CN101964688A - 一种数据时钟恢复的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数据时钟恢复的方法，包括：将客户层数据有效指示信号作为时隙缺口均匀化先入先出FIFO寄存器的写使能信号；并产生时隙缺口均匀化FIFO寄存器的读使能信号；按照写使能信号和读使能信号，对时隙缺口均匀化FIFO寄存器进行读写操作时，采样读、写指针的地址之差，根据该地址之差判断是否需要对读使能信号的缺口时隙进行调整，若需要，则对读使能信号的缺口时隙进行调整，使时隙缺口均匀化FIFO寄存器的读、写指针的地址之差的采样值在阈值范围之内；对读使能信号计数分频，生成参考时钟，将参考时钟恢复为客户层时钟信号。本发明能够克服了现有技术中存在的系统成本高、复杂程度大以及系统稳定差的缺陷。

Description

一种数据时钟恢复的方法及系统

技术领域

本发明涉及光传输技术领域，尤其涉及一种数据时钟恢复的方法及系统。

背景技术

在传输技术中，经常采用异步映射或异步复用的方法将低速率的客户层信号映射到高速率的服务层信号中。如，将PDH(准同步数字体系)信号映射进SDH(同步数字体系)信号，将低阶ODUk(光通道数据单元)信号复用进高阶ODUk；以及将ODUk信号映射进STM-N(同步数据模块)，将STM-N信号映射进入ODUk等。以ODU2映射到C4-68c为例：

C4-68c的结构为：9行×17680列。将ODU2数据按照ODU2的时钟写入FIFO存储器，在读出侧根据FIFO的指针和空满状态插入固定填充字节R、调整控制字节J和负调整机会字节S。当S字节为调整字节时为全“0”。

C4-68c被分为20个数据块，每块包含884个字节；每块再分为13个子块，每个子块包含68个字节，其中，净荷占用67个字节，R、J或S占用1个字节。经过映射后，字节调整情况可能为：一个字节的负调整或不调整。每个J字节的最后一个比特C是调整控制比特。当CCCCC＝11111表示S字节是调整字节；当CCCCC＝00000表示S字节是信息字节。

由此可知，异步映射或复用时客户层信号在服务层时钟内，缺口的时隙比例是不固定的，客户层到服务层，通过调整字节来实现信号速率的匹配。当需要从服务层信号中解映射或解复用出不带缺口时隙(或缺口时隙比例固定)的客户信号时，必须恢复出平滑无抖动的客户层时钟。

时钟恢复装置必须平滑两方面的时钟缺口：1、映射或复用结构中的固定比例缺口。2、由正、负调整字节引入的随机缺口。

现有技术中，存在两种可供选择的技术方案：

第一种方案为：采用外接数字信号处理器、数-模转换器以及压控振荡器(VCO)构成锁相环，其中，外接数字信号处理器的高速接口实时采样解映射或解复用芯片内的解映射FIFO的读、写指针差异，再通过数字滤波计算得到当前压控晶体振荡器的控制电压，最后控制数-模转换器输出模拟电压调整VCO输出频率。

这种方法使用片外数字处理器、模数转换器、VCO等，大大增加了系统的复杂性和成本。

第二种方案为：对客户信号在服务层时钟的缺口进行统计，并将统计结果对应的输出信号进行低通数字滤波处理，以所得到的结果为依据，将缺口均匀地插到服务层时钟信号中，输出给锁相环生成恢复的客户层时钟。

这种方法对服务层的时钟缺口进行统计及滤波，减少了所恢复的客户层时钟的抖动。但由于此方法缺少对解映射或解复用FIFO中数据的监控，当解映射或解复用FIFO发生正负数据积累时，无法对解映射或解复用FIFO进行补偿。这将会造成解映射或解复用FIFO溢出或读空的风险，从而影响系统的稳定性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种数据时钟恢复的方法及系统，能够在解映射或解复用过程中，以低成本、高稳定性并且相对简单地恢复出满足抖动指标的客户层信号时钟。

为解决上述技术问题，本发明的一种数据时钟恢复的方法，包括：将客户层数据有效指示信号作为时隙缺口均匀化先入先出FIFO寄存器的写使能信号；并产生时隙缺口均匀化FIFO寄存器的读使能信号；

按照写使能信号和读使能信号，对时隙缺口均匀化FIFO寄存器进行读写操作时，采样读、写指针的地址之差，根据该地址之差判断是否需要对读使能信号的缺口时隙进行调整，若需要，则对读使能信号的缺口时隙进行调整，使时隙缺口均匀化FIFO寄存器的读、写指针的地址之差的采样值在阈值范围之内；

