通信原理實驗指導書：實驗六 位同步信號提取實驗

1、實驗六 位同步信號提取實驗一、實驗目的掌握用數(shù)字環(huán)提取位同步信號的原理及對信息代碼的要求。掌握位同步器的同步建立時間、同步保持時間、位同步信號同步抖動等概念。二、實驗內(nèi)容觀察數(shù)字環(huán)的失鎖狀態(tài)、鎖定狀態(tài)。觀察數(shù)字環(huán)鎖定狀態(tài)下位同步信號的相位抖動現(xiàn)象及相位抖動大小與固有頻差的關(guān)系。觀察數(shù)字環(huán)位同步器的同步保持時間與固有頻差之間的關(guān)系。三、實驗器材信號源模塊同步信號提取模塊20M雙蹤示波器 一臺頻率計（選用） 一臺四、實驗原理電路分析位同步也稱為位定時恢復或碼元同步。在任何形式的數(shù)字通信系統(tǒng)中，位同步都是必不可少的，無論數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)還是數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)，無論相干解調(diào)還是非相干解調(diào)，都必須完成位同

2、步信號的提取，即從接收信號中設法恢復出與發(fā)端頻率相同的碼元時鐘信號，保證解調(diào)時在最佳時刻進行抽樣判決，以消除噪聲干擾所導致的解調(diào)接收信號的失真，使接收端能以較低的錯誤概率恢復出被傳輸?shù)臄?shù)字信息。因此，位同步信號的穩(wěn)定性直接影響到整個數(shù)字通信系統(tǒng)的工作性能。位同步的實現(xiàn)方法分為外同步法和自同步法兩類。由于目前的數(shù)字通信系統(tǒng)廣泛采用自同步法來實現(xiàn)位同步，故在此僅對位同步中的自同步法進行介紹。采用自同步法實現(xiàn)位同步首先會涉及兩個問題：（1）如果數(shù)字基帶信號中確實含有位同步信息，即信號功率譜中含有位同步離散譜，就可以直接用基本鎖相環(huán)提取出位同步信號，供抽樣判決使用；（2）如果數(shù)字基帶信號功率譜中并不含

3、有位定時離散譜時，怎樣才能獲得位同步信號。數(shù)字基帶信號本身是否含有位同步信息與其碼型有密切關(guān)系。應強調(diào)的是，無論數(shù)字基帶信號的碼型如何，數(shù)字已調(diào)波本身一般不含有位同步信息，因為已調(diào)波的載波頻率通常要比基帶碼元速率高得多，位同步頻率分量不會落在數(shù)字已調(diào)波頻帶之內(nèi)，通常都是從判決前的基帶解調(diào)信號中提取位同步信息。二進制基帶信號中的位同步離散譜分量是否存在，取決于二進制基帶矩形脈沖信號的占空比。若單極性二進制矩形脈沖信號的碼元周期為Ts，脈沖寬度為，則NRZ碼的 Ts，則NRZ碼除直流分量外不存在離散譜分量，即沒有位同步離散譜分量1/Ts；RZ碼的滿足0Ts，且通常占空比為50，此時的RZ碼含有n為

4、奇數(shù)的n/ Ts離散譜分量，無n為偶數(shù)的離散譜分量，這就是說，RZ碼含有位同步離散譜分量。顯然，為了能從解調(diào)后的基帶信號中獲取位同步信息，可以采取兩種措施：（1）如原始數(shù)字基帶碼為NRZ碼，若傳輸信道帶寬允許，可將NRZ碼變換為RZ碼后進行解調(diào)；（2）如調(diào)制時基帶碼采用NRZ碼，就必須在接收端對解調(diào)出的基帶信號進行碼變換，即將NRZ碼變換成RZ碼，碼變換過程實質(zhì)上是信號的非線性變換過程，最后再用鎖相環(huán)（通常為數(shù)字鎖相環(huán)）提取出位同步信號離散譜分量。將NRZ碼變?yōu)镽Z碼的最簡單的辦法是對解調(diào)出的基帶NRZ碼進行微分、整流，即可得到歸零窄脈沖碼序列。下面簡單介紹一下數(shù)字鎖相環(huán)的組成原理。數(shù)字鎖相環(huán)

