衛星信道同步通信的時序分析及自適應時鐘同步設計實現

　　摘要：衛星信道同步通信中，根據不同的業務或實際的帶寬動態建鏈，傳輸時鐘頻率根據建鏈情況動態的在調整，因此網絡傳輸設備和終端設備所使用的同步時鐘基本為網絡提供的時鐘而不是本地時鐘，由于傳輸的延時及參考時鐘不一致會導致時鐘數據的相對相位變化產生時鐘飄移導致某些頻率下采樣數據不穩產生誤碼甚至無法通信。在實際的工程應用中什么時候使用網絡時鐘、什么時候使用本地時鐘，需要正確的理解和處理時序關系才能確保信息傳輸的高可靠性。

　　關鍵詞：衛星信道同步通信網絡時鐘固有延時時鐘飄移自適應時鐘同步

　　1、衛星信道通信網絡拓撲

　　衛星通信系統由衛星和地球站兩部分組成。衛星通信的特點是：通信范圍大，在衛星發射電波的覆蓋范圍內，從任何兩點之間都可以進行通信;不受陸地自然災害的影響，可靠性高，開通迅速;同時可在多處接收，能經濟的實現廣播、多址通信，網絡布局設置非常靈活。

　　通信論文投稿刊物：《衛星與網絡》(月刊)創刊于2000年，由中國衛星通信集團公司、北京世紀恒宇文化傳播有限公司主辦。認真貫徹執行國家有關發展信息產業的規定，堅持正確的輿論導向，依靠社會力量，為推動我國衛星網絡通信的規劃、建設、應用以及研發、生產提供全面的信息服務。

　　2、衛星信道同步通信系統時序分析

　　衛星信道通信多采用同步全雙工通信方式，收發獨立的時鐘，由于受信道帶寬和實際業務的不同，時鐘不是固定的，根據當前的帶寬和實際的業務，由控制中心進行實時動態的建鏈，根據建鏈的情況進行時鐘速率分配，由于時鐘是動態的，因此通信的時鐘多采用網絡時鐘，由Modem產生并提供給信道傳輸設備。

　　同步傳輸由于傳輸路徑或者環境溫度的影響會導致時鐘飄移使時鐘沿位和數據之間的相位發生變化，會導致數據傳輸誤碼丟包甚至導致通信不穩定無法正常通信。

　　Modem和信道傳輸設備的信息交互的收發時鐘由Modem提供;信息傳輸設備與用戶接口的協議轉換器之間信息交互的時鐘由信道傳輸設備透傳Modem提供的時鐘，即協議轉換器仍使用的Modem提供的網絡時鐘。Modem的收發接口延時為delay1，信道傳輸設備的收發接口延時為delay2，則時鐘和數據存在不同的兩個方向，時鐘和數據同向和時鐘和數據反向。

　　Modem發數據，信道傳輸設備收數據(時鐘數據同向)。Modem在RXC1的上升沿發送數據DATA1，經過兩個接口芯片后信道傳輸設備通過RXC2的下降沿采樣鎖存數據DATA2，由于RXC2和DATA2經過的接口延時是一致的，所以相對相位關于基本保持不變，在RXC1上升沿發，RXC2的下降沿正好是DATA2的數據中間，此時的數據最穩，通信最穩定。

　　Modem收，信道傳輸設備發(時鐘與數據方向相反)，信道傳輸設備通過TXC1延時后的TXC2發數據TXD2，Modem通過TXC1收TXD2延時后的數據TXD3，其中TXC1與TXC2之間相差2個接口的延時即dealy1+delay2。同理，信道傳輸設備發數據TXD2與Modem收數據之間的延時仍為delay1+delay2。所以TXC1與TXD3之間的相位相差2*(delay1+delay2)，即4個接口延時，在不同速率下2*(delay1+delay2)延時是一直存在的，且delay1和delay2在不同速率下面值不一樣(接口芯片延時參數)，不能通過固有的補償去進行相位調節。在固定單一沿位采樣時就會導致Modem在某些時鐘頻率下采樣數據時剛好在數據的變化沿，使采樣鎖存的數據不穩定，產生誤碼或丟包甚至使整個通信鏈路通信不穩定。

　　同理在協議轉器發數據信道傳輸設備收數據(時鐘方向與數據方向相反)也存在采樣時鐘和數據之間相位變化產生時鐘飄移導致某些頻率采樣數據不穩的問題。

　　3、自適應時鐘同步設計實現

　　同步通信中數據的有效長度小于等于1個時鐘周期，在時鐘和數據方向相反的通道，由于接口延時導致的收發時鐘數據相位飄移，時鐘采樣數據不能采用固定的沿位采樣鎖存數據，需根據時鐘數據的相位飄移進行自動沿位檢測實時動態的調整采樣沿位進行自適應時鐘同步，本節將介紹通過FPGA實現自動沿位檢測的具體實現。其原理為采用高頻時鐘對接口時鐘和數據同時采用，判定時鐘和數據的相位關系，然后根據時鐘沿位變化時數據是否穩定，確定是上升沿采樣還是下降沿采樣：

　　通過高頻時鐘采樣低頻時鐘，判斷時鐘的變化沿，高頻時鐘越高判斷越精確。判斷時鐘沿位變化時數據是否穩定可以通過移位寄存器實現，同時將時鐘和數據分別以高頻時鐘鎖存與移位寄存器，檢測移位寄存器中時鐘變化沿前后數據是否變化，若上升沿數據變化了則選擇下降沿采樣，下降沿數據變化了則選擇上升沿采樣，其實現邏輯如下:

　　shiftreg_consistent<=not(data_shiftreg(5)ordata_shiftreg(4)

　　ordata_shiftreg(3)ordata_shiftreg(2)

　　ordata_shiftreg(1)ordata_shiftreg(0))

　　or

　　(data_shiftreg(5)anddata_shiftreg(4)

　　anddata_shiftreg(3)anddata_shiftreg(2)

　　anddata_shiftreg(1)anddata_shiftreg(0));

　　數據可能為’0’也可能為’1’，在時鐘的上升沿檢測數據是否變化，如果數據為’0’對移位寄存器中的數據進行或，結果為’0’，則數據在時鐘上升沿穩定未變化，選擇上升沿采樣;若為’1’則說明數據變化了，則選擇下降沿進行采樣。如果數據為’1’對移位寄存器中的數據進行與結果為’1’則數據未變化，為’0’說明數據不穩定，不能在此沿位采樣數據。當shiftreg_consistent為’1’時說明時鐘變化沿數據穩定，可以在此沿位采樣，若為’0’說明數據不穩定需在下個變化沿進行采樣。設計需要移位寄存器注意位寬控制，在時鐘沿位變換前后辨別數據是否抖動的門限越寬越準確，但判別門限寬度不要超過半個時鐘周期。

　　4、結語

　　同步通信系統中處理好時序是最主要的環節,特別是采用網絡時鐘的系統，時鐘和數據方向相反的通道，由于發端發送數據和接受端接收數據的時鐘參考不一樣，接收端必須得考慮不對稱引入的接口延時，此時延是固定存在的，當時延達到半個時鐘周期及半個時鐘的整數倍時，就會導致時鐘采樣剛好在數據的變化沿，此時需換個沿位進行數據采樣，分析處理好同步通信中的時序關系，很多同步通信中的時序問題都可以迎刃而解。

　　作者簡介：朱勇軍，錢臣

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