CN102405614B - 时钟恢复设备 - Google Patents

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Abstract

本发明与配置为从输入信号恢复时钟信息的时钟恢复设备相关。该时钟恢复设备包含：傅里叶变换单元(201)(配置为以傅里叶变换为基础，将输入信号转换为频域信号)、相关单元(215)(配置为相关所述频域信号，以获取与特定频率关联的相关值)，以及时钟恢复单元(217)(配为确定某个频率是否与时钟频率对应以恢复时钟信息)。

Description

时钟恢复设备
技术领域
本发明与通信系统中的时钟恢复相关。
背景技术
在现代通信系统中，接收器处的定时恢复是进行成功的通信的关键问题。通常，在发送器处，以时钟频率采样的数字值是通过光信号处理和发送至远程接收器(示例)。在传输过程中，光信号会受到偏振影响、色散、衰减、噪声和其他影响而削弱。在接收器处，形成时间基础的时钟频率需要恢复以捕捉已发送的样本，同时不会由于时钟频率不匹配而引起任何进一步的错误。时间恢复错误(特别是在光发送系统中)还可以进一步由诸如差分群时延(differential group delay，DGD)的偏振而引入，其可能会使定时恢复精确度受到负面影响。特别地，半波特DGD或成倍组合某些偏振状态(states of polarization，SOP)都是影响定时恢复的重要条件。还应该对所有光与电失真应用定时恢复。
为了恢复时间基础，可以在时域中执行平方定时恢复(STR)。特别地，STR方法应用非线性操作(例如，信号的平方)，以获取非线性混合产品(即：时钟单音(clock tone))。在STR之前，可以应用时域滤波器，它是一个FIR滤波器(FIR：Finite Impulse Response，有限脉冲响应)，以用于增强与时钟频率(即，时钟单音)有关的光谱组件。然后，已过滤的信号将经过过采样(oversampled)处理和平方处理以获取时钟单音(clock tone)。
发明内容
本发明的目标为更有效地从接收到的信号中恢复时间信息。
根据本发明的一个方面，提供了一个时钟恢复设备，配置为从输入信号(例如：从收到的信号)中恢复时钟信息。时钟恢复设备包含傅里叶变换单元(Fouriertransforming means)(配置为以傅里叶变换为基础，将输入信号转换为频域信号)、相关单元(correlating means)(配置为相关所述频域信号，以获取与特定频率关联的相关值)和时钟恢复单元(clock recovery means)(配置为确定某个频率是否与时钟频率对应以恢复时钟信息。为了执行傅里叶变换，傅里叶变换单元可以部署一个数字傅里叶变换器，例如，数字快速傅里叶变换器(FFT)。相关单元可以配置为根据任何数字相关处理方案相关所述频域信号，以获取相关值。例如，由多个相关值中的索引指示的相关值的位置可以指示频域中的上述特定频率。
根据一种实施形式，一个包含相关值的估计矢量可以通过以下方式定义：对沿x和y偏振的信号进行互相关和/或对频域中沿x和y偏振的各信号进行自相关。此外，互相关和自相关的组合还可以提供一个估计变量.形成相关值，用于提取定时相和/或定时频率信息。并且，偏振信号的组合(例如，x偏振和y偏振的组合)的相关，可以提供估计值，该评估值由所述相关值组成。
根据一种实施形式，相关单元配置为基于频域信号的相关性提供另一个相关值，另一个相关值与另一个特定频率关联，其中，时钟恢复单元配置为确定其他特定频率是否与时钟频率对应以恢复时钟信息。例如，时钟恢复单元可以将某个频率处的相关值与另外的特定频率处的另外的相关值进行比较，以便确定根据时钟频率，哪个相关值与频率关联。
根据一种实施形式，时钟恢复单元配置为当相关值大于另一个相关值时，可以决定与时钟频率对应的特定频率。为了进行决定，时钟恢复单元将比较其相关值或绝对值或者部分相关值(如果其同样复杂)。
根据一种实施形式，时钟恢复单元可配置为当相关值大于或等于某个阈值时，可以决定与时钟频率对应的特定频率。通过示例中的方式，时钟恢复单元可以将相关值的或绝对值的一部分进行比较，以制定决策。
