专利名称：40Gb/s光传输控制时钟恢复单元锁定倒换的系统和方法
技术领域：
本发明涉及40Gb/s光传输系统中40Gb/s光接收机的自动时钟恢复，尤其涉及一种在40Gb/s光传输系统中控制时钟恢复单元锁定倒换的系统和方法。
背景技术：
时钟恢复是通信系统所需的重要功能，而时钟恢复的核心电路是锁相环路(Phase-Locked Loop)。锁相环的作用是从数据中恢复出同步时钟，供后续数据再定时用，抑制接收信号在传输过程中产生的抖动和漂移。
锁相环是一个反馈系统，原理框图如图1所示，一般由鉴相器(Phase Detector)、低通滤波器(LPF)和压控振荡器(VCO)组成，鉴相器比较FREF输入和FB输入的上升沿，如果FREF输入出现在FB输入之前，则表示压控振荡器(VCO)运行得太慢，PD产生Pump Up信号，这一信号一直持续到FB输入的上升沿。如果FB输入出现在FREF输入之前，PD产生Pump Down信号，这一信号在FB输入的上升沿被触发，并一直持续到FREF输入的上升沿。这个Pump Down脉冲强制VCO慢速运行。这样，PD根据FREF和FB输入的关系强制VCO运行得更快或更慢。锁相环设计用于在一定范围的频带内操作，如果输入频率在此频带之外，则电路将不会跟踪输入信号，FREF和FOUT将不相同。只要FREF保持在电路的跟踪范围内，则FREF＝FOUT。但是如果FREF移出了范围，则电路将失锁。
正常情况下，时钟恢复电路从接收数据中提取时钟，即PLL输出时钟锁定在接收数据上。当接收数据丢失或者接收数据与参考时钟频偏超过范围时，PLL的输出时钟与参考时钟的频偏将会超出同步范围，PLL处于失锁状态。由于PLL的输出时钟与参考时钟的频偏超出了环路的捕捉带宽，当接收数据恢复正常时，PLL无法通过捕捉再次进入锁定状态。为了解决这个问题，含时钟数据恢复(CDR)功能的芯片中一般都设计了锁定探测电路，如图2所示。正常工作情况下，PLL的输出是锁定于输入数据Din的，锁定探测电路会持续不断地监测PLL的输出时钟①和参考时钟②的频偏，当输入数据失效，频偏超过预定范围时，该电路就会控制鉴频鉴相器(PFD)切换到PLL中来，使得PLL的输出时钟锁定在参考时钟上。由于PFD的参与，PLL环路具有更大的捕捉带宽，参考时钟会把PLL输出时钟牵引到锁定范围。这样，当数据恢复可用时，PLL的输出时钟与接收数据的频偏小于环路的捕捉带宽，此时再将鉴相器(PD)切换到PLL环路中来，这样，可以通过捕捉，将PLL的输出时钟重新锁定在接收数据上。锁定探测电路还会产生一个锁定状态输出(LOCK)，用户可以根据锁定状态管脚电平的高低来判断CDR中PLL是处于失锁状态还是锁定于接收数据状态。例如Intel的10Gbit/s解串行器LXT16706的CDR功能中含有一个锁定探测电路，当它探测到PLL的输出时钟与参考时钟的频偏超过500ppm时就会产生失锁告警(LOCK ERROR)，并且控制PLL将输出时钟锁定于参考时钟上，实现频率牵引过程。
