本发明涉及超短波通信技术领域，具体地，涉及一种基于超短波电台的光纤传输系统，该系统中，超短波电台收发中频信号采样率为384KHz，光纤传输速率为110.592MHz，采用4路相位相差π/4的采样时钟进行数据恢复，基带信号带宽64KHz。
背景技术：
由于超短波自身频率较高(30～300MHz)，传输特性与其它传输方式有本质差别，发射的天波一般将穿透电离层射向太空，而不能被电离层反射回地面，因此超短波的通信系统主要依靠空间直射传播。针对山区山岭、城市高楼这种复杂地形，最好的传输方式就是无障碍传输。
现有的超短波的通信系统，通常存在如下缺陷：
1、车载系统保证了传输机动性，却无法克服山区山岭、城市高楼复杂地形；
2、背负系统保证了传输可靠性，却受人力成本与发射功率限制，无法广泛应用；
3、阵地系统保证了传输稳定性，缺往往使用电缆传输，衰减过大，成本过高。
目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的是提供一种基于超短波电台的光纤传输系统。此系统不需要改变超短波电台原有结构、不依赖硬件平台性能、实现简单快速，可保证实现超短波电台正常通信等特点。
本发明是通过以下技术方案实现。
一种基于超短波电台的光纤传输系统，包括：发射通路和接收通路，所述发射通路和接收通路主要近端主机、远端功放以及桥接于两者之间的光纤传输组件形成；其中：
发射通路，所述近端主机对超短波电台的中频信息(384KHz)进行采样、处理为基带信号(512KHz)，并与频率控制信号组成数据帧a通过光纤传输组件的近端光电转换器转化为光信号发送至光纤传输组件的远端光电转换器；光纤传输组件的远端光电转换器将光信号转化为电信号并恢复数据，解析出数据帧a后交由远端功放的射频模块处理发射；
接收通路，所述远端功放对天线接收到的射频信息(30MHz～88MHz)进行采样、处理为中频信号(384k)，并与交互控制信号组成数据帧b通过光纤传输组件的远端光电转换器发送至光纤传输组件的近端光电转换器；光纤传输组件的近端光电转换器将光信号转化为电信号并恢复数据，解析出数据帧b后，交互控制信号用于界面显示，中频信息交由近端主机的模数转换器回传给超短波电台。
优选地，所述数据帧a和数据帧b构成光纤传输组件的基本信息传输框架，并基于基本信息传输框架形成具有特定数据帧结构的数据链路层，所述数据链路层中的每一帧数据帧均包括7Bit同步相关码和29Bit用户数据，其中同步相关码为巴克码且前后两个数据帧的同步相关码相同，光纤传输过程中，数据帧以110.592MHz时钟作为比特速率发送，通过在用户数据位插入有效数据进行传输；当用户数据为无效数据时，将该无效数据自动替代为1/0码以均衡信道。
优选地，所述近端光电转换器和远端光电转换器均设有时间数据恢复部件，所述时间数据恢复部件包括：依次连接的FPGA处理器、N个相位相差2π/N的采样时钟模块、N个数据检测模块和最佳采样时钟判决模块；其中：
FPGA处理器提供内部时钟管理模块，内部时钟管理模块将外部参考时钟倍频后，同时输出N路相位相差π/2的110.592MHz内部采样时钟至N个采样时钟模块；
N个采样时钟模块同时对待恢复数据进行采样，得到N路采样数据后输出至N个数据检测模块；
N个数据检测模块对每一路采样数据进行数据帧同步检测，针对有效相关结果进行用户数据与相关标识输出至最佳采样时钟判决模块；
最佳采样时钟判决模块通过对有效相关结果的最佳采样判决，得到最佳采样时钟与最佳恢复数据。
优选地，在数据检测模块对采样数据进行数据帧同步检测时，每一路采样数据针对一个独立的相位时钟，对于每一个独立的相位时钟，将采样数据移入一个43Bit的寄存器中，提取其中的前后14Bit数据，与采样数据的数据帧的已知同步相关码进行同或运算；运算结果中1的个数，与设定阈值比较，超过设定阈值结果则为有效相关结果(即为1)，提取相关标识与用户数据后输出；未超过设定阈值(即为0)，则为无效相关结果。
优选地，所述N＝4，4个相位相差2π/N的采样时钟模块所提供的采样时钟分别为：0°相位采样时钟、90°相位采样时钟、180°相位采样时钟和270°相位采样时钟；
所述最佳采样时钟判决模块的最佳采样判决具体为：
将采样时钟在时间顺序上定义为t0,t1,t2时刻，其中t1为当前时刻，t0为t1的前一时刻，t2为t1的后一时刻；
