CN104584436A - 用于产生***时钟的***及温度梯度检测*** - Google Patents
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Abstract
用于产生***时钟信号的***包括：本机振荡器，其经配置以产生第一时钟信号；温度检测器，其经配置以检测在包含所述本机振荡器的区域中的高于临界值的温度变化；获取模块，其经配置以获取第二时钟信号；时钟发生器，其经配置以在所述温度检测器未检测到高于所述临界值的温度变化时以正常模式使用所述第一时钟信号以第一方式产生所述***时钟信号，且在所述温度检测器已检测到高于所述临界值的温度变化时以反向留用模式使用所述第二时钟信号以不同于所述第一方式的第二方式产生所述***时钟信号。
Description
技术领域
本发明的实施例涉及用于产生***时钟的***及方法的领域。本发明的另外实施例涉及温度梯度检测***及方法的领域。
背景技术
时序依赖性***或网络(例如，电信网络)中的时间同步或时钟分配通常受限于非常严格的频率稳定性规范(例如，如ITU-T推荐标准G.803、G.812、G.813、G.823、G824、G.8262及/或许多其它推荐标准中规定)。(电信)网络中的节点通常从外部的全网络参考接收时序信息。此可为具有非常稳定的频率的专用时钟信号，或其可为从传入数据通信链路提取的数据时钟。将此时钟信息与来自本机参考振荡器的输出时钟信号进行比较以确定此本机参考振荡器的误差偏移。由经确定的误差偏移校正的本机参考时钟信号接着用于产生经发射通信链路要求的所要频率，且在外部参考时钟信号失效的时段期间维持***时钟信号(留用)。此机制暗示：即使在存在外部参考时钟信号的情况中，***时钟的频率稳定性也与其本机振荡器的频率稳定性紧密相关。然而，通常使用的本机振荡器的输出频率通常对温度变动敏感，温度变动对所要的稳定性构成威胁。虽然存在在不同程度上对温度变动不敏感的振荡器(例如，铷钟或原子钟)，但这些时钟通常过于昂贵及/或过大以致无法用于(例如)通信网络的节点中。
发明内容
本发明的实施例的目标是提供一种用于产生比在现有技术***中更稳定的***时钟且可应对温度变动的***。
根据本发明的实施例，所述***包括：本机振荡器；获取模块；温度检测器；及时钟发生器。所述本机振荡器经配置以产生第一时钟信号。所述获取模块经配置以获取第二时钟信号。所述温度检测器经配置以检测在包含本机振荡器的区域中的高于临界值的温度变化。所述时钟发生器经配置以在温度检测器未检测到高于临界值的温度变化时以正常模式使用第一时钟信号以第一方式产生***时钟信号，且在温度检测器已检测到高于临界值的温度变化时以反向留用模式使用第二时钟信号以不同于第一方式的第二方式产生***时钟信号。
所述获取模块可为经配置以从在***处接收的至少一个外部信号提取第二时钟信号的提取器，但也可为(例如)用于从所述***附近的区域接收第二时钟信号的模块，所述区域不受温度变化的影响。
通过使用此类实施例，在存在过于急剧的温度变化的情况下，可避免***时钟信号的所得准确度相对于由选定外部参考时钟定义的标称频率的准确度偏离超过所允许的公差，使得***可符合所要求的规范且特定来说符合(例如)与涉及计时或将无线通信回程传输到核心网络上的应用的ITU-T推荐标准相关的规范。
本发明的实施例是基于领悟到存在以下两个待解决的问题：在***的时序相关部分中对温度梯度的及时检测；以及对无法在***的时序相关部分中补偿的此类温度梯度作出适当反应。
