CN103905179A - 一种电触发时钟相位动态调整方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电触发时钟相位动态调整方法及装置，属于光通信技术领域。本发明通过一体机人机交互控制界面控制电触发时钟的相位进行动态调整，使得电触发时钟的上升沿与随机电脉冲的峰值位置对齐，触发时钟控制A/D进行模数转换，准确地获得随机电脉冲的峰值幅度信息，实现眼图的最优显示。本方法除了可以显示最优的眼图之外，还具有动态调整的功能，本方法操作简单方便、节省时间、成本低、灵敏度高；适用于任何需要调整相位的两路信号的光采样示波器和数据采集系统。

Description

一种电触发时钟相位动态调整方法及装置

技术领域

本发明涉及一种电触发时钟相位动态调整方法及装置，属于属于光通信技术领域。

背景技术

21世纪席卷全球的信息化浪潮已经成为推动生产力发展和促进社会变革的决定性力量。近年来，通信网络的数据传输业务迅速发展，呈现爆炸式增长的特点。光纤通信和光网络作为最终承载所有互联网业务的物理层技术和骨干基础设施，其技术的研究和发展已经成为当今科学研究领域的关注焦点。已经发布的IEEE100Gbit/s802.3ba标准提出了更大的带宽、更高的速率并且混合了多种高级调制格式，“智能”网络的需求变得更加急切。未来的“智能”网络必须包含高度的鲁棒性、可重构性、灵活性和安全等特点。为保证网络的智能运行，网络管理应具备自我管理和修复的能力，包括监测自身物理状态和数据信号的传播质量、自动诊断和修复故障、在数据丢失和发生故障之前采取补救措施、信号波长和功率等信道资源的自动分配、根据物理层状态改变路由方向以及监测突发的人为故障或者恶意的网络攻击。所有这些功能实现的前提是找到一种能对网络、信道和数据准确监测的方法。为达到自我管理和智能操作的目的，光性能监测应能准确地测量数据信号的传输质量，并能快速反映网络和信道的物理状态。网络中数据格式的不同、调制速率的不同以及不断增长的网络构架都给实时、准确地监测信号的传输质量和网络的物理状态带来了困难。

随着光通信系统中单波长的比特率由向100Gbps甚至更高速率演化，传统的电示波器测量方法使光信号通过高带宽的光电探测器转化为电信号之后再进行信号处理和监测受到“电子瓶颈”的制约。目前，电域信号探测和处理带宽已经趋于极限，进一步提高的空间目前十分有限。所以，在未来的光通信系统和网络中，采用光域采样方法对高速光信号进行监测迫在眉睫。

目前的时域采样技术包括实时采样和等效时间采样两大类。实时采样需要满足奈奎斯特采样定理，采样频率必须高于信号频谱的最高频率至少两倍，实际应用多为5-10倍，这样才可以完整保留原始信号信息，但这经常受到采样速率不足的限制。在光通信领域中，光性能监测的重点是对数字信号眼图和BER、Q值、OSNR等进行测量，以反映信号的通信质量乃至光通信链路的物理状态。这些参数本质上是对信号进行的统计分析，可以采用等效时间光域采样方法实现对信号的统计遍历，这就是光采样示波器。等效时间光域采样的主要特点是光采样速率可以远小于信号频率，在高速光信号比特周期的不同位置进行采样，之后采用低带宽的电域处理系统和特定的数字信号处理算法对高速光信号的统计特性进行分析和测量。在等效时间采样方法中，其关键是得到光采样点的取值。由于光采样信号需要变成电脉冲才能进行时域处理，因此如何由电脉冲来提取光采样点的取值就是核心问题。研究表明，电脉冲的峰值和光采样点的取值成正比，因此需要用电采样方法采集电脉冲的峰值，通过对电脉冲峰值的统计分析获得光信号的统计参数。

在电采样过程中，电采样脉冲是由光采样脉冲经过光电探测器转化的。由于经历了不同的光路和电路，电采样脉冲和由光采样信号转换的电随机脉冲具有不同的初始相位，为了采集电随机脉冲的峰值，必须要对电采样脉冲的相位进行调整。

