道快衰落，单一形态场景信道模型难以准确刻画完整的高铁无线信道模型，如要完成多场景不同速度下信道测量和建模，则需开展足够多的测试，以积累丰富的测试数据。然而，高铁信道测量工作外场测试难度非常大。因此，高铁信道测量需要一种高效精确的测量方法。

时钟同步是信道测量的关键步骤，时钟同步方法决定了信道测量的效率和精度。信道测量的基本原理是发射机发送探测信号，经历信道后在接收端完成采样存储，采样信号完成后处理，可以获得信道的时变冲激响应或相应***函数。其中，收发端的载波频率和采样频率分别由时钟参考通过锁相环倍频得到。如果收发端时钟不同步，则导致载波频差和采样频差，从而影响多普勒参数和多径参数的提取。

目前，商用的信道测量仪如芬兰Electrobit公司的Propsound和MEDAV公司的RUSK采用收发端铷钟本地同步，频率准确度可以达到E^-11数量级。图1给出了商用信道测量仪时钟同步的示意图，如图1所示，这种同步方式须将收发两端放置在一起，连接电缆进行同步，同步时间大概为2小时，之后在蓄电池供电条件下，将两者分开进行信道测量，同步的保持时间大约为4~5小时。

另一种同步方式是高效信道探测仪时钟同步法，如图2所示，收发端均采用一个高稳定度本振作为时钟参考。此时，虽然收发端存在一定的较小频差，但该频差在测量的一段时间内不会变化。可以在接收端使用相关信号处理的方法，消除这些残余的频差和相差。美国Brigham Young大学研发的宽带信道探测仪即采用这种同步架构。

现有商用信道测量仪时钟同步方法通过直连同步后，将收发端分开进行信道测量，其测量时间只能保证4~5小时。该方法一般用于近距离的固定场景测量，而对于远距离的多场景高铁信道测量，该方法的测量效率极其低下。高效信道测量仪时钟同步方法可以采用相关信号处理方法消除收发端本振的频率偏差和相位偏差，但是在存在Doppler频偏的情况下，会极大地影响相关算法的性能，无法消除收发端本振的频差和相差，会导致Doppler频偏参数提取的误差，从而导致信道测量精度下降。所以，现有时钟同步方法无法满足高铁信道测量的效率和精度。

发明内容

本发明提供一种时钟同步装置及方法，以提高时钟同步精度。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种时钟同步装置，该装置包括：

隔直器：接收来自全球定位***GPS无源天线的GPS信号，将GPS信号输出到放大器，同时，当接收到放大器反馈的电流时，隔断该电流；

放大器：对来自隔直器的GPS信号进行放大后输出到GPS接收模块；

GPS接收模块：根据放大器输出的GPS信号得到标准的GPS秒脉冲信号，将GPS秒脉冲信号输出到时差测量模块；

本地时钟参考模块：产生本地时钟参考信号，将本地时钟参考信号输出到分频模块；根据模数转换模块发来的模拟电压，修正本地时钟参考信号；

分频模块：将本地时钟参考模块输出的本地时钟参考信号分频为秒脉冲信号，将该秒脉冲信号输出到时差测量模块；

时差测量模块：测量本地时钟参考模块输出的秒脉冲信号与GPS接收模块输出的GPS秒脉冲信号之间的时差，将该时差发送给数据处理模块；

数据处理模块：根据时差测量模块发来的时差，得到本地时钟秒脉冲信号相对于GPS秒脉冲信号的频率偏差，将频率偏差发送给模数转换模块；

模数转换模块：将数据处理模块发来的频率偏差转换为模拟电压，将该模拟电压发送给本地时钟参考模块。

当所述GPS接收模块只支持有源天线时，在GPS接收模块的输入端增加一下拉电阻，电阻值等于GPS接收模块正常工作时的馈电电压除以馈电电流。

所述放大器为一级放大器或二级放大器。

所述装置进一步包括：平滑模块，用于接收数据处理模块输出的本地时钟秒脉冲信号相对于GPS秒脉冲信号的频率偏差，对该频率偏差进行平滑处理，将平滑处理后的频率偏差发送给模数转换模块。

所述时差测量模块进一步用于，当在预设等待时长内未接收到GPS接收模块输出的GPS秒脉冲信号时，确定GPS信号丢失，则向数据处理模块发送GPS信号丢失指示；

数据处理模块进一步用于，当接收到时差测量模块发来的GPS信号丢失指示时，由驯服状态转为保持状态，在保持状态期间，每隔预设时间间隔向模数转换模块输出一次最近得到的频率偏差。

