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CN108418671B - 基于时钟数据恢复的模数混合高速信号时间测量系统 - Google Patents

基于时钟数据恢复的模数混合高速信号时间测量系统 Download PDF

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CN108418671B CN201810052010.8A CN201810052010A CN108418671B CN 108418671 B CN108418671 B CN 108418671B CN 201810052010 A CN201810052010 A CN 201810052010A CN 108418671 B CN108418671 B CN 108418671B
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Abstract

本发明涉及一种基于时钟数据恢复的模数混合高速信号时间测量系统，属于通信信号处理领域。该系统包括：激光接收模块、时钟数据恢复模块、时钟管理模块、混频模块、低通滤波模块、采样模块、载波跟踪模块、信号捕获模块和测距测速信息解算模块。本发明能够减少信号处理算法对高速ADC的依赖性，降低对ADC采样率的要求，可使数据通信速率进一步提高，同时可以增加对通信/测距帧的信息利用率，并提高测距测速精度。

Description

基于时钟数据恢复的模数混合高速信号时间测量系统
技术领域
本发明涉及一种基于时钟数据恢复的模数混合高速信号时间测量系统，属于通信信号处理领域。
背景技术
卫星通信中，以激光为载体的测控一体化系统是整体系统的重要组成部分。为了完成对天基终端的控制和数据的传送，并得到天基终端的距离、径向速度、加速度等信息，实现高速信号的同步、跟踪以及高精度测距、测速功能显得尤为重要。
对于信号的同步和跟踪，滑动相关算法利用帧头的相干性完成信号的捕获，即粗同步。锁相环可以锁定输入与输出信号的相位差，实现载波跟踪。异步应答测距算法是一种非相干测距算法，其上下行链路各自独立，利用地面站和天基终端双端的两对测距帧共计8个时间测量值，可完成距离、径向速度、钟差和频差四个参数的测量，常用于激光通信测距测速体制。
随着信号处理技术的发展，以FPGA为基础的数字信号处理技术已广泛应用于通信信号处理领域。因此信号接收中的同步、载波跟踪以及测速测距算法都可利用FPGA实现。但随着数据处理速率的进一步提升，全数字化的处理方式正逐渐制约着FPGA的处理性能。以高速激光通信为例，接收机对激光接收模块解调出的高速模拟信号经过模数转换器(ADC)采样、量化，再送给通信处理单元完成后续同步、跟踪以及测距测速等功能。但根据奈奎斯特采样定理，ADC的采样速率至少为发送数据速率的2倍，因此，ADC的采样率可能需要达到Gsps甚至10Gsps以上，对ADC的性能要求过高，制约了通信速率的提升。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的ADC采样峰值速率限制的问题，提供一种基于时钟数据恢复的模数混合高速信号时间测量系统。该系统能够减少信号处理算法对高速ADC的依赖性，降低对ADC采样率的要求，可使数据通信速率进一步提高，同时可以增加对通信/测距帧的信息利用率，并提高测距测速精度。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
基于时钟数据恢复的模数混合高速信号时间测量系统，包括：激光接收模块、时钟数据恢复模块、时钟管理模块、混频模块、低通滤波模块、采样模块、载波跟踪模块、信号捕获模块和测距测速信息解算模块。
