基于單片機的數(shù)字通信系統(tǒng)位同步提取的設(shè)計及分析
實現(xiàn)位同步的方法和載波同步類似,有直接法(自同步法)和插入導(dǎo)頻法(外同步法)兩種,而直接法又分為濾波法和鎖相法。本文介紹的方法就是用直接法中的鎖相環(huán)實現(xiàn)的。
1 數(shù)字鎖相位同步提取原理
數(shù)字通信系統(tǒng)接收端位同步提取通常采用如圖1所示的數(shù)字鎖相環(huán)DPLL(Digital Phase Locked Loop)。DPLL包括3個部件:
(1)數(shù)字鑒相器DPD(Digital Phase Ditector)比較接收碼元與本地DCO輸出的位同步時鐘相位,輸出反映相位差的數(shù)字信號。
(2)數(shù)字環(huán)路濾波器DLF(Digital Loop Filter)對DPD輸出相位誤差數(shù)字信號濾波,去掉隨機噪聲的影響,輸出較準確的相位誤差數(shù)字信號。
(3)數(shù)控振蕩器DCO(Digital Controlled Oscillator)是數(shù)字電路構(gòu)成的振蕩器,輸出與接收碼元相同速率的位同步時鐘脈沖CLK,其相位受相位誤差數(shù)字信號控制可提前或推遲,最后與接收碼元相位鎖定。
DPD及DCO是構(gòu)成數(shù)字鎖相環(huán)必不可少的部件,DLF可視需要而加入。3個部件各由多種形式的電路組成不同的數(shù)字鎖相環(huán)。最典型的數(shù)字鎖相環(huán)為超前-滯后型數(shù)字鎖相環(huán),又稱為微分整流型數(shù)字鎖相環(huán),在碼速率不高時可由圖2所示單片機系統(tǒng)實現(xiàn)。圖中,邊緣檢測又稱為過零檢測,它將輸入數(shù)據(jù)信號DK1放大整形后,再將其跳變沿(整形前的過零點)變換為窄脈沖ZCD,送至單片機的外部中斷輸入端INT1。邊緣檢測中的延時電路可用幾級門實現(xiàn)。微分整流電路與邊緣檢測電路具有相同功能。
該數(shù)字鎖相環(huán)未用DLF。單片機內(nèi)T0定時器及其中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)DCO功能。在DK1無跳變沿(無ZCD負脈沖)時,單片機不進入INT1中斷服務(wù)程序,T0定時為輸入碼周期Tb。在DK1有跳變沿時,進入INT1中斷服務(wù)程序,首先讀取T0當前值與預(yù)期值(Tb/2時常數(shù)),通過比較確定DCO相位與DK1數(shù)據(jù)跳變沿相位關(guān)系是超前或滯后,據(jù)此調(diào)整DCO相位。若DCO相位超前,則設(shè)置T0下周定時為Tb+δ,使DCO相位推遲;若DCO相位滯后,則設(shè)置T0下周定時為Tb-δ,使DCO相位提前,最后實現(xiàn)DCO相位與DK1數(shù)據(jù)相位鎖定。總之,INT1中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)DPD及DCO控制功能,T0定時器及其中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)DCO功能。T1定時器及其中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)延時即相移,使最后輸出的位同步時鐘CLK與DK1(或DK2)的相位差為0或180°:當傳輸系統(tǒng)頻帶不受限、采用MSK/FSK調(diào)制解調(diào)方式時,DK1為方波,接收端采用積分/采樣/判決進行檢測,兩者相位差應(yīng)為0,即CLK與DK1數(shù)據(jù)邊沿對齊;當傳輸系統(tǒng)頻帶受限、采用GMSK/GFSK調(diào)制解調(diào)方式時,DK2(DK1經(jīng)LPF后的信號)為鐘形脈沖,CLK應(yīng)對準DK2碼元中點采樣/判決,兩者相位差為180°或Tb/2,如圖2(d)所示。T1延時由P1.4輸入信號MSKC控制。INT1、T0及T1中斷服務(wù)程序框圖如圖3所示,主程序完成3個中斷源初化及其他初始化后就踏步。
位同步提取數(shù)字鎖相環(huán)由CPU2實現(xiàn),其P1.4輸入的控制信號MSKC來自CPU1,由工作方式?jīng)Q定:在FSK/MSK工作方式時,MSKC=1;在GMSK/GFSK工作方式時,MSKC=0。
對接收的隨機數(shù)字信號,可近似認為兩相鄰碼元中出現(xiàn)00、01、10、11的概率相等,其中有數(shù)據(jù)跳變的占一半。而對無DLF的數(shù)字鎖相環(huán)而言,每發(fā)生數(shù)據(jù)跳變可調(diào)整相位一次,因此平均每2Tb s可調(diào)整相位一次,故同步建立時間為:
有DLF的數(shù)字鎖相環(huán),調(diào)整相位的速率要比無DLF的低,故同步帶比式(5)小。
由式(1)、式(2)、式(5)可知,3個性能指標都取決于DCO周期調(diào)整步距δ:δ愈大,同步帶愈大,同步建立時間愈短,但相位誤差卻增大了。所以δ應(yīng)折中選取,在保證鎖相環(huán)路能鎖定(同步)的前提下,δ盡可能取小些,以減小相位誤差。
3 本設(shè)計采用單片機芯片實現(xiàn)數(shù)字電路相關(guān)器件,簡化了相關(guān)器件復(fù)雜的邏輯電路設(shè)計,降低了系統(tǒng)的功耗和成本,提高了系統(tǒng)的可靠性。實現(xiàn)位同步的方法很多,本文討論的是采用數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)來提取位同步信號。在位同步提取中,如何縮小同步建立時間、降低位誤差及增大同步保持時間是好的位同步設(shè)計的努力方向。
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