CN108111224A - 一种异步光纤通信方法、装置及网络 - Google Patents

Abstract

一种异步光纤通信方法、装置及网络，通过长锁定报文对异步光纤通信网络中的各个节点实现采样时钟的同步，再通过定期发送的短同步锁定信息，对通信过程中时钟相位的偏差进行校正。本发明所提供的异步光纤通信技术发送和接收都是采用的本地时钟，无需增设额外的时钟，采样要求相对较低，数据负荷较小，锁定过程简单，配合相对简化的编码方式，本发明仅仅占用较少的FPGA资源即可实现与现有技术相同的同步效果。同时，基于这种同步方式，本发明还提供了一种新的网络拓扑结构，能够将网络中的主节点进行环接，进一步增加网络的扩展能力。

Description

一种异步光纤通信方法、装置及网络

技术领域

本发明涉及光纤通信技术，尤其涉及一种异步光纤通信方法、装置及网络。

背景技术

现有的异步光纤通信系统中，通常采用如下的三种方式实现同步：

第一种，过采样方式：首先配置锁相环输出两路频率均为12.5倍速而相位相差90度的时钟,两路时钟同时分别在其信号的上升和下降沿进行采样，使采样频率达到50倍速，实现5倍的过采样。然后进行数据跳变检测，并记录下跳变的位置，当发生跳变的时候，开始进行数据的恢复。当两次跳变之间的数据大于或等于3位的时候，取采样数据的第5n+3位作为恢复的数据，将恢复的数据进行自对齐，使用滑动的窗口逐位在恢复出来的数据流中进行滑动，直到能够匹配10b的编码k28.5(直流平衡的8b/10b编码方法中的控制字符),同时记录下匹配位置。触发状态机由复位信号设置进入空闲状态，状态机由接收到的同步信息K28.5来驱动，每次收到K28.5之后，进入一次匹配状态，其他状况下仍保持空闲状态。在一次匹配状态下，若再次收到K28.5同步信息，且经对齐后的对齐位置与一次匹配状态的对齐位置相同，则进入二次配置状态，否则仍停留在一次匹配状态；二次匹配状态到锁定状态的转换与其类似，但若对齐位置发生了变化，则返回一次匹配状态；只有状态机进入了锁定状态才可以继续进行下一步的数据处理并输出。

第二种，利用同频异相位的若干接收单元恢复数据：这种方式通过一个时钟单元，输出多个相位相差恒定的同频率时钟。系统包含有一个求或输出单元及其多个数据恢复单元和通信通道，每个数据恢复单元分别针对不用的时钟进行数据采样恢复工作。这种方式下要求数据恢复单元的数目不低于4个。假设接收通道设有n个接收单元，各接收单元的采样单元的采样时钟相位依次相差360°/n,以此可保证接收到的数据至少被一个接收单元正确恢复，最后将检验通过的数据传到控制单元。

第三种，通过动态相位调整电路锁定时钟：例如，首先通过锁相环PLL输出8个不同相位的信号至DPA(动态相位调整)对时钟对输入的数据分别采样，由此判断出该数据线翻转的位置，这样，就可以从8个不同相位的时钟内选择一个位于有效数据中部的时钟来采样该数据，从而保证数据的正确性。

然而，上述的三种异步通信方式均存在各自的缺陷：

首先，过采样方式需要配置多路时钟，同时对时钟的下降沿和上升沿采样。一旦需要提升通信速率，则会对系统时序提出很高要求。

第二种，利用同频异相位的若干接收单元的方式，虽然能得到部分有效的报文数据，但同时可能存在大量未通过检测的报文，由于没有标准的判断校准是否正确的方式，因此不能给出数据报文的准确性的指标。

第三种，通过动态相位调整电路进行同步的方式，其缺陷在于:数据必须要有足够的翻转沿才能够使得DPA锁定，而且用来对数据进行采样的时钟一定要和输入数据的时钟源为同源时钟，如果两种时钟不同源，即使时钟源的标称频率一致，也将造成错误的数据的采样结果。

