（电路与系统专业论文）基于CPLD的光端机数字信号处理器的设计研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 本论文结合电力综合自动化保护装置工程项目，设计了一款用于光纤纵联 差动保护的光端机数字信号处理器，该数字信号处理器以可编程逻辑器件 e p m 7 0 6 4 s 一5 为核心器件，接口转换电路作为辅助电路完成总线信号与数字激 光收发器之问数字信号的交换，从而实现了光纤纵差保护的数据通信。 论文首先介绍了光纤纵差保护原理、通信系统结构、数字激光收发器对输 入信号的要求和输出信号的特点，提出了光端机数字信号处理器的基本设计思 路；其次给出了光端机数字信号处理器中电发送机、全数字锁相环、电接收机 等各个模块的设计方案，并对各个模块的仿真结果进行分析；然后论文对可编 程逻辑设计的代码进行了综合，并编写了测试文件对可编程逻辑设计进行功能 仿真。最后介绍了光端机数字信号处理器中d s p 接口转换电路的设计与实现。 仿真和实验结果表明，该方案达到了原设计指标与要求，在电力综合自动 化保护装置光纤纵联差动保护通信系统中起到重要的作用。本论文提出的光端 机数字信号处理器的电路结构简单，性能可靠，使用方便，也可推广到其他应 用领域。 关键词：电发送机，电接收机，接口转换电路，全数字锁相环，复杂可编程逻 辑器 a b s t r a c t a sa l li m p o r t a n tc o m p o n e n to fe l e c t r i c a li n t e g r a t e da u t o m a t i o nd e v i c e p r o j e c t , t h eo p t i c a lm o d e md i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o ri si n t r o d u c e di nt h ea r t i c l e i ti s c o m p o s e do fp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e 船i t sk e yp a r ta n di n t e r f a c ec o n v e r t e ra s a u x i l i a r yc i r c u i t , a n de x c h a n g e se l e c t r i c a ls i g n a lb e t w e e nd s pa n dd i 百t a ll a s e r t r a n s c e i v e rt or e a l i z ec o m m u n i c a t i o no f f i b e r - o p t i c a ld i f f e r e n t i a le n t r e n tp r o t e c t i o m n ea r t i c l ef i r s ti n t r o d u c e st h et h e o r yo ff i b e r - o p t i c a ld i 伍玎瞰d a lc u r r e n t p r o t e c t i o n , t h es t r u c t u r eo f c o m m u n i c a t i o ns y s t e m , t h er e q u i r e m e n to f d i g i t a ll a s e r t r a n s c e i v e ri n p u ts i g n a la n dt h ec h m c t c ro fd i g i t a ll a s e rt r a n s c e i v e ri n p u ts i g n a l a n dt h e np r e s e n t st h ed e s i g no fo p t i c a lm o d e md i g i t a ls i g m ap r o c e s s o r s e c o n di t s h o w st h ed e s i g no fs u bm o d u l e so fo p t i c a lm o d e md i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , s u c h a se l e c t r i c a lt r a n s m i t t e r , a l ld i g i t a ll o c k - l o o pa n de l e c t r i c a lr e c e i v e r , a n dg i v 器t h e s i m u l a t i n gr e s u l tf o re a c hs u bm o d l l l e s 1 1 1 埘i tp r e s e n t st h er e s u l to fs y n t h e s i sa n d t h ef u n c t i