時鐘恢復相位模糊判定、補償的裝置及方法與流程

2023-09-23 16:36:35 2

本發明涉及時鐘恢復相位模糊判定、補償的裝置及方法，屬於衛星通信和雷達技術領域。

背景技術：

雷射統一測控系統要求天基終端與地面站之間、天基終端與天基終端之間採用雷射實現高速數據傳輸與高精度測距一體化功能。目前導航探測系統中有一種廣泛使用的測距方法，稱為同步轉發測距方法。同步轉發測距原理如圖1所示，天基終端作為被測端，向地面站發送的信號稱為下行鏈路信號；地面站作為主測端，向天基終端發送的信號稱為上行鏈路信號。主測端發送上行測距幀數據至被測端，主測端使用本地時間系統記錄上行測距幀幀頭時刻，被測端收到上行測距後立即轉發，即下行測距幀幀頭與到達被測端的上行測距幀幀頭在時間上保持一致(實際工程中有系統處理時延，為恆定值)，並且轉發信號中攜帶與接收信號一致的動態信息(相當於上行信號發送到被測端之後反射回主測端)。主測端使用本地時間系統記錄下行測距幀幀頭時刻。據此計算出地面發出上行測距幀幀頭至地面收到下行測距幀幀頭之間的時延，即為信號上下行傳輸時延，乘以光速即可得到雙向路程。同步轉發測距與其他測距方法相比，由於距離的測量在主測端完成，因此有效地消除了主、被測端時鐘差對測距結果的影響。

同步轉發測距要求被測端實時地跟蹤主測端發來的信號，並以相同的相位和速率發送信號給主測端。一種可行方法是被測端根據接收信號的相位和速率提取恢復時鐘，確保恢復時鐘完全跟蹤接收信號，以此時鐘進行轉發即可達到同步轉發的目的。在實現這種方法時可利用fpga中的吉比特收發器(gtx/gth)模塊提取恢復時鐘。

gtx/gth作為高速信號的接收端時，具有通過內部時鐘數據恢復(clockdatarecovery,cdr)電路在時鐘非同源的動態信道中恢復出與接受信號速率相匹配的時鐘的功能，此時鐘稱為恢復時鐘。以恢復時鐘為基準指導同步轉發，在被測端將接收信號再生轉發回主測端。然而，經實驗觀測發現：系統重啟後，使用gtx/gth恢復的時鐘有時會出現180度初始相位翻轉現象，即相位偏差1/2個時鐘周期，這可能是由cdr電路內部鎖相環路引起的。雖然這對通信沒有影響，解調出的數據是正確的，但是恢復時鐘卻存在相位模糊，恢復時鐘相位模糊會導致轉發信號的相位模糊，最終導致同步轉發測距結果出現模糊，即每次測量的結果可能有2種情況，二者相差1/2個時鐘周期。針對這一問題，本發明提出了時鐘恢復180度相位模糊的判定、補償裝置及方法。

技術實現要素：

針對以上問題，本發明提出了一種時鐘恢復相位模糊判定、補償的裝置及方法。具體如下：

一種時鐘恢復相位模糊判定裝置，包括：時鐘恢復電路：恢復出與接收到的輸入信號速率相匹配的恢復時鐘(clk0)，以及與clk0相位相差180度的反相時鐘(clk180)；同步電路：跟蹤接收到的輸入信號，每一幀產生一次幀標誌脈衝(pr)及當前時刻對應的碼初相位(p0)；以及運算判決電路：以所述的clk0、clk180、pr和p0為輸入，判定恢復出的隨路時鐘是否存在相位偏移，並給出判決標誌。

進一步地，所述時鐘恢復電路包括吉比特收發器(gtx/gth)和數字時鐘管理器(dcm)，gtx/gth在接收高速信號的同時，通過其內部的時鐘數據恢復(cdr)電路恢復出與接收信號速率相匹配的clk0，一路直接送入運算判決電路，另一路經所述dcm產生相位差180度的clk180之後送入所述運算判決電路；

進一步地，所述同步電路包括a/d轉換器和數字延遲鎖相環(ddll)，a/d轉換器以固定頻率對輸入信號進行採集，將採集的數據送入所述ddll，用於對接收信號進行跟蹤，每一幀數據產生一次pr和p0。

進一步地，所述運算判決電路接收所述clk0、180、pr和p0，並根據接收的輸入信號的實際到達時間ta和判決策略判定恢復出的隨路時鐘是否存在相位偏移，再由判定的結果給出判決標誌，其中，所述接收的輸入信號的實際到達時刻ta是指pr的出現時間tp減去碼初相位p0對應的時間長度。

再進一步地，如權利要求3所述的時鐘恢復相位模糊判定裝置，其特徵在於所述判決策略為：若clk0先採集到pr，且則判定clk0與ta時刻距離更近；若clk0先採集到pr，且則判定clk180與ta時刻距離更近；若clk180先採集到pr，且則判定clk180與ta時刻距離更近；若clk180先採集到pr，且則判定clk0與ta時刻距離更近；不論clk0還是clk180先採集到pr，若則無法判定，需要在下一幀重新採集；其中tclk為一個時鐘周期的持續時間tc換算為碼相位的值。