因此，针对以上缺陷，目前急需一种能够通过单一时钟、无需增设额外时钟信号、节约过采样数量的异步光纤通信方法及装置。

发明内容

为了解决现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种异步光纤通信方法、装置及。

首先，为实现上述目的，提出一种异步光纤通信方法，包括以下步骤：

第一步，根据长锁定报文进行同步位锁定，若完成同步位锁定，则跳转至第二步；否则，重新发送长锁定报文；

第二步，传递用户报文，接收并检验的所述用户报文，同时根据所述用户报文中的短同步锁定信息调整采样时钟的相位；若接收并检验的所述用户报文出错，则舍弃检验结果，统计出错次数，重复所述第二步，直至连续出错的次数超过阈值后跳转至所述第一步；若接收并检验的所述用户报文正确，则输出所述检验结果，清空统计的所述出错次数，重复所述第二步；第三步，循环上述步骤至通信结束。

具体的，上述的方法中，所述长锁定报文为连续的“1”或连续的“0”。

进一步，上述的方法中，所述长锁定报文、用户报文以及其中的短同步锁定信息均采用直流平衡编码。具体的编码方案为：将待编码数据的“0”和“1”分别编码为两位的“01”和“10”，或将待编码数据的“0”和“1”分别编码为两位的“10”和“01”。

具体的，上述的方法所述第二步中通过滑窗，或通过间隔固定相位的多个采样时钟，判断所述采样时钟的相位的偏移方向，并根据所述偏移方向以固定步长调整所述采样时钟的相位。

其中，用于调整所述采样时钟的相位的固定步长具体选用编码后一位数据长度所对应的码元周期。

具体，上述的方法中，所述短同步锁定信息为用户报文中固定位数的数据，其位数具体为一位待编码数据与所述采样时钟的过采样倍数N之积。

其次，为实现上述目的，还提出一种异步光纤通信装置，包括：相互连接的发送模块和接收模块；

其中，所述发送模块包括：用户报文单元、同步报文单元、链路同步控制单元、编码单元和物理发送单元；所述用户报文单元和所述同步报文单元同时连接所述链路同步控制单元的输入端，所述链路同步控制单元依次与所述编码单元和物理发送单元级联；

所述接收模块包括：依次级联的物理采样单元和链路锁定单元，所述链路锁定单元还与查表单元、报文头检测单元、报文检验单元和控制单元级联为控制环；

所述同步报文单元用于存储长锁定报文；

所述链路同步控制单元用于根据所述报文检验单元的检验结果选择所述同步报文单元或所述用户报文单元内的报文输出至编码单元；

所述物理采样单元内采样时钟的相位由所述控制单元根据接收的所述用户报文单元产生的短同步锁定信息进行调整；

所述控制单元还用于根据所述报文头检测单元以及所述报文检验单元的检验结果判断所述接收模块与所述发射模块是否同步，调整所述链路锁定单元。

具体的，上述的装置中，所述物理发送单元和所述物理采样单元分别为LVDS(低电压差分信号)发送接口和LVDS(低电压差分信号)接收接口。

同时，所述物理采样单元内采样时钟的过采样频率为所述物理发送单元发送频率的N倍，其中，N表示所述采样时钟的过采样倍数，N>2，设计时根据数据传输需要选择合适的倍率。

同时，基于上述装置，本发明还提供一种由如上所述异步光纤通信装置所组成的异步光纤通信网络，网络具体包括：由所述异步光纤通信装置构成所述异步光纤通信网络中的主节点和从节点；

所述主节点的物理发送单元与所述从节点的物理采样单元之间通过光纤环接。

进一步，基于上述的异步光纤通信网络，网络还包括次级节点；

所述次级节点由所述异步光纤通信装置构成；

所述从节点的物理发送单元与所述次级节点的物理采样单元之间通过光纤环接。

就整个网络中的物理层而言，只有一个主节点，由主节点定时或者根据条件发起报文，由于网络是环路，主节点也能接收报文。其它节点都为从节点或从节点的从节点(即次级节点)，从节点先可以接收报文，之后可以转发数据或者根据接收的数据再次重新发起新的报文数据。主节点只是报文的最初发起点，从节点可以转发报文或者根据接收的报文为条件再次重新向下游节点发送其它类型报文。

