摘? 要: 提出一種在遙測(cè)系統(tǒng)中PCM碼同步時(shí)鐘快速恢復(fù)的新方法,，與過(guò)去使用的模擬/數(shù)字鎖相環(huán)法進(jìn)行了比較,，并以此設(shè)計(jì)出一種快速、寬帶、高精度的PCM碼時(shí)鐘的再生電路。同時(shí)給出了該電路的性能分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。?

　　關(guān)鍵詞: 遙測(cè)系統(tǒng)? PCM解調(diào)? 碼同步? 數(shù)字鎖相環(huán)?

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　　當(dāng)今世界航天、航空技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)遙測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)要求越來(lái)越高,，提出了大容量高碼速率、覆蓋面寬,、靈活性好,、通用性強(qiáng)、保密性好等一系列較高的技術(shù)指標(biāo),。在遙測(cè)系統(tǒng)中,，碼同步器的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，它不僅用于監(jiān)測(cè)輸入的PCM碼流,，而且在獲取字同步,、幀同步、副幀同步以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ),、處理的過(guò)程中為系統(tǒng)提供一個(gè)準(zhǔn)確的碼同步時(shí)鐘信號(hào),。?

1 問(wèn)題的提出?

　　本系統(tǒng)使用NRZ-L(不歸零線性碼)碼進(jìn)行傳輸，用高電平表示“1”,，用零電平表示“0”,，在碼元期間電平保持不變，由于其不要求預(yù)先編碼或做專門的處理,，所以產(chǎn)生和編碼簡(jiǎn)單,。NRZ-L碼的功率譜可以通過(guò)自相關(guān)函數(shù)求得,，兩者為傅氏變換對(duì)。?

??? px(t)S_x(f)?

??? p_x(t)——隨機(jī)碼序列的自相關(guān)函數(shù)?

??? S_x(f)——隨機(jī)碼序列的功率譜函數(shù)?

　　對(duì)于NRZ-L偽隨機(jī)碼序列(r級(jí)m序列),，其周期p=2^r-1,，根據(jù)自相關(guān)定義，在時(shí)域上將m序列與其自身延時(shí)求和,，可以推導(dǎo)出m序列的自相關(guān)函數(shù):?

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??? 由NRZ-L的功率譜可以看出,，當(dāng)f=f₀時(shí)，S_x(f)=0,，即NRZ-L隨機(jī)序列中不存在基頻——同步時(shí)鐘分量,。?

　　由此可知，NRZ-L隨機(jī)序列的頻譜中含有直流分量且隨著信號(hào)碼值變化而變化,。尤其當(dāng)信息中包含長(zhǎng)串的連“1”或連“0”時(shí),，由于信號(hào)不出現(xiàn)跳變，因而此時(shí)如何提取碼同步信號(hào)就成了碼同步設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn),。?

2 鎖相環(huán)路法及其缺陷?

　　過(guò)去的碼同步器由模擬鎖相環(huán)路來(lái)實(shí)現(xiàn),，它由鑒相器(PD)、低通濾波器(LPF),、壓控振蕩器(VCO)組成，如圖1所示,。

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　　環(huán)路得到輸入信號(hào)后,，鑒相器對(duì)輸入信號(hào)與壓控振蕩器的輸出進(jìn)行相位比較，產(chǎn)生誤差電壓,，經(jīng)低通濾波器后控制壓控振蕩器輸出的頻率及相位,，使兩個(gè)頻率的相位差減小。如果輸入信號(hào)的頻率和相位與壓控振蕩器的振蕩頻率接近,，那末由于鎖相環(huán)路的反饋特性將使壓控振蕩器的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)保持同步,，即“鎖定”。此時(shí)頻率差為零,，相位差為一固定的常數(shù),。但是由于PD、LPF,、VCO都是模擬電路,，在電路的可靠性、穩(wěn)定性和集成度方面都有其不可克服的缺陷,，尤其當(dāng)輸入信號(hào)的頻率改變時(shí),，模擬電路適應(yīng)性較弱，電路將不得不改變?cè)S多參數(shù),。而數(shù)字電路由于只存在導(dǎo)通,、截止兩種狀態(tài),，因此誤操作的可能性很小，不存在VCO的非線性和鑒相器的零點(diǎn)漂移等問(wèn)題,。目前廣泛使用超前/滯后式數(shù)字鎖相環(huán)路來(lái)恢復(fù)碼同步時(shí)鐘,，如圖2所示。?