再進一步地，如果clk0與ta時刻距離更近，則認為clk0與主測端發送時鐘的相位一致，這時需要給出標誌信號傳遞迴主測端，通知主測端不對測距結果補償；如果clk180與ta時刻距離更近，則認為clk180與主測端發送時鐘的相位一致，這時需要給出標誌信號傳遞給主測端，通知主測端對測距結果進行補償，補償量是

再進一步地，所述判決策略中的p0用式p0'＝mod(p0+tclk-tdp,tclk)替代，其中，mod(*)表示取模運算，tdp是時鐘恢復電路中的gtx/gth和同步電路的a/d轉換器之間的固定的處理時延，以碼相位形式表示。

再進一步地，如果p0'的值在0±δt範圍內或者範圍內，則應該重新採樣，直到不再在0±δt範圍內或者範圍內為止，其中，δt是邊沿採樣保護間隔，優選的，δt取值為或或

一種時鐘恢復相位模糊判定方法，包括步驟：

s1.將接收信號分為兩路，一路輸入到時鐘恢復電路，另一路輸入至同步電路；

s2.時鐘恢復電路依據接收信號，產生兩路與接收信號速率相匹配的恢復時鐘clk0、以及和clk0相位相差180度反向時鐘clk180，同步電路對接收信號進行跟蹤，每隔一幀產生一次幀標誌脈衝pr及當前時刻對應的碼初相位p0，將clk0、clk180、pr和p0送至運算判決電路；

s3.運算判決電路接收到clk0、clk180、pr和p0，根據判決策略真值表判定恢復出的隨路時鐘是否存在相位偏移，並給出判決標誌和補償量。

一種時鐘恢復相位模糊判定方法，判定依據為：

(a).若clk0先採集到pr，且則判定clk0與ta時刻距離更近；

(b).若clk0先採集到pr，且則判定clk180與ta時刻距離更近；

(c).若clk180先採集到pr，且則判定clk180與ta時刻距離更近；

(d).若clk180先採集到pr，且則判定clk0與ta時刻距離更近；

(e).不論clk0還是clk180先採集到pr，若則無法判定，需要在下一幀重新採集；

其中，clk0是時鐘恢復電路恢復出的與接收到的輸入信號速率相匹配的恢復時鐘，clk180是與clk0相位相差180度的反相時鐘，pr是同步電路每一幀產生一次的幀標誌脈衝，tclk為一個時鐘周期的持續時間tc換算為碼相位的值，ta是輸入信號的實際到達時間，p0是同步電路中每一幀當前時刻對應的碼初相位，或者是p0用公式p0'＝mod(p0+tclk-tdp,tclk)進行替換的替換值p0'，公式中的tdp是以碼相位形式表示的時鐘恢復電路和同步電路之間的固定的處理時延。

一種時鐘恢復相位模糊補償方法，判定時鐘恢復產生了180度的相位偏移時，對測距結果進行補償，補償量是其中tc為一個時鐘周期的持續時間。

本發明針對gtx/gth時鐘恢復存在180度相位模糊的問題，提出了一種時鐘恢復相位模糊判定、補償的裝置及方法，將這種時鐘恢復相位模糊判定、補償的裝置及方法運用於同步轉發測距法中，可以有效解決gtx/gth恢復時鐘相位模糊所導致的同步轉發測距結果出現模糊的問題，有效提高了同步轉發測距法的測距精度。

附圖說明

圖1是同步轉發測距原理示意圖；

圖2是本發明的解決方案；

圖3是不同情況下clk0及clk180兩個時鐘與實際數據到達時刻對應關係示意圖；

圖4是保護間隔示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明和詳細描述。

如圖2所示是本發明提出的解決方案示意圖，這套解決方案主要由3個電路構成，它們是時鐘恢復電路、同步電路以及運算判決電路，下面分別對這三個電路進行詳細介紹。

時鐘恢復電路包括fpga中的gtx/gth和數字時鐘管理器(digitalclockmanage,dcm)，gtx/gth在接收高速信號的同時，還通過其內部的cdr電路恢復出與接收信號速率相匹配的恢復時鐘，恢復時鐘有可能在相位上與主測端發送時鐘完全相同，也有可能與其相位相差180度，因此需要引出一路恢復時鐘送入dcm對其倒相，產生180度反相時鐘。時鐘恢復電路將根據接收到的信號，最終產生兩路與接收信號速率相匹配、相位相差180度的恢復時鐘，送入運算判電路塊進行後續處理。

同步電路包括a/d轉換器和數字延遲鎖相環(digitaldelay-lockedloop,ddll)，gtx/gth在接收信號的同時，同步電路的a/d轉換器也將會以固定頻率對輸入信號進行採集，再將採集的數據送入數字延遲鎖相環ddll中，用於對接收信號進行跟蹤。同步電路的跟蹤方式與gtx/gth的cdr電路不同，ddll不對時鐘進行調整，僅調整本地碼錶的碼相位，每一時刻算出一個當前碼相位值，碼相位循環一個周期後(即收完一幀數據)產生一次幀標誌脈衝pr和當前時刻對應的碼初相位p0，幀標誌脈衝pr出現的時刻與碼初相位p0將用於定位輸入信號的實際到達時刻。同步電路產生的幀標誌脈衝pr和碼初相位p0將被送入運算判決電路，進行後續操作。