对读使能信号计数分频，生成参考时钟，将参考时钟恢复为客户层时钟信号。

进一步地，在判断是否需要对读使能信号的缺口时隙进行调整后，对读使能信号计数分频前，还包括：

采样解映射或解复用FIFO寄存器的读、写指针的地址之差，判断数据量是否出现正或负累积，在数据量出现负累积时，从读使能信号中，去除时隙缺口；在数据量出现正累积时，在读使能信号中，插入时隙缺口。

进一步地，客户层数据有效指示信号为根据服务层时钟信号、服务层数据以及服务层数据有效指示信号所产生；

时隙缺口均匀化FIFO寄存器的读使能信号的产生过程为：根据标准的客户层信号速率，计算客户层信号在服务层时钟下的有效时隙比，产生时隙缺口均匀化FIFO寄存器的读使能信号。

进一步地，如果服务层为C4-68c，客户层为ODU2，根据该地址之差判断是否需要对读使能信号的缺口时隙进行调整时，若不需要，则由：

且

计算得到l值，其中，l为读使能信号在311.04兆时钟下的有效时隙比，则得到读使能信号。

进一步地，若需要进行调整，当数据量大于阈值时，则由：

且

计算得到l值，则得到读使能信号。

进一步地，当数据量小于阈值时，则由：

且

计算得到l值，则得到读使能信号。

进一步地，一种数据时钟恢复的系统，包括：FIFO写使能产生模块、时隙缺口均匀化FIFO、FIFO读使能产生模块、计数分频模块以及倍频锁存电路，其中：

FIFO写使能产生模块，用于产生客户层数据有效指示信号，将客户层数据有效指示信号作为时隙缺口均匀化FIFO寄存器的写使能信号；

FIFO读使能产生模块，用于产生时隙缺口均匀化FIFO寄存器的读使能信号，在按照写使能信号和读使能信号，对时隙缺口均匀化FIFO寄存器进行读写操作时，采样读、写指针的地址之差，根据该地址之差判断是否需要对读使能信号的缺口时隙进行调整，若需要，则对读使能信号的缺口时隙进行调整，使时隙缺口均匀化FIFO寄存器的读、写指针的地址之差的采样值在阈值范围之内；

计数分频模块，用于对读使能信号计数分频，生成参考时钟；

倍频锁相电路，用于将参考时钟恢复为客户层时钟信号。

进一步地，该系统还包括解映射或解复用FIFO监控模块，该解映射或解复用FIFO监控模块，用于采样解映射或解复用FIFO寄存器的读、写指针的地址之差，判断数据量是否出现正或负累积，在数据量出现负累积时，从读使能信号中，去除时隙缺口；在数据量出现正累积时，在读使能信号中，插入时隙缺口。

进一步地，FIFO写使能产生模块根据服务层时钟信号、服务层数据以及服务层数据有效指示信号产生客户层数据有效指示信号；

FIFO读使能产生模块根据标准的客户层信号速率，计算客户层信号在服务层时钟下的有效时隙比，产生时隙缺口均匀化FIFO寄存器的读使能信号。

进一步地，如果服务层为C4-68c，客户层为ODU2，FIFO读使能产生模块根据该地址之差判断是否需要对读使能信号的缺口时隙进行调整时，若不需要，则由：

且

计算得到l值，其中，l为读使能信号在311.04兆时钟下的有效时隙比，则得到读使能信号。

进一步地，若FIFO读使能产生模块判断需要进行调整，当数据量大于阈值时，则由：

且

计算得到l值，则得到读使能信号。

进一步地，当数据量小于阈值时，则由：

且

计算得到l值，则得到读使能信号。

综上所述，本发明通过时隙缺口均匀化处理，配合高性能的锁相电路，有效地滤除了解映射或解复用过程中产生的时钟抖动，能够恢复出高性能的客户层时钟信号，克服了现有技术中存在的系统成本高、复杂程度大以及系统稳定差的缺陷。

