（信号与信息处理专业论文）基于二次复分接数字光端机系统的研究.pdf

北京邮电大学硕士论文 基于二次复分接数字光端机系统的 研究 摘要 随着光纤通信技术的发展，数字光端机作为一种有效和可靠的 信号传输方式为越来越多的人所采纳。本文以二次复分接数字光端机的 研究为背景，研究了数字光端机复分接技术的c p l d 实现方法。 作者主要完成的任务是：l 、依据当前光纤通信技术的发展以及 电子技术的发展，深入研究了当前数字光端机的技术发展特点，提出了 能够传输图像，音频，数据，以太网信号的数字光端机的总体方案。2 、深 入研究了视频信号的传输原理和快速以太网的传输特点，设计出了视频 收发电路模块和以太网收发电路模块。3 、根据当前技术更新换代快，提 出了把图像，音频，数据，以太网信号处理各硬件功能模块化的电路板 设计方案，有利了整个系统的功能升级和更新。4 、深入研究和分析了数 字复分接技术，根据c p l d ( 复杂可编程逻辑器件1 芯片特点，利用v h d l 语言进行软件编程实现了信号的数字复分接。 文中的数字信号处理部分，包含一次复分接，数字锁相环，时 钟提取等功能的实现全部采用x i l i n x 公司的复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 实现，采用v h d l 语言实现了所有的核心模块。 关键词：数字复分接技术a d 变换 复杂可编程逻辑器件( c p l d ) v h d l 语言数字锁相环 北京邮电大学硕士论文 r e s e a r c ho fd i g i t a lo p t i c a lt r a n s c e i v e r s y s t e mb a s e do nt w i c em u l t p l e x i n g a n dd e m u l t i p l e x i n gt e c h n o l o g y a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，d i g i t a l o p t i c a lt r a n s c e i v e ra sae f f e c t i v ea n dr e l i a b l em e t h o do ft r a n s p o r ts i g n a lh a s b e e na c c e p t e db ym o r ea n dm o r ep e o p l e t h i sp a p e rr e s e a r c hh o wt or e a l i z e t h ed i g i t a lm u l t i p l e x i n ga n dd e m u l t i p l e x i n gt e c h n o l o g y i mt h ec p l d f i r s t l y ，t h ep a p e rd e s c r i b e dh o wt oi m p l e m e n ti nt h ep r o j e c t s e c o n d l y ， t h e p a p e ri n t r o d u c e dt h es y n c h r o n o u sm u l t i p l e x i n ga n dp l e s i o c h r o n o u s m u l t i p l e x i n g a n dd e s c r i b e dh o wt o i m p l e m e n t i nt h e p r o j e c t s y s t e m i c a l l y t h i r d l y ，t h em e t h o dt 0d e s i g nd p l l ( d i g i t a lp h a s el o c kl o o p ) w a sd i s c u s s e da n dt h es i m u l a t i o nw a v e f o r mw h i c hi m p l e m e n t e dw i t hv h d l c o m p l i e dw i t he x p e c t a t i o n s a i m e da tt h ec l o c kr e c o v e r ym e t h o db a s e do n c p l d t h ep e r f o r m a n c eo fl o wr a t ec l o c kr e c o v e r yc i r c u i tw a sa n a l y z e d f o u r t h l y ，e x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tt h es y s t e mw o r k sp r o p e r l y w i t ht h eo p t i ct r a n s c e i v e r t