本發(fā)明涉及時鐘恢復(fù)相位模糊判定、補償?shù)难b置及方法，屬于衛(wèi)星通信和雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

激光統(tǒng)一測控系統(tǒng)要求天基終端與地面站之間、天基終端與天基終端之間采用激光實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸與高精度測距一體化功能。目前導(dǎo)航探測系統(tǒng)中有一種廣泛使用的測距方法，稱為同步轉(zhuǎn)發(fā)測距方法。同步轉(zhuǎn)發(fā)測距原理如圖1所示，天基終端作為被測端，向地面站發(fā)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(fā)送的信號稱為上行鏈路信號。主測端發(fā)送上行測距幀數(shù)據(jù)至被測端，主測端使用本地時間系統(tǒng)記錄上行測距幀幀頭時刻，被測端收到上行測距后立即轉(zhuǎn)發(fā)，即下行測距幀幀頭與到達(dá)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(tǒng)處理時延，為恒定值)，并且轉(zhuǎn)發(fā)信號中攜帶與接收信號一致的動態(tài)信息(相當(dāng)于上行信號發(fā)送到被測端之后反射回主測端)。主測端使用本地時間系統(tǒng)記錄下行測距幀幀頭時刻。據(jù)此計算出地面發(fā)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(zhuǎn)發(fā)測距與其他測距方法相比，由于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(jié)果的影響。

同步轉(zhuǎn)發(fā)測距要求被測端實時地跟蹤主測端發(fā)來的信號，并以相同的相位和速率發(fā)送信號給主測端。一種可行方法是被測端根據(jù)接收信號的相位和速率提取恢復(fù)時鐘，確保恢復(fù)時鐘完全跟蹤接收信號，以此時鐘進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)即可達(dá)到同步轉(zhuǎn)發(fā)的目的。在實現(xiàn)這種方法時可利用fpga中的吉比特收發(fā)器(gtx/gth)模塊提取恢復(fù)時鐘。

gtx/gth作為高速信號的接收端時，具有通過內(nèi)部時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)(clockdatarecovery,cdr)電路在時鐘非同源的動態(tài)信道中恢復(fù)出與接受信號速率相匹配的時鐘的功能，此時鐘稱為恢復(fù)時鐘。以恢復(fù)時鐘為基準(zhǔn)指導(dǎo)同步轉(zhuǎn)發(fā)，在被測端將接收信號再生轉(zhuǎn)發(fā)回主測端。然而，經(jīng)實驗觀測發(fā)現(xiàn)：系統(tǒng)重啟后，使用gtx/gth恢復(fù)的時鐘有時會出現(xiàn)180度初始相位翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，即相位偏差1/2個時鐘周期，這可能是由cdr電路內(nèi)部鎖相環(huán)路引起的。雖然這對通信沒有影響，解調(diào)出的數(shù)據(jù)是正確的，但是恢復(fù)時鐘卻存在相位模糊，恢復(fù)時鐘相位模糊會導(dǎo)致轉(zhuǎn)發(fā)信號的相位模糊，最終導(dǎo)致同步轉(zhuǎn)發(fā)測距結(jié)果出現(xiàn)模糊，即每次測量的結(jié)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(fā)明提出了時鐘恢復(fù)180度相位模糊的判定、補償裝置及方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對以上問題，本發(fā)明提出了一種時鐘恢復(fù)相位模糊判定、補償?shù)难b置及方法。具體如下：

一種時鐘恢復(fù)相位模糊判定裝置，包括：時鐘恢復(fù)電路：恢復(fù)出與接收到的輸入信號速率相匹配的恢復(fù)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(chǎn)生一次幀標(biāo)志脈沖(pr)及當(dāng)前時刻對應(yīng)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(fù)出的隨路時鐘是否存在相位偏移，并給出判決標(biāo)志。

