（光学工程专业论文）高速光突发模式时钟同步.pdf

电子科技大学研究生毕业论文 摘要 时分复用( t d m ) 作为一种信道复用方式，在极大提高信道利用率的同时 也产生了一些有待研究的新问题。其中之一就是突发信号的接受与同步问题。由 于来自不同结点的具有不同的相位和幅度的数据包时分复用后，在同一信道中传 输；这样在接收端势必面临针对不同的接受数据包，快速建立不同的判决电平和 生成不同时钟的问题。传统接收机和时钟恢复电路，由于无法在如此短暂的时间 内进行判决电平之间的切换和相位锁定，因而无法工作在突发模式下。由于突发 信号自身的特点，必须对突发信号接受和时钟恢复予以特殊对待。本文所要研究 的就是高速光突发模式下的时钟恢复技术。 文章在对常规同步和现有突发同步技术进行说明的基础上，提出了一种新的 高速突发同步方法( 暂且称其为雪崩干预突发同步法) 。此同步方法中，时钟同 步电路采用带触发输入的限流定时器，利用触发信号对连续工作的限流定时器振 荡相位实施雪崩干预，使限流定时器输出时钟相位突变到设计位置并保持，从而 实现首比特即时同步。文中对电路的各部分组成、各部分功能以及不同场合的变 换等等，进行了详细的说明。 在1 2 5 g s 和5 g s 的系统速率下，利用计算和仿真对雪崩干预突发同步法的 可行性及理论可实现的性能做了较详细的分析。假定系统参考频钟稳定度为 1 p p m ( 1 0 e 一6 ) ，许可相位误差因子取= o 1 ，即许可相位延迟和滞后为士1 8 。，此 时误码率劣化低于3 d b 。在这样的条件下计算得到雪崩干预突发同步电路，在系 统速率为1 2 5 g b s ( 码元周期为o 8 n s ) 时，同步保持时间为4 0 i t s ，理论上可抗 长达5 1 0 4 个连“0 1 ”；在系统速率为5 0 g b s ( 码元周期为0 2 n s ) 时，同步 保持时间为1 0 9 s ，理论上可抗长达1 2 5 1 0 4 个连“0 ”“1 ”。同步带宽为： 0 1 2 5 m h z ( 系统速率为1 2 5 g b s 时) ，o 5 m h z ( 系统速率为5 g b s 时) 。雪崩干预过 程分析表明，这种同步方法方法理论上可以在p s 量级进行同步。 仿真分两个层面进行的。一是，各部分的单元电路仿真( 相位调整单元和稳 频单元) ；二是，整体电路的联合仿真( 相位调整单元、稳频单元以及数据恢复 单元的联合) 。给出了丰富的仿真波形，其中包括振荡器相位受干预后同步瞬态 波形、电路对单个数据包和多个数据包同步波形、恢复数据在一般仿真时长 ( 2 0 0 n s ) 上形成的眼图以及超长仿真时长( 2 0 ，0 0 0 n s ) 上形成的眼图以及干预 前后电路输出时钟的频谱等等，并进行了必要的分析。仿真结果与计算结果很吻 合。 在速率为1 5 5 m b s 的情况下，设计了突发信源和雪崩干预同步方法试验电 路，分别在电路和光路进一步验证了雪崩干预同步方法的实用性和可靠性。试验 电子科技大学研究生毕业论文 表明在1 5 5 m b s 速率上，实现了c d r 的基本功能。 关键词：突发同步时钟提取数据恢复c d r i i 皇王型堇查堂旦塞圭兰些笙茎 a b s t r a c t r e a l i z a f i n gt h ei n f o r m a t i o n - o r i e m e ds o c i e t y w i l l r e q i r es i g n i f i c a n t l ye n h a n c e n e t w o r k p e r f o r m a n c e t h ea p p e a r a n c ea n dd e v e l o p m e n t o f n e w t e c h n o l o g i e s ，s u c ha s t d m ，w d m ，o p s ，o b s ，p o n a n d i p ，i sj u s ta n s w e rt ot h i sr e q i u i r e m e n t t h e s et e c h n o l o g i e sa l ld e m e n dt h a ts y s t e mm u s th a sw e l lp e r f o r m a n c eo nh a n d l i n g b r u s ts e r v i c e f o rt h es a m er e a s o n ，t h es t u d yo r lb r u s ts i n g a lp r o c e s sh a sa t t r a c t e d w i d e l yi n t e r e s t i n go f n a t i o n s a l lo v e rt h ew o r l d b e c a u s et h e r eh a sal a g er a n d o mp h a s ec h a n gb e t w e e ne v e r yd a t ep a c k e t s ，o n o