【正文】 以平均處理可以減小噪聲的影響，m個(gè)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(gè)8254計(jì)數(shù)器及一些門電路構(gòu)成，其原理框圖如圖54所示，圖中已注明了各個(gè)計(jì)數(shù)器的工作方式和計(jì)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(shí)不考慮噪聲的影響。圖54 數(shù)控振蕩器 環(huán)路開始工作時(shí)，軟件使8254B0和8254B1輸出高電平，從而使8254A1處于計(jì)數(shù)工作狀態(tài)、8254B1處于停止計(jì)數(shù)狀態(tài)，G6處于開啟狀態(tài)，8254A1輸出一個(gè)周期為N0的周期信號(hào)。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(shí)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(gè)寬度為N0的負(fù)脈沖，倒相后變?yōu)檎}沖u3送給與門G2。G2的另一個(gè)輸入信號(hào)u1來自8254A1。在G1輸出的寬度為N 0的正脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)，8254A1一定有（也只有）一個(gè)負(fù)脈沖信號(hào)輸入，此負(fù)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(gè)觸發(fā)信號(hào)u4。在u4的作用下，8254B0輸出一個(gè)寬度為N02的負(fù)脈沖。在這段時(shí)間內(nèi)，8254A1停止計(jì)數(shù)工作，8254B1進(jìn)行減計(jì)數(shù)且在此時(shí)間內(nèi)的最后一個(gè)時(shí)鐘周期輸出一個(gè)負(fù)脈沖。8254B0輸出的負(fù)脈沖的后沿重新啟動(dòng)8254A1，使它重新作247。N0分頻。設(shè)m=1，上述過程的有關(guān)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(hào)。由圖55可見，不管失鎖時(shí)相位誤差多少（不會(huì)大于N0），只要對(duì)數(shù)控振蕩器作一次調(diào)整，就可使環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)快速捕捉。 程序流程如圖56所示，輸入信號(hào)ui使IE1置“1”，且使8254B2計(jì)數(shù)，對(duì)IE1進(jìn)行位操作時(shí)又使之置“0”。由于量化誤差，故當(dāng)Nd為N0／2，N0/2＋1或N0/2－1時(shí)，環(huán)路皆處于鎖定狀態(tài)，不對(duì)數(shù)控振蕩器進(jìn)行調(diào)整。程序中令m=16，進(jìn)行16次鑒相后做一次平均運(yùn)算，若發(fā)現(xiàn)環(huán)路失鎖，則對(duì)數(shù)控振蕩器進(jìn)行一次調(diào)整。 控制器的作用是保證每次對(duì)8254B2進(jìn)行讀操作之前鑒相器只輸出一個(gè)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(dāng)數(shù)字環(huán)輸入信號(hào)的碼速率與數(shù)控振蕩器的固有頻率完全相同時(shí)，環(huán)路鎖定后輸入信號(hào)與反饋信號(hào)（即位同步信號(hào)）的相位關(guān)系是固定的且符合抽樣判決器的要求（當(dāng)然開環(huán)時(shí)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(hào)碼速率決定于發(fā)送端的時(shí)鐘頻率，數(shù)控振蕩器固有頻率決定于位同步器的時(shí)鐘頻率和數(shù)控振蕩器固有分頻比。由于時(shí)鐘信號(hào)頻率穩(wěn)定度是有限的，故這兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的頻率不可能完全相同，因此鎖相環(huán)輸入信號(hào)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(gè)離散同步器，只有當(dāng)輸入信號(hào)的電平發(fā)生跳變時(shí)才可能對(duì)輸入信號(hào)的相位和反饋信號(hào)的相位進(jìn)行比較從而調(diào)整反饋信號(hào)的相位，在兩次相位調(diào)整的時(shí)間間隔內(nèi)，反饋信號(hào)的相位相對(duì)于輸入信號(hào)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(hào)的相位是抖動(dòng)的，即使輸入信號(hào)無噪聲也是如此。