CN107171780B - 时钟恢复相位模糊判定、补偿的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种时钟恢复相位模糊判定、补偿的装置和方法。同步转发测距中要求被测端根据接收信号的相位和速率提取恢复时钟，但系统重启后，吉比特收发器(GTX/GTH)恢复时钟时可能会出现180度初始相位翻转现象，这将导致测距结果出现模糊。为此，本发明提出在使用GTX/GTH恢复时钟时，对经A/D转换器采样的接收信号进行跟踪，准确定位实际信号的到达时刻，并以实际信号的到达时刻作为基准，对恢复时钟及恢复时钟的180度反相时钟进行对比判决，判定哪一路时钟为正确的恢复时钟，并对由于错误恢复时钟所导致的测距模糊进行补偿。本方法解决了GTX/GTH恢复时钟相位模糊所导致的同步转发测距结果出现模糊的问题，提高了同步转发测距法的测距精度。
Description
技术领域
本发明涉及时钟恢复相位模糊判定、补偿的装置及方法，属于卫星通信和雷达技术领域。
背景技术
激光统一测控系统要求天基终端与地面站之间、天基终端与天基终端之间采用激光实现高速数据传输与高精度测距一体化功能。目前导航探测系统中有一种广泛使用的测距方法，称为同步转发测距方法。同步转发测距原理如图1所示，天基终端作为被测端，向地面站发送的信号称为下行链路信号；地面站作为主测端，向天基终端发送的信号称为上行链路信号。主测端发送上行测距帧数据至被测端，主测端使用本地时间系统记录上行测距帧帧头时刻，被测端收到上行测距后立即转发，即下行测距帧帧头与到达被测端的上行测距帧帧头在时间上保持一致(实际工程中有系统处理时延，为恒定值)，并且转发信号中携带与接收信号一致的动态信息(相当于上行信号发送到被测端之后反射回主测端)。主测端使用本地时间系统记录下行测距帧帧头时刻。据此计算出地面发出上行测距帧帧头至地面收到下行测距帧帧头之间的时延，即为信号上下行传输时延，乘以光速即可得到双向路程。同步转发测距与其他测距方法相比，由于距离的测量在主测端完成，因此有效地消除了主、被测端时钟差对测距结果的影响。
同步转发测距要求被测端实时地跟踪主测端发来的信号，并以相同的相位和速率发送信号给主测端。一种可行方法是被测端根据接收信号的相位和速率提取恢复时钟，确保恢复时钟完全跟踪接收信号，以此时钟进行转发即可达到同步转发的目的。在实现这种方法时可利用FPGA中的吉比特收发器(GTX/GTH)模块提取恢复时钟。
GTX/GTH作为高速信号的接收端时，具有通过内部时钟数据恢复(Clock DataRecovery,CDR)电路在时钟非同源的动态信道中恢复出与接受信号速率相匹配的时钟的功能，此时钟称为恢复时钟。以恢复时钟为基准指导同步转发，在被测端将接收信号再生转发回主测端。然而，经实验观测发现：系统重启后，使用GTX/GTH恢复的时钟有时会出现180度初始相位翻转现象，即相位偏差1/2个时钟周期，这可能是由CDR电路内部锁相环路引起的。虽然这对通信没有影响，解调出的数据是正确的，但是恢复时钟却存在相位模糊，恢复时钟相位模糊会导致转发信号的相位模糊，最终导致同步转发测距结果出现模糊，即每次测量的结果可能有2种情况，二者相差1/2个时钟周期。针对这一问题，本发明提出了时钟恢复180度相位模糊的判定、补偿装置及方法。
发明内容
针对以上问题，本发明提出了一种时钟恢复相位模糊判定、补偿的装置及方法。具体如下：
一种时钟恢复相位模糊判定装置，包括：时钟恢复电路：恢复出与接收到的输入信号速率相匹配的恢复时钟(clk0)，以及与clk0相位相差180度的反相时钟(clk180)；同步电路：跟踪接收到的输入信号，每一帧产生一次帧标志脉冲(pr)及当前时刻对应的码初相位(P0)；以及运算判决电路：以所述的clk0、clk180、pr和P0为输入，判定恢复出的随路时钟是否存在相位偏移，并给出判决标志。