本机振荡器可为恒温控制晶体振荡器(OCXO)、温度补偿晶体振荡器(TCXO)或任何其它合适振荡器。作为本机参考振荡器，取决于***的所要稳定性，恒温控制振荡器或温度晶体振荡器具有增强的热惯性。如果环境温度变化的速率较低(例如，低于每分钟1℃)，那么这些OCXO及TCXO提供较宽温度范围上的准确且稳定的频率输出。然而，在一些故障条件中(例如，风扇故障或更换风扇托盘的情形中)或在外部单元中，可出现比每分钟1℃急剧得多的温度梯度。含有电信设备的机柜的门敞开的情形可为较高温度梯度的另一源。在本发明的实施例中，当检测到急剧的温度梯度时，通过切换到反向留用模式来避免这种梯度带来的问题。
根据优选实施例，本机振荡器经配置以产生具有第一频率的第一时钟信号，所述第一时钟信号具有第一温度依赖性，且温度检测器包括另一本机振荡器，所述另一本机振荡器适于产生具有第二频率的另一时钟信号，所述另一时钟信号具有显著高于第一温度依赖性的第二温度依赖性。温度检测器可接着进一步包括比较器，所述比较器用于比较第一时钟信号与另一时钟信号以检测高于临界值的温度变化。所述比较器优选为相位比较器。所述另一本机振荡器可为与所述本机振荡器相比具有较低热惯性的振荡器，例如，廉价晶体振荡器。
根据优选实施例，时钟发生器经配置以使用第一时钟信号作为主时钟信号且使用第三时钟信号来确定待应用到所述主时钟信号以产生***时钟信号的误差偏移值来以第一方式产生***时钟信号。第三时钟信号可与第二时钟信号相同，且通常是通过提供经配置以从在***处接收的至少一个外部信号提取第三时钟信号的提取器来获得。所述时钟发生器接着优选经配置以在从正常模式切换到反向留用模式时存储误差偏移值，且在从反向留用模式切换回到正常模式时使用此存储的误差偏移值来产生***时钟信号。
根据本发明的实施例，对高温度梯度(其可通过上文描述的方式或通过用于检测温度变化的另一方式来检测，且其在任一情形中影响本机振荡器的短期准确度)的防护是为了暂时使用直接从最佳外部参考提取的第二时钟信号而非如上文论述由误差偏移值校正的第一时钟信号。此种在短时段内不使用本机振荡器而是将外部参考中的一者直接用于产生***时钟的条件对应于反向留用模式。
时钟发生器可包括数字PLL来使用中间时钟信号作为主时钟信号且使用第二或第三时钟信号来确定待应用到主时钟信号以产生***时钟信号的误差偏移值来产生***时钟信号，其中取决于时钟发生器以正常模式操作还是以反向留用模式操作，以第一模式或第二模式产生中间时钟信号。在图3中揭示此实施例的实例。
时钟发生器可包括与多路复用器串联的PLL，多路复用器与PLL耦合在提取器的输出与数字PLL的主时钟输入之间。多路复用器优选具有耦合到本机振荡器的第一输入及耦合到PLL的输出的第二输入，且经配置以在正常模式中选择第一输入且在反向留用模式中选择第二输入。PLL优选具备具有反馈分频器的反馈环路，所述反馈环路适于在正常模式中具有取决于第一时钟信号与PLL的输出之间的相位差的分频器值，所述反馈环路进一步适于在从正常模式切换到反向留用模式时维持所述分频器值恒定。
根据替代实施例，时钟发生器包括：数字PLL，以使用第一时钟信号作为主时钟信号且使用第二时钟信号来确定待应用到所述主时钟信号以产生以第一方式产生的***时钟信号的误差偏移值来以第一方式产生***时钟信号；以及切换模块，以在以第一及第二方式产生的***时钟信号之间切换。在图2中说明此实施例的实例。所述切换模块可为包括PLL的无冲击切换模块。
所述***可包括内部时钟同步子***，其不断监测其外部参考以确定每一参考的质量及有效性，以找到并选择最佳者。这可尤其基于监测外部参考的频率稳定性。
根据本发明的另一方面，提供一种用于检测包括第一振荡器的环境中的温度变化的***。所述***包括：第一振荡器，其经配置以产生具有第一频率的第一时钟信号，所述第一频率依据温度而变化；及第二振荡器，其适于产生具有第二频率的第二时钟信号，所述第二频率与第一频率相比更快地随温度变化。此外，所述***包括比较器，所述比较器用于比较所述第一时钟信号与所述第二时钟信号以检测温度变化。所述第一振荡器可(例如)为恒温控制晶体振荡器或温度补偿晶体振荡器。所述比较器优选为相位比较器。第二振荡器可为与第一振荡器相比具有较低热惯性的振荡器，且可(例如)为不具有任何温度补偿的廉价晶体振荡器。
