多路异步波长标签信号时钟恢复方法与系统与流程

1.本发明属于光纤通信技术领域，更具体地，涉及一种多路异步波长标签信号时钟恢复方法与系统。

背景技术：

2.近年来随着wdm(wavelength division multiplex，波分复用)技术的发展，光传送网所承载的数据容量急剧增加。波长标签技术是指通过在特定波长信号上附加调顶信号来实现对大容量光网络的监控、管理及维护，这种技术将波长标签与对应的波长信号绑定，同时对波长信号的影响几乎可以忽略不计，在波长路径上的各节点都可以方便的实现波长标签信号的上载和下载。
3.现阶段关于波长标签的研究主要可以分为两个方向：使用fft(fast fourier transform，快速傅里叶变换)或线性调频z变换(chirp z transform，czt)在频域解调；或是使用数字移频、滤波、降采样的方法进行解调。前者需要通过不断调节采样时间窗口实现同步，并且只能处理多路同步的波长标签信号。与此同时，fft运算存在栅栏效应，且adc(analog to digital converter，模数转换器)的采样频率或者波长标签信号导频频偏都会直接导致解调结果的误差。
4.要实现对多路异步波长标签信号进行时钟误差的修正，需要将一路混合数字信号根据波长数目复制成多路并行，再将每路信号单独修正从而实现多路异步信号的处理。但由于信号带宽相比于采样率极低，所需的fir(finite impulse response，有限脉冲响应)滤波器抽头数量太多，计算资源需求巨大，不符合低成本波长监控平台的发展趋势。
5.目前的波长标签解调方案本质上都基于同一个大前提，即adc采样率和导频频率的稳定性和准确度足够高，解调后的信号不存在时钟误差，因此不需要时钟恢复，但实际wdm系统很难满足上述理想的条件。目前的解调方案由于资源需求高、功耗大、成本较高的缘故，也不利于满足光传送网对低成本的需求，因此开发一种适用于波长标签系统的高性能、低资源需求的时钟恢复方法尤为重要。

技术实现要素：

6.针对传统的波长标签解调方案无法补偿由于adc采样频率或导频频率误差带来的误差，以及传统时钟恢复算法结构处理多路异步信号需要成倍资源代价的缺陷，本发明提供了一种对多路异步波长标签信号进行超低复杂度时钟恢复的方法。该方法由于对时钟恢复算法的整体架构进行修改，使得一个时钟恢复模块可以同时处理多路异步信号，并且提出了一种新型无乘法的时钟误差检测方法用于实现本发明的高性能、低复杂度的时钟恢复运算。本发明提出的时钟恢复方法在不牺牲算法性能的前提下，极大的降低了对计算资源的需求，有利于满足波长标签系统的低成本发展方向。
7.为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种多路异步波长标签信号时钟恢复方法，包括对信道数据进行时钟恢复处理，具体包括：
8.插值滤波器根据数控振荡器输出的插值坐标对输入信号进行线性插值；
9.时钟误差检测器根据输入信号计算时钟误差；
10.环路滤波器滤除时钟误差中相位噪声的影响，并提取稳定的数字控制信号；
11.数控振荡器更新调整插值滤波器所需的整数和小数插值坐标。
12.进一步的，所述插值滤波器根据数控振荡器输出的插值坐标对输入信号进行线性插值时，采用的公式包括：
13.x(kti)＝x((n+mk)ts)
·
(1-μk)+x((n+mk+1)ts)
·
μk；
14.上式表示由相邻两个采样点根据线性插值得到重采样之后的信号，整数插值坐标mk只有
±
1和0三种取值，小数插值坐标μk取值在0到1之间；其中x表示信道数据序列，mk和μk分别为数控振荡器输出的整数和小数插值坐标，n为采样点计数索引，k为插值器重采样后的计数索引，ts为adc采样周期，ti为重采样后的信号周期，插值滤波器输出即为重采样之后的信号，经过一段时间的收敛后，即为时钟恢复成功之后的同步信号。
15.进一步的，所述时钟误差检测器根据输入信号计算时钟误差时，采用的公式包括：
[0016][0017]
其中(
·
)
*
代表取括号内操作数的共轭，sgn(
·
)表示复数符号函数csgn(c)＝sgn[re(c)+j
·
im(c)]，在这里c代表一个复数，sgn(
·
)代表符号函数，括号内操作数为负数时输出为-1，反之为1。
[0018]
进一步的，所述环路滤波器滤除时钟误差中相位噪声的影响，并提取稳定的数字控制信号时，采用的公式包括：
[0019]
wi(n)＝wi(n-1)+ted(n)；
[0020]
w(n)＝k
p
×
ted(n)+ki×
wi(n)；
[0021]
w(n)＝w(n-1)+(k
p
+ki)
×
ted(n)-k
p
×
ted(n-1)；
[0022]
其中wi为环路滤波器积分部分的输出，w为环路滤波器的总输出，k
p
和ki分别为环路滤波器的比例和积分系数；环路滤波器的系数根据上述公式不断迭代更新，与其更新有关的参数只包括比例系数k
p
和积分系数ki；所述比例系数k
p
和积分系数ki取为2的整次幂。
[0023]
进一步的，所述数控振荡器更新调整插值滤波器所需的整数和小数插值坐标时，采用的公式包括：
[0024]
nco1(n)＝nco2(n-1)-w(n-1)；
