1、实验五：数字锁相环与位同步一、 实验目的1. 掌握数字锁相环工作原理以及触发式数字锁相环的快速捕获原理。2. 掌握用数字环提取位同步信号的原理及对信息代码的要求。3. 掌握位同步器的同步建立时间、同步保持时间、位同步信号同步抖动等概念。二、 实验内容1. 观察数字环的失锁状态、锁定状态。2. 观察数字环锁定状态下位同步信号的相位抖动现象及相位抖动大小与固有频差、信息代码的关系。3. 观察数字环位同步器的同步保持时间与固有频差之间的关系。三、 基本原理可用窄带带通滤波器，锁相环来提取位同步信号。实验一中用模数混合锁相环（电荷泵锁相环）提取位同步信号，它要求输入信号是一个准周期数字信号。实验三中的
2、模拟环也可以提取位同步信号，它要求输入准周期正弦信号。本实验使用数字锁相环提取位同步信号，它不要求输入信号一定是周期信号或准周期信号，其工作频率低于模数环和模拟环。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，此实验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 5-1 所示，电原理图如图 5-2 所示（见附录）。其内部仅使用+5V 电压。位同步器由控制器、数字锁相环及脉冲展宽器组成，数字锁相环包括数字鉴相器、量化器、数字环路滤波器、数控振荡器等单元。下面介绍位同步器的工作原理。数字锁相环是一个单片机系统，主要器件是单片机
3、 89C51 及可编程计数器8254。环路中使用了两片 8254，共六个计数器，分别表示为8254A0、8254A1、8254A2、8254B0 、8254B1 、8254B2。它们分别工作在 M0、M1、M2 三种工作模式。M0 为计数中断方式， M1 为单稳方式，M2 为分频方式。除地址线、数据线外，每个 8254 芯片还有时钟输入端 C、门控信号输入端 G 和输出端 O。数字鉴相器电原理图及波形图如图 5-3（a）、图 5-3（b）所示。输出信号宽度正比于信号 ui 及 uo 上升沿之间的相位差，最大值为 ui 的码元宽度。称此鉴相器为触发器型鉴相器，称包含有触发器型鉴相器的数字环路为触
4、发器型数字锁相环。Ec ui (b) 波 形(a) 电 路 uduouduoQDRDRcp DcpEc uiQ图 5-3 数字鉴相器量化器把相位误差变为多进制数字信号，它由工作于 M0 方式、计数常数为N0 的 8254 B2 完成（N0 为量化级数，此处 N0=52）。ud 作为 8254B2 的门控信号，ud 为高电平时 8254B2 进行减计数， ud 为低电平时禁止计数，计数结束后从 8254B2 读得的数字为Nd= N0-Nd 式中 Nd 为 ud 脉冲宽度的量化值（下面用量化值表示脉冲宽度和时间间隔），N0Nd，读数结束后再给 8254B2 写入计数常数 N0。读数时刻由8254A
5、2 控制，它工作在 M1 模式，计数常数为 N0，ui 作为门控信号。一个ui 脉冲使 8254A2 产生一个宽度为 N0 的负脉冲，倒相后变为正脉冲送到89C51 的 端，而 89C51 的外中断 1 被设置为负跳变中断申请方式。由于8254A2 产生的脉冲宽度不小于 ud 脉冲宽度且它们的前沿处于同一时刻，所以可以确保中断申请后对 8254B2 读数时它已停止计数。数字环路滤波器由软件完成。可采用许多种软件算法，一种简单有效的方法是对一组 N0 作平均处理。设无噪声时环路锁定后 ui 与 uo 的相位差为N0/2，则在噪声的作用下，锁定时的相位误差可能大于 N0/2 也可能小于N0/2。这