根据一种实施形式，时钟恢复单元可以配置为当某个频率与时钟频率不对应时，输出表示采样频率或采样相位更改的控制信号。例如，控制信号可以控制模拟数字(analogue-to-digital)转换器采样频率或相位，以用于采样目的。通过示例中的方法，如果其值低于上述某些阈值或者小于与另一个特定频率关联的另一个相关值，则此特定频率不会与时钟频率相对应。
根据一个实施形式，相关单元配置为执行频域信号(或部分)的自相关，或者执行频域信号的不同部分的互相关(尤其是沿不同偏振的不同部分)以获取相关值。通过示例中的方式，相关单元对按照x偏振和y偏振的频域部分进行互相关。
根据本发明的实施形式，输入信号为光信号的数字化版本，具有按照第一偏振的第一光信号部分，以及按照第二偏振的第二光信号部分，其中频域信号可以包含按照第一偏振的第一频域信号部分，以及与按照第二偏振的第二频域信号部分，并且其中相关单元配置为将第一或第二频域信号部分进行自相关，或者将第一频域信号部分与第二频域信号部分互相关，以获取相关值。为了执行相应的相关性过程，相关性单元可以执行提供相关值的任何相关算法。
根据一个实施形式，相关单元可配置为对频域信号的至少一部分进行求加权值，或者对具有加权系数的相关值进行求加权值。例如，加权系数可以衰减或放大某些相关值(例如：最外面的相关值)。
根据本发明的实施形式，这些设备进一步包含滤波器，特别是一个用于色散滤波的全通滤波器，其配置为过滤频域信号并将已过滤的频域信号作为频域信号提供给相关单元。通过示例中的方法，全通滤波器可以执行频域中的色散过滤。
根据本发明的实施形式，这些设备进一步包含振幅滤波器，特别是一个带通滤波器，配置为过滤频域信号并将已过滤的频域信号作为频域信号提供给相关单元。通过示例中的方法，带通滤波器可以执行频域中的振幅过滤。
根据本发明的一个实施形式，时钟恢复单元可配置为以相关值为基础确定时钟相位。例如，时钟相位可以对应于相关值中的相位(如果其为复值)。因此，时钟相位可以通过相关值的实部和虚部来确定。
根据一种实施形式，这些设备还包含过采样单元。过采样单元配置为在傅里叶变换之前，过采样输入信号。例如，输入信号可以通过插入法，过采样四次。或者，过采样单元可以配置为在频域中进行傅里叶变换之前，过采样信号。例如，频域信号可以通过补零法，过采样四次。
根据本发明的一个实施形式，这些设备还可以包含傅里叶变换单元，配置为将频域信号转换到时域中，以获取时域信号用于进一步的处理。
根据本发明的另一个方面，本发明提供了同步设备，包含模拟至数字(analogue-to-digital)转换单元(用于使用采样相位或频率，对模拟输入信号进行采样，以获取输入信号)以及创新型时钟恢复设备(配置为更改模拟数字转换器单元的采样相位或采样频率以用于同步)。例如，时钟恢复设备可以使用上述控制信号，控制模拟数字转换器。
根据本发明的另一个方面，本发明提供了同步设备，包含内插单元(用于使用采样相位或频率，内插数字信号，以获取内插信号)以及创新型时钟恢复设备(配置为更改内插单元的采样相位或采样频率以用于同步)。例如，时钟恢复设备可以使用上述控制信号，控制内插滤波器。
根据本发明的另一个方面，本发明提供了一个用于从输入信号恢复时钟信息的方法。该方法包含：基于傅里叶变换，将输入信号转换为频域信号；相关上述频域信号以获取与特定频率关联的相关值；以及确定特定频率是否与时钟频率对应，以恢复时钟信息。
进一步的方法步骤将直接从创新型时钟恢复设备的功能中获取。
根据本发明的另一个方面，本发明与同步方法相关，包含：使用采样相位或频率，采样模拟输入信号；根据用于恢复时钟信息的方法从输入信号恢复时钟信息；根据时钟频率更改采样相位，以使为采样频率更改采样相位，以根据时钟频率与频率同步。
进一步的方法步骤将直接从创新型同步设备的功能中获取。
附图说明
下面参考附图描述了本发明的实施例，其中：
图1显示了同步设备；
图2显示了同步设备；
图3显示了模拟结果；
图4显示了模拟结果；
图5显示了模拟结果；
图6显示了模拟结果；以及
图7显示了包含同步设备的接收器。