h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gp a r t si n c l u d i n go n eo r d e rm u l t i p l e x i n ga n d d e m u l t i p l e x i n g ，d p l l ，c l o c kr e c o v e r yw e r ei m p l e m e n t e do nt h ec p l d c h i px c 9 5 2 8 8a n dx c 9 5 1 4 4w h i c hp r o d u c e db yx i l i n xc o r p ，a l lc o r e m o d u l ed e s i g n e dw i t hv h d l l a n g u a g e i i 北京邮电大学硕士论文 k e yw o r d s ：d i g i t a lm u l t i p l e x i n ga n dd e m u k i p l e x i n gt e c h n o l o g ya d c o n v e r tc p l dv h d ll a n g u a g e d i g i t a lp h a s el o c kl o o p i i l 北京邮电大学硕士论文 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：二粪j 鼙卜 日期：上二堡j i 三立二一 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学 校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段 保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注 释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期：三竺! 竺! ! ! 丛 日期：q l 卜- _ i i 北京邮电大学硕士论文 第一章概述 1 1 光纤通信简介 光通信由于具有传输损耗低、传输频带宽、传输信息容量大等无与伦比的优点， 在近5 0 年迅速发展过程中只有计算机这个领域可与其匹敌。 1 9 6 6 年，美籍华人高锟和g e o r g o a h o c k h a n 根据介质波导理论共同提出光纤通 信的概念。 。 1 9 7 0 年，美国康宁公司的y n a k l l r 等人首次研制出阶跃折射率多模光纤，其在波 长为6 3 0 n s 处的衰减悉数小于2 0 d b k m ；同年美国贝尔实验室的h a y a s h i 等人研制出 室温下连续工作的c m a a l a s 双异质结注入式激光器。正是光纤和激光器这两个科研成 果的同时出世，拉开了光纤通信的序幕。 1 9 8 0 年，原材料提纯和光制各被工艺得到不断完善，从而加快了光纤的传输窗口 由0 8 5 u m 移至1 3 l u m ，1 5 5 u r n 的进程。特别是研制出了低衰减光纤。其在1 5 5 u r n 的衰减系数为0 2 0 d b k m 已接近理论值。 1 9 7 6 年，美国西屋电气公司在亚特兰大成功的进行了世界上第一个 4 4 7 3 6 m b i t s 传输l1 0 k m 的光纤通信系统的现场试验，使光纤通信向实用化迈出了 第一步。 1 9 8 1 年以后，世界发达国家才将光纤通信技术大规模的推入商用。历经十年突飞 猛进的发展。光纤通信速率已由4 5 m b i t s 提高到目前的4 0 g b i t s 。 我国自7 0 年代初就开始了光纤通信技术的研究。1 9 7 7 年武汉邮电科学研究院研 制出我国的第一根阶跃折射率分布多模光纤，其在o 8 5 u m 的衰减系数为3 0 0 d b k r n 。 1 9 7 9 年，建立第一个用多模短波长光纤进行的8 0 m b i “s ，5 7 k m 室内通信系统。 1 9 8 7 年，建成第一个国产的长途光纤通信系统。由武汉至荆州，全长约2 5 0 k m 传输3 4 m b i t s 的信号。 1 9 8 8 年起，国内光纤通信系统的应用己由多模光纤转为单模光纤。 北京邮电大学硕士论文 1 9 9 1 年，完成了第一条全国产化1 4 0 m b i t s 的合肥至芜湖长途直埋光纤光缆线 路。全长1 5 0 k m 左右，光缆首次从水下跨越长江。 1 9 9 3 年，建立全国产化上海至无锡的大容量5 6 5 m b i t s 的高速系统。 1 9 9 7 年，武汉邮电科学院将自行研制出的6 2 2 m b i t s 和2 5 g b i r r 俗光纤通信系统 分别安装在湖北的咸宁至通城，海南的海口至三亚进行现场试验。 1 9 9 9 年民族光通信产业已进入收获季节，产品在国家骨干通信网上得到越来越多 的应用。继武汉科学研究院承建的济南一一青岛国内首条8 2 5 g b sd w d m 干线顺 利通过验收、大唐承建广州一汕头8 2 5 g b sd w d m 工程之后，华为自主开发的 1 6 x 2 5 g b s d w d m 系统又在中国电信贵州省干线，铁路系统沪杭一浙赣通信干线获 得成功应用。 