所述激光接收模块，用于接收并解调发端机产生的高速DPSK调制信号，得到高速模拟信号作为时钟数据恢复模块所需的输入信号。
所述时钟数据恢复模块，接收激光接收模块解调出的高速模拟信号，将高速模拟信号恢复为相位严格对齐的两路信号，其中一路为数据信号，作为信号捕获模块的输入；另一路为时钟信号，时钟信号的频率等于数据信号的速率，用以与本地时钟管理模块产生的本振信号进行混频；
所述时钟管理模块，根据系统参考时钟产生本振信号，作为混频模块的输入信号；根据系统参考时钟产生FPGA工作时钟；根据系统参考时钟产生采样模块的采样时钟。
所述混频模块，将时钟管理模块产生的本振信号与时钟数据恢复模块产生的时钟信号混频，作为低通滤波模块的输入。
所述低通滤波模块，对混频模块的输出信号进行低通滤波，滤除混频后的高频分量和带外噪声，保留时钟信号和本振信号的低频差频信号，作为采样模块的输入。
所述采样模块，对输入的低频差频信号进行采样，其采样频率与数据帧频相参，即与数据帧频同频或为其整数倍，采样后的信号作为载波跟踪模块的输入。
所述载波跟踪模块，使用锁相环路消除采样后差频信号的频差，得到本振信号和时钟数据恢复模块恢复出的时钟信号间的稳态相差。环路输出作为测距测速信息解算模块的输入之一，用于精确时间测量和测距测速信息解算。
所述信号捕获模块，根据时钟数据恢复模块恢复出的数据信号，采用滑动相关算法实时检测信号帧头的位置，若信号与本地帧头序列的相关结果超过预设门限，即认为捕获成功，捕获模块能够估计出信号位置，并将信号位置送给测距测速信息解算模块。
所述测距测速信息解算模块，按照三级时间系统，实现精确时间测量，然后计算目标的距离和径向速度。第一级为秒级时间测量，测距测速信息解算模块根据传输帧中的帧计数信息能够实现秒级精度的无模糊距离的时间测量。第二级为码元级时间测量，根据捕获的帧头相关峰的位置，能够实现1个码元时间内的时间精度测量。第三级为小数个码元时间精度测量。利用载波跟踪模块消除差频信号的频差，得到稳态相差后，结合本振信号的相位以及信号捕获模块给出的相关峰位置，能够得到在小数个码元时间内的相位偏差信息，进而将时间测量精度缩小到小数个码元时间内。
上述基于时钟数据恢复的模数混合高速信号时间测量系统，使用集成CDR芯片ADN2915进行时钟数据恢复，使用混频器芯片ADL5801进行混频，使用ADF5355作为频率合成器和锁相环，使用AD9233作为模数转换器进行采样和量化，使用FPGA芯片XC7VX690T进行数据处理。
上述基于时钟数据恢复的模数混合高速信号时间测量系统，以激光DPSK调制方式传送数据到激光接收模块。
有益效果
1、当模拟信号频率过高时，由于ADC峰值采样速率的限制，将无法满足奈奎斯特采样定理，采集到的数据相互混叠，不能重建原始信号。并且，采样速率过高使得FPGA资源消耗和功耗大，两者共同限制了通信速率的进一步提高。本发明采用基于时钟数据恢复的模数混合系统，利用时钟数据恢复模块给出的与数据信号同频同相的时钟信号，在低速数据处理过程完成时间测量，解除了ADC峰值采样率的限制，使得通信速率进一步提高成为可能。
2、现有技术中，仅使用帧头信息进行信号的捕获、跟踪，信息利用率低。本方案利用全部的采样信号x(n)进行载波跟踪以消除频偏，信息利用率高。
3、本发明采用的三级时间测量系统，可将时间测量精度限制在小数个码元周期内，并使用异步测距算法计算目标物的距离和径向速度，最终能够实现无模糊、高精度的测速测距。
附图说明
图1是时钟数据恢复电路原理框图；
图2是异步应答测距原理示意图；
图3是CDR芯片ADN2915的原理框图和输出信号时序图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