进一步地，所述时钟恢复电路包括吉比特收发器(GTX/GTH)和数字时钟管理器(DCM)，GTX/GTH在接收高速信号的同时，通过其内部的时钟数据恢复(CDR)电路恢复出与接收信号速率相匹配的clk0，一路直接送入运算判决电路，另一路经所述DCM产生相位差180度的clk180之后送入所述运算判决电路；
进一步地，所述同步电路包括A/D转换器和数字延迟锁相环(DDLL)，A/D转换器以固定频率对输入信号进行采集，将采集的数据送入所述DDLL，用于对接收信号进行跟踪，每一帧数据产生一次pr和P0。
进一步地，所述运算判决电路接收所述clk0、clk180、pr和P0，并根据接收的输入信号的实际到达时间Ta和判决策略判定恢复出的随路时钟是否存在相位偏移，再由判定的结果给出判决标志，其中，所述接收的输入信号的实际到达时刻Ta是指pr的出现时间Tp减去码初相位P0对应的时间长度。
再进一步地，所述判决策略为：若clk0先采集到pr，且则判定clk0与Ta时刻距离更近；若clk0先采集到pr，且则判定clk180与Ta时刻距离更近；若clk180先采集到pr，且则判定clk180与Ta时刻距离更近；若clk180先采集到pr，且则判定clk0与Ta时刻距离更近；不论clk0还是clk180先采集到pr，若则无法判定，需要在下一帧重新采集；其中Tclk为一个时钟周期的持续时间Tc换算为码相位的值。
再进一步地，如果clk0与Ta时刻距离更近，则认为clk0与主测端发送时钟的相位一致，这时需要给出标志信号传递回主测端，通知主测端不对测距结果补偿；如果clk180与Ta时刻距离更近，则认为clk180与主测端发送时钟的相位一致，这时需要给出标志信号传递给主测端，通知主测端对测距结果进行补偿，补偿量是
再进一步地，所述判决策略中的P0用式P0'＝mod(P0+Tclk-tdp,Tclk)替代，其中，mod(*)表示取模运算，tdp是时钟恢复电路中的GTX/GTH和同步电路的A/D转换器之间的固定的处理时延，以码相位形式表示。
再进一步地，如果P0'的值在0±ΔT范围内或者范围内，则应该重新采样，直到不再在0±ΔT范围内或者范围内为止，其中，ΔT是边沿采样保护间隔，优选的，ΔT取值为或或
一种时钟恢复相位模糊判定方法，包括步骤：
S1.将接收信号分为两路，一路输入到时钟恢复电路，另一路输入至同步电路；
S2.时钟恢复电路依据接收信号，产生两路与接收信号速率相匹配的恢复时钟clk0、以及和clk0相位相差180度反向时钟clk180，同步电路对接收信号进行跟踪，每隔一帧产生一次帧标志脉冲pr及当前时刻对应的码初相位P0，将clk0、clk180、pr和P0送至运算判决电路；
S3.运算判决电路接收到clk0、clk180、pr和P0，根据判决策略真值表判定恢复出的随路时钟是否存在相位偏移，并给出判决标志和补偿量。
一种时钟恢复相位模糊判定方法，判定依据为：
(a).若clk0先采集到pr，且则判定clk0与Ta时刻距离更近；
(b).若clk0先采集到pr，且则判定clk180与Ta时刻距离更近；
(c).若clk180先采集到pr，且则判定clk180与Ta时刻距离更近；
(d).若clk180先采集到pr，且则判定clk0与Ta时刻距离更近；
(e).不论clk0还是clk180先采集到pr，若则无法判定，需要在下一帧重新采集；
其中，clk0是时钟恢复电路恢复出的与接收到的输入信号速率相匹配的恢复时钟，clk180是与clk0相位相差180度的反相时钟，pr是同步电路每一帧产生一次的帧标志脉冲，Tclk为一个时钟周期的持续时间Tc换算为码相位的值，Ta是输入信号的实际到达时间，P0是同步电路中每一帧当前时刻对应的码初相位，或者是P0用公式P0'＝mod(P0+Tclk-tdp,Tclk)进行替换的替换值P0'，公式中的tdp是以码相位形式表示的时钟恢复电路和同步电路之间的固定的处理时延。
一种时钟恢复相位模糊补偿方法，判定时钟恢复产生了180度的相位偏移时，对测距结果进行补偿，补偿量是其中Tc为一个时钟周期的持续时间。