从现在到2 0 2 5 年，光纤容量将超过每秒i 万亿比特，新型光纤放大器将允许信 号在几千英里的光纤上传输，每个网络节点的费用每5 年下降一个数量级，光纤可作 为全球通信网络的主干，光纤通信到2 0 1 0 年对居民用户来说是具有生命力的通信方 式。光纤通信和卫星通信相结合，将成为远程通信的主要手段。 1 2 、选题背景 光纤通信经过了近5 0 年得发展，如今己成为通信领域得热门研究及应用对象。 目前在高速公路、交通、电子警察、监控、安防、工业自动化、电力、海关、水利、 银行等领域视频图像、音频、数据、以太网、电话等光端机开始普遍大量应用。初期 模拟调频、调幅、调相光端机在市场上占有相当的比例，其传输方式是将基带的视频、 音频、数据等信号调制在某一载频上，通过发射光端机进行光纤传输，然后通过另一 端的接收光端机进行解调，恢复成相应的基带视频、音频、数据信号。而国内、国外 工程上开始大量应用的数字式光端机是将多路模拟基带的视频、音频、数据进行高分 辨率数字化，形成高速数字流，然后将多路数字流进行复用，通过发射光端机进行发 射，然后通过另一端的接收光端机进行接收，解复用，恢复成各路数字化信号，再通 过数字模拟变换恢复成模拟视频、音频、数据。 从目前市场情况来看，模拟光端机已逐步退出市场，而数字光端机如雨后春笋般 开始在市场上普及，数字代替模拟，这也是光纤通信技术显著的历史发展趋势。由于 数字光端机具有传输信号质量高，没有模拟调频、调相、调幅光端机多路信号同传时 交调干扰严重、容易受环境干扰影响、传输质量低劣、长期工作稳定性差的缺点，因 此许多大型重点工程已普遍采用数字光端机。技术可以使用频分多址复用( f d m a ) 、 时分多址复用( t d m a ) 、波分多址复用( w d m a ) 、码分多址复用等方式( c d m a ) 。 频分复用的缺点有；初期成本高；信道容量固定；增加减少用户时比较麻烦。需要 北京邮电大学硕士论文 高速器件。w d m a 主要的问题是：成本比较高，主要是因为光器件成本目前还比较 高。但如果开发出便宜的、适用于w d m a 方式光发射和光接收器件，使用w d m a 是发展的趋势。时分复用使用极少的波长和转发器等优点，但时分复用还是需要高速 电子器件。综合以上考虑，我们研究课题采用时分复用多址接入方式。作者主要工作 是研究其中的数字复分接技术( 即时分复用方式) ，并用c p l d 实现，用于数字光端机 中。 目前，数字复用光端机主要是欧美公司产品在主导国内市场，其中国外代表性的公 司有i f s ( i n t c m a t i o n a l f i b e r s y s t e m ) 、f i b e ro p t i o n s 、o s d ( o p t i e a ls y s t e m s d e s i g n ) 。视频最大可达2 0 路，数据可选反向1 路，如果在一路视频情况下，还可能 传输一路以太网信号。其图像技术指标比模拟光端机可全面提高。他们的产品在2 0 0 0 年后逐渐进入中国市场，并得到越来越多用户的认可，特别是高端产品完全占领了国内 市场一 国内数字光端机是在欧美公司产品的技术基础上开发出来的，由于过去受主要芯 片价格的影响，像高速的模数及数模转换器，千兆位串并转换编解码器；再加上关键的 编解码技术实现的难度，极大的影响了国内的研发进程，同时考虑到市场对数字复用光 端机的认可程度( 主要是价格因素) ，因而技术水平始终停留在理论阶段目前，随着技术 的不断发展，实用性的开发已经成为可能我们根据市场的需求和自身的技术力量，适时 而果断的立项开始了研制工作，有两家公司处在开发阶段，未形成商品化的产品主要 是四路视频，再复合一路反向数据我们则是四路视频及四路双向数据，并可直接兼顾四 路双向音频，和一路以太网，产品的功能及技术指标起点高特别是单纤四路双向数据 与一路反向数据，技术方案上有着本质的区别 1 3 、研究的目的和意义 随着光纤通信技术的飞速发展，可将综合信息如视频、数据、音频等信号经过 处理，再系统使用，实现用一根光纤长距离传输已成为可能，其充分利用光纤带宽宽 损耗小的特点，合理的运用了光纤资源；同时，由于采用了数字化处理及编解码的技 术，其性能指标可以更加稳定，提高可靠性，增加传输距离，可以完全取代传统的模 拟光端机。同时使多路复用成为可能。 它的研制可将计算机网络、监控网络等几网合一，极大的降低工程费用，实现图像 语音数据多路以太网单路单纤双向传输，技术水平能发生根本的变化，希望能把研究成 果开发出实际得产品，解决中国数字视频光端机长期依赖进口产品的局面，提高信号 传输得有效性和可靠性，并且易于对整个系统进行管理与维护( o a m ) ，促进国家经济、 社会发展有着十分重要的意义。 3 北京邮电大学硕士论文 这项工作由二部分组成，数字光发射机，数字光接收机，其中数字光接收机和数 字光发射机统称为光端机。本课题得主要工作是数字光端机及其数字复分接技术得研 究与实现。