CN103199981B - 一种数字同步脉冲信号皮秒级抖动传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种数字同步脉冲信号皮秒级抖动传输系统及方法，在发射端将时钟信号与同步脉冲信号同频的方波信号进行编码，得到同步脉冲信号和已编码的同步脉冲信号，采用激光信道传输已编码的同步脉冲信号，在接收端用光模块将已编码的同步脉冲信号由光信号转换为电信号输入到解码模块，用大于2倍接收到的已编码同步脉冲信号频率的时钟进行解调，最后解码输出同步脉冲信号。本发明的主要电路部件采用FPGA实现，其一致性好，调试难度低，且采用的时钟频率较低，功耗低，实现难度低，本发明的编码方法和解码方法可靠性高，同步性好。

Description

一种数字同步脉冲信号皮秒级抖动传输方法

技术领域

本发明属于数字同步脉冲信号低抖动传输技术领域，特别涉及一种数字同步脉冲信号皮秒级抖动传输系统及方法。

背景技术

同步信号可以为两个设备提供相同时间参考信号，随着空间技术的发展，卫星与地面站、卫星与卫星之间需要同步信号实现时间的相对同步，且对同步信号的抖动要求很高，目前国内外对空间激光通信技术的研究都十分重视，而激光通信系统之间的信号传输需要同步信号实现同步，本发明正是在这样的背景下提出来的，特别涉及应用在空间激光通信、量子通信系统之间的数字同步脉冲低抖动传输。目前多数的同步脉冲信号传输模块实现方法是：同步脉冲信号直接在信道中传输，同步脉冲信号经过在信道中长距离传输后，很难在接收端检测到该脉冲信号，即使被检测到了，其边沿抖动也会很大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种数字同步脉冲信号皮秒级抖动传输系统及方法，使同步信号在空间信道中长距离传输后也能精确地被解调出，且同步脉冲信号抖动小于100ps。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种数字同步脉冲信号皮秒级抖动传输系统，包括依次连接的发射端、光信道、接收端；发射端包括锁相环模块、分频模块、编码模块、电光转换模块，锁相环模块分别与分频模块、编码模块连接，分频模块与编码模块连接，编码模块与电光转换模块连接，电光转换模块与光信道连接；接收端包括光电转换模块、锁相环模块、解码模块，光信道与光电转换模块连接，光电转换模块、锁相环模块分别与解码模块连接。

所述发射端的锁相环模块、分频模块、编码模块采用FPGA实现。

所述接收端的锁相环模块、解码模块采用FPGA实现。

一种利用上述系统进行数字同步脉冲信号皮秒级抖动传输方法，包括以下步骤，

步骤1、将低频率的时钟信号输入到锁相环模块，锁相环模块将时钟信号倍频到适合光信道传输的高频率的编码时钟信号，高频率的编码时钟信号进入分频模块，分频模块产生与高频率的编码时钟信号上升沿严格同步、且与同步脉冲信号频率相同的方波信号；

步骤2、高频率的编码时钟信号和方波信号进入编码模块，编码模块对这两个信号进行编码，编码后输出同步脉冲信号和已编码的高频率的同步脉冲信号；

步骤3、已编码的高频率同步脉冲信号进入电光转换模块，电光转换模块将同步脉冲信号由电信号转换为光信号，进入光信道传输；

步骤4、光电转换模块接收光信道中的光信号，将光信号转换为电信号；

步骤5、电信号进入解码模块，时钟信号进入接收端的锁相环模块产生解调时钟信号，电信号和解调时钟信号进入解码模块，解码后输出同步脉冲信号。

所述编码模块的编码方法包括，

步骤2.1、在方波信号的低电平期间用编码时钟的下降沿计数，计数寄存器为Count，在方波信号的高电平期间Count为0，设在方波信号一个周期中整个低电平Count最大值为M；