目前，40Gb/s光传输系统的研究工作正在如火如荼的进行，这其中遇到了相当多的技术难题，随着数据速率的提高，在时钟恢复模块中设计可靠的锁定探测和控制电路的难度随之增加，还没有芯片可以完成40Gb/s信号CDR的锁定探测和控制功能。而且，市场上能提供的40Gb/s速率CRU的厂家还为数不多，在系统中采用的时钟恢复单元(CRU)模块使用2.5GHz时钟作为参考时钟，能够从40Gb/s信号中恢复出与数据同步的20GHz时钟，该模块原理框图如图3所示。40Gb/s信号输入、鉴相器PD、充电泵CP、低通滤波器LPF、压控振荡器VCO输出反馈组成一个锁相环路。正常情况下，VCO的输出锁定在输入的40Gb/s信号上。模块通过选择器提供了另外一个锁相环路，与前一个环路不同的是，鉴频鉴相器PFD替代了鉴相器PD，PFD的输入信号是2.5GHz的参考时钟，这个环路中VCO的输出锁定在参考时钟上。该模块不能提供锁定探测电路，只提供了选择器的控制管脚，用于控制锁相环路的输出时钟锁定于数据或者参考时钟。控制PLL锁定于数据，则不论输入数据是否有效，输出时钟一直锁定于输入数据，在数据失效时候的输出时钟的频率是不可预见，而且与参考时钟频率之间的频差过大，在数据恢复正常时，由于这个大的频差存在，PLL环路无法通过捕捉再次进入锁定。为了完成正常的时钟恢复功能，需要设计出一种能够自行判断接收数据是否可用，以及PLL输出时钟与参考时钟频偏是否超过锁定范围，在正确的时候实现PLL输出时钟牵引过程的系统。这正是目前实现40Gb/s系统开发的关键。
发明内容
本发明目的是提供一种在40Gb/s光传输系统中控制时钟时钟恢复单元锁定倒换的系统和方法，在40Gb/s光传输系统中，当数据从不可用恢复到可用时，当PLL输出时钟频偏超出范围，无法自动恢复时，如何控制PLL锁定于参考时钟，消除输出时钟超过PLL捕捉范围的频偏，然后再将PLL输出时钟锁定到接收数据上。在这个过程中，如何实现自动判断数据是否失效、何时控制CRU输出锁定于参考以及何时锁定于数据，也就是为CRU解决自动倒换的功能，是必须要解决的问题。
本发明提供的一种在40Gb/s光传输系统中控制时钟恢复单元锁定倒换的系统，包括用来将40Gb/s光接收信号转换成40Gb/s电信号的40Gb/s光接收机；其特征在于该系统进一步包括1:4分接模块，用来将40Gb/s电信号分接成4路10Gb/s电信号；解串行器，用来将串行的10Gb/s电信号分接成并行的低速电信号和低速时钟，并产生电信号的锁定状态信号；
单片机，将4路解串行器模块产生的锁定状态信号进行逻辑组合来产生控制信号；40Gb/s时钟恢复模块，用来基于单片机产生的控制信号控制时钟输出锁定在参考时钟或者接收数据上。
上述系统其特征还在于所述解串行器内部进一步包括锁相环路；还包括帧处理芯片，用来对解串行器模块送来的低速信号和时钟进行成帧处理。
本发明提供的一种在40Gb/s光传输系统中控制时钟恢复单元锁定倒换的方法，其特征在于包括如下步骤(1)将40Gb/s光接收信号转换成40Gb/s电信号；(2)将40Gb/s电信号分接成4路10Gb/s电信号；(3)将4路串行的10Gb/s电信号分别分接成并行的低速电信号和低速时钟，并产生每路电信号的锁定状态信号；(4)通过对产生的4路电信号的锁定状态信号进行逻辑组合来产生控制信号；(5)基于产生的控制信号控制时钟输出锁定在参考时钟或者接收数据上。
上述方法其特征还在于步骤(4)中的逻辑组合过程为在4路电信号的锁定状态信号全部出现失锁告警时，产生控制时钟输出锁定在参考时钟上；除此之外，产生控制时钟输出锁定在接收数据上。
本发明通过用40Gb/s接收信号分接出的4路10G电信号的失锁告警(LOCK ERROR)作为40Gb/s接收数据是否可用的判断依据，从而简单地实现了在40Gb/s光传输系统中控制时钟恢复单元锁定倒换过程。实现了在40Gb/s接收数据不可用时输出稳定的时钟，自动实现VCO输出频率牵引过程，这样当40Gb/s DWDM系统断电或线路故障后恢复时，无需人工控制，系统能够自动恢复可用。
