【正文】 以平均處理可以減小噪聲的影響，m個Nd值的平均值為 （52）數(shù)字濾波器的輸出為 Nc = No / 2 + Nd (53）數(shù)控振蕩器由四個8254計數(shù)器及一些門電路構成，其原理框圖如圖54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54 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（51）及式（52）得Nd=N0/2。，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8254A8254B1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，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N02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247。N0分頻。設m=1，上述過程的有關波形如圖55所示，圖中u162。O為環(huán)路鎖定狀態(tài)下數(shù)控振蕩器的輸出信號。由圖55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56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55 捕獲過程波形 當數(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）的相位關系是固定的且符合抽樣判決器的要求（當然開環(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56 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，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e、碼速率RB、允許的同步誤差最大值的關系為：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，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。 熟悉位同步單元工作原理。將數(shù)字信源單元的NRZOUT連接到位同步單元的SIN點，接通實驗箱電源。調(diào)整信源模塊的KKK3開關，使NRZOUT的連“0”和連“1”個數(shù)較少。 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NRZOUT和位同步單元的BSOUT，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BSOUT信號上升沿位于NRZOUT信號的碼元中間且在很小范圍內(nèi)抖動；失鎖時，BSOUT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。 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)的關系。調(diào)節(jié)可變電容使環(huán)路鎖定且BSOUT信號相位抖動范圍最小（即固有頻差最?。?，增大NRZOUT信號的連“0”或連“1”個數(shù)，觀察BSOUT信號的相位抖動變化情況。 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)路固有頻差的關系。 先使BSOUT信號的相位抖動最小，按一下復位鍵，觀察NRZOUT與BSOUT信號的之間的相位關系變化快慢情況，再按一下復位鍵，觀察快速捕捉現(xiàn)象（位同步信號BSOUT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BSOUT相位抖動增大時按一下復位鍵，觀察NRZOUT信號與BSOUT信號的相位關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 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。 設數(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。 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？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。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。實驗六 幀同步 一、實驗目的 1. 掌握巴克碼識別原理。 2. 掌握同步保護原理。3. 掌握假同步、漏同步、捕捉態(tài)、維持態(tài)概念。 二、實驗內(nèi)容 1. 觀察幀同步碼無錯誤時幀同步器的維持態(tài)。 2. 觀察幀同步碼有一位錯誤時幀同步器的維持態(tài)和捕捉態(tài)。3. 觀察同步器的假同步現(xiàn)象和同步保護作用。 三、基本原理 在時分復用通信系統(tǒng)中，為了正確地傳輸信息，必須在信息碼流中插入一定數(shù)量的幀同步碼，可以集中插入、也可以分散插入。本實驗系統(tǒng)中幀同步識別碼為7位巴克碼，集中插入到每幀的第2至第8個碼元位置上。幀同步模塊的原理框圖如圖61所示，電原理圖如圖62所示（見附錄），其內(nèi)部只使用+5V電壓。 本模塊有以下測試點及輸入輸出點： SIN 數(shù)字基帶信號輸入點（2個） BSIN 位同步信號輸入點（2個） GAL 巴克碼識別器輸出信號測試點 247。24 24分頻器輸出信號測試點 TH 判決門限電平測試點 FS 幀同步信號測試點 圖61中各單元與電路板上元器件的對應關系如下： 247。