t h e rh a n di no r d e rt oe n h a n c et h ep e r f o r m a n c ea n de f f i c i e n c eo fn e t w o r k ，t h e d i s t a n c eb e t w e e nd a t ap a c k e t sm u s tb ev e r yl i t t l e h o wt or e a l i z es y n c h r o n i z a t i o n i n s t a n t l yw i t hl i t t l ee x p e n d i t u r eo f t i m ei st h ee s s e n c eo fb m s tm o d ec l o c kr e c o v e r y s o ，o u ra n a l y s i s s s u r r o u n do nt h i s o u r s t u d y i sb a s e do nt h e t h e o r yc a l c u l a t i o n ，c o m p u t e r s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t i nt h i sp a p e r r , w ef a b r i c a t ea n da s s e s san o v e lo p t i c a lb u r s tm o d ec l o c k a n dd a t ar e c o v e r y ( c d r ) c i r c u i t ，t h ec l o c kr e c o v e r yc i r c u i ti nt h ec d rc i r c u i t c o n s i s t so fc u r r e n tl i m i t e do s c i l l a t o rw i t ht r i g g e ri n p u tf o rh a n d l i n gt h eb u r s t - m o d e s i g n a l s w h o s eb i tr a t ev a r yw i t l le a c hp a c k e t m o r e o v e r , b a s e do nt h ea n a l y s i so f t h e p e r f o r m a n c eo ft h i s c d rc i r c u i t w ec o m p a r et h i s s y n c h r o n i z a t i o na p p r o a c hw i t l l p r e v i o u s l ya v a i l a b l eb u r s t m o d ec d r c i r c u i t t h es i m u l a t i o nr e s u l tc o n f i r m st h a tt h e h i 曲f r e q u e n c y5 0 g b so ft h ec l o c kr e c o v e r ya n dt h eh i 曲s p e e d5 0 g b so ft h e d e c i s i o nc i r c u i t ，t h ee x p e r i m e n tw i t l lb i tr a t e5 0 g b s s h o wt h a tt h ec i r c u i to f f e r e x c e l l e n t p e r f o r m a n c e i n p r a c t i c a la p p l i c a t i o n i n t h e e x p i r m e n t w i t hb i t er a t e 15 5 m b s ，t h ec d rc i r c u i ts u c c e s s f u l l yr e c o v e r yt h ec l o c ka n dd a t af r o mb u r s ts i n g a l s o u r c ew h i c hi sa l s od e s i g n e da n dm a d e b yo u r s e l fi n d e p e n d l y b yd i n gas e r i e so f e x p e r i m e n t s ，w e t e s tt h ep e r f o r m a n c eo f t h ec d rc i r c u i t k 斜w o r d s ：b u r s tm o d e ；s y n c h r o n i z a t i o n ；c l o c kr e c o v e r y ；d a t ar e c o v e r y ；c d r 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：五自至 日期：疋刚，年午月：g 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：五睥一 电子科技大学研究生毕业论文 1 1 引言 第一章绪论 由于通信技术的飞速发展，通信领域出现那两种趋势：一种是光纤技术逐渐 从骨干网向光域网( w a n ) 、城域网( m a n ) 发展，最后也将渗透到接入网； 第二种是以太网技术逐渐从局域网( l a n ) 向城域网、广域网发展，最后在骨干 网也将可能传送i p 包。