卫星信道同步通信的时序分析及自适应时钟同步设计实现

朱勇军，钱臣

摘要：卫星信道同步通信中，根据不同的业务或实际的带宽动态建链，传输时钟频率根据建链情况动态的在调整，因此网络传输设备和终端设备所使用的同步时钟基本为网络提供的时钟而不是本地时钟，由于传输的延时及参考时钟不一致会导致时钟数据的相对相位变化产生时钟飘移导致某些频率下采样数据不稳产生误码甚至无法通信。在实际的工程应用中什么时候使用网络时钟、什么时候使用本地时钟，需要正确的理解和处理时序关系才能确保信息传输的高可靠性。

关键词：卫星信道同步通信 网络时钟 固有延时 时钟飘移 自适应时钟同步

Timing analysis and adaptive clock synchronization design of satellite channel synchronous communication

Zhu Yongjun, Qian Chen

（No.30 Institute of CETC, Chengdu Sichuan 610041, China）

Abstract: In satellite channel synchronous communication, the transmission clock frequency is built according to different service or actual bandwidth.The chain condition is dynamically adjusted, so the network transmission is basically provided by the synchronous clock used by each and every terminal device.Clock rather than local clock, due to transmission delay and inconsistent reference clock will result in relative phase change of clock and data.Clock drift results in unstable sampling data at some frequencies, resulting in error codes and even failure to communicate. When in practical engineering applications.When to use the network clock, when to use the local clock, need to understand and process the timing relationship correctly to ensure the information transmission and High reliability of transmission.

Key words: satellite channel synchronous communication network, inherent delay, clock drift, adaptive clock synchronization

1、卫星信道通信网络拓扑

卫星通信系统由卫星和地球站两部分组成。卫星通信的特点是：通信范围大，在卫星发射电波的覆盖范围内，从任何两点之间都可以进行通信；不受陆地自然灾害的影响，可靠性高，开通迅速；同时可在多处接收，能经济的实现广播、多址通信，网络布局设置非常灵活，其网络拓扑如图1.1所示。

图1.1卫星信道网络拓扑

2、卫星信道同步通信系统时序分析

卫星信道通信多采用同步全双工通信方式，收发独立的时钟，由于受信道带宽和实际业务的不同，时钟不是固定的，根据当前的带宽和实际的业务，由控制中心进行实时动态的建链，根据建链的情况进行时钟速率分配，由于时钟是动态的，因此通信的时钟多采用网络时钟，由Modem产生并提供给信道传输设备。其同步通信传输示意图如图2.1所示：

图2.1卫星信道传输示意图

同步传输由于传输路径或者环境温度的影响会导致时钟飘移使时钟沿位和数据之间的相位发生变化，会导致数据传输误码丢包甚至导致通信不稳定无法正常通信。网络提供时钟的通信系统连接示意图如图2.2所示：

图2.2信道通信时钟数据示意图

Modem和信道传输设备的信息交互的收发时钟由Modem提供；信息传输设备与用户接口的协议转换器之间信息交互的时钟由信道传输设备透传Modem提供的时钟，即协议转换器仍使用的Modem提供的网络时钟。Modem的收发接口延时为delay1，信道传输设备的收发接口延时为delay2，则时钟和数据存在不同的两个方向，时钟和数据同向和时钟和数据反向。

Modem发数据，信道传输设备收数据（时钟数据同向）。Modem在RXC1的上升沿发送数据DATA1，经过两个接口芯片后信道传输设备通过RXC2的下降沿采样锁存数据DATA2，由于RXC2和DATA2经过的接口延时是一致的，所以相对相位关于基本保持不变，在RXC1上升沿发，RXC2的下降沿正好是DATA2的数据中间，此时的数据最稳，通信最稳定。其时序图如图2.3所示：

