（电路与系统专业论文）通用高速遥测接收位同步板卡设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 遥测接收系统是远距离接收动态目标信息的重要支持系统。位同步电路产生 的位同步信号则起着解调处理同步基准的关键作用，是后续帧格式解调和数据处 理的基础。虽然通用通信系统中的位同步技术已经比较完善，但是在各类基于p c m ( 脉冲编码调制) 的航空、航天测控系统中，位同步技术还有很大的研究空间。 目前国内还没有产品化的位同步器，而国外的产品虽然各项功能十分完备，但是 价格非常昂贵，因此有必要研制我们自己的位同步板卡。 本文首先介绍了无线遥测接收系统的发展状况和位同步器在无线遥测接收系 统中的地位，作为设计位同步板卡的背景。紧接着介绍了位同步器的概念和基本 方法。随后介绍了基于锁相法的位同步器电路的设计，详细介绍了逻辑设计以及 在指定器件上的时序仿真。本文所提出的位同步器电路包括积分滤波、码元重复 频率估计和数字锁相三个部分。积分滤波部分对数据进行滤波和迟滞比较，能够 滤除码元跳变沿附近的短脉冲干扰。码元重复频率估计部分采用了滑动平均的方 法使电路估计出的码元重复频率更加稳定，抗干扰能力得到增强。数字锁相部分 增加了超前、滞后统计电路，该电路利用已经得到的超前、滞后脉冲出现的频率 对将来的超前、滞后脉冲的出现进行预测，可以提高位同步器电路的保持时间。 传统板卡都是采用p c i 接口作为板卡与电脑通信的接口，但是在遥测接收系 统小型化、便携化的要求下，本文选择了u s b 2 0 接口作为位同步器板卡与电脑通 信的接口。因此本文在完成位同步器电路设计后，简要介绍了u s b 2 0 总线，然后 介绍了集成u s b 2 0 接口的控制器c y 7 c 6 8 0 1 3 芯片的特点。然后详细介绍了 c y 7 c 6 8 0 1 3 芯片的固件编程、u s b 2 0 接口电脑端的w d m 设备驱动程序设计和电 脑端的应用程序设计。 本文最后介绍了位同步板卡的硬件系统设计和硬件测试。本文最终在在a l t e r a 公司c y c l o n e l 7 系列e p 2 c 5 q 2 0 8 c 8 型号f p g a 中实现了本文所提出的位同步方法。 经过硬件实际测试，位同步电路能够同步的数据码率为5 m b p s 到1 5 m b p s 。位同步 板卡上的u s b 2 0 接口能够传输位同步器电路恢复出的数据。电脑端的u s b 2 0 驱 动程序能够识别位同步板卡，应用程序能够操作位同步板卡，能够完成高速数据 的传输。软件仿真和实际测试都表明设计达到了预期的目标。 关键词：遥测，位同步，u s b 2 0 ，w d m 驱动程序 a b s t r a c t a b s t r a c t 西et e l e m e t r yr e c e i v i n gs y s t e mi so n eo ft h ek e yb a c k u ps y s t e m si nr e c e i v i n gt h e r e m o t ed y n a m i ct a r g e ti n f o r m a t i o n ，n l eb i ts y n cs i g n a lf r o mt h eb i ts y n c h r o n i z e rt a k e s t h ek e yf u n c t i o no fd e m o d u l a t i o nt r e a t m e n ts y n c h r o n i s mr e f e r e n c ea n di ti st h eb a s ef o r t h es u b s e q u e n tp i c t u r ef o r m a td e m o d u l a t i o na n dd a t ap r o c e s s i n g t h o u g ht h eb i t s y n c h r o n i s mt e c h n o l o g yi n t h eg e n e r a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi s c o m p a r a t i v e l y c o m p l e t e d ，t h ev a r i o u sb i ts y n c h r o n i s mt e c h n o l o g yw h i c hi sb a s e do nt h ep c m u s e di n t h ea v i a t i o na n da s t r o n a v i g a t i o nt e l e m e t r ys y s t e ms t i l ln e e d sf u r t h e rr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t s of a r , t h e r ei s n oc o m m e r c i a l i z e