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　　鎖相環(huán)路工作時(shí),，輸入信號(hào)經(jīng)微分器提取出邊沿,，與碼同步信號(hào)二元鑒相，產(chǎn)生超前或滯后信號(hào),。此信號(hào)經(jīng)一個(gè)低通濾波器去控制數(shù)控振蕩器產(chǎn)生超前或滯后脈沖,，調(diào)整相位，完成鎖定過(guò)程,。與模擬鎖相環(huán)路法的同步相比,，數(shù)字鎖相環(huán)路法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),。?

　　通過(guò)上述介紹,，可以發(fā)現(xiàn)上述鎖相環(huán)路法(模擬/數(shù)字)存在著以下問(wèn)題:?

　　(1)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。即使是數(shù)字鎖相環(huán)路法,，也需要近100個(gè)觸發(fā)器,，比較耗費(fèi)資源。?

　　(2)同步建立時(shí)間與精度互為矛盾,。鎖相環(huán)路是一個(gè)反饋結(jié)構(gòu),，這種反饋結(jié)構(gòu)使它的同步建立時(shí)間和調(diào)整精度變成了一對(duì)矛盾。以數(shù)字鎖相環(huán)路法為例,，鑒相器PD輸出的超前/滯后脈沖,，如果輸出脈沖步長(zhǎng)較小，所需鎖定時(shí)間較長(zhǎng),，且失步后,，重新鎖定的時(shí)間也較長(zhǎng)，丟失的數(shù)據(jù)較多;步長(zhǎng)加大可以減少鎖定所需時(shí)間,，但同時(shí)鎖定精度下降,，產(chǎn)生矛盾。通常采用變階的方法縮短同步建立時(shí)間并保持高精度,，但同時(shí)產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問(wèn)題,。?

　　(3)帶寬較窄。如果出現(xiàn)信號(hào)由于傳輸或器件發(fā)生漂移引起頻率偏差較大的情況,，鎖相環(huán)碼同步法將無(wú)能為力,。?

3 1bit同步器的設(shè)計(jì)原理?

　　針對(duì)以上問(wèn)題，本文介紹一種新型的全數(shù)字PCM碼同步器，其特點(diǎn)是適應(yīng)性好,，頻率跟蹤快,。整個(gè)系統(tǒng)由一個(gè)可編程數(shù)字濾波器、一個(gè)雙邊沿提取器,、一個(gè)數(shù)字預(yù)測(cè)器和一個(gè)合成器組成,，如圖3所示。?

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???? 由于輸入信號(hào)不可避免地存在著各種干擾,，這些干擾脈沖將影響碼同步脈沖和PCM數(shù)據(jù)的提取,，由此在輸入端加一個(gè)可編程數(shù)字濾波器。該濾波器可根據(jù)具體碼寬調(diào)整濾波寬度,，其原理為:設(shè)pcm_in為濾波前的輸入,，pcm_out為濾波后的輸出，濾波寬度l_s=T₀×m,，T₀為高精度時(shí)鐘clk的周期,，輸出為:?

　　?

　　pcm_in[n]為當(dāng)前的輸入，pcm_out[n]為當(dāng)前的輸出,，pcm_out[n-1]為1個(gè)時(shí)鐘前的輸出,，輸入信號(hào)經(jīng)m個(gè)時(shí)鐘濾波后輸出，其仿真結(jié)果見(jiàn)圖4,。?

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　　雙邊沿提取器的作用是在輸入信號(hào)的跳變碼元的上升沿或下降沿處產(chǎn)生邊沿脈沖,，是輸入信號(hào)頻率及相位的真實(shí)反映，可有效校準(zhǔn)碼同步器鎖定的精度,。在同步過(guò)程中,，當(dāng)輸入的碼值發(fā)生變化時(shí)，將在邊沿產(chǎn)生一個(gè)躍變,，此時(shí)雙邊沿提取器將產(chǎn)生邊沿脈沖信號(hào)edge，同時(shí)控制預(yù)測(cè)器使其復(fù)位,，禁止預(yù)測(cè)輸出;當(dāng)輸入的碼值為連“1”或連“0”時(shí),，無(wú)邊沿變化，邊沿提取器停止工作,，無(wú)edge輸出,，此時(shí)預(yù)測(cè)器開始工作，產(chǎn)生預(yù)測(cè)的本地碼同步信號(hào)pred,，pred由clk分頻獲得,，并由edge對(duì)齊相位。邊沿提取器與預(yù)測(cè)器輸出的信號(hào)經(jīng)合成器合成輸出,，二者協(xié)同完成碼時(shí)鐘信號(hào)的恢復(fù),。為了提高數(shù)據(jù)提取的準(zhǔn)確性，解決pred與輸入信號(hào)頻率誤差造成的相位移動(dòng)，將碼同步向后移位180°,。電路中各點(diǎn)波形見(jiàn)圖5,。?

