數(shù)字鎖相環(huán)與位同步

一、 實驗?zāi)康?/font>

    1. 掌握數(shù)字鎖相環(huán)工作原理以及觸發(fā)式數(shù)字鎖相環(huán)的快速捕獲原理。
    2. 掌握用數(shù)字環(huán)提取位同步信號的原理及對信息代碼的要求,。
3. 掌握位同步器的同步建立時間,、同步保持時間,、位同步信號同步抖動等概念,。

二,、 實驗內(nèi)容

    1. 觀察數(shù)字環(huán)的失鎖狀態(tài),、鎖定狀態(tài),。
    2. 觀察數(shù)字環(huán)鎖定狀態(tài)下位同步信號的相位抖動現(xiàn)象及相位抖動大小與固有頻差,、信息代碼的關(guān)系,。
3. 觀察數(shù)字環(huán)位同步器的同步保持時間與固有頻差之間的關(guān)系,。

三、 基本原理

    可用窄帶帶通濾波器,，鎖相環(huán)來提取位同步信號,。實驗一中用模數(shù)混合鎖相環(huán)（電荷泵鎖相環(huán)）提取位同步信號,，它要求輸入信號是一個準周期數(shù)字信號,。實驗三中的模擬環(huán)也可以提取位同步信號，它要求輸入準周期正弦信號,。本實驗使用數(shù)字鎖相環(huán)提取位同步信號,，它不要求輸入信號一定是周期信號或準周期信號,，其工作頻率低于模數(shù)環(huán)和模擬環(huán),。
用于提取位同步信號的數(shù)字環(huán)有超前滯后型數(shù)字環(huán)和觸發(fā)器型數(shù)字環(huán)，此實驗系統(tǒng)中的位同步提取模塊用的是觸發(fā)器型數(shù)字環(huán),，它具有捕捉時間短,、抗噪能力強等特點,。位同步模塊原理框圖如圖5-1所示,，電原理圖如圖5-2所示（見附錄）。其內(nèi)部僅使用+5V電壓,。

圖5-1  位同步器方框圖

位同步模塊有以下測試點及輸入輸出點：
    · S-IN     基帶信號輸入點/測試點（2個）
· BS-OUT     位同步信號輸出點/測試點（3個）
    圖5-1中各單元與電路板上元器件的對應(yīng)關(guān)系如下：
    · 晶振     CRY3：晶體；U39：7404
    · 控制器     U48：或門7432,；U41：計數(shù)器74190
    · 鑒相器     U40：D觸發(fā)器7474
    · 量化器     U45：可編程計數(shù)器8254
    · 數(shù)字環(huán)路濾波器   由軟件完成
    · 數(shù)控振蕩    U46、U45：8254
    · 脈沖展寬器    U47：單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74123
    位同步器由控制器,、數(shù)字鎖相環(huán)及脈沖展寬器組成，數(shù)字鎖相環(huán)包括數(shù)字鑒相器,、量化器、數(shù)字環(huán)路濾波器,、數(shù)控振蕩器等單元。
    下面介紹位同步器的工作原理,。
    數(shù)字鎖相環(huán)是一個單片機系統(tǒng),，主要器件是單片機89C51及可編程計數(shù)器8254,。環(huán)路中使用了兩片8254，共六個計數(shù)器,，分別表示為8254A0,、8254A1,、8254A2、8254B0,、8254B1,、8254B2,。它們分別工作在M0,、M1,、M2三種工作模式。M0為計數(shù)中斷方式,，M1為單穩(wěn)方式，M2為分頻方式,。除地址線、數(shù)據(jù)線外,，每個8254芯片還有時鐘輸入端C,、門控信號輸入端G和輸出端O。
數(shù)字鑒相器電原理圖及波形圖如圖5-3（a）,、圖5-3（b）所示。輸出信號寬度正比于信號ui及uo上升沿之間的相位差,，最大值為ui的碼元寬度,。稱此鑒相器為觸發(fā)器型鑒相器，稱包含有觸發(fā)器型鑒相器的數(shù)字環(huán)路為觸發(fā)器型數(shù)字鎖相環(huán),。