db i ts y n c h r o n i z e r , w h i l et h eb i t s y n c h r o n i z e rf r o mt h ef o r e i g nc o u n t r yh a sb e e ne q u i p p e d 埘t hv a r i o u sf u n c t i o n s ，t h e p r i c ei st o oe x p e n s i v e a sa b o v em e n t i o n e d ，i ti sam u s tt l l a tc h i n as h o u l dd e v e l o pi t s o w nb i ts y n c h r o n i s ms h e e t f i r s t l y , t h i se s s a yi n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n do fb i ts y n c h r o n i s ms h e e tb yt a l k i n g a b o u tt h ed e v e l o p i n gc o n d i t i o no ft h ew i r e l e s st e l e m e t r yr e c e i v i n gs y s t e ma n dw h a tt h e p o s i t i o nt h eb i ts y n c h r o n i z e rh a st a k e ni nt h a ts y s t e m t h e n ，t h ea u t h o rt a l k sa b o u tt h e c o n c e p t ，t h eb a s i cm e t h o do fb i ts y n c h r o n i z e r t h i r d ，i ti n t r o d u c e st h ed e s i g na n d r e a l i z a t i o no ft h eb i ts y n c h r o n i z e rc i r c u i tb a s e do np h a s el o c kl o o pm e t h o d ，p u t t i n g g r e a te m p h a s i so nt h el o g i cd e s i g na n dt i m i n gs i m u l a t i o n 1 h eb i ts y n c h r o n i z e r p r o p o s e db yt h i sp a p e rc o n s i s t so fi n t e g r a lf i l t e r , s y m b o lp e r i o de s t i m a t i o nc i r c u i ta n d d i g i t a lp h a s el o c kl o o pc i r c u i t t h ei n t e g r a lf i l t e ri sc o m p o s e do fi n t e g r a t o ra n d h y s t e r e s i sc o m p a r a t o r , w h i c hc a nf i l t e rt h es h o r tp u l s en e a rd a t ae d g e 1 h es y m b o l p e r i o de s t i m a t i o nc i r c u i tm e a s u r e st h es y m b o lp e r i o db ym o v i n ga v e r a g eo p e r a t i o n ， w h i c hm a k e st h es y m b o lp e r i o dm e a s u r e m e n tm o r es t a b l e i nt h ed i g i t a lp h a s el o c kl o o p c i r c u i t ，t h i sp a p e rp u tf o r w a r dt h es t a t i s t i cc i r c u i tt os t a t i s t i ca d v a n c e do rl a g g e dt i m e w h i c hc a np r o l o n gt h eh o l dt i m eo f t h eb i ts y n c h r o n i z e r t h et r a d i t i o n a ls h e e ta d o p t st h ep c ii n t e r f a c ea st h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c et ot h e c o m p u t e r 洲l eu n d e rt h ec