发明内容

本发明的目的是为解决电触发时钟和随机电脉冲的相对相位差不确定的问题，提供一种电触发时钟相位动态调整方法及装置，能够应用于光采样示波器中，对电触发时钟的相位进行自动调整，使其对准随机电脉冲的峰值点，并采集随机电脉冲的峰值。

电触发时钟相位动态调整方法，具体包括以下步骤：

步骤一，对进入光采样示波器的光信号进行采样得到光采样信号，光采样信号经光采样示波器内部的光电探测后转换为随机电脉冲；同时将采样光脉冲输入光采样示波器的另一个端口，经光采样示波器内部的光电探测后转换为周期性电脉冲；

步骤二，对步骤一得到的周期性电脉冲进行锁相操作；具体方法为：周期性电脉冲经过一个锁相环，锁相环稳定周期性电脉冲，并按照步长m调整周期性电脉冲的相位，使锁相环输出的周期性电脉冲的时钟相位在360度范围内等步长m遍历，经过360/m次调整后，回到周期性电脉冲相位的初始位置；

步骤三，用步骤二锁相后得到的周期性电脉冲，对步骤一得到的随机电脉冲进行采样，每一个时钟相位均得到一组对应的采集数据，输出至计算机；由计算机计算得到每组时钟相位采集数据的方差，并将360/m个方差存储在一个数组中，形成方差数组；计算机显示采样数据眼图及方差；

步骤四，对步骤三中所得的方差数组进行查找，找出其中最大方差值a；

步骤五，若步骤四中所得a<b，b为基准方差值，则重复步骤二、步骤三及步骤四，直到a大于等于b，得到此时方差值a对应的时钟相位以及该时钟相位对应的调整次数n；其中，基准方差的具体计算方法是：首先让相位遍历一周，然后计算每个相位对应的方差值，比较得到最大方差值M，基准方差按照最大方差的一定比例取值，比例范围为[0.8，1]；

步骤六，对步骤一得到的周期性电脉冲进行n次相位调整，每次的调整方向及步长与步骤二的调整方向及步长均相同；n次相位调整后，周期性电脉冲上升沿与随机电脉冲的峰值对齐，此时周期性电脉冲的相位为最佳相位；

步骤七，用步骤六调整后的周期性电脉冲对随机电脉冲进行数据采样，经缓存后逐帧输出至计算机；计算机计算每帧数据的方差，并显示此时眼图；若方差一旦小于b，则重复步骤二至步骤六，重新锁定周期性电脉冲的最佳相位。

电触发时钟相位动态调整装置，包括第一光电探测器、第二光电探测器、第一放大电路、第二放大电路、模数转换电路板、数字信号处理模块和包括人机交互控制界面的一体机；其中数字信号处理模块包括锁相环（PLL）模块；

采样光脉冲进入第一光电探测器，第一光电探测器和第一放大电路连接，被测光信号经过光采样和第二光电探测器相连，第二光电探测器和第二放大电路连接，放大后输出的周期电脉冲信号和数字信号处理模块内的PLL模块连接，放大后输出的随机电脉冲信号和模数转换电路板连接，经由PLL模块调相输出的方波时钟信号和模数转换电路板连接，模数转换电路板和一体机连接；

电触发时钟信号与随机电脉冲信号具有不同的初始相位，如果要准确获得随机电脉冲信号幅度的峰值信息，必须对模数转换器的电触发时钟进行动态相位调整；利用数字信号处理模块提供的PLL动态重配置功能，通过一体机的人机交互界面对PLL输出的电触发时钟相位进行控制，并利用方差作为评价标准实现电触发时钟相位的动态调整。

有益效果

本发明通过一体机人机交互控制界面控制电触发时钟的相位进行动态调整，使得电触发时钟的上升沿与随机电脉冲的峰值位置对齐，作为触发时钟控制A/DC进行模数转换，准确的获得了随机电脉冲的峰值幅度信息，实现了眼图的最优显示。这种方法除了可以显示最优的眼图之外，还具有动态调整的功能，即一旦因为外界的变化造成电触发时钟的相位和随机电脉冲的相位不同步，那么本装置自动对电触发脉冲的相位进行自动调整，使它的上升沿重新对准随机电脉冲的峰值。本方法操作简单方便、节省时间、成本低、灵敏度高；适用于任何需要调整相位的两路信号的光采样示波器和数据采集系统。

