??? 1. 掌握數(shù)字鎖相環(huán)工作原理以及觸發(fā)式數(shù)字鎖相環(huán)的快速捕獲原理。
??? 2. 掌握用數(shù)字環(huán)提取位同步信號的原理及對信息代碼的要求。
3. 掌握位同步器的同步建立時間、同步保持時間、位同步信號同步抖動等概念。

二、?實驗內(nèi)容

??? 1. 觀察數(shù)字環(huán)的失鎖狀態(tài)、鎖定狀態(tài)。
??? 2. 觀察數(shù)字環(huán)鎖定狀態(tài)下位同步信號的相位抖動現(xiàn)象及相位抖動大小與固有頻差、信息代碼的關(guān)系。
3. 觀察數(shù)字環(huán)位同步器的同步保持時間與固有頻差之間的關(guān)系。

三、?基本原理

??? 可用窄帶帶通濾波器，鎖相環(huán)來提取位同步信號。實驗一中用模數(shù)混合鎖相環(huán)（電荷泵鎖相環(huán)）提取位同步信號，它要求輸入信號是一個準(zhǔn)周期數(shù)字信號。實驗三中的模擬環(huán)也可以提取位同步信號，它要求輸入準(zhǔn)周期正弦信號。本實驗使用數(shù)字鎖相環(huán)提取位同步信號，它不要求輸入信號一定是周期信號或準(zhǔn)周期信號，其工作頻率低于模數(shù)環(huán)和模擬環(huán)。
用于提取位同步信號的數(shù)字環(huán)有超前滯后型數(shù)字環(huán)和觸發(fā)器型數(shù)字環(huán)，此實驗系統(tǒng)中的位同步提取模塊用的是觸發(fā)器型數(shù)字環(huán)，它具有捕捉時間短、抗噪能力強(qiáng)等特點。位同步模塊原理框圖如圖5-1所示，電原理圖如圖5-2所示（見附錄）。其內(nèi)部僅使用+5V電壓。

圖5-1? 位同步器方框圖

位同步模塊有以下測試點及輸入輸出點：
??? ? S-IN?????基帶信號輸入點/測試點（2個）
? BS-OUT?????位同步信號輸出點/測試點（3個）
??? 圖5-1中各單元與電路板上元器件的對應(yīng)關(guān)系如下：
??? ? 晶振?????CRY3：晶體；U39：7404
??? ? 控制器?????U48：或門7432；U41：計數(shù)器74190
??? ? 鑒相器?????U40：D觸發(fā)器7474
??? ? 量化器?????U45：可編程計數(shù)器8254
??? ? 數(shù)字環(huán)路濾波器???由軟件完成
??? ? 數(shù)控振蕩????U46、U45：8254
??? ? 脈沖展寬器????U47：單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74123
??? 位同步器由控制器、數(shù)字鎖相環(huán)及脈沖展寬器組成，數(shù)字鎖相環(huán)包括數(shù)字鑒相器、量化器、數(shù)字環(huán)路濾波器、數(shù)控振蕩器等單元。
??? 下面介紹位同步器的工作原理。
??? 數(shù)字鎖相環(huán)是一個單片機(jī)系統(tǒng)，主要器件是單片機(jī)89C51及可編程計數(shù)器8254。環(huán)路中使用了兩片8254，共六個計數(shù)器，分別表示為8254A0、8254A1、8254A2、8254B0、8254B1、8254B2。它們分別工作在M0、M1、M2三種工作模式。M0為計數(shù)中斷方式，M1為單穩(wěn)方式，M2為分頻方式。除地址線、數(shù)據(jù)線外，每個8254芯片還有時鐘輸入端C、門控信號輸入端G和輸出端O。
數(shù)字鑒相器電原理圖及波形圖如圖5-3（a）、圖5-3（b）所示。輸出信號寬度正比于信號ui及uo上升沿之間的相位差，最大值為ui的碼元寬度。稱此鑒相器為觸發(fā)器型鑒相器，稱包含有觸發(fā)器型鑒相器的數(shù)字環(huán)路為觸發(fā)器型數(shù)字鎖相環(huán)。