图1是现有技术中锁相环原理框图；图2是现有技术中含有锁定探测电路的时钟数据恢复(CDR)芯片原理框图；图3是40Gb/s时钟恢复单元原理框图；图4是本发明40Gb/s系统接收端原理框图；图5是本发明40Gb/s CRU锁定倒换程序流程图；图6是本发明的技术方案原理框图；图7是验证技术方案的实验过程图；图8是40Gb/s接收光信号丢失或者信号频偏超出范围时光接收机输出电眼图；图9是40Gb/s接收光信号丢失或者信号频偏超出范围时恢复出的20GHz时钟示意图；图10是40Gb/s接收光信号丢失或者信号频偏超出范围时分接出的10Gb/s信号电眼图；图11是在40Gb/s接收光信号恢复可用时，由于CRU的VCO输出已经超出锁定范围，CRU恢复不出20GHz时钟示意图；图12是锁定在参考时钟上的CRU输出示意图；图13是CRU输出时钟锁定到参考时钟上时的10Gb/s信号眼图；图14是当数据恢复可用时经过频率牵引后再锁定在数据上的20GHz时钟示意图；图15是在40Gb/s接收光信号持续不可用期间，CRU的输出时钟锁定在参考时钟和数据间不间断的来回倒换时的10Gb/s信号的眼图；具体实施方式
实施本发明系统的原理框图如图4所示。接收端光信号由40Gb/s光接收机转换成电信号；40Gb/s电信号被分接成4路10Gb/s电信号，经过锁定探测电路判断40Gb/s接收数据是否可用，当数据不可用时，锁定探测电路控制CRU锁定到参考时钟上实现频率牵引，当数据恢复可用时，锁定探测电路控制CRU恢复锁定到接收数据上，保证CRU正确地从接收数据中恢复出20GHz时钟。
实施本发明方法的流程图如图5所示。用40Gb/s接收信号分接出的4路10Gb/s电信号的失锁告警(LOCK ERROR)作为40Gb/s接收数据不可用的判断依据。当4路10Gb/s电信号同时有失锁告警时，将40Gb/s CRU的输出锁定在参考时钟上；只要有一路10Gb/s电信号的失锁告警消失时，即将40Gb/s CRU的输出恢复锁定到接收数据上。
下面结合图6对本发明的具体实施例进行描述。如图6所示，各部件的功能描述如下部件①40Gb/s光接收机，把40Gb/s光接收信号转换成40Gb/s电信号；部件②1:4分接模块，把40Gb/s电信号分接成4路10Gb/s电信号；部件③解串行器(Demux)，把串行的10Gb/s电信号分接成并行的低速电信号和低速时钟，将内部锁相环路的锁定状态信号上报给单片机，如果锁定状态为高电平表明内部锁相环路锁定在串行10Gb/s电信号上，输出的低速数据和时钟锁定于10Gb/s串行输入数据；如果锁定状态为低电平，表明出现失锁告警，内部锁相环路的VCO输出频率已经偏离参考时钟超过了预定范围；部件④帧处理芯片，对解串行器(Demux)模块送来的低速信号和时钟进行成帧处理；部件⑤单片机，将4路解串行器(Demux)模块上报的锁定状态信号进行逻辑组合后输出CRU锁定倒换控制信号。如果4路锁定状态信号都出现失锁告警(低电平)，则单片机输出CRU锁定倒换控制信号为低电平，控制CRU输出时钟锁定在参考时钟上；如果至少有一路锁定状态信号为高电平，则单片机输出CRU锁定倒换控制信号为高电平，控制CRU输出锁定接收数据上；部件⑥40Gb/s时钟恢复模块(CRU)，完成从40Gb/s接收数据中提取20GHz同步时钟的功能，单片机输出的CRU锁定倒换控制信号控制它的输出锁定在参考时钟上或者接收数据上，如果锁定倒换控制信号为低电平，则它的输出锁定在参考时钟上；如果锁定倒换控制信号为高电平，它的输出锁定在接收数据上。