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4 性能分析?

　　假設(shè)輸入的NRZ-L隨機(jī)序列的碼速率為f_in，本地通過(guò)預(yù)測(cè)器產(chǎn)生的預(yù)測(cè)碼速率為f_lo,，輸入的NRZ-L隨機(jī)碼序列中的每個(gè)碼字的寬度為T_o,，隨機(jī)碼序列的最大游程為K(K表示隨機(jī)碼序列中連“0”或連“1”的最大個(gè)數(shù))，可以得到如下結(jié)論:?

　　(1)頻差的影響,。由上述分析可知,，當(dāng)產(chǎn)生頻差時(shí)，f_lo≠f_in,。如果輸入的隨機(jī)序列是由交替變化的“0”和“1”組成,，則雙邊沿提取所產(chǎn)生的邊沿脈沖將有效地校正頻差;如果輸入K個(gè)連續(xù)的“0”或“1”時(shí)，由180°碼同步的相位只能偏移±180°,，所以只要滿足式就可以保證有正確的碼同步信號(hào)輸出,，并能提取到正確的數(shù)據(jù)。?

　　(2)同步建立時(shí)間t_s,。只要輸入的碼序列速率與預(yù)測(cè)器的中心頻率之差在上式所示的頻差范圍內(nèi),，當(dāng)出現(xiàn)第一個(gè)跳變的碼字時(shí)，該碼同步器就會(huì)輸出正確的碼同步信號(hào),。這是因?yàn)樗且环N開環(huán)結(jié)構(gòu)的緣故,。?

　　(3)如果信號(hào)中斷，碼同步器輸出的是本地時(shí)鐘經(jīng)預(yù)測(cè)器產(chǎn)生的碼同步信號(hào)f=f_lo,。

??? (4)同步帶寬Δf_s,。由上面的算法可知，它的同步帶寬與輸入的隨機(jī)碼的游程有關(guān),，即:|Δf_s|=f_lo/2K,。

??? 通過(guò)與數(shù)字鎖相環(huán)法比較，可以知道:?

　　·當(dāng)輸入信號(hào)的頻率偏差較大時(shí),，雙邊沿提取器可以實(shí)時(shí)地對(duì)預(yù)測(cè)器輸出的碼同步信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn),，在滿足同步帶寬的情況下仍可保持同步。?

　　·在數(shù)字鎖相環(huán)中,，需要捕獲過(guò)程以消除頻差,。同步建立時(shí)間是指在最大相差的情況下，建立同步所需要的時(shí)間,。t_s=nT_c,，T_c是一個(gè)碼元周期，n是分頻比,。而在本算法下,，捕獲與同步可以在每一個(gè)跳變的碼元處完成,。?

　　以上算法已成功在FPGA上實(shí)現(xiàn)并已在實(shí)際系統(tǒng)獲得應(yīng)用，共使用了61個(gè)邏輯單元,，而其中碼同步器的核心電路只占用了26個(gè)邏輯單元,，大大節(jié)省了資源。在MAX+PLUS II中的仿真結(jié)果如圖5所示:?

　　圖5中的clk是本地的高精度時(shí)鐘,，clk決定f_lo的準(zhǔn)確度和l_s的最小單位,。pcm_out是可編程數(shù)字濾波器輸出的隨機(jī)碼序列，edge是邊沿提取器輸出的邊沿脈沖信號(hào),，pred是預(yù)測(cè)器的輸出的預(yù)測(cè)脈沖信號(hào),，add是最后綜合輸出的碼同步脈沖信號(hào)，180是經(jīng)過(guò)180°移相的碼同步信號(hào),。?

　　本系統(tǒng)經(jīng)測(cè)試及實(shí)際使用證明性能理想:對(duì)NRZ-L碼,，連續(xù)250個(gè)碼元中只需一個(gè)碼元的跳變，系統(tǒng)就可以維持同步;失鎖后可在第一個(gè)跳變碼元處立即重新同步(測(cè)試條件:SNR>10dB,，轉(zhuǎn)換沿密度50%,，無(wú)抖動(dòng)，無(wú)調(diào)幅,，無(wú)基線波動(dòng),，可編程碼速率與輸入信號(hào)頻率差<碼速率的0.2%)。?

參考文獻(xiàn)?

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