具体实施方式
图1显示了同步设备，其包含一个模拟数字转换器(ADC)，具有耦合至时钟恢复设备的输出。时钟恢复设备包含：傅里叶变换单元(FT)103(例如傅里叶变换器，用于提供频域信号)；还可以选择包含全通滤波器，作为预滤波器(pre-filter，PF)，或者振幅滤波器或者105的组合，以用于过滤频域信号。预滤波器105的输出或者傅里叶变换单元103的输出可以耦合至时钟恢复块(CRB)107，其包含相关单元，用于将频域信号与时钟恢复单元相关起来用于恢复时钟频率。时钟恢复块107包含耦合至控制模拟数字转换器101的输入的输出，以用于控制其采样相位或频率。时钟恢复块107还包含另外的输出用于可选的数字插入。
预滤波器105的输出或傅里叶变换单元103的输出可以耦合至傅里叶变换单元109，用于基于反转快速傅里叶变换(IFFT)(示例)，将频域信号转换为时域中。
模拟数字转换器101可以接收按照单个光偏振的信号或按照多个不同偏振，例，沿x和y偏振，的多个截然不同的信号。因此，模拟数字转换器101可以输出样本时域信号rx[n]和ry[n](其中，n为索引)。
根据本发明的一种实施形式，数字实施应用于已采样的序列的rx[n]和ry[n](在ADC之后)，如下所示转换至频域(FD)：
Sx[m]＝FFT{Re{rx[n]}+jIm{rx[n]}}
Sy[m]＝FFT{Re{ry[n]}+jIm{ry[n]}}
其中，FFT块大小m＝1，...，M。信号的FD(频域)表示可以扩展至双倍带宽，其与至TD(时域)中的4sps相关，并可达到产量Sx，4[m]和Sy，4[m]。在通过全通(APF)过滤和/或振幅过滤(AF)进行数字预先过滤之后，
Sx，4pre[m]＝Sx，4[m]·HAPF[m]·HAF[m]
Sy，4pre[m]＝Sy，4[m]·HAPF[m]·HAF[m]
ACF(自相关函数)和CCF(互相关函数)可以通过以下公式进行计算：
Uxx[τ]＝ACF{Sx，4pre[m]}
Uyy[τ]＝ACF{Sy，4pre[m]}
Uxy[τ]＝CCF{Sx，4pre[m]，Sy，4pre[m]}
ACF为信道提供稳定的时钟单音而不包含半波特DGD，CCF提供半波特DGD的稳定的时钟单音并使其加倍。
或者，ACF和CCF可以由使用线性卷积或圆形卷积的卷积函数定义。
组合
U[τ]＝Uxx[τ]+Uyy[τ]+Uxy[τ]
或
U[τ]＝ACF{Sx，4pre[m]+Sy，4pre[m]}
可以分别为所有信道条件提供稳定的标准。从U[τ]，将提取时钟单音以估计定时信号的相位。
还可以对多个FFT块取平均值，对多个估计值与加权函数w[τ]取平均值，以提高可以部署的决策变量Uimp[τ]＝w[τ]U[τ]的决策。
图2显示了相应的时钟恢复设备，其包含傅里叶变换单元(Fourier transformingmeans)201，具有第一傅里叶变换器203和第二傅里叶变换器205。傅里叶变换单元的输出将耦合至可选的提升采样(upsampling)单元，具有与第一傅里叶变换器203关联的第一提升采样器(US)207，以及与第二傅里叶变换器205关联的第二采样器209。提升采样单元的输出耦合至可选的预过滤单元，其包含第一预滤波器(PF)211和第二预滤波器213。第一预滤波器211耦合至第一提升采样器207的输出，而第二预滤波器213耦合至第二提升采样器209的输出。预滤波器的输出耦合至相关单元215，具有耦合至可选的相估计器(PE)217的输出。
如图2中所示，具有组件rx[n]和ry[n]的时域信号，使用傅里叶变换单元201传输至频域。相关的傅里叶变换器203和205集中提供频域信号，频域信号具有沿x偏振的第一频域信号部分，以及与沿y偏振的第二频域信号部分。随后，频域信号将在时域中使用提升采样单元，按每个符号，提升采样至4个样品的等价物(示例)。接下来，可以部署预过滤单元以便带通(bandpass)过滤围绕Nyquist频率的相应的提升采样信号(以便增强时钟单音(clock tone))和/或为了全通(all-pass)过滤相应的提升采样信号(以便补偿色散)。接下来，沿x偏振和沿y偏振的信号之间的互相关函数，以及每个信号沿x偏振和沿y偏振自相关函数，可以使用相关单元215进行计算，通过示例中的方法，所有相关函数都将进行求和以获取平均值。