这两种技术的结合，将有可能导致最广泛采用综合了最 好的光纤技术的光i p 以太网( 如i po v e rd w d m ) 。它将是在一个平台上提供数 据、视频和语音业务的主要工具【。 1 2 接入网 根据信息产业部公布的“2 0 0 0 年通信业发展统计公报”戒国2 0 0 0 年末互联 网用户达1 6 0 1 7 万户，固定电话用户达到1 4 5 1 2 2 万户，移动电话用户达到5 5 2 6 万户。按c n n l c 和某知名网站的统计，我国公共i n t e m e t 用户每周平均上网1 6 5 小时，拨号上网实际速率平均为6 k b i f f s ；另据i t u 统计，2 0 0 0 年骨干网上忙时每电 话用户业务占用骨干网带宽约为o 4 9 6 k b i t s 。根据这些数据，按i n t e r n e t 业务5 0 进骨干网，电话业务2 0 进骨干网，电话业务( 含移动业务) 用户年增1 5 ，i n t e m e t 业务增长率基本逐年加倍，可推算出2 0 0 5 年我国骨干网上i n t e m e t 业务占用骨干 网带宽会超过电话业务( 但应注意我国地区发展不平衡，上述结论是根据发达大城 市的统计数据作出的) 。 根据上面的数据可推算出：2 0 0 5 年我国骨干网总业务量为：6 7 6 1 4 g b i t s 。由于 d w d m 技术的成熟和d w d m 系统在骨干网、城域网上的推广应用，根据上面对 业务发展需求的分析，我们可以得出这样的结论：骨干网能满足未来几年的业务发 展需要。但接入网却大部分仍停留在窄带水平，而且仍主要是以支持电路交换为 基本特征，不能满足用户高速上网乃至视频业务的目益迫切的需求，接入网已经成 为全网带宽的最后瓶颈，接入网的宽带化和i p 化已经迫在眉睫。 这样在前所未有的发展机会下，各种宽带接入技术不断涌现。主要有基于双 绞线传输的接入技术( a d s l ) 、基于同轴电缆和光纤混合传输的接入技术( h f c ) 、 基于以太网技术的宽带接k ( 传输媒质为光纤+ 5 类线) 、基于无线传输的接入技术 ( m m d s 、l m d s 等) 和基于光纤传输的接入技术f 主要有无缘光网络( p o n ) 技术、 基于同步数字传输网( s d h ) 的有源光接入 等。下一代网络( n g n ) 中最佳的“最 后1 k m ”解决方案为基于异步传送模式( a t m ) 的无源光网络( a p o n ) 和基于以太 网的无源光网络( e p o n ) 。a p o n 和e p o n 接入系统各有其优势，都属当今国际上 电子科技大学研究生毕业论文 研究的热点技术。对e p o n 接入系统存在国际标准争议( i e e e 5 0 2 3 a h 工作组尚 未出台正式标准) ；对a p o n 接入系统正逐步走向实用化技术研 4 8 】。 1 3 光交换 密集波分复用( d e n s ew a v el e n g t hd i v i d em u l t i p l e x ，d w d m ) 技术为通信网 络提供了巨大的传输容量，逐步成为主流传输技术。伴随着d w d m 技术的成熟 和传输容量的快速增长+ 传统的电子交换系统承受的压力日趋增大，光交换技术 的引入日显迫切。 与光信号的3 种分割复用方式相对应，光交换也分为空分、时分和波分3 种，分别完成空分信道、时分信道和波分信道的交换。 从支持的业务类型来看，光交换又可分为电路交换( 波长路由) 和分组交换 两种方式。早在2 0 世纪9 0 年代初中期，人们就开始研究光子交换技术，a t m 光交换、分组光交换成为热门研究课题。人们期望通过光交换突破电子速率的限 制，提高交换单元的吞吐量。但这些光交换需要高速光开关来实现，加上光逻辑 器件还很不成熟，不能完成复杂的逻辑处理功能，所以只能实施电控光交换，即 在电域上识别信头，由电信号来控制光开关的动作。由于电控光交换没有摆脱电 子“瓶颈”的限制，从而限制了它的发展和应用。至今，高速光开关和光逻辑器 件在技术上依然没有重大的突破。 基于波分交换或波长路由的全光网在过去的数年中有了长足的发展，正在逐 步得到规模应用。全光网是指为客户层信号提供光域处理的传送网络，包括光域 的传送、复用、选路、监视和生存功能等。完成交换功能的主要是光交叉连接器 ( o x c ) 和光分插复用器( o a d m ) 。在经过数年的研究、实验后，全光网络现正 向智能化的方向发展，自动交换光网络( a s o n ) 就是其向智能化发展的主流方 向。 