通信原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書：實(shí)驗(yàn)六 位同步信號提取實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)六 位同步信號提取實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆沼脭?shù)字環(huán)提取位同步信號的原理及對信息代碼的要求。掌握位同步器的同步建立時(shí)間、同步保持時(shí)間、位同步信號同步抖動等概念。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容觀察數(shù)字環(huán)的失鎖狀態(tài)、鎖定狀態(tài)。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的關(guān)系。觀察數(shù)字環(huán)位同步器的同步保持時(shí)間與固有頻差之間的關(guān)系。三、實(shí)驗(yàn)器材信號源模塊同步信號提取模塊20M雙蹤示波器 一臺頻率計(jì)（選用） 一臺四、實(shí)驗(yàn)原理電路分析位同步也稱為位定時(shí)恢復(fù)或碼元同步。在任何形式的數(shù)字通信系統(tǒng)中，位同步都是必不可少的，無論數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)還是數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)，無論相干解調(diào)還是非相干解調(diào)，都必須完成位同

2、步信號的提取，即從接收信號中設(shè)法恢復(fù)出與發(fā)端頻率相同的碼元時(shí)鐘信號，保證解調(diào)時(shí)在最佳時(shí)刻進(jìn)行抽樣判決，以消除噪聲干擾所導(dǎo)致的解調(diào)接收信號的失真，使接收端能以較低的錯(cuò)誤概率恢復(fù)出被傳輸?shù)臄?shù)字信息。因此，位同步信號的穩(wěn)定性直接影響到整個(gè)數(shù)字通信系統(tǒng)的工作性能。位同步的實(shí)現(xiàn)方法分為外同步法和自同步法兩類。由于目前的數(shù)字通信系統(tǒng)廣泛采用自同步法來實(shí)現(xiàn)位同步，故在此僅對位同步中的自同步法進(jìn)行介紹。采用自同步法實(shí)現(xiàn)位同步首先會涉及兩個(gè)問題：（1）如果數(shù)字基帶信號中確實(shí)含有位同步信息，即信號功率譜中含有位同步離散譜，就可以直接用基本鎖相環(huán)提取出位同步信號，供抽樣判決使用；（2）如果數(shù)字基帶信號功率譜中并不含

3、有位定時(shí)離散譜時(shí)，怎樣才能獲得位同步信號。數(shù)字基帶信號本身是否含有位同步信息與其碼型有密切關(guān)系。應(yīng)強(qiáng)調(diào)的是，無論數(shù)字基帶信號的碼型如何，數(shù)字已調(diào)波本身一般不含有位同步信息，因?yàn)橐颜{(diào)波的載波頻率通常要比基帶碼元速率高得多，位同步頻率分量不會落在數(shù)字已調(diào)波頻帶之內(nèi)，通常都是從判決前的基帶解調(diào)信號中提取位同步信息。二進(jìn)制基帶信號中的位同步離散譜分量是否存在，取決于二進(jìn)制基帶矩形脈沖信號的占空比。若單極性二進(jìn)制矩形脈沖信號的碼元周期為Ts，脈沖寬度為，則NRZ碼的 Ts，則NRZ碼除直流分量外不存在離散譜分量，即沒有位同步離散譜分量1/Ts；RZ碼的滿足0Ts，且通常占空比為50，此時(shí)的RZ碼含有n為

4、奇數(shù)的n/ Ts離散譜分量，無n為偶數(shù)的離散譜分量，這就是說，RZ碼含有位同步離散譜分量。顯然，為了能從解調(diào)后的基帶信號中獲取位同步信息，可以采取兩種措施：（1）如原始數(shù)字基帶碼為NRZ碼，若傳輸信道帶寬允許，可將NRZ碼變換為RZ碼后進(jìn)行解調(diào)；（2）如調(diào)制時(shí)基帶碼采用NRZ碼，就必須在接收端對解調(diào)出的基帶信號進(jìn)行碼變換，即將NRZ碼變換成RZ碼，碼變換過程實(shí)質(zhì)上是信號的非線性變換過程，最后再用鎖相環(huán)（通常為數(shù)字鎖相環(huán)）提取出位同步信號離散譜分量。將NRZ碼變?yōu)镽Z碼的最簡單的辦法是對解調(diào)出的基帶NRZ碼進(jìn)行微分、整流，即可得到歸零窄脈沖碼序列。下面簡單介紹一下數(shù)字鎖相環(huán)的組成原理。數(shù)字鎖相環(huán)