圖56 鎖相環(huán)程序流程 顯然，收發(fā)時(shí)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(hào)的相位抖動(dòng)范圍越小。反之，對(duì)同步信號(hào)的相位抖動(dòng)要求越嚴(yán)格，則收發(fā)時(shí)鐘的頻率穩(wěn)定度也應(yīng)越高。 位同步信號(hào)抖動(dòng)范圍還與數(shù)字位同步器輸入信號(hào)的連“1”或“0”個(gè)數(shù)有關(guān)，連“1”或“0”個(gè)數(shù)越多，兩次相位調(diào)整之間的時(shí)間間隔越長，位同步信號(hào)的相位抖動(dòng)越大。 對(duì)于NRZ碼來說，允許其連“1”、連“0”的個(gè)數(shù)決定于數(shù)字環(huán)的同步保持時(shí)間tc。tc與收發(fā)時(shí)鐘頻率穩(wěn)定度e、碼速率RB、允許的同步誤差最大值的關(guān)系為：tC =η/（2RBε）tC的定義是：位同步器輸入信號(hào)斷開后，收發(fā)位同步信號(hào)相位誤差不超過的時(shí)間。關(guān)于數(shù)字環(huán)位同步器的工作原理，可參考文獻(xiàn)[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(hào)的相位抖動(dòng)與固有頻差無關(guān)，但隨信息碼連“1”、連“0”的個(gè)數(shù)增多而增大。四、 實(shí)驗(yàn)步驟 本實(shí)驗(yàn)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(diǎn)，接通實(shí)驗(yàn)箱電源。調(diào)整信源模塊的KKK3開關(guān)，使NRZOUT的連“0”和連“1”個(gè)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(gè)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(shí)BSOUT信號(hào)上升沿位于NRZOUT信號(hào)的碼元中間且在很小范圍內(nèi)抖動(dòng)；失鎖時(shí)，BSOUT的相位抖動(dòng)很大，可能超出一個(gè)碼元寬度范圍，變得模糊混亂。 觀察位同步信號(hào)抖動(dòng)范圍與位同步器輸入信號(hào)連“1”或連“0”個(gè)數(shù)的關(guān)系。調(diào)節(jié)可變電容使環(huán)路鎖定且BSOUT信號(hào)相位抖動(dòng)范圍最?。垂逃蓄l差最小），增大NRZOUT信號(hào)的連“0”或連“1”個(gè)數(shù)，觀察BSOUT信號(hào)的相位抖動(dòng)變化情況。 觀察位同步器的快速捕捉現(xiàn)象、位同步信號(hào)相位抖動(dòng)大小及同步保持時(shí)間與環(huán)路固有頻差的關(guān)系。 先使BSOUT信號(hào)的相位抖動(dòng)最小，按一下復(fù)位鍵，觀察NRZOUT與BSOUT信號(hào)的之間的相位關(guān)系變化快慢情況，再按一下復(fù)位鍵，觀察快速捕捉現(xiàn)象（位同步信號(hào)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(dāng)BSOUT相位抖動(dòng)增大時(shí)按一下復(fù)位鍵，觀察NRZOUT信號(hào)與BSOUT信號(hào)的相位關(guān)變化快慢情況并與固有頻差最小時(shí)進(jìn)行定性比較。五、 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求 數(shù)字環(huán)位同步器輸入NRZ碼連“1”或連“0”個(gè)數(shù)增加時(shí)，提取的位同步信號(hào)相位抖動(dòng)增大，試解釋此現(xiàn)象。 設(shè)數(shù)字環(huán)固有頻差為Δf，允許同步信號(hào)相位抖動(dòng)范圍為碼元寬度TS的η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(dòng)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(hào)，能否提取出位同步信號(hào)？為什么？對(duì)這兩種碼的信息代碼中連“1”個(gè)數(shù)有無限制？對(duì)AMI碼的信息代碼中連“0”個(gè)數(shù)有無限制？