有益效果

本发明通过长锁定报文对异步光纤通信网络中的各个节点实现采样时钟的同步，再根据周期性发送的用户报文中的短同步锁定信息，对通信过程中时钟相位的偏差进行校正。本发明所提供的异步光纤通信技术发送和接收都是采用的本地时钟，无需增设额外的时钟，采样要求相对较低，数据负荷较小，锁定过程简单，配合相对简化的编码方式，本发明仅仅占用较少的FPGA资源即可实现与现有技术相同的同步效果。

尤其，由于本发明特殊的编码方式，本发明中接收端过采样速率可降低为现有的一半。对于FPGA而言，过采样频率越高对后续逻辑处理的时序要求也越高，不同过采样速率表示后续的处理数据过程复杂度也不同。显然，本发明所提供的编码方式和同步方式能够有效地降低资源的占用率，更为高效。

进一步，基于上述的同步方式，本发明还提供了一种新的网络拓扑结构，能够将网络中的主节点进行环接，可进一步增加网络的扩展能力。尤其适用于需要扩展电源和负载设备功率的场合。因为，通常的一台机器，其设计功率有限，只有将各机器同步组网，即，由同样的若干台功率相对较低的机器，通过该网络结构组网成更大功率的设备。

再进一步，由于两种同步报文均选择了相对简单的编码方式，本发明同步过程中仅需对接收的同步报文采用常用的滑窗的方法，也可以采用偏移固定相位的不同时钟来采样，每采样的一路数据就代表移动的一个相位数据，可进一步降低数据的处理量。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本发明的实施例一起，用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为根据本发明的异步光纤通信方法的流程图；

图2为根据本发明的异步光纤通信装置的框图；

图3为根据本发明的异步光纤通信装置发送模块工作流程示意图；

图4为根据本发明的异步光纤通信装置接收模块工作流程示意图；

图5为根据本发明的异步光纤通信网络的内网光纤环接结构示意图；

图6为根据本发明的异步光纤通信网络的拓扑结构示意图；

图7为根据本发明的异步光纤通信网络中报文的帧结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为根据本发明的异步光纤通信方法的流程图异步光纤通信方法，包括以下步骤：

第一步，根据长锁定报文进行同步位锁定，若完成同步位锁定，则跳转至第二步；否则，重新发送长锁定报文；

第二步，传递用户报文，接收并检验的所述用户报文，同时根据所述用户报文中的短同步锁定信息调整采样时钟的相位；若接收并检验的所述用户报文出错，则舍弃检验结果，统计出错次数，重复所述第二步，直至连续出错的次数超过阈值后跳转至所述第一步；若接收并检验的所述用户报文正确，则输出所述检验结果，清空统计的所述出错次数，重复所述第二步；这里的阈值根据实际应用时的状况选定，如果连续检测报文都出错，可能链路已经失锁，就需要回到第一步再重新锁定；

第三步，循环上述步骤直至通信结束。

进一步，光纤通信要求线路上直流平衡，而且一段时间内要有足够的跳变，所以必须编码，本方案由于是异步通信，相对于复杂的8b/10b编码，本实施例为所述长锁定报文以及所述用户报文(包括其中的短同步锁定信息)设计了简单的直流平衡编码方案。具体的编码方案为：将待编码数据的“0”和“1”分别编码为两位的“01”和“10”，或将待编码数据的“0”和“1”分别编码为两位的“10”和“01”。该编码方案满足上述要求，虽然降低了带宽，但协议简单。对应上述的方法中，设定所述长锁定报文为连续的“1”或连续的“0”。所述短同步锁定信息为用户报文中固定位数的数据，例如，用户报文正中的几位数据，或，有效信息后填充的固定位的“0”或“1”；其位数具体为一位待编码数据与所述采样时钟的过采样倍数N之积。

