CN117527072A - 星载相干光通信数模混合时钟恢复方法和系统 - Google Patents

星载相干光通信数模混合时钟恢复方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种星载相干光通信数模混合时钟恢复方法和系统，属于星载相干光通信接收领域，包括集成相干接收机ICR，接收信号光与本振光；模拟数字转换器ADC，对ICR输出的电信号进行采样；定时误差估计模块，进行当前采样时刻的定时误差计算；滑动平均滤波器，对定时误差模块输出的定时误差进行平滑和滤波处理；环路滤波器，使用平滑和滤波处理后的定时误差生成控制指令，通过DAC驱动VCO调整本地时钟振荡频率；压控振荡器VCO，为ADC提供采样时钟，使输出的时钟信号与发端的时钟信号匹配。本发明能够满足高速大数据量的处理要求，建链成功后快速完成时钟恢复并减小定时误差抖动。

Description

星载相干光通信数模混合时钟恢复方法和系统
技术领域
本发明涉及星载相干光通信接收技术领域，更为具体的，涉及一种星载相干光通信数模混合时钟恢复方法和系统。
背景技术
卫星在进行相干激光通信时，发射端与相干光接收机之间存在时钟频率和相位偏差，需要在接收端通过定时恢复使得ADC采样在最佳时刻进行。本领域亟待发展更好的解决方案。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种星载相干光通信数模混合时钟恢复方法和系统，该方法及系统适用于星载相干光通信接收技术，能够满足高速大数据量的处理要求，建链成功后快速完成时钟恢复并减小定时误差抖动。
本发明的目的是通过以下方案实现的：
一种星载相干光通信数模混合时钟恢复系统，包括：
集成相干接收机ICR，用于接收信号光与本振光；
模拟数字转换器ADC，用于对所述ICR输出的电信号进行采样；
定时误差估计模块，用于以当前采样时刻数据采样块及上一采样时刻数据采样块的最后一点进行当前采样时刻的定时误差计算；
滑动平均滤波器，用于对定时误差模块输出的定时误差进行平滑和滤波处理；
环路滤波器，用于使用平滑和滤波处理后的定时误差生成控制指令，通过DAC驱动VCO调整本地时钟振荡频率；
压控振荡器VCO，用于为ADC提供采样时钟，使输出的时钟信号与发端的时钟信号匹配。
进一步地，所述环路滤波器包括快速调整滤波器、二阶环路滤波器、状态控制器和选择开关；
所述状态控制器，用于根据当前采样时刻定时误差εn与上一采样时刻定时误差εn-1差值的均值判断环路状态；
所述快速调整滤波器，用于对输入定时误差中超过设定幅度的同号值进行计数，当达到设定数量时输出一个控制量，若检测到异号输入误差则清零计数器；
所述二阶环路滤波器，用于采用二阶有源比例积分结构；
所述选择开关，用于在环路捕获阶段以二阶环路滤波器与快速调整滤波器之和作为最终输出，在环路的跟踪阶段以二阶环路滤波器为最终输出。
进一步地，所述滑动平均滤波器通过采用CIC滤波器对定时误差模块输出的定时误差进行平滑和滤波处理。
进一步地，所述模拟数字转换器ADC以2倍符号速率的频率对所述ICR输出的电信号进行采样。
进一步地，所述当达到设定数量时输出一个控制量，具体为当达到设定数量时输出一个大于设定值的同符号的控制量。
进一步地，所述CIC滤波器包括延时器和加减法器。
一种星载相干光通信数模混合时钟恢复方法，包括以下步骤：
S1，集成相干接收机ICR接收信号光和本振光；
S2，模拟数字转换器ADC以设定符号速率的频率对所述ICR输出的电信号进行采样；
S3，定时误差估计模块利用当前采样时刻数据采样块及上一采样时刻数据采样块的最后一点进行当前采样时刻的定时误差计算；
S4，采用滤波器对定时误差检测器输出的定时误差进行平滑和滤波；
S5，环路滤波器使用平滑和滤波处理的定时误差生成控制指令；
S6，根据步骤S5环路滤波器输出，通过DAC驱动VCO调整本地时钟振荡频率，使得定时环路向最佳定时状态移动，同时产生一个复位脉冲对环路滤波器进行复位，避免出现环路震荡现象。
进一步地，在步骤S2中，所述设定符号速率具体为2倍符号速率。
进一步地，在步骤S3中，所述定时误差估计模块为Gardner定时误差计算模块，且计算公式如下：
其中：K为定时恢复并行处理路数，n表示当前为第n个采样时刻，Xn,2k表示第(n-1)K+2k个采样点，εn表示第n个采样时刻K/2定时误差累加和。
进一步地，在步骤S5中，所述环路滤波器包括快速调整滤波器、二阶环路滤波器、状态控制器和选择开关；