本发明针对GTX/GTH时钟恢复存在180度相位模糊的问题，提出了一种时钟恢复相位模糊判定、补偿的装置及方法，将这种时钟恢复相位模糊判定、补偿的装置及方法运用于同步转发测距法中，可以有效解决GTX/GTH恢复时钟相位模糊所导致的同步转发测距结果出现模糊的问题，有效提高了同步转发测距法的测距精度。
附图说明
图1是同步转发测距原理示意图；
图2是本发明的解决方案；
图3是不同情况下clk0及clk180两个时钟与实际数据到达时刻对应关系示意图；
图4是保护间隔示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明和详细描述。
如图2所示是本发明提出的解决方案示意图，这套解决方案主要由3个电路构成，它们是时钟恢复电路、同步电路以及运算判决电路，下面分别对这三个电路进行详细介绍。
时钟恢复电路包括FPGA中的GTX/GTH和数字时钟管理器(Digital Clock Manage,DCM)，GTX/GTH在接收高速信号的同时，还通过其内部的CDR电路恢复出与接收信号速率相匹配的恢复时钟，恢复时钟有可能在相位上与主测端发送时钟完全相同，也有可能与其相位相差180度，因此需要引出一路恢复时钟送入DCM对其倒相，产生180度反相时钟。时钟恢复电路将根据接收到的信号，最终产生两路与接收信号速率相匹配、相位相差180度的恢复时钟，送入运算判电路块进行后续处理。
同步电路包括A/D转换器和数字延迟锁相环(Digital Delay-Locked Loop,DDLL)，GTX/GTH在接收信号的同时，同步电路的A/D转换器也将会以固定频率对输入信号进行采集，再将采集的数据送入数字延迟锁相环DDLL中，用于对接收信号进行跟踪。同步电路的跟踪方式与GTX/GTH的CDR电路不同，DDLL不对时钟进行调整，仅调整本地码表的码相位，每一时刻算出一个当前码相位值，码相位循环一个周期后(即收完一帧数据)产生一次帧标志脉冲pr和当前时刻对应的码初相位P0，帧标志脉冲pr出现的时刻与码初相位P0将用于定位输入信号的实际到达时刻。同步电路产生的帧标志脉冲pr和码初相位P0将被送入运算判决电路，进行后续操作。
运算判决电路接收恢复时钟clk0及其反相时钟clk180、帧标志脉冲pr和当前码初相位P0，并利用这些信号来判断哪一路恢复时钟与接收信号的相位相匹配。假设pr的出现时刻为Tp，则Tp减去码初相位P0对应的时间长度即为接收信号的实际到达时刻Ta，Ta可能与GTX/GTH恢复时钟clk0对齐，也可能与GTX/GTH恢复时钟的反相时钟clk180对齐。
在本发明中使用如下的判决策略：使用clk0与clk180分别采集pr，如果GTX/GTH恢复时钟clk0先采集到pr，且(Tclk是将一个时钟周期的持续时间Tc换算为码相位的值)，则判定clk0与Ta时刻距离更近，若则判定clk180与Ta时刻距离更近，若则无法判定，需要在下一帧重新采集；如果GTX/GTH恢复时钟的反相时钟clk180先采集到pr，且则判定clk180与Ta时刻距离更近，若则判定clk0与Ta时刻距离更近，若则无法判定，需要在下一帧重新采集。判决策略的真值表如表1所示。
表1判决策略真值表
图3是不同情况下clk0及clk180两个时钟与实际数据到达时刻对应关系示意图。包含4种情况：clk0先采集到pr，clk180先采集到pr，clk0先采集到pr，clk180先采集到pr，图中并未包含这种特殊情况。
在clk0和clk180中间，判定与Ta时刻距离更近的那一个时钟信号与主测端发送时钟的相位一致。如果clk0与Ta时刻距离更近，则认为clk0与主测端发送时钟的相位一致，这时需要给出标志信号传递回主测端，通知主测端不对测距结果补偿；如果clk180与Ta时刻距离更近，则认为clk180与主测端发送时钟的相位一致，这时需要给出标志信号传递给主测端，通知主测端对测距结果进行补偿，补偿量是
在实际实现时，还需要考虑以下问题：