所述放大器进一步用于，将放大的GPS信号通过天线发送出去，该GPS信号到达需要使用GPS信号的多个GPS接收模块。

所述放大器发送GPS信号所使用的GPS天线为定向天线。

一种时钟同步方法，该方法包括：

接收来自GPS无源天线的GPS信号，对该GPS信号进行放大，根据放大后的GPS信号得到标准的GPS秒脉冲信号；

将本地时钟参考信号分频为本地时钟秒脉冲信号；

测量所述本地时钟秒脉冲信号与所述GPS秒脉冲信号之间的时差，根据该时差得到本地时钟秒脉冲信号相对于GPS秒脉冲信号的频率偏差，将该频率偏差转换为模拟电压，根据该模拟电压对本地时钟参考信号进行修正。

所述对该GPS信号进行放大为：

对该GPS信号进行一级放大或二级放大。

所述根据该时差得到本地时钟秒脉冲信号相对于GPS秒脉冲信号的频率偏差之后、将该频率偏差转换为模拟电压之前进一步包括：

对该频率偏差进行平滑处理。

所述方法进一步包括：当GPS信号丢失时，根据最近得到的模拟电压对本地时钟参考信号进行修正。

所述对该GPS信号进行放大之后进一步包括：将放大的GPS信号通过GPS天线发送出去，该GPS信号通过GPS天线到达需要使用GPS信号的设备。

当将放大的GPS信号通过GPS天线发送出去时，所述GPS天线为定向天线。

与现有技术相比，本发明通过GPS卫星信号同步本地时钟，提高了时钟同步精度。

附图说明

图1为现有的商用信道测量仪时钟同步的示意图；

图2为现有的高效信道探测仪时钟同步的示意图；

图3为本发明实施例提供的时钟同步装置的组成示意图；

图4为本发明实施例提供的放大器的组成示意图；

图5为本发明实施例提供的当GPS接收模块只支持有源天线时的时钟同步装置的组成示意图；

图6为本发明实施例提供的当多个设备支持GPS信号时的时钟同步装置的组成示意图；

图7为本发明实施例提供的时钟同步方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。

图3为本发明实施例提供的时钟同步装置的组成示意图，如图3所示，其主要包括：隔直器31、放大器32、GPS接收模块33、本地时钟参考模块34、分频模块35、时差测量模块36、数据处理模块37和模数转换模块38，其中：

隔直器31：用于接收来自全球定位***（GPS，Global Positioning System）无源天线的GPS信号，将GPS信号输出到放大器32，同时，当接收到放大器32反馈的电流时，隔断该电流。

当本实施例应用于高铁信道测量时，信道测量仪位于高铁列车的车顶，由于车顶天线为短路天线，因此需要隔直器31来隔断放大器32反馈的电流。

放大器32：接收隔直器31输出的GPS信号，对该GPS信号进行放大，将放大的GPS信号输出到GPS接收模块33。

其中，放大器32的放大倍数可根据经验确定。放大器32可采用一级放大器，也可采用如图4所示的二级放大器，其中，放大器A、B的放大倍数，以及衰减器的衰减因子都可由经验确定，衰减器的作用是为了防止放大器B的输入信号饱和。

GPS接收模块33：用于接收放大器32输出的GPS信号，经过处理后得到标准的GPS秒脉冲信号，将GPS秒脉冲信号输出到时差测量模块36。

GPS接收模块33采用现有技术即可实现，其中的“处理”包括去抖、去噪等。

本地时钟参考模块34：用于产生本地时钟参考信号，将本地时钟参考信号输出到分频模块35；接收模数转换模块38发来的模拟电压，根据该模拟电压对本地时钟参考信号进行修正。

分频模块35：将本地时钟参考模块34输出的本地时钟参考信号分频为本地时钟秒脉冲信号，将本地时钟秒脉冲信号输出到时差测量模块36。

时差测量模块36：测量本地时钟参考模块34输出的本地时钟秒脉冲信号与GPS接收模块33输出的GPS秒脉冲信号之间的时差，将该时差发送给数据处理模块37。

这里，可以采用直接计数法测量本地时钟参考模块34输出的本地时钟秒脉冲信号与GPS接收模块33输出的GPS秒脉冲信号之间的时差。

数据处理模块37：接收时差测量模块36发来的时差，根据频率和周期互为倒数的关系，得到本地时钟秒脉冲信号相对于GPS秒脉冲信号的频率偏差，将频率偏差发送给模数转换模块38。