運算判決電路接收恢復時鐘clk0及其反相時鐘clk180、幀標誌脈衝pr和當前碼初相位p0，並利用這些信號來判斷哪一路恢復時鐘與接收信號的相位相匹配。假設pr的出現時刻為tp，則tp減去碼初相位p0對應的時間長度即為接收信號的實際到達時刻ta，ta可能與gtx/gth恢復時鐘clk0對齊，也可能與gtx/gth恢復時鐘的反相時鐘clk180對齊。

在本發明中使用如下的判決策略：使用clk0與clk180分別採集pr，如果gtx/gth恢復時鐘clk0先採集到pr，且(tclk是將一個時鐘周期的持續時間tc換算為碼相位的值)，則判定clk0與ta時刻距離更近，若則判定clk180與ta時刻距離更近，若則無法判定，需要在下一幀重新採集；如果gtx/gth恢復時鐘的反相時鐘clk180先採集到pr，且則判定clk180與ta時刻距離更近，若則判定clk0與ta時刻距離更近，若則無法判定，需要在下一幀重新採集。判決策略的真值表如表1所示。

表1判決策略真值表

圖3是不同情況下clk0及clk180兩個時鐘與實際數據到達時刻對應關係示意圖。包含4種情況：clk0先採集到pr，clk180先採集到pr，clk0先採集到pr，clk180先採集到pr，圖中並未包含這種特殊情況。

在clk0和clk180中間，判定與ta時刻距離更近的那一個時鐘信號與主測端發送時鐘的相位一致。如果clk0與ta時刻距離更近，則認為clk0與主測端發送時鐘的相位一致，這時需要給出標誌信號傳遞迴主測端，通知主測端不對測距結果補償；如果clk180與ta時刻距離更近，則認為clk180與主測端發送時鐘的相位一致，這時需要給出標誌信號傳遞給主測端，通知主測端對測距結果進行補償，補償量是

在實際實現時，還需要考慮以下問題：

1.實際處理中，接收信號在gtx/gth和a/d轉換器兩路通道內的處理時延的不同，兩路通道的傳輸時延存在固定偏差td，其對應碼相位值tdp，這時需要使用示波器對tdp進行輔助測量。補償延時後得到最終用於判決的初相位值p0'＝mod(p0+tclk-tdp,tclk)。其中，mod(*)表示取模運算。

2.實際處理中，還要設置邊沿採樣保護間隔δt，如圖4所示，如果檢測到p0』的值在0±δt範圍內或者範圍內(圖中灰色區域)，即p0』處於保護間隔δt內，則認為gtx/gth恢復時鐘(或反相時鐘)與pr距離很近，有可能因邊沿採樣而採集出錯，這時應該重新採樣，直到不再是邊沿採樣為止。δt根據實際情況可取為或或

表2測試結果

設定主測端與被測端之間上行與下行數據速率均為2.5gbps，測試環境的真實距離值為9.55ns(這裡以ns為單位指的是以信號傳輸時延表徵距離值，下面所有測距值都以ns為單位)，fpga的高速串行接口gtx/gth將以2.5gbps的數據速率接收數據信號。信號在經過gtx/gth時，將會進行串並轉換，轉換為16bit並行數據，隨路時鐘也因此降低為原來的1/16，此時gtx/gth的cdr電路將會恢復出156.25mhz(tc＝6.4ns)隨路處理時鐘，但無法判斷恢復時鐘是否存在180度相位模糊，以及主測端是否需要對測距結果進行補償。

當系統重啟時，使用gtx/gth恢復出的恢復時鐘有時會出現180度初始相位翻轉，為對補償方法的性能進行檢驗，故對系統進行20次重啟，得到表2中的測試結果。將實測的未做補償的測距結果填入表中，對比測距模糊與測得的p0能否正確對應(即補償結果是否正確)。經過測試發現即便重啟後測量結果存在模糊，都可以通過運算補償將模糊解算出來，這樣就可以消除恢復時鐘相位模糊對測距結果造成的影響。

gtx/gth時鐘恢復180度相位模糊的相位判決和補償辦法通過以下步驟實現：

步驟一：將接收信號分為兩路，一路輸入到時鐘恢復電路，另一路輸入至同步電路；

步驟二：時鐘恢復電路依據接收信號，產生兩路與接收信號速率相匹配、相位相差180度的恢復時鐘clk0和clk180，同步電路對接收信號進行跟蹤，每隔一幀產生一次幀標誌脈衝pr及當前時刻對應的碼初相位p0，將clk0、clk180、pr和p0送至運算判決電路；

步驟三：運算判決電路接收到兩路反相的恢復時鐘clk0和clk180、幀標誌脈衝pr和當前碼初相位p0，根據判決策略真值表判斷clk0和clk180哪一個時鐘與主測端發送時鐘的相位一致，並給出判決標誌和補償量。