[0025][0026][0027][0028]
其中nco1和nco2为数控振荡器的控制变量，mk、μk分别为nco输出给插值滤波器的
整数和小数插值坐标；所述数控振荡器没有固定参数，只需通过环路滤波器的输出w进行上式中的运算，即可得到插值滤波器所需的整数插值坐标mk和小数插值坐标μk，形成反馈环路闭环，从而使插值滤波器通过插值计算得到重采样之后的信号，实现时钟恢复。
[0029]
基于第一方面，本发明的第二方面提供了一种多路异步波长标签信号时钟恢复方法，包括步骤：
[0030]
将多路异步波长标签信号进行信道分离，分离后的信道数据在时间维度上拼接成一串包含空隙的信道数据，并同步打上对应的信道标号以及有效信号标记，输出三路独立的同步数据；
[0031]
根据输入的有效信号标记判断信道数据和信道标号是否有效，有效则读取所需的时钟锁相环的状态参数，对信道数据进行时钟恢复处理并将处理完成后的信道数据重新打上与信道数据匹配的有效信号标记和信道标号；
[0032]
时钟恢复处理计算结束后将本次运算的时钟锁相环的状态参数进行存取，并输出与输出信号同步的对应信道标号，实现对多路异步信号的时钟恢复。
[0033]
进一步的，所述信道数据是由信道分离所得到的多条并行数据流拼接而成的，拼接时保证各信道之间有一定的空隙，各信道之间数据无重叠干扰即可；所述信道标号是根据信道分离时对应的信道顺序号转换成的二进制数；所述有效信号标记是与信道数据在时间轴上对齐的高低电平；其中，信道标号和有效信号标记高电平状态对应信道数据，有效信号标记低电平状态对应拼接时的空隙。
[0034]
进一步的，所述时钟锁相环的状态参数包括：整数坐标mk和小数插值坐标μk、时钟误差检测器的输出ted、环路滤波器积分部分输出w以及数控振荡器的控制变量nco1和nco2。
[0035]
基于第一方面、第二方面，本发明的第三方面提供了一种多路异步波长标签信号时钟恢复系统，包括时钟恢复模块，所述时钟恢复模块包括插值滤波器、时钟误差检测器、环路滤波器和数控振荡器，其中：
[0036]
所述插值滤波器，用于对原采样信号通过数字插值进行重采样；
[0037]
所述时钟误差检测器，用于计算时钟误差大小；
[0038]
所述环路滤波器，用于对时钟误差检测器输出进行滤波消除噪声影响，并为数控振荡器提供稳定的数字控制信号；
[0039]
所述数控振荡器，在环路滤波器提供的数字控制信号作用下产生插值滤波器所需的整数和小数插值坐标，并将坐标提供给插值滤波器使用，形成一个反馈控制系统。
[0040]
基于第一方面、第二方面、第三方面，本发明的第四方面提供了一种多路异步波长标签信号时钟恢复系统，包括信道分离与标记模块，时序控制模块，时钟恢复模块和ram存储模块，其中：
[0041]
所述信道分离与标记模块，用于将输入的多路异步波长标签信号，进行信道分离后，输出三路包括有效信号标记、信道数据和信道标号的数据流；
[0042]
所述时序控制模块，以有效信号标记作为时序控制的依据，当该信号拉高时，输入的信道数据有效，进入时钟恢复模块进行处理；拉低时，输入的信道数据无效，不做处理；
[0043]
所述时钟恢复模块，用于对信道数据进行恢复；
[0044]
所述ram存储模块，用于对时钟恢复模块的时钟锁相环状态参数的存取。
[0045]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有如下有益效
果：
[0046]
本发明解决了传统的波长标签解调方案无法补偿由于adc采样频率、导频频偏及fft栅栏效应引入误差的问题，在不牺牲算法性能的前提下，实现了利用单个时钟恢复模块对多路异步波长标签信号的超低复杂度时钟恢复的效果，符合波长标签系统低成本的需求。基于本发明，已在低成本的xilinx xc7a 200t fpga芯片上已经实现了总计240路异步波长标签信号的时钟恢复，并且存在较大的资源裕量。同时，本发明提出的新型无乘法时钟误差检测器不仅计算复杂度低，还能适用于多种调制格式(双极性ook、bpsk、qpsk、16qam和32qam等)和各种脉冲整形方式(非nyquist信号，不同滚降系数的nyquist信号)的信号，具有良好的实用价值。
附图说明
[0047]
图1是本发明实施例中多路异步波长标签信号时钟恢复系统的结构示意图；
[0048]
图2是适用于多路异步波长标签信号的传统时钟恢复方法示意图；
[0049]
图3(a)为常用的lee算法和本发明提出的新型时钟误差检测器在无噪条件下对非nyquist信号的时钟误差估计值与真实值的关系图(s曲线)；图3(b)和图3(c)分别为常用的lee算法和本发明提出的新型ted所提取的时钟分量(clock tone，ct)大小与不同调制格式的nyquist信号滚降系数(roll-off factor，rof)之间的关系；
[0050]
图4为本发明实施例中信道分离与标记模块输出的三路同步信号结构示意图；
[0051]
图5为本发明实施例中时序控制模块示意图；
[0052]
图6为本发明实施例中时钟恢复模块中的环路滤波器结构示意图；
[0053]
图7为本发明实施例中时钟恢复模块中的环路滤波器对输入信号的作用传函，其中，图7(a)为幅度响应，图7(b)为相位响应；