o ns i m u l a t i o nr e s u l tb yw r i t i n gt e s tb e n c ht ot e s ta n dv e r i f yt h ec i r c u i t a t l a s ti td i s c u s s e st h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fi n t e r f a c ec o n v e r t e rc i r c u i tc o n n e c t e d w i t h d s p 硼艟s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tm a k ei tc l e a rt h a tt h es o l u t i o nm t st h e r e q u i r e m e n to ft h ed e s i g na n dw i l lb eo fi m p o r t a n tu s a g ei nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m o ff i b e r - o p t i c a ld i f f e r e n t i a lc u r r e n tp r o t e c t i o n 1 1 1 eo p t i c a lm o d e md i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o ri ss i m p l ec o n s t r u c t e d , e f f i c i e n c ya n de a s yt ou s e a n da l s oc a nb eo f w a s i v eu s e d k e yw o r d s ：e l e c t r i c a ls i g n a lt r a n s m i t t e r , e l e c t r i c a ls i g n a lr e c e i v e r , i n t e r f a c ec o n v e r t e r , a l l d i g i t a lp h a s e - l o c k e dl o o p ，c o m p l e xp r o g r a m m a b l e l o g i ed e v i c e 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作 的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业 大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：g 扛蝴7 指导教师签名：；醇兰强。幺 ，2 。7 年彳月7 日叩中月7 日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是 本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的 内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研 究成果，不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：龇 伽7 年斗月- 7b 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 目前，光纤通信已成为通信的主要手段。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、电话光端机已经普遍应用。本论文讨论的光端机数字信号处理 器是电力综合自动化保护装置光纤纵联差动保护专用光端机的子模块。它负责 数字光端机的电信号处理。 1 1 光纤纵联差动保护简介 光纤纵联差动保护是继电保护中一种重要保护，光纤纵联差动保护的基本 原理是通过交换电力线路两侧的模拟量，比较两侧的电量的大小和方向判断是 否发生线路短路，并采取保护措施。纵联差动保护原理的理论基础是基尔霍夫 电流定律，对于电力系统的高压、超高压输电线路保护来说，它具有良好的选 项能力和网络拓扑适应能力，对于提高电力系统的安全稳定性和输电供电的灵 活性为目标的电网建设，具有非常重要的意义。在纵联差动保护中，数据传输 媒体有两种，一种是微波传输，一种是光纤传输。这两种选用任何一种或互为 备用。而光纤传输无疑是更可靠的。 光纤纵联差动保护通信系统示意图如图1 - 1 所示。 图1 - 1 光纤纵联差动保护系统图 光纤纵联差动保护的通信方式有专用方式和复用方式两种。当被保护的高 压线路距离较短( 几十公里) 两端的保护装置采用专用方式直接连接。专用方 式通信链路示意图如图1 2 所示。 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 光端机光端机 l 保护装置保护装置 模块 模块 光纤 图1 - 2 专用方式通信链路示意图 采用专用方式时两台保护装置直接用两根光纤连接。