光端机是光纤通信得关键设备，其主要功能是将各种信号光发射机发出， 由光纤传输过来，光接收机将微弱光信号转换为电信号，其中光端机需数字复接设备， 而光接收机需有数字分接设备与线路编码器之间得接口电路，以完成对电缆线路传输 码型( 髓d 3 ) 编解码任务。此外，光端机还应具有公务联系电话，告警监测系统， 区间通信等辅助功能。 原始信号都要经过复接芯片线路编码后才能送到光发射头，而在光接收机里进行 解码，然后送到数字复分接芯片。随着信息时代的降临，集成电路在我们的生活中的 应用越来越多，而大多数高端产品几乎都依赖进口且价格昂贵，外国的公司掌握了核 心技术。随着可编程逻辑器件的快速发展，使得普通用户都可以成为专用集成电路的 设计者。如今的可编程逻辑器件的等效门数已高达1 0 0 0 万门，用户完全可以设计出 功能强大的各种专用芯片，而且可以根据需要随时调整功能。同时可编程逻辑器件的 设计方法、设计软件也在不断进步，随着硬件描述语言( v h d l ) 这些年来在业界的 推广，目前大多数e d a 软件都在不同程度上支持v h d l 语言，使用v h d l 语言编写 的程序可以在不同公司的开发软件上编译、综合、生成配置文件，下载到该公司的器 件上运行。当在可编程逻辑器件上得到验证后，即可根据生产的需要，将设计的v h d l 语言文件送到集成电路制造商那里做a s i c 。正因为有了这个条件，在本文的数字光 端机的研制中我们进行了有益的尝试，采用了x i l i n x 公司的复杂可编程逻辑器件 ( c p l d ) 完成了其中的数字复接，线路编码等功能。 1 4 、作者的主要工作 本论文在分析和研究国内外现有光端机的性能及结构的基础上，提出了能满足 要求的具体方案，并着重进行了光端机的研制，为今后的后继工作打下了良好的基础， 主要有： 1 制定了能够传输图像，音频，数据，以太网信号的数字光端机的总体方案。 2 设计出了视频收发电路模块和以太网收发电路模块。 3 提出了把图像，音频，数据，以太网信号处理各功能模块化的电路板设计 方案。 4 研究了数字复分接技术并用c p l d ( 复杂可编程逻辑器件) 实现了数字视频 和以太网信号的数字复分接。 5 提供了一套原理样机进行了联调，取得了较满意的结果。 4 北京邮电大学硕士论文 第二章系统方案 根据前面提到的该光端机的用途，综合各方面的资料，最终的方案实现的光端机 的系统框图如下： 2 1 视频收发模块 图1 1 系统框图 视频发射模块的作用是将模拟视频信号经过低通滤波器后进行加变换为8 位的 并行信号送到c p l d ( 复杂可编程逻辑器件) 芯片进行第次复接；视频接收模块是 将一次分接后的数字信号经过d a 变换后还原为视频信号，并经二级放大器放大后输 出到视频输出端。 2 2 以太网收发模块 快速以太网光纤收发模块包括三个基本功能模块：光电介质转换芯片、光信号 接口( i u 4 5 ) 和电信号接口( 光收发一体模块) ，如有网管功能则还包括网管信息处理器 5 北京邮电大学硕士论文 ( 可编程逻辑芯片或m i i 接口) 。快速以太网光纤收发器的设计包括元器件的选择和印 刷电路板( p c b ) 设计两个方面。 2 3 时钟提取与数据恢复 数字信号的传输都是基于某个时钟进行的，时钟的传输有两种方法：一是光纤数 字通信系统只传输信号码序歹n ，同步时钟并不直接传输，需要从信号中提取出来；二 是数字信号的同步时钟和数据同时传输到接收端，再把同步时钟提取出来，提取出来 的时钟与数字信号一般是正交的，即时钟的上升沿与数据有效区间的中央。 2 4 帧同步的提取 发射机发射的信号是由多路低速支路信号复接得到的一路高速合路信号，为了准 确无误的恢复出发射端的低速支路信号，就要准确可靠的提取出帧同步信号，然后根 据信号的帧结构进行复接恢复出支路信号。 2 5 数字复分接 数字复接是在光发射机将多路数字信号( 包括视频数字信号，i p 数字信号，音频 数字信号等) 通过时分复用( t d m a ) 的方式经过二次复接后变成一路合路信号送到 光接收机；数字分接是指将一个高速合路数字信号分解成原来的支路信号。如图1 1 所示，次复分接设计是在c p l d ( 复杂可编程逻辑器件) 芯片上进行的，复接时要 把视频，音频，数据，和以太网模块传来的信号经过第一次的复接后把信号再送到 h p l 0 3 2 进行第二次的复接然后送到光发射头上：光检测器收到的信号经过h p l 0 3 4 二次分接后送到c p l d 芯片进行一次分接，然后把还原后的信号送到 以上就本课题所研制的数字光端机的总体框图和作者的主要设计模块作了较详 细的描述。下面的章节主要围绕该系统的研制对数字复分接技术、时钟提取及数字锁 相环、系统的实现等展开。 6 北京邮电大学硕士论文 第三章数字复接技术 3 1 概述 在光端机中，数字复接占有很重要的地位，数字复接是指将若干个低速率的数 字信号按一定的规律和方法合并成一个高速率的数字信号，以便在高速信道中传 输，在接收点又按需要分解成低速数字信号。数字复接技术就是实现复接和分接 的专门技术。 支 璐 位 号 图3 1 数字复接系统示意图 数字复接系统主要包括两部分，数字复接器和数字分按器，如图3 1 。 