严格地讲，波分光交换与波长路由不同。波分交换网络必须具备波长变换器， 而波长路由网络是利用波长的不同来实现选路。波长路由网络属于电路交换方 式，采用双向资源预留方式设置光通路，中间节点不需要光缓存，可提供有保证 的服务。但电路交换是粗粒度的，以波长或波长组为交换的粒度，带宽利用率较 低，不能实现统计复用，不适于像i p 这样的突发业务。 光突发交换( o b s ，o p t i c a lb u r s ts w i s h ) 由q i a o c h u n m i n g 等人提出。其设 法综合较大粒度的波长( 电路) 交换和较细粒度的光分组交换两者的优点，并克 服了这两种交换方式的不足。在较低的光子器件要求下，实现了面向j p 的突发 业务的快速资源分配和高资源利用率，因此能有效地支持上层协议或高层用户的 突发业务。 2 电子科技大学研究生毕业论文 o b s 网络在边缘节点入口将具有同一网络出口地址和共同属性( 如q o s ，服务 质量) 的多个分组打成一个突发包( 称为突发数据分组，b d p ) ，同时产生相应的控制 分组( 称为突发控制分组，b l i p ) 。b h p 先于b d p 在特定的光信道上传送。在中间 的核心节点，b h p 通过o e ( 光电) 变换在电域进行处理，并为b d p 设置通道。b d p 经过一定的偏置时i 盲q ( o f f - s e t t i m e ) 后，在不需确认的情况下直接发送，核心节点根据 b h p 的设置对其进行全光透明的交换和传输h 。 1 4 光突发同步的应用背景 p o n ( 无源光网络) 中采用无源树形分支结构，o l t ( 光线路终端) 位于根节点， 通过o d n ( 光分配网) 与各个o n u ( 光网络单元) 相连。o d n 为无源光分配网，只包 含光分路器、合路器等无源光器件。这种树形分支结构决定了各个o n u 之间必 须以共享媒质方式与o l t 通信。在下行方向比特信息流是连续的，所以比特同 步可阻使用传统的锁相环实现。但下行比特同步由于其突发性变得相对困难。 在a p o n 或e p o n 系统中，上行方向发射采用t d m a 技术【1 ，即不同位置 o n u 的数据包( 对于a p o n 是a t m 信元) 采用间插的方式汇集在同一根光纤上， 如图l 所示。此时，发射是突发模式，必须采用测距程序控制每个o n u 的发送 时间，以确保各o n u 发送的信元在组成上行传输顿时不会发生碰撞。测距是使 处于不同位置的o n u 在发送上行信元前，产生适当的时间延迟。测距精度通常 为1 2 个比特，所以各o n u 信元在组成上行帧时的间隙有几个比特，从而使 到达o l t 的信元几乎是连续的比特流。 由于上行接人是突发模式，以及测距精度的限制，间隙不是恒定的，所以不 是比特的整数倍，这与通常的同步技术显然不同。在通常的同步技术中，因为信 号幅度的变化相当慢，普通的锁相环( p l l ) 电路完全可以跟随上，所以广泛使用 从数据信号中恢复时钟的p l l 。然而现有的p l l ，相位锁定需要较长的时间，通 常要m s 量级，所以获得同步太慢。另外，环路锁定时也存在较大的相位误差。 在p o n 系统中，因为每个o n u 信元的相位是不知道的，o l t 又必须利用每个 突发信元前导码中的几个比特完成相位锁定，所以更增加了同步的难度。不过 1 g b s 和1 0 g b s 高速传输系统用数据块( 信元) 开始的前导码，完成相位锁定 的突发同步技术已有报道。 在o b s 网络中，突发数据包可以看作是由一些随机分组长度构成的分组，而 这个分组的分组头就是突发的控制分组( b u r s th e a d e rp a c k e t ，b h p ) 。与传统分 组交换不同的是，b h p 与突发数据包在传输上物理通道是分离的，在密集波分复 用( d e n s ew a v e l e n g t hd i v i d e dm u l t i p l e x ，d w d m ) 传输系统中，可以采用一个 ( 或多个) 专门的波长作为控制通道，用于传送b h p ，而把其他的波长作为数据 电子科技大学研究生毕业论文 通道。b h p 与突发信息传输一一对应，在边缘节点设置b h p 与突发数据包之间的 偏移时间( o f f s e tt i m e ) ，即边缘节点发送b h p 与发送相应突发数据包之间的间隔 时间。b h p 中包含突发数据包的有关信息，如偏移时间、突发长度、数据通道( 波 长) 等。b h p 在中间节点转换为电信号进行处理，包括路由的确定、资源的预约 以及交换矩阵的配置等，保证当突发数据包到达时相应的数据通道已经配置好， 从而实现突发信息在光网络的透明传输。不论是网络核心结点处接受的来自不同 边缘节点的b h p 之间、还是网络边缘节点接处接受的来自不同核心结点、边缘节 点的b d p 之间，幅度和相位相差都可能很大；因此如何快速完成对接收光信号的 时钟提取、判决和锁定，并保证有足够低的误码率将是边缘节点急待解决的一个 问题。