光端机的速率一般采 用基带速率( 2 0 4 8 k b i t s ) 或者6 4 k b i t s 。 1 2 光端机的数字激光收发器 光端机的光传输系统由三部分组成：光源( 光发射机) ，传输介质、检测器 ( 光接收机) 。在数字激光发射机端，数字激光发射机的光源将待传输的电信号 进行电光转换( e o ) 后，形成光信号；光源产生的光信号耦合到光纤中，经光纤 传输到数字激光接收机；在数字激光接收机侧，光检测器直接检测光纤中传来 的光信号并进行光电转换( o e ) ，形成电信号。 1 2 1 数字激光发送机 数字激光发送机把预调制后的数字电信号有效地转换成适合在光纤中传输 并被激光接收机接收的数字光信号。光源发出的光可以看作光频载波，通过调 制，使其载荷信息。它由调制电路、控制电路和光源l d ( 激光器或l e d ) 组 成。图1 3 为安捷伦公司的数字激光收发器“h f c t - 5 2 0 5 ”的数字激光发送机 模块的结构简图 1 7 1 。 激光器 图1 - 3 数字激光发射机结构简图 2 光敏 二极管 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 数字激光发射机需要输入二电平码来调制光源，由于简单的二电平码包含 随信息内容而随机起伏的直流低频分量，它影响到接收端的判决，所以输入的 二电平码是按照一定要求进行线路编码后的二电平码。线路编码后，系统的码 元速率会提高，存在一定的多余信息，这些多余的信息容量可以用来平衡二电 平信号和运行监测。对编码的二电平码有以下要求： 1 ) 通透性( 即任意的“1 ”码或“o ”码的组合序列都可以加到编码设备上) ； 唯一的可解码性； 3 ) 减少连“l ”或连“o ”，便于接收端提取时钟； 4 ) 尽量减小二电平信号直流基线的起伏； 5 1 具有检错纠错能力； 6 ) 尽量减少线路二电平信号的冗余度； 7 ) 包含帧同步信息； 8 ) 编码译码电路简单，耗电少。 设计中采用的码型为二电平c m i 码纠。 1 2 2 数字激光接收机 图i - 4 数字激光接收机结构简图1 1 7 l 图1 - 4 为安捷伦公司的数字激光收发器“i - i f c t - 5 2 0 5 ”的接收模块结构简 图【1 7 】。数字激光接收机的主要任务是以最小的附加噪声及失真，将经过光纤传 输后的幅度衰减、波形展宽的微弱光信号转变为电信号，并放大处理，恢复成 原来的信号，它的性能综合反映了整个系统的性能。图中光检测器( 光电二极 管或雪崩光电二极管) 将输入的数字光信号转换成数字电信号，转换后的微弱 电信号输入到跨阻前置放大器进行放大。跨阻前置放大器后面的电容足够大使 得在通过1 5 5 m b d 的信号时没有明显的码间干扰和判决错误。紧接其后的滤波 西北工业大学硕士学位论文 第一苹绪论 器限制了前置放大器输出信号的带宽，滤除了高频噪声，提高了接收灵敏度。 滤波后的信号进入限幅放大器进行放大。限幅放大器和之后的判决电路使得输 入限幅放大器的信号进一步放大并整形，保证输出信号的幅度在一定范围内不 受输入信号幅度变化的影响。数字激光接收机的主要性能指标是接收机灵敏度 和动态范围。接收灵敏度越高，其所需接收到的最小光信号功率越小，整个系 统的通信质量越好。数字激光接收机的动态范围是指当输入激光接收机的光信 号功率在动态范围内变化时，数字激光接收机的主放大器输出的电信号幅度基 本平稳。数字激光接收机的动态范围越大，它适应温度变化和光源等器件老化 所产生的不利影响的能力越强。数字激光接收机输出的信号是整形后的二电平 信号1 1 7 1 。 1 3 光端机数字信号处理器 图1 5 光端机数字信号处理模块结构框图 光端机数字信号处理器的结构如图1 5 所示，光端机数字信号处理器由集 成在可编程逻辑器件c p l d 内的电发送机和电接收机及独立的接口转换电路构 成。电发送机的信号输出端连接到数字激光发射机输入端，电发送机将接收到 的简单二电平数据编码后传递给数字激光发射机；电接收机接收数字激光接收 机传递过来的光电转换后的数据并从中恢复出串行同步时钟，输出译码后的数 据；接口转换电路将输入串行同步数据转换成d s p 能够接收的总线并行数据并 把d s p 输出的总线并行数据转换成电发送机能够处理的串行同步数据。 4 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 6 两个专用光端机相互通信信号传递框图 图1 - 6 中由两条曲线隔开的左右两边各为一个光端机，虚线框内为光端机 数字信号处理器结构框图。主插件板的数字信号处理器将待传送的数据通过总 线传送到光端机数字信号处理器，光端机数字信号处理器收到数据后，转换成 一路编码后的二电平信号传递给数字激光发射机；在d s p 没有数据传递情况下， 光端机数字信号处理器输出对称方波。数字激光接收机接收到光纤通道传送过 来的光信号，光电转换后输送到光端机数字信号处理器，光端机数字信号处理 器将一路串行信号转换为总线信号输出给d s p 。