CN109150287B - 一种基于等帧频传输的非相干时钟域管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于等帧频传输的非相干时钟域管理方法，提出了一种基于数控振荡器分频结合复位清零的时钟域管理方案，首先确定输出传输帧的符号速率，继而确定本地数控振荡器NCO的频率控制字，根据等帧频传输条件和输入信号帧频差的抖动特性，确定每一个输入信号帧复位本地数控振荡器NCO的次数，使用所述本地数控振荡器NCO用于产生基带时钟；使用所述基带时钟按照所述符号速率驱动输出传输帧发送基带数据，完成时钟域管理工作。达到消除输出符号时间误差积累目的，同时，解决输入和输出频率不相干且不相等，而又要求等帧频数据传输的技术难题。本发明在各类中低轨卫星实现基于等帧频传输的速率提升或降低方面有着广阔的应用前景。

Description

一种基于等帧频传输的非相干时钟域管理方法

技术领域

本发明属于卫星测控与通信技术领域，涉及一种基于等帧频数据帧传输的非相干时钟域管理方法。

背景技术

在卫星测控和通信过程中，输入信号帧一般作为数据源，以位流形式、或者过采样(重复)、或者欠采样(抽取)等形式直接填充至输出传输帧。

这种传输形式思路清晰，没有等帧频传输的任务需求，输入速率和输出速率(两个非相干)没有必要建立必然逻辑关系。

在背景型号中，地基Ka波段综合遥外测的下行扩频遥测帧和调频FM数传帧均要求等帧频传输。

接收到外系统输入的遥测(或数传)信息帧，不得改变输入信号帧的帧频、帧头和数据域内容次序，在每一个遥测(或数传)信息帧的帧尾面增加本单机的数字状态遥测量，形成下行的遥测(或数传)传输帧。

基于两个不相干时钟进行等帧频数据帧传输方式属卫星型号中首次应用，其时钟域管理方法未见相关的期刊和发明研究。

在传统的卫星测控与通信技术中，单机产生和输入时钟相干的频率源一般采取模拟锁相环或数字时钟管理器等措施。

两者均采取对输入时钟进行先倍频后分频的基本思路，即计算输入和输出时钟的最小公倍数频率点，先将输入时钟倍频M倍，提升至最小公倍数频率点，然后对最小公倍数频点进行分频1/N倍，降低至所需的输出时钟，此时输出时钟＝输入时钟×M/N。

但是模拟锁相环在应用时存在易受温度和电压影响、锁相时间长、直流零点漂移及硬件构成复杂等缺点。而数字时钟管理器存在复位逻辑缺陷、上电初态未知以及在宇航应用过程中性能稳定性差等不足。

发明内容

本发明的技术解决问题是：

提出了一种基于等帧频传输的非相干时钟域管理方法，通过对本地数控振荡器定期复位清零，达到消除输出符号时间误差积累目的，旨在满足输入/输出频率不相干且不相等，而又要求等帧频数据传输的型号需求。

本发明的技术解决方案是：

一种基于等帧频传输的非相干时钟域管理方法，包括步骤如下：

1)根据输入信号帧的符号速率fi，输入信号帧的字节长度Ni，输出传输帧的字节长度No，确定输出传输帧的符号速率fo；

2)根据步骤1)确定的所述输出传输帧的符号速率fo，确定本地数控振荡器NCO的频率控制字Mo；

3)根据等帧频传输条件和输入信号帧频差的抖动特性，确定每一个输入信号帧复位本地数控振荡器NCO的次数；

4)使用所述本地数控振荡器NCO用于产生基带时钟；使用所述基带时钟按照所述符号速率fo驱动输出传输帧发送基带数据，完成时钟域管理工作。

所述步骤1)确定输出传输帧的符号速率fo的具体方法为：

fo＝No/Ni×fi。

所述步骤2)确定本地数控振荡器NCO的频率控制字Mo的具体方法为：

Mo＝(No/Ni)×fi×2^Na/fs，

No/Ni×fi＝fo，

其中，fs为系统时钟的频率，Na为相位累加器的位宽。

所述步骤3)等帧频传输条件为：输出传输帧的帧频等于输入信号帧的帧频。

所述步骤3)确定每一个输入信号帧复位本地数控振荡器NCO次数的具体方法为：

31)根据等帧频传输条件确定等帧频等式，确定所述等帧频等式两边的所有公因子ξ；

32)将步骤31)确定的所有公因子由小到大依次排列，从值最小的公因子开始求取该公因子对应的输出符号不等宽系数η，

33)判断步骤32)所求取的输出符号不等宽系数η是否小于基带数据不等宽的系统指标ηo，若小于，则进入步骤34)；若不小于，则求取下一个公因子对应的输出符号不等宽系数η，直至所求取的输出符号不等宽系数η小于基带数据不等宽的系统指标ηo，进入步骤34)；