[0054]
图8为本发明实施例中时钟恢复模块中的数控振荡器的输出；其中图8(a)采样频率误差(sampling clock offset，sco)＝0时输出的小数坐标；图8(b)sco＝0时输出的整数坐标；图8(c)sco＝100ppm(parts per million，百万分之一)时输出的小数坐标；图8(d)sco＝100ppm时输出的整数坐标；
[0055]
图9为本发明在较大的adc采样频率误差(sco＝500ppm)时，时钟恢复的效果示意图；图9(a)为时钟恢复之前的信号眼图；图9(b)为时钟恢复之后的信号眼图；
[0056]
图10为本发明方法在xilinx xc7a 200t fpga芯片上实现的资源占用情况示意图。
具体实施方式
[0057]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0058]
由于传统的波长标签解调方案无法补偿由于adc采样频率、导频频偏及fft栅栏效应引入误差的问题，本发明提出一种在不牺牲算法性能的前提下，实现利用单个时钟恢复模块对多路异步波长标签信号进行超低复杂度时钟恢复方法。本发明方法的实现基础包含
信道分离与标记模块、时序控制模块、ram存储模块，以及由插值滤波器、时钟误差检测器、环路滤波器、数控振荡器构成的时钟恢复模块，输入(输出)包括有效信号标记、信道数据和信道标号，三者在数字域同时拉高，是完全同步的信号。
[0059]
实施例1
[0060]
如图1所示，本发明提供了一种多路异步波长标签信号时钟恢复系统，包括：信道分离与标记模块1，时序控制模块2，时钟恢复模块3和ram存储模块4，其中时钟恢复模块3由插值滤波器5、时钟误差检测器6、环路滤波器7、数控振荡器8构成。
[0061]
所述信道分离与标记模块1，用于将输入的多路异步波长标签信号，经过fft/ifft或下变频低通滤波等方法进行信道分离后，输出三路包括有效信号标记、信道数据和信道标号的数据流，三者在数字域同步传递，将原本的多路异步信号重构成三路完全同步的信号。其中，
[0062]
有效信号标记：是信道分离后，指示信道数据是否有效的标记信号，当有效信号标记为高电平时，代表信道数据和信道标号是有效的、待处理的；当有效信号标记为低电平时，代表信道数据和信道标号至少有一个是无效数据，时钟恢复模块不对其进行处理；
[0063]
信道数据：是多路异步波长标签信号经过信道分离处理后，得到的独立的、互不干扰的一路波长标签数据；
[0064]
信道标号：是多路异步波长标签信号经过信道分离处理后，得到的与当前一路波长标签数据(信道数据)相匹配的信道编号。
[0065]
所述时序控制模块2，以有效信号标记作为时序控制的依据，当该信号拉高时，输入的信道数据有效，进入时钟恢复模块3进行处理。拉低时，输入的信道数据无效，不做处理。有效信号标记每两次拉高之间预留充足的时间用于数据处理。
[0066]
所述时钟恢复模块3，用于对信道数据进行恢复；
[0067]
所述ram存储模块4，用于对时钟恢复模块的时钟锁相环状态参数的存取。在每次有效信号标记拉高时，刷新此时ram地址为输入信道标号。有效信号标记拉低时，地址保持不变，保证处理数据时对ram中时钟锁相环状态参数的正常读写，不同标签信道之间不会相互干扰。
[0068]
进一步地，所述时钟恢复模块3中各模块的功能如下：
[0069]
所述插值滤波器5，用于对原采样信号通过数字插值进行重采样。
[0070]
所述时钟误差检测器6，用于计算时钟误差大小。
[0071]
所述环路滤波器7，用于对时钟误差检测器输出进行滤波消除噪声影响，并为数控振荡器提供稳定的数字控制信号。
[0072]
所述数控振荡器8，在环路滤波器提供的数字控制信号作用下产生插值滤波器所需的整数和小数插值坐标，并将坐标提供给插值滤波器使用，形成一个反馈控制系统。
[0073]
实施例2
[0074]
基于本发明实施例1提供的一种多路异步波长标签信号时钟恢复系统，本实施例2通过用传统时钟恢复方法与本发明的对比来对本发明的方案进行更详细的说明。
[0075]
如图2所示，为适用于多路(例：四路)异步波长标签信号的传统时钟恢复方法。信道分离模块将每一路信号单独分离并输出，每一路信号都需要应用独立的时钟恢复模块(由图2中的模块5～8组成)，每个时钟恢复模块使用自己的ram(由图2中的模块4组成)进行
数字锁相环的参数运算及缓存。此处与本发明提出的架构有比较大的差异，传统方法各路标签信号完全独立，分离后各自进行时钟恢复，信道之间互不干扰，但是代价是需要多个时钟恢复模块进行运算，整体的计算量巨大，资源利用并不高效。具体地，如图2所示：
[0076]
首先，在整体框架层面，多路异步信号经过信道分离之后分别输入到4个时钟恢复模块分别单独处理，输出信号包括4路经过时钟恢复之后的信号。这种技术方案需要对每一路信号应用独立的时钟恢复模块，每个时钟恢复模块适用自己的ram进行数字时钟锁相环的参数缓存，信道之间互不干扰，独立运算，但资源需求是成倍增加的，在异步信号路数较多(上百路的波长标签信号)的情况下计算量和资源需求巨大，不具有实用性。
[0077]