根据设计要求光端机数字信号 处理器的实际数据收发速率应达到1 0 2 4 千比特每秒。 1 4 设计中用到的编程语言和计算机工具 可编程逻辑的编程语言采用硬件行为描述语言v e r i l o g h d l 。语言描述可能 精确和简练地表示电路的逻辑功能，其编程结构类似于计算机中的c 语言， 在描述复杂逻辑设计时，非常简洁，具有很强的逻辑描述和仿真能力，是未来 硬件设计语言的主流。计算机软件对它的逻辑进行编译，将其描述转换为经过 化简的布尔代数表达式( 即通常的最简与或表达式) ，编译软件再根据器件的特 点将表达式适配到具体的器件，最终形成p l d 器件的熔丝文件【7 j 。 接口转换电路的d s p 测试程序应用c 语言和汇编语言混合编程。单纯使用 汇编语言有其性能方面的优势，但是却延长了开发周期，降低了开发效率并且 汇编语言不易维护、升级和移植。c 语言具有接近汇编语言的效率，又具有高 级语言的易编程性等特点。但是，用c 语言进行针对d s p 的开发工作，会体现 出c 语言的局限性和不匹配的情况。所以程序中算法采用c 语言编写，访问 d s p 的特殊寄存器和中断入口程序使用汇编语言。 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 设计中使用a l t e r a 公司的q a r t u s h 编译环境并由q a r t u s h 综合出网表文件， q a r t u s h 选择的芯片库为e p m 7 0 6 4 s 一5 。仿真工具使用m o d e l s i ms e6 0 ，因 为q a r t u s h 内没有嵌入m o d e l s i m 仿真软件，所以在使用m o d e l s i m 仿真软件进行 仿真时建立m o d e l s i m 软件的工程文件，把v e r i l o gh d l 编写的i v 为后缀的文 件导入到m o d e l s i m 自己的工程文件里。之前需要把a l t e r a 的库文件添加到 m o d e l s i m 的库内。 d s p 程序的编译环境使用1 1 公司的c c s 3 x 4 x 编译软件，它是t i 公司为 t m s 3 2 0 c 3 0 0 0 系列和t m s 3 2 0 c 4 0 0 0 系列d s p 开发的专用软件。编译器没有为 用户提供程序的头文件，所以编写软件时必须先定义好用到的所有寄存器和中 断入口地址，编入头文件【1 5 1 。 文中接口转换电路的电路图绘制使用p r o t e l9 9 s e 。 1 5 论文内容安排 全文分为七章。 第一章绪论。绪论首先介绍了光纤纵差保护原理和通信系统结构，接下来 介绍了数字激光收发器结构特征以及对输入信号的要求和输出信号的特点，之 后提出了光端机数字信号处理器的基本设计思路，然后介绍本论文涉及到的编 程语言和计算机工具，最后给出了本论文的内容安排。 第二章电发送机模块设计。本章介绍了电发送机模块使用的码型、编码方 式、各子模块的设计思路并结合仿真结果对相关信号进行分析，最后给出电发 送机的功能仿真图。 第三章全数字锁相环的设计。本章主要内容介绍了用于时钟恢复的锁相环 模块的设计，讨论了一种锁相环的设计的原理，结构和实现方法，并对全数字 锁相环性能进行行为级分析和功能仿真分析。 第四章电接收机模块设计。本章主要介绍了电接收机的数据恢复模块、译 码模块和检错模块的设计思路并给出仿真结果和电接收机的功能仿真图。 第五章可编程逻辑综合及仿真。本章对可编程逻辑设计的代码进行综合， 并编写测试文件对可编程逻辑设计进行功能仿真。 第六章接口转换电路设计。本章介绍了光端机数字信号处理器与d s p 接 口电路的设计思路，并编写d s p 程序测试了电路功能。 第七章总结和提高。本章对整个设计作了总结，给出结论并对改进设计提 出了改进思路。 6 西北工业大学硕士学位论文第二章电发送机模块设计 第二章电发送机模块设计 一方面电发送机输出的电信号必须符合数字激光发射机对输入信号的要 求，所以电发送机对简单的二电平码编码后传输给数字激光发射机。另一方面 串行控制芯片的系统时钟也由电发送机提供。故此电发送机按功能划分为时钟 模块和编码模块，本章首先介绍了编码模块使用的线路码型和编码方式，然后 介绍了时钟模块的功能和设计方法，最后详细讨论了编码模块的设计方法。 2 1 线路码型和编码方式 2 1 1 线路码型 光端机数字信号处理模块内部各模块进行数据交换的信号码型和光端机数 字信号处理模块与光端机数字激光收发机数据交换的码型使用不归零码 ( n o n - r e t u r nt oz e r o ，n r z ) ，即用电平表示“1 ”或“0 ”。 2 1 2 线路编码方式 电发送机向数字激光发送机输入经过编码后的数字电信号来调制光源。线 路编码方式采用c m i 编码2 1 。c m i ( c o d e dm a r ki n v e r s i o n ) 码型是“伪双 极性码”，c m i 码的编码规则如表2 - 1 所示。 表2 - 1 电平c m i 码 模式1模式2 o o l0 l 11 10 0 c m i 编码对“1 ”编码时，“1 1 ”和“o o ”交替对电平“1 ”编码。 