现有技术中，后续的数字信号处理都依赖于前端超高速ADC，因此当发送数据速率过高时，如本方案中的5Gbps，为使采样信号能够恢复出原始信号，采样速率必须满足奈奎斯特准则，即通信速率的2倍以上，因此本方案的ADC采样率至少需要10Gsps，对ADC要求过高，资源消耗和功耗大，且限制了通信速率的进一步提升。基于ADC的性能限制，本发明提出了一种基于时钟数据恢复的模数混合高速信号时间测量系统，其使用集成CDR芯片恢复出两路相位严格对齐的信号，一路为数据信号，用于后续数据处理，另一路为时钟信号，作为测距测速的辅助信息，将高速数据处理过程变为低速数据处理过程，解决了ADC采样率限制和原有方案仅利用帧头进行同步而导致信息利用率低下的问题。
图1是时钟数据恢复电路的原理框图，展示了各模块之间的连接关系和数据处理流程。图1中各模块可分为七个部分：
1.激光接收模块；
2.采用CDR芯片ADN2915的时钟数据恢复模块。其产生数据信号Data和时钟信号Clk，两信号频率皆为f0。ADN2915的原理框图和输出信号时序如图3所示，输出的两路信号CLKOUTP和DATAOUTP/DATAOUTN相位保持一致。
3.时钟管理模块。其根据参考时钟产生FPGA的工作时钟clk_FPGA、频率为fL的混频器本振信号以及采样模块的采样时钟clk_smp；
4.采用混频器芯片ADL5801的混频模块；
5.低通滤波模块LP，其输出信号为x(t)；
6.采用模数转换器芯片AD9233的采样模块，输出信号x(n)；
7.FPGA信号处理模块，包括：7.1信号捕获模块；7.2载波跟踪模块；7.3测距测速信息解算模块。
系统数据处理流程如下：
(1)激光接收模块将输入的DPSK调制信号解调，恢复为基带模拟信号，并将其传递给ADN2915进行时钟数据恢复。
(2)时钟数据恢复模块对基带模拟信号进行量化、电平检测和数据恢复，ADN2915能锁定输入范围在6.5Mbps至11.3Gbps的所有数据速率，并输出与输出数据信号相位保持严格对准的时钟信号，因此两信号同频同相。CDR芯片输出的数据是经过量化的，故而可以被FPGA处理。
(3)FPGA首先对输入数据信号Data进行捕获。其采用流水线操作方式，对当前时钟输入数据按照码相位取出64路数据，代表当前时钟下的64个不同相位，并与本地帧头进行相关处理。相关运算的表达式如下：
Figure BDA0001552632480000051
其中，x(n)为数据序列，y(n)为本地帧头序列，N为本地帧头序列的长度，Z(n)为x(n)和y(n)在第n个时刻的相关结果。
由于采用的帧头数据序列具有良好的相关性，故仅当帧头序列与输入数据的相位对齐时，能够产生相关峰值，其余相位的数据与本地帧头序列的相关结果近似噪声。将相关运算结果与门限值比较，当大于门限时，认为数据相位和本地帧头相位对齐，借此可以找出相位对齐的数据在64路数据中的位置。
(4)时钟数据恢复模块恢复出的时钟信号Clk与数据信号Data相位一致，因此经混频、低通滤波以及采样后，仍保留数据信号的相位信息，即目标的运动信息。由于采样时信号x(t)频率已降至两信号的差频，因此不会受到ADC采样速率的限制。混频后的采样信号x(n)存在频差，通过载波跟踪环路将其消除后，可以得到数据信号和本振信号的稳态相差。结合本振的相位信息，可以得到时钟信号Clk的相位信息，它也是数据信号Data的相位信息。
(5)循环执行(1)～(4)，FPGA在本地时钟的控制下完成信号的捕获和载波同步，并将数据传递给测距测速信息解算模块进行信息解算。测距测速信息解算模块根据帧计数信息可获得无模糊距离的测量时间；根据相关峰位置可获得码元级别的时间信息，即时钟周期计数信息；根据数据信号Data的相位信息可获得小数个码元级别的时间信息，即1个时钟周期内的相位计数信息。通过三级时间测量，得到精确的时间信息并对其进行补偿后，根据异步应答测距算法即可计算出目标的距离、径向速度、钟差及频差。异步应答测距原理示意图如图2所示，其中，tE1、tE2、tE3、tE4和t‘S1、t‘S2、t‘S3、t‘S4分别对应主测端(地面站)和被测端(天基终端)发射的两对共四个激光信号A、B、C、D在主测端和被测端对应的本地钟时间测量结果，tE1、tE3、t‘S1、t‘S3为发送时刻信息，tE2、tE4、t‘S2、t‘S4为接收时刻信息。已知光速为c，距离R、径向速度v、频差ψ和钟差τ由异步应答测距算法推导的公式给出：