根据本发明的实施例，除形成内部时序子***的核心且可受到外部参考时钟信号校正的更稳健、对温度更不敏感的常规第一振荡器之外还使用非常廉价、完全不受温度补偿的第二振荡器检测突然的急剧温度梯度。TCXO(温度补偿晶体振荡器)或OCXO(恒温控制晶体振荡器)通常用作具有低温度敏感性的第一振荡器。在常规第一振荡器将对温度变化做出反应之前，此额外廉价第二振荡器将非常迅速地对温度变化做出反应。比较两个振荡器的输出信号将允许在此类温度变化开始影响常规第一振荡器之前检测及用信号发送此类温度变化。
附图说明
附图用于说明本发明的***及方法的当前优选非限制性示范性实施例。当结合附图阅读时将从以下详细描述更明白本发明的特征及目标的以上及其它优点且将更好地理解本发明，其中：
图1示意性地说明本发明的***的第一实施例；
图2为本发明的***的第二实施例的示意图；以及
图3为本发明的***的第三实施例的示意图。
具体实施方式
图1说明根据本发明的用于产生***时钟信号的***100的实施例。***100包括经配置以产生第一时钟信号111的本机振荡器110。所述本机振荡器为(例如)恒温控制晶体振荡器或温度补偿晶体振荡器。此外，所述***包括获取模块120，获取模块120经配置以获取第二时钟信号121。还提供提取器180以从在***100处接收的至少一个外部信号122提取第三时钟信号181。注意，第二时钟信号可与第三时钟信号相同，在此情形中，获取模块120及提取器180为相同的模块，也参看下文论述的图2及3的示范性实施例。所述提取器可经配置以从若干外部信号122提取包含在外部信号中的时钟信号的质量。通过使用此质量，所述提取器可提取最佳外部信号且决定使用此最佳外部信号的时钟信号作为第三时钟信号181。
此外，***100包括温度检测器，所述温度检测器经配置以检测在包含本机振荡器110的区域中的高于临界值的温度变化。当未检测到任何显著温度变化时，所述***以正常模式操作，且在检测到显著温度变动之后，所述***切换到反向留用模式。检测器130可进一步适于决定在***可切换回到正常操作模式之前，在***需要处于稳定状态的一最小时段(即，在所述时段中，不会检测到任何进一步显著温度变动)中保持在反向留用模式中。温度检测器130向时钟发生器140提供检测信号以指示是否已检测到高于临界值的温度变化，即，是否从正常模式改变到反向留用模式。
向时钟发生器140提供来自本机振荡器110的第一时钟信号111及来自提取器120的第二时钟信号121。通过使用此第一及第二时钟信号，时钟发生器140产生***时钟信号141。时钟发生器140适于在未检测到高于临界值的任何温度变化时以第一方式产生***时钟信号141，且在检测到高于临界值的温度变化时以第二方式产生***时钟信号141。根据第一方式，第一时钟信号111用于产生***时钟141，其中第二时钟信号121可用于校正第一时钟信号111。根据第二方式，第二时钟信号121用于产生***时钟信号141。
图2说明本发明的***200的更详细的第二实施例。***200包括：本机振荡器210(例如，以10MHz运行)；提取器220，其用于从外部信号提取第二时钟信号；温度检测器230；及时钟发生器240，其用于产生***时钟。第二时钟信号可(例如)以100MHz运行，而***时钟信号可以200MHz运行。