步骤2.2、Count计数值小于(M-n)时，高频率同步脉冲信号与编码时钟相同，所有标志位清零；

步骤2.3、Count计数计到(M-n)时，高频率同步脉冲信号的开始标志置1，高频率同步脉冲信号输出开始低电平；

步骤2.4、Count计数计到(M-n/2-2)时，高频率同步脉冲信号的校验标志置1；

步骤2.5、Count计数计到(M-n/2-1)时，高频率同步脉冲信号的开始标志清零，在编码时钟的上升沿处判断校验标志位，标志位为1时，高频率同步脉冲信号输出校验高电平；

步骤2.6、Count计数计到(M-2)时，高频率同步脉冲信号的同步脉冲标志置1，高频率同步脉冲信号直接复制方波信号，同时同步脉冲信号也直接复制方波信号；

步骤2.7、在检测到方波信号的上升沿后，高频率同步脉冲信号的脉宽标志位置1，脉宽标志位清零，根据脉宽的要求设置脉宽保持时间，在脉宽标志位为1时，高频率同步脉冲信号为高电平；同时同步脉冲信号也为高电平。

所述解码模块的解码方法包括，

步骤5.1、解码模块用解调时钟对接收到的高频率同步脉冲信号的高低电平分别计数，计数寄存器分别为Cnt_high和Cnt_low，设在没有误码的情况下，312段解调时钟计数值Cnt_low为a，313段解调时钟计数值Cnt_high为b；

步骤5.2、当Cnt_low计数值在(a‐3，a+3)范围内时，同步脉冲信号的开始标志位置1，否则清零；

步骤5.3、在开始标志位为1的条件下，Cnt_high计数值也在(b‐3，b+3)范围内时，同步脉冲信号的同步脉冲标志位置1，否则清零；

步骤5.4、当同步脉冲信号的同步脉冲标志位为1时，同步脉冲信号复制高频率同步脉冲信号，同时检测高频率同步脉冲上升沿；

步骤5.5、检测到高频率同步脉冲上升沿时，恢复同步脉冲宽度标志位置1，根据脉宽的要求设置脉宽保持时间，在恢复同步脉冲宽度标志位为1时，同步脉冲信号为高电平，其他时间，同步脉冲信号为低电平。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和效果：

1、本发明提出了一种适用于空间激光通信的同步脉冲信号传输方法，能满足同步脉冲信号上升沿低抖动的特殊应用；采用较低的时钟频率，结合简单的编解码方法就能满足抖动皮秒级的要求，电路部件采用FPGA实现，功耗低，调试难度低。

2、本发明中，同步脉冲信号经过同步脉冲编码后含有同步脉冲开始校验信息，能有效避免接收端的伪同步，而且把低频的同步脉冲信号转换为适于在空间信道中传输的高频同步脉冲编码信号，能提高传输可靠性。

3、本发明中，同步脉冲解码方法只有在检测到同步脉冲开始信息和校验信息都满足时才判断为有同步脉冲上升沿的到来，并直接恢复同步脉冲上升沿，而不是用本地时钟去产生同步脉冲上升沿，这样使得发射端和接收端的同步脉冲信号上升沿之间只存在固定传输延时，相对抖动很小，可实现高精确相对同步。

附图说明

图1是本发明发射端的信号处理流程图。

图2是本发明接收端的信号处理流程图。

图3是本发明中编码的原理图。

图4是本发明中解码的原理图。

其中，1—编码时钟，2—方波信号，3—编码模块输出的同步脉冲信号，4—编码模块输出的高频率同步脉冲信号，5—解调时钟，6—解码模块输出的同步脉冲信号；

T₁为方波信号的周期，301段是同步脉冲维持段，302段为编码时钟段，303段为同步脉冲编码开始信号段，304段为同步脉冲编码校验信号段，305段为同步脉冲信号段；