1.实际处理中，接收信号在GTX/GTH和A/D转换器两路通道内的处理时延的不同，两路通道的传输时延存在固定偏差td，其对应码相位值tdp，这时需要使用示波器对tdp进行辅助测量。补偿延时后得到最终用于判决的初相位值P0'＝mod(P0+Tclk-tdp,Tclk)。其中，mod(*)表示取模运算。
2.实际处理中，还要设置边沿采样保护间隔ΔT，如图4所示，如果检测到P0’的值在0±ΔT范围内或者范围内(图中灰色区域)，即P0’处于保护间隔ΔT内，则认为GTX/GTH恢复时钟(或反相时钟)与pr距离很近，有可能因边沿采样而采集出错，这时应该重新采样，直到不再是边沿采样为止。ΔT根据实际情况可取为或或
表2测试结果
设定主测端与被测端之间上行与下行数据速率均为2.5Gbps，测试环境的真实距离值为9.55ns(这里以ns为单位指的是以信号传输时延表征距离值，下面所有测距值都以ns为单位)，FPGA的高速串行接口GTX/GTH将以2.5Gbps的数据速率接收数据信号。信号在经过GTX/GTH时，将会进行串并转换，转换为16bit并行数据，随路时钟也因此降低为原来的1/16，此时GTX/GTH的CDR电路将会恢复出156.25MHz(Tc＝6.4ns)随路处理时钟，但无法判断恢复时钟是否存在180度相位模糊，以及主测端是否需要对测距结果进行补偿。
当系统重启时，使用GTX/GTH恢复出的恢复时钟有时会出现180度初始相位翻转，为对补偿方法的性能进行检验，故对系统进行20次重启，得到表2中的测试结果。将实测的未做补偿的测距结果填入表中，对比测距模糊与测得的P0能否正确对应(即补偿结果是否正确)。经过测试发现即便重启后测量结果存在模糊，都可以通过运算补偿将模糊解算出来，这样就可以消除恢复时钟相位模糊对测距结果造成的影响。
GTX/GTH时钟恢复180度相位模糊的相位判决和补偿办法通过以下步骤实现：
步骤一：将接收信号分为两路，一路输入到时钟恢复电路，另一路输入至同步电路；
步骤二：时钟恢复电路依据接收信号，产生两路与接收信号速率相匹配、相位相差180度的恢复时钟clk0和clk180，同步电路对接收信号进行跟踪，每隔一帧产生一次帧标志脉冲pr及当前时刻对应的码初相位P0，将clk0、clk180、pr和P0送至运算判决电路；
步骤三：运算判决电路接收到两路反相的恢复时钟clk0和clk180、帧标志脉冲pr和当前码初相位P0，根据判决策略真值表判断clk0和clk180哪一个时钟与主测端发送时钟的相位一致，并给出判决标志和补偿量。
Claims (8)
1.一种时钟恢复相位模糊判定装置，其特征在于，包括：
时钟恢复电路：恢复出与接收到的输入信号速率相匹配的恢复时钟(clk0)，以及与clk0相位相差180度的反相时钟(clk180)；
同步电路：跟踪接收到的输入信号，每一帧产生一次帧标志脉冲(pr)及当前时刻对应的码初相位(P0)；以及
运算判决电路：以所述的clk0、clk180、pr和P0为输入，判定所述的clk0是否存在180度的相位偏移，并给出判决标志，所述判定的依据是：若clk0先采集到pr，且则判定clk0与Ta时刻距离更近；若clk0先采集到pr，且则判定clk180与Ta时刻距离更近；若clk180先采集到pr，且则判定clk180与Ta时刻距离更近；若clk180先采集到pr，且则判定clk0与Ta时刻距离更近；不论clk0还是clk180先采集到pr，若则无法判定，需要在下一帧重新采集；其中Tclk为一个时钟周期的持续时间Tc换算为码相位的值，Ta是接收的输入信号的实际到达时间。
2.如权利要求1所述的时钟恢复相位模糊判定装置，其特征在于：
所述时钟恢复电路包括吉比特收发器(GTX/GTH)和数字时钟管理器(DCM)，GTX/GTH在接收高速信号的同时，通过其内部的时钟数据恢复(CDR)电路恢复出与接收信号速率相匹配的clk0，一路直接送入运算判决电路，另一路经所述DCM产生相位差180度的clk180之后送入所述运算判决电路；或者其特征在于：