進(jìn)一步地，所述時鐘恢復(fù)電路包括吉比特收發(fā)器(gtx/gth)和數(shù)字時鐘管理器(dcm)，gtx/gth在接收高速信號的同時，通過其內(nèi)部的時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)(cdr)電路恢復(fù)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(jīng)所述dcm產(chǎn)生相位差180度的clk180之后送入所述運算判決電路；

進(jìn)一步地，所述同步電路包括a/d轉(zhuǎn)換器和數(shù)字延遲鎖相環(huán)(ddll)，a/d轉(zhuǎn)換器以固定頻率對輸入信號進(jìn)行采集，將采集的數(shù)據(jù)送入所述ddll，用于對接收信號進(jìn)行跟蹤，每一幀數(shù)據(jù)產(chǎn)生一次pr和p0。

進(jìn)一步地，所述運算判決電路接收所述clk0、180、pr和p0，并根據(jù)接收的輸入信號的實際到達(dá)時間ta和判決策略判定恢復(fù)出的隨路時鐘是否存在相位偏移，再由判定的結(jié)果給出判決標(biāo)志，其中，所述接收的輸入信號的實際到達(dá)時刻ta是指pr的出現(xiàn)時間tp減去碼初相位p0對應(yīng)的時間長度。

再進(jìn)一步地，如權(quán)利要求3所述的時鐘恢復(fù)相位模糊判定裝置，其特征在于所述判決策略為：若clk0先采集到pr，且則判定clk0與ta時刻距離更近；若clk0先采集到pr，且則判定clk180與ta時刻距離更近；若clk180先采集到pr，且則判定clk180與ta時刻距離更近；若clk180先采集到pr，且則判定clk0與ta時刻距離更近；不論clk0還是clk180先采集到pr，若則無法判定，需要在下一幀重新采集；其中tclk為一個時鐘周期的持續(xù)時間tc換算為碼相位的值。

再進(jìn)一步地，如果clk0與ta時刻距離更近，則認(rèn)為clk0與主測端發(fā)送時鐘的相位一致，這時需要給出標(biāo)志信號傳遞回主測端，通知主測端不對測距結(jié)果補償；如果clk180與ta時刻距離更近，則認(rèn)為clk180與主測端發(fā)送時鐘的相位一致，這時需要給出標(biāo)志信號傳遞給主測端，通知主測端對測距結(jié)果進(jìn)行補償，補償量是

再進(jìn)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(fù)電路中的gtx/gth和同步電路的a/d轉(zhuǎn)換器之間的固定的處理時延，以碼相位形式表示。

再進(jìn)一步地，如果p0'的值在0±δt范圍內(nèi)或者范圍內(nèi)，則應(yīng)該重新采樣，直到不再在0±δt范圍內(nèi)或者范圍內(nèi)為止，其中，δt是邊沿采樣保護間隔，優(yōu)選的，δt取值為或或

一種時鐘恢復(fù)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(fù)電路，另一路輸入至同步電路；

s2.時鐘恢復(fù)電路依據(jù)接收信號，產(chǎn)生兩路與接收信號速率相匹配的恢復(fù)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(jìn)行跟蹤，每隔一幀產(chǎn)生一次幀標(biāo)志脈沖pr及當(dāng)前時刻對應(yīng)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(jù)判決策略真值表判定恢復(fù)出的隨路時鐘是否存在相位偏移，并給出判決標(biāo)志和補償量。

一種時鐘恢復(fù)相位模糊判定方法，判定依據(jù)為：

(a).若clk0先采集到pr，且則判定clk0與ta時刻距離更近；

(b).若clk0先采集到pr，且則判定clk180與ta時刻距離更近；

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

(d).若clk180先采集到pr，且則判定clk0與ta時刻距離更近；

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

其中，clk0是時鐘恢復(fù)電路恢復(fù)出的與接收到的輸入信號速率相匹配的恢復(fù)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(chǎn)生一次的幀標(biāo)志脈沖，tclk為一個時鐘周期的持續(xù)時間tc換算為碼相位的值，ta是輸入信號的實際到達(dá)時間，p0是同步電路中每一幀當(dāng)前時刻對應(yīng)的碼初相位，或者是p0用公式p0'＝mod(p0+tclk-tdp,tclk)進(jìn)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(fù)電路和同步電路之間的固定的處理時延。