温度检测器230包括另一本机振荡器231，另一本机振荡器231与本机振荡器210相比具有低热惯性。将本机振荡器210的输出及另一本机振荡器231的输出馈送到相位比较器232中。将本机振荡器210及另一振荡器231放置在相同的热环境250中。当此本机环境250中的温度改变时，因为另一振荡器231的较低热惯性，与本机振荡器210相比，由另一振荡器231产生的信号的频率将更快地变化。相位比较器231依据时间评估来自本机振荡器210的信号与来自另一振荡器231的信号之间的相位差。当相位差的依据时间的斜率改变时，这指示热环境250中的温度变化。如图2中说明，根据相位比较器231的输出，窗口比较器233可确定热环境250中的温度变化是否高于临界值。将此结果传送到时钟发生器240。本机振荡器210可在某种程度上受到保护以防温度变化影响，而另一振荡器230可为不受温度变化防护的标准廉价晶体振荡器。使用相位比较器232不断监测频率差，且当此频率差突然变化时，此为存在温度梯度的指示。突然的频率变化的量为温度梯度的度量且允许评价第一时钟信号的频率是否将受温度变化影响。所属领域的技术人员将理解，可使用任何其它合适振荡器来代替使用晶体振荡器。
时钟发生器240包括任选处理块244，处理块244经配置以使第二时钟信号221的频率乘以或除以预定因子及/或清除第二时钟信号221中的抖动。在具有100MHz的第二时钟信号221及200MHz的***时钟241的实例中，将使用乘数“2”。此外，时钟发生器240包括数字PLL 242，PLL 242使用第一时钟信号211作为主时钟信号或基本时钟。使此主时钟信号乘以校正因子，所述校正因子是使用从一或多个外部参考导出的第二时钟信号221确定的。将数字PLL 242的输出馈送到执行无冲击切换的无冲击切换块242中。无冲击切换块243使用温度检测器230的输出来确定如何设置多路复用器245。当未检测到任何临界温度变化时，DPLL 242的输出由多路复用器245传递到PLL 246，且***时钟将等于DPLL 242的输出。当检测到临界温度变化时，所述多路复用器切换，且允许处理快244的输出被馈送到PLL 246中。PLL 246将确保当多路复用器245的切换发生时，通过调整相位而顺利地发生从DPLL 242的输出信号到处理块244的输出的转变且反之亦然。无冲击切换块242可进一步具备用于执行多路复用器245的手动切换的按钮。以那种方式，当预期临界温度变化时，(例如)因为对机柜的维护操作，可决定使用来自外部参考的第二时钟信号221而非来自本机振荡器210的第一时钟信号211。
图3说明本发明的***300的第三实施例。***300包括：本机振荡器310、提取器320、温度检测器330、及时钟发生器340。温度检测器330与上文参考图2描述的温度检测器230相同，且因此已省略温度检测器330的详细描述。如在图2的实施例中，温度检测器330包括：振荡器331，其与本机振荡器310相比具有低热惯性；相位比较器332；及窗口比较器333。
时钟发生器340包括多路复用器345，当温度检测器330未检测到临界温度变化时，多路复用器345将允许本机振荡器310的第一时钟信号311作为主时钟信号371传到数字PLL 342的输入。时钟发生器340进一步包括处理块344，处理块344适于确保从一或多个外部参考信号322导出的第二时钟信号321与第一时钟信号311同相。此外，处理块344可适于使第二时钟信号321乘以或除以合适因子。将此经处理第二时钟信号馈送到多路复用器345中，且当检测到的温度变化高于临界值时，多路复用器345将选择此经处理第二时钟信号。并且，当检测到临界变化时，处理块344的反馈环路的设置将被冻结(进一步参见)，使得第一时钟信号不再影响经处理的第二时钟信号。以那种方式，取决于是否已检测到临界温度变化，被馈送到DPLL 342中的主时钟信号将为第一时钟信号311或经处理第二时钟信号321'。当温度已再次变得稳定，多路复用器将切换回到第一时钟信号。为确保顺利的往回转变，可引入延迟(参见块369)，使得当在第一时钟信号311与经处理第二时钟信号321'之间不存在相位差时进行此切换，相位比较器368将检测相位差。DPLL 342使用校正因子校正主时钟信号371(其取决于是否已检测到临界温度变化而可为第一时钟信号311或经处理第二时钟信号321')，所述校正因子是使用从一或多个外部参考322导出的第二时钟信号321确定的。