5、的主要特點(diǎn)是鑒相信號為數(shù)字信號，鑒相輸出也是數(shù)字信號，即環(huán)路誤差電壓是量化的，沒有模擬環(huán)路濾波器。由于數(shù)字鎖相環(huán)的輸入是經(jīng)過微分和全波整流后的信號，故這種數(shù)字環(huán)也稱為微分整流型數(shù)字鎖相環(huán)，其原理框圖如圖6-1所示。該電路由碼型變換器、鑒相器、控制調(diào)節(jié)器組成，各部分的作用如下：x圖6-1 微分整流型數(shù)字鎖相環(huán)組成原理框圖碼型變換器完成解調(diào)出的基帶NRZ碼到RZ碼的變換，使鑒相輸入信號X含有位同步離散譜分量。鑒相器用于檢測信號X與輸出位同步信號（分頻輸出D）相位間的超前、滯后關(guān)系，并以量化形式提供表示實(shí)時(shí)相位誤差的超前脈沖F和滯后脈沖G，供控制調(diào)節(jié)器使用。當(dāng)分頻輸出位同步信號D相位超前與信號X時(shí)，

6、鑒相器輸出超前脈沖F（低電平有效）；反之，則輸出滯后脈沖G（高電平有效），二者均為窄脈沖?？刂普{(diào)節(jié)器的作用是根據(jù)鑒相器輸出的誤差指示脈沖，在信號D與信號X沒有達(dá)到同頻與同相時(shí)調(diào)節(jié)信號D的相位。高穩(wěn)定晶振源輸出180相位差、重復(fù)頻率為nf0的A、B兩路窄脈沖序列作為控制調(diào)節(jié)器的輸入，經(jīng)n分頻后輸出重復(fù)頻率為f0的被調(diào)位同步信號D，它與信號X在鑒相器中比相。因超前脈沖F低電平有效并作用于扣除門（與門），平時(shí)扣除門總是讓脈沖序列A通過，故扣除門為常開門，又因滯后脈沖G高電平有效并作用于附加門（與門），平時(shí)附加門總是對序列B關(guān)閉的，故附加門為常閉門。當(dāng)信號D的相位超前與信號X的相位時(shí)，鑒相器輸出窄的低

7、電平超前脈沖F，扣除門（與門）將從脈沖序列A中扣除一個(gè)窄脈沖，則n分頻器輸出信號D的相位就推遲了Ts /n（相移360/n），信號D的瞬時(shí)頻率也被調(diào)低；當(dāng)信號D的相位滯后于信號X的相位時(shí)，鑒相器輸出窄的高電平滯后脈沖G，附加門（與門）此時(shí)打開讓脈沖序列B（與脈沖序列A保持180固定相差）中的一個(gè)脈沖通過，經(jīng)或門插進(jìn)來自扣除門輸出的脈沖序列A中，則分頻器輸入多插入的這個(gè)脈沖使n分頻器輸出信號的D相位提前了Ts /n（相移360/n），信號D的瞬時(shí)頻率則被提高。由此可見，環(huán)路對信號D相位和頻率的控制調(diào)節(jié)是通過對n分頻器輸入脈沖序列步進(jìn)式加、減脈沖實(shí)現(xiàn)的，經(jīng)環(huán)路的這種反復(fù)調(diào)節(jié)，最終可達(dá)到相位鎖定，從

8、而提取出位同步信號。性能指標(biāo)位同步系統(tǒng)的性能通常是用相位誤差、建立時(shí)間、保持時(shí)間等指標(biāo)來衡量。數(shù)字鎖相法位同步系統(tǒng)的性能如下。相位誤差e數(shù)字鎖相法提取位同步信號時(shí)，相位誤差主要是由于位同步脈沖的相位在跳變地調(diào)整所引起的。因?yàn)槊空{(diào)整一步，相位改變2/n（n是分頻器地分頻次數(shù)），故最大的相位誤差為2/n。用這個(gè)最大的相位誤差來表示，可得 （61）上面已經(jīng)求得數(shù)字鎖相法位同步的相位誤差有時(shí)不用相位差而用時(shí)間差Te來表示相位誤差。因每碼元的周期為T，故得 （62）同步建立時(shí)間ts同步建立時(shí)間即為失去同步后重建同步所需的最長時(shí)間。為了求這個(gè)最長時(shí)間，令位同步脈沖的相位與輸入信號碼元的相位相差T/2秒，而

9、鎖相環(huán)每調(diào)整一步僅能移T/n秒，故所需最大的調(diào)整次數(shù)為 （63）接收隨機(jī)數(shù)字信號時(shí)，可近似認(rèn)為兩相鄰碼元中出現(xiàn)01、10、11、00的概率相等，其中，有過零點(diǎn)的情況占一半。由于數(shù)字鎖相法中是從數(shù)據(jù)過零點(diǎn)中提取作比相用的標(biāo)準(zhǔn)脈沖的，因此平均來說，每2T秒可調(diào)整一次相位，故同步建立時(shí)間為 Ts=2TN=nT（秒） （64）同步保持時(shí)間tc當(dāng)同步建立后，一旦輸入信號中斷，由于收發(fā)雙方的固有位定時(shí)重復(fù)頻率之間總存在頻差F，收端同步信號的相位就會逐漸發(fā)生漂移，時(shí)間越長，相位漂移量越大，直至漂移量達(dá)到某一準(zhǔn)許的最大值，就算失步了。設(shè)收發(fā)兩端固有的碼元周期分別為T1=1/F和T2=1/F，則 （65）式中的