数字复接器是把两个或两个以上支路数字信号按时分复用方式合并成为单一 的合路数字信号；数字分接器则是逆过程，将一个合路数字信号分解成为原来的 支路信号。数字复接器是由定时、调整和复接单元所组成；数字分接器是由同步、 定时、分接和恢复单元所组成。定时单元给设备提供统一的基准时间信号。复接 器的定时单元备有内部时钟，也可由外部的时钟推动：分接器的定时单元只能由 接收的时钟来推动，借助于同步单元的控制，使得分接器的基准时间信号与复接 器的基准时间信号保持争取的相位关系，即保持同步。调整单元与恢复单元是对 应的、复接单元与分接单元是对应的，调整单元的作用是把各输入支路数字信号 进行必要的频率或相位调整，形成与本机定时信号完全同步的数字信号，然后由 复接单元对它们实旌时间复用形成合路数字信号；分接单元的作用是对合路数字 7 北京邮电大学硕士论文 信号实施时间分离形成同步支路数字信号，然后再通过恢复单元把它们恢复成为 原来的支路信号。 从时分多路通信原理可知，在复接单元输入端的各支路数字信号必须是同步 的，即它们的生效瞬间与本机相应的定时信号必须保持正确的相位关系。但在调 整单元的输入端上即在复接器的输入端上则不必有这样的要求。 根据输入支路信号的不同，通常将复接设备分成两类： 3 1 1 同步复接器 若复接器输入端的支路信号是同步的，而且它们与设备的定时信号也是同步 的，那么调整单元只需调整相位，吸收各支路信号由于不同传输路由而引起的不 同的抖动和漂移损伤，这种复接称为同步复接 3 1 2 异步复接器 若复接器输入的支路信号与本设备定时信号是异步的，即它们的对应有效瞬 间不一定以同一速率出现，这时调整单元要对各支路数字信号实施频率和相位的 调整，使它们成为与本设备定时信号同步的信号，再送入复接单元复接，这样的 复接称为异步复接。 将低速率的数字信号复接成高速率的数字信号的方法主要有两种；一种是“逐 比特复接”或称“逐位复接”。这种方式是按被复接的支路顺序和各支路的比特 顺序每次复接一比特。比如四个p c m 基群信号复接成一个二次群信号，第一次取 第一基群的第一位码，然后取第二基群的第一码，再取第三、第四基群的第一位 码，这样复接完第一比特，接下去取第一基群的第二位码，第二基群的第二位 码。以此类推，一直循环下去。复接后的序列就构成了二次群的信号序列。 显而易见，为了保证在基群一比特时间内复接完四个基群支路信号，复接后序列 的每位码宽度只有原来的基群支路码的四分之一宽了。现在的复接设备多采用这 种复接方式。逐比特复接的最大优点是复接所需的缓冲存储器容量最小。当复接 器在复接第二、第三和第四基群的第一位码时，第一基群的第二位码、第三位 码。不断的送来，而这些码要待第四基群的第一位码复接完毕后才能被复 接。因此要把它们先存储起来，所以要为每个支路信号安排存储。对同步复接器 来说一个支路的缓冲存储器容量可由下式估算： m = u ( m 一1 ) m + l ( 比特) 式中u 为复接单位的比特数，m 为被复接的支路数，上式由两部分构成，其 中一比特为先写进缓冲器以便读出的存储起始量。对于逐比特复接，由于循环周 8 北京邮电大学硕士论文 期不长，所需要的存储器容量也就不大。例如，当采用逐比特复接方式将四个基 群复接成二次群时，是中u = 1 ，m = 4 ，这样一个基群信号所需的缓冲器容量为： m - - - - 1 f 4 1 ) 4 + 1 = 1 7 5 f 1 ) 。从图3 5 ( a ) 、可以看出， 假定第一个脉冲经过一段时间后从缓冲器中输出，由于读出时钟速率高于写入时 北京邮电大学硕士论文 钟，所以第二个脉冲读出时，其存储时间比第一个脉冲短，类似的，以后的脉冲 读入与读出的时间差( 即相位差) 愈来愈小，在第6 个脉冲时两者相位差己很小 了，即将出现“取空”状态。由此，正码速调整电路用相位比较器动态的检测两 者的相位差，当相位差小到某一规定值时，通过插入脉冲控制电路发出一个插入 指令，它一方面停止一次读出，同时在此瞬间插入一个脉冲，如图3 5 中虚线位 置所示。 捕r - 黼 i ! | i鞠熬 去插入指令 ( 写入禁l 上) 图3 4 正码速调整的原理框图 镘相环 读出 时钟 f i 由于用于调速所插入的脉冲是不携带信息的，所以在接收端恢复码速时应将 它们去掉。为此，发送端需要发出个标志信号通知接收端，那些脉冲是调速插 入脉冲，以便将它们去掉。接收端码速恢复是发送端码速调整的逆过程，当收到 发端的标志信号后，产生一个去插入指令，把写入脉冲禁掉一个，亦即不将插入 脉冲写入缓冲器，如图3 5 ( c ) 所示，这时对应于( b ) 图中虚线的位置空着了。 ( a ) 支踏输八 数码 焉e f l ( h ) 码逑调整 后数码流f m ( c ) 扣除捅入咏冲 后的接收信号 ( 由恢复后田 飘数码流 456789】ol li 2 图3 5 正码速调整时间关系图 1 2 北京邮电大学硕士论文 插入脉冲扣除后，数码流的顺序就与复接前样了。但是由于经过扣除，码 流脉冲间隔是不均匀的，为了使输出码速恢复成原来的码流速率，收端需要一个 与发端写入时钟n 同步的收端读出时钟，用它控制缓冲器的读出，从而得到一个 码速与n 相同的数码流。