目前光突发接收机主要集中在国外，技术复杂，价格昂贵或者动态范围较 小，灵敏度低。 1 5 突发同步研究现状 通信事业发展到今天，其业务也从单纯电话、数据向视频、多媒体等宽带业 务发展。因特网用户和业务量的迅猛发展，使得信息通信网络正朝着分组化、宽 带化、智能化的方向发展。现有网络不能满足这些业务的发展要求，迫切需要建 设一个高宽带、业务发展受限少的宽带业务网。在宽带业务网的技术选择上，存 在许多分歧。目前主要的存在两大流派，一种是a t m 方式，另一种是i p 方式。 这两类业务都具有突发特征，这将势必导致突发业务的激增。然而，当前的 光信息处理模式仍然处于“骑驴赶马”的年代。由于光逻辑器件的缺乏，对高速 光域信号的处理、控制仍然很大程度上依赖与电域。这就对为光纤通信服务的外 围电路、电器件，提出了极高的要求。突发业务的激增对这种尴尬的情形无疑是 “雪上加霜”。因此对突发业务的研究，不仅是必要的，也是急需的；也正因如 此对突发发射、突发接受、突发同步的研究也引起了全球范围的广泛重视。突发 同步课题的选取对光纤通信当前阶段的发展是极有价值的，对其他通信方式，例 如微波通信、卫星通信等的研究也同样是有促进作用的。 目前就个人掌握的资料来看：s h o u k e ik o b a y a s h i ( 日本人) 2 0 0 1 年用相关同步 法实现了对速率从5 2 m b s 到1 2 4 4 m b s 的突发数据的自动识别、时钟提取和数 据再生【4 7 。k i y o m i t s uo n o d e a ( 日本人) 在2 0 0 4 年利用相关同步法制作的突发同 步电路可实现1 0 5 g b s 突发信号的时钟恢复 4 2 】。原荣先生( 中国电子科技集团 公司第3 4 研究所) 在2 0 0 3 年利用数字环路振荡法( d r - - o s c ) 实现了1 0 g b s 的突发信号的时钟、数据恢复【4 8 】。在下章中将对这三种方法作基本介绍。 4 电子科技大学研究生毕业论文 2 1同步简介 第二章同步概述 在通信系统中，发同步器、收同步器分别为发射机、接收机提供各种同步信 号，使收、发信号步调一致地工作，从而确保信号正确传输。通信系统如果出现 同步误差就会使通信系统性能降低或通信失效。同步的准确可靠及同步的方法是 通信必须研究的课题。可以说同步是通信系统，特别是数字通信系统中的关键技 术。 同步也是一种信息，按照获取和传输方式的不同，又可以分为外同步法和自 同步法。 外同步法是由发送端发送专门的同步信息( 常被称为导频) ，接受端把这个 导频提取出来作为同步信号。 自同步是发送端不发送专门的同步信息，接受端设法从接受的信号中提取同 步信息。 通信系统的同步包括：载波同步、位( 码元) 同步、帧同步及网同步等【j 】。 2 2 同步的基本类型及相应同步方法 2 2 1 载波同步 载波同步是指调制传输系统信号传播延时导致载波( 相位) 偏移。如果检测 器是相位相干的( 相干解调、同步检测) ，接受必须对这种载波( 相位) 偏移进 行估计，获得一个与发送端载波同频同相的载波。这个载波的提取称为载波同步。 若已调信号本身含有足够的载波分量，则可以直接用窄带滤波器滤出，而对 本身不含载波或接受端很难从已调信号的频谱中将其分离出来的已调信号，则主 要的是通过外同步的方法实现。载波同步主要的有两种方法：直接法和插入导频 法【2 1 。 直接法( 自同步) 。在接受端对已调信号进行某种非线性变换后，得到载波 的谐波分量，再经过分频就可以得到载波同步信号。直接法一般的又有：平 方变换法和平方环法、同相正交( c o s t a s ) 环法等。 插入导频法。在抑制载波的双边带信号( d s b s c ) 中插入导频，双边带已 调信号在载波处的频谱分量为零，载频附近的频谱分量很小，这样便于插入 并在解调时易于将其滤出。插入导频并不是加于调制器的那个载波，而是将 载波相移9 0 度后的所谓“正交载波”。此法还使用于等概率的二迸带j 相移键 控信号( 2 p s k ) 、残留边带信号( v s b ) 、单边带( s s b ) 信号等，尤其时单 电子科技大学研究生毕业论文 边带( s s b ) 信号，它没有载波分量又不能用直接法提取载波，只能用插入 导频法。插入导频法一般的又分为：频域插入导频和时域插入导频。 载波同步的性能指标主要有效率、进度、稳态相差、随机相差、同步建立时 间和同步保持时间等。 载波相位对不同信号的解调所带来的影响是不同的。对双边带信号，载波相 位误差只是引起信噪比的下降。而对于带边带信号和残留边带信号，载波相位误 差不仅引起信噪比下降，而且还引起信号畸变。相位误差越大，畸变也越大。 2 2 2位同步 位同步就是码元同步。在数字通信系统中，为了恢复发送信号必须对解调器 输出进行周期性抽样。因为一般情况下在接收机中对发送机到接收机的传播延时 是未知的，为了对解调器输出同步抽样，必须从接受信号导出符号定时。为接受 端数据再生、译码等提供准确的码元判决时刻，使判决对钟的周期和相位都准确 地与发送端一致。否则，误码率会大大增大，使通信可靠性大幅降低，甚至整个 通信系统失效。位同步的过程也就是时钟提取的过程。 