34)将求取步骤33)所述输出符号不等宽系数η对应的公因子作为每一个输入信号帧复位本地数控振荡器NCO的次数。

所述步骤31)确定所述等帧频等式，具体为：

No×8×To＝Ni×8×Ti，

其中，To为所述输出传输帧的符号周期，Ti为所述输入信号帧的符号周期。

所述步骤32)确定输出符号不等宽系数η的具体方法为：

η＝(No×8/ξ)×Δfi/fi，

其中，Δfi/fi为输入信号频差抖动特性，Δfi/fi≤1×10^-4。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1)本发明根据输入/输出频率不相干且不相等，而又要求等帧频传输的任务需求，提出利用数字振荡器NCO生成输出时钟的时钟域管理思路，并给出其频率控制字的计算公式，算法简单、思路清晰。

2)本发明确定每一个输入信号帧复位本地数控振荡器NCO的次数，通过对本地NCO的定期复位清零，达到了消除输出符号时间误差积累的目的，奠定了基于等帧频传输的非相干时钟域管理的理论基础，技术途径明确。

3)本发明结合接收端解调损失优于0.5dB要求和输入信号频差抖动特性优于1×10^-4基础，通过数学推导给出了输出符号不等宽系数的具体计算公式，工程利用价值高。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

在背景型号中，星上设备由接收通道、基带处理、发射模块及调频模块组成，用于建立可靠和稳定的安控、测量、遥测、数传以及信标等链路。

其下行链路具备两种工作模式：扩频遥测和调频数传，两者异频，同时工作，互不影响。

要求不得改变输入信号帧的帧频、帧头和数据域内容次序，在每一个输入帧的帧尾面增加本单机的数字状态遥测量，形成输出传输帧。

输入遥测信息帧的帧长度为512字节，速率为8.192Kbps；输出遥测帧的长度为625字节，输入信号帧和输出传输帧的帧频均为2帧/s。

输入数传信息帧长度为896字节，速率为917.504Kbps；输出数传帧长度为960字节，输入信号帧和输出传输帧的帧频均为128帧/s。

在实现遥测和数传的数据帧传输过程中，简单地、有效地实现非相干时钟域管理是一项技术难点，逻辑简单、准确可靠等是其基本要求。

本发明与现有卫星技术中模拟锁相环或数字时钟管理等措施相比，解决了硬件代价高，性能稳定性差等技术缺点，满足了等帧频传输的准确性和可靠性的任务需求。在实现卫星等帧频传输的非相干时钟域管理方面有着广阔的应用前景。

如图1所示为本发明的流程图。

以遥测帧为例，本发明提出的一种基于等帧频传输的非相干时钟域管理方法，实施步骤如下：

(1)根据等帧频传输条件，输出传输帧的帧频Ko(2帧/s)等于输入信号帧的帧频Ki(2帧/s)，即可得Ko＝Ki；

(2)根据输入信号帧的帧长度Ni字节(512B)及帧频Ki帧/s，明确输入信号帧的符号速率fi(8.192Kbps)，即fi＝Ni×8×Ki；

(3)结合步骤1)等帧频传输条件，以输入传输帧的帧长和符号速率等参数表征，确定输出传输帧的符号速率fo(10Kbps)，即fo＝No/Ni×fi，其中No为输出传输帧的字节长度(625B)。

(4)在射频调制时，若对输出传输帧的驱动时钟要求是占空比的偏差小于±5％，即0.5±0.05，得到基带数据不等宽指标ηo小于10％；

所述时钟占空比是指不等宽时钟激励输出不等宽数据，过窄或过宽的基带符号位宽均不利于接收端解调。若基带数据不等宽指标小于10％，则接收站的解调损失约0.5dB，这个指标在卫星工程应用是允许的。

(5)根据输入帧长度Ni和符号速率fi(8.192KHz)以及输出帧长度No，确定用于产生输出符号时钟fo的本地数控振荡器(NCO)的频率控制字Mo，即Mo＝No/Ni×fi×2^Na/fs，其中系统频率为fs(100Mhz)，相位累加器的位宽为Na(32位)；

所述数控振荡器NCO是指以相位角度θ作为地址计算并存储各相位的正弦和余弦值，相位累加器在系统时钟的频率fs驱动下以频率控制字Mo为步进进行累加，累加值(高位)作为地址查找并输出正弦和余弦样本，则样本值的最高位作为驱动传输帧的符号时钟fo。