模数转换模块38：接收数据处理模块37发来的频率偏差，将频率偏差转换为模拟电压后发送给本地时钟参考模块34的电压控制端。

在实际应用中，可在数据处理模块37与模数转换模块38之间增加一个平滑模块，该平滑模块用于接收数据处理模块37输出的本地时钟秒脉冲信号相对于GPS秒脉冲信号的频率偏差，通过卡尔曼滤波等方法对该频率偏差进行平滑处理，以消除GPS秒脉冲信号随机抖动的影响，将平滑处理后的频率偏差发送给模数转换模块38。

在实际应用中，存在一种异常情况：GPS信号丢失，针对该情况，给出如下解决方案：

时差测量模块36进一步用于，当在预设等待时长内未接收到GPS接收模块33输出的GPS秒脉冲信号时，确定GPS信号丢失，则向数据处理模块37发送GPS信号丢失指示；

数据处理模块37进一步用于，当接收到时差测量模块36发来的GPS信号丢失指示时，由驯服状态转为保持状态，在保持状态期间，每隔预设时间间隔向模数转换模块38输出一次最近得到的频率偏差。

数据处理模块37的初始状态可设为驯服状态，当由驯服状态转为保持状态后，若此后接收到时差测量模块36发来的时差，则重新切换回驯服状态。

图3所示实施例设定GPS接收模块33支持无源天线。在实际应用中存在GPS接收模块33只支持有源天线的情形，图5给出了当GPS接收模块只支持有源天线时的时钟同步装置的组成示意图，如图5所示，该装置与图3所示装置的区别只在于：在GPS接收模块33的输入端口处增加一下拉电阻，以避免GPS接收模块33认为短路或者开路。其中，下拉电阻的值等于GPS接收模块33正常工作时的馈电电压除以馈电电流。

在实际应用中，可能存在多个设备都要使用GPS信号的情况，例如：在进行高铁信道测量时在列车上除了信道测量仪外，还需要其他辅助设备一起来完成信道测量过程，例如：轨迹记录仪等，这些辅助设备也需要GPS信号的支持，这些设备通常都采用GPS有源天线。图6给出了当多个设备支持GPS信号时的时钟同步装置的组成示意图，如图6所示，该装置与图3所示装置的区别在于：将放大器32输出的GPS信号通过GPS无源天线发送出去，需要使用GPS信号的设备通过自身的GPS有源天线接收到该GPS信号。

采用这种方式时，虽然GPS信号在传输时存在空间损耗的影响，但是由于GPS有源天线本身具有放大器，因此可以补偿一部分空间损耗。

另外，为了改善GPS信号的接收效果，GPS无源天线可以采用定向天线对准接收设备。

当本发明应用于高铁列车的信道测量场景时，信道测量仪的一端位于列车上，列车的车顶天线为GPS无源天线，此时，信道测量仪所使用的时钟可采用图3或4或5所示装置进行时钟同步；而位于另一端的信道测量仪在地面上，此时使用的天线是GPS有源天线，该信道测量仪的时钟采用的时钟同步装置可只包括：图3所示装置中的GPS接收模块33、本地时钟参考模块34、分频模块35、时差测量模块36、数据处理模块37和模数转换模块38，其中，GPS接收模块33直接通过GPS有源天线接收GPS信号。

可见，GPS卫星信号同时向信道测量仪收发端授时，两者均同步于GPS时钟，无需再进行直连本地同步，可以实现高效测量；GPS卫星信号对本地时钟参考模块的驯服保证了收发端频率一致性，因此经过信道参数提取后，获得的信道时变特征仅包含多普勒频差，提高了时钟同步的精度。

图7为本发明实施例提供的时钟同步方法流程图，如图7所示，其具体步骤如下：

步骤701：接收来自GPS无源天线的GPS信号，对该GPS信号进行放大，根据放大后的GPS信号得到标准的GPS秒脉冲信号；同时，将本地时钟参考信号分频为本地时钟秒脉冲信号。

对GPS信号进行放大可以为：进行一级放大，或进行二级放大。

当有多个设备需要使用GPS信号时，可以将放大的GPS信号通过GPS天线发送出去，该GPS信号通过需要使用GPS信号的各设备的GPS天线到达对应设备。其中，GPS天线可采用定向天线，以改善GPS信号的接收效果。