圖5-3  數(shù)字鑒相器

量化器把相位誤差變?yōu)槎噙M制數(shù)字信號,，它由工作于M0方式、計數(shù)常數(shù)為N0的8254 B2完成（N0為量化級數(shù),，此處N0=52）,。ud作為8254B2的門控信號,，ud為高電平時8254B2進行減計數(shù),，ud為低電平時禁止計數(shù),，計數(shù)結(jié)束后從8254B2讀得的數(shù)字為
Nd= N0-N’d
式中N’d為ud脈沖寬度的量化值（下面用量化值表示脈沖寬度和時間間隔），N0≥N’d，讀數(shù)結(jié)束后再給8254B2寫入計數(shù)常數(shù)N0,。讀數(shù)時刻由8254A2控制,，它工作在M1模式，計數(shù)常數(shù)為N0,，ui作為門控信號。一個ui脈沖使8254A2產(chǎn)生一個寬度為N0的負脈沖,，倒相后變?yōu)檎}沖送到89C51的 端，而89C51的外中斷1被設(shè)置為負跳變中斷申請方式,。由于8254A2產(chǎn)生的脈沖寬度不小于ud脈沖寬度且它們的前沿處于同一時刻,，所以可以確保中斷申請后對8254B2讀數(shù)時它已停止計數(shù),。
    數(shù)字環(huán)路濾波器由軟件完成?？刹捎迷S多種軟件算法,，一種簡單有效的方法是對一組N0作平均處理,。設(shè)無噪聲時環(huán)路鎖定后ui與uo的相位差為N0/2,，則在噪聲的作用下,，鎖定時的相位誤差可能大于N0/2也可能小于N0/2,。這兩種情況出現(xiàn)的概率相同,，所以平均處理可以減小噪聲的影響,，m個Nd值的平均值為
        （5-2）
數(shù)字濾波器的輸出為
                        Nc = No / 2 + Nd        (5-3）
數(shù)控振蕩器由四個8254計數(shù)器及一些門電路構(gòu)成，其原理框圖如圖5-4所示,，圖中已注明了各個計數(shù)器的工作方式和計數(shù)常數(shù),。
    以下分析環(huán)路的鎖定狀態(tài)及捕捉過程,，此時不考慮噪聲的影響,。