6、两种情况出现的概率相同，所以平均处理可以减小噪声的影响，m个 Nd 值的平均值为（5-2 ）ididN1数字滤波器的输出为Nc = No / 2 + Nd (5-3）数控振荡器由四个 8254 计数器及一些门电路构成，其原理框图如图 5-4 所示，图中已注明了各个计数器的工作方式和计数常数。以下分析环路的锁定状态及捕捉过程，此时不考虑噪声的影响。uoG4 Nc-2u4Cu5Nc-2CNoGOGO8254B0M 1 Nc-28254A1M 2 NoG2G3Nou3 P1.4Gu2OC8254A0M1 NoG1 NoCGO8254B1M 2 Nc-3 u6+G6G5u1图 5-4 数控振荡器环路开
7、始工作时，软件使 8254B0 和 8254B1 输出高电平，从而使8254A1 处于计数工作状态、 8254B1 处于停止计数状态，G6 处于开启状态，8254A1 输出一个周期为 N0 的周期信号。若环路处于锁定状态，则 Nd=N0/2，由式（ 5-1）及式（5-2）得 Nd=N0/2。此时 89c51 的 P1.4 口不输出触发脉冲，8254A0 输出端仍保持初始化时的高电平，从而使 8254B0 的门控端 G 保持低电平、输出端 O 保持高电平。这样可保持 8254A1、8254B1的工作状态不变、环路仍处于锁定状态。若环路失锁，则 Nd N0/2，NdN0/2，P1.4 口输出一个正
8、脉冲 u2，在 u2 作用下，8254A0输出一个宽度为 N0 的负脉冲，倒相后变为正脉冲 u3 送给与门 G2。G2 的另一个输入信号 u1 来自 8254A1。在 G1 输出的宽度为 N 0 的正脉冲持续时间内，8254A1 一定有（也只有）一个负脉冲信号输入，此负脉冲经 G4 倒相后与 G1 输出的正脉冲相与后给 8254B0 的 G 端送一个触发信号 u4。在 u4 的作用下，8254B0 输出一个宽度为 N0-2 的负脉冲。在这段时间内，8254A1停止计数工作，8254B1 进行减计数且在此时间内的最后一个时钟周期输出一个负脉冲。8254B0 输出的负脉冲的后沿重新启动 8254A
9、1，使它重新作N0 分频。设 m=1，上述过程的有关波形如图 5-5 所示，图中 u O 为环路锁定状态下数控振荡器的输出信号。由图 5-5 可见，不管失锁时相位误差多少（不会大于 N0），只要对数控振荡器作一次调整，就可使环路进入锁定状态，从而实现快速捕捉。程序流程如图 5-6 所示，输入信号 ui 使 IE1 置“1”，且使 8254B2 计数，对 IE1 进行位操作时又使之置“0”。由于量化误差，故当 Nd 为N02，N0/21 或 N0/21 时，环路皆处于锁定状态，不对数控振荡器进行调整。程序中令 m=16，进行 16 次鉴相后做一次平均运算，若发现环路失锁，则对数控振荡器进行一次调
10、整。控制器的作用是保证每次对 8254B2 进行读操作之前鉴相器只输出一个正脉冲，它由或门 7432（ U5:B）及 16 分频器 74190（U13 ）组成。图 5-5 捕获过程波形当数字环输入信号的码速率与数控振荡器的固有频率完全相同时，环路锁定后输入信号与反馈信号（即位同步信号）的相位关系是固定的且符合抽样判决器的要求（当然开环时它们的相位误差也是固定的，但不符合抽样判决器的要求）。输入信号码速率决定于发送端的时钟频率，数控振荡器固有频率决定于位同步器的时钟频率和数控振荡器固有分频比。由于时钟信号频率稳定度是有限的，故这两个时钟信号的频率不可能完全相同，因此锁相环输入信号码速率与数控振荡
11、器固有频率不可能完全相等（即环路固有频差不为 0）。数字环位同步器是一个离散同步器，只有当输入信号的电平发生跳变时才可能对输入信号的相位和反馈信号的相位进行比较从而调整反馈信号的相位，在两次相位调整的时间间隔内，反馈信号的相位相对于输入信号的相位是变化的，即数字环位同步器提取的位同步信号的相位是抖动的，即使输入信号无噪声也是如此。IE1=1?LOPLOPLOPLOP1是是是 否否否开 始置 8254B2工 作 方 式 ,计 数 常 数 ,P1.7=0累 加 运 算 P1.7=1读 8254B2m=16,IE1=0 求 平 均 值 Nd初 始 化读 数 大 于 N0?累 加 了 m次 ?do/?
