数字锁相法提取位同步信号设计课程设计报告

1湖南文理学院课程设计报告课程名称：专业综合课程设计系部：电气与信息工程学院专业班级：通信工程07101学生姓名：指导教师：完成时间：2010-6-29报告成绩：评阅意见：评阅教师日期2数字锁相法提取位同步信号设计报告数字锁相法提取位同步信号设计一、设计要求在任何形式的数字通信系统中，位同步都是必不可少的，无论数字基带传输系统还是数字频带传输系统，无论相干解调还是非相干解调，都必须完成位同步信号的提取，因此，位同步信号的稳定性直接影响到整个数字通信系统的工作性能。根据通信原理所学理论，设计用平方环法从2DPSK信号中提取载波同步信号，并注意相位模糊现象，给出电路结构框图，并完成电路设计、仿真与调试。熟练地运用通信理论，进行数字基带信号、数字信号频带传输系统、PCM通信系统和同步系统的设计，并进行通信系统建模。二、设计作用目的（1）巩固加深载波恢复的认识，提高综合运用通信原理等知识的能力；（2）培养学生查阅参考文献，独立思考、设计、钻研电子技术相关问题的能力；（3）通过实际制作安装电子线路，学会单元电路以及整机电路的调试与分析方法；（4）掌握相关电子线路工程技术规范以及常规电子元器件的性能技术指标；（5）了解电气图国家标准以及电气制图国家标准，并利用电子CAD正确绘制电路图；（6）培养严肃认真的工作作风与科学态度，建立严谨的工程技术观念；（7）培养工程实践能力、创新能力和综合设计能力。三、所用仪器设备计算机Matlab操作平台四、设计原理4.1电路分析位同步也称为位定时恢复或码元同步。在任何形式的数字通信系统中，位同步都是必不可少的，无论数字基带传输系统还是数字频带传输系统，无论相干解调还是非相干解调，都必须完成位同步信号的提取，即从接收信号中设法恢复出与发端频率相同的码3元时钟信号，保证解调时在最佳时刻进行抽样判决，以消除噪声干扰所导致的解调接收信号的失真，使接收端能以较低的错误概率恢复出被传输的数字信息。因此，位同步信号的稳定性直接影响到整个数字通信系统的工作性能。位同步的实现方法分为外同步法和自同步法两类。由于目前的数字通信系统广泛采用自同步法来实现位同步，故在此仅对位同步中的自同步法进行介绍。采用自同步法实现位同步首先会涉及两个问题：（1）如果数字基带信号中确实含有位同步信息，即信号功率谱中含有位同步离散谱，就可以直接用基本锁相环提取出位同步信号，供抽样判决使用；（2）如果数字基带信号功率谱中并不含有位定时离散谱，怎样才能获得位同步信号。数字基带信号本身是否含有位同步信息与其码型有密切关系。应强调的是，无论数字基带信号的码型如何，数字已调波本身一般不含有位同步信息，因为已调波的载波频率通常要比基带码元速率高得多，位同步频率分量不会落在数字已调波频带之内，通常都是从判决前的基带解调信号中提取位同步信息。二进制基带信号中的位同步离散谱分量是否存在，取决于二进制基带矩形脉冲信号的占空比。若单极性二进制矩形脉冲信号的码元周期为Ts，脉冲宽度为τ，则NRZ码的τ＝Ts，则NRZ码除直流分量外不存在离散谱分量，即没有位同步离散谱分量1/Ts；RZ码的τ满足0τTs，且τ通常占空比为50％，此时的RZ码含有n为奇数的n/Ts离散谱分量，无n为偶数的离散谱分量，这就是说，RZ码含有位同步离散谱分量。显然，为了能从解调后的基带信号中获取位同步信息，可以采取两种措施：（1）如原始数字基带码为NRZ码，若传输信道带宽允许，可将NRZ码变换为RZ码后进行解调；（2）如调制时基带码采用NRZ码，就必须在接收端对解调出的基带信号进行码变换，即将NRZ码变换成RZ码，码变换过程实质上是信号的非线性变换过程，最后再用锁相环（通常为数字锁相环）提取出位同步信号离散谱分量。将NRZ码变为RZ码的最简单的办法是对解调出的基带NRZ码进行微分、整流，即可得到归零窄脉冲码序列。4图1数字锁相环组成原理框图下面简单介绍一下数字锁相环的组成原理。