附图说明

图1为电触发时钟相位动态调整方法的原理图；

图2为具体实施方式中电触发时钟相位动态调整装置的硬件实施图；

图3（a）为没有经过调整的电触发时钟和随机电信号；（b）为调整之后的电触发时钟和随机电信号；

图4为具体实施方式中锁相环输出时钟相位调整操作时序图；

图5为具体实施方式中FPGA程序中的USB模块状态机转换图；

图6为具体实施方式中FPGA的顶层模块设计示意图；

图7为具体实施方式中单步调相流程图；

图8为具体实施方式中自动调相流程图；

图9为具体实施方式中360度相位范围内采集数据的方差与相位对应图；

图10为具体实施方式中初始相位条件下和最优相位下的光性能监测界面眼图对比图；

图11为具体实施方式中光性能监测界面显示图；

标号说明：101-第一光电探测器，102-第二光电探测器，103-第一放大电路，104-第二放大电路，105-A/D电路，106-锁相环，107-FPGA电路板，108-USB芯片，109-一体机人机交互界面。

具体实施方式

下面根据附图和实施例来进一步详细说明本发明的实施方式。图1为电触发时钟相位动态调整方法的原理图；本实施例中采用带PLL的FPGA芯片实现数字信号处理模块，电触发时钟相位动态调整装置的硬件实施如图2所示。根据图1、图2、图5、图6、图11，本发明实施例的主要内容包括：

1)将采样光脉冲经过第一光电探测器（101）生成周期性电脉冲（110），将被测光信号经过光采样生成随机光信号经过第二光电探测器（102）生成随机电脉冲（111）；

2)将周期性电脉冲经过第一放大电路（103）进行放大，将随机电脉冲经过第二放大电路（104）进行放大且不失真；

3)放大后的采样脉冲112进入FPGA模块105中的PLL模块（106）进行触发时钟的动态相位调整；

4)放大后的被采样脉冲113进入A/D模块（105），周期电脉冲进入PLL后进行锁相操作，产生方波时钟信号114，锁相环输出的电触发时钟与初始的周期电脉冲存在固定的相位差，如图3所示：（a）没有经过调整的电触发时钟和随机电脉冲；（b）调整之后的电触发时钟和随机电脉冲。方波时钟信号114作为电触发时钟也进入A/D模块(105)；

5)将两路信号113和114送入A/D模块(105)，此时经过动态相位调整的电触发时钟上升沿和随机电脉冲的峰值位置对齐，得到了最优的14位的峰值幅度信息115；

6)数字信号115送入FPGA芯片（107）进行处理，将数据装帧发送到一体机人机交互控制界面进行显示：

a)A/D产生的并行数据信号通过缓存器接口进入FPGA芯片，首先经过预处理，将14位数据变为16位，并根据A/D信号的超幅指标进行数据幅度调整；

b)由于A/D数据时钟为29.54MHz，与USB系统的速率不匹配，所以要进行数据的缓存和读写控制，采用FPGA片内自带的双端口动态随机存储器（DynamicRandomAccessMemory，DRAM）进行数据缓存，存储器的位宽为16，深度为8192，这样每16*8192位A/D采样数据点组合为一帧进行传输；

c)第三步是在FPGA模块的USB模块设置状态机的转换为图5所示；完成一帧数据的发送状态机跳转顺序为空闲状态—读取指令状态—……等待A/D状态—发送数据状态—空闲状态，在状态跳转的同时通过一些寄存器的赋值完成模块间的控制，实现可受一体机人机交互界面控制的数据逐帧传输方式。

d)其中相移模块的动态相位调整操作时序如图4所示：相位调整的步长由调相选择标志位来设定，调相方向标志位为相位调整的方向标志位，SCANCLK是FPGA基准时钟，当调相标志位变为高电平至少两个时钟周期提供一次相位调节，调相结束标志位为锁相环输出调相状态指示，低电平表示PLL正在处理调相指令，此时调相标志位复位，当调相完成标志位重新回到高电平表示一次时钟调相周期完成，等待下一次操作。当接到人机交互界面传输过来的单步相位加CCCC指令时便能够完成相位的单步加调整，整个FPGA芯片内部的顶层逻辑图如图6所示。