c m i 码有如下优点： 1 ) 线路二电平信号中“0 ”码元数和“1 ”码元数均等，消除了直流基线的 起伏； 7 西北工业大学硕士学位论文第二章电发送机模块设计 2 ) 在线路二电平信号中，连“0 ”和连“1 ”的个数都很少，c m i 电平相 同的码元数不大于3 ： 3 ) 可以自检误码，当出现“1 0 ”时出现误码，两个“1 1 ”或“o o ”没有 交替出现，此时二电平信号中也存在误码。 4 ) c m i 编码包含帧同步信息。 c m i 编码的缺点是编码冗余度增加了一倍。 2 2 时钟模块 钟。 时钟模块从系统时钟分频出编码模块和接口转换模块所需频率的驱动时 e l 啪3 2 n 4 o l l t _ o r i t ld i l e m t l t ! t 州：d i c - 2 m 图2 - 1 时钟模块r t l 图 时钟模块r t l 视图如图2 1 。它是图f 1 1 的时钟模块。它有两个输入，主 时钟c l k o r i g 和复位信号r e s e t ；输出有两个，一个分频出2 m 的时钟供给编码 模块对数据编码，另一个分频出8 m 的时钟供给接口转换电路用于驱动通信控 制芯片s a b 8 2 5 3 2 。 时钟分频通过状态机实现，如果使用计数器方式产生，芯片的功耗很大， 且会产生大量毛刺。 2 3 编码模块 编码模块对接口转换电路发送过来的数据进行线路编码，以适应数字激光 发射机的要求，线路编码采用c m i 编码方式。 8 西北工业大学硕士学位论文第二章电发送机模块设计 图2 - 2 编码模块r t l 图 编码模块输入输出r t l 图如图2 - 2 所示，它是图f 1 1 的编码模块。编码模 块有三个输入，编码时钟信号c l k2 m ，数据源信号u p l e n d a t a 和复位信号 r e s e t ；两个输出，编码信号e nd a t a 和同步时钟信号e l k1 m 。 时钟信号c l k2 m 输入到编码模块中，分频出通信控制器的同步串行时钟 c l k1 m ，c l k1 m 把数据信号n i le n d a t a 载入到编码模块，经编码模块编码后 由端口e l l 砌t a 输出，送给光发送机。 编码模块有四个子模块构成。这四个子模块包括，编码时钟生成模块，c m i 码高位比特生成模块，c m 【码低位比特生成模块和比特组合模块。c m i 编码属 于1 8 2 b 码型，每一个二进制数编码时用两个二进制数代替，速率也相应提高 一倍。故此数据源的编码波形可以用两个波形在时间轴上交替取得输出信号的 控制权来产生，这两个波形中，一个生成c m i 编码的高位比特，一个生成c m i 编码的低位比特。 2 3 1 编码时钟生成模块 c l kd i v n o 图2 - 3 编码时钟模块r t l 图 编码时钟生成模块输入输出r t l 视图如图2 - 3 所示。它与其他模块的连接 见图f 1 5 。它有两个输入端，编码时钟e l l c l k 和复位信号r e s e t ；两个输出端， c i v i l 编码高位生成模块驱动时钟信号c l k p r e 和c m i 编码低位生成模块驱动时 钟信号c l k l a s t 。 9 亘! ! 三些盔堂堡主堂垡笙茎箜三皇皇丝鲞垫堡堡堡笪 时钟c l k 一2 m 信号输入鲫一c l k ，二分频出两个时钟，它们频率相同相位相 反，输出后分别驱动c m i 码高位比特生成模块和c m i 码低位比特生成模块。 e l k2 m d kp r , e 瞅_ l a * t s t l s 【0 s t l 图2 - 4 时钟生成时序图 图2 4 是图f 3 5 仿真波形中信号c l k 一2 m 、e l k p r e 和c l k l a s t 的时序关 系，e l kp r e 和c l kl a s t 在c l k2 m 的下降沿翻转，并且在c l kp r e 的下降沿， 高位比特生成模块输出原始数据c m i 编码的高位；在e l kl a s t 下降沿，低位比 特生成模块输出原始数据c m i 编码的低位，两者各占用c l k2 m 的一个时钟周 期，即c l kp r e 和c 腩l a s t 的半个周期，交替出现形成原始数据的c m i 编码数 据流。时钟c l k p r e 也作为原始数据的同步时钟驱动串行通信控制器s a b 8 2 5 3 2 向电发送机发送数据。 2 3 2 低位比特生成模块 低位比特生成模块产生了c m i 码“0 1 ”中的二进制数“1 ”，“o o ”和“1 l ” 中低位的“o ”和“1 ”。 e n d a t al a s t n 2 图2 - 5 低位比特编码模块r t l 图 低位比特生成模块r t l 图如图2 5 所示。它与其它模块的连接见图f 1 5 。 它有三个输入端，低位比特编码时钟c l k l a s t 、原始数据信号u n e n d a t a 和复 位信号r e s e t ；一个输出端，低位比特编码输出e l l d a t a l a s t 。 