12、21NNcod2置 8254B0和 8254B1工 作 方 式 ,计 数 常 数P1.4口 输 出 一 个 正 脉 冲是否图 5-6 锁相环程序流程显然，收发时钟频率稳定度越高，数字环的固有频差就越小，提取的位同步信号的相位抖动范围越小。反之，对同步信号的相位抖动要求越严格，则收发时钟的频率稳定度也应越高。位同步信号抖动范围还与数字位同步器输入信号的连“1”或“0”个数有关，连“1”或“0 ”个数越多，两次相位调整之间的时间间隔越长，位同步信号的相位抖动越大。对于 NRZ 码来说，允许其连“1”、连“0”的个数决定于数字环的同步保持时间 tc。tc 与收发时钟频率稳定度 、码速率 RB、允许的
13、同步误差最大值 的关系为：tC =/（2RB）tC 的定义是：位同步器输入信号断开后，收发位同步信号相位误差不超过 的时间。关于数字环位同步器的工作原理，可参考文献3、4 、5。用模拟环位同步器或模数环位同步器提取的位同步信号的相位抖动与固有频差无关，但随信息码连“1”、连“0”的个数增多而增大。四、 实验步骤本实验使用数字信源单元和位同步单元。1、熟悉位同步单元工作原理。将数字信源单元的 NRZ-OUT 连接到位同步单元的 S-IN 点，接通实验箱电源。调整信源模块的 K1、K2 、K3 开关，使NRZ-OUT 的连“0”和连“1”个数较少。2、观察数字环的锁定状态和失锁状态。将示波器的两个
14、探头分别接数字信源单元的 NRZ-OUT 和位同步单元的 BS-OUT，调节位同步单元上的可变电容 C2，观察数字环的锁定状态和失锁状态。锁定时 BS-OUT 信号上升沿位于 NRZ-OUT 信号的码元中间且在很小范围内抖动；失锁时，BS-OUT 的相位抖动很大，可能超出一个码元宽度范围，变得模糊混乱。3、观察位同步信号抖动范围与位同步器输入信号连“1”或连“0”个数的关系。调节可变电容使环路锁定且 BS-OUT 信号相位抖动范围最小（即固有频差最小），增大 NRZ-OUT 信号的连“0”或连“1”个数，观察 BS-OUT 信号的相位抖动变化情况。4、观察位同步器的快速捕捉现象、位同步信号相位
15、抖动大小及同步保持时间与环路固有频差的关系。先使 BS-OUT 信号的相位抖动最小，按一下复位键，观察 NRZ-OUT 与BS-OUT 信号的之间的相位关系变化快慢情况，再按一下复位键，观察快速捕捉现象（位同步信号 BS-OUT 的相位一步调整到位）。再微调位同步单元上的可变电容（即增大固有频差）当 BS-OUT 相位抖动增大时按一下复位键，观察NRZ-OUT 信号与 BS-OUT 信号的相位关变化快慢情况并与固有频差最小时进行定性比较。五、 实验报告要求1、数字环位同步器输入 NRZ 码连“1”或连“0”个数增加时，提取的位同步信号相位抖动增大，试解释此现象。答：输入 NRZ 码连“1”或连
16、“0”个数增加时，鉴相器输出脉冲的平均周期增大，数字环路滤波器输出的控制信号平均周期增大，即需要经过更长的时间才对 DCO 的相位调整一次。而 DCO 输出的位同步信号重复频率与环路输入的 NRZ 码的码速率之间有一定误差，当对 DCO 不进行相位的调整时，其输出信号的上升沿与码元中心之间的偏差将不断增大，相位调节时间间隔越长这种偏差越大，即位同步信号相位抖动越大。2、设数字环固有频差为 f，允许同步信号相位抖动范围为码元宽度 TS的 倍，求同步保持时间 tC 及允许输入的 NRZ 码的连“1”或“0”个数最大值。答： 时间内有固有频差产生的相位误差为 时间可等效为相位位ct ,4cftTsA
17、值为 ，故 ；即在 时间内不对 DCO 进行相位调节，242ccfttfAAct位同步信号抖动范围小于 。设允许输入的 NRZ 码的连“1 ”或连“0”最大cT个数为 M，鉴相 N 次后 DLF 才有一个输出信号即对 DCO 进行一次相位调节，则 ，2scmTtfAsmfA3、数字环同步器的同步抖动范围随固有频差增大而增大，试解释此现象。答：固有频差越大，DCO 输出位同步信号与环路输入信号之间的相位误差增大的越快，而环路对 DCO 的相位调节时间间隔，平均值是不变的（当输入信号一定时），故当固有频差增大时，位同步信号的同步抖动范围增大。4、若将 AMI 码或 HDB3 码整流后作为数字环位同
18、步器的输入信号，能否提取出位同步信号？为什么？对这两种码的信息代码中连“1”个数有无限制？对 AMI 码的信息代码中连“0”个数有无限制？对 HDB3 码的信息代码中连“0”个数有无限制？为什么？答：能。因为将 AMI 码或 HDB3 码整流后得到的是一个单极性归零码，其上升沿使鉴相器输出高电平，从而使同步正常工作。对这种码的信息代码连“1”个数无限制，因为连“1”代码对应 AMI 码及 HDB3 码为宽度等于码元宽度一半的正脉冲或负脉冲，整流后全为占空比为 0.5 的正脉冲，脉冲上升沿的个数等于信息代码“1”码的个数；对 AMI 码的信息代码中连“0”个数有限制，因 AMI 码连“0 ”个数等于信息代码连“0”个数，不产生脉冲，也就没有上升沿；对 HDB3 码的信息代码中连“0”个数无限制，因为不管信息代码连“0”个数有多大，HDB3 码中连“0”个数最多为 3.即鉴相器在四个码元内至少工作一次。6、试解释本实验使用的数字锁相环快速捕捉机理，并与超前滞后型数字环进行比较。答：这个实验中可对 DCO 的分频比任意调节，一次调节就可以使环路锁定，而在超前滞后型数字环中每次调节只能使 DCO 的分频比增大 1 或者减 1，需多次调节才能使环路锁定。