所述状态控制器执行如下流程：计算当前采样时刻定时误差εn与上一采样时刻定时误差εn-1的差值μn；计算一段时间内的μn均值根据所述均值/>判断环路状态，若/>过零点时定时同步系统进入跟踪状态，否则就处于捕获阶段；
所述快速调整滤波器如下流程：对输入定时误差中超过设定幅度的同号值进行计数，当达到设定数量时输出一个较大的同符号的控制量，若检测到异号输入误差则清零计数器；
所述二阶环路滤波器执行如下流程：采用二阶有源比例积分结构实现；
所述选择开关执行如下流程：在环路捕获阶段以二阶环路滤波器与快速调整滤波器之和作为最终输出，在环路的跟踪阶段以二阶环路滤波器为最终输出。
本发明的有益效果包括：
本发明首先模拟器件压控振荡器VCO代替数字插值滤波器和数控振荡器，从而降低了FPGA实现难度和资源消耗；其次对定时误差检测器输出进行平滑和滤波，减小了定时抖动；最后改进后的环路滤波器包含二阶环路滤波器和快速调整滤波器等，缩短同步建立时间的同时提高同步精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明方法的实施原理框图；
图2为二阶环路滤波器结构示意图；
图3为快速调整滤波器结构示意图；
图4为时钟恢复前后QPSK信号星座图；
图5为时钟恢复反馈环路输出。
具体实施方式
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
鉴于背景中的现状，本发明的发明人进行了持续的分析和思考后发现如下技术问题：
已有发明CN202110674033.4公开了一种适用于星载光通信的全数字定时恢复方法和系统，根据定时误差计算数字插值器插值系数，对采样信号块进行三次插值处理以及去除多余采样点后，完成前馈定时恢复。
公开文献《相干光接收机时钟恢复算法的FPGA实现》遥测遥控，2022，43(04)，基于Gardner时钟误差检测算法在FPGA上实现了并行化的数模混合型时钟恢复方案，ADC只需达到2倍过采样率，时钟误差经环路滤波器后由DAC产生控制电压信号，驱动VCO不断调整晶振频率，当环路稳定时ADC最终输出同步采样值。
已有发明CN202011399990.2公开了一种数据辅助的相干光通信系统时钟恢复方法，序列未同步时Gardner定时误差模块使用AD数据计算定时误差进行时钟初步恢复，序列同步时使用自适应均衡器输出数据计算定时误差进行时钟精细恢复，最后根据定时误差调节VCO改变ADC采样时钟的频率和相位来实现时钟同步。
由上述可知，在全数字时钟恢复方法的并行化结构中，每条支路都需要一个数控振荡器与插值滤波器，随着并行路数的增多极大增加了硬件资源的消耗。数模混合时钟恢复方法是通过提取接收信号中的时钟误差，并将此误差直接反馈到ADC的采样时钟上，改变ADC采样时钟的频率和相位来实现时钟同步，用模拟器件压控振荡器VCO代替数字插值滤波器和数控振荡器，从而降低了FPGA实现难度和资源消耗，但仍存在环路收敛时间长、定时误差抖动大等缺点。
为了解决上述发现的技术问题，如图1～图3所示，本发明所设计的数模混合时钟恢复系统已经在某中轨卫星系统中得到应用，并取得了良好的工程效果。对于5Gb/s、QPSK调制方式(适用场景不限于QPSK调制方式)的光信号，与本振光进入集成相干接收机ICR完成光电转换，得到2路电信号后，经采样率为5GSa/s ADC采样，模数转换后的2路信号均为16路并行，分别对应I路和Q路信号。利用FPGA进行实时化的时钟恢复算法处理，工作时钟156.25MHz。图4为在FPGA加载时钟恢复算法前后接收信号星座图。图4(a)为原始信号星座图，由于采样点的偏移，星座图未收敛；图4(b)时钟恢复后的星座图，展现了清晰的QPSK调制信号。如图5所示，大概经过300个符号后环路稳定，Gardner定时误差模块的输出即时钟的定时误差收敛在0附近，DAC的有效值均围绕某个确定值波动，这表明实时化时钟恢复算法收敛，时钟偏差得到了有效纠正。
与公开文献《相干光接收机时钟恢复算法的FPGA实现》相比，环路收敛时间与定时误差抖动均得到有效改善。
需要说明的是，在本发明权利要求书中所限定的保护范围内，以下实施例均可以从上述具体实施方式中，例如公开的技术原理，公开的技术特征或隐含公开的技术特征等，以合乎逻辑的任何方式进行组合和/或扩展、替换。
实施例1
一种星载相干光通信数模混合时钟恢复系统，包括：
集成相干接收机ICR，用于接收信号光与本振光；
