基于单片机的数字通信系统位同步提取的设计及分析

2013-05-25 20:24:22来源: 互联网
数字通信系统中,发送端按照确定的时间顺序,逐个传输数码脉冲序列中的每个码元。而在接收端必须有准确的抽样判决时刻才能正确判决所发送的码元,因此,接收端必须提供一个确定抽样判决时刻的定时脉冲序列。这个定时脉冲序列的重复频率必须与发送的数码脉冲序列一致,同时在最佳判决时刻(或称为最佳相位时刻)对接收码元进行抽样判决。可以把在接收端产生这样的定时脉冲序列称为码元同步,或称位同步。

  实现位同步的方法和载波同步类似,有直接法(自同步法)和插入导频法(外同步法)两种,而直接法又分为滤波法和锁相法。本文介绍的方法就是用直接法中的锁相环实现的。

  1 数字锁相位同步提取原理

  数字通信系统接收端位同步提取通常采用如图1所示的数字锁相环DPLL(Digital Phase Locked Loop)。DPLL包括3个部件:

  (1)数字鉴相器DPD(Digital Phase Ditector)比较接收码元与本地DCO输出的位同步时钟相位,输出反映相位差的数字信号。

  (2)数字环路滤波器DLF(Digital Loop Filter)对DPD输出相位误差数字信号滤波,去掉随机噪声的影响,输出较准确的相位误差数字信号。

  (3)数控振荡器DCO(Digital Controlled Oscillator)是数字电路构成的振荡器,输出与接收码元相同速率的位同步时钟脉冲CLK,其相位受相位误差数字信号控制可提前或推迟,最后与接收码元相位锁定。

  DPD及DCO是构成数字锁相环必不可少的部件,DLF可视需要而加入。3个部件各由多种形式的电路组成不同的数字锁相环。最典型的数字锁相环为超前-滞后型数字锁相环,又称为微分整流型数字锁相环,在码速率不高时可由图2所示单片机系统实现。图中,边缘检测又称为过零检测,它将输入数据信号DK1放大整形后,再将其跳变沿(整形前的过零点)变换为窄脉冲ZCD,送至单片机的外部中断输入端INT1。边缘检测中的延时电路可用几级门实现。微分整流电路与边缘检测电路具有相同功能。

  该数字锁相环未用DLF。单片机内T0定时器及其中断服务程序实现DCO功能。在DK1无跳变沿(无ZCD负脉冲)时,单片机不进入INT1中断服务程序,T0定时为输入码周期Tb。在DK1有跳变沿时,进入INT1中断服务程序,首先读取T0当前值与预期值(Tb/2时常数),通过比较确定DCO相位与DK1数据跳变沿相位关系是超前或滞后,据此调整DCO相位。若DCO相位超前,则设置T0下周定时为Tb+δ,使DCO相位推迟;若DCO相位滞后,则设置T0下周定时为Tb-δ,使DCO相位提前,最后实现DCO相位与DK1数据相位锁定。总之,INT1中断服务程序实现DPD及DCO控制功能,T0定时器及其中断服务程序实现DCO功能。T1定时器及其中断服务程序实现延时即相移,使最后输出的位同步时钟CLK与DK1(或DK2)的相位差为0或180°:当传输系统频带不受限、采用MSK/FSK调制解调方式时,DK1为方波,接收端采用积分/采样/判决进行检测,两者相位差应为0,即CLK与DK1数据边沿对齐;当传输系统频带受限、采用GMSK/GFSK调制解调方式时,DK2(DK1经LPF后的信号)为钟形脉冲,CLK应对准DK2码元中点采样/判决,两者相位差为180°或Tb/2,如图2(d)所示。T1延时由P1.4输入信号MSKC控制。INT1、T0及T1中断服务程序框图如图3所示,主程序完成3个中断源初化及其他初始化后就踏步。

  位同步提取数字锁相环由CPU2实现,其P1.4输入的控制信号MSKC来自CPU1,由工作方式决定:在FSK/MSK工作方式时,MSKC=1;在GMSK/GFSK工作方式时,MSKC=0。

  对接收的随机数字信号,可近似认为两相邻码元中出现00、01、10、11的概率相等,其中有数据跳变的占一半。而对无DLF的数字锁相环而言,每发生数据跳变可调整相位一次,因此平均每2Tb s可调整相位一次,故同步建立时间为:

  有DLF的数字锁相环,调整相位的速率要比无DLF的低,故同步带比式(5)小。

  由式(1)、式(2)、式(5)可知,3个性能指标都取决于DCO周期调整步距δ:δ愈大,同步带愈大,同步建立时间愈短,但相位误差却增大了。所以δ应折中选取,在保证锁相环路能锁定(同步)的前提下,δ尽可能取小些,以减小相位误差。

  3 本设计采用单片机芯片实现数字电路相关器件,简化了相关器件复杂的逻辑电路设计,降低了系统的功耗和成本,提高了系统的可靠性。实现位同步的方法很多,本文讨论的是采用数字锁相环技术来提取位同步信号。在位同步提取中,如何缩小同步建立时间、降低位误差及增大同步保持时间是好的位同步设计的努力方向。

关键字:单片机  数字通信

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/0525/article_18589.html
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