i r c u m s t a n c eo fm i n i a t u r i z i n ga n dm o b i l i z i n go ft e l e m e t r y r e c e i v i n gs y s t e m ，t h ea u t h o rc h o o s e st h eu s b 2 0a st h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e b e t w e e nt h eb i ts y n c h r o n i z e rs h e e ta n dt h ec o m p u t e r t h j se s s a yi n t r o d u c e su s b 2 0b u s a b s t r a c t a i d e rt h ei n t r o d u c t i o no ft h ed e s i g no fb i ts y c h r o n i z a t o r t h e n , i ti n t r o d u c e st h e c o n t r o l l e rc y 7 c 6 8 013c o r ew h i c hi su s e dt oi n t e g r a t et h eu s b 2 0i n t e r f a c e a tl a s t ，i t i n t r o d u c e st h ef i l l t l w a g ep r o g r a m m i n go fc y 7 c 6 8 0 1 3c o r e , t h ed r i v e np r o g r a m m e d e s i g no ft h ew d me q u i p m e n to nt h ec o m p u t e re n do fu s b 2 0i n t e r f a c ea n dt h e a p p l i c a t i o np r o g r a m m ed e s i g na tt h ec o m p u t e re n d a tl a s t , i ti n t r o d u c e st h eh a r d w a r ed e s i g na n dt e s t t h eb i ts y n c h r o n i z e rm e t h o d m e n t i o n e di nt h i se s s a yi sw e l lp r o v e no nt h ec y c l o n ei is e r i e se p 2 c 5 q 2 0 8 c 8t y p e f p g ao fa l t e r a b yh a r d w a r et e s t i n g , t h es y n c h r o n i z i n gd a t ac o d er a t eo ft h eb i t s y n c h r o n i z e rc i r c u i t i sf r o m 5 m b p st o 15 m b p s a c t u a l l y , t h eu s b 2 0o nb i t s y n c h r o n i z i n gs h e e tc a nt r a n s f e rt h er e c o v e r e dd a t af r o mb i ts y n c h r o n i z e rc i r c u i t t h e d r i v e np r o g r a m m eo fu s b 2 0a tt h ec o m p u t e re n dc a ni d e n t i f yt h eb i ts y n c h r o n i z i n g s h e e t ；t h ea p p l i c a t i o np r o g r a m m ec a no p e r a t et h es y n c h r o n i z i n gs h e e ta n dc a nr e a l i z e t h et r a n s f e ro ft h eh i g hs p e e dd a t a t h es i m u l a t i o na n da c t u a lt e s tc a np r o v et h a tt h e d e s i g nh a sa c h i e v e dt h et a r g e t k e y w o r d s ：b i ts y n c h r o n i z i n g , u s b 2 0 ，d a t at r a n s f e r , w d md r i v ep r o g r a m m e i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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 为获得电子科技大学或其它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己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 兰鏊日期：弘。