与载波同步法类似，位同步法也有插入导频法和直接同步法。 插入导频法。与载波同步法中插入导频法原理的类似，它是在基带信号频谱 的零点处插入所需的位同步定时导频信号，在接受端，经过窄带滤波，就可 以从解调后的基带信号中提取出位同步所需的信号。 直接法。这类方法是发送端不专门发送导频信号，而直接从接受的数字信号 中提取位同步信号。直接同步法又分滤波法( 波形变换滤波法、包络检测滤 波法) 和锁相环法。 2 2 。3 群同步( 帧同步) 通信中除了上述两种同步外，还有必须具有帧同步、群同步。数字通信中， 一般总是以若干字节组成一字、若干个字组成一个句，即组成一个个的“群”进 行传输。群同步的任务就是在位同步的基础上识别出这些数字信信群( 字、旬、 帧) “开头”和“结尾”的时刻，使得接受设备的群定时与接受到的信号中的信 号中的群定时处于同步状态。在时分复用系统中，要保证接受端分路系统能和发 送端一致，必须要有一个同步系统，以实现发端与收端的帧同步。帧同步信号提 供一帧的起止时刻，以便对时分复用的各路信号进行分接。实现群同步的方法有 起止式同步法和插入特殊同步码组法。插入同步码组法又分为连贯式插入法和间 隔式插入法。 2 2 4网同步 在获得了载波同步、位同步、群同步之后，两点的数字通信就可以可靠地进 电子科技大学研究生毕业论文 行了。然而，随着数字信号的发展，尤其是计算机和通信系统相结合后，出现了 多点( 多用户) 之问的通信和数据交换，全网必须有一个统一的时间标准时钟， 即全网必须同步工作。实现整个网的同步称为通信网的网同步。 实现网同步的方法主要有两类：一类是建立同步网，即使网内各站的时钟彼 此同步，各站的频率和相位都相同，主要方法又有主从同步法和互相同步法两种： 另一种是异步复接，也称独立时钟法，这是各支路参与复接的数字流是非同步的 或者说是准同步的，它们有各自独立时钟，但各支路数字流的速率偏差在一定容 许的范围之内，在复接设备里对支路数字流进行调整和处理之后，使之变成相互 同步的数字流，完成异步变同步的作用。实现异步复接的方法也有两种：码速调 整法和水库法【3 】。 2 1 3光传输中的时钟提取与数据再生( c d r ) 在数字光接收机，除了光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、峰值检 波器和a g c 放大器以外，还有一个很关键的部分定时提取与判决再生电路。 c d r 的功能是，将均衡器输出的升余弦信号恢复成数字信号，它包括：时钟提 取电路、判决电路。其中时钟提取是，将f = - b 的谱分量与接收信号分离的过程， 向判决电路提供码间隔t b = i b 3 的信息，使判决过程同步。在r z 码中，信号本 身含有f = b 的谱分量，使用窄带滤波器( 如声表面波滤波器) ，即可提取出时钟； 而在n r z 码中，信号缺乏f = - b 的谱分量，首先要对信号进行非线性预处理( 微 分、整流电路或延迟原理) 窄化脉冲，再经锁相环路提取出时钟。要求时钟提取 稳定可靠、抗连“0 ”连“1 ”和时钟抖动小。判决电路的目的是把从接受发大 器送来的输出信号与判决门限电平进行比较，并在恢复的时钟决定的抽样时刻决 定出是1 码还是0 码。判决再生电路由比较器和d 触发器构成。电路的 工作状态最好用眼图来描述1 1 7 】。 2 4 光传输中的突发同步( b u r s ts y n c h r o n i z a t i o n ) 2 4 1 光突发同步的由来及一般特征 突发信号的特征是各分组信号( 包括信号和开销) 间幅度、相位差异很大， 而各分组信号时间间隔一般又很小。如何在极短的时间内快速地对信号之间大的 幅度、相位突变作出正确的响应是突发技术的关键。突发信号一般产生于多点发 射一点接受的时分复用系统中，各发射端到接受端的物理距离不同、信道条件不 同是产生信号突发特性的主要根源。在光纤通信系统中，信号一般为n r z 码且 传输码型一般跳变密度较低。波形相同的二进制随机n r z 序列频谱中，不存在 离散谱。低跳变密度又使连续谱中时钟频率变得很弱。这些都对时钟提取是不利 电子科技大学研究生毕业论文 的。 2 4 2 突发数据结构 突发数据如图2 3 1 所示，主要分为两大部分前导码和数据区，前导码包括 图中所示的前三部分，其中g u a r d 为保护时间，以防止来自不同光发射节点的光 突发信号发生碰撞，导致数据损失；a m p l i t u d er e c o v e r y f i l e d 为信号幅度恢复区， 用于峰值探测电路探铡出信号的幅度，产生判决电平；c l o c kr e c o v e r y f i l e d 用于 突发同步电路，以恢复同步时钟。c l o c kr e c o v e r yf i l e d 并不是必须的 2 。高性能 的突发同步电路可以实现时钟相位的即时对准，即首比特同步，无需额外的比特 开厂t 厂 销。