或者，由第一和第二傅里叶变换器203、205提供的第一和第二频域信号，可以进行叠加(superimposed)以获取可以在将来进行处理的叠加频域信号(如图2中所示)。
图3显示了演示由相关单元215执行的相关结果的模拟结果，其中，描述了与根据频率进行的信号X(f)与X(-f)的交叉卷积(cross-convolution)对应的互相关方案的相关值。通过示例中的方法，某些相关值301、303或305具有大于其他相关值的振幅，以便与该相关值关联的频率可以假设为与在发送器处使用的时钟频率相对应。通过示例中的方法，为与0ps关联的差分群时延获取的多个结果如图3所示。
图4显示了SOP的估计变量U[m]＝Uxx[m]+Uyy[m]+Uxy[m]+Uyx[m]，其中theta＝90deg，phi＝0deg，半波特DGD为17ps。通过示例中的方法，仅CCF部分包含时钟单音。
图5显示了另一个示例，其SOP的估计变量U[τ]＝Uxx[τ]+Uyy[τ]+Uxy[τ]，其中theta＝90deg，phi＝0deg，不包含DGD。特别地，在图5中，自相关或互相关值的绝对值是使用归一化(normalized)频率进行描述的，其中，f_Ny表示Nyquist频率。CCF(X，X)指的是ACF(X)。与图4中不同，时钟单音包含在图5中的ACF组件中。
图6显示了17ps的差分群时延的仿真结果。
如图3至6中所示，与时钟频率关联的特定频率可以通过确定该相关值超过多个相关值中的其他相关值而检测到。
根据一个实施形式，在包含CD补偿的可选全通滤波器和/或包含带通过滤的振幅之后，信号的FD补偿可能会用户时钟单音的估计。预滤波器可以简单地通过标量矢量乘法来实施，该乘法不需要FIR预滤波器(FIR：Finite ImpulseResponse，有限脉冲响应)，该预滤波器的振幅和相转移函数可以为任何优化值而任意选择。提升采样可以通过zero-pad来实现，其为复杂度最小的方法，因为不需要FIR过滤器，所以不会退化信号质量。在时域(TD)中对信号进行平方的等价操作指的是FD中信号的相关。组合使用各偏振信号的自相关以及两个偏振信号的互相关，可以减轻偏振影响，特别是半波特DGD。
闭环带宽，特备是对于快速跟踪随时间变化的定时相变量，取决于模拟数字信号转换器(ADC)与控制信号反馈之间的延迟。从FD信号中抽取定时相位，即，用于处理IFFT的时间，可以节省用于预滤波和内插的FIR滤波器。这会明显增加环路带宽，并允许获取更快速的跟踪速度(减轻定时的不稳定性)和更快速的漂移。该创新型方法适用于任何调制格式，因为频谱域中的属性与所有的调制格式相似。
图7显示的接收器，包含耦合至同步设备光前端701。该同步设备包含光电转换单元和模拟数字转换单元703，其耦合至时钟恢复设备705。
光前端701包含分光器707(用于向第一90°混合器709提供沿x偏振的信号组件，并向第二90°混合器711提供沿y偏振的第二信号)。该90°混合器709和711可以分别向模拟数字转换单元(analogue-to-digital converting means)703提供复值信号(每个信号具有实值和虚值)。由于光前端提供的复值信号为光信号，模拟数字转换单元703可以，为每个信号，包含：光转换器713(用于将每个光信号转换为电信号)以及模拟数字转换器(ADC)715(用于将每个电信号转换为数字信号)。数字模拟转换单元703提供了时钟恢复设备705，其中，输入信号可以包含沿x偏振的实部和虚部以及沿y偏振的实部和虚部。
时钟恢复设备705可以包含处理器717，处理器717包含傅里叶变换单元(FT)(用于将时域信号转换为频域)以及根据上述原则相关频域信号的相关单元。