對(duì)HDB3碼的信息代碼中連“0”個(gè)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(shí)驗(yàn)使用的數(shù)字鎖相環(huán)快速捕捉機(jī)理，并與超前滯后型數(shù)字環(huán)進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)六 幀同步 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1. 掌握巴克碼識(shí)別原理。 2. 掌握同步保護(hù)原理。3. 掌握假同步、漏同步、捕捉態(tài)、維持態(tài)概念。 二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1. 觀察幀同步碼無錯(cuò)誤時(shí)幀同步器的維持態(tài)。 2. 觀察幀同步碼有一位錯(cuò)誤時(shí)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(hù)作用。 三、基本原理 在時(shí)分復(fù)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中幀同步識(shí)別碼為7位巴克碼，集中插入到每幀的第2至第8個(gè)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(diǎn)及輸入輸出點(diǎn)： SIN 數(shù)字基帶信號(hào)輸入點(diǎn)（2個(gè)） BSIN 位同步信號(hào)輸入點(diǎn)（2個(gè)） GAL 巴克碼識(shí)別器輸出信號(hào)測試點(diǎn) 247。24 24分頻器輸出信號(hào)測試點(diǎn) TH 判決門限電平測試點(diǎn) FS 幀同步信號(hào)測試點(diǎn) 圖61中各單元與電路板上元器件的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下： 247。24分頻器 U60、U61：計(jì)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(jì)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(shí)別器及同步保護(hù)兩部分。巴克碼識(shí)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(hù)功能。移位寄存器由兩片74175組成，移位時(shí)鐘信號(hào)是位同步信號(hào)。當(dāng)7位巴克碼全部進(jìn)入移位寄存器時(shí)，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(gè)1。若Y2Y1Y0=100時(shí)，表示輸入端有4個(gè)1，依此類推，Y2Y1Y0的不同狀態(tài)表示了U52輸入端為1的個(gè)數(shù)。判決器U53有6個(gè)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(shè)置為1，而L0由同步保護(hù)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(gè)發(fā)光二極管指示燈PPP3與判決門限控制電壓相對(duì)應(yīng)，即從左到右與LLL0一一對(duì)應(yīng)，燈亮對(duì)應(yīng)1，燈熄對(duì)應(yīng)0。判決電平測試點(diǎn)TH就是L0信號(hào)，它與最右邊的指示燈P3狀態(tài)相對(duì)應(yīng)。當(dāng)L2L1L0=111時(shí)門限為7，三個(gè)燈全亮，TH為高電平；當(dāng)L2L1L0=110時(shí)門限為6，P1和P2亮，而P3熄，TH為低電平。當(dāng)U52輸入端為1的個(gè)數(shù)（即U53的IN2IN1IN0） 大于或等于判決門限于L2L1L0，識(shí)別器就會(huì)輸出一個(gè)脈沖信號(hào)。當(dāng)基帶信號(hào)里的幀同步碼無錯(cuò)誤時(shí)(七位全對(duì))，把位同步信號(hào)和數(shù)字基帶信號(hào)輸入給移位寄存器，識(shí)別器就會(huì)有幀同步識(shí)別信號(hào)GAL輸出，各種信號(hào)波形及時(shí)序關(guān)系如圖63所示，GAL信號(hào)的上升沿與最后一位幀同步碼的結(jié)束時(shí)刻對(duì)齊。圖中還給出了247。24信號(hào)及幀同步器最終輸出的幀同步信號(hào)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(hào)波形247。