圖5-3? 數(shù)字鑒相器

量化器把相位誤差變?yōu)槎噙M(jìn)制數(shù)字信號，它由工作于M0方式、計數(shù)常數(shù)為N0的8254 B2完成（N0為量化級數(shù)，此處N0=52）。ud作為8254B2的門控信號，ud為高電平時8254B2進(jìn)行減計數(shù)，ud為低電平時禁止計數(shù)，計數(shù)結(jié)束后從8254B2讀得的數(shù)字為
Nd= N0-N’d
式中N’d為ud脈沖寬度的量化值（下面用量化值表示脈沖寬度和時間間隔），N0≥N’d，讀數(shù)結(jié)束后再給8254B2寫入計數(shù)常數(shù)N0。讀數(shù)時刻由8254A2控制，它工作在M1模式，計數(shù)常數(shù)為N0，ui作為門控信號。一個ui脈沖使8254A2產(chǎn)生一個寬度為N0的負(fù)脈沖，倒相后變?yōu)檎}沖送到89C51的 端，而89C51的外中斷1被設(shè)置為負(fù)跳變中斷申請方式。由于8254A2產(chǎn)生的脈沖寬度不小于ud脈沖寬度且它們的前沿處于同一時刻，所以可以確保中斷申請后對8254B2讀數(shù)時它已停止計數(shù)。
??? 數(shù)字環(huán)路濾波器由軟件完成。可采用許多種軟件算法，一種簡單有效的方法是對一組N0作平均處理。設(shè)無噪聲時環(huán)路鎖定后ui與uo的相位差為N0/2，則在噪聲的作用下，鎖定時的相位誤差可能大于N0/2也可能小于N0/2。這兩種情況出現(xiàn)的概率相同，所以平均處理可以減小噪聲的影響，m個Nd值的平均值為
????????（5-2）
數(shù)字濾波器的輸出為
??????????????????????? Nc = No / 2 + Nd????????(5-3）
數(shù)控振蕩器由四個8254計數(shù)器及一些門電路構(gòu)成，其原理框圖如圖5-4所示，圖中已注明了各個計數(shù)器的工作方式和計數(shù)常數(shù)。
??? 以下分析環(huán)路的鎖定狀態(tài)及捕捉過程，此時不考慮噪聲的影響。

圖5-4? 數(shù)控振蕩器

??? 環(huán)路開始工作時，軟件使8254B0和8254B1輸出高電平，從而使8254A1處于計數(shù)工作狀態(tài)、8254B1處于停止計數(shù)狀態(tài)，G6處于開啟狀態(tài)，8254A1輸出一個周期為N0的周期信號。若環(huán)路處于鎖定狀態(tài)，則N’d=N0/2，由式（5-1）及式（5-2）得Nd=N0/2。此時89c51的P1.4口不輸出觸發(fā)脈沖，8254A0輸出端仍保持初始化時的高電平，從而使8254B0的門控端G保持低電平、輸出端O保持高電平。這樣可保持8254A1、8254B1的工作狀態(tài)不變、環(huán)路仍處于鎖定狀態(tài)。若環(huán)路失鎖，則N’d≠N0/2，Nd≠N0/2，P1.4口輸出一個正脈沖u2，在u2作用下，8254A0輸出一個寬度為N0的負(fù)脈沖，倒相后變?yōu)檎}沖u3送給與門G2。G2的另一個輸入信號u1來自8254A1。在G1輸出的寬度為N 0的正脈沖持續(xù)時間內(nèi)，8254A1一定有（也只有）一個負(fù)脈沖信號輸入，此負(fù)脈沖經(jīng)G4倒相后與G1輸出的正脈沖相與后給8254B0的G端送一個觸發(fā)信號u4。在u4的作用下，8254B0輸出一個寬度為N0-2的負(fù)脈沖。在這段時間內(nèi)，8254A1停止計數(shù)工作，8254B1進(jìn)行減計數(shù)且在此時間內(nèi)的最后一個時鐘周期輸出一個負(fù)脈沖。8254B0輸出的負(fù)脈沖的后沿重新啟動8254A1，使它重新作÷N0分頻。設(shè)m=1，上述過程的有關(guān)波形如圖5-5所示，圖中u?O為環(huán)路鎖定狀態(tài)下數(shù)控振蕩器的輸出信號。由圖5-5可見，不管失鎖時相位誤差多少（不會大于N0），只要對數(shù)控振蕩器作一次調(diào)整，就可使環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)，從而實現(xiàn)快速捕捉。
??? 程序流程如圖5-6所示，輸入信號ui使IE1置“1”，且使8254B2計數(shù)，對IE1進(jìn)行位操作時又使之置“0”。由于量化誤差，故當(dāng)Nd為N0／2，N0/2＋1或N0/2－1時，環(huán)路皆處于鎖定狀態(tài)，不對數(shù)控振蕩器進(jìn)行調(diào)整。程序中令m=16，進(jìn)行16次鑒相后做一次平均運(yùn)算，若發(fā)現(xiàn)環(huán)路失鎖，則對數(shù)控振蕩器進(jìn)行一次調(diào)整。
??? 控制器的作用是保證每次對8254B2進(jìn)行讀操作之前鑒相器只輸出一個正脈沖，它由或門7432（U5:B）及16分頻器74190（U13）組成。