收端的读出时钟f 1 ，从数码流中提取，如图3 4 所示， 它可以用一个底通和压控振荡器( v c o ) 构成的锁相环获取。 另外，由于锁相环是通过平均的方法提取读出时钟的，得到的读出时钟仍存 在一定的间隔不匀，这就是我们称为的“相位抖动”。相位抖动总是存在的，问 题是怎样减小它，相位抖动的抑制可采用分离塞入比法。其原理是：分两步进行 正码速调整，首先以固定的塞入比进行预塞入，然后对预塞入后的时钟进行剩余 塞入。 实现正码速调整可采用多种方法，为了实现容易，通常是在每一个复接帧中， 规定一个特定的时隙( 对逐比特复接而言，这里的时隙为一比特宽的时隙) 为特 定的支路提供一次正码速调整的机会，如果该支路这时不需要调整，这个实现就 照常传送该支路信码；如果该支路这时需要调整，就把这个时隙空读一次，相当 于插入一个不带信息的脉冲，这个特定的时隙通常叫做正码速调整支路比特，有 时也叫码速调整数字时隙，简称塞入位置( s v ) 。 图3 6 正码速调整复螭结构示意豳 前面曾经讲过，为了收端恢复时能够检出调速插入脉冲，发送端还需要发送 一个标志信号，通常是在复接帧中留出特定的时隙来传送码速调整的标志信号。 显然这种标志信号是很重要的。它一旦出错就会导致支路码流发生丢失一个比特 或误插一个比特的结构性损伤，即产生滑动。为了减小出错的概率，通常采用三 位以上的标志码并采取纠正措施。例如：用1 1 1 表示调整；用0 0 0 表示无调整， 并采取择多判决，以纠正可能的单个差错。这种标志信号通常口q 做调整指示数字 或塞入指示数字，简称塞入指示( s z ) 。 塞入位置( s v ) 及塞入指示( s z ) 在复接帧中的安排示意图见图3 6 图中 s f 为复接帧的帧同步比特，r n 是参加复接的支路数，q 为每帧中每支路的信码数， 1 3 北京邮电大学硕士论文 k 为每帧中每支路的非信息比特数，所以l s = m ( q + x ) 为一个复接帧中的总比 特数。 3 5 帧同步 数字复接不仅要把低速数字信号合并成高速信号，还要插入用于网同步的帧 定位信号；相反，在接收端，要用分接器把发端数字信号分解为原来的支路数字 信号，为了使得分接器的帧状态相对于复接器的帧状态能获得并保持相位关系， 且能正确的实施分接，必须要能正确的将帧定位信号提取出来，各个数字时隙的 位置就可以根据帧定位信号加以识别。帧同步的提取也是数字光接收机里的关键 技术之一。 帧定位码的插入有两种方式，一种是集中插入，另一种是分散插入，在光纤 通信系统的线路码型中两种都可以采用。但以分散插入的形式应用较为普遍。 1 8 1 h 码型的插入方式为分散插入，码型为1 0 0 1 。c c i t t g 7 4 2 建议的二次群帧 结构中的插入方式为集中插入，码型为1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 。帧定位码的搜捕方法有两种： 逐位调整法和启动法。逐位调整法设置帧定位码检出电路，在某一时刻对帧定位 码进行检查，如果检查结果为检出帧定位码错，则将分组后移一个比特，在进行 检出检查。直到帧定位码检出正确为止。这种逐位搜捕的方式在最坏的情况下， 几乎要对整个帧长逐比特搜捕。实际上如果帧定位码在传输过程中发生了误码， 则搜捕时间还要加长。而有时在帧码以外的码位上也许会出现帧定位码。如果此 时停止了搜捕，则是一种虚假同步。因此必须加措施以保证正确同步。预置启动 法是在没有搜捕到帧定位码时，将分组预置在一个等待状态，由帧定位码检出电 路在线路码流中逐比特检查，一旦检出电路确认检出了帧定位码，则立即输出一 个控制信号启动接收设备时序发生器，同时用接收时钟信号来推动它。然后经过 一个时钟周期的时间来检验判断，如果未能建立起正确的相位关系，就重复上述 过程。这种方法也存在着由于误码、帧定位码漏检和虚假同步的情况。 比较上诉两种搜捕方法可以看出：在非同步位上，逐位调整法每调整一次 都要检验一次：而预置启动法只有在虚警现象时才检验一次。可见后者是比较节 省时间的；在同步位置上，逐位调整法不管帧定位码中是否出现误码总要检验一 次，而且即使有某种程度的误码也可能出现相位关系正确的判断；而预置启动法， 只要帧定位码中有误码，就肯定错过建立同步的机会。可见后者会把搜捕时间拖 长。因此，当合路数字信号误码率低时，预置启动法的平均搜捕时间短；当合路 数字信号误码率较高时，逐位调整法的平均搜捕时间短。数字信道误码率按国际 推荐通常是相当低的，不可用误码率门限也只有1x1 0 0 ，所以，一般采用预置启 1 4 北京邮电大学硕士论文 动法是比较合适的。为了解决漏检和虚假同步的问题，通常采用计数保护的方法 计数保护包括保护计数和校核计数。 圈3 7 帧定位提取逻辑 保护计数是当处于帧同步状态时，如果帧定位码检出电路发现一次检出错 误，并不立刻进入同步搜捕状态。因为如果是由于帧定位码的误码引进的检出错， 并不应该认为时帧失步，则会连续各帧均检出错。故规定只有当连续b 次帧定位 码检出错才判为帧失步，进入同步搜捕状态，这就提高了同步系统的稳定性。b 称为保护帧计数。 校核计数是在同步搜捕时，如果帧定位码检出电路检出一次帧码正确，不 能确定为进入同步状态。