l g u a r d i a m p l i t u d er e c o v e r yf i l e d i c l o c kr e c o v e r yf i l e d l d a t a l 2 5 突发问步的现有方法 图2 1 突发数据结构 现有较常用和成熟的突发同步方法主要有门控振荡法和相关法，此外还有数 字振荡环法、无限冲击响应滤波法以及快速锁相环法等等。这里只对前三种进行 较详细的说明。 2 5 1 相关突发同步技术 在科研中，如果想知道一个接收信号的某些参数，通常用相关法。在精确地 知道接收信号的频率或码速的前提下，让接收的信号和已知的经过延时的信号进 行相关运算，从运算结果可以判定接收信号的相位。在突发模式系统中，需要知 道的频率精确度和突发数据块的长度是密切相关的。因为如果数据块比较短，在 不发生滑码的情况下，就可以允许精确度低一些；如果数据块比较长，精确度就 要高一些；在a t m p o n 系统中，下行信号是连续的数据流，o n u 通过锁相环同 步电路得到时钟，所以可以精确地知道上行信号的频率。因此，可以应用相关算 法来实现上行信号的数据恢复和时钟同步。把输入信号和存储的具有不同相位的 信号进行相关，当存储信号和输入信号有最小的相位差时，相关取得最大值，此 时就可以用此时钟进行信号提取。测距可保证不同o n u 发送的信元在o l t 端互 不碰撞，但测距精度有限，一般为l b i t 。o l t 端接收到的数据流为近似连续 数据流，不同o n u 发送的信元之间有几b i t s 的防护时间，信元之间有相位突变。 上彳于信号为突发信号，必须采用突发同步方式，一般采用关键字检测方案实现突 发同步。突发信号以c e l l 为单位，每个c e l l 分为两部分：前导码和数据包 电子科技大学研究生毕业论文 ( a t m - p o n 中为a t m 信元) 。前导码包括防护时间、功率恢复比特、突发同步关 键字、b y t e 同步关键字。o l t 接收到突发信号，经o e 转换为电信号，传统突 发同步电路用多相时钟对关键字抽样，根据抽样信号与关键字的相关结果选择最 优时钟，用最优时钟对数据部分抽样，达到突发同步的目的 4 5 】。 2 5 ，1 1 相关同步原理 任意两个信号x ( t ) 和r ( t ) 的相关函数为 y ( ，) = 去i 鼻( r ) r o r 矽f ( 2 1 ) 式中t 为时间，是两个信号之间的延时，t 是相关时间。当x ( t ) 是r ( t ) 的 相移加随机噪声时，即 x ( t ) = r ( t + 妒) + n ( t ) ( 2 2 ) 式中n ( o 随机噪声。于是可以进一步表示为 y = 去j 删r ( t + o - r ) + n ”叫斫( 2 - - 3 ) 显然，当f = 妒时以y 有最大值。在突发系统中可以使用不同相位的延时 的时钟信号与已知的同步码进行相位相关运算，当某时延信号与同步码具有相同 的位相时，相关值取得最大。同步码是帧信元开销中的前导码，前导码完成接受 电平恢复和突发同步两项功能。幅度恢复需要前导码中有更多的连“1 ”，而突发 同步中需要前导码中有更丰富的频率分量，即“0 1 ”。嘲 2 5 1 _ 2 同步码的格式 在突发同步中，也称同步码为关键字。同步码位于上行帧信元开销中的前导 码，前导码完成接收电平幅度恢复和突发同步两项功能。幅度恢复要求前导码中 有更多的连“1 ”，而突发同步则要求前导码中有更丰富的频率分量，即“01 ”。 综合考虑后，前导码取“11 110l01 ”。1 1 1 2 5 _ 2 门控振荡法 门控振荡法使用3 个振荡器，一个主振，两个从振。主振控制从振，从振由 上升沿触发，产生与输入频率- - n n 方波。一次只有一个从振在工作，振荡器随 信号变化而开启或关断，从而和输入信号达到同步。振荡器输出频率和输入信号 n g - - 致时，即使信号有长的连0 或连1 也可以保持同步。为了使两个从振达到 电子科技大学研究生毕业论文 八 v 数据输 ， 图2 2 门控振荡法原理图 一致，采用自动调谐的方式，引入一个主振，连续运转，并用锁相环使它与 外部固定参考频率保持一致。频率控制信号由两个从振共享，从而使输出时钟达 到理想。这种无记忆系统有一个非常重要的特性，那就是在门控振荡器关闭时任 何由于振荡频率或传输速率不匹配而积累的相位错误都会被屏蔽掉。事实上，振 荡频率和数据速率出现不匹配时，即使输入数据出现有限个连“0 ”和连“1 ”， 也会无误码传输。门控振荡法可在l 比特内锁定相位。1 7 】 由于两个从振必须是一致性很好的l c 振荡器，因此通过分离元件搭电路 不太现实。但可以使用c m o s 集成电路，将设计的电路做成a s i c ，它性能可靠、 适于大批量生产，只是开发成本较高。 可变频率门控振荡器可以便用标准的电压或电流控制环路振荡器构成，如图 4 所示。在p l l 中使用四分频器，这样鉴相器就可以在1 n ( n 为前置分频器分频 比1 时钟频率下工作，设计这样的鉴相器就变得容易些。另一个优点是外部参考 时钟也只是数据速率的四分之一。 当p l l 被锁定时，图4 表示的时钟恢复电路各点的波形如图5 所示。由图 左侧可见，时钟信号的恢复约在0 0 5 m s 左右就完成了。 门控振荡电路可以采用c m o s 集成电路实现。