罗年争月多日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：主兰整导师签名： 日期：妒夕年钼日 第一章引言 1 1 研究的现状及意义 第一章引言 现代无线遥测技术是计算机技术和现代通信技术的综合技术成果，在工业生 产、科学研究及国防上具有重要的意义。它随着工业生产的发展和军事上的需要 逐渐发展起来。其发展现状和趋势主要表现为如下几个方面： 1 大容量、高精度、高速率 容量是无线遥测系统可传输的信号数目。目前国内已经做到数百路信号，精 度达到偏差几度以下，传输速率达到几m b p s 。但是随着技术的发展，应用对无线 遥测系统的要求愈来愈高。目前我国在这一领域的技术水平与国际先进水平相比 还有很大的差距。因此研制大容量、高精度、高速率的无线遥测系统是非常必要 的。 2 系统的可靠性和适应性 随着目标载体的距离变化，周围环境( 如地形，天气等) 变化，接收机收到 的信号也会变得时强时弱，噪声的干扰造成差错的机会越来越多。所以无线遥测 系统的信息传输的可靠性和对系统工作环境的适应性是无线遥测技术重要的研究 课题之一。国内目前的技术水平还远不能满足实际应用需要。 3 综合性 目前的发展方向是把遥测遥控技术与跟踪技术、信息传输技术、计算机应用、 电源技术等综合在一起以提高系统的有效性和可靠性。综合的结果是大大地简化 了设备，提高系统的可用性，减小系统体积和功耗。国内现有的无线遥测系统一 般体积比较庞大，功耗相当高，通信效率比较低。为此，必须加强综合技术的研 究。 4 小型化，便携化 随着无线遥测技术的不断发展应用，实际应用对无线遥测接收系统的要求也 趋于多样化。有的应用仅要求无线遥测接收系统有高的数据传输速率，而一些应 用则对系统的功耗、体积等有要求。但不论是在军用还是民用，小型化、便携化 是无线遥测接收系统发展的一种必然要求。 5 系统的适应能力 电子科技大学硕士学位论文 目前设计的无线遥测接收系统，大都是按照特定的任务来设计的。因此，当 设备制成后，其性能完全由系统的硬件决定。系统传输的信号数目、信息速率、 采样频率、帧格式等基本上是固定的，虽然在定范围蠹霹以通过更换某些硬件 或连接线来改变工作状态，但变化总是很有限的，不能适应多方面的需要。为此， 就需要发展一种灵活、通用的可编程无线遥测接收系统，这种系统具有较强的自 适应能力与实时性能，能根据需要确定或改变系统的工作状态。把软件无线电的 设计理念引入遥测系统的设计中，使用计算机控制，实现对整个系统的动态控制， 当任务改变时，只要改变软件焉不必重新设计硬件系统。可编程a s i c 的出现，使 得电子系统的设计开发与传统方式相比发生了革命性的变化。f p g a 和c p l d 提供 的系统内可秀编程( i s p ) 能力，使得硬件功能设计可以像软停一样通过编程来修改 和开发。可以使电子系统设计在运行期间通过改变可编程a s i c 的配置来改变系统 功能，大大提高了电子系统设计的灵活性和通用能力，并且缩短开发周期，降低 设计成本。丽且f p g a 正朝着内嵌c p u 、d s p ，速度更快，容量更大方向发展， 是实现软件无线电设计理念的最佳选择之一。 由于各种通信理论和可编程器件的快速发展，数字通信已进入全盛时期。同 步又是数字通信系统的关键技术之一。位同步，或称码元同步、时钟数据恢复， 是要在接收端确定每一个码元的起丘时刻，它是在数字通信的诸多同步之中的酋 要闯题，没有位同步就无从解出传输的数字信息。虽然在通用通信系统中位同步 技术已经比较完善，但是同编码技术和调制解调技术相结合，还是有很大的研究 和应用前景。在各类基于p c m ( 脉冲编码调制) 的航空、航天测控系统中，载波 经过解调恢复出遥测基带信号后，首先要从遥测信号中提取与遥测信号码元同步 的位同步脉冲。位同步信号是后续帧格式解调和数据处理的基础，起着遥测解调 处理“同步基准”的关键作用。目前国内还没有产品化的位同步器，而国外的产 晶虽然各项功能十分完备，但是价格高达十几万元。比如美国u l y s s i x 公司生产的 位帧同步全长p c i 卡，具有网络、u s b 、p c i 等接口，还可以完成p c m 数据流的 解码，但是中国市场价格达1 7 万元。为此，有必要研制自融的位同步器【1 1 。 1 2 位同步技术和u s b 接口简介 同步是数字通信系统以及某些采用相干解调的模拟通信系统中的一个重要问 题。由于收发双方不在一地，要使它们能步调致协调工作，必须要有同步系统 来保证。在数字通信中，按照同步的功用分为：载波同步、位同步、群同步和网同 2 第一章引言 步【2 3 1 【4 】f 5 1 。当采用同步解调或相干检测时，接收端需要提供一个与接收信号中调 制载波同频同相的相干载波。这个载波的获取称为载波提取或载波同步。数字通 信中，除了有载波同步的问题外，还有位同步的问题。