在本发明的技术方案中首先要判断接收数据是否可用，接收数据不可用包括40Gb/s接收信号丢失(LOS)和接收时钟频偏过大。这个功能是通过单片机来完成的。单片机判断4路解串行器(Demux)模块上报的锁定状态信号的电平高低，如果4路锁定状态信号全为低，则表明4路10Gb/s数据全有失锁告警，此时判断为40Gb/s接收数据不可用；只要有一路锁定状态信号为高电平，表明至少有一路10Gb/s数据失锁告警消失，此时判断为40Gb/s接收数据是可用的。
其次，就是要解决接收数据不可用时，对CRU的内部PLL实现频率牵引的问题，如前所述，如果PLL的输出时钟与正确的数据时钟之间的频差超过PLL的捕捉范围的话，PLL是不能再次进入捕捉直到最终锁定的。这个功能是通过单片机控制CRU来完成。如果单片机检测到接收数据不可用，则将CRU锁定倒换控制信号置低，控制CRU的内部PLL锁定到参考时钟上，进行频率牵引过程。
最后是将CRU的内部PLL输出时钟在正确的时候恢复锁定到接收数据上。进行频率牵引过程以后，4路10Gb/s数据的失锁告警消失，这时单片机判断为40Gb/s接收数据是可用的，于是控制CRU锁定到接收数据上，如果此时的40Gb/s接收光信号已经恢复可用，则整个40Gb/s光接收机自动时钟恢复过程已经完成；如果此时的40Gb/s接收光信号仍然不可用，这时必将又会同时出现4路10Gb/s电信号的失锁告警，此时单片机判断为40Gb/s接收数据不可用，因此控制CRU的输出倒换到锁定到参考时钟上。在40Gb/s接收光信号持续不可用期间，CRU的输出时钟锁定将在参考时钟和数据间不间断的来回倒换，直到40Gb/s数据恢复可用时，CRU再次锁定到数据上，10Gb/s的解串行器不再出现失锁告警，倒换停止，整个40Gb/s光接收机自动时钟恢复过程这才完成。
为了验证本发明的技术方案，我们做了如下实验，实验过程如图7所示。
40Gb/s系统的光接收机接收到光信号并转换成电信号以后，将40Gb/s电信号分接成4路10Gb/s的电信号，送给4片解串行器。当40Gb/s接收光信号丢失或者信号频偏超出范围时，光接收机输出的数据将是一片模糊，如图8所示。此时从数据中恢复出的20GHz时钟也将是一片模糊，如图9所示。此时分接出的4路10Gb/s信号电眼图也将是一片模糊，如图10所示。4路解串行器接收到这样的10Gb/s信号，会同时产生LOCK ERROR告警。此时即使40Gb/s接收光信号恢复可用，由于CRU的输出已经超出锁定范围，CRU恢复出电路20GHz时钟仍然一片模糊，如图11所示。因此需要用参考时钟对CRU进行牵引，于是将40Gb/s CRU的输出时钟锁定到参考时钟上，使得VCO的输出进入锁定范围，此时有20GHz时钟输出，如图12所示。此时的10Gb/s信号电眼图如图13所示。接着，4路解串行器的LOCK ERROR告警都会消失，程序会控制将CRU的输出时钟恢复锁定到接收数据上，此时有恢复出的20GHz时钟输出与锁定在参考时钟上的20GHz时钟输出会有频率和相位上的差别，因为数据和参考时钟会有小的频偏，如图14所示。