基于FPCA可编程逻辑技术的时钟恢复技术与系统同步详解及应用

随着石油勘探的发展，在地震勘探仪器中越来越需要高精度的同步技术来支持高效采集。基于这种目的，采用FPGA技术设计了一种时钟恢复以及系统同步方案，并完成了系统的固件和嵌入式软件设计。通过室內测试、野外试验以及生产应用，证明结合FPGA技术，时钟恢复和系统同步技术在地震勘探仪器中具有独到的优势，其精度可达us级，而且稳定，实现方便。

地震勘探仪器是一个高度集成的网络采集系统，在这些地震勘探仪器中，要求系统能长时间连续采集，且在这种情况下能达到各个采集样点的严格时间同步，而且要求在同步精度上要达到微秒级，因此涉及到时钟同步和系统时间同步的2个技术难点，即时钟恢复技术以及系统同步技术这两个核心技术。因此，围绕这两项技术，以前的地震勘探仪器采用了各种各样的实现方法，但是精度不高，甚至有的系统没有完全实现这两种技术，对高精度、高效率石油地震勘探的发展不利。

本项目结合FPCA可编程逻辑技术，对通信中用到的时钟恢复技术以及系统同步方法进行探讨，并设计了一种方案，经过了试验和实际应用考验，证明其精度高，实现灵活，并取得了良好的应用效果。

1 通信中的时钟恢复设计

地震勘探仪器的有线系统结构如图1所示。

其包含了主机系统(中央控制系统)，交叉站(通过光纤把数据传输到仪器车的设备)，电源站(给野外站体提供电源的设备)，采集站(用于采集地震数据的设备)，交叉线，排列电缆这些野外设备。一般主机系统和交叉站之间的数据传输采用光纤(交叉线)传输，电源站和采集站之间的采用铜缆(排列电缆)传输。

在这些数据传输中，涉及到命令的发送以及数据的收发。其中有2个基本的技术需要解决，一个是时钟恢复，另外一个就是数据恢复，有的系统不需要时钟恢复，只需要将数据恢复出来即可，但是有的系统需要两个都要恢复出来，这需要依据系统的要求而定，本设计需要同时进行时钟恢复以及数据恢复。

图2是地震勘探仪器中采用的通信链路结构。

图中数据纠错模块可以用RS前向纠错码，也可以用应答式的纠错控制。如果系统的误码率比较低，纠错模块也可以不用。本设计充分利用系统的特点(即存在下行与上行数据通道)，采用重传控制机制来实现纠错目的。

在地震勘探仪器中，当涉及到高效连续采集时候，时钟恢复是必不可少的。其需要全网时钟同步，其时钟需要同步到主机系统的GPS时钟。如果不需要震源高效采集，只需要同步到主机时钟即可，此时可以不用CPS时钟同步。

设计中通信编码方式采用8B10B，采用此类编码有利于时钟的快速恢复，可以避免长1或者0的编码方式。在通信中，采用的时钟恢复技术就是利用锁相环PLL技术，其系统框图如图3所示。

图中的相频检测器为数字鉴相器，完成VCO时钟与输入串行数据的时钟的同步，其包括频率与相位的同步。参考时钟为中心频率与串行数据随路时钟一样，用于对串行数据时钟的快速锁定。

数字鉴相器为锁相环的核心部分。只有完成了频率和相位的准确定位和比较，才能输出控制VCO的信号，从而达到频率和相位一致。数字鉴相器本质上是对输入串行数据进行采样，采样的时间窗口为一个数据时钟周期，然后根据采样的信息进行时钟相位超前或者滞后判断，从而调节VCO的相位和频率。

数字鉴相器的实现方案如图4所示。

此鉴相器为在1个时钟周期内对输入的数据流进行相位变化检测，并将检测结果(超前或者滞后)由o1和o2进行编码表示。

在本方案设计中，无论是光纤传输还是铜缆传输，其命令通道都实现了时钟恢复功能，因此能达到全网与主机时钟同步，因此能支持长时间连续采集。系统时钟恢复由自定义模块实现，其系统结构图如图5所示。

通过此种方案，能让主机系统，交叉站，电源站以及采集站等野外设备都同步到同一个时钟源。

光纤通道的时钟恢复由FPGA的IP硬核实现。