模拟数字转换器ADC，用于对所述ICR输出的电信号进行采样；
定时误差估计模块，用于以当前采样时刻数据采样块及上一采样时刻数据采样块的最后一点进行当前采样时刻的定时误差计算；
滑动平均滤波器，用于对定时误差模块输出的定时误差进行平滑和滤波处理；
环路滤波器，用于使用平滑和滤波处理后的定时误差生成控制指令，通过DAC驱动VCO调整本地时钟振荡频率；
压控振荡器VCO，用于为ADC提供采样时钟，使输出的时钟信号与发端的时钟信号匹配。
实施例2
在实施例1的基础上，所述环路滤波器包括快速调整滤波器、二阶环路滤波器、状态控制器和选择开关；
所述状态控制器，用于根据当前采样时刻定时误差εn与上一采样时刻定时误差εn-1差值的均值判断环路状态；
所述快速调整滤波器，用于对输入定时误差中超过设定幅度的同号值进行计数，当达到设定数量时输出一个控制量，若检测到异号输入误差则清零计数器；
所述二阶环路滤波器，如图2所示，用于采用二阶有源比例积分结构；
所述选择开关，用于在环路捕获阶段以二阶环路滤波器与快速调整滤波器之和作为最终输出，在环路的跟踪阶段以二阶环路滤波器为最终输出。
实施例3
在实施例1的基础上，所述滑动平均滤波器通过采用CIC滤波器对定时误差模块输出的定时误差进行平滑和滤波处理。
实施例4
在实施例1的基础上，所述模拟数字转换器ADC以2倍符号速率的频率对所述ICR输出的电信号进行采样。
实施例5
在实施例2的基础上，所述当达到设定数量时输出一个控制量，具体为当达到设定数量时输出一个大于设定值的同符号的控制量。
实施例6
在实施例3的基础上，所述CIC滤波器包括延时器和加减法器。
实施例7
一种星载相干光通信数模混合时钟恢复方法，包括以下步骤：
S1，集成相干接收机ICR接收信号光和本振光；
S2，模拟数字转换器ADC以设定符号速率的频率对所述ICR输出的电信号进行采样；
S3，定时误差估计模块利用当前采样时刻数据采样块及上一采样时刻数据采样块的最后一点进行当前采样时刻的定时误差计算；
S4，采用滤波器对定时误差检测器输出的定时误差进行平滑和滤波；
S5，环路滤波器使用平滑和滤波处理的定时误差生成控制指令；
S6，根据步骤S5环路滤波器输出，通过DAC驱动VCO调整本地时钟振荡频率，使得定时环路向最佳定时状态移动，同时产生一个复位脉冲对环路滤波器进行复位，避免出现环路震荡现象。
实施例8
在实施例7的基础上，在步骤S2中，所述设定符号速率具体为2倍符号速率。
实施例9
在实施例7的基础上，在步骤S3中，所述定时误差估计模块为Gardner定时误差计算模块，且计算公式如下：
其中：K为定时恢复并行处理路数，n表示当前为第n个采样时刻，Xn,2k表示第(n-1)K+2k个采样点，εn表示第n个采样时刻K/2定时误差累加和。
实施例10
在实施例7的基础上，在步骤S5中，所述环路滤波器包括快速调整滤波器、二阶环路滤波器、状态控制器和选择开关；
所述状态控制器执行如下流程：计算当前采样时刻定时误差εn与上一采样时刻定时误差εn-1的差值μn；计算一段时间内的μn均值μ；根据所述均值μ判断环路状态，若μ过零点时定时同步系统进入跟踪状态，否则就处于捕获阶段；
所述快速调整滤波器如下流程：对输入定时误差中超过设定幅度的同号值进行计数，当达到设定数量时输出一个较大的同符号的控制量，若检测到异号输入误差则清零计数器；
所述二阶环路滤波器执行如下流程：采用二阶有源比例积分结构实现；
所述选择开关执行如下流程：在环路捕获阶段以二阶环路滤波器与快速调整滤波器之和作为最终输出，在环路的跟踪阶段以二阶环路滤波器为最终输出。
描述于本发明实施例中所涉及到的单元可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现，所描述的单元也可以设置在处理器中。其中，这些单元的名称在某种情况下并不构成对该单元本身的限定。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行上述各种可选实现方式中提供的方法。
作为另一方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读介质，该计算机可读介质可以是上述实施例中描述的电子设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该电子设备中。上述计算机可读介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被一个该电子设备执行时，使得该电子设备实现上述实施例中所述的方法。