一種時鐘恢復(fù)相位模糊補償方法，判定時鐘恢復(fù)產(chǎn)生了180度的相位偏移時，對測距結(jié)果進(jìn)行補償，補償量是其中tc為一個時鐘周期的持續(xù)時間。

本發(fā)明針對gtx/gth時鐘恢復(fù)存在180度相位模糊的問題，提出了一種時鐘恢復(fù)相位模糊判定、補償?shù)难b置及方法，將這種時鐘恢復(fù)相位模糊判定、補償?shù)难b置及方法運用于同步轉(zhuǎn)發(fā)測距法中，可以有效解決gtx/gth恢復(fù)時鐘相位模糊所導(dǎo)致的同步轉(zhuǎn)發(fā)測距結(jié)果出現(xiàn)模糊的問題，有效提高了同步轉(zhuǎn)發(fā)測距法的測距精度。

附圖說明

圖1是同步轉(zhuǎn)發(fā)測距原理示意圖；

圖2是本發(fā)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(shù)據(jù)到達(dá)時刻對應(yīng)關(guān)系示意圖；

圖4是保護間隔示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明和詳細(xì)描述。

如圖2所示是本發(fā)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(gòu)成，它們是時鐘恢復(fù)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(jìn)行詳細(xì)介紹。

時鐘恢復(fù)電路包括fpga中的gtx/gth和數(shù)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(nèi)部的cdr電路恢復(fù)出與接收信號速率相匹配的恢復(fù)時鐘，恢復(fù)時鐘有可能在相位上與主測端發(fā)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(fù)時鐘送入dcm對其倒相，產(chǎn)生180度反相時鐘。時鐘恢復(fù)電路將根據(jù)接收到的信號，最終產(chǎn)生兩路與接收信號速率相匹配、相位相差180度的恢復(fù)時鐘，送入運算判電路塊進(jìn)行后續(xù)處理。

同步電路包括a/d轉(zhuǎn)換器和數(shù)字延遲鎖相環(huán)(digitaldelay-lockedloop,ddll)，gtx/gth在接收信號的同時，同步電路的a/d轉(zhuǎn)換器也將會以固定頻率對輸入信號進(jìn)行采集，再將采集的數(shù)據(jù)送入數(shù)字延遲鎖相環(huán)ddll中，用于對接收信號進(jìn)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(jìn)行調(diào)整，僅調(diào)整本地碼表的碼相位，每一時刻算出一個當(dāng)前碼相位值，碼相位循環(huán)一個周期后(即收完一幀數(shù)據(jù))產(chǎn)生一次幀標(biāo)志脈沖pr和當(dāng)前時刻對應(yīng)的碼初相位p0，幀標(biāo)志脈沖pr出現(xiàn)的時刻與碼初相位p0將用于定位輸入信號的實際到達(dá)時刻。同步電路產(chǎn)生的幀標(biāo)志脈沖pr和碼初相位p0將被送入運算判決電路，進(jìn)行后續(xù)操作。

運算判決電路接收恢復(fù)時鐘clk0及其反相時鐘clk180、幀標(biāo)志脈沖pr和當(dāng)前碼初相位p0，并利用這些信號來判斷哪一路恢復(fù)時鐘與接收信號的相位相匹配。假設(shè)pr的出現(xiàn)時刻為tp，則tp減去碼初相位p0對應(yīng)的時間長度即為接收信號的實際到達(dá)時刻ta，ta可能與gtx/gth恢復(fù)時鐘clk0對齊，也可能與gtx/gth恢復(fù)時鐘的反相時鐘clk180對齊。