7)当基于C#的人机交互界面接到从FPGA经由USB端口发过来的数据之后，调用CYUSB.dll和ZedGraph.dll。其中，ZedGraph是一个开源的.NET图表类库，全部代码由C#开发，可以利用任意的数据集合创建2D的线性和柱形图表。为了提高代码的可移植性和重编辑性，本实施例实验中将信号的实时数据、方差、峰峰值、Q值等数据的计算集成在自定义的OPMEYE类中。此外还包含了fft和ifft，精确眼搜索算法Accuratesearch()、动态相位调整指令如相位加（Phaseplus）、相位减（Phaseminus）、自动调相（Autophase）三个指令，文件操作指令如打开CSV数据、打开上位机数据和保存数据等。在C#中编写相应程序将这些指令和相关参数在人机交互界面显示，如图7所示。

8)在本实施例实验中，相位调整可以进行如下操作：（1）单步调相。一体机人机交互控制界面发出Phaseplus和Phaseminus指令，与此相对应下位机程序发送自定义的CCCC和DDDD指令并通过USB双向数据传输端口进入FPGA模块，FPGA程序中的USB模块通过寄存器控制相移模块PHASE_SHIFT对相位进行单步加或者单步减，相移模块控制触发时钟进行相位的移动。然后，A/DC模块完成数据的采集并在FPGA中进行缓存，逐帧发送到一体机进行处理并显示，此过程如图8所示。（2）自动相位调整。在FPGA中，设置相移模块遍历360度相位的次数为80次。按下一体机人机交互控制界面的Autophase按钮，通过数据传输语句向FPGA发送80次CCCC。FPGA每次接到CCCC命令之后的响应与单步调相相同，此时一体机显示每一个相位下的眼图和相关参数，并且将每一个相位下采集数据对应的方差存储在一个数组中。然后用查找算法将数组中的最大方差a比较a与设计的基准方差值b的大小关系，若a<b则重复执行以上步骤，直至方差a>b，当a>b时找出此时对应的最优相位位置并将其赋值给变量i，通过一个循环语句，循环发送i次CCCC指令将时钟相位调到最大方差对应的位置，即最优相位位置，并显示此时的眼图和信道参数，完成触发电脉冲的动态相位调整，此过程如图9所示。

通过以上实施方法的描述，本领域技术人员可以清楚地了解本发明所提供的一种光采样示波器中电触发时钟相位动态调整的实现和装置。本发明所提供的实现方法的关键特征之一在于通过对采集数据方差的计算反馈控制模数转换模块触发时钟相位的自动调整，使电触发时钟的上升沿与随机电脉冲的峰值位置自动对齐，作为触发时钟触发A/D进行采样，准确的获得了被采样脉冲的峰值幅度信息。实现光采样示波器对高速光信号统计特性的准确测量。

如图9所示，在一体机人机交互控制界面按下自动调相按钮，很快可以得到一帧眼图，由于此时将不同相位对应的方差的值存储在数组中，将它取出然后以相位为横坐标，以方差的值为纵坐标，绘制折线图，如图10所示：发现相位和方差的变化规律类似高斯函数，在相位的某一个位置，有一个最大方差值，并且自动调相停在的位置恰好是最大方差位置，基本也是眼图最优的地方，这验证了自动相位调整的正确性和智能性，并且从按下自动调相按钮到显示最优眼图所用时间少于1s。