步骤702：测量本地时钟秒脉冲信号与GPS秒脉冲信号之间的时差，根据该时差得到本地时钟秒脉冲信号相对于GPS秒脉冲信号的频率偏差。

步骤703：将该频率偏差转换为模拟电压，根据该模拟电压对本地时钟参考信号进行修正。

在将频率偏差转换为模拟电压之前，可以采用卡尔曼滤波等方法对该频率偏差进行平滑处理。

当GPS信号丢失时，可以根据最近得到的模拟电压对本地时钟参考信号进行修正。

本发明提供的时钟同步方案，不仅适用于高铁列车，也适用于其它采用无源天线且需要进行时钟同步的场景。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (13)

1.一种时钟同步装置，其特征在于，该装置包括：

隔直器：接收来自全球定位***GPS无源天线的GPS信号，将GPS信号输出到放大器，同时，当接收到放大器反馈的电流时，隔断该电流；

放大器：对来自隔直器的GPS信号进行放大后输出到GPS接收模块；

GPS接收模块：根据放大器输出的GPS信号得到标准的GPS秒脉冲信号，将GPS秒脉冲信号输出到时差测量模块；

本地时钟参考模块：产生本地时钟参考信号，将本地时钟参考信号输出到分频模块；根据模数转换模块发来的模拟电压，修正本地时钟参考信号；

分频模块：将本地时钟参考模块输出的本地时钟参考信号分频为秒脉冲信号，将该秒脉冲信号输出到时差测量模块；

时差测量模块：测量本地时钟参考模块输出的秒脉冲信号与GPS接收模块输出的GPS秒脉冲信号之间的时差，将该时差发送给数据处理模块；

数据处理模块：根据时差测量模块发来的时差，得到本地时钟秒脉冲信号相对于GPS秒脉冲信号的频率偏差，将频率偏差发送给模数转换模块；

模数转换模块：将数据处理模块发来的频率偏差转换为模拟电压，将该模拟电压发送给本地时钟参考模块。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，当所述GPS接收模块只支持有源天线时，在GPS接收模块的输入端增加一下拉电阻，电阻值等于GPS接收模块正常工作时的馈电电压除以馈电电流。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述放大器为一级放大器或二级放大器。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括：平滑模块，用于接收数据处理模块输出的本地时钟秒脉冲信号相对于GPS秒脉冲信号的频率偏差，对该频率偏差进行平滑处理，将平滑处理后的频率偏差发送给模数转换模块。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述时差测量模块进一步用于，当在预设等待时长内未接收到GPS接收模块输出的GPS秒脉冲信号时，确定GPS信号丢失，则向数据处理模块发送GPS信号丢失指示；

数据处理模块进一步用于，当接收到时差测量模块发来的GPS信号丢失指示时，由驯服状态转为保持状态，在保持状态期间，每隔预设时间间隔向模数转换模块输出一次最近得到的频率偏差。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述放大器进一步用于，将放大的GPS信号通过天线发送出去，该GPS信号到达需要使用GPS信号的多个GPS接收模块。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述放大器发送GPS信号所使用的GPS天线为定向天线。

8.一种时钟同步方法，其特征在于，该方法包括：

接收来自GPS无源天线的GPS信号，对该GPS信号进行放大，根据放大后的GPS信号得到标准的GPS秒脉冲信号；

将本地时钟参考信号分频为本地时钟秒脉冲信号；

测量所述本地时钟秒脉冲信号与所述GPS秒脉冲信号之间的时差，根据该时差得到本地时钟秒脉冲信号相对于GPS秒脉冲信号的频率偏差，将该频率偏差转换为模拟电压，根据该模拟电压对本地时钟参考信号进行修正。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述对该GPS信号进行放大为：

对该GPS信号进行一级放大或二级放大。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据该时差得到本地时钟秒脉冲信号相对于GPS秒脉冲信号的频率偏差之后、将该频率偏差转换为模拟电压之前进一步包括：

对该频率偏差进行平滑处理。

11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：当GPS信号丢失时，根据最近得到的模拟电压对本地时钟参考信号进行修正。

12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述对该GPS信号进行放大之后进一步包括：将放大的GPS信号通过GPS天线发送出去，该GPS信号通过GPS天线到达需要使用GPS信号的设备。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，当将放大的GPS信号通过GPS天线发送出去时，所述GPS天线为定向天线。

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