其次，在时钟恢复模块内部，现有的技术方案常用的lee-ted只适用于非nyquist信号和滚降系数较大的nyquist信号(如附图3所示)。算法的应用范围受限，并且需要计算采样信号运算结果之间的乘法，并且为了从时延τ造成的相位项ej·
2πf
·
τ
(其中f为信号波特率)中得到时钟误差时延τ的信息，采用求角操作得到时钟误差后，环路滤波器滤波消除其中相位噪声的影响，并为数控振荡器提供稳定的数字控制信号w，数控振荡器在数字控制信号w作用下产生插值滤波器所需的整数插值坐标mk和小数插值坐标μk，形成一个反馈控制系统，插值滤波器输出结果即为重采样的时钟恢复之后的同步信号。在图3中，图3(a)为常用的lee算法和本发明提出的新型时钟误差检测器在无噪条件下对非nyquist信号的时钟误差估计值与真实值的关系图(s曲线)。图3(b)、图3(c)分别为常用的lee算法和本发明提出的新型ted所提取的时钟分量(clock tone，ct)大小与不同调制格式的nyquist信号滚降系数(roll-off factor，rof)之间的关系。
[0078]
现有的时钟恢复方案对多路异步信号的处理存在计算量和资源需求巨大，并且ted计算的资源需求和运算时延都较大，对于异步信号路数较多(上百路的波长标签信号)的情况，不具有实用性。
[0079]
如图4所示，为本发明的信道分离与标记模块输出的三路同步信号结构，与传统的信道分离得到的多路独立数据不同，本发明信道分离与标记模块在信道分离后采用一路数据输出，配以有效信号标记与信道标号，构成包含所有信道数据的三路数据流，适配后端的时序控制模块、时钟恢复模块、ram存储模块。本发明提出的一种实现对多路异步波长标签信号进行超低复杂度时钟恢复的方法，以四路异步波长标签信号为例，具体地，如图4所示：
[0080]
首先在整体框架层面，本发明的信号分离于标记模块输出三路同步信号(有效信号标记din_valid、信道数据din和信道标号din_label)，该结构于传统的信道分离得到多路独立数据不同，本模块信道分离后只采用一路数据输出，配以有效信号标记与信道标号，构成包含所有信道数据的三路数据流，适配后端的时序控制模块、时钟恢复模块、ram存储模块。所述时序控制模块，以有效信号标记作为时序控制的依据，当该信号拉高时，信道数据有效，进入时钟恢复模块进行处理。拉低时，无效信号不做处理。有效信号标记每两次拉高之间预留充足的时间用于数据处理。如图5所示，为时序控制模块示意图，在输入有效信号标记拉高时，对有效信号标记din_valid信号进行移位寄存，将不同寄存器级数的信号作为各个部分的控制信号，输入时间在处理完整后寄存输出。所述ram存储模块，用于对时钟恢复模块的时钟锁相环状态参数的存取，保证处理数据时对ram中时钟锁相环状态参数的正常读写，不同标签信道之间不会相互干扰。
[0081]
其次，在时钟恢复模块内部，本发明提出一种新型无乘法ted，通过忽略lee-ted的
小项以及取复数符号函数，简化了ted的计算，消除了乘法运算，并且为了从时延τ造成的相位项ej·
2πf
·
τ
(其中f为信号波特率)中得到时钟误差时延τ的信息，采用求虚部操作得到时钟误差，进一步减小了由于求角操作带来的运算时延和计算资源需求，并且本发明提出的新型无乘法ted适用于非nyquist信号和各种滚降系数的nyquist信号，具有很好的普适性(如附图3所示)。得到时钟误差后，由环路滤波器滤波消除其中相位噪声的影响，并为数控振荡器提供稳定的数字控制信号w，数控振荡器在数字控制信号w作用下产生插值滤波器所需的整数插值坐标mk和小数插值坐标μk，形成一个反馈控制系统，插值滤波器输出结果即为重采样的时钟恢复之后的同步信号。
[0082]
相较于传统的波长解调方案无法补偿由于adc采样频率、导频频偏及fft栅栏效应引入误差，从而导致解调信号质量较差的问题，基于本发明所提出的新型无乘法、具有普适性的时钟误差检测器，提出一种在不牺牲算法性能的前提下实现利用单个时钟恢复模块对多路异步波长标签信号进行超低复杂度时钟恢复的方法，具有良好的应用价值。另外需说明的是，本发明的时钟恢复方法不仅适用于本发明特有的系统框架，对于如图2这样的传统时钟恢复框架、亦或是其它类似的有时钟恢复需求的地方，也同样适用。
[0083]
实施例3
[0084]
基于实施例1提供的系统，本发明实施例3提出的一种对多路异步波长标签信号进行超低复杂度时钟恢复的方法，主要包括：将多路异步波长标签信号进行信道分离，分离后的信道数据在时间维度上拼接成一串包含空隙的信道数据，并同步打上对应的信道标号以及有效信号标记，输出三路独立的同步数据；根据输入的有效信号标记判断信道数据和信道标号是否有效，有效则读取所需的时钟锁相环的状态参数，对信道数据进行时钟恢复处理并将处理完成后的信道数据重新打上与信道数据匹配的有效信号标记和信道标号；时钟恢复处理计算结束后将本次运算的时钟锁相环的状态参数进行存取，并输出与输出信号同步的对应信道标号，实现对多路异步信号的时钟恢复。具体的，上述方法可以扩展为如下步骤：
[0085]
(1)将多路异步波长标签信号输入信道分离与标记模块，采用常规fft/ifft或下变频低通滤波等常规手段进行信道分离，分离后的信道数据在时间维度上拼接成一串包含空隙的信道数据din，并同步打上对应的信道标号din_label以及有效信号标记din_valid，输出三路独立的同步数据。