因为如果是检出了非帧码位置的帧定位图案，会造成虚 假同步。但这种偶然相同的图案是随机的，概率很小，难以在同一位置连续数次 出现。而真正的帧定位码其位置与图案均为固定的，有规律的，一旦检出正确， 会连续检出正确。因此规定只有连续a 次检出帧定位码正确，才确认进入同步状 态，这就提高了同步系统的可靠性，a 称为校核帧计数。在校核期间，仍处于同 步搜捕状态，当检出帧定位码错时，仍将分组移位一个比特。 由上述可得到完整的帧定位提取的逻辑框图，如图3 7 ，它是由失步态、 保护计数、校核计数、同步态组成。 在失步态时，帧同步检测电路一旦发现帧同步码型，校核计数器就开始计 数。如果随后在规定的时刻又连续出现( a 1 ) 次，即校核计数器计到a ，就确 认进入了同步态，同时保持校核计数器计a 状态并且把计数器归零：如果在随后 1s l 北京邮电大学硕士论文 的连续( a 1 ) 个规定时刻上有一次未发现帧同步码型( 简称丢失一次) ，就把 校核计数器归零并重新进行搜捕。 处于同步状态时，帧同步码检测电路在规定时刻上一旦有一次未发现帧定位码， 保护计数器计1 。如果在随后的规定时刻上又连续( b 一1 ) 未发现，即保护计数 器计到b ，就确认进入了失步态。同时保护计数器的计b 状态并把计数器归零； 如果在随后的连续( b 一1 ) 个规定时刻上有一次发现了帧同步码，就把保护计数 器归零并重新进行同步监视。 3 6 小结 数字复接技术是数字通信的基础技术之一，本章详细讨论了同步复接和准同 步复接的原理及实现方法，为后继系统的设计提供了理论基础。对帧同步也进行 了论述，给出了帧定位提取逻辑图，有了这个逻辑图，用v h d l 语言设计帧同步 提取电路就方便多了。 1 6 北京邮电大学硕士论文 第四章数字锁相环及时钟提取电路 4 1 锁相环原理 不管是载波信号的提取还是时钟同步信号的提取，常常用到窄带滤波器。窄 带滤波器在通带内的相位一一频率特性是陡峭的。如果接收到的载波或码元信号 的频率相对于滤波器的中心频率产生漂移( 可能由于滤波器不稳定或发端信号不 稳) ，将出现很大的相位误差，使系统性能下降。 如果采用的窄带滤波器的中心频率能跟踪输入信号频率的变化，就可以避免 上述相位误差的出现。锁相环相当于这样一个窄带滤波器。为了提高数字通信系 统的跟踪性能，使载波和位同步提取不仅频率相同，而且相位差也很小，它的窄 带滤波特性，可以改善同步系统的噪声性能，它的记忆特性，可以使输入信号中 断后，在一定的时间保持同步。 锁相环的基本组成如图所示，它是由压控振荡器( v c o ) ，鉴相器或相位检 测器( p d ) 和环路滤波器( l f ) 三个部分构成的反馈环路。 图4 1 锁相环原理示意图 系统的工作过程为：在鉴相器中将输入信号的相位0i 与v c o 输出信号的相 位进行比较，鉴相器的输出电压v d 经过环路滤波器l f 滤除高频分量及噪声，然 后输出电压v o 去控制v c o 的振荡频率，使本地振荡频率锁定在输入频率上，且 锁定后输出信号的相位与输入信号的相位差很小( 当v c o 的平均频率十分接近 信号的频率时) 。锁相环已在模拟和数字通信及无线电电子学的各个领域得到了 极为广泛的应用。 4 2 数字锁相环及其v h d l 实现 全数字锁相环路可以缓和或消除模拟锁相环路中v c o ( 压控振荡器) 的非线 性及模拟放大器的饱和现象，也消除了滤波器和鉴相器的直流漂移对环路性能的 1 7 北京邮电大学硕士论文 有害影响，而且数字锁相环路可以用计算机直接进行模拟验证。在数字光纤通信 的位同步( 码元同步) ，时钟变换，数字平滑等方面被广泛采用。数字锁相环工 作原理与模拟锁相环的工作原理类似。输入基准时脉冲与本地产生的输出脉冲在 鉴相器中进行比较。若两者相位不致( 超前或滞后) ，则鉴相器输出误差信息， 并去控制调整分频器输出的脉冲相位，直到输出信号的频率、相位与输入信号的 频率、相位一致，才停止调整。数字锁相环的种类较多，但一般都是由鉴相器、 环路滤波器、数控振荡器( d c o ) 组成，由于个部分的硬件实现方法各异，分数 较多。为了避免重复，按照数字鉴相器的形式可把数字锁相环分成四类：过零型 数字锁相环，触发器型数字锁相环，导前一滞后型数字锁相环，奈奎斯特速率采 样型数字锁相环。下面就以比较复杂，有代表性的导前一滞后型数字锁相环为例 进行详细的讨论。 这种数字锁相环采用的鉴相器是导前一滞后型数字鉴相器，该鉴相器在每一 个周期内得到输入信号与本地估算信号相位超前或滞后的信息。因此，这种鉴相 器的相位误差输出只有超前和滞后两种状态。然后将误差相位的超前或滞后信息 送到序列滤波器( 一种专用的数字滤波器) ，产生对d c o 的“加”或“扣”脉 冲控制指令去改变d c o 的时钟周期，使本地估算信号的相位向输入信号的相位 一- 1 敲控撂蓝誊( d ) 图4 , 2 导前- 滞居型数字镄栩坏功鬣框图 靠拢。其功能框图如图4 2 所示： 1 导前一滞后型数字鉴相器 1 8 北京邮电大学硕士论文 导前一滞后型数字鉴相器的特点是，它输出一个表示本地估算信号导前或 滞后于输入信号的量，如果本地估算信号超前于输入信号，则输出“超前脉冲”， 反之，则输出“滞后脉冲”。