处理块344包括：参考分频器361；相位比较器362；环路滤波器363，其具有高带宽；VCO 364；输出分频器365；及反馈分频器366。参考分频器361及输出分频器365通常配置在固定值。在正常操作中(即，当未检测到任何临界温度时)，使用相位比较器368及平均滤波器367以取决于第一时钟信号311与PLL 344的输出321'之间的相位差的值配置反馈分频器366。以那种方式，可使PLL的输出321'与第一时钟信号311同相。在检测到的温度梯度中，这将允许所谓的无冲击切换。此外，当检测到温度梯度时，冻结平均滤波器367的参数直到温度再次稳定为止。
在此第三实施例中，在DPLL 342的入口处，来自本机振荡器310的第一时钟信号311被以具有相同频率及相位，但通过具有高带宽的VCO 364从所选择的外部参考时钟直接导出的时钟321'替换。此VCO 364中的振荡器也将遭受使本机振荡器310无法作为本机参考的温度效应，但此对VCO输出的影响将凭借环路滤波器363的高带宽商品(bandwidth commodity)来抵消，这将使VCO准确地跟踪稳定的外部参考时钟321，而不论VCO 364的控制电压对频率特性有何种变化。此第三实施例可提供甚至更好的***时钟行为，这是因为***时钟在两种情形中均保持由DPLL 342产生，只不过将不同的输入基本时钟371用于每一情形而已。
技术人员将注意到，处理块344实际上为使用第二时钟信号321作为主时钟来产生经处理第二信号321'的DPLL，只要未检测到有害温度梯度，经处理第二信号321'便在频率及相位上与由本机振荡器310产生的第一时钟信号311相同。因此，处理块344可由具有类似功能性的任何其它已知DPLL替代。
在上文揭示的实施例中参考除法器或乘法器的情况下，所属领域的技术人员将理解，此除法器/乘法器可为使用“1”为除数/乘数的除法/乘法运算，且除法器可为乘法器且反之亦然。
如所属领域的技术人员将明白，上文论述的提取器及时钟发生器模块可使用硬件及/或软件组件来实施。
对所有所说明的实施例，通常假设：同时发生选定的外部参考时钟的不可接受的偏差及本机***温度的变化的概率非常低，且低于***的所要求可用性或正常运行时间(up-time)。在此条件下，所描述的实施例将防范两种类型的故障中的每一者，而现有技术实施例仅防范选定外部参考时钟的偏差，且始终需要稳定本机振荡器时钟。
含有常规温度传感器及开关的时序依赖性***与本发明的实施例相比具有以下缺点。此类传感器及开关旨在调节其冷却及用于保护(预防性断电)设备以防过热。这些传感器在检测迟早可损害此类***的内部时序逻辑的那种温度变动且因此防范此类变动方面的用途不大。本发明的优选实施例的温度梯度检测仅需要一个低成本晶体振荡器及非常小的额外硅面积来实施相位比较器及窗口比较器，且可在温度梯度影响本机振荡器之前报告所述温度梯度。
虽然上文已结合具体实施例陈述本发明的原理，但应理解，此描述是仅作为实例而进行且不作为由所附权利要求书确定的保护范围的限制。
Claims (15)
1.一种用于产生***时钟信号的***，其包括：
本机振荡器，其经配置以产生第一时钟信号；
温度检测器，其经配置以检测在包含所述本机振荡器的区域中的高于临界值的温度变化；
获取模块，其经配置以获取第二时钟信号；
时钟发生器，其经配置以按以下方式产生所述***时钟信号
当所述温度检测器未检测到高于所述临界值的温度变化时以正常模式使用所述第一时钟信号以第一方式，以及
当所述温度检测器已检测到高于所述临界值的温度变化时以反向留用模式使用所述第二时钟信号以不同于所述第一方式的第二方式。