T₂为已编码的高频率的同步脉冲信号的周期，307段为同步脉冲信号检测段，308段为同步脉冲信号校验段，309段为同步脉冲沿检测段，310同步脉冲恢复段；

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步说明。

如附图1、2所示，一种数字同步脉冲信号皮秒级抖动传输系统，包括依次连接的发射端、光信道、接收端；发射端包括锁相环模块、分频模块、编码模块、电光转换模块，锁相环模块分别与分频模块、编码模块连接，分频模块与编码模块连接，编码模块与电光转换模块连接，电光转换模块与光信道连接；接收端包括光电转换模块、锁相环模块、解码模块，光信道与光电转换模块连接，光电转换模块、锁相环模块分别与解码模块连接；发射端的锁相环模块、分频模块、编码模块采用FPGA实现；接收端的锁相环模块、解码模块采用FPGA实现。

一种利用上述系统进行数字同步脉冲信号皮秒级抖动传输方法，包括以下步骤，

步骤1、将低频率的时钟信号输入到锁相环模块，锁相环模块将时钟信号倍频到适合光信道传输的高频率的编码时钟信号，高频率的编码时钟信号进入分频模块，分频模块产生与高频率的编码时钟信号上升沿严格同步、且与同步脉冲信号频率相同的方波信号；

步骤2、高频率的编码时钟信号和方波信号进入编码模块，编码模块对这两个信号进行编码，编码后输出同步脉冲信号和已编码的高频率的同步脉冲信号；

编码模块的编码方法为：

步骤2.1、在方波信号2的低电平期间用编码时钟1的下降沿计数，计数寄存器为Count，在方波信号2的高电平期间Count为0，设在方波信号2一个周期中整个低电平Count最大值为M；

步骤2.2、Count计数值小于(M-n)时，高频率同步脉冲信号4与编码时钟1相同，所有标志位清零，即图3中的302段；n具体取值根据方波信号的频率确定，不需要很大，一般取10；

步骤2.3、Count计数计到(M-n)时，高频率同步脉冲信号4的开始标志置1，高频率同步脉冲信号4输出开始低电平，即图3中的303段；

步骤2.4、Count计数计到(M-n/2-2)时，高频率同步脉冲信号4的校验标志置1；

步骤2.5、Count计数计到(M-n/2-1)时，高频率同步脉冲信号4的开始标志清零，在编码时钟的上升沿处判断校验标志位，标志位为1时，高频率同步脉冲信号4输出校验高电平，即图3中的304段；

步骤2.6、Count计数计到(M-2)时，高频率同步脉冲信号4的同步脉冲标置1，高频率同步脉冲信号4直接复制方波信号2，即图3中的305段，同时同步脉冲信号3也直接复制方波信号2；

步骤2.7、在检测到方波信号2的上升沿后，高频率同步脉冲信号4的脉宽标志位置1，脉宽标志位清零，根据脉宽的要求设置脉宽保持时间，在脉宽标志位为1时，高频率同步脉冲信号4为高电平，即图3中的301段；同时同步脉冲信号3也为高电平，即图3中的306段；

步骤3、已编码的高频率同步脉冲信号进入电光转换模块，电光转换模块将同步脉冲信号由电信号转换为光信号，进入光信道传输；

步骤4、光电转换模块接收光信道中的光信号，将光信号转换为电信号；

步骤5、电信号进入解码模块，时钟信号进入接收端的锁相环模块产生解调时钟信号，电信号和解调时钟信号进入解码模块，解码后输出同步脉冲信号。

解码模块的解码方法为：

步骤5.1、解码模块用解调时钟5对接收到的高频率同步脉冲信号4的高低电平分别计数，计数寄存器分别为Cnt_high和Cnt_low，设在没有误码的情况下，312段解调时钟计数值Cnt_low为a，313段解调时钟计数值Cnt_high为b；