(6)影响输出基带符号不等宽的关键因素在于输入符号速率fi的频差抖动特性，对其约束条件是Δfi/fi≤1×10^-4；

所述频差抖动特性是指输入真实频率和标称值的Δfi差值要小，在卫星工程应用中频差特性一般优于1×10^-5，不失一般性，优选的取1×10^-4；

(7)根据等帧频传输条件No×8×To＝Ni×8×Ti，计算等式两侧的公因子ξ(ξ＝1或8)；所述等帧频等式是指每一个输入信号帧和每一个输出传输帧所占用时间相等，即传输帧的帧长度No(625B)和符号周期To的乘积等于信息帧的帧长度Ni(512B)和符号周期Ti的乘积，

所述等式两侧的公因子是指等式两侧同时除以不为零的自然数ξ，等式依然成立，这个不为零的自然数ξ称之为公因子。

(8)初步确定1个输入帧复位1次本地振荡器NCO，此时公因子ξ＝1，计算输出符号不等宽系数η＝ΔTo/To＝(No×8/ξ)×Δfi/fi，计算所得η(50％)大于指标ηo(10％)，则确定每1个输入帧(符号位Ni×8)复位1次振荡器的时钟域管理方法是不合适的；

(9)重新选择合适的公因子ξ(ξ＝8)，计算系数η＝(No×8/ξ)×Δfi/fi，比较计算所得η(6.25％)小于指标ηo(10％)，则最终确定每输入若干个符号位(比特数Ni×8/ξ，即64字节)复位1次振荡器的时钟域管理方法。

所述合适的公因子ξ是指满足不等宽系数指标的最小公因子。符合公因子的自然数可能存在若干个，数值越大则不等宽系数越小，但每1个输入帧周期内复位次数(即ξ次)越多，程序逻辑越复杂。

目前本发明已在发射卫星型号上使用，利用该方法实现的非相干时钟域管理逻辑经受住了长期在轨考核，充分验证了该方法的有效性和可行性。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种基于等帧频传输的非相干时钟域管理方法，其特征在于，包括步骤如下：

1)根据输入信号帧的符号速率fi，输入信号帧的字节长度Ni，输出传输帧的字节长度No，确定输出传输帧的符号速率fo；

2)根据步骤1)确定的所述输出传输帧的符号速率fo，确定本地数控振荡器NCO的频率控制字Mo；

3)根据等帧频传输条件和输入信号帧频差的抖动特性，确定每一个输入信号帧复位本地数控振荡器NCO的次数；

4)使用所述本地数控振荡器NCO产生基带时钟；使用所述基带时钟按照所述符号速率fo驱动输出传输帧发送基带数据，完成时钟域管理工作；

所述步骤3)确定每一个输入信号帧复位本地数控振荡器NCO次数的具体方法为：

31)根据等帧频传输条件确定等帧频等式，确定所述等帧频等式两边的所有公因子ξ；

32)将步骤31)确定的所有公因子由小到大依次排列，从值最小的公因子开始求取该公因子对应的输出符号不等宽系数η，

33)判断步骤32)所求取的输出符号不等宽系数η是否小于基带数据不等宽的系统指标ηo，若小于，则进入步骤34)；若不小于，则求取下一个公因子对应的输出符号不等宽系数η，直至所求取的输出符号不等宽系数η小于基带数据不等宽的系统指标ηo，进入步骤34)；

34)将求取步骤33)所述输出符号不等宽系数η对应的公因子作为每一个输入信号帧复位本地数控振荡器NCO的次数；

所述步骤32)确定输出符号不等宽系数η的具体方法为：

η＝(No×8/ξ)×Δfi/fi，

其中，Δfi/fi为输入信号频差抖动特性，Δfi/fi≤1×10^-4；

所述基带数据不等宽的系统指标ηo不大于10％。

2.根据权利要求1所述的一种基于等帧频传输的非相干时钟域管理方法，其特征在于，所述步骤1)确定输出传输帧的符号速率fo的具体方法为：

fo＝No/Ni×fi。

3.根据权利要求1所述的一种基于等帧频传输的非相干时钟域管理方法，其特征在于，所述步骤2)确定本地数控振荡器NCO的频率控制字Mo的具体方法为：

Mo＝fo×2^Na/fs，

其中，fs为系统时钟的频率，Na为相位累加器的位宽。

4.根据权利要求1所述的一种基于等帧频传输的非相干时钟域管理方法，其特征在于，所述等帧频传输条件为：输出传输帧的帧频等于输入信号帧的帧频。

5.根据权利要求4所述的一种基于等帧频传输的非相干时钟域管理方法，其特征在于，所述步骤31)确定所述等帧频等式，具体为：

No×8×To＝Ni×8×Ti，

其中，To为所述输出传输帧的符号周期，Ti为所述输入信号帧的符号周期。

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