5、的主要特點是鑒相信號為數(shù)字信號，鑒相輸出也是數(shù)字信號，即環(huán)路誤差電壓是量化的，沒有模擬環(huán)路濾波器。由于數(shù)字鎖相環(huán)的輸入是經(jīng)過微分和全波整流后的信號，故這種數(shù)字環(huán)也稱為微分整流型數(shù)字鎖相環(huán)，其原理框圖如圖6-1所示。該電路由碼型變換器、鑒相器、控制調(diào)節(jié)器組成，各部分的作用如下：x圖6-1 微分整流型數(shù)字鎖相環(huán)組成原理框圖碼型變換器完成解調(diào)出的基帶NRZ碼到RZ碼的變換，使鑒相輸入信號X含有位同步離散譜分量。鑒相器用于檢測信號X與輸出位同步信號（分頻輸出D）相位間的超前、滯后關(guān)系，并以量化形式提供表示實時相位誤差的超前脈沖F和滯后脈沖G，供控制調(diào)節(jié)器使用。當分頻輸出位同步信號D相位超前與信號X時，

6、鑒相器輸出超前脈沖F（低電平有效）；反之，則輸出滯后脈沖G（高電平有效），二者均為窄脈沖?？刂普{(diào)節(jié)器的作用是根據(jù)鑒相器輸出的誤差指示脈沖，在信號D與信號X沒有達到同頻與同相時調(diào)節(jié)信號D的相位。高穩(wěn)定晶振源輸出180相位差、重復頻率為nf0的A、B兩路窄脈沖序列作為控制調(diào)節(jié)器的輸入，經(jīng)n分頻后輸出重復頻率為f0的被調(diào)位同步信號D，它與信號X在鑒相器中比相。因超前脈沖F低電平有效并作用于扣除門（與門），平時扣除門總是讓脈沖序列A通過，故扣除門為常開門，又因滯后脈沖G高電平有效并作用于附加門（與門），平時附加門總是對序列B關(guān)閉的，故附加門為常閉門。當信號D的相位超前與信號X的相位時，鑒相器輸出窄的低

7、電平超前脈沖F，扣除門（與門）將從脈沖序列A中扣除一個窄脈沖，則n分頻器輸出信號D的相位就推遲了Ts /n（相移360/n），信號D的瞬時頻率也被調(diào)低；當信號D的相位滯后于信號X的相位時，鑒相器輸出窄的高電平滯后脈沖G，附加門（與門）此時打開讓脈沖序列B（與脈沖序列A保持180固定相差）中的一個脈沖通過，經(jīng)或門插進來自扣除門輸出的脈沖序列A中，則分頻器輸入多插入的這個脈沖使n分頻器輸出信號的D相位提前了Ts /n（相移360/n），信號D的瞬時頻率則被提高。由此可見，環(huán)路對信號D相位和頻率的控制調(diào)節(jié)是通過對n分頻器輸入脈沖序列步進式加、減脈沖實現(xiàn)的，經(jīng)環(huán)路的這種反復調(diào)節(jié)，最終可達到相位鎖定，從

8、而提取出位同步信號。性能指標位同步系統(tǒng)的性能通常是用相位誤差、建立時間、保持時間等指標來衡量。數(shù)字鎖相法位同步系統(tǒng)的性能如下。相位誤差e數(shù)字鎖相法提取位同步信號時，相位誤差主要是由于位同步脈沖的相位在跳變地調(diào)整所引起的。因為每調(diào)整一步，相位改變2/n（n是分頻器地分頻次數(shù)），故最大的相位誤差為2/n。用這個最大的相位誤差來表示，可得 （61）上面已經(jīng)求得數(shù)字鎖相法位同步的相位誤差有時不用相位差而用時間差Te來表示相位誤差。因每碼元的周期為T，故得 （62）同步建立時間ts同步建立時間即為失去同步后重建同步所需的最長時間。為了求這個最長時間，令位同步脈沖的相位與輸入信號碼元的相位相差T/2秒，而

9、鎖相環(huán)每調(diào)整一步僅能移T/n秒，故所需最大的調(diào)整次數(shù)為 （63）接收隨機數(shù)字信號時，可近似認為兩相鄰碼元中出現(xiàn)01、10、11、00的概率相等，其中，有過零點的情況占一半。由于數(shù)字鎖相法中是從數(shù)據(jù)過零點中提取作比相用的標準脈沖的，因此平均來說，每2T秒可調(diào)整一次相位，故同步建立時間為 Ts=2TN=nT（秒） （64）同步保持時間tc當同步建立后，一旦輸入信號中斷，由于收發(fā)雙方的固有位定時重復頻率之間總存在頻差F，收端同步信號的相位就會逐漸發(fā)生漂移，時間越長，相位漂移量越大，直至漂移量達到某一準許的最大值，就算失步了。設收發(fā)兩端固有的碼元周期分別為T1=1/F和T2=1/F，則 （65）式中的