[0086]
其中，信道数据din是由信道分离模块所得到的多条并行数据流拼接而成的，拼接时保证各信道之间有一定的空隙，各信道之间数据无重叠干扰即可；信道标号din_label是根据信道分离时对应的信道顺序号转换成的二进制数，有效信号标记din_valid是与信道数据在时间轴上对齐的高低电平；其中din_label和din_valid高电平状态对应信道数据，din_valid低电平对应拼接时的空隙。
[0087]
(2)根据输入的有效信号标记判断信道数据和信道标号是否有效，无效则不做任何处理，即不输入时钟恢复模块和ram存储模块，有效则输入时钟恢复模块和ram存储模块进行下一步处理，并在时钟恢复模块和ram存储模块处理结束后，将处理完成后的信道数据采用步骤(1)中的方法，重新打上与信道数据匹配的有效信号标记和信道标号。
[0088]
(3)对信道数据进行时钟恢复处理，并从ram存储器中读取所需的时钟锁相环的状态参数(包括下述步骤中的整数坐标mk和小数插值坐标μk、时钟误差检测器的输出ted、环路
滤波器积分部分输出w以及数控振荡器的控制变量nco1和nco2)；具体包括：
[0089]
(3.1)插值滤波器5根据数控振荡器8输出的插值坐标对输入信号进行线性插值，如公式(1)所示，其中x表示信道数据序列，mk和μk分别为数控振荡器输出的整数和小数插值坐标，n为采样点计数索引，k为插值器重采样后的计数索引，ts为adc采样周期，ti为重采样后的信号周期。插值滤波器输出即为重采样之后的信号，经过一段时间的收敛后，即为时钟恢复成功之后的同步信号。
[0090]
x(kti)＝x((n+mk)ts)
·
(1-μk)+x((n+mk+1)ts)
·
μkꢀꢀ
(1)
[0091]
上式表示由相邻两个采样点根据线性插值得到重采样之后的信号。整数插值坐标mk只有
±
1和0三种取值，而小数插值坐标μk取值在0到1之间，其取值方法将在下述(d)数控振荡器部分详细阐述，在此不做赘述，只举例说明插值滤波器如何根据整数插值坐标mk和小数插值坐标μk进行插值的。
[0092]
例如：
[0093]
根据整数插值坐标mk仅有的三种不同的取值分别进行说明。
[0094]
第一种情况：当mk＝0时，输出信号x(kti)＝x(nts)
·
(1-μk)+x(nts+ts)
·
μk，线性插值的结果即为相邻两采样点x(nts)和x(nts+ts)的加权平均数，小数插值坐标μk即为权重。例如在不同的取值下：当μk＝0时，x(kti)＝x(nts)，输出即为当前输入采样点；当μk＝1时，x(kti)＝x(nts+ts)，输出即为当前输出采样点的后一个采样点；当0《μk《1时，输出结果即为输入两相邻采样点的加权平均数。
[0095]
第二种情况：当mk＝1时，输出信号x(kti)＝x(nts+ts)
·
(1-μk)+x(nts+2ts)
·
μk，线性插值的结果即为相邻两采样点x(nts+ts)和x(nts+2ts)的加权平均数。因此对于输入采样点x(nts)，没有插值结果输出，实现了丢去一个采样点的效果。
[0096]
第三种情况：当mk＝-1时，线性插值的结果即为相邻两采样点x(nt
s-ts)和x(nts)的加权平均数，即x(kti)＝x(nt
s-ts)
·
(1-μk)+x(nts)
·
μk。因此对于输入采样点x(nt
s-ts)有两次插值出输出，实现了增加一个采样点的效果。
[0097]
根据整数插值坐标mk取值的第一种情况，通过求取相邻两采样点的线性插值，实现了采样相位误差的补偿；在存在采样频率误差(sampling clock offset，sco)时，结合整数插值坐标mk取值的第一种、第二种和第三种情况，插值滤波器通过插值同时实现采样相位误差的补偿和采样点数目的增删，保证输出重采样之后的同步信号采样相位和周期的正确性，同时消除了采样相位和频率误差的影响。
[0098]
(3.2)时钟误差检测器6根据输入信号计算时钟误差，现有的lee-ted表达式及其变形如公式(2)所示，而本发明提出的新型ted如公式(3)所示，公式(2)和公式(3)中(
·
)
*
代表取括号内操作数的共轭，sgn(
·
)表示复数符号函数csgn(c)＝sgn[re(c)+j
·
im(c)]，在这里c代表一个复数，sgn(
·
)代表符号函数，括号内操作数为负数时输出为-1，反之为1。相比较于现有的lee-ted，本发明提出的新型ted通过求复数符号函数的操作，使得公式中的乘法运算仅仅设计四个复数
±1±
j，因此可以用简单的加减法运算代替，有效的减小了计算延时和计算量。除此之外，由于ted实质上探测的为时钟误差时延τ对应相位项ej·
2πf
·
τ
(其中f为信号波特率)，以前的公式是通过对求和之后的结果进行求角，得到的结果为2πf
·
τ，是时钟误差时延τ的线性项。但求角操作需要通过复杂的cordic算法计算复数的相位，运算时延和计算资源需求更大，当采用求虚部操作时，得到的结果为sin(2πf
·
τ)，同样
可以得到时钟误差时延τ的信息，同样适用于本发明所用的反馈式时钟恢复方案，并且避免了求角操作，有效减小了计算延时和资源需求，具有显著的优势。