附图说明

图1为本发明数据时钟恢复的方法的流程图；

图2为本发明数据时钟恢复的系统的架构图；

图3为本发明实施例的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。

图1所示为本发明数据时钟恢复的方法，包括：

101：根据服务层时钟信号、服务层数据以及服务层数据有效指示信号按照相关解映射或解复用协议产生客户层数据有效指示信号，即时隙缺口均匀化FIFO的写使能信号；

请参考相关协议。

102：以服务层时钟为时隙缺口均匀化FIFO的时钟，按照写使能信号向时隙缺口均匀化FIFO中写入数据；

写入时隙缺口均匀化FIFO的数据量反映了客户层数据的流量。

103：根据标准的客户层信号速率，计算客户层信号在服务层时钟下的有效时隙比，产生时隙缺口均匀化FIFO的读使能信号，并采样时隙缺口均匀化FIFO的读写指针地址之差，判断是否需要对读使能信号的缺口时隙进行调整，若需要，则调整读使能信号缺口时隙，使时隙缺口均匀化FIFO寄存器的读、写指针的地址之差的采样值在阈值范围之内；

时隙缺口均匀化FIFO的读使能信号为读取FIFO的速率的控制信号。

采样FIFO的读写指针的地址之差，可以监控时隙缺口均匀化FIFO内的数据量，当数据量高于阈值时，对读使能信号减少缺口时隙；当数据量低于阈值时，对读使能信号增加缺口时隙。

阈值可根据软件仿真结果确定大概的取值，再根据实验进行调整。

104：采样解映射或解复用FIFO的读写指针的地址之差，在时隙缺口均匀化FIFO的读使能信号中插入或去除时隙缺口，产生恢复时钟有效信号；

解映射或解复用FIFO的读写指针的地址之差，反映了解映射或解复用FIFO中的数据量是否出现正或负累积，监控解映射或解复用FIFO，当数据量负累积时，在时隙缺口均匀化FIFO的读使能信号中，去除时隙缺口；数据量正累积时，在时隙缺口均匀化FIFO的读使能信号中，插入时隙缺口，产生恢复时钟有效信号。也可能不进行插入或去除时隙缺口的操作。

105：对恢复时钟有效信号计数分频，产生倍频锁相电路的参考时钟；

106：倍频锁相电路恢复出客户层时钟信号。

倍频锁相电路将参考时钟(分数)倍频到客户层时钟频率上，并进一步衰减参考时钟的抖动，提高客户层时钟的性能。

图2所示为本发明数据时钟恢复的系统，包括：FIFO写使能产生模块、时隙缺口均匀化FIFO、FIFO读使能产生模块、解映射或解复用FIFO监控模块、计数分频模块以及倍频锁存电路，其中：

FIFO写使能产生模块，用于根据服务层时钟信号、服务层数据以及服务层数据有效指示信号按照相关解映射或解复用协议产生客户层数据有效指示信号，即时隙缺口均匀化FIFO的写使能信号；以服务层时钟为时隙缺口均匀化FIFO的时钟，按照写使能信号向时隙缺口均匀化FIFO中写入数据。

FIFO读使能产生模块，用于根据标准的客户层信号速率，计算客户层信号在服务层时钟下的有效时隙比，产生时隙缺口均匀化FIFO的读使能信号，并采样时隙缺口均匀化FIFO的读写指针地址之差，判断是否需要对读使能信号的缺口时隙进行调整，若需要，则调整读使能信号缺口时隙，使数据量在阈值内。

解映射或解复用FIFO监控模块，用于采样解映射或解复用FIFO的读写指针的地址之差，判断数据量是否出现正或负累积，在数据量出现负累积时，从读使能信号中，去除时隙缺口；在数据量出现正累积时，在读使能信号中，插入时隙缺口。

计数分频模块，用于对恢复时钟有效信号进行计数分频，生成参考时钟，将参考时钟发送给倍频锁相模块；

倍频锁相模块，用于将参考时钟恢复为客户层时钟信号。

下面以将ODU2以客户信号的形式映射进C4-68c后，采用本发明的方法从C4-68c中恢复出ODU2时钟为例，进一步说明本发明。

本实施例中，C4-68c为40bit并行数据，时钟为311.04M，时隙缺口为49/270，表示在311.04M时钟信号下缺口时隙占总时隙的比例。ODU2为32bit并行数据，时钟恢复的处理过程包括：

301：FIFO写使能产生模块生成时隙缺口均匀化FIFO的写使能信号；

写使能产生模块通过C4-68c帧头及C4-68c数据有效指示信号(占空比为221/270的单比特信号)，依据映射协议解出ODU2的有效指示信号，将ODU2的有效指示信号作为写使能信号，假设采用8个解映射FIFO，每一个写使能信号对应一个解映射FIFO，则时隙缺口均匀化FIFO的写速率为ODU2的速率的1/8。