图2.3时钟数据同向时序图

Modem收，信道传输设备发（时钟与数据方向相反），信道传输设备通过TXC1延时后的TXC2发数据TXD2，Modem通过TXC1收TXD2延时后的数据TXD3，其中TXC1与TXC2之间相差2个接口的延时即dealy1+delay2。同理，信道传输设备发数据TXD2与Modem收数据之间的延时仍为delay1+delay2。所以TXC1与TXD3之间的相位相差2*（delay1+delay2），即4个接口延时，在不同速率下2*（delay1+delay2）延时是一直存在的，且delay1和delay2在不同速率下面值不一样（接口芯片延时参数），不能通过固有的补偿去进行相位调节。在固定单一沿位采样时就会导致Modem在某些时钟频率下采样数据时刚好在数据的变化沿，使采样锁存的数据不稳定，产生误码或丢包甚至使整个通信链路通信不稳定。其时序图如图2.4所示：

图2.4时钟数据反向时序图

同理在协议转器发数据信道传输设备收数据（时钟方向与数据方向相反）也存在采样时钟和数据之间相位变化产生时钟飘移导致某些频率采样数据不稳的问题。

3、自适应时钟同步设计实现

同步通信中数据的有效长度小于等于1个时钟周期，在时钟和数据方向相反的通道，由于接口延时导致的收发时钟数据相位飘移，时钟采样数据不能采用固定的沿位采样锁存数据，需根据时钟数据的相位飘移进行自动沿位检测实时动态的调整采样沿位进行自适应时钟同步，本节将介绍通过FPGA实现自动沿位检测的具体实现。其原理为采用高频时钟对接口时钟和数据同时采用，判定时钟和数据的相位关系，然后根据时钟沿位变化时数据是否稳定，确定是上升沿采样还是下降沿采样，其流程图3.1所示：

图3.1自适应时钟同步实现流程图

通过高频时钟采样低频时钟，判断时钟的变化沿，高频时钟越高判断越精确。判断时钟沿位变化时数据是否稳定可以通过移位寄存器实现，同时将时钟和数据分别以高频时钟锁存与移位寄存器，检测移位寄存器中时钟变化沿前后数据是否变化，若上升沿数据变化了则选择下降沿采样，下降沿数据变化了则选择上升沿采样，其实现逻辑如下:

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

or data_shiftreg(3) or data_shiftreg(2)

or data_shiftreg(1) or data_shiftreg(0))

or

(data_shiftreg(5) and data_shiftreg(4)

and data_shiftreg(3) and data_shiftreg(2)

and data_shiftreg(1) and data_shiftreg(0));

数据可能为’0’也可能为’1’，在时钟的上升沿检测数据是否变化，如果数据为’0’对移位寄存器中的数据进行或，结果为’0’，则数据在时钟上升沿稳定未变化，选择上升沿采样；若为’1’则说明数据变化了，则选择下降沿进行采样。如果数据为’1’对移位寄存器中的数据进行与结果为’1’则数据未变化，为’0’说明数据不稳定，不能在此沿位采样数据。当shiftreg_consistent为’1’时说明时钟变化沿数据稳定，可以在此沿位采样，若为’0’说明数据不稳定需在下个变化沿进行采样。设计需要移位寄存器注意位宽控制，在时钟沿位变换前后辨别数据是否抖动的门限越宽越准确，但判别门限宽度不要超过半个时钟周期。

4、结语

同步通信系统中处理好时序是最主要的环节,特别是采用网络时钟的系统，时钟和数据方向相反的通道，由于发端发送数据和接受端接收数据的时钟参考不一样，接收端必须得考虑不对称引入的接口延时，此时延是固定存在的，当时延达到半个时钟周期及半个时钟的整数倍时，就会导致时钟采样刚好在数据的变化沿，此时需换个沿位进行数据采样，分析处理好同步通信中的时序关系，很多同步通信中的时序问题都可以迎刃而解。

作者简介：

朱勇军（1982—），男，学士，工程师，主要研究方向为共性通信平台、安全通信平台技术、通信安全技术；

钱臣（1986—），男，学士，工程师，主要研究方向为EDA技术、通信安全技术；