24信號(hào)是將位同步信號(hào)進(jìn)行24分頻得到的，其周期與幀同步信號(hào)的周期相同（因?yàn)橐粠?4位是確定的），但其相位不一定符合要求。當(dāng)識(shí)別器輸出一個(gè)GAL脈沖信號(hào)時(shí)（即捕獲到一組正確的幀同步碼），在GAL信號(hào)和同步保護(hù)器的作用下，247。24電路置零，從而使輸出的247。24信號(hào)下降沿與GAL信號(hào)的上升沿對(duì)齊。247。24信號(hào)再送給后級(jí)的單穩(wěn)電路，單穩(wěn)設(shè)置為下降沿觸發(fā)，其輸出信號(hào)的上升沿比247。24信號(hào)的下降沿稍有延遲。 同步器最終輸出的幀同步信號(hào)FS是由同步保護(hù)器中的與門3對(duì)單穩(wěn)輸出的信號(hào)及狀態(tài)觸發(fā)器的Q端輸出信號(hào)進(jìn)行“與”運(yùn)算得到的。電路中同步保護(hù)器的作用是減小假同步和漏同步。當(dāng)無基帶信號(hào)輸入（或雖有基帶信號(hào)輸入但相加器輸出低于門限值）時(shí)，識(shí)別器沒有輸出（即輸出為0），與門1關(guān)閉、與門2打開，單穩(wěn)輸出信號(hào)通過與門2后輸入到247。3電路，247。3電路的輸出信號(hào)使?fàn)顟B(tài)觸發(fā)器置“0”，從而關(guān)閉與門3，同步器無輸出信號(hào)，此時(shí)Q的高電平把判決器的門限置為7（P3燈亮）、且關(guān)閉或門、打開與門1，同步器處于捕捉態(tài)。只要識(shí)別器輸出一個(gè)GAL信號(hào)（因?yàn)榕袥Q門限比較高，這個(gè)GAL信號(hào)是正確的幀同步信號(hào)的概率很高），與門4就可以輸出一個(gè)置零脈沖使247。24分頻器置零，247。24分頻器輸出與GAL信號(hào)同頻同相的的周期信號(hào)（見圖63）。識(shí)別器輸出的GAL脈沖信號(hào)通過與門1后使?fàn)顟B(tài)觸發(fā)器置“1”，從而打開與門3，輸出幀同步信號(hào)FSOUT，同時(shí)使判決器門限降為6（P3燈熄）、打開或門、同步器進(jìn)入維持狀態(tài)。在維持狀態(tài)下，因?yàn)榕袥Q門限較低，故識(shí)別器的漏識(shí)別概率減小，假識(shí)別概率增加。但假識(shí)別信號(hào)與單穩(wěn)輸出信號(hào)不同步，故與門與門4不輸出假識(shí)別信號(hào)，從而使假識(shí)別信號(hào)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(hào)。實(shí)驗(yàn)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(shí)別器也可能出現(xiàn)漏識(shí)別。但由于漏識(shí)別概率比較小，連續(xù)幾幀出現(xiàn)漏識(shí)別的概率更小。只要識(shí)別器不連續(xù)出現(xiàn)三次漏識(shí)別，則247。3電路不輸出脈沖信號(hào)，維持狀態(tài)保持不變。若識(shí)別器連續(xù)出現(xiàn)三次漏識(shí)別，則247。3電路輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，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(shí)別器第一次輸出的脈沖信號(hào)為假識(shí)別信號(hào)（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(jìn)入錯(cuò)誤的同步維持狀態(tài)，由于本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是連續(xù)傳輸以一幀為周期的周期信號(hào)，所以此狀態(tài)將維持下去，但在實(shí)際的信息傳輸中不會(huì)連續(xù)傳送這種周期信號(hào)，因此連續(xù)幾幀都輸出假識(shí)別信號(hào)的概率極小，所以這種錯(cuò)誤的同步維持狀態(tài)存在的時(shí)間是短暫的。當(dāng)然，同步保護(hù)器中的247。3電路的分頻比也可以設(shè)置為其它值，此值越大，在維持狀態(tài)下允許的識(shí)別器的漏識(shí)別概率也越大。在維持態(tài)下對(duì)同步信號(hào)的保護(hù)措施稱為前方保護(hù)，在捕捉態(tài)下的同步保護(hù)措施稱后方保護(hù)。本同步器中捕捉態(tài)下的高門限屬于后方保護(hù)措施之一，它可以減少假同步概率，當(dāng)然還可以采取其它電