利用a s i c 技术，可以将同 步电路做成一块体积很小的专用芯片，利用这种技术已实现了6 6 0 m b s 和 1 5 g b s 速率的突发模式接收的时钟恢复。如果发射端采用外调制器，比特速 率也可以超过2 g b s 。a s i c 芯片的优点是性能可靠，适于大批量生产，但由于 a s i c 芯片不像f p g a 芯片那样可以多次修改其内部设计，且制作费用昂贵，所 以开发成本较高1 1 ”。之外，想通过分离元件实现是不太现实的，因为振荡器a 、 1 0 电子科技大学研究生毕业论文 b 和c 的一致性要求非常高，通常要求达到9 9 。另外，用此方法需要相关的 模拟集成电路设计软件。 压控振荡器对工作环境的温度十分的敏感，这样如果锁相环的捕获范围很小 的话容易造成失锁，从而对时钟和数据的恢复造成困难。因此需要一个足够大的 频率范围来容纳环境温度的变化。为了克服上述影响，对输入频率进行锁定， 通常有两种方法：1 ) 采用晶振，使锁相环有个精确的中心频率，但晶振的成本 很搞。2 ) 加入鉴频器，当锁相环的频率和输入频率不一致时，鉴频器产生误差 信号，使压控振荡锁定在输入频率。这样锁相环的捕获范围就更广吼 门控法因其捕获时间短，捕获范围广，便于集成，以及在无信号情况下提供 输出的优点被广泛应用。但对振荡器的对称性要求很高，分离元件很难达到要求。 2 5 3 数字环路振荡突发同步技术 数字环路振荡器( d r - o s c ) 利用每个输入数据包中含有始终信号的前导码 恢复时钟。然后用提取出来的时钟恢复数据净荷。已有文章介绍用此方法实现了 1 0 g b s 光突发数据包的时钟提取【4 7 l 。 2 4 3 1 数字环路振荡器的基本工作原理 图2 3 数字环路振荡法工作原理图 出 图2 5 时钟恢复电路构成 l l 电子科技大学研究生毕业论文 d r - o s c 是由两个a n d l n a n d 门电路荷电子延迟线组成，正反馈环路的 谐振频率是： ( f ) = i 2 1 、2 、3 、( 2 - - 4 ) l p 式中t pr 。代表信号在正反馈环路内传输一周所需的时间。另一方面，信号极 性在负反馈环路中每传输一次就改变一次，因此负反馈环路的谐振频率是 工( 沪雨a t p 产1 、2 、3 、 叫 式中乙是a n d n a n 门电路正负极之间的时间差。数字环路振荡器工作在 正负环路谐振频率匹配下，即( i ) = ( ，) 。因此选择年i a t p ，就可以使振 荡频率预置到制定的频率。该电路的同步时间是信号在环路中传输时间的的2 倍： t s y n = 2 ( 一f ，) ( 2 6 ) 2 6 几种突发同步方法的小结 从前面的分析可以看出，现有的突发同步方法基本上都属于一种大的比特同 步类型，即波形变换滤波法。所不同的只是波形变换和对初步形成的时钟信号窄 带滤波的具体方法。 不归零的随机二进制序列，无论它是单极性的还是双极性的，在等概发送时， 频谱中都没有f = l t 的离散谱位同步分量。若将该信号进行某种变换，例如变为 归零的单极性脉冲，其谱中就含有f = l t 的分量，然后用窄带滤波器取出该分量， 在经移相调整后就可形成位定时脉冲。其原理如框图 所示，图中波形变换可 以用微风、整流来实现。 输塑堕卜匮 怔丑屯巫卜 jul_ju l 甘黼山山 图2 6 波形变换滤波法 皇王型垫查堂婴至兰兰些篓2 1 一 第三章雪崩干预突发同步法 以上对常规同步和突发同步的基本方法做了一些必要说明。接下来将对本人 提出的一种新的突发同步方法的，进行详细的说明。 3 1 工作原理 整个同步电路由四部分组成：1 ) 、边沿检测电路，2 ) 、带触发输入的限流定 时器，3 ) 、稳频环路，4 ) 、判决输出电路。 图3 _ l 电路功髓框图 出 出 如图3 一l 所示，整个电路的基本原理为，在外围稳频环路的作用下，限流 定时器振荡频率与输入信号时钟频率相同。边沿检测电路检出输入数据信号的 正、负跳变，得到富含位信息的边沿信号作为触发信号。然后用它经钳位电路后 触发限流定时器，迫使限流定时器输出信号与输入数据信号相位同步( 此过程由 雪崩干预实现) 。这样限流定时器电路输出即为与输入信号同频同相的时钟信号。 由于电路在触发时有即时调整输出相位并短时保持的特性，限流定时器输出时 钟信号和原始输入数据信号已满足最佳判决条件，可不经专门延迟电路，而直接 由判决电路恢复出数据，从而最终完成了c d r 的基本功能。以下结合本c d r 电路的各个部分具体说明其工作原理，以及各部分的作用和相互关系 3 2 边沿检测电路 3 2 1 边沿检测电路工作原理 电子科技大学研究生毕业论文 如图3 1 ，边沿检测电路的主要功用是，从输入数据信号中直接抽取其相 位信息，以备后续比特同步之用。其具体实现是，由简单的r c 微分电路将输入 信号跳变的上升沿、下降沿检出，成为尖脉冲( 如图3 3 ) 。而后经钳位电路将 其直流电平钳至触发阂值电平附近。其中，只有上升沿转化的正尖脉冲对限流定 时器进行有效的同步触发，负脉冲对电路无影响可以不予滤除。边沿检测电路中 ( 如图3 1 ) ，r l 、c l 的具体值要根据系统速率设定。这