任何消息都是一连串信号 码元序列，所以接收时需要知道每个码元的起止时刻，才能在恰当的时刻进行取 样判决。我们把在接收端产生与接收码元的重复频率和相位一致的定时脉冲序列 的过程称为码元同步或位同步，而称这个定时脉冲序列为码元同步脉冲或位同步 脉冲。在数字通信中，信息流是用若干码元组成一个“字 ，又用若干“字组成 “句 。在接收端产生与“字 、“句 起止时刻相一致的定时脉冲序列，称为“字 同步和“句 同步，统称为群同步或帧同步。随着数字通信的发展，特别是计算 机通信的发展，多个用户需要相互通信而组成了数字通信网。显然，为了保证通 信网内各用户之间可靠地进行数据交换，还必须实现网同步，使得在整个通信网 内有一个统一的时钟节拍标准。同步系统性能的降低，会直接导致通信系统性能 的降低，其至使通信系统不能正常工作。可以说，在通信系统中，“同步 是进行 信息传输的前提。正因为如此，为了保证信息的可靠传输，要求同步系统具有更 高的可靠性。 基带信号若为随机的二进制不归零脉冲序列，那么这种信号本身不包含位同 步信号。为了获得位同步信号，就应在基带信号中插入位同步导频信号，或者对 该基带信号进行某种变换。这两种方法称为插入导频法和直接法【4 1 。 1 插入导频法【4 】 这种方法是在基带信号的零点处插入所需的位定时导频信号，如图1 1 所示， 其中，图1 1 ( a ) 为常见的双极性不归零基带信号的功率谱，插入导频的位置是 l 厂r ；图1 - 1 ( b ) 是表示经某种相关变换的的基带信号，其谱的第一个零点为1 2 t ， 插入导频应在1 2 t 处。 l 喊叻畎 ( a ) c o ) 图1 - 1 插入导频法频谱图 在接收端，对图1 1 ( a ) 的情况，经中心频率为l 厂r 的窄带滤波器，就可以从解 调后的基带信号中提取位同步所需的信号。这时，位同步脉冲的周期与插入导频 电子科技大学硕士学位论文 的周期一致；对于图1 1 ( b ) 的情况，窄带滤波器的中心频率应为i 2 t ，因为这 时位同步脉冲的周期为插入导频周期的1 2 ，故需将插入导频倍频后，才得所需的 位同步脉冲。 插入导频法的另一种形式是使数字信号的包络按位同步信号的某种波形变 化。在相移键控或频移键控的通信系统中，对已调信号进行附加的幅度调制后， 接收端只要进行包络检波，就可以形成位同步信号。 以上插入导频法都是在频域内插入的。事实上，同步信号也可以在时域内插 入，这时载波同步信号、位同步信号和数据信号分别配置在不同的时间内传输。 接收端用锁相环路提取出同步信号并保持它，就可以对后面的数据进行解调。 2 直接法【4 】 这一类方法是发端不专门发送导频信号，而直接从接收的数字信号中提取位 同步信号的方法。这是数字通信中经常采用的一种方法。直接提取位同步的方法 又分为滤波法和锁相法。 a 滤波法 对于不归零的随机二进制序列，不能直接从其中滤出位同步信号。但是，若 对该信号进行某种变换，例如，变成归零脉冲后，则该序列中就有f - - 1 t 的位同 步信号分量，其大小可由式( 1 1 ) 算出。 只( 叻= 乓( 川+ e ( w ) = z ( 1 一尸) lg l ( 厂) 一g 2 ( ，) 1 2 竺( 1 - 1 ) + l z p g l ( ，矿) + ( 1 一尸) g 2 ( 疗矿) 】1 26 ( 厂一，虻) 经一个窄带滤波器，可滤出此信号分量，再将它通过一移相器调整相位后， 就可以形成位同步脉冲。这种方法的方框图如图1 2 所示。 输入基带笪呈岖至 坼叠翌叫! 丑屯巫卜 r 厂 几几 l0l10 图l - 2 滤波法原理图 4 第一章引言 图1 3 基带信号微分、整流波 下面介绍几种具体的实现方法。 图1 2 原理图中的波形变化，在实际应用中可以是一微分、整流电路，经微分、 整流后的基带信号波形如图1 3 所示。可以看出这个波形虽然和图1 2 中的波形有 些区别，但是同样包含有位同步信号分量。另一种常用的波形变换方法是对带限 信号进行包络检波。在某些数字微波中继通信系统中，经常在中频上用对频带受 限的2 p s k 信号( 如图1 4 ( a ) 所示) 进行包络检波的方法来提取位同步信号。因频 带受限，在相邻码元的相位变换点附近会产生幅度的“陷落”，经包络检波后，可 得图1 4 ( b ) 所示的波形。可以看出它是一直流与图1 4 ( c ) 所示波形相减而组 成的，因此包络检波后的波形中包含如图1 4 ( c ) 所示波形的信息，而这个波形 中已含有位同步分量。因此，将它经过滤波器后就可以提出位同步信号。 b 锁相法 位同步锁相法的基本原理是，在接收端利用鉴相器比较接收码元和本地产生 的位同步信号的相位，若两者相位不一致( 超前或滞后) ，鉴相器就产生误差信号 去调整位同步信号的相位，直至获得准确的位同步信号为止。把采用锁相环来提 取位同步信号的方法称为锁相法。在数字通信中，常采用数字锁相法提取位同步 信号的信息。 由于现代电子设备大多趋向采用计算机控制，而几乎所有的c p u 和外部设备 都会提供u s b 总线的接口，u s b 总线已经是计算机系统中应用最为广泛、最为通用 的总线标准之一。