302：FIFO读使能产生模块计算服务层311.04M时钟速率与ODU2时钟速率的关系；

设写使能信号在311.04M时钟下的有效时隙比为：k，考虑ODU2为32bit并行数据则有

其中：8表示解映射FIFO的数量，8bit表示位宽，311.04×k×8bit表示时隙缺口均匀化FIFO的写速率，则8×311.04×k×8bit表示ODU2的速率。

表示ODU2时钟下ODU2的有效时隙的比例，f_OUT2为32bit并行的OTU2时钟，OTU2的数据帧结构为ODU2的数据帧结构与OTU2开销之和，OTU2与ODU2的时钟相同。由上述

可得：

$311.04\×k=\frac{239}{510}\×f_{\mathrm{OTU}2}---\left(1\right)$

303：FIFO读使能产生模块采样时隙缺口均匀化FIFO的读写指针的地址之差，根据地址之差调整读使能信号；

在每个C4-68c帧行头，采样时隙缺口均匀化FIFO的读、写地址之差，将采样结果与阈值进行比较，数据量大于阈值做正调整(快速读)，小于阈值则做负调整(慢速读)。

每个数据帧为9行，每一行有行头作为行起始标记。

对深度为512的时隙缺口均匀化FIFO，将正调整阈值设为256，将负调整阈值设为254。

FIFO读使能的时隙缺口调整机制：

(A)读使能产生模块在无缺口时隙调整时，以标准OTU2的时钟读取时隙缺口均匀化FIFO，具体如下：

由

又f_OPU1＝311.04/4，

(请参阅相关文献)；则有：

$f_{\mathrm{OTU}2}=311.04\×\frac{255}{237}---\left(2\right)$

设读使能信号在311.04M时钟下的有效时隙比为：l，若FIFO读写速率相等，则有：k＝l    (3)

将(2)和(3)式代入(1)式得： $311.04\×l=\frac{239}{510}\×311.04\×\frac{255}{237}\⇒$

$l=\frac{239}{510}\×\frac{255}{237}=\frac{239}{2\×237}=\frac{1}{2}+\frac{1}{237}---\left(4\right)$

根据式(4)可得，此时FIFO读使能信号为311.04M时钟的二分频，加上在每237个311.04M时钟内减少一个缺口时隙。

在读使能产生模块做正负缺口时隙调整时，设客户信号OTU2的时钟频率正负偏差为±30ppm(大于标准规定的±20ppm频偏以保证足够的调整余量)。

(B)正调整：

$f_{\mathrm{OTU}2}=311.04\×\frac{255}{237}\×(1+0.00003)---\left(5\right)$

将(3)和(5)式代入(1)式中得到： $311.04\×l=\frac{239}{510}\×311.04\×\frac{255}{237}$ $(1+0.00003)\⇒$

$l=\frac{239}{2\×237}(1+0.00003)---\left(6\right)$

即：

考虑电路实现取：

此时FIFO读使能信号为311.04M时钟的二分频，并且在每236个311.04M时钟内减少一个缺口时隙。

(C)负调整：

$f_{\mathrm{OTU}2}=311.04\×\frac{255}{237}\×(1-0.00003)---\left(7\right)$

与正调整同样的处理方法：

考虑电路实现取：

此时FIFO读使能信号为311.04M时钟的二分频，并且在每238个311.04M时钟内减少一个缺口时隙。

304：解映射或复用FIFO监控模块采样解映射FIFO的读写指针的地址之差，在时隙缺口均匀化FIFO的读使能信号中插入或去除时隙缺口，产生恢复时钟有效信号；

在每个C4-68c帧行头，采样解映射FIFO的读写指针地址之差，经低通滤波器滤波，通过比较器与阈值(正调整阈值设为解映射FIFO深度一半，负调整阈值设为正调整阈值减2)比较，判断解映射FIFO内数据是否存在累积，并在FIFO读使能信号中每10000个时钟内插入(负调整)或减去(正调整)一个时隙，产生恢复时钟有效信号。也可能不插入不减去时隙缺口。