24分頻器 U60、U61：計數(shù)器4017；U58:C、U58:E：或門4071 移位寄存器 U50、U51：四位移位寄存器74175 相加器 U52：可編程邏輯器件GAL20V8 判決器 U53：可編程邏輯器件GAL20V8 單穩(wěn) U59：單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器4528 與門1 U56:A：與門7408 與門2 U56:C：與門4708 與門3 U56:D：與門7408 與門4 U56:B：與門7408 或門 U58:A：或門4071 247。3分頻器 U54：計數(shù)器4017 觸發(fā)器 U55：JK觸發(fā)器4027圖61 幀同步模塊原理框圖 從總體上看，本模塊可分為巴克碼識別器及同步保護兩部分。巴克碼識別器包括移位寄存器、相加器和判決器，圖61中的其余部分完成同步保護功能。移位寄存器由兩片74175組成，移位時鐘信號是位同步信號。當7位巴克碼全部進入移位寄存器時，U50的QQQQ4及U51的QQQ4都為1，它們輸入到相加器U52的數(shù)據(jù)輸入端D0~D6，U52的輸出端Y0、YY2都為1，表示輸入端為7個1。若Y2Y1Y0=100時，表示輸入端有4個1，依此類推，Y2Y1Y0的不同狀態(tài)表示了U52輸入端為1的個數(shù)。判決器U53有6個輸入端。INININ0分別與U52的YYY0相連，LLL0與判決門限控制電壓相連，LL1已設置為1，而L0由同步保護部分控制，可能為1也可能為0。在幀同步模塊電路中有三個發(fā)光二極管指示燈PPP3與判決門限控制電壓相對應，即從左到右與LLL0一一對應，燈亮對應1，燈熄對應0。判決電平測試點TH就是L0信號，它與最右邊的指示燈P3狀態(tài)相對應。當L2L1L0=111時門限為7，三個燈全亮，TH為高電平；當L2L1L0=110時門限為6，P1和P2亮，而P3熄，TH為低電平。當U52輸入端為1的個數(shù)（即U53的IN2IN1IN0） 大于或等于判決門限于L2L1L0，識別器就會輸出一個脈沖信號。當基帶信號里的幀同步碼無錯誤時(七位全對)，把位同步信號和數(shù)字基帶信號輸入給移位寄存器，識別器就會有幀同步識別信號GAL輸出，各種信號波形及時序關系如圖63所示，GAL信號的上升沿與最后一位幀同步碼的結束時刻對齊。圖中還給出了247。24信號及幀同步器最終輸出的幀同步信號FSOUT，F(xiàn)SOUT的上升沿稍遲后于GAL的上升沿。圖63 幀同步器信號波形247。24信號是將位同步信號進行24分頻得到的，其周期與幀同步信號的周期相同（因為一幀24位是確定的），但其相位不一定符合要求。當識別器輸出一個GAL脈沖信號時（即捕獲到一組正確的幀同步碼），在GAL信號和同步保護器的作用下，247。24電路置零，從而使輸出的247。24信號下降沿與GAL信號的上升沿對齊。247。24信號再送給后級的單穩(wěn)電路，單穩(wěn)設置為下降沿觸發(fā)，其輸出信號的上升沿比247。24信號的下降沿稍有延遲。 同步器最終輸出的幀同步信號FS是由同步保護器中的與門3對單穩(wěn)輸出的信號及狀態(tài)觸發(fā)器的Q端輸出信號進行“與”運算得到的。電路中同步保護器的作用是減小假同步和漏同步。當無基帶信號輸入（或雖有基帶信號輸入但相加器輸出低于門限值）時，識別器沒有輸出（即輸出為0），與門1關閉、與門2打開，單穩(wěn)輸出信號通過與門2后輸入到247。3電路，247。3電路的輸出信號使狀態(tài)觸發(fā)器置“0”，從而關閉與門3，同步器無輸出信號，此時Q的高電平把判決器的門限置為7（P3燈亮）、且關閉或門、打開與門1，同步器處于捕捉態(tài)。只要識別器輸出一個GAL信號（因為判決門限比較高，這個GAL信號是正確的幀同步信號的概率很高），與門4就可以輸出一個置零脈沖使247。24分頻器置零，247。24分頻器輸出與GAL信號同頻同相的的周期信號（見圖63）。識別器輸出的GAL脈沖信號通過與門1后使狀態(tài)觸發(fā)器置“1”，從而打開與門3，輸出幀同步信號FSOUT，同時使判決器門限降為6（P3燈熄）、打開或門、同步器進入維持狀態(tài)。在維持狀態(tài)下，因為判決門限較低，故識別器的漏識別概率減小，假識別概率增加。但假識別信號與單穩(wěn)輸出信號不同步，故與門與門4不輸出假識別信號，從而使假識別信號不影響247。24電路的工作狀態(tài)，與門3輸出的仍是正確的幀同步信號。實驗中可根據(jù)判決門限指示燈P3判斷同步器處于何種狀態(tài)，P3亮為捕捉態(tài)，P3熄為同步態(tài)。 在維持狀態(tài)下，識別器也可能出現(xiàn)漏識別。但由于漏識別概率比較小，連續(xù)幾幀出現(xiàn)漏識別的概率更小。只要識別器不連續(xù)出現(xiàn)三次漏識別，則247。3電路不輸出脈沖信號，維持狀態(tài)保持不變。若識別器連續(xù)出現(xiàn)三次漏識別，則247。3電路輸出一個脈沖信號，使維持狀態(tài)變?yōu)椴蹲綉B(tài)，重新捕捉幀同步碼。不難看出，若識別器第一次輸出的脈沖信號為假識別信號（即首次捕獲到的是信息數(shù)據(jù)中與幀同步碼完全相同的碼元序列），則系統(tǒng)將進入錯誤的同步維持狀態(tài)，由于本實驗系統(tǒng)是連續(xù)傳輸以一幀為周期的周期信號，所以此狀態(tài)將維持下去，但在實際的信息傳輸中不會連續(xù)傳送這種周期信號，因此連續(xù)幾幀都輸出假識別信號的概率極小，所以這種錯誤的同步維持狀態(tài)存在的時間是短暫的。當然，同步保護器中的247。3電路的分頻比也可以設置為其它值，此值越大，在維持狀態(tài)下允許的識別器的漏識別概率也越大。在維持態(tài)下對同步信號的保護措施稱為前方保護，在捕捉態(tài)下的同步保護措施稱后方保護。本同步器中捕捉態(tài)下的高門限屬于后方保護措施之一，它可以減少假同步概率，當然還可以采取其它電