如果此时的40Gb/s接收光信号已经恢复可用，则整个40Gb/s光接收机自动时钟恢复过程已经完成；如果此时的40Gb/s接收光信号仍然不可用，这时必将又会同时出现4路10Gb/s电信号的失锁告警，因此CRU的输出又会倒换到锁定在参考时钟上；在40Gb/s接收光信号持续不可用期间，CRU的输出时钟锁定将在参考时钟和数据间不间断的来回倒换，此时的10Gb/s信号的眼图是一会儿模糊一会儿清晰，如图15所示。直到数据恢复可用时，CRU再次锁定到数据上，10Gb/s的解串行器不再出现失锁告警，倒换停止，则整个40Gb/s光接收机自动时钟恢复过程这才完成。这个过程类似与其他CDR电路中的锁定探测电路的功能，这个锁定探测电路持续不断地监测VCO的输出时钟和参考时钟的频偏，当频偏超过预定范围时，就会让参考时钟将VCO输出频率牵引到锁定范围内。
实验证明，完全达到了设计目标，成功实现了40Gb/s光接收机的自动时钟恢复功能。
权利要求
1.一种在40Gb/s光传输系统中控制时钟恢复单元锁定倒换的系统，包括用来将40Gb/s光接收信号转换成40Gb/s电信号的40Gb/s光接收机；其特征在于该系统进一步包括1∶4分接模块，用来将40Gb/s电信号分接成4路10Gb/s电信号；解串行器，用来将串行的10Gb/s电信号分接成并行的低速电信号和低速时钟，并产生电信号的锁定状态信号；单片机，将4路解串行器模块产生的锁定状态信号进行逻辑组合来产生控制信号；40Gb/s时钟恢复模块，用来基于单片机产生的控制信号控制时钟输出锁定在参考时钟或者接收数据上。
2.根据权利要求1的系统，其特征在于所述解串行器内部进一步包括锁相环路。
3.根据权利要求1或2的系统，其特征在于进一步包括帧处理芯片，用来对解串行器模块送来的低速信号和时钟进行成帧处理。
4.一种在40Gb/s光传输系统中控制时钟恢复单元锁定倒换的方法，其特征在于包括以下步骤(1)将40Gb/s光接收信号转换成40Gb/s电信号；(2)将40Gb/s电信号分接成4路10Gb/s电信号；(3)将4路串行的10Gb/s电信号分别分接成并行的低速电信号和低速时钟，并产生每路电信号的锁定状态信号；(4)通过对产生的4路电信号的锁定状态信号进行逻辑组合来产生控制信号；(5)基于产生的控制信号控制时钟输出锁定在参考时钟或者接收数据上。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于步骤(4)中的逻辑组合过程为在4路电信号的锁定状态信号全部出现失锁告警时，产生控制时钟输出锁定在参考时钟上；除此之外，产生控制时钟输出锁定在接收数据上。
全文摘要
本发明提供了一种在40Gb/s光传输系统中控制时钟恢复单元锁定倒换的系统和方法，该方法包括步骤(1)将40Gb/s光接收信号转换成40Gb/s电信号；(2)将40Gb/s电信号分接成4路10Gb/s电信号；(3)将4路串行的10Gb/s电信号分别分接成并行的低速电信号和低速时钟，并产生每路电信号的锁定状态信号；(4)通过对产生的4路电信号的锁定状态信号进行逻辑组合来产生控制信号；(5)基于产生的控制信号控制时钟输出锁定在参考时钟或者接收数据上。本发明通过用40Gb/s接收信号分接出的4路10G电信号的失锁告警(LOCK ERROR)作为40Gb/s接收数据是否可用的判断依据，从而简单地实现了在40Gb/s光传输系统中控制时钟恢复单元锁定倒换过程。
文档编号H03L7/08GK1622495SQ20041010123
公开日2005年6月1日 申请日期2004年12月17日 优先权日2004年12月17日
发明者杨宁, 叶波, 曹云, 徐俊波, 陈德华, 何建明 申请人:烽火通信科技股份有限公司