Figure BDA0001552632480000061
Figure BDA0001552632480000062
Figure BDA0001552632480000063
Figure BDA0001552632480000064
以上实例仅用于对技术方案的说明，是技术方案的部分体现而非全部。本领域的普通技术人员在无创造性条件下基于此技术方案所提出的其他所有实例，都属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.基于时钟数据恢复的模数混合高速信号时间测量系统，包括：激光接收模块和时钟管理模块；其特征在于：还包括时钟数据恢复模块、混频模块、低通滤波模块、采样模块、载波跟踪模块、信号捕获模块和测距测速信息解算模块；
所述激光接收模块，用于接收并解调发端机产生的高速DPSK调制信号，得到高速模拟信号作为时钟数据恢复模块所需的输入信号；
所述时钟数据恢复模块，接收激光接收模块解调出的高速模拟信号，将高速模拟信号恢复为相位严格对齐的两路信号，其中一路为数据信号，作为信号捕获模块的输入；另一路为时钟信号，时钟信号的频率等于数据信号的速率，用以与时钟管理模块产生的本振信号进行混频；
所述时钟管理模块，根据系统参考时钟产生本振信号，作为混频模块的输入信号；根据系统参考时钟产生FPGA工作时钟；根据系统参考时钟产生采样模块的采样时钟；
所述混频模块，将时钟管理模块产生的本振信号与时钟数据恢复模块产生的时钟信号混频，作为低通滤波模块的输入；
所述低通滤波模块，对混频模块的输出信号进行低通滤波，滤除混频后的高频分量和带外噪声，保留时钟信号和本振信号的低频差频信号，作为采样模块的输入；
所述采样模块，对输入的低频差频信号进行采样，其采样频率与数据帧频相参，即与数据帧频同频或为其整数倍，采样后的信号作为载波跟踪模块的输入；
所述载波跟踪模块，使用锁相环路消除采样后低频差频信号的频差，得到本振信号和时钟数据恢复模块恢复出的时钟信号间的稳态相差；环路输出作为测距测速信息解算模块的输入之一，用于精确时间测量和测距测速信息解算；
所述信号捕获模块，根据时钟数据恢复模块恢复出的数据信号，采用滑动相关算法实时检测信号帧头的位置，若信号与本地帧头序列的相关结果超过预设门限，即认为捕获成功，捕获模块能够估计出信号位置，并将信号位置送给测距测速信息解算模块；
所述测距测速信息解算模块，按照三级时间系统，实现精确时间测量，然后计算目标的距离和径向速度；第一级为秒级时间测量，测距测速信息解算模块根据传输帧中的帧计数信息能够实现秒级精度的无模糊距离的时间测量；第二级为码元级时间测量，根据捕获的帧头相关峰的位置，能够实现1个码元时间内的时间精度测量；第三级为小数个码元时间精度测量；利用载波跟踪模块消除差频信号的频差，得到稳态相差后，结合本振信号的相位以及信号捕获模块给出的相关峰位置，能够得到在小数个码元时间内的相位偏差信息，进而将时间测量精度缩小到小数个码元时间内。
2.实现如权利要求1所述的基于时钟数据恢复的模数混合高速信号时间测量系统，其特征在于：所述测量系统，使用集成CDR芯片ADN2915进行时钟数据恢复，使用混频器芯片ADL5801进行混频，使用ADF5355作为频率合成器和锁相环，使用AD9233作为模数转换器进行采样和量化，使用FPGA芯片XC7VX690T进行数据处理。
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