[0099][0100][0101]
从ted的抗噪性能出发，由于噪声可以视为加性高斯白噪声，因此n越大，ted的抗噪性能越好，但随之而来而对数据缓存量和计算资源的需求也更大。一般来说，综合考虑ted性能和资源，n取64或128是比较合适的。本发明在实际工程项目中应用时，由于输入波长标签信号的信噪比较高，取n为16，在极低的资源需求下也能实现较好的时钟恢复效果。
[0102]
(3.3)如图6所示，环路滤波器7滤除时钟误差中相位噪声的影响，并提取稳定的数字控制信号，其中wi为环路滤波器积分部分的输出，w为环路滤波器的总输出，k
p
和ki分别为环路滤波器的比例和积分系数。
[0103]
wi(n)＝wi(n-1)+ted(n)
ꢀꢀ
(4)
[0104]
w(n)＝k
p
×
ted(n)+ki×
wi(n)
ꢀꢀ
(5)
[0105]
w(n)＝w(n-1)+(k
p
+ki)
×
ted(n)-k
p
×
ted(n-1)
ꢀꢀ
(6)
[0106]
从上式中可以看到，环路滤波器的系数根据上述公式不断迭代更新，与其更新有关的参数只包括比例系数k
p
和积分系数ki。在本发明中，为了用简单的移位运算替代复杂的乘法运算，将比例系数k
p
和积分系数ki取为2的整次幂，进一步减小计算复杂度带来的硬件负担。比例系数k
p
和积分系数ki取值大小决定了低通的环路滤波器的带宽，也就决定了其收敛速度和收敛误差，对时钟恢复的性能造成影响。
[0107]
例如：对于信道数据绝对值最大值在500～1000范围内的双极性ook信号，通过仿真计算确定了合适的比例系数k
p
和积分系数ki取值大小分别为2-10
和2-18
，此时环路滤波器具有良好的低通滤波性能，能较好的滤除时钟误差中的噪声影响。
[0108]
(3.4)数控振荡器8更新调整插值滤波器5所需的整数和小数插值坐标，其工作过程如下式所示。nco1和nco2为数控振荡器的控制变量，mk、μk分别为nco输出给插值滤波器的整数和小数插值坐标。
[0109]
nco1(n)＝nco2(n-1)-w(n-1)
ꢀꢀ
(7)
[0110][0111]
[0112][0113]
如上述公式所示，数控振荡器没有任何固定参数，只需要通过环路滤波器的输出w进行上式中的运算，即可得到步骤(a)中所需要的整数插值坐标mk和小数插值坐标μk，形成反馈环路闭环，从而插值滤波器可以通过插值计算得到重采样之后的信号，实现时钟恢复。图8为时钟恢复模块中的数控振荡器的输出。(a)采样频率误差(sampling clock offset，sco)＝0时输出的小数坐标；(b)sco＝0时输出的整数坐标；(c)sco＝100ppm(parts per million，百万分之一)时输出的小数坐标；(d)sco＝100ppm时输出的整数坐标。
[0114]
(4)所述ram存储模块在步骤2中配合时钟恢复模块进行时钟状态参数的读写，在步骤3计算结束后，将本次运算的时钟锁相环参数存取ram，并输出与输出信号同步的对应信道标号，实现了对多路异步信号进行时钟恢复的目的。
[0115]
其读写地址更新方法如公式(11)所示，其中addr表示ram存储模块的读写地址，din_label为输入信道标号，din_valid为输入有效信号标记。当输入有效信号标记din_valid拉高时，刷新ram存储模块的读写地址为输入信号标号din_label；当输入有效信号标记din_valid拉低时，ram存储模块的读写地址保持不变。
[0116]
其中，时钟锁相环参数中ted输出即为时钟误差探测值大小，其他参数是用于环路滤波器滤除噪声、数控振荡器产生插值滤波器所需插值坐标、插值滤波器对输入异步信号重采样从而得到同步信号的；输入多路异步信号分别进行上述(a-d)所形成的反馈环路处理，经过一段时候的收敛之后，由插值滤波器重采样输出的信号即为时钟恢复之后的同步信号。
[0117][0118]
如上式所示，ram存储模块的地址更新方式为：当输入有效信号标记din_valid拉高时，刷新ram存储模块的读写地址为输入信号标号din_label；当输入有效信号标记din_valid拉低时，ram存储模块的读写地址保持不变。
[0119]
例如：当输入有效信号标记din_valid拉低时，不论此时ram存储模块的地址addr为何值，都保持不变；而当输入有效信号标记din_valid拉高时，不论此时din_label为何值，都将addr设置为输入信道标号din_label的值大小。
[0120]
在附图3(a)显示了常用的lee算法和本发明提出的新型时钟误差检测器在无噪条件下对非nyquist信号的时钟误差估计值与真实值的关系图(s曲线)。可以看到，两者的s曲线形状一致，在实际应用中具有相似的性能，但本发明提出的新型ted由于计算量和延时更小，具有明显的优势。附图3(b)、(c)分别为常用的lee算法和本发明提出的新型ted所提取的时钟分量(clock tone，ct)大小与不同调制格式的nyquist信号滚降系数(roll-off factor，rof)之间的关系，图中不同颜的虚线表示从对应调制格式下的非nyquist信号中提取的时钟分量大小。可以看到，lee算法和本发明提出的新型ted都适用与qpsk、16qam、32qam等各种调制格式，但lee算法无法从滚降系数较小的nyquist信号提取时钟分量，此时算法失效。而本发明提出的方法不存在这种问题，对非nyqusit和各种滚降系数的nyquist信号都是适用的，具有更好的普适性。