2.根据权利要求1所述的***，其中所述获取模块经配置以从在所述***处接收的至少一个外部信号获取所述第二时钟信号，使得所述第二时钟信号不受温度变化影响。
3.根据权利要求1或2所述的***，其中所述本机振荡器为恒温控制晶体振荡器或温度补偿晶体振荡器。
4.根据前述权利要求中任一权利要求所述的***，其中所述本机振荡器经配置以产生具有第一温度依赖性的所述第一时钟信号，且所述温度检测器包括另一本机振荡器，所述另一本机振荡器适于产生具有显著高于所述第一温度依赖性的第二温度依赖性的另一时钟信号；且
其中所述温度检测器进一步包括比较器，所述比较器用于比较所述第一时钟信号与所述另一时钟信号以检测高于所述临界值的温度变化。
5.根据权利要求4所述的***，其中所述比较器为相位比较器。
6.根据前述权利要求中任一权利要求所述的***，其进一步包括：提取器，其经配置以从在所述***处接收的至少一个外部信号提取第三时钟信号；其中所述时钟发生器经配置以使用所述第一时钟信号作为主时钟信号且使用所述第三时钟信号来确定待应用到所述主时钟信号以产生所述***时钟信号的误差偏移值来以所述第一方式产生所述***时钟信号。
7.根据权利要求6所述的***，其中所述时钟发生器经配置以在从所述正常模式切换到所述反向留用模式时存储所述误差偏移值，且在从所述反向留用模式切换回到所述正常模式时使用此所存储的误差偏移值来产生所述***时钟信号。
8.根据权利要求6所述的***，其中所述时钟发生器包括数字PLL来使用中间时钟信号作为主时钟信号且使用所述第二或所述第三时钟信号以确定待应用到所述主时钟信号以产生所述***时钟信号的校正因子来产生所述***时钟信号，其中取决于所述时钟发生器以所述正常模式还是以所述反向留用模式操作而以所述第一方式或以所述第二方式产生所述中间时钟信号。
9.根据权利要求8所述的***，其中所述时钟发生器包括与多路复用器串联的PLL，所述多路复用器与所述PLL耦合在所述提取器的输出与所述数字PLL之间，所述多路复用器具有耦合到所述本机振荡器的第一输入及耦合到所述PLL的输出的第二输入，且经配置以在所述正常模式中选择所述第一输入，且在所述反向留用模式中选择所述第二输入；以及
反馈环路，其具有用于所述PLL的反馈分频器，所述反馈环路适于在所述正常模式中具有取决于所述第一时钟信号与所述PLL的所述输出之间的相位差的分频器值，所述反馈环路进一步适于在从所述正常模式切换到所述反向留用模式时维持所述分频器值恒定。
10.根据权利要求1到8中任一权利要求所述的***，其中所述时钟发生器包括：数字PLL，以使用所述第一时钟信号作为主时钟信号且使用所述第二时钟信号以确定待应用到所述主时钟信号来产生以所述第一方式产生的所述***时钟信号的校正因子来以所述第一方式产生所述***时钟信号；以及切换模块(242)，以在以所述第一及第二方式产生的所述***时钟信号之间切换。
11.根据权利要求10所述的***，其中所述切换模块为无冲击切换模块。
12.一种用于检测环境中的温度变化的***，其包括
第一振荡器，所述***包括所述第一振荡器，所述第一振荡器经配置以产生第一时钟信号，所述第一时钟信号具有依据所述温度而变化的第一频率，以及
第二振荡器，其适于产生具有第二频率的第二时钟信号，所述第二频率与所述第一频率相比更快地随温度变化；以及
比较器，其用于比较所述第一时钟信号与所述第二时钟信号以检测温度变化。
13.根据权利要求12所述的***，其中所述第一振荡器为恒温控制晶体振荡器或温度补偿晶体振荡器。
14.根据权利要求12或13所述的***，其中所述比较器为相位比较器。
15.根据权利要求14所述的***，其进一步包括窗口比较器，所述窗口比较器适于评估由所述相位比较器确定的相位差递增或递减的速率的变化。
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