圖5-4  數(shù)控振蕩器

    環(huán)路開始工作時，軟件使8254B0和8254B1輸出高電平,，從而使8254A1處于計數(shù)工作狀態(tài),、8254B1處于停止計數(shù)狀態(tài),，G6處于開啟狀態(tài)，8254A1輸出一個周期為N0的周期信號,。若環(huán)路處于鎖定狀態(tài),，則N’d=N0/2，由式（5-1）及式（5-2）得Nd=N0/2,。此時89c51的P1.4口不輸出觸發(fā)脈沖,，8254A0輸出端仍保持初始化時的高電平，從而使8254B0的門控端G保持低電平,、輸出端O保持高電平,。這樣可保持8254A1、8254B1的工作狀態(tài)不變,、環(huán)路仍處于鎖定狀態(tài)。若環(huán)路失鎖,，則N’d≠N0/2,，Nd≠N0/2，P1.4口輸出一個正脈沖u2,，在u2作用下，8254A0輸出一個寬度為N0的負脈沖,，倒相后變?yōu)檎}沖u3送給與門G2。G2的另一個輸入信號u1來自8254A1,。在G1輸出的寬度為N 0的正脈沖持續(xù)時間內(nèi),，8254A1一定有（也只有）一個負脈沖信號輸入，此負脈沖經(jīng)G4倒相后與G1輸出的正脈沖相與后給8254B0的G端送一個觸發(fā)信號u4,。在u4的作用下,，8254B0輸出一個寬度為N0-2的負脈沖。在這段時間內(nèi),，8254A1停止計數(shù)工作,，8254B1進行減計數(shù)且在此時間內(nèi)的最后一個時鐘周期輸出一個負脈沖。8254B0輸出的負脈沖的后沿重新啟動8254A1，使它重新作÷N0分頻,。設(shè)m=1,，上述過程的有關(guān)波形如圖5-5所示，圖中u?O為環(huán)路鎖定狀態(tài)下數(shù)控振蕩器的輸出信號,。由圖5-5可見,，不管失鎖時相位誤差多少（不會大于N0），只要對數(shù)控振蕩器作一次調(diào)整,，就可使環(huán)路進入鎖定狀態(tài),，從而實現(xiàn)快速捕捉。
    程序流程如圖5-6所示,，輸入信號ui使IE1置“1”,，且使8254B2計數(shù)，對IE1進行位操作時又使之置“0”,。由于量化誤差,，故當(dāng)Nd為N0／2，N0/2＋1或N0/2－1時,，環(huán)路皆處于鎖定狀態(tài),，不對數(shù)控振蕩器進行調(diào)整。程序中令m=16,，進行16次鑒相后做一次平均運算,，若發(fā)現(xiàn)環(huán)路失鎖，則對數(shù)控振蕩器進行一次調(diào)整,。
    控制器的作用是保證每次對8254B2進行讀操作之前鑒相器只輸出一個正脈沖,，它由或門7432（U5:B）及16分頻器74190（U13）組成。

圖5-5  捕獲過程波形

    當(dāng)數(shù)字環(huán)輸入信號的碼速率與數(shù)控振蕩器的固有頻率完全相同時,，環(huán)路鎖定后輸入信號與反饋信號（即位同步信號）的相位關(guān)系是固定的且符合抽樣判決器的要求（當(dāng)然開環(huán)時它們的相位誤差也是固定的,，但不符合抽樣判決器的要求）。輸入信號碼速率決定于發(fā)送端的時鐘頻率,，數(shù)控振蕩器固有頻率決定于位同步器的時鐘頻率和數(shù)控振蕩器固有分頻比,。由于時鐘信號頻率穩(wěn)定度是有限的，故這兩個時鐘信號的頻率不可能完全相同,，因此鎖相環(huán)輸入信號碼速率與數(shù)控振蕩器固有頻率不可能完全相等（即環(huán)路固有頻差不為0）,。數(shù)字環(huán)位同步器是一個離散同步器，只有當(dāng)輸入信號的電平發(fā)生跳變時才可能對輸入信號的相位和反饋信號的相位進行比較從而調(diào)整反饋信號的相位,，在兩次相位調(diào)整的時間間隔內(nèi),，反饋信號的相位相對于輸入信號的相位是變化的，即數(shù)字環(huán)位同步器提取的位同步信號的相位是抖動的,，即使輸入信號無噪聲也是如此,。

圖5-6  鎖相環(huán)程序流程

    顯然,，收發(fā)時鐘頻率穩(wěn)定度越高，數(shù)字環(huán)的固有頻差就越小,，提取的位同步信號的相位抖動范圍越小,。反之，對同步信號的相位抖動要求越嚴格,，則收發(fā)時鐘的頻率穩(wěn)定度也應(yīng)越高,。
    位同步信號抖動范圍還與數(shù)字位同步器輸入信號的連“1”或“0”個數(shù)有關(guān)，連“1”或“0”個數(shù)越多,，兩次相位調(diào)整之間的時間間隔越長,，位同步信號的相位抖動越大。
    對于NRZ碼來說,，允許其連“1”,、連“0”的個數(shù)決定于數(shù)字環(huán)的同步保持時間tc。tc與收發(fā)時鐘頻率穩(wěn)定度?,、碼速率RB,、允許的同步誤差最大值 的關(guān)系為：
tC =η/（2RBε）
tC的定義是：位同步器輸入信號斷開后，收發(fā)位同步信號相位誤差不超過 的時間,。
關(guān)于數(shù)字環(huán)位同步器的工作原理,，可參考文獻[3]、[4],、[5],。
用模擬環(huán)位同步器或模數(shù)環(huán)位同步器提取的位同步信號的相位抖動與固有頻差無關(guān)，但隨信息碼連“1”,、連“0”的個數(shù)增多而增大,。