而u s b 接口的便携，即插即用等优点是其它接口所不能达到的， 因此基于u s b 接口的设计成为一种重要的电子产品设计。 而现行遥测系统通常要求无线图像传输。在此背景下，本文提出了基于u s b 接口的通用高速位同卡设计，以完成无线遥测图像信号传输的位同步。 电子科技大学硕士学位论文 1 3 主要研究工作 在本课题中，笔者的主要研究王作内容有： 根据无线遥测图像传输的应用要求选择特定的位同步方法。对其进行性能分 析和软件仿真验证帮v e r i l o g 实现；进行f p g a 时序震仿真验证，设计出码元重复 频率锁定范围从5m h z 到1 5 m h z 的快速锁定位同步器。 熟悉u s b 总线原理，了解现行的集成了u s b 协议的芯片的功能。选择合适的 u s b 接躁芯片，并编写相应的v e r i l o g 代码控制u s b 接口芯片，使其能完戒通信 的功能。 设计基于u s b 接留的饿同步卡系统原理图及p c b 电路板，设计u s b 接口圆 件程序、驱动程序和应用程序，完成系统的软硬件调试。 论文主要内容安排如下： 第一章，介绍本课题研究的意义、发展现状和发展前景，概括本文研究的主 要内容。 第二章，介绍实现位同步电路的基本方法。在此基础上介绍了位同步电路的 逻辑设计，分析了该位同步电路的性能指标。 第三章，简单介绍通用串行总线( u s b ) 接宙技本的特点与规划、以及集成 u s b 协议的芯片的特点。详细介绍u s b 接口的设计，f p g a 与u s b 接口芯片的接 蜀设计、固件设计、驱动设计和应用程序设计。 第四章，介绍硬件系统的设计实现。 第五章，介绍对遥测接收位同步板卡的测试。给出在硬件平台上的测试结果， 验证位同步板卡的功能。 第六章，总结全文，展望下一步的工作。 6 第二章位同步的概念、方法与设计 第二章位同步的方法与位同步器电路设计 本章将介绍位同步器电路的基本方法和位同步器电路的设计实现。 2 1 数字锁相位同步方法简介 数字锁相环的原理框图如图2 1 所示，由高速振荡器，分频器，相位比较器和 控制器组成。 图2 1 超前、滞后数字锁相环原理框图 其中，控制器包括图中的相位比较器和多路选择器。晶振产生的信号经整形 电路变成周期性脉冲，然后送入多路选择器，其经过2 分频的信号也送入多路选 择器。多路选择器的输出送入n 分频器，得到输出位同步脉冲序列。若接收码元 的速率为f ( h z ) ，则要求位同步脉冲的重复速率也为f ( h z ) 。这里，晶振的振 荡频率设计为2 * n * f ( h z ) ，由晶振输出经整形得到重复频率为2 * n * f ( h z ) 的窄 脉冲( 图2 2 a ) ，2 分频器、多路选择器和n 分频后，就可得重复频率为f ( h z ) 的位同步信号( 图2 - 2 c ) 。如果接收端晶振输出经2 n 次分频后，不能准确地和收 到的码元同频同相，这时就要根据相位比较器输出的误差信号，通过控制器对多 路选择器进行调整。调整的原理是当分频器输出的位同步脉冲超前于接收码元的 相位时，相位比较器迭出一超前脉冲，多路选择器使o 路通过，以扣除一个a 脉 冲( 图2 - 2 d ) 。这样，分频器输出脉冲的相位就推后1 n 周期( 3 6 0 0 n ) ，如图( 2 2 e ) 所示。若分频器输出的位同步脉冲相位滞后于接收码元的相位，相位比较器送出 一滞后脉冲，加于多路选择器，使2 * n * f 频率信号插入在原a 路脉冲之间( 图2 2 f ) ， 7 电子科技大学硕士学穰论文 使分频器的输入端添加了一个脉冲。于是，分频器的输出相位就提前l 恕周期( 图 2 - 2 9 ) 。经过这样的反复调整相位，即实现了同步。 | | illl | | l s g lll ll | ul 嘞| l | | ls gl lll 1 。t m l n f ( de 二= 二= 二二嚣d n 123 n 2n 1 n i2 ( 哟 ( e ) ( o c a ) 1 1 - l n12 3 s s lllll 豳2 - 2 佼同步脉冲豹相位调整 由以上超前滞后锁相环法原理可以知道，该方法把本地高频时钟先2 分频蒋 送入n 分频器。这对予采用f p g a 的设计来说是降低系统的运行时钟频率为原来 的半，不适合采用f p g a 来实现。从其调整的机理来看，是采样同步脉冲时钟 周期，反馈到下一个同步时钟周期，反馈速度比较慢。如果阉步时钟周期和数据 周期完全相等，根据超前、滞后锁相环的超前、滞后信号的产生方法【l 】和系统中的 延时，有可能出现超前、滞后信号各出现半个本地高频时钟周期的情况，此时对 多路选择器而言最终通过三路信号中的哪路是未知的，会萼| 入额铃的时钟抖动。 为此，本文改进了数字锁相法位同步器。其基本原理框图如图2 3 所示。 图2 - 3 改进位同步方法蹶理框黧 晶振产生的高频时钟经过整形后直接送入n 分频器，分频产生同步时钟；1 1 分 8 第二章位同步的概念、方法与设计 频器由计数器构成，当边沿检测器检测到接收码元的边沿时清零1 1 分频计数器。 若接收码元的重复频率为f ( i - i z ) ，则晶振的振荡频率为n * f ( h z ) ，经过整形后得到 重复频率为n * f ( h z ) 的窄脉冲，经过n 分频器后得到同步时钟的重复频率为f ( h z ) 。 