數(shù)字通信系統(tǒng)的仿真與實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的位同步信號的提取

1、西南石油大學(xué)“通信工程xxxx級專業(yè)綜合實(shí)踐”報(bào) 告 報(bào)告題目 ： 數(shù)字通信系統(tǒng)的仿真與實(shí)現(xiàn) 基于單片機(jī)的位同步信號的提取學(xué) 院 ： 電氣信息學(xué)院作 者 ： 聯(lián)系方式 ： 輔導(dǎo)老師 ： 完成日期 2016 年 1 月 10 日 目 錄摘要11、設(shè)計(jì)題目22、設(shè)計(jì)要求23、設(shè)計(jì)原理23.1硬件設(shè)計(jì)原理33.2軟件設(shè)計(jì)原理33.3 性能指及算法 54、主要芯片74.1 AT89C51簡介74.1.1 AT89C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)74.1.2 AT89C51芯片引腳及功能74.2 uA741芯片簡介84.3 LM393芯片簡介94.4 74HC14D芯片簡介95、軟硬件實(shí)際設(shè)計(jì)105.1硬件電路及仿

2、真105.1.1 過零檢測及比較電路 105.1.2 延時(shí)電路 115.2軟件編程及仿真116、總結(jié)13參考文獻(xiàn)13實(shí)踐結(jié)果16摘要同步是通信系統(tǒng)中一個(gè)重要的實(shí)際問題。在通信系統(tǒng)中，同步功能會(huì)降低情況下通信系統(tǒng)的功能降低，甚至使通信系統(tǒng)不能正常工作。因此，同步是信息可以傳送校正的前提。本文提出了一種基于單片機(jī)的位同步信號提取技術(shù)。關(guān)鍵詞: 位同步 數(shù)字鑒相器 通信系統(tǒng) 數(shù)控振蕩器 Abstract Synchronization is a very important practical problem in the communication system. In the communica

3、tion system, reducing synchronous function would case communication system function to lower, even making the communication system can't work normally. Therefore ,synchronous is the precondition that the information can be transferred corrected. This paper discusses an extraction technology of b

4、it synchronization signal based on single-chip.Key words: bit synchronization; digital phase lock; communication system; single-chip1、 設(shè)計(jì)題目：數(shù)字通信系統(tǒng)的仿真與實(shí)現(xiàn)（基于單片機(jī)的位同 步信號提?。┩ㄐ畔到y(tǒng)都包括一個(gè)發(fā)射器（TX）、一個(gè)接收器（RX）和傳輸介質(zhì)。TX和RX使兼容于傳輸介質(zhì)的信息信號得以傳輸，其中可能涉及到調(diào)制。一些系統(tǒng) 采用某種形式的編碼來提高可靠性。將本文中討論的信息視為不歸零（NRZ）二進(jìn)制數(shù)據(jù)。而傳輸介質(zhì)可能是諸如非屏蔽雙絞線（UTP）

5、或同軸電纜那樣的銅電纜，光纜，或者是用于無線通信的無障空間。在所有情況下，信號都將被介質(zhì)極大地削弱并疊加上噪聲。噪聲（而非衰減）通常決定著一種通訊介質(zhì)是否可靠。2、 設(shè)計(jì)要求在數(shù)字通信系統(tǒng)中，發(fā)送端按照確定的時(shí)間順序，逐個(gè)傳輸數(shù)碼脈沖序列中的每個(gè)碼元。而在接收端必須有準(zhǔn)確的抽樣判決時(shí)刻才能正確判決所發(fā)送的碼元，因此，接收端必須提供一個(gè)確定抽樣判決時(shí)刻的定時(shí)脈沖序列。這個(gè)定時(shí)脈沖序列的復(fù)頻率必須與發(fā)送的數(shù)碼脈沖序列一致，同時(shí)在最佳判決時(shí)刻（或稱為最佳相位時(shí)刻）對接收碼元進(jìn)行抽樣判決?？梢园言诮邮斩水a(chǎn)生這樣的定時(shí)脈沖序列稱為碼元同步，或稱為位同步。實(shí)現(xiàn)位同步的方法和載波同步類似，有直接法和插入導(dǎo)頻

6、法兩種，本設(shè)計(jì)要求基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對數(shù)字通信系統(tǒng)中位同步的提取，通過查找資料，確定一種實(shí)現(xiàn)方法，并完成相應(yīng)的軟硬件設(shè)計(jì)。此次試驗(yàn)采用直接法中的鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)。3、設(shè)計(jì)原理數(shù)字通信系統(tǒng)接收端位同步提取通常采用如圖3-1所示的數(shù)字鎖相環(huán)DPLL(Digital Phase Locked Loop)。 圖3-1 位同步提取數(shù)字鎖相環(huán)DPLL包括3個(gè)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(shí)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(jī)噪聲