具体的，上述的方法所述第二步中通过滑窗，或通过间隔固定相位的多个采样时钟，判断所述采样时钟的相位的偏移方向，并根据所述偏移方向以固定步长调整所述采样时钟的相位。其中，用于调整所述采样时钟的相位的固定步长具体选用编码后一位数据长度所对应的码元周期。

其中，第一步中的长锁定报文或第二步中的短同步锁定信息具体设计为：二进制1(或0)，编码后，实际发送的是2位bit的二进制数“10”。接收时，由于采用2.5倍的过采样倍数，具体采集到的数据应表示为11100或11000。如果同步时接收到其它位串，则说明出现相位偏移，需要调整。所述第二步中中通过滑窗判断所述采样时钟的相位的偏移方向，并根据所述偏移方向以固定步长调整所述采样时钟的相位，这一具体的调整过程如下。(以2.5倍的过采样倍数为例)首先参考下表判断相位改往哪个方向偏，再根据偏向调整一个相位，即，调整采样时钟偏移编码后一位数据长度所对应的码元周期。调整方向与具体接收到的同步位信息之间的关系可查阅下表。相位调整的规则为：调整方向＝(检测位置向左偏)？向右：向左。即，如果检测位置向左偏，就将采样时钟的相位向右调整，否则向左调整。这类似于一个反馈系统，根据采样相位，每接收一次同步报文调整一位相位。

由于对于模拟信号，信号不可能突变，接收端相位变化也是逐渐变化的，所以接收端当连续接收到一定数量正确的同步位后，则认为锁定了链路。

参考图2，为实现上述目的，还提出一种异步光纤通信装置，包括：相互连接的发送模块和接收模块；

其中，所述发送模块包括：用户报文单元、同步报文单元、链路同步控制单元、编码单元和物理发送单元；所述用户报文单元和所述同步报文单元同时连接所述链路同步控制单元的输入端，所述链路同步控制单元依次与所述编码单元和物理发送单元级联；如图3所示，所述发送模块用于发送长锁定报文直至整个网络锁定同步，然后发送用户报文，并识别所述用户报文中的短同步锁定信息(本实施例中，短同步锁定信息设计在用户报文中有用信息发送完毕的间隙内发送)，校准网络中各节点时钟的相位。

所述接收模块包括：依次级联的物理采样单元和链路锁定单元，所述链路锁定单元还与查表单元、报文头检测单元、报文检验单元和控制单元级联为控制环；如图4所示，所述接收模块用于根据长锁定报文进行同步位锁定，然后接收并检测用户报文，在用户报文检验出错超出阈值范围时要求重新进行长锁定报文的同步。同时，在根据长锁定报文进行同步位锁定后，所述接收模块还会根据定期接收到的用户报文内固定位置的短同步锁定信息判断是否发生相位偏移，相应地调整相位。

其中，所述同步报文单元用于存储长锁定报文；

所述链路同步控制单元用于根据所述报文检验单元的检验结果选择所述同步报文单元或所述用户报文单元内的报文输出至编码单元；

所述物理采样单元内采样时钟的相位由所述控制单元根据接收的所述用户报文单元产生的短同步锁定信息进行调整；

所述控制单元还用于根据所述报文头检测单元以及所述报文检验单元的检验结果判断所述接收模块与所述发射模块是否同步，调整所述链路锁定单元。

具体的，上述的装置中，所述物理发送单元和所述物理采样单元分别为LVDS发送接口和LVDS接收接口。由于本方案是基于LVDS接口实现，因此不需要特殊的收发功能支持。

同时，所述物理采样单元内采样时钟的过采样频率为所述物理发送单元发送频率的N＝2.5倍。具体至接收端，接收时钟频率设计为是发送端位发送频率的2.5倍,保证发送端每发送2位，接收端接收一个5位数据，发送端发送的2位bit相当于发送端未编码前1位bit,接收端接收一个5bit数据，相当于接收了一个有效数据位。