同步时钟的相位和接收码元的相位的一致性由边沿检测器检测到码元跳变沿并清 零1 1 分频器保证。清零信号使同步时钟的起始位置和接收码元的起始位置一致， 以达到相位同步的目的。其具体的调整方式如图2 - 4 所示。 ( a ) 厂一髂 几 s s 0l 23 n 1 1 1 0 。duu船u1 0l2 3 。磅uu n 0 0 s s iil 01 23 n 2n 10 s s 图2 - 4 边沿法位l 司步相位调整 图2 - 4 ( a ) 为接收码元，图2 _ 4 ( b ) 为接收到的码元的边沿，图2 叫c ) 为由振荡器 和整形电路产生出的脉冲，图2 - 4 ( d ) 是码元周期，图2 - 4 ( e ) 是码元周期大于同步 时钟的周期的情况，图2 - 4 ( f ) 是码元周期小于同步时钟周期的情况。可见，在数据 边沿清零n 分频的计数器可以达到同步接收码元和同步时钟相位的目的。超前、 滞后信号用于跟踪接收码元周期的漂移。如果接收码元的数据周期变长，则增加 同步时钟周期，如果接收码元的数据周期变短，则减小同步时钟周期。 由上述原理可以知道，改进位同步调整方法直接采用振荡器的整形后的时钟 作为系统时钟，较超前、滞后方法的2 分频后作为系统时钟更适合采用f p g a 器 件实现；改进位同步方法在每一个数据边沿使同步时钟和码元相位同步，其调整 的速度远远大于超前、滞后锁相环法；而同步时钟周期和码元周期完全相同时对 于超前滞后法所造成的问题对于改进位的同步方法完全不会有影响；且改进的位 同步方法电路结构简单，在用f p g a 实现时利于提高系统时钟。 9 电子科技大学硕士学位论文 2 2 位同步器电路的设计 本文设计的位同步板卡需要在一定码元重复频率范围内自动锁定码元的功 能，因此该位同步板卡应具有自动估计码元重复频率、自动锁相的功能。而前文 只简要介绍了位同步方法的锁相部分，本节将介绍位同步电路的整体实现。具有 自动测量码元重复频率和自动锁相功能的位同步电路的具体框图如图2 5 所示，其 中频率估计电路完成码元周期的测量。 图2 5 自动测频位同步器原理框图 2 2 1 积分滤波器和边沿检测器的设计 1 积分滤波器的设计：输入的随机码元，由于噪声的存在和信道的干扰，码元 本身存在幅度抖动和相位抖动。对于噪声引起的幅度抖动，我们可以采用滤除随 机数字短脉冲的方法。对于数字信号，每个码元的边沿幅度抖动是造成码元相位 判断误差的直接原因，而码元中间的幅度抖动，只要信号的信噪比不是太低( 噪 声的幅度超过门限) ，它对于相位的判断影响就很小，所以有必要对输入的数字信 号进行滤波，以滤除码元周期内突然出现的短脉冲。同时也有必要滤除码元中间 出现的短脉冲，以利于对整个码元周期的判定【l 】。没有增加积分滤波模块的接收码 元的仿真波形如图2 6 所示。仿真所采用的接收码元是在m a t l a b 中生成的一个序 列( 单极性低电平用o 表示，高电平用1 表示) 。码元经过一个a = 0 5 的升余弦滤波 器( 采样率为3 2 倍码率) 后，再经过信噪比为1 0 d b 高斯信道形成接收码元。对于 f p g a 实现的位同步器，其输入是数字逻辑信号，f p g a 管脚l o 标准采用 i ：v 1 广r l 3 3 v ，因此在m a t l a b 中o 、1 判决的门限按照i v r r l 3 3 v 标准，输入信号 大于2 v 时判定为高；输入信号小于0 8 v 时判定为低：输入介于两者之间时保持 一个判决值。由图2 6 可明显看出接收码元的数据边沿出现短脉冲。滤除短脉冲的 1 0 第二章位同步的概念、方法与设计 方法为：使用n 倍码速率( 采样周期t ) 对输入的数字信号采样，并且对一定时 间内( 小于一个码元周期) 的采样值进行累加，当累加到一定的值后不再累加， 仅保持以前的累加值：如果数据信号为低则对寄存器减1 ，当减到一定值的时候保 持当前值。寄存器的值大于l 的时候判定数据信号为高，当寄存器的值小于1 的 时候判定数据信号为低，在两者之问的值保持为数据信号的当前值，其作用效果 简图如图2 7 所示。这样，积分滤波器就用数字的方法设计了一个低通滤波、迟滞 比较器。积分滤波器的时序仿真图如图2 8 所示，c n t 为累加器，由图可以看出积 分滤波器能够滤除数据边沿的短脉冲。 原数字信号序列 ： 皿珊衄! 叫 01 口 】0 坷 02 0 04 0 06 0 0 8 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 01 8 0 02 0 0 0 经过升余弦滤波过后的序列 5r _ 1 1 r - r _ r r r _ r 1 淖心j r 叭卜n 、j 、 心i f 一、 nn 0 、j 娥 巧l 一。j 0 2 0 04 0 06 0 0 8 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 01 8 0 02 0 0 0 经过高斯信道后的序列s n r = 1 0 d b ：阿驴两可丽丽四鼍口丽瓣 - 5 l 一- 。