数字锁相环的主要特点是鉴相信号为数字信号，鉴相输出也是数字信号，即环路误差电压是量化的，没有模拟环路滤波器。由于数字锁相环的输入是经过微分和全波整流后的信号，故这种数字锁相环也称为微分整流型数字锁相环，其原理框图如图1所示。该电路由码型变换器、鉴相器、控制调节器组成，各部分的作用如下：1码型变换器完成解调出的基带NRZ码到RZ码的变换，使鉴相输入信号X含有位同步离散谱分量。2鉴相器用于检测信号X与输出位同步信号（分频输出D）相位间的超前、滞后关系，并以量化形式提供表示实时相位误差的超前脉冲F和滞后脉冲G，供控制调节器使用。当分频输出位同步信号D相位超前与信号X时，鉴相器输出超前脉冲F（低电平有效）；反之，则输出滞后脉冲G（高电平有效），二者均为窄脉冲。3控制调节器的作用是根据鉴相器输出的误差指示脉冲，在信号D与信号X没有达到同频与同相时调节信号D的相位。高稳定晶振源输出180°相位差、重复频率为nf0的A、B两路窄脉冲序列作为控制调节器的输入，经n分频后输出重复频率为f0的被调位同步信号D，它与信号X在鉴相器中比相。因超前脉冲F低电平有效并作用于扣除门（与门），平时扣除门总是让脉冲序列A通过，故扣除门为常开门，又因滞后脉冲G高电平有效并x微分整流NRZ码单稳4单稳5单稳1单稳2单稳3与门a与门b晶振整形或门扣除门分频器附加门码型变换器鉴相器控制调节器位同步信号常闭门常开门CBADFGH（RZ码）Ynf05作用于附加门（与门），平时附加门总是对序列B关闭的，故附加门为常闭门。当信号D的相位超前与信号X的相位时，鉴相器输出窄的低电平超前脉冲F，扣除门（与门）将从脉冲序列A中扣除一个窄脉冲，则n分频器输出信号D的相位就推迟了Ts/n（相移360°/n），信号D的瞬时频率也被调低；当信号D的相位滞后于信号X的相位时，鉴相器输出窄的高电平滞后脉冲G，附加门（与门）此时打开让脉冲序列B（与脉冲序列A保持180°固定相差）中的一个脉冲通过，经或门插进来自扣除门输出的脉冲序列A中，则分频器输入多插入的这个脉冲使n分频器输出信号的D相位提前了Ts/n（相移360°/n），信号D的瞬时频率则被提高。由此可见，环路对信号D相位和频率的控制调节是通过对n分频器输入脉冲序列步进式加、减脉冲实现的，经环路的这种反复调节，最终可达到相位锁定，从而提取出位同步信号。4.2性能指标位同步系统的性能通常是用相位误差、建立时间、保持时间等指标来衡量。数字锁相法位同步系统的性能如下。a)相位误差θe数字锁相法提取位同步信号时，相位误差主要是由于位同步脉冲的相位在跳变地调整所引起的。因为每调整一步，相位改变2π/n（n是分频器地分频次数），故最大的相位误差为2π/n。用这个最大的相位误差来表示e，可得360/en（1）上面已经求得数字锁相法位同步的相位误差e有时不用相位差而用时间差Te来表示相位误差。因每码元的周期为T，故得/eTTn（2）b)同步建立时间ts同步建立时间即为失去同步后重建同步所需的最长时间。为了求这个最长时间，令位同步脉冲的相位与输入信号码元的相位相差T/2秒，而锁相环每调整一步仅能移T/n秒，故所需最大的调整次数为2/2/nnTTN（3）接收随机数字信号时，可近似认为两相邻码元中出现01、10、11、00的概率相等，其中，有过零点的情况占一半。由于数字锁相法中是从数据过零点中提取作比相用的标准脉冲的，因此平均来说，每2T秒可调整一次相位，故同步建立时间为6Ts=2T·N=nT（秒）（4）c)同步保持时间tc当同步建立后，一旦输入信号中断，由于收发双方的固有位定时重复频率之间总存在频差ΔF，收端同步信号的相位就会逐渐发生漂移，时间越长，相位漂移量越大，直至漂移量达到某一准许的最大值，就算失步了。设收发两端固有的码元周期分别为T1=1/F和T2=1/F，则202112212111FFFFFFFFTT（5）式中的F0为收发两端固有码元重复频率的几何平均值，且有00/1FT（6）由式（5）可得FFTTF0210（7）再由式（6），上式可写为FFTTT0021（8）式（8）说明了当有频差ΔF存在时，每经过T0时间，收发两端就会产生12||TT的时间漂移。