在t0,t1,t2时刻针对有效相关结果进行判决，若t0时刻的4个相位相关结果全部为无效相关结果0，且t1时刻的4个相位相关结果不全为无效相关结果0时，判定为进入同步模式，即出现最佳采样时刻；此时设置t2时刻的相关结果与t1时刻的相关结果由270°相位采样时钟到0°相位采样时钟依次定义为S4、S3、S2、S1、S4’、S3’、S2’、S1’；
判定进入同步模式的具体规则为：
其中，S4表示t2时刻270°相位采样的相关结果，S3表示t2时刻180°相位采样的相关结果，S2表示t2时刻90°相位采样的相关结果，S1表示t2时刻0°相位采样的相关结果，S4’表示t1时刻270°相位采样的相关结果，S3’表示t1时刻180°相位采样的相关结果，S2’表示t1时刻90°相位采样的相关结果，S1’表示t1时刻0°相位采样的相关结果；
{S4,S3,S2,S1,S4’,S3’,S2’,S1’}值为2进制，值中的x表示忽略值。
本发明提供的基于超短波电台的光纤传输系统，将超短波电台划分为远近端两部分，中间由光纤桥接；采用特殊数据帧结构构成光纤的基本信息传输框架；采用多相位N路采样时钟进行时间数据恢复；对前后两组数据帧的巴克码同步进行相关检测。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、在不改变原电台的基础上，增加光纤传输，提高信号的传输能力和抗干扰能力；
2、使用一种数据同步帧结构与同步方法，完成从光纤信号到原始数据的恢复；
3、本发明有效解决了超短波电台的光纤传输问题，在山区、城市等复杂地形时，将射频模块架高拉远并与超短波电台主机通过光纤连接，仍可进行正常通信，且具有非常好的稳定性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明采用的光纤数据传输系统模型示意图。
图2为本发明采用的数据链路层结构设计图。
图3为本发明采用的空间CDR结构图。
图4为本发明在多相位采样时钟下的最佳采样判决图。
图5为本发明在收发数据相位相相差5π/7的情况下得到的数据恢复Modelsim仿真图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
实施例
本实施例提供了一种基于超短波电台的光纤传输系统，是一种高效、简单的传输系统，针对超短波电台传输信息的特有性，将原有超短波电台传输中频信息与发射频率字信息(即频率控制信号)重新组合打包成数据帧，通过光纤传输组件传输至发射端发射。光纤传输组件中核心的部件是时间数据恢复部件(CDR)，当数据在光纤中传输时，并没有附带时钟信号。光纤数据接收端须要通过CDR从接收到的含有较大干扰和抖动的数字信号中提取位同步时钟，并用这个时钟对数据信号重新采样，恢复出具有数字规范的原始数据信号。因此CDR的基本目的为判别接收数据的最佳采样时钟。针对市场上的成熟产品，大部分利用锁相环(PLL)跟踪相位与频率变化，恢复高速时钟。对于超短波电台，在其传输信息特殊性和定制性上，利用FPGA实现光纤传输算法有更大的自我优势。
下面结合附图对本实施例进一步描述。
如图1所示，为本实施例提供的光纤数据传输系统。将整个超短波电台系统分解为近端主机与远端射频功放两个部分，中间由光纤连接。该系统的工作原理如下：
发射通路近端由超短波电台输出的384KHz中频信号和频率控制信号，将中频信号采样并处理为512KHz的基带信号，与频率控制信号组成数据帧通过SFP转化为光信号发送；远端通过SFP转化为电信号恢复出原始数据，解析数据帧后交由射频模块处理发送。
接收通路远端通过射频模块将30MHz～88MHz的转换为384k中频信号，采样后与交互控制信号组成数据帧通过SFP转化为光信号发送；近端通过SFP转化为电信号恢复出原始数据，解析数据帧后将中频信号回传给超短波电台。
本实施例解决的是上述系统中的光纤传输问题，该问题包括数据链路层结构设计、CDR设计、以及数据帧同步方法。
如图2所示，为本实施例的数据链路层结构设计，具体设计如下：
传统光纤链路层主要包含同步字插入、8B/10B编解码器和串并转换器。而与传统链路层不同，基于超短波电台的光纤传输，针对其发送数据特殊性，设计了具有特定数据帧结构的链路层电路。
