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        基于自同步時鐘的通信系統(tǒng)傳輸性能分析儀研究

        2017-12-07 13:03:58蔡云周恒
        數(shù)字技術(shù)與應用 2017年9期
        關(guān)鍵詞:眼圖

        蔡云+周恒

        摘要:通信系統(tǒng)傳輸性能分析儀在通信系統(tǒng)的工程施工與日常維護中發(fā)揮著重要的作用。本文以通信系統(tǒng)性能分析儀為研究對象,以FPGA為核心,研究了位同步時鐘信號的提取以及整個控制系統(tǒng)電路,最后在示波器上通過對眼圖進行觀測。

        關(guān)鍵詞:FPGA;眼圖;位同步

        中圖分類號:TN919 文獻標識碼:A 文章編號:1007-9416(2017)09-0107-01

        1 自同步時鐘技術(shù)工作原理

        1.1 自同步技術(shù)

        從原理上講,按照實現(xiàn)方法可以將位同步劃分為外同步和自同步兩種。自同步法是指發(fā)送端不專門發(fā)送同步時鐘信息,接收端使用其他技術(shù)從接收到的碼元信號中提取同步時鐘信息的方法[1]。自同步方法主要有濾波法、包絡“陷落”法和數(shù)字鎖相環(huán)法等等。

        1.2 鎖相環(huán)法提取位同步時鐘

        數(shù)字鎖相環(huán)法是利用鑒相器的原理,對接收碼元與本地產(chǎn)生的位同步信號的相位進行對比,如果它們的相位不一致,鑒相器就會產(chǎn)生誤差信號去調(diào)整位同步時鐘的相位,直到獲得準確的位同步信號為止[2]。

        主要包括晶振、n倍分頻器、微分鑒相器和控制模塊四個部分。脈沖信號由晶振經(jīng)過整形后所得,將接收到的脈沖信號通過控制模塊送到分頻器進行分頻,其中一部分作為反饋信號輸入到微分鑒相器,另一部分輸出到解碼模塊。如果接收碼元的波特率為,于是位同步時鐘序列的頻率也必須為。晶振的的頻率通過 PLL模塊倍頻為,整形后輸出的頻率為的脈沖信號,經(jīng) n次分頻后就可以得到重復頻率為的位同步時鐘。如果接收端晶振輸出經(jīng)過n次分頻后,接收碼元信號與位同步時鐘不能同步,通過微分鑒相器調(diào)整輸出的相位誤差信號,達到相位同步狀態(tài)為止。

        2 傳輸性能分析儀系統(tǒng)的研究

        2.1 發(fā)送端電路

        時鐘源電路由矩陣鍵盤、51單片機核、LCD12864液晶顯示屏、分頻器組成。利用FPGA中自帶的嵌入式模擬鎖相環(huán)作為基準信號實現(xiàn)鎖相,為系統(tǒng)其他邏輯部分直接提供時鐘應用。

        信源發(fā)生器模塊和噪聲信號發(fā)生器模塊,其本質(zhì)都是偽隨機序列,只是偽隨機序列的級數(shù)不同而已。采用線性反饋移位寄存器結(jié)構(gòu)產(chǎn)生。

        2.2 信道

        用巴特沃斯低通濾波器對信道進行模擬,選取的截止頻率為100 KHz、200 KHz、500 KHz三種,通過對具體電路的設(shè)計,選取階數(shù)為四階的低通濾波器,對結(jié)果進行試驗,濾波效果完全可以達到設(shè)計要求。

        信道中的信號和噪聲,在設(shè)計中采用加法器和衰減電路組成。在加法器芯片的選擇上主要考慮到它的高次諧波分量,所以選用高寬帶的THS3091。衰減電路選擇的是π型衰減網(wǎng)絡,通過調(diào)節(jié)輸入阻抗來調(diào)節(jié)衰減倍數(shù)。

        2.3 接收端電路

        在接收端,主要的任務就是對同步時鐘信號的提取,對于同步時鐘信號的提取采用數(shù)字鎖相環(huán)方法進行提取,使用的數(shù)字鎖相環(huán)方案是超前-滯后型數(shù)字鎖相環(huán)[3],該模塊的頂層包含五個模塊,分別為微分鑒相器、改進型數(shù)字濾波器、雙相時鐘源、控制器、分頻器。

        3 系統(tǒng)測試仿真結(jié)果

        對電路各項性能進行了測試。首先對同步時鐘信號的提取進行了測試,采用矩陣鍵盤控制,改變碼元速率從10kbps—100kbps進行測試。數(shù)據(jù)對比結(jié)果詳見表1所示。

        由表1可以看出數(shù)字信號即四級偽隨機序列的碼元速率可以根據(jù)設(shè)定碼元速率而改變,并且碼元速率的誤差都不大于0.2%,滿足設(shè)計的要求。

        對濾波器加干擾信號和對最后眼圖的測試結(jié)果如表2所示。

        從表2中,觀察兩組相同的信號分別通過不同截止頻率的低通濾波器的波形,可以從圖中看出通過截至頻率為100 KHz低通濾波器后部分矩形脈沖都被濾成了正弦波, 截至頻率為200 KHz的稍好,截至頻率為500 KHz的最好。這是因為低通濾波器的截至頻率越低,濾除信號的高次諧波越多,波形正弦化越嚴重。

        通過對不同截止頻率下眼圖的比較,選擇發(fā)送端的碼元速率為10 bps,使用接收端的位同步時鐘信號,可以很明顯的看出眼圖中上下陰影面積增大。同時通過觀察眼圖還可以看出,當通過不同截止頻率的低通濾波器時,眼圖的張開度是不同的,截止頻率越高斜率越大,所以,想讓系統(tǒng)的傳輸性能達到最佳,應該減少噪聲的干擾。

        4 結(jié)語

        本研究主要運用FPGA最小系統(tǒng)為控制核心,使用低通濾波器模擬數(shù)字通信系統(tǒng)的信道,實現(xiàn)了對自同步時鐘的數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸性能分析儀的研究設(shè)計。整個系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的部分是使用數(shù)字鎖相環(huán)提取位同步時鐘。這部分的性能決定了整個通信系統(tǒng)傳輸性能,在通信系統(tǒng)有舉足輕重的地位。

        參考文獻

        [1]樊昌信.通信原理教程:第三版[M].北京:電子工業(yè)出版社,2012.

        [2]張會,劉伯棟.基于眼圖分析的數(shù)字通信干擾效果方法研究[J].艦船電子工程,2011,31(2): 73-76.

        [3]Leon W.Couch. Digital and Analog Communication Systems:Seventh Edition[M].Upper Saddle River:Prentice Hall,2006.all,2006.endprint

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