一一一- - _ j 02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 0 1 2 0 01 4 0 01 6 1 8 2 0 0 0 经过i o 口判决过后的数字信号 2 广_ _ 1 1 1 一r r r r ：8j 口i 口舳00 睫口30 ，f 】二b 二8 | ) n | i n f 1 02 0 04 0 06 0 0 8 0 01 0 0 01 2 1 4 0 01 6 0 01 8 0 02 0 0 0 图2 - 6m a t l a b 产生的仿真接收码元信号 u 3 3 0 恢复出的码元 图2 7 积分滤波器的作用效果示意图 pp = 5 2 ；0on i 6 4 0on s9 8 0on sl 2 口： i6u = 1 1 4 t 5n e l 】_ _ 厂一 蛐哪舢岍删删唧删唧删姗删咖唧删呻删邮哪姗哪叫唧 广 几 m 1 l 广 n n 一广 几眦厂 【二厂l 一厂1 - 一厂l 厂 粥栅l 憋 忙! 二：忙= 国糟惭蝴粘 削2s 根分滤波甜fr l - 忻冗剀 2 边沿检测器的设计：现在常用的边沿检测器有两种实现方法图2 - 9 所示为 同步型边沿检测器 6 1 ，信号经过一个d 触发器被延迟一个系统时钟，将这个被延 迟的信号与原信号异或就可以得到信号的边沿。得到的信号的边沿脉冲宽度为一 个系统时钟周期。其时序仿真如图2 1 0 所示。图2 儿所示为异步类型边沿检测器 ”】，数据上升沿到达时，d 触发器输出为高，将其接入到d 触发器的异步清零端 清零d 触发器，从而得到一个高脉冲；如果对输入数据取非，则可以检测下降沿， 把上升沿脉冲和下降沿脉冲相或运算，则可以检测数据的跳变沿。其时序仿真如 图2 1 2 所示。 ：首一 h2 - 9 同步刑边“j 检测器 蚓2 1 0 同步型边沿检测器时序仿真 幽2 1 1 异步边沿榆删器 一 。 二羔一 一c d 门时到 第二章位同步的概念、方法与设计 _ 弧 量- l 爹0 d t - 静l f i 屯w t 图2 1 2 异步型边沿检测器时序仿真图 2 2 2 频率估计电路的设计 频率估计电路的作用是尽可能准确地估计码元重复频率。其最基本的原理就 是用本地高频时钟计数两个码元跳变沿之间的本地高频时钟周期个数。然而，接 收码元的跳变沿之间的时间并不一定为码元周期。因此选定一段时间内的测量值 中的最小值作为码元的周期。如果仅仅采用一段时间内的最小值作为码元的周期， 则频率估计电路容易受到噪声的影响而误估计码元周期，使得估计出的码元周期 比实际周期偏小甚至完全错误。本文所采用的频率估计电路将着力解决这个问题， 频率估计电路的结构简图如图2 1 3 所示。 图2 1 3 频率估计电路原理简图 1 3 电子科技大学硕士学位论文 输入信号为前级的边沿检测器的输出信号；输出信号为r e g 3 中存储的估计 出的码元周期。上电复位后，c n t l 计数两个码元跳变沿之间的本地高频时钟个数， 并存储一段时间内的最小值，作为捕获到的码元周期，存储到r e g 2 中；当此段 时间之后的另一段时间内出现了与存储值的差的绝对值不超过4 的码元，则认定 前一段时间内捕捉的码元周期为有效周期，如果没有出现，则认为前一段时间内 捕捉的码元周期为无效，重新开始捕捉；当捕获到码元周期后，如果接下来的两 码元跳变沿之间的本地高频时钟个数与捕获到的码元周期的差不超过4 个本地高 频脉冲个数则把此值存入存储器中，否则不做任何操作；当存储器中的值存满后， 对其中的所有值取平均，存入r e g 3 中，作为频率估计值；当频率估计值与r e g 2 中存储的值的差超过2 时，认为捕获到的码元周期不精确，用r e g 3 中的值替代 r e g 2 中的值；当出现比r e g 2 中的值小6 的码元周期时先将其存入r e g l 中，在 接下来的一段时间内如果没有出现与r e g l 中的值相差4 的码元周期出现，则认 为存储于r e g l 中的值是干扰，如果出现与r e g l 中的值相差4 的码元周期，则 认为r e g l 中存储的值为码元周期，将其存入r e g 2 中。 其具体的操作步骤如下，上电复位后的一段时间内，由c n t l 计数器计数两 个边沿之间的本地高频时钟个数，并用比较器a 3 与r e g 2 中存储值相比较，如果 计数器值小于存储值，则用计数器值替代存储值。该过程所经过的时间由计数器 c n t 2 决定。该阶段完成后，在接下来的一段时间内如果a 4 ，a 5 都有效( 即与门 输出有效，表示接收到的码元周期大于捕获值减去4 ，小于捕获值加上4 ) ，则表 示此码元周期捕获正确，该阶段所花的时间由计数器c n t 2 计数决定。第二阶段 完成后，如果a 4 ，a 5 都有效( 即与门输出有效，表示接收到的码元周期大于捕 获值减去4 ，小于捕获值加上4 ) ，则表示该码所占用时间为一个码元所占用时间， 则使能e n a b l e 把此值存储到m e m o r y 中。当m e m o r y 存满后，对其中的值 取平均，则得到相对准确的频率估计值存储于r e g 3 中。如果r e g 3 中的值与r e g 2 中的值的差大于2 ( 比较器a