如图11所示：相位在初始较差位置时候眼图质量很差，眼睛没有张开，过渡带很宽，采样点杂乱无章毫无规律可言基本和噪声一致，此时码间串扰严重，信号恢复的很差。按下自动调相按钮AUTOPHASE之后显示的眼图质量远好于初始相位的眼图质量，眼睛张开的很大很清晰，过渡带非常窄，基本为垂直降落，点的分布比较规律，均匀分布在0和1两侧，说明信号的码间串扰基本可以忽略，信号恢复的很好。这说明经过自动相位调整，电触发时钟的上升沿对准了随机电脉冲的峰值点，此时采样取得的效果最好，也充分验证了动态相位调整的智能型和可行性。

以上所述，只是本发明的较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围不应局限于此。对于任何熟悉本技术领域的技术人员，在不脱离本发明所公开的技术原理的前提下，可以轻易的想到的变换或者替换方法（例如用不同的显示界面进行眼图的显示，或者利用不同的参数衡量眼图的优劣，或者采用不同的相移量进行相位的调整等）都应该视为涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种电触发时钟相位动态调整方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤一，对进入光采样示波器的光信号进行采样得到光采样信号，光采样信号经光采样示波器内部的光电探测后转换为随机电脉冲；同时将采样光脉冲输入光采样示波器的另一个端口，经光采样示波器内部的光电探测后转换为周期性电脉冲；

步骤二，对步骤一得到的周期性电脉冲进行锁相操作；具体方法为：周期性电脉冲经过一个锁相环，锁相环稳定周期性电脉冲，并按照步长m调整周期性电脉冲的相位，使锁相环输出的周期性电脉冲的时钟相位在360度范围内等步长m遍历，经过360/m次调整后，回到周期性电脉冲相位的初始位置；

步骤三，用步骤二锁相后得到的周期性电脉冲，对步骤一得到的随机电脉冲进行采样，每一个时钟相位均得到一组对应的采集数据，输出至计算机；由计算机计算得到每组时钟相位采集数据的方差，并将360/m个方差存储在一个数组中，形成方差数组；计算机显示采样数据眼图及方差；

步骤四，对步骤三中所得的方差数组进行查找，找出其中最大方差值a；

步骤五，若步骤四中所得a<b，b为基准方差值，则重复步骤二、步骤三及步骤四，直到a大于等于b，得到此时方差值a对应的时钟相位以及该时钟相位对应的调整次数n；其中，基准方差的具体计算方法是：首先让相位遍历一周，然后计算每个相位对应的方差值，比较得到最大方差值M，基准方差为最大方差乘以比例，比例范围为[0.8，1]；

步骤六，对步骤一得到的周期性电脉冲进行n次相位调整，每次的调整方向及步长与步骤二的调整方向及步长均相同；n次相位调整后，周期性电脉冲上升沿与随机电脉冲的峰值对齐，此时周期性电脉冲的相位为最佳相位；

步骤七，用步骤六调整后的周期性电脉冲对随机电脉冲进行数据采样，经缓存后逐帧输出至计算机；计算机计算每帧数据的方差，并显示此时眼图；若方差一旦小于b，则重复步骤二至步骤六，重新锁定周期性电脉冲的最佳相位。

2.电触发时钟相位动态调整装置，其特征在于：包括第一光电探测器、第二光电探测器、第一放大电路、第二放大电路、模数转换电路板、数字信号处理模块和包括人机交互控制界面的一体机；其中数字信号处理模块包括PLL模块；

采样光脉冲进入第一光电探测器，第一光电探测器和第一放大电路连接，被测光信号经过光采样和第二光电探测器相连，第二光电探测器和第二放大电路连接，放大后输出的周期电脉冲信号和数字信号处理模块内的PLL模块连接，放大后输出的随机电脉冲信号和模数转换电路板连接，经由PLL模块调相输出的方波时钟信号和模数转换电路板连接，模数转换电路板和一体机连接；

电触发时钟信号与随机电脉冲信号具有不同的初始相位，如果要准确获得随机电脉冲信号幅度的峰值信息，必须对模数转换器的电触发时钟进行动态相位调整；利用数字信号处理模块提供的PLL动态重配置功能，通过一体机的人机交互界面对PLL输出的电触发时钟相位进行控制，并利用方差作为评价标准实现电触发时钟相位的动态调整。

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