一帧数据帧包含7Bit同步相关码与29Bit用户数据组成，其中同步相关码为巴克码，图中表示为前后两个数据帧结构。光纤传输过程中数据帧以110.592MHz时钟作为比特速率发送，通过在用户数据位插入有效数据用于传输。当用户数据为无效数据时，将自动替代为1/0码用于均衡信道。
如图3所示，为本实施例的CDR设计，具体设计如下：
在光纤数据接收端，针对110.592MHz的光纤数据信号，如果采用时域多倍采样进行数据恢复，FPGA的处理能力和程序复杂度都将大幅提高。因此这里引入空间域多倍采样，既使用N个相位相差2π/N的采样时钟，对接收到的光纤数据进行数据恢复，简称为空间CDR。
通过FPGA内部时钟管理模块(DCM)，将外部参考时钟倍频后，同时输出4路相位相差π/2的110.592MHz内部采样时钟。4路采样时钟同时对光纤接收端得到的数据进行采样，得到4路并行采样数据。对每一路采样数据进行相关检测，针对有效相关结果进行用户数据与相关标识输出。通过对有效相关结果的判决得到最佳采样时钟与最佳恢复数据。
本实施例的数据帧同步方法，具体设计如下：
收到串行数据流(即多路采样数据)后，将进行时间数据恢复(CDR)。通过图2数据链路层结构可知每一帧数据均存在7Bit同步相关码，并且前后两帧同步相关码相同，因此可以同时检测两组同步相关码，用于时间数据恢复。
对于每一个独立的相位时钟，将串行数据流移入一个43Bit的寄存器中，提取其中的前后14Bit数据，与采样数据的数据帧的已知同步相关码进行同或运算。计算结果中1的个数，与设定阈值比较，超过阈值结果则为有效数据流(有效相关结果)，提取相关标识与用户数据后输出。未超过设定阈值，即为无效相关结果。
针对输出的有效相关结果须进行最佳采样判决，具体设计如下：
由于接收端采样时钟与发送端发送时钟存在相位差，因此单独使用一路本地时钟是无法进行原始数据恢复的。采取过采样时钟进行原始数据恢复时，由于光纤原始数据比特速率过高，时钟倍频与电路设计难以实现。本实施例将采用图4所示的最佳采样判决解决上述问题。
收到的串行数据流与接收端4路相位采样时钟可能依然存在相位差。若原始数据流为二进制101，在0°相位采样时钟下只能在数据边缘位置判定出101，实际传输过程中由于数据抖动、畸变，将会大概率被判错。余下三个相位恢复出的当前数据虽然正确，但是伴随着相位误差的累积，在之后的判决中剩余的三个相位判定依然会由概率失效。观察图4可以明显看出本地相位时钟上升沿越接近接收数据1/2处，判决结果越接近真实采样点，图中最佳采样时钟可以选择为180°相位采样时钟，恢复出的真实数据为二进制101。
针对本实施例提出的数据链路层结构，最佳采样时钟判决需要对前中后3组相关检测结果进行判决。若t0时刻的4个相位相关结果全部为无效0，且t1时刻的4个相位相关结果不全为无效0时判定为进入同步模式。此时设置t2时刻的相关结果与t1时刻的相关结果从270°到0°相位采样时钟依次定义为S4,S3,S2,S1,S4’,S3’,S2’,S1’。判定规则如表1所示。
表1
以表1中第3项为例，当第t0时刻相关结果判定结果为0，t2与t1时刻相关结果{S4,S3,S2,S1,S4’,S3’,S2’,S1’}为xxx0_x111时，判定为出现最佳采样时钟。此时S3’,S2’,S1’都为1，最佳采样时钟优先选择中间时刻，即为S2’时刻，真实数据为t0时刻90°相位采样时钟恢复得到的数据。表中11项与12项的真实数据须选择t1时刻0°相位采样时钟恢复得到的数据，其余的相关结果依次类推。
本实施例的效果可以通过Modelsim仿真来说明。
本实施例的Modelsim仿真条件是Modelsim SE 10.1a仿真软件，系统仿真参数选择实施例中所描述的参数之一。仿真内容如下：
收发数据相位相相差5π/7，针对接收数据产生了4个相位时钟，当检测到前后两组相关码时，判定结果为二进制0111_1000，查表1可知选择0°相位采样时钟为最佳采样时钟。在输出标志位为1时，由0°相位采样时钟恢复出的数据结果为原始数据。
观察图5可知0°相位采样时钟上升沿接近接收数据1/2处，且恢复出的16进制数据0aaaaaaa与原发送数据一致，因此可知由本发明提出的设计方法可以有效的恢复高速光纤信号。
由上述测试结果可见，本实施例有效解决了超短波电台的光纤传输问题。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。