[科普中国]-时钟提取

概念

时钟提取（clock extraction），又称为时钟恢复、码元同步，属于通信系统中同步（Synchronization）问题。

在接收数字信号时，为了对接收码元积分以求得码元的能量以及对每个接收码元抽样判决，必须知道每个接收码元的起止时刻。这就是说在接收端需要产生与接收码元严格同步的时钟脉冲序列，用它来确定每个码元的积分区间和抽样判决时刻。

为了判定每一比特是“0”还是“1”，首先要确定判决时刻，这就需要从升余弦波形中提取准确的时钟信号，时钟信号经过适当的移相后，在最佳的取样时间对升余弦波进行取样，然后将取样的幅度与判决阀值进行比较，确定码元是“0”还是“1”，从而把升余弦波形恢复再生原传输的数字信号。

时钟提取电路不仅应该稳定可靠，时钟信号的抖动应尽量小，尤其是在多中继器的长途通信系统中，时钟抖动在中继器中的累计会给系统带来严重危害。

从接收信号中提取时钟，一般可以采用锁相环路和滤波器来完成。当然，接收信号在送入锁相环或滤波器之前，尚须要进行预处理。1

时钟提取技术最早的OTDM系统，时钟是在解复用之后，从解出的低速支路中提取，然后再把提取的时钟反馈回解复用器形成的环形结构，这种方法，需要初始的人工相位调整，以便预先解复用出一个支路。之后，如何直接从复用的线路信号中恢复出光时钟，作为OTDM的关键技术得到了广泛的研究。OTDM的时钟提取技术大体上可以分为3种类型：电时钟提取、全光时钟提取及光电锁相环时钟提取。

OTDM系统电时钟提取和电TDM中的时钟提取方法相同，采用一个高Q值的滤波器直接提取时钟。这种方法比较简单，但是不适用于高速OTDM系统中，一般的的OTDM实验系统采用的就是这种时钟提取方案。

全光时钟提取技术主要包括诸如锁定时钟提取技术和光有源或无源窄带滤波器直接提取时钟技术，其中的注入锁定技术。自脉动半导体激光器包括一个饱和吸收区和一个高增益区，其高增益区和饱和吸收区相互耦合会产生自Q开关现象、产生自脉动效应。自脉动半导体激光器在输入归零光信号脉冲的作用下，产生和输入信号同步的光时钟，从而完成时钟提取功能，目前利用自脉动激光器恢复的最高时钟频率已达18GHz锁模激光器注入锁定技术是将入射光信号注入半导体锁模激光器或光纤锁模激光器中，引入损耗或相位调制产生锁模，这时可在接收端全光恢复位时钟或帧时钟。

光电锁相环时钟提取技术是利用一个比特相位比较器将本地产生的光时钟与入射光比特流锁定，本地时钟由一个压控振荡器（VCO）驱动一个超短光脉冲源产生，光比特锁相器的输出将控制VCO的频率。光比特鉴相器可以是一个NOLM环，也可以利用半导体光放大器中的四波混频或增益调制。这种技术既利用了光学信号处理的高速性能，又利用了传统的电子锁相环的频率和相位跟踪特性，因此在高速OTDM传输系统中应用非常广泛。2