7、的影響，輸出較準(zhǔn)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(shí)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。3.1硬件設(shè)計(jì)原理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(gè)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(shí)可由圖3-2所示單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)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

8、點(diǎn))變換為窄脈沖ZCD，送至單片機(jī)的外部中斷輸入端INT1。邊緣檢測中的延時(shí)電路可用幾級門實(shí)現(xiàn)。微分整流電路與邊緣檢測電路具有相同功能。 圖3-2 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)位同步提取數(shù)字鎖相環(huán)3.2軟件設(shè)計(jì)原理該數(shù)字鎖相環(huán)未用DLF。單片機(jī)內(nèi)T0定時(shí)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(fù)脈沖)時(shí)，單片機(jī)不進(jìn)入INT1中斷服務(wù)程序，T0定時(shí)為輸入碼周期Tb。在DK1有跳變沿時(shí)，進(jìn)入INT1中斷服務(wù)程序，首先讀取T0當(dāng)前值與預(yù)期值(Tb/2時(shí)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(shí)為Tb+，使DCO相

9、位推遲;若DCO相位滯后，則設(shè)置T0下周定時(shí)為Tb-，使DCO相位提前，最后實(shí)現(xiàn)DCO相位與DK1數(shù)據(jù)相位鎖定?？傊?，INT1中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)DPD及DCO控制功能，T0定時(shí)器及其中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)DCO功能。INT1、T0中斷服務(wù)程序框圖如圖3-3所示，主程序完成2個(gè)中斷源初化及其他初始化后就踏步。以上各對應(yīng)的波形圖如圖3-4所示。 圖3-3 INTl中斷服務(wù)程序和T0中斷服務(wù)程序位同步提取數(shù)字鎖相環(huán)由CPU2實(shí)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(shí)，MSKC=1;在GMSK/GFSK工作方式時(shí)，MSKC=0 3-4 對應(yīng)波形3.3 性能指

10、標(biāo)及算法對接收的隨機(jī)數(shù)字信號，可近似認(rèn)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(shí)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(gè)性能指標(biāo)都取決于DCO周期調(diào)整步距：愈大，同步帶愈大，同步建立時(shí)間愈短，但相位誤差卻增大了。所以應(yīng)折中選取，在保證鎖相環(huán)路能鎖定(同步)的前提下，盡可能取小些，以減小相位誤差。本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)芯片實(shí)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(jì)，降低

11、了系統(tǒng)的功耗和成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。實(shí)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(shí)間、降低位誤差及增大同步保持時(shí)間是好的位同步設(shè)計(jì)的努力方向。4、主要芯片4.1 AT89C51簡介4.1.1 AT89C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)AT89C51單片機(jī)的內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)，如圖4-1所示。 圖4-1 AT89C51單片機(jī)硬件基本結(jié)構(gòu)4.1.2 AT89C51芯片引腳及功能 AT89C51是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的M

12、CS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。外形及引腳排列如圖4-2所示。 圖4-2 AT89C51引腳圖 各引腳功能: 1 主電源引腳 VCC：供電電壓。 GND：接地。2 并行I端口引腳 P0口：P0口為一個(gè)8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流 P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口 P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口 P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部

13、上拉電阻的雙向I/O口 P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下所示： P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1 TXD（串行輸出口） P3.2 /INT0（外部中斷0） P3.3 /INT1（外部中斷1） P3.4 T0（計(jì)時(shí)器0外部輸入） P3.5 T1（計(jì)時(shí)器1外部輸入） P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號。3 控制信號引腳 RST：復(fù)位輸入 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié) 4 時(shí)鐘振蕩電路引腳 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)

14、部時(shí)鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。4.2 uA741芯片簡介窗體頂端uA741通用高增益運(yùn)算通用放大器,早些年最常用的運(yùn)放之一.應(yīng)用非常廣泛。 圖4-3 uA741引腳圖 4.3 LM393芯片簡介 LM393 是雙電壓比較器集成電路。輸出負(fù)載電阻能銜接在可允許電源電壓范圍內(nèi)的任何電源電壓上，不受 Vcc端電壓值的限制.此輸出能作為一個(gè)簡單的對地SPS開路(當(dāng)不用負(fù)載電阻沒被運(yùn)用)，輸出部分的陷電流被可能得到的驅(qū)動(dòng)和器件的值所限制.當(dāng)達(dá)到極限電流(16mA)時(shí)，輸出晶體管將退出而且輸出電壓將很快上升。圖4-4 LM393引腳4.4 74HC14D芯片簡介 74HC14是