[0121]
图(4)显示了时钟恢复模块中的环路滤波器结构示意图，环路滤波器的比例系数k
p
和积分系数ki分别为2-10
和2-18
，此处将比例系数和积分系数取为2的整次幂是因为在运算时可以用简单的移位运算替代复杂的乘法运算，减小硬件负担。图(5)为时钟恢复模块中的环路滤波器对输入信号作用的传函幅度相应(a)和相位相应(b)，从图中可以看到，环路滤波器起到了良好的低通滤波效果，能较好的滤除时钟误差中噪声的影响。
[0122]
图8为时钟恢复模块中的数控振荡器的输出：(a)采样频率误差(sampling clock offset，sco)＝0时输出的小数坐标；(b)sco＝0时输出的整数坐标；(c)sco＝100ppm(parts per million，百万分之一)时输出的小数坐标；(d)sco＝100ppm时输出的整数坐标。可以看到，本发明提出的时钟恢复方法可以准确补偿时钟相位误差(sco＝0时，μk收敛于对应相位误差的值)和频率误差(sco≠0时，μk以1/sco的周期变化)。
[0123]
图9为本发明在较大的adc采样频率误差(sco＝500ppm)时，时钟恢复的效果示意图，图9(a)为时钟恢复之前的信号眼图(每符号2采样点)，图9(b)为时钟恢复之后的信号眼图(每符号2采样点)。从图中可以看到，由于sco的存在，进入时钟恢复之前的信号采样点不在最佳相位，因此信号质量很差，此时误码率很高。而时钟恢复之后的信号眼图“眼睛”明显张开，上下眼皮清晰，信号质量得到明显的提高。并且此时信号采样频率误差为sco＝500ppm，属于很大的误差，实际波长标签系统中的采样频率误差通常很难达到500ppm，因此本方法对sco的容限是足够用于实际波长标签系统的时钟恢复。
[0124]
图10为本发明多路异步波长标签信号进行超低复杂度时钟恢复的方法在xilinx xc7a 200t fpga芯片上实现的资源占用情况。可以看到，本发明的资源需求很低，可以满足波长标签系统的低成本需求。并且从前文的论述中可知本发明的低资源需求并不是以牺牲算法性能为代价，相比于常用gardner全数字时钟恢复方案具有明显的优势。
[0125]
实施例4
[0126]
本发明实施例4还单独提供一种多路异步波长标签信号时钟恢复方法、一种多路异步波长标签信号时钟恢复系统，其中，本实施例的多路异步波长标签信号时钟恢复系统包括时钟恢复模块，所述时钟恢复模块包括插值滤波器、时钟误差检测器、环路滤波器和数控振荡器，其中：所述插值滤波器，用于对原采样信号通过数字插值进行重采样；所述时钟误差检测器，用于计算时钟误差大小；所述环路滤波器，用于对时钟误差检测器输出进行滤波消除噪声影响，并为数控振荡器提供稳定的数字控制信号；所述数控振荡器，在环路滤波器提供的数字控制信号作用下产生插值滤波器所需的整数和小数插值坐标，并将坐标提供给插值滤波器使用，形成一个反馈控制系统。本实施例的多路异步波长标签信号时钟恢复方法包括对信道数据进行时钟恢复处理，具体包括：插值滤波器根据数控振荡器输出的插值坐标对输入信号进行线性插值；时钟误差检测器根据输入信号计算时钟误差；环路滤波器滤除时钟误差中相位噪声的影响，并提取稳定的数字控制信号；数控振荡器更新调整插值滤波器所需的整数和小数插值坐标。需说明，上述实施例4提供的系统及方法可以用在本发明其它实施例中，也可以单独用在非本发明的其它时钟恢复场景中。
[0127]
本领域普通技术人员可以理解实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(readonlymemory，简写为：rom)、随机存取存储器(randomaccessmemory，简写为：ram)、磁盘或光盘等。
[0128]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种多路异步波长标签信号时钟恢复方法，其特征在于，包括对信道数据进行时钟恢复处理，具体包括：插值滤波器根据数控振荡器输出的插值坐标对输入信号进行线性插值；时钟误差检测器根据输入信号计算时钟误差；环路滤波器滤除时钟误差中相位噪声的影响，并提取稳定的数字控制信号；数控振荡器更新调整插值滤波器所需的整数和小数插值坐标。2.根据权利要求1所述的多路异步波长标签信号时钟恢复方法，其特征在于，所述插值滤波器根据数控振荡器输出的插值坐标对输入信号进行线性插值时，采用的公式包括：x(kt
i
)＝x((n+m
k
)t
s
)
·
(1-μ
k
)+x((n+m
k
+1)t
s
)
·
μ
k
；上式表示由相邻两个采样点根据线性插值得到重采样之后的信号，整数插值坐标m
k
只有
±
1和0三种取值，小数插值坐标μ
k
取值在0到1之间；其中x表示信道数据序列，m
k
和μ
k
分别为数控振荡器输出的整数和小数插值坐标，n为采样点计数索引，k为插值器重采样后的计数索引，t
s
为adc采样周期，t
i