步骤5.2、当Cnt_low计数值在(a‐3，a+3)范围内时，同步脉冲信号6的开始标志位置1，否则清零；

步骤5.3、在开始标志位为1的条件下，Cnt_high计数值也在(b‐3，b+3)范围内时，同步脉冲信号6的同步脉冲标志位置1，否则清零；

步骤5.4、当同步脉冲信号6的同步脉冲标志位为1时，同步脉冲信号6复制高频率同步脉冲信号4，即图4中的309段，同时检测高频率同步脉冲4上升沿；

步骤5.5、检测到高频率同步脉冲4上升沿时，恢复同步脉冲宽度标志位置1，根据脉宽的要求设置脉宽保持时间，在恢复同步脉冲宽度标志位为1时，同步脉冲信号6为高电平，即图4中的310段，其他时间，同步脉冲信号为低电平，如图4所示。

Claims (1)

1.一种数字同步脉冲信号皮秒级抖动传输方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤1、将低频率的时钟信号输入到锁相环模块，锁相环模块将时钟信号倍频到适合光信道传输的高频率的编码时钟信号，高频率的编码时钟信号进入分频模块，分频模块产生与高频率的编码时钟信号上升沿严格同步、且与同步脉冲信号频率相同的方波信号；

步骤2、高频率的编码时钟信号和方波信号进入编码模块，编码模块对这两个信号进行编码，编码后输出同步脉冲信号和已编码的高频率同步脉冲信号；

步骤3、已编码的高频率同步脉冲信号进入电光转换模块，电光转换模块将同步脉冲信号由电信号转换为光信号，进入光信道传输；

步骤4、光电转换模块接收光信道中的光信号，将光信号转换为电信号；

步骤5、电信号进入解码模块，时钟信号进入接收端的锁相环模块产生解调时钟信号，电信号和解调时钟信号进入解码模块，解码后输出同步脉冲信号；

所述编码模块的编码方法包括，

步骤2.1、在方波信号的低电平期间用编码时钟的下降沿计数，计数寄存器为Count，在方波信号的高电平期间Count为0，设在方波信号一个周期中整个低电平Count最大值为M；

步骤2.2、Count计数值小于(M-n)时，高频率同步脉冲信号与编码时钟相同，所有标志位清零；

步骤2.3、Count计数计到(M-n)时，高频率同步脉冲信号的开始标志置1，高频率同步脉冲信号输出开始低电平；

步骤2.4、Count计数计到(M-n/2-2)时，高频率同步脉冲信号的校验标志置1；

步骤2.5、Count计数计到(M-n/2-1)时，高频率同步脉冲信号的开始标志清零，在编码时钟的上升沿处判断校验标志位，标志位为1时，高频率同步脉冲信号输出校验高电平；

步骤2.6、Count计数计到(M-2)时，高频率同步脉冲信号的同步脉冲标志置1，高频率同步脉冲信号直接复制方波信号，同时同步脉冲信号也直接复制方波信号；

步骤2.7、在检测到方波信号的上升沿后，高频率同步脉冲信号的脉宽标志位置1，脉宽标志位清零，根据脉宽的要求设置脉宽保持时间，在脉宽标志位为1时，高频率同步脉冲信号为高电平；同时同步脉冲信号也为高电平；

所述解码模块的解码方法包括，

步骤5.1、解码模块用解调时钟对接收到的高频率同步脉冲信号的高低电平分别计数，计数寄存器分别为Cnt_high和Cnt_low，设在没有误码的情况下，312段解调时钟计数值Cnt_low为a，313段解调时钟计数值Cnt_high为b；

步骤5.2、当Cnt_low计数值在(a-3，a+3)范围内时，同步脉冲信号的开始标志位置1，否则清零；

步骤5.3、在开始标志位为1的条件下，Cnt_high计数值也在(b-3，b+3)范围内，同步脉冲信号的同步脉冲标志位置1，否则清零；

步骤5.4、当同步脉冲信号的同步脉冲标志位为1时，同步脉冲信号复制高频率同步脉冲信号，同时检测高频率同步脉冲上升沿；

步骤5.5、检测到高频率同步脉冲上升沿时，恢复同步脉冲宽度标志位置1，根据脉宽的要求设置脉宽保持时间，在恢复同步脉冲宽度标志位为1时，同步脉冲信号为高电平，其他时间，同步脉冲信号为低电平。