接收端位同步过程：接收端首先保存LVDS接收接受的5位数据，相位调整窗口是在前一个保存数据和当前采样总计10位的数据中滑动，{old_data[4:0],new_data[4:0]}，分别按照如下顺序进行滑动：new_data[4:0],{old_data[0],new_data[4:1]},

{old_data[1:0],new_data[4:2]},

{old_data[2:0],new_data[4:3]},

{old_data[3:0],new_data[4]}。

每个相位之间有2*pi/5＝75°的间隔，所以接收端很容易比对当前接收的数据与实际数据相位相差多少，只要发生相位偏移就立即执行调整，以保证接收相位与发送相位一致，以免后续需要多次调整才能将相位调整到与发送相位一致。

同时，基于上述装置，本发明还提供一种由如上所述异步光纤通信装置所组成的异步光纤通信网络，参考图5，网络架构具体包括：由所述异步光纤通信装置构成所述异步光纤通信网络中的主节点和从节点；

所述主节点的物理发送单元与所述从节点的物理采样单元之间通过光纤环接。

进一步，参考图6所示，上述的异步光纤通信网络，还包括次级节点；

所述次级节点由所述异步光纤通信装置构成；

所述从节点的物理发送单元与所述次级节点的物理采样单元之间通过光纤环接。

就整个网络中的物理层而言，只有一个主节点，由主节点定时或者根据条件主动发起报文(包括用户报文和长锁定报文)，由于网络是环路，主节点也能接收报文。其它节点都为从节点或从节点的从节点(即次级节点)，从节点先可以接收报文，之后可以转发数据或者根据接收的数据要求主节点重新发起新的报文数据。主节点是报文的最初发起点，从节点可以转发报文或者根据接收的报文为条件再次重新向下游节点发送其它类型报文。同步过程中，主节点后一个从节点首先锁定，然后逐步向环形的下一个从节点或次级节点进行锁定。具体为：所有从节点或次级节点自动转发接收到的主节点数据，进行后续节点的同步，直到主节点接收锁定，才能够确定整个链路均实现锁定。

网络中每个节点在用户报文的收发期间均不调整相位，只有获取到定期发送的用户报文中的短同步锁定信息后才调整。这是因为调整期内发送的数据是固定的同步位，容易确定相位的偏移。而报文数据，不容易确定相位偏向，仅判断相位中点的偏向。

图7为根据本发明的异步光纤通信网络中报文的帧结构图。对于实际报文，定义帧头起始位为0表示，报文位宽固定，当锁定后，检测到0表示帧开始，选择固定长度的帧位表示数据。结束后开启相位调整过程，直到下一次检测到帧头，开始报文的检测。

假设光纤传输速率150mbps,每2us主节点发送一帧报文，定义用户帧(108位)格式如下，2us时间内剩余192位同步位传输，用于相位校正。状态机锁定，根据数据查表法选择实际二进制位。

采样数据	二进制	采样数据	二进制	采样数据	二进制	采样数据	二进制
								00000	0	01000	1	10000	1	11000	1
00001	0	01001	1	10001	0	11001	1
								00010	1	01010	1	10010	0	11010	1
00011	0	01011	1	10011	0	11011	0
								00100	1	01100	1	10100	0	11100	1
00101	1	01101	1	10101	0	11101	0
								00110	0	01110	1	10110	0	11110	1
00111	0	01111	0	10111	0	11111	1

本发明技术方案的优点主要体现在：通过长锁定报文对异步光纤通信网络中的各个节点实现采样时钟的同步，再通过定期发送的短同步锁定信息，对通信过程中时钟相位的偏差进行校正。本发明所提供的异步光纤通信技术发送和接收都是采用的本地时钟，无需增设额外的时钟，采样要求相对较低，数据负荷较小，锁定过程简单，配合相对简化的编码方式，本发明仅仅占用较少的FPGA资源即可实现与现有技术相同的同步效果。