在c l k l a s t 的下降沿，模块检测到u n e n d a t a 为低电平时输出二进制码 “1 ”；当模块检测到z l n e l l d a t a 为高电平时第一次输出二进制码“l ”，下一次 1 0 西北工业大学硕士学位论文第二章电发送机模块设计 输, , - a - 进制码“0 ”，“1 ”和“0 ”交替出现。 h i l d a t a d k _ 2 m d k t 嚣i l e n _ d a t a _ l a s t l e n _ d a t a _ o u t 1 s t l s 巾 s t l s t l 图2 - 6 原始数据c m i 码低位比特编码仿真图 图2 - 6 是图f 3 5 中与低位比特编码模块相关的信号时序关系。图2 - 6 中原 始数据信号o r i g d a t a 连接到原始数据信号输入端h l i e l i d a t a ，在游标左侧 o r i g d a t a 为高电平，低位比特生成模块在姗一l a s t 的下降沿检测到o r i g d a t a 值后，e l ld a t al a s t 输出为二进制数“1 ”；在e l k l a s t 的下一个下降沿检测到 o r i g d a t a 值为低电平，e nd a t a 1 a s t 输出为二进制数“l ”；在e l k l a s t 的第 三个下降沿检测到o r i gd a t a 值为高电平，e l i d a t al a s t 输出为二进制数“0 ”。 以后e nd a t al a s t 的输出依次类推。 2 3 3 高位比特生成模块 高位比特生成模块产生了c m i 码“0 1 ”中的二进制数“0 ”，“0 0 ”和“1 1 ” 中高位的“0 ”和“1 ”。 e n d a t a _ 9 r en 1 图2 - 7 高位比特编码模块r t l 图 高位比特生成模块r t l 如图2 - 7 所示，它与其它模块的连接见图f 1 5 。它 有三个输入端，高位比特编码时钟e l k p r e 、原始数据信号u l i e l i d a t a 和复位信 号r e s e t ；一个输出端，高位比特编码输出e l id a t a p r e 。 高位比特编码模块总是在e l k l y r e 的下降沿采样，当模块检测到u l i e l i d a t a 为低电平时输出二进制码“0 ”；当模块检测到u l i e l id a t a 为高电平时第一次输出 二进制码“1 ”，下一次输出二进制码“0 ”，“l ”和“0 ”交替出现。 l l 西北工业大学硕士学位论文第二章电发送机模块设计 o r i g d a t a 1 呷门几n 矧 1 广一 c k2 ms 1 0 几厂 几几几厂 e a _ d a t a _ p t e s t l厂厂 ，c - - e s t 0 厂 厂 厂 lc 厂 厂 厂 a n _ d a t a o u l s t l _ j _ j 叫广 厂 图2 - 8 原始数据c m i 码高位比特编码时序图 图2 8 是图f 3 5 中高位比特编码模块相关信号的时序图。图2 8 中，原始 数据信号o r i g d a t a 从数据信号输入端u l l e n d a t a 输入电发送机，在游标左侧， o r i g d a t a 为低电平，高位比特生成模块在c l kp r e 的下降沿检测到o r i g d a t a 值后，e nd a t ap r e 输出为二迸制数“o ”；在c l k p r e 的下一个下降沿检测到 o r i g d a t a 值为高电平，e l l d a t a p r e 输出为二进制数“0 ”；在游标右侧 e l k p r e 的第二个下降沿检测到o r i g d a t a 值为高电平，e l l d a t a p r e 输出为 二进制数“1 ”。其后e l ld a t a p r e 的输出以次类推。 2 3 4 比特组合模块 比特组合模块根据c m i 编码原理使得e n d a t a p r e 和e l l d a t a l a s t 在时 间轴上交替输出，生成原始数据的c m i 编码数据流。 图2 - 9 比特组合模块r t l 图 图示2 - 9 为根据v e r i l o g h d l 行为描述语言生成的比特组合模块的r t l 图， 它与其它模块的连接见图f 1 - 5 0c l k 一2 m 与d 触发器的时钟输入端相连，下降 沿触发输出，e l k p r e 与双路选择器e l l d a t a 1 的控制端连接，当d k p r e 为 高电平时，双路选择器输出e l l d a t a p r e 的值，否则输出双路选择器 e l l d a t a 0 的值，当c l k p r e 为低电平时e n d a t a 0 输出“1 ”否则输出 西北工业大学硕士学位论文 第二章电发送机模块设计 e ? l d a t a l a s t 的值。 口o d t ms m 几r r _。