为重采样后的信号周期，插值滤波器输出即为重采样之后的信号，经过一段时间的收敛后，即为时钟恢复成功之后的同步信号。3.根据权利要求1所述的多路异步波长标签信号时钟恢复方法，其特征在于，所述时钟误差检测器根据输入信号计算时钟误差时，采用的公式包括：其中(
·
)
*
代表取括号内操作数的共轭，sgn(
·
)表示复数符号函数csgn(c)＝sgn[re(c)+j
·
im(c)]，在这里c代表一个复数，sgn(
·
)代表符号函数，括号内操作数为负数时输出为-1，反之为1。4.根据权利要求1所述的多路异步波长标签信号时钟恢复方法，其特征在于，所述环路滤波器滤除时钟误差中相位噪声的影响，并提取稳定的数字控制信号时，采用的公式包括：w
i
(n)＝w
i
(n-1)+ted(n)；w(n)＝k
p
×
ted(n)+k
i
×
w
i
(n)；w(n)＝w(n-1)+(k
p
+k
i
)
×
ted(n)-k
p
×
ted(n-1)；其中w
i
为环路滤波器积分部分的输出，w为环路滤波器的总输出，k
p
和k
i
分别为环路滤波器的比例和积分系数；环路滤波器的系数根据上述公式不断迭代更新，与其更新有关的参数只包括比例系数k
p
和积分系数k
i
；所述比例系数k
p
和积分系数k
i
取为2的整次幂。5.根据权利要求1所述的多路异步波长标签信号时钟恢复方法，其特征在于，所述数控振荡器更新调整插值滤波器所需的整数和小数插值坐标时，采用的公式包括：nco1(n)＝nco2(n-1)-w(n-1)；1)；
其中nco1和nco2为数控振荡器的控制变量，m
k
、μ
k
分别为nco输出给插值滤波器的整数和小数插值坐标；所述数控振荡器没有固定参数，只需通过环路滤波器的输出w进行上式中的运算，即可得到插值滤波器所需的整数插值坐标m
k
和小数插值坐标μ
k
，形成反馈环路闭环，从而使插值滤波器通过插值计算得到重采样之后的信号，实现时钟恢复。6.一种多路异步波长标签信号时钟恢复方法，其特征在于，包括步骤：将多路异步波长标签信号进行信道分离，分离后的信道数据在时间维度上拼接成一串包含空隙的信道数据，并同步打上对应的信道标号以及有效信号标记，输出三路独立的同步数据；根据输入的有效信号标记判断信道数据和信道标号是否有效，有效则读取所需的时钟锁相环的状态参数，对信道数据进行时钟恢复处理并将处理完成后的信道数据重新打上与信道数据匹配的有效信号标记和信道标号；时钟恢复处理计算结束后将本次运算的时钟锁相环的状态参数进行存取，并输出与输出信号同步的对应信道标号，实现对多路异步信号的时钟恢复。7.根据权利要求6所述的多路异步波长标签信号时钟恢复方法，其特征在于，所述信道数据是由信道分离所得到的多条并行数据流拼接而成的，拼接时保证各信道之间有一定的空隙，各信道之间数据无重叠干扰即可；所述信道标号是根据信道分离时对应的信道顺序号转换成的二进制数；所述有效信号标记是与信道数据在时间轴上对齐的高低电平；其中，信道标号和有效信号标记高电平状态对应信道数据，有效信号标记低电平状态对应拼接时的空隙。8.根据权利要求6所述的多路异步波长标签信号时钟恢复方法，其特征在于，所述时钟锁相环的状态参数包括：整数坐标m
k
和小数插值坐标μ
k
、时钟误差检测器的输出ted、环路滤波器积分部分输出w以及数控振荡器的控制变量nco1和nco2。9.一种多路异步波长标签信号时钟恢复系统，其特征在于，包括时钟恢复模块，所述时钟恢复模块包括插值滤波器、时钟误差检测器、环路滤波器和数控振荡器，其中：所述插值滤波器，用于对原采样信号通过数字插值进行重采样；所述时钟误差检测器，用于计算时钟误差大小；所述环路滤波器，用于对时钟误差检测器输出进行滤波消除噪声影响，并为数控振荡器提供稳定的数字控制信号；所述数控振荡器，在环路滤波器提供的数字控制信号作用下产生插值滤波器所需的整数和小数插值坐标，并将坐标提供给插值滤波器使用，形成一个反馈控制系统。10.一种多路异步波长标签信号时钟恢复系统，其特征在于，包括信道分离与标记模块，时序控制模块，时钟恢复模块和ram存储模块，其中：所述信道分离与标记模块，用于将输入的多路异步波长标签信号，进行信道分离后，输出三路包括有效信号标记、信道数据和信道标号的数据流；所述时序控制模块，以有效信号标记作为时序控制的依据，当该信号拉高时，输入的信道数据有效，进入时钟恢复模块进行处理；拉低时，输入的信道数据无效，不做处理；
所述时钟恢复模块，用于对信道数据进行恢复；所述ram存储模块，用于对时钟恢复模块的时钟锁相环状态参数的存取。

技术总结

本发明公开一种多路异步波长标签信号时钟恢复方法，方法包括：将多路异步波长标签信号进行信道分离，分离后的信道数据在时间维度上拼接成一串包含空隙的信道数据，并同步打上对应的信道标号以及有效信号标记，输出三路独立的同步数据；根据输入的有效信号标记判断信道数据和信道标号是否有效，有效则读取所需的时钟锁相环的状态参数，对信道数据进行时钟恢复处理并将处理完成后的信道数据重新打上与信道数据匹配的有效信号标记和信道标号。本发明利用单个时钟恢复模块对多路异步信号进行时钟恢复的效果，避免了传统时钟恢复算法处理多路异步信号时成倍增加逻辑资源的需求。本发明还提供了相应的多路异步波长标签信号时钟恢复系统。恢复系统。恢复系统。