反过来，若规定两端容许的最大时间漂移为T0/K秒（K为一常数），需要经过多少时间才会达到此值呢？这样求出的时间就是同步保持时间tc。代入式（8）后，得FFtKTc00/解得FKtc1（9）若同步保持时间tc的指标给定，也可由上式求出收发两端振荡器频率稳定度的要求为1cFtK此频率误差是由收发两端振荡器造成的。若两振荡器的频率稳定度相同，则要求每个振荡器的频率稳定度不能低于7FKtFFc00212（10）123456ABCD654321DCBARST1P3.02P3.03XTAL24XTAL15P326P337P348P359GND10P3711P1012P1113P1214P1315P1416P1517P1618P1719VCC20U50889C2051VCCXTALRSTNRZ-IN12345678SW501SW-DIP4I/OS502BNI/OS503BNTP502TPTP503TP位同步输出图2位同步电路原理图只能从码速率为15.625KHz、10KHz、8KHz、4KHz（通过拨码开关SW501选择）的NRZ码中提取出位同步信号。以码速率为15.625KHz的NRZ码为例，将SW501的第一位拨上后，数字锁相环的本振频率就被设置在15.625KHz。在图2中，单片机U508（89C2051）将输入的NRZ码与数字锁相环本振输出的信号的相位进行鉴相（比较两个信号的上升沿），用将相位差进行量化后得到的数值对数字锁相环本振输出的相位进行调整，最后得到正确的位同步信号。4.3、位同步相关知识的简单介绍数字通信中，除了有载波同步的问题外，还有位同步的问题。因为信息是一串相继的信号码元的序列，解调时常需知道每个码元的起止时刻。因此，接收端必须产生一个用作抽样判决的定时脉冲序列，它和接收码元的终止时刻应对齐。我们把在接收端产生与接收码元的重复频率和相位一致的定时脉冲序列的过程称为码元同步或位同步，而称这个定时脉冲序列为码元同步脉冲或位同步脉冲。要使数字通信设备正常工作，离不开正确的位同步信号。如果位同步脉冲发生严重抖动或缺位，则使数字通信产生误码；严重时使通信造成中断。影响位同步恢复的主要原因：输入位同步电路的信号质量；信号的编码方式——码元中存在长连“0”或长连“1”。位同步的主要技术指标有静态相差；相位抖动；同步建立时间和同步保持时间。数字通信中位同步恢复的方法主要有两种，一种是发端专门发送导频信号，而另一种是直接从数字信号中提取位同步信号。而直接从数字信号中提取位同步信号也有不止一种方8法：滤波法，锁相法两种方法。本课程设计采用的就是用数字锁相环提取位同步信号的方法，这种方法又称为数字锁相。数字锁电路原理图数字锁相原理方框图其工作过程如下：（1）压控振荡器的输出Uo经过采集并分频；（2）输出和基准信号同时输入鉴相器；（3）鉴相器通过比较上述两个信号的频率差，然后输出一个直流脉冲电压Ud；（4）Ud进入到滤波器里面，滤除高频成分后得到信息Ue；（5）Ue进入到压控震荡器VCO里面，控制频率随输入电压线性地变化；（6）这样经过一个很短的时间，VCO的输出就会稳定于某一期望PDLFVCOUiUdUcUo9五、具体设计用于提取位同步信号的数字环有超前滞后型数字环和触发器型数字环，系统中的位同步提取模块用的是触发器型数字环，它具有捕捉时间短、抗噪能力强等特点。位同步模块原理框图如图3所示。BS-OUTBSNcuiudNdP1.7uo晶振数控振荡器数字环路滤波器控制器鉴相器量化器脉冲展宽S-IN图3位同步器方框图位同步模块有以下测试点及输入输出点：S-IN基带信号输入点/测试点（2个）BS-OUT位同步信号输出点/测试点（3个）图3中各单元与电路板上元器件的对应关系如下：晶振CRY3：晶体；U39：7404控制器U48：或门743