r 几几几门几几几几： 虹d a b 1 i _ r 厂 厂 厂 c k2 1 ds 旧 几几几几几nn 几几几几八n 几八八几几几兀几几几f r j k o r e s m nnr几几几n 厂 几门几几 咄i a 越 s n 7 厂7 厂7 门几n 门几几nr 厂 e n d a l a o r e s 岫 广广厂 目l d a i a - l a d s n jl 广 l r 1r 。- 1n r 蜀曩窭圈 a l l 图2 1 0 编码模块信号波形仿真图 图2 - l o 是图f 3 5 中与比特组合模块相关的信号的时序图。图2 - 1 0 所示同 步时钟c l o c kt m 在上升沿获得数据源的数据，传递给电发送机，数据源发送 过来的数据通过姗e n d a t a 输入电发送机的编码模块，数据源数据经编码模块 编码后经e n d a t a 端口输出编码数据肼d a t ao u t 。编码模块的c m i 码的比特生 成模块输出o r i gd a t a 的c m i 码的两个码型，经比特组合子模块将c m i 码的两 个码型组合后输出e l ld a t a o u t 数据流。在游标左侧e nd a t ao u t = 1 ，在下一 个时钟周期，比特生成模块检测到c l kp r e = o , c l kl a s t = l ，所以当前 e ? ld a t ao u t 取e nd a t al a s t 的值“l ”，电路再运行一个时钟周期时c l k p r e 为高电平，e l kl a s t 为低电平，所以e nd a t ao u t 输出纠d a t ap r e 的值“0 ”， 随时钟延续e nd a t ao u t 的波形如图所示。e nd a t ao u t 输出到数字激光发送 机，数据再由数字激光发送机沿光纤传输到光纤的另一端的数字激光接收机。 西北工业大学硕士学位论文 第二章电发送机模块设计 2 4 电发送机仿真 图2 - 1 1 电发送机仿真图 图2 1 l 的仿真图表明了电发送机能够将输入同步串行数据编码输出为速度 增加一倍的c m i 编码的二电平信号，输出给数字激光收发器。 2 5 本章小结 本章介绍了电发送机的设计方法和设计中用到的线路码型以及编码方式， 并对时钟生成模块和编码模块设计思路详细讨论。文中重点介绍了编码模块的 设计方法。依据c m i 编码方式的特点对编码模块的高位比特生成模块、低位比 特生成模块和比特组合模块的设计方法给出详细说明，结合仿真波形描述了三 个模块的信号时序以及三个模块之间信号传递时序。最后通过功能仿真，证明 了电发送机设计的正确性。 1 4 西北工业大学硕士学位论文 第三章全数字锁相环设计 第三章全数字锁相环设计 全数字锁相环是电接收机的子模块，锁相环接收到数字激光接收机发送过 来的二电平信号后，把译码时钟从中提取出来，译码模块用译码时钟驱动译码 电路。 3 1 全数字锁相环模块输入输出模型 d p l ln 1 图3 - 1 锁相环模块r t i , 图 锁相环模块r t l 图3 1 中有三个输入，二电平信号输入端，全局时钟输 入端g c l o c k 和复位信号，e 靶f ；一个输出端，译码时钟输出端屹一1 6 。与它连 接的模块见图f 1 1 。 2 全数字锁相环的结构原理 锁相环用来从二电平编码数据中提取时钟。锁相环由鉴相器、滤波器，振 荡器三部分构成。设计中参考了7 4 h c 2 9 7 锁相环模型，框图如3 2 所示，它 包括如下模块： 西北工业大学硕士学位论文第三章全数字锁相环设计 3 2 1 异或门鉴相器 图3 - 2 全数字锁相环功能框图 4 为环路滤波器提供坼和啦的相位差比例输出信号d n u p 。 晓= 0 “，厂 广 厂 m 厂 厂 厂 也厂 厂 厂 广 广 厂 厂 蚴：闩：伺：闩：闩：只：r ：r ：r ：r ：r ：r ：r 闩：闩：石= o ( a ) u 2 相位超前，幺 o 卜 地厂 厂 厂 m 厂 厂 厂 屹厂 厂 广 门厂 厂 厂 二二吨二且： ：且二 二二 二二 皿：f l ：且：几：乳二二睦二：陛i c o 图3 - 3 异或门鉴相器时序原理图【4 l 图3 - 3 的( a ) 和( b ) 中地，屹为对称方波，令蚴等于d 卯，石为的平均 值，和屹的相位误差为见，一三 晚 三时，锁相环保持跟踪状态。在( a ) 中， 和“z 的相位差为三，坼和“z 异或运算后输出，得到为对称方波，如果屿 的电压为1 伏，则石等于o 5 ，设此时的万为原点，则石= o 。当“：的波形相 1 6 耍! ! 三些查堂堡主堂垡笙奎墨三兰全墼兰壁塑堡堡生 位超前时，如图 所示，相位误差幺 o 。故可得石= 髟见。髟为常数。 3 2 2 模k 计数器 用作一阶环路滤波器。锁相环路使用环路滤波器的目的是为了得到所需要 的环路传递函数，可以通过环路滤波器的参数得到预定的带宽、阻尼等。它的 内部有两个模为k 的计数器，在d n u p 为高电平工作的d n 计数器和在 d n u p 为低电平工作的u p 计数器。两个计数器以蜥作为驱动时钟，当计数 器从0 计数到( k 一1 ) 时输出脉冲，l ，p 计数器输出c a r r y 一删，d n 计数器输 出b o r r o w p u l s e 。