本领域普通技术人员可以理解：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，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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)

1.一种异步光纤通信方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，根据长锁定报文进行同步位锁定，若完成同步位锁定，则跳转至第二步；否则，重新发送长锁定报文；

第二步，传递用户报文，接收并检验的所述用户报文，同时根据所述用户报文中的短同步锁定信息调整采样时钟的相位；若接收并检验的所述用户报文出错，则舍弃检验结果，统计出错次数，重复所述第二步，直至连续出错的次数超过阈值后跳转至所述第一步；若接收并检验的所述用户报文正确，则输出所述检验结果，清空统计的所述出错次数，重复所述第二步；

第三步，循环上述步骤直至通信结束。

2.如权利要求1所述的异步光纤通信方法，其特征在于，所述长锁定报文为连续的“1”或连续的“0”。

3.如权利要求2所述的异步光纤通信方法，其特征在于，所述长锁定报文、用户报文以及其中的短同步锁定信息均采用直流平衡编码。

4.如权利要求3所述的异步光纤通信方法，其特征在于，所述直流平衡编码方案的规则为：将待编码数据的“0”和“1”分别编码为两位的“01”和“10”，或将待编码数据的“0”和“1”分别编码为两位的“10”和“01”。

5.如权利要求3所述的异步光纤通信方法，其特征在于，所述第二步中，通过滑窗，或通过间隔固定相位的多个采样时钟，判断所述采样时钟的相位的偏移方向，并根据所述偏移方向以固定步长调整所述采样时钟的相位。

6.如权利要求5所述的异步光纤通信方法，其特征在于，用于调整所述采样时钟的相位的固定步长具体为编码后一位数据长度所对应的码元周期。

7.如权利要求3所述的异步光纤通信方法，其特征在于，所述短同步锁定信息的位数为一位待编码数据与所述采样时钟的过采样倍数之积。

8.一种异步光纤通信装置，其特征在于，包括：相互连接的发送模块和接收模块；

其中，所述发送模块包括：用户报文单元、同步报文单元、链路同步控制单元、编码单元和物理发送单元；所述用户报文单元和所述同步报文单元同时连接所述链路同步控制单元的输入端，所述链路同步控制单元依次与所述编码单元和物理发送单元级联；

所述接收模块包括：依次级联的物理采样单元和链路锁定单元，所述链路锁定单元还与查表单元、报文头检测单元、报文检验单元和控制单元级联为控制环；

所述同步报文单元用于存储长锁定报文；

所述链路同步控制单元用于根据所述报文检验单元的检验结果选择所述同步报文单元或所述用户报文单元内的报文输出至编码单元；

所述物理采样单元内采样时钟的相位由所述控制单元根据接收的所述用户报文单元产生的短同步锁定信息进行调整；

所述控制单元还用于根据所述报文头检测单元以及所述报文检验单元的检验结果判断所述接收模块与所述发射模块是否同步，调整所述链路锁定单元。

9.如权利要求8所述的异步光纤通信装置，其特征在于，所述物理发送单元和所述物理采样单元分别为LVDS发送接口和LVDS接收接口。

10.如权利要求9所述的异步光纤通信装置，其特征在于，所述物理采样单元内采样时钟的过采样频率为所述物理发送单元发送频率的N倍，其中，N表示所述采样时钟的过采样倍数。

11.一种由如权利要求8所述异步光纤通信装置所组成的异步光纤通信网络，其特征在于，由所述异步光纤通信装置构成所述异步光纤通信网络中的主节点和从节点；

所述主节点的物理发送单元与所述从节点的物理采样单元之间通过光纤环接。

12.如权利要求11所述的异步光纤通信网络，其特征在于，还包括次级节点，

所述次级节点由如权利要求8所述的异步光纤通信装置构成；

所述从节点的物理发送单元与所述次级节点的物理采样单元之间通过光纤环接。