15、一款高速CMOS器件，74HC14引腳兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列。74HC14遵循JEDEC標(biāo)準(zhǔn)no.7A。74HC14實(shí)現(xiàn)了6路施密特觸發(fā)反相器，可將緩慢變化的輸入信號轉(zhuǎn)換成清晰、無抖動(dòng)的輸出信號。圖4-5 74HC14D引腳5、 軟硬件實(shí)際設(shè)計(jì)5.1硬件電路及仿真5.1.1過零檢測及比較電路 該電路前半部分為過零檢測電路，利用uA741通用放大器產(chǎn)生一個(gè)12V電壓，經(jīng)過5.1V的穩(wěn)壓管后，形成正負(fù)5.1V的方波信號。為產(chǎn)生+5V的方波，需經(jīng)過LM393比較器，即能輸出該信號。圖5-1 過零檢測及比較電路 依據(jù)圖5-1圖在multism軟件中畫出電路，在函數(shù)發(fā)生器XFG1中輸入

16、幅值為100mv的正弦波信號，經(jīng)電路仿真得到對應(yīng)的幅值為+5V的單極性非過零碼。具體仿真結(jié)果對應(yīng)圖5-2。 5.1.2延時(shí)電路該電路前半部分為延時(shí)電路，74HC14D為施密特觸發(fā)器，RC確定延時(shí)時(shí)間。電路后半部分為一個(gè)由與非門組成的同或門。經(jīng)過過零電路與比較電路后，得到對應(yīng)的單極性非過零碼，即圖5-3電路中的輸入信號XFG1。、輸入對應(yīng)+5V單極性非過零碼，經(jīng)圖5-3電路仿真，得到仿真結(jié)果如圖5-4。 5.2軟件編程及仿真依據(jù)軟件編程設(shè)計(jì)原理，在keil軟件中編程完畢，生成.hex文件。并利用ISIS 7 Professional單片機(jī)仿真軟件繪出圖5-5電路原理圖。圖51 普通計(jì)時(shí)流程圖由于

17、上述硬件電路仿真在Multisim12中進(jìn)行，而軟件模擬仿真在ISIS 7 Professional中進(jìn)行，相互之間都不具備完整的元件庫，不能統(tǒng)一仿真，故在圖5-5中添加一個(gè)500Hz的方波信號模擬窄帶脈沖信號ZCD。最終采樣效果如圖5-6，實(shí)現(xiàn)了位同步。圖52 定時(shí)器1程序 6、總結(jié) 這次課程設(shè)計(jì)的課題是數(shù)字通信系統(tǒng)的仿真與實(shí)現(xiàn)（基于單片機(jī)的位同步信號提?。?。雖然上了通信原理課程，但是我們對鎖相環(huán)位同步理論了解還是挺模糊的。這次課程設(shè)計(jì)讓我們此有了更進(jìn)一步的理解，對我們的學(xué)習(xí)也具有積極作用。整個(gè)設(shè)計(jì)通過了軟件和硬件上的調(diào)試。我想這對于自己以后的學(xué)習(xí)和工作都會(huì)有很大的幫助。在這次設(shè)計(jì)中遇到了很

18、多實(shí)際性的問題，在實(shí)際設(shè)計(jì)中才發(fā)現(xiàn)，書本上理論性的東西與在實(shí)際運(yùn)用中的還是有一定的出入的，所以有些問題不但要深入地理解，而且要不斷地更正以前的錯(cuò)誤思維。通過這次課程設(shè)計(jì)我也發(fā)現(xiàn)了自身存在的不足之處，雖然感覺理論上已經(jīng)掌握，但在運(yùn)用到實(shí)踐的過程中仍有意想不到的困惑，經(jīng)過一番努力才得以解決。參考文獻(xiàn)1李建忠.單片機(jī)原理及應(yīng)用M.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，20072王章瑞.單片機(jī)原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書M.成都:西南石油大學(xué)通信教研室，20133樊昌信.通信原理M.北京:國防工業(yè)出版社，20064顧三春.電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009 附錄：#include<reg51.h>#

19、include<intrins.h>sbit in_xinhao1=P32; /外部中斷輸入端口 ，此口默認(rèn)sbit out_xihao=P00;/輸出同步時(shí)鐘端口int count=0;/用于產(chǎn)生周期延時(shí)int zhouqi=0;/延時(shí)的一個(gè)周期int shuju4=0; /采集下降沿的數(shù)據(jù)unsigned char j=0;int chazhi1=0;chazhi2=0;chazhi3=0;/延時(shí)函數(shù)，單位為3微妙void delay(void) /誤差 0us _nop_(); /定時(shí)中斷函數(shù)void InitTimer0(void) TMOD = 0x05; TH0 = 0x0FF; TL0 = 0x0FF; EA = 1; ET0 = 1; TR0 = 1;void main(void) InitTimer0(); TCON=0x01;/打開外部中斷1,并且下降沿觸發(fā) IE=0x81; out_xihao=0;/初始化輸出等于0 while(1) /自適應(yīng)波特率，具有自動(dòng)調(diào)節(jié)功能 c