305：计数分频模块以将恢复时钟有效信号计数分频，产生倍频锁相电路的参考时钟；

利用311.04M时钟采样恢复时钟有效信号，当采样信号为高电平时模2计数器加1。计数器计满清零并产生脉宽为1/311.04M的脉冲序列，即参考时钟信号。

306：倍频锁相电路恢复出客户层时钟信号。

倍频锁相电路为通用模块这里就不再赘述。电路通过倍频补偿输入参考时钟与OTU2的时钟频率相比的系数。N1，N2，N3的系数可灵活选取，满足：

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种数据时钟恢复的方法，包括：

将客户层数据有效指示信号作为时隙缺口均匀化先入先出FIFO寄存器的写使能信号；并产生时隙缺口均匀化FIFO寄存器的读使能信号；

按照所述写使能信号和读使能信号，对时隙缺口均匀化FIFO寄存器进行读写操作时，采样读、写指针的地址之差，根据该地址之差判断是否需要对读使能信号的缺口时隙进行调整，若需要，则对读使能信号的缺口时隙进行调整，使时隙缺口均匀化FIFO寄存器的读、写指针的地址之差的采样值在阈值范围之内；

对读使能信号计数分频，生成参考时钟，将所述参考时钟恢复为客户层时钟信号。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在判断是否需要对读使能信号的缺口时隙进行调整后，对读使能信号计数分频前，还包括：

采样解映射或解复用FIFO寄存器的读、写指针的地址之差，判断数据量是否出现正或负累积，在数据量出现负累积时，从读使能信号中，去除时隙缺口；在数据量出现正累积时，在读使能信号中，插入时隙缺口。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述客户层数据有效指示信号为根据服务层时钟信号、服务层数据以及服务层数据有效指示信号所产生；

所述时隙缺口均匀化FIFO寄存器的读使能信号的产生过程为：根据标准的客户层信号速率，计算客户层信号在服务层时钟下的有效时隙比，产生时隙缺口均匀化FIFO寄存器的读使能信号。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

如果服务层为C4-68c，客户层为ODU2，所述根据该地址之差判断是否需要对读使能信号的缺口时隙进行调整时，若不需要，则由：

且

计算得到l值，其中，l为读使能信号在311.04兆时钟下的有效时隙比，则得到读使能信号。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，

若需要进行调整，当数据量大于阈值时，则由：

且

计算得到l值，则得到读使能信号。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，

当数据量小于阈值时，则由：

且

计算得到l值，则得到读使能信号。

7.一种数据时钟恢复的系统，包括：FIFO写使能产生模块、时隙缺口均匀化FIFO、FIFO读使能产生模块、计数分频模块以及倍频锁存电路，其中：

所述FIFO写使能产生模块，用于产生客户层数据有效指示信号，将所述客户层数据有效指示信号作为时隙缺口均匀化FIFO寄存器的写使能信号；

所述FIFO读使能产生模块，用于产生时隙缺口均匀化FIFO寄存器的读使能信号，在按照所述写使能信号和读使能信号，对时隙缺口均匀化FIFO寄存器进行读写操作时，采样读、写指针的地址之差，根据该地址之差判断是否需要对读使能信号的缺口时隙进行调整，若需要，则对读使能信号的缺口时隙进行调整，使时隙缺口均匀化FIFO寄存器的读、写指针的地址之差的采样值在阈值范围之内；

所述计数分频模块，用于对读使能信号计数分频，生成参考时钟；

所述倍频锁相电路，用于将所述参考时钟恢复为客户层时钟信号。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，该系统还包括解映射或解复用FIFO监控模块，该解映射或解复用FIFO监控模块，用于采样解映射或解复用FIFO寄存器的读、写指针的地址之差，判断数据量是否出现正或负累积，在数据量出现负累积时，从读使能信号中，去除时隙缺口；在数据量出现正累积时，在读使能信号中，插入时隙缺口。

9.如权利要求7所述的系统，其特征在于，

所述FIFO写使能产生模块根据服务层时钟信号、服务层数据以及服务层数据有效指示信号产生客户层数据有效指示信号；

所述FIFO读使能产生模块根据标准的客户层信号速率，计算客户层信号在服务层时钟下的有效时隙比，产生所述时隙缺口均匀化FIFO寄存器的读使能信号。

10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，

如果服务层为C4-68c，客户层为ODU2，所述FIFO读使能产生模块根据该地址之差判断是否需要对读使能信号的缺口时隙进行调整时，若不需要，则由：

且

计算得到l值，其中，l为读使能信号在311.04兆时钟下的有效时隙比，则得到读使能信号。

11.如权利要求9所述的系统，其特征在于，

若FIFO读使能产生模块判断需要进行调整，当数据量大于阈值时，则由：

且

计算得到l值，则得到读使能信号。

12.如权利要求10所述的系统，其特征在于，

当数据量小于阈值时，则由：

且

计算得到l值，则得到读使能信号。

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