由处理单元(processing means)717中的相关单元提供的相关值和/或互相关值被提供给时钟恢复单元719，用于从相关值中恢复时钟频率。时钟恢复单元719可以输出控制信号720，其提供给模拟数字转换单元(analogue-to-digital convertingmeans)703，以便调节采样频率或采样相位，用于更准确地捕捉时钟频率。
时钟频率设备705还可以选择包含碟式滤波器721、载波恢复单元723和/或符号估计单元725。

Claims (13)

1.一种时钟恢复设备，配置为从输入信号恢复时钟信息，该设备包含： 
傅里叶变换单元(201)，包括第一傅里叶变换器(203)和第二傅里叶变换器(205)，所述第一傅里叶变换器(203)和第二傅里叶变换器(205)分别配置为基于傅里叶变换将输入信号转换为第一频域信号和第二频域信号； 
相关单元(215)配置为相关第一频域信号以获取与第一特定频率关联的第一相关值，相关第二频域信号以获取与第二特定频率关联的第二相关值；以及 
时钟恢复单元(217)，配置为为了恢复所述时钟信息，根据所述第一相关值和所述第二相关值确定所述第一特定频率或所述第二特定频率是否与时钟频率对应。 
2.如上述权利要求1中所述的设备，其中，所述时钟恢复单元(217)配置为如果所述第一相关值大于第二相关值时，则决定所述第一特定频率与所述时钟频率对应。 
3.如上述权利要求1中所述的设备，其中，时钟恢复单元(217)配置为如果所述第二相关值大于或等于一个特征阈值时，则决定所述第二特定频率与所述时钟频率对应。 
4.如上述权利要求1中所述的设备，其中时钟恢复单元(217)配置为如果所述第一特定频率或所述第二特定频率与所述时钟频率不对应时，输出指示更改采样频率或采样相位的控制信号。 
5.如上述权利要求中任一权利要求所述的设备，其中相关单元(215)配置为对所述第一频域信号或所述第二频域信号进行自相关，或者对所述第一频域信号或所述第二频域信号的不同部分进行互相关，以获取所述第一相关值及所述第二相关值。 
6.如上述权利要求1至4中任一权利要求所述的设备，其中，所述相关单元(215)可以配置为对所述第一频域信号或所述第二频域信号的至少一部分或者所述第一相关值或所述第二相关值使用一个加权系数进行加权。 
7.如上述权利要求1至4中任一权利要求所述的设备，还包含滤波器(211,213)，配置为过滤所述第一频域信号和所述第二频域信号并给所述相关单元提供已过滤的频域信号作 为所述第一频域信号和所述第二频域信号。 
8.如上述权利要求1至4中任一权利要求所述的设备，其中，时钟恢复单元(217)还配置为基于所述第一相关值或所述第二相关值确定时钟相位。 
9.如上述权利要求1至4中任一权利要求所述的设备，还包含过采样单元(207,209)，配置为在傅里叶变换之前对所述输入信号进行过采样。 
10.如上述权利要求1至4中任一权利要求所述的设备，还包含傅里叶变换单元，其配置为将所述第一频域信号和所述第二频域信号转换为时域信号用于后续处理。 
11.一种同步设备，其包含： 
模拟数字转换器单元(101)，用于使用采样相位或频率对模拟输入信号进行取样，以获取所述输入信号；或者 
内插单元，用于使用采样相位或频率内插数字信号，以获取已内插的信号形成输入信号；以及 
如上述权利要求1至3中任一权利要求所述的时钟恢复设备，其中，所述时钟恢复单元配置为更改所述模拟数字转换器的所述采样频率或采样相位，以用于同步。 
12.一种用于从输入信号中恢复时钟信息的方法，该方法包含以下步骤： 
基于傅里叶变换，将所述输入信号转换为第一频域信号和第二频域信号； 
相关所述第一频域信号以获取与第一特定频率关联的第一相关值，相关所述第二频域信号以获取与第二特定频率关联的第二相关值；以及 
根据所述第一相关值和所述第二相关值确定所述第一特定频率或所述第二特定频率是否与时钟频率对应，以恢复该时钟信息。 
13.一种同步方法，其包含以下步骤： 
使用采样相位或频率对模拟输入信号进行采样，以获取所述输入信号； 
根据权利要求12从输入信号中恢复时钟信息；以及 
更改所述采样相位或所述采样频率，以与所述时钟频率对应的频率同步。 
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