在本發(fā)明中使用如下的判決策略：使用clk0與clk180分別采集pr，如果gtx/gth恢復(fù)時鐘clk0先采集到pr，且(tclk是將一個時鐘周期的持續(xù)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，需要在下一幀重新采集；如果gtx/gth恢復(fù)時鐘的反相時鐘clk180先采集到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，需要在下一幀重新采集。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(shù)據(jù)到達(dá)時刻對應(yīng)關(guān)系示意圖。包含4種情況：clk0先采集到pr，clk180先采集到pr，clk0先采集到pr，clk180先采集到pr，圖中并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(fā)送時鐘的相位一致。如果clk0與ta時刻距離更近，則認(rèn)為clk0與主測端發(fā)送時鐘的相位一致，這時需要給出標(biāo)志信號傳遞回主測端，通知主測端不對測距結(jié)果補償；如果clk180與ta時刻距離更近，則認(rèn)為clk180與主測端發(fā)送時鐘的相位一致，這時需要給出標(biāo)志信號傳遞給主測端，通知主測端對測距結(jié)果進(jìn)行補償，補償量是

在實際實現(xiàn)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(zhuǎn)換器兩路通道內(nèi)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(yīng)碼相位值tdp，這時需要使用示波器對tdp進(jìn)行輔助測量。補償延時后得到最終用于判決的初相位值p0'＝mod(p0+tclk-tdp,tclk)。其中，mod(*)表示取模運算。

2.實際處理中，還要設(shè)置邊沿采樣保護間隔δt，如圖4所示，如果檢測到p0’的值在0±δt范圍內(nèi)或者范圍內(nèi)(圖中灰色區(qū)域)，即p0’處于保護間隔δt內(nèi)，則認(rèn)為gtx/gth恢復(fù)時鐘(或反相時鐘)與pr距離很近，有可能因邊沿采樣而采集出錯，這時應(yīng)該重新采樣，直到不再是邊沿采樣為止。δt根據(jù)實際情況可取為或或

表2測試結(jié)果

設(shè)定主測端與被測端之間上行與下行數(shù)據(jù)速率均為2.5gbps，測試環(huán)境的真實距離值為9.55ns(這里以ns為單位指的是以信號傳輸時延表征距離值，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(shù)據(jù)速率接收數(shù)據(jù)信號。信號在經(jīng)過gtx/gth時，將會進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為16bit并行數(shù)據(jù)，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(fù)出156.25mhz(tc＝6.4ns)隨路處理時鐘，但無法判斷恢復(fù)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(jié)果進(jìn)行補償。

當(dāng)系統(tǒng)重啟時，使用gtx/gth恢復(fù)出的恢復(fù)時鐘有時會出現(xiàn)180度初始相位翻轉(zhuǎn)，為對補償方法的性能進(jìn)行檢驗，故對系統(tǒng)進(jìn)行20次重啟，得到表2中的測試結(jié)果。將實測的未做補償?shù)臏y距結(jié)果填入表中，對比測距模糊與測得的p0能否正確對應(yīng)(即補償結(jié)果是否正確)。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)即便重啟后測量結(jié)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(fù)時鐘相位模糊對測距結(jié)果造成的影響。

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

步驟一：將接收信號分為兩路，一路輸入到時鐘恢復(fù)電路，另一路輸入至同步電路；

步驟二：時鐘恢復(fù)電路依據(jù)接收信號，產(chǎn)生兩路與接收信號速率相匹配、相位相差180度的恢復(fù)時鐘clk0和clk180，同步電路對接收信號進(jìn)行跟蹤，每隔一幀產(chǎn)生一次幀標(biāo)志脈沖pr及當(dāng)前時刻對應(yīng)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(fù)時鐘clk0和clk180、幀標(biāo)志脈沖pr和當(dāng)前碼初相位p0，根據(jù)判決策略真值表判斷clk0和clk180哪一個時鐘與主測端發(fā)送時鐘的相位一致，并給出判決標(biāo)志和補償量。