10、F0為收發(fā)兩端固有碼元重復頻率的幾何平均值，且有 （66）由式（65）可得 （67）再由式（66），上式可寫為 （68）式（68）說明了當有頻差F存在時，每經(jīng)過T0時間，收發(fā)兩端就會產(chǎn)生的時間漂移。反過來，若規(guī)定兩端容許的最大時間漂移為T0/K秒（K為一常數(shù)），需要經(jīng)過多少時間才會達到此值呢？這樣求出的時間就是同步保持時間tc。代入式（68）后，得解得 （69）若同步保持時間tc的指標給定，也可由上式求出收發(fā)兩端振蕩器頻率穩(wěn)定度的要求為此頻率誤差是由收發(fā)兩端振蕩器造成的。若兩振蕩器的頻率穩(wěn)定度相同，則要求每個振蕩器的頻率穩(wěn)定度不能低于（610）圖6-2 位同步電路原理圖本實驗只能從碼速率為15

11、.625KHz、10KHz、8KHz、4KHz（通過撥碼開關(guān)SW501選擇）的NRZ碼中提取出位同步信號。以碼速率為15.625KHz的NRZ碼為例，將SW501的第一位撥上后，數(shù)字鎖相環(huán)的本振頻率就被設置在15.625KHz。在圖6-2中，單片機U508（89C2051）將輸入的NRZ碼與數(shù)字鎖相環(huán)本振輸出的信號的相位進行鑒相（比較兩個信號的上升沿），用將相位差進行量化后得到的數(shù)值對數(shù)字鎖相環(huán)本振輸出的相位進行調(diào)整，最后得到正確的位同步信號。五、實驗步驟將信號源模塊、同步信號提取模塊小心地固定在主機箱中，確保電源接觸良好。插上電源線，打開主機箱右側(cè)的交流開關(guān)，再分別按下兩個模塊中的開關(guān)POW

12、ER1、POWER2，對應的發(fā)光二極管LED001、LED002、D500、D501發(fā)光，按一下信號源模塊的復位鍵，兩個模塊均開始工作。將信號源模塊的位同步信號的頻率設置為15.625KHz（通過撥碼開關(guān)SW101、SW102進行設置），將信號源模塊輸出的NRZ碼設置為1、0交替碼（通過撥碼開關(guān)SW103、SW104、SW105進行設置）。將同步信號提取模塊的撥碼開關(guān)SW501的第一位撥上，即將數(shù)字鎖相環(huán)的本振頻率設置為15.625KHz，然后將信號源模塊輸出的NRZ碼從信號輸入點“NRZ-IN”輸入，按一下同步信號模塊上的“復位”鍵，使單片機開始工作，以信號源產(chǎn)生的位同步信號“BS”為內(nèi)觸發(fā)

13、源，用示波器雙蹤同時觀察信號輸出點“位同步輸出”的信號與信號源中的“BS”信號。特別注意的是，本模塊只能提取NRZ碼的位同步信號，而且當信號源模塊中的位同步信號的頻率偏離同步信號提取模塊設置的數(shù)字鎖相環(huán)的本振頻率過遠時，將無法正確提取輸入信號的位同步信號。本實驗中數(shù)字鎖相環(huán)共有15.625KHz、10KHz、8KHz、4KHz四種本振頻率可供選擇，分別對應撥碼開關(guān)SW501的1、2、3、4位，實驗時請注意正確選擇。（注意當鎖相頻率改變時，重新按下同步模塊上的“復位”鍵，位同步信號才能正確提?。┝?、輸入、輸出點參考說明輸入點參考說明NRZ-IN：NRZ碼輸入點。輸出點參考說明位同步輸出：提取的位同步信號輸出點。撥碼開關(guān)SW501的1、2、3、4位分別對應數(shù)字鎖相環(huán)的15.625KHz、10KHz、8KHz、4KHz四種本振頻率。七、實驗思考題設數(shù)字環(huán)固有頻差為f，允許同步信號相位抖動范圍為碼元寬度Ts的倍，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