所述同步电路包括A/D转换器和数字延迟锁相环(DDLL)，A/D转换器以固定频率对输入信号进行采集，将采集的数据送入所述DDLL，用于对接收信号进行跟踪，每一帧数据产生一次pr和P0。
3.如权利要求1所述的时钟恢复相位模糊判定装置，其特征在于，所述运算判决电路接收所述clk0、clk180、pr和P0，并根据接收的输入信号的实际到达时间Ta和判决策略判定恢复出的随路时钟是否存在相位偏移，再由判定的结果给出判决标志，其中，所述接收的输入信号的实际到达时刻Ta是指pr的出现时间Tp减去码初相位P0对应的时间长度。
4.如权利要求1所述的时钟恢复相位模糊判定装置，其特征在于，如果clk0与Ta时刻距离更近，则认为clk0与主测端发送时钟的相位一致，这时需要给出标志信号传递回主测端，通知主测端不对测距结果补偿；如果clk180与Ta时刻距离更近，则认为clk180与主测端发送时钟的相位一致，这时需要给出标志信号传递给主测端，通知主测端对测距结果进行补偿，补偿量是
5.如权利要求1所述的时钟恢复相位模糊判定装置，其特征在于，所述判决策略中的P0用式P0'＝mod(P0+Tclk-tdp,Tclk)替代，其中，mod(*)表示取模运算，tdp是时钟恢复电路中的GTX/GTH和同步电路的A/D转换器之间的固定的处理时延，以码相位形式表示。
6.如权利要求5所述的时钟恢复相位模糊判定装置，其特征在于，如果P0'的值在0±△T范围内或者范围内，则应该重新采样，直到不再在0±△T范围内或者范围内为止，其中，△T是边沿采样保护间隔，优选的，△T取值为或或
7.一种时钟恢复相位模糊判定方法，包括步骤：
S1.将接收信号分为两路，一路输入到时钟恢复电路，另一路输入至同步电路；
S2.时钟恢复电路依据接收信号，产生两路与接收信号速率相匹配的恢复时钟clk0、以及和clk0相位相差180度反向时钟clk180，同步电路对接收信号进行跟踪，每隔一帧产生一次帧标志脉冲pr及当前时刻对应的码初相位P0，将clk0、clk180、pr和P0送至运算判决电路；
S3.运算判决电路接收到clk0、clk180、pr和P0，根据判决策略真值表判定由所述的时钟恢复电路恢复出的与接收到的输入信号速率相匹配的恢复时钟(clk0)是否存在180度的相位偏移，并给出判决标志和补偿量；所述的判决策略真值表为：若clk0先采集到pr，且则判定clk0与Ta时刻距离更近；若clk0先采集到pr，且则判定clk180与Ta时刻距离更近；若clk180先采集到pr，且则判定clk180与Ta时刻距离更近；若clk180先采集到pr，且则判定clk0与Ta时刻距离更近；不论clk0还是clk180先采集到pr，若则无法判定，需要在下一帧重新采集；其中，Ta是接收的输入信号的实际到达时间，Tclk为一个时钟周期的持续时间Tc换算为码相位的值。
8.一种时钟恢复相位模糊判定方法，其特征在于，判定依据为：
(a).若clk0先采集到pr，且则判定clk0与Ta时刻距离更近；
(b).若clk0先采集到pr，且则判定clk180与Ta时刻距离更近；
(c).若clk180先采集到pr，且则判定clk180与Ta时刻距离更近；
(d).若clk180先采集到pr，且则判定clk0与Ta时刻距离更近；
(e).不论clk0先采集到pr还是clk180先采集到pr，若则无法判定，需要在下一帧重新采集；
其中，clk0是时钟恢复电路恢复出的与接收到的输入信号速率相匹配的恢复时钟，clk180是与clk0相位相差180度的反相时钟，pr是同步电路每一帧产生一次的帧标志脉冲，Tclk是一个时钟周期的持续时间Tc换算为码相位的值，Ta是输入信号的实际到达时间，P0是同步电路中每一帧当前时刻对应的码初相位，或者是用公式P0'＝mod(P0+Tclk-tdp,Tclk)进行替换P0的替换值P0'，公式中的tdp是以码相位形式表示的时钟恢复电路和同步电路之间的固定的处理时延，mod(*)表示取模运算。
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