Claims (10)

1.一种星载相干光通信数模混合时钟恢复系统，其特征在于，包括：
集成相干接收机ICR，用于接收信号光与本振光；
模拟数字转换器ADC，用于对所述ICR输出的电信号进行采样；
定时误差估计模块，用于以当前采样时刻数据采样块及上一采样时刻数据采样块的最后一点进行当前采样时刻的定时误差计算；
滑动平均滤波器，用于对定时误差模块输出的定时误差进行平滑和滤波处理；
环路滤波器，用于使用平滑和滤波处理后的定时误差生成控制指令，通过DAC驱动VCO调整本地时钟振荡频率；
压控振荡器VCO，用于为ADC提供采样时钟，使输出的时钟信号与发端的时钟信号匹配。
2.根据权利要求1所述的星载相干光通信数模混合时钟恢复系统，其特征在于，所述环路滤波器包括快速调整滤波器、二阶环路滤波器、状态控制器和选择开关；
所述状态控制器，用于根据当前采样时刻定时误差εn与上一采样时刻定时误差εn-1差值的均值判断环路状态；
所述快速调整滤波器，用于对输入定时误差中超过设定幅度的同号值进行计数，当达到设定数量时输出一个控制量，若检测到异号输入误差则清零计数器；
所述二阶环路滤波器，用于采用二阶有源比例积分结构；
所述选择开关，用于在环路捕获阶段以二阶环路滤波器与快速调整滤波器之和作为最终输出，在环路的跟踪阶段以二阶环路滤波器为最终输出。
3.根据权利要求1所述的星载相干光通信数模混合时钟恢复系统，其特征在于，所述滑动平均滤波器通过采用CIC滤波器对定时误差模块输出的定时误差进行平滑和滤波处理。
4.根据权利要求1所述的星载相干光通信数模混合时钟恢复系统，其特征在于，所述模拟数字转换器ADC以2倍符号速率的频率对所述ICR输出的电信号进行采样。
5.根据权利要求2所述的星载相干光通信数模混合时钟恢复系统，其特征在于，所述当达到设定数量时输出一个控制量，具体为当达到设定数量时输出一个大于设定值的同符号的控制量。
6.根据权利要求3所述的星载相干光通信数模混合时钟恢复系统，其特征在于，所述CIC滤波器包括延时器和加减法器。
7.一种星载相干光通信数模混合时钟恢复方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，集成相干接收机ICR接收信号光和本振光；
S2，模拟数字转换器ADC以设定符号速率的频率对所述ICR输出的电信号进行采样；
S3，定时误差估计模块利用当前采样时刻数据采样块及上一采样时刻数据采样块的最后一点进行当前采样时刻的定时误差计算；
S4，采用滤波器对定时误差检测器输出的定时误差进行平滑和滤波；
S5，环路滤波器使用平滑和滤波处理的定时误差生成控制指令；
S6，根据步骤S5环路滤波器输出，通过DAC驱动VCO调整本地时钟振荡频率，使得定时环路向最佳定时状态移动，同时产生一个复位脉冲对环路滤波器进行复位，避免出现环路震荡现象。
8.根据权利要求7所述的星载相干光通信数模混合时钟恢复方法，其特征在于，在步骤S2中，所述设定符号速率具体为2倍符号速率。
9.根据权利要求7所述的星载相干光通信数模混合时钟恢复方法，其特征在于，在步骤S3中，所述定时误差估计模块为Gardner定时误差计算模块，且计算公式如下：
其中：K为定时恢复并行处理路数，n表示当前为第n个采样时刻，Xn,2k表示第(n-1)K+2k个采样点，εn表示第n个采样时刻K/2定时误差累加和。
10.根据权利要求7所述的星载相干光通信数模混合时钟恢复方法，其特征在于，在步骤S5中，所述环路滤波器包括快速调整滤波器、二阶环路滤波器、状态控制器和选择开关；
所述状态控制器执行如下流程：计算当前采样时刻定时误差εn与上一采样时刻定时误差εn-1的差值μn；计算一段时间内的μn均值根据所述均值/>判断环路状态，若/>过零点时定时同步系统进入跟踪状态，否则就处于捕获阶段；
所述快速调整滤波器如下流程：对输入定时误差中超过设定幅度的同号值进行计数，当达到设定数量时输出一个较大的同符号的控制量，若检测到异号输入误差则清零计数器；
所述二阶环路滤波器执行如下流程：采用二阶有源比例积分结构实现；
所述选择开关执行如下流程：在环路捕获阶段以二阶环路滤波器与快速调整滤波器之和作为最终输出，在环路的跟踪阶段以二阶环路滤波器为最终输出。
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