导前滞后型数字鉴相器可分为微分型和积分型 两种。微分型导前一滞后型数字鉴相器结构简单，硬件实现也比较简单，但是 它的抗干扰能力比较差。而积分型导前一滞后型数字鉴相器具有优良的抗干扰 卤拉 窝4 3 积分型导前滞后型数字鉴相器 性能，而它的结构和硬件实现很复杂，它的基本原理框图如4 3 所示。 在准确同步的情况下，同相积分器的积分区间正好和u 1 的一个码元宽度相重 合。如下图所示，其积分可表示为： l l i 圈4 4 准确同步时u 2 的前沿为清洗时瓤，同相积分器积分区间 和u l 的一个码元重含 一t y 1 ( r ) 2 毛f ；- l 口【彳 d r ( 4 1 ) 式中：k l 为同相积分器的比例常数； t 为码元宽度。 1 9 t t 北京邮电大学硕士论文 在一般情况下，很难做到准确同步。a k 是码元符号，其中a = 1 或0 ，k = 0 ， 1 ，2 ，3 。这时，同相积分器的功能可用更一般的方法表示： 删= 毛暑o a 坤 ( 4 2 ) 式中：te 为本地估算信号( 或时钟) 相对于码元起始时刻的延迟量。 准确同步时，- e = 0 ；本地估算时钟滞后时，te 0 ；本地估算时钟超前 时te 0 。 在准确同步时，同相积分器在清除时刻的输出值为k 1 a t 其极性取决于输入 码元是+ a 还是一a ；在te 0 时，同相积分器在清除时刻的输出值为 k i a ( t 一2te ) ，其极性仍取决于输入码元的极性。 中相积分器的积分区间跨在两个相邻输入码元之间。这里，仍假定中相积分 器的积分区间宽度等于一个输入码元的宽度。那么，它的积分区间可表示为： 北( f ) = 岛瞄嚣限弦 ( 4 3 ) 式中：k 2 为中相积分器比例常数。 当本地估算时钟和输入码元准确同步时，只要输入码元有转换，不管输入相 邻两个码元时从+ a 到- a ，还是从a 到+ a 的转换，其积分结果在清除时刻的采样 都为0 。而输入相邻两个码元在积分区间无极性转换，其结果在清洗时刻的输出 为k 2 a t 。 如果输入码元和本地时钟之间存在相位差，及te 0 ，中相积分器在清洗时 刻就一定有不为零的输出。综上可总结如下； ( 1 ) 在准确同步时 同相积分器在清除时刻的采样值为k 。a t ，而中相积分器，只要在积分区间内 输入码元有极性转换，则在清洗时刻的采样输出为零。 ( 2 ) 本地估算时钟超前于输入码元 同相积分器在清洗时刻的采样输出位k ，a ( t 一2te ) ，其极性取决于输入码 元的极性。中相积分器在清洗时刻的采样输出为负；反之，为正。 ( 3 ) 本地估算时钟滞后于输入码元 同相积分器在清洗时刻的采样输出模值和极性均与本地估算时钟超前输入码 元的情况相同。而中相积分器在清洗时刻的采样输出模值仍然是2ak z te ，区间 北京邮电大学硕士论文 内如果有从一a 到+ a 转换，则中相积分器在清除时刻的采样输出为正；反之，为 负。 由上述可知：同相积分器在清除时刻的采样输出的极性取决于输入码元的极 性，而与同步与否及相位误差的极性无关。因此，可以将同相积分器的输出经过 保持电路后再经过零检测来得到码元转换的信息。中相积分器在清除时刻的采样 输出值经保持电路得到的信号极性不仅与输入码元在积分区间的转换方向有关， 而且还与本地估算时钟时超前还是滞后于输入码元有关。如果在中相积分器的积 分区间内输入码元的转换方向相同，在本地估算时钟超前和滞后于输入码元两种 情况下，得到的中相积分输出经保持电路后极性正好相反。因此，将中相积分器 和同相积分器的输出分别经过保持电路和硬限幅电路后，进行模- ：j n ，就消除了 极性转换消息，从而获得了判别本地估算时钟使超前还是滞后于输入码元的信息。 实现上述积分型导前一滞后型数字鉴相器的关键是设计具有对称性和清除功 能的同相积分器和中相积分器。实际上实现对等幅双极性矩形信号的积分就是计 算在积分区间内信号幅度为 a 的时间与信号幅度a 的时间之差。因此，只需用 输入信号电平去控制一个可逆计数器的计数方向，并用一个适当的高速、高稳定 的脉冲串作为可逆计数器的时钟，在输入电平为- 峨时，可逆计数器对高速时钟正 向计数：当输入电平为a 时，可逆计数器对高速时钟进行逆计数。在清除时刻对 计数结果进行采样，同时对计数器置零”0 ”。这样就实现了对输入双极性矩形信号 的数字积分。 2 数字环路滤波器( d l f ) 数字环路滤波器在环路中对输入噪声起抑制作用，并对环路的校正速度起调 节左右。数字锁相环所用的数字环路滤波器实际上也可以和模拟锁相环路中使用 的模拟环路滤波器相对应，甚至有些参数也有对应关系。当然，数字环路滤波器 具有独特的结果。尤其对不同形式的d p l l ，其数字环路滤波器的结构形式完全 不同。比如导前一滞后型数字滤波环路，它所用的数字环路滤波器是独特的，即 “序列滤波器”。序列滤波器又称时序滤波器，这种滤波器专门用于鉴相器输出 的导前或滞后脉冲情况。序列滤波器通常有两种形式： ( 1 ) 随机徘徊滤波器 它由计数容量为2 n 的可逆计数器组成，其结构如图4 5 ： 北京邮电大学硕士论文 推后控制脒冲 挺曲控制赫冲 图4 s 随帆徘徊序列滤波器图4 , 6 先