10、F0為收發(fā)兩端固有碼元重復(fù)頻率的幾何平均值，且有 （66）由式（65）可得 （67）再由式（66），上式可寫為 （68）式（68）說明了當(dāng)有頻差F存在時(shí)，每經(jīng)過T0時(shí)間，收發(fā)兩端就會產(chǎn)生的時(shí)間漂移。反過來，若規(guī)定兩端容許的最大時(shí)間漂移為T0/K秒（K為一常數(shù)），需要經(jīng)過多少時(shí)間才會達(dá)到此值呢？這樣求出的時(shí)間就是同步保持時(shí)間tc。代入式（68）后，得解得 （69）若同步保持時(shí)間tc的指標(biāo)給定，也可由上式求出收發(fā)兩端振蕩器頻率穩(wěn)定度的要求為此頻率誤差是由收發(fā)兩端振蕩器造成的。若兩振蕩器的頻率穩(wěn)定度相同，則要求每個(gè)振蕩器的頻率穩(wěn)定度不能低于（610）圖6-2 位同步電路原理圖本實(shí)驗(yàn)只能從碼速率為15

11、.625KHz、10KHz、8KHz、4KHz（通過撥碼開關(guān)SW501選擇）的NRZ碼中提取出位同步信號。以碼速率為15.625KHz的NRZ碼為例，將SW501的第一位撥上后，數(shù)字鎖相環(huán)的本振頻率就被設(shè)置在15.625KHz。在圖6-2中，單片機(jī)U508（89C2051）將輸入的NRZ碼與數(shù)字鎖相環(huán)本振輸出的信號的相位進(jìn)行鑒相（比較兩個(gè)信號的上升沿），用將相位差進(jìn)行量化后得到的數(shù)值對數(shù)字鎖相環(huán)本振輸出的相位進(jìn)行調(diào)整，最后得到正確的位同步信號。五、實(shí)驗(yàn)步驟將信號源模塊、同步信號提取模塊小心地固定在主機(jī)箱中，確保電源接觸良好。插上電源線，打開主機(jī)箱右側(cè)的交流開關(guān)，再分別按下兩個(gè)模塊中的開關(guān)POW

12、ER1、POWER2，對應(yīng)的發(fā)光二極管LED001、LED002、D500、D501發(fā)光，按一下信號源模塊的復(fù)位鍵，兩個(gè)模塊均開始工作。將信號源模塊的位同步信號的頻率設(shè)置為15.625KHz（通過撥碼開關(guān)SW101、SW102進(jìn)行設(shè)置），將信號源模塊輸出的NRZ碼設(shè)置為1、0交替碼（通過撥碼開關(guān)SW103、SW104、SW105進(jìn)行設(shè)置）。將同步信號提取模塊的撥碼開關(guān)SW501的第一位撥上，即將數(shù)字鎖相環(huán)的本振頻率設(shè)置為15.625KHz，然后將信號源模塊輸出的NRZ碼從信號輸入點(diǎn)“NRZ-IN”輸入，按一下同步信號模塊上的“復(fù)位”鍵，使單片機(jī)開始工作，以信號源產(chǎn)生的位同步信號“BS”為內(nèi)觸發(fā)

13、源，用示波器雙蹤同時(shí)觀察信號輸出點(diǎn)“位同步輸出”的信號與信號源中的“BS”信號。特別注意的是，本模塊只能提取NRZ碼的位同步信號，而且當(dāng)信號源模塊中的位同步信號的頻率偏離同步信號提取模塊設(shè)置的數(shù)字鎖相環(huán)的本振頻率過遠(yuǎn)時(shí)，將無法正確提取輸入信號的位同步信號。本實(shí)驗(yàn)中數(shù)字鎖相環(huán)共有15.625KHz、10KHz、8KHz、4KHz四種本振頻率可供選擇，分別對應(yīng)撥碼開關(guān)SW501的1、2、3、4位，實(shí)驗(yàn)時(shí)請注意正確選擇。（注意當(dāng)鎖相頻率改變時(shí)，重新按下同步模塊上的“復(fù)位”鍵，位同步信號才能正確提?。┝?、輸入、輸出點(diǎn)參考說明輸入點(diǎn)參考說明NRZ-IN：NRZ碼輸入點(diǎn)。輸出點(diǎn)參考說明位同步輸出：提取的位同步信號輸出點(diǎn)。撥碼開關(guān)SW501的1、2、3、4位分別對應(yīng)數(shù)字鎖相環(huán)的15.625KHz、10KHz、8KHz、4KHz四種本振頻率。七、實(shí)驗(yàn)思考題設(shè)數(shù)字環(huán)固有頻差為f，允許同步信號相位抖動范圍為碼元寬度Ts的倍，求同步保持時(shí)間tc及允許輸入的NRZ碼的連“1”或“0”個(gè)數(shù)最大值。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。若將AMI