四、 實驗步驟

    本實驗使用數(shù)字信源單元和位同步單元,。
    1,、熟悉位同步單元工作原理。將數(shù)字信源單元的NRZ-OUT連接到位同步單元的S-IN點,，接通實驗箱電源,。調(diào)整信源模塊的K1、K2,、K3開關(guān),，使NRZ-OUT的連“0”和連“1”個數(shù)較少。
    2,、觀察數(shù)字環(huán)的鎖定狀態(tài)和失鎖狀態(tài)。
將示波器的兩個探頭分別接數(shù)字信源單元的NRZ-OUT和位同步單元的BS-OUT,，調(diào)節(jié)位同步單元上的可變電容C2,，觀察數(shù)字環(huán)的鎖定狀態(tài)和失鎖狀態(tài),。鎖定時BS-OUT信號上升沿位于NRZ-OUT信號的碼元中間且在很小范圍內(nèi)抖動；失鎖時,，BS-OUT的相位抖動很大,，可能超出一個碼元寬度范圍，變得模糊混亂,。
    3,、觀察位同步信號抖動范圍與位同步器輸入信號連“1”或連“0”個數(shù)的關(guān)系。
調(diào)節(jié)可變電容使環(huán)路鎖定且BS-OUT信號相位抖動范圍最?。垂逃蓄l差最?。龃驨RZ-OUT信號的連“0”或連“1”個數(shù),，觀察BS-OUT信號的相位抖動變化情況,。
    4、觀察位同步器的快速捕捉現(xiàn)象,、位同步信號相位抖動大小及同步保持時間與環(huán)路固有頻差的關(guān)系,。
    先使BS-OUT信號的相位抖動最小，按一下復(fù)位鍵,，觀察NRZ-OUT與BS-OUT信號的之間的相位關(guān)系變化快慢情況,，再按一下復(fù)位鍵，觀察快速捕捉現(xiàn)象（位同步信號BS-OUT的相位一步調(diào)整到位）,。再微調(diào)位同步單元上的可變電容（即增大固有頻差）當(dāng)BS-OUT相位抖動增大時按一下復(fù)位鍵,，觀察NRZ-OUT信號與BS-OUT信號的相位關(guān)變化快慢情況并與固有頻差最小時進行定性比較。

五,、 實驗報告要求

    1,、數(shù)字環(huán)位同步器輸入NRZ碼連“1”或連“0”個數(shù)增加時，提取的位同步信號相位抖動增大,，試解釋此現(xiàn)象,。
    2、設(shè)數(shù)字環(huán)固有頻差為Δf,，允許同步信號相位抖動范圍為碼元寬度TS的η倍,，求同步保持時間tC及允許輸入的NRZ碼的連“1”或“0”個數(shù)最大值。
    3,、數(shù)字環(huán)同步器的同步抖動范圍隨固有頻差增大而增大,，試解釋此現(xiàn)象。
4,、若將AMI碼或HDB3碼整流后作為數(shù)字環(huán)位同步器的輸入信號,，能否提取出位同步信號？為什么,？對這兩種碼的信息代碼中連“1”個數(shù)有無限制,？對AMI碼的信息代碼中連“0”個數(shù)有無限制,？對HDB3碼的信息代碼中連“0”個數(shù)有無限制？為什么,？
5,、試提出一種新的環(huán)路濾波器算法，使環(huán)路具有更好的抗噪能力,。
6,、試解釋本實驗使用的數(shù)字鎖相環(huán)快速捕捉機理，并與超前滯后型數(shù)字環(huán)進行比較,。

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