模k 一般取的较大，使得滤波器的相应速度较慢，即便是 输入频率变化比较大，v c o 输出频率也可以稳定地与输入信号的平均频率同 步。 3 2 3 频率调节器 用作为数控振荡器。在没有c a r r y p u l s e 或肋，7 研p p u l s e 时，频率调节器 的输出i d o u t 是驱动时钟一c l o c k 的二分频，1 1 ) 一c l o c k 的频率为2 脱。每当 一+ c a r r y 一删垃出现，1 d _ o 撕的上升沿提前圭驱动时钟周期输出，而每当一 b o r r o w p “船出现，1 1 ) _ o u t 的上升沿滞后三驱动时钟周期输出。频率调节 器以此来改变输出频率，达到相位跟踪的目的。 3 2 4n 分频计数器 对频率调节器的输出d o u t 分频，输出对称的时钟信号，该信号作为反 馈信号输入鉴相器。 3 3 数字锁相环的工作过程 锁相环的工作分为捕捉和跟踪两种状态哪。当没有二电平信号输入时，v c o 以静态频率( 频率的弧度表示) 震荡，如果有输入，开始时q 并不等于嘞。 1 7 西北工业大学硕士学位论文 第三章全数字锁相环设计 鉴相器输出的d n 一卯不对称，引起环路滤波器输出的c a r r y p u l s e 和 b o r r o wp u l s e 增加或减少，环路滤波器的输出变化引起v c o 输出的i d o u t 的 频率增加或减少，进而导致除n 计数器分频出的啦的频率变化。如果c o o c o , ， 在一个r o ( 参考时钟周期) 内d n 一卯为高电平的时间会增加，相应的 b o r r o w p u l s e 数量会增加， i do u t 的频率降低，也减小，经过一段时间， 和c o , 的频率相等；反之c o o 警= t 2 x 3 2 = 8 ，又因 4r叠 为膨= 2 ，取= 1 6 。故此得到屹2 考，置= 8 ，m = 3 2 ，= 1 6 5 把数学模型的值代入得： f = 堡2 m r o = 丽8 x 1 6 o 5 x 1 0 - 6 = 2 t o = 1 1 1 9 西北工业大学硕士学位论文第三章全数字锁相环设计 3 5 数字锁相环的性能分析 全数字锁相环性能分析应用参考文献 4 】的锁相环行为级性能仿真软件 “p l l d e s i g n a n ds i m u l a t i o n ”。根据设计要求，k = 8 ，m = 3 2 ，n = 1 6 ，全数 字锁相环采用异或门鉴相器，输入信号为2 m b i t s 。仿真图见图f 2 1 。得到锁 相环的锁定范围厶= 2 5 0 k h z ，3 d b 带宽频率为1 5 9 1 5 4 9 h z 。当输入波形的频 率阶跃a f = 1 2 5 k h z 时得到的相位差见和频率差4 疋= 正一名( 锁定状态下) 的 波形图3 - 5 。波浪线为见的波形图，锯齿波为4 疋的波形图。 如图3 5 所示，a 波形有一些毛刺，但输出频率平均值等于参考频率，只 一直为保持在4 5 度：f = 3 r = 3 ( 炒) 后已经锁定。 当输入波形的频率阶跃增加到4 厂= 2 4 0 k h z 时的波形图3 - 6 。 由图3 - 6 可知当t 1 8 9 s 时频率已经锁定，但相位误差晓接近9 0 度。 取k = 8 ，m = 3 2 ，n = 1 6 ，频率阶跃a f = 1 0 0 k h z ，参考输入为1 m 时的 波形图见图3 7 。锁相环在3 微秒后锁定，参考信号u a 与数控振荡器分频输出的 反馈信号地相位差包接近9 0 0 ，u ：的瞬时频率虽然有毛刺，但在频率1 1 m h z 上 下浮动己达到锁定状态。 取k = 8 ，m = 3 2 ，n = 8 时，得到厶= 5 0 0 0 0 0 h z ，五女= 3 1 8 3 0 9 9 。波形 图见图3 8 。 t h e t a _ e 【d e g d e l t af 2 【k h z 】 9 0 2 5 0 厂 ，- 严、 0 ，、 2 j 。9 0 几厂 i 几厂j几f_ i ir j 厂 一f 一_ y vyf v v yvv 。 j 5 0 了。 51 01 52 0 图3 - 5 数字锁相环瞬时频率与相位误差仿真图1 t u s l 堡! ! 三些盔兰堡主堂垡堡壅星三童全塑圭堡塑堑堡盐 t h e t a _ e 【d e g 】d e r a _ t 2 【k h z 】 ；0 l 雨li47i - i 一 ll川 ，u 阿叫1 | f1班m阿忒蛾。 2 0 1 5 0 。 打 1 0 0 7 0 51 0 1 52 0 图3 - 6 数字锁相环瞬时频率与相位误差仿真2 t 【u s l t h e t aed e g d e l t a伫k h z 姗 1 6 2 7 d 1 6 l 6 1 4 1 8 0 l ，1 2 cr 。 f lkk f l t 既 fuf f、 0 1y1yiyly 8 厂 如j 6 图3 7 数字锁相环瞬时频率与相位误差仿真3 图3 - s 中相位误差在三上下浮动，以8 微秒为周期变化，当相位误差变化 较大时，瞬时频率出现毛刺，但锁相环处于锁定状态。与图3 - 5 比较，相位误 差波形不如n = 1