圖5-5? 捕獲過程波形

??? 當(dāng)數(shù)字環(huán)輸入信號的碼速率與數(shù)控振蕩器的固有頻率完全相同時，環(huán)路鎖定后輸入信號與反饋信號（即位同步信號）的相位關(guān)系是固定的且符合抽樣判決器的要求（當(dāng)然開環(huán)時它們的相位誤差也是固定的，但不符合抽樣判決器的要求）。輸入信號碼速率決定于發(fā)送端的時鐘頻率，數(shù)控振蕩器固有頻率決定于位同步器的時鐘頻率和數(shù)控振蕩器固有分頻比。由于時鐘信號頻率穩(wěn)定度是有限的，故這兩個時鐘信號的頻率不可能完全相同，因此鎖相環(huán)輸入信號碼速率與數(shù)控振蕩器固有頻率不可能完全相等（即環(huán)路固有頻差不為0）。數(shù)字環(huán)位同步器是一個離散同步器，只有當(dāng)輸入信號的電平發(fā)生跳變時才可能對輸入信號的相位和反饋信號的相位進(jìn)行比較從而調(diào)整反饋信號的相位，在兩次相位調(diào)整的時間間隔內(nèi)，反饋信號的相位相對于輸入信號的相位是變化的，即數(shù)字環(huán)位同步器提取的位同步信號的相位是抖動的，即使輸入信號無噪聲也是如此。

圖5-6? 鎖相環(huán)程序流程

??? 顯然，收發(fā)時鐘頻率穩(wěn)定度越高，數(shù)字環(huán)的固有頻差就越小，提取的位同步信號的相位抖動范圍越小。反之，對同步信號的相位抖動要求越嚴(yán)格，則收發(fā)時鐘的頻率穩(wěn)定度也應(yīng)越高。
??? 位同步信號抖動范圍還與數(shù)字位同步器輸入信號的連“1”或“0”個數(shù)有關(guān)，連“1”或“0”個數(shù)越多，兩次相位調(diào)整之間的時間間隔越長，位同步信號的相位抖動越大。
??? 對于NRZ碼來說，允許其連“1”、連“0”的個數(shù)決定于數(shù)字環(huán)的同步保持時間tc。tc與收發(fā)時鐘頻率穩(wěn)定度?、碼速率RB、允許的同步誤差最大值 的關(guān)系為：
tC =η/（2RBε）
tC的定義是：位同步器輸入信號斷開后，收發(fā)位同步信號相位誤差不超過 的時間。
關(guān)于數(shù)字環(huán)位同步器的工作原理，可參考文獻(xiàn)[3]、[4]、[5]。
用模擬環(huán)位同步器或模數(shù)環(huán)位同步器提取的位同步信號的相位抖動與固有頻差無關(guān)，但隨信息碼連“1”、連“0”的個數(shù)增多而增大。

四、?實驗步驟

??? 本實驗使用數(shù)字信源單元和位同步單元。
??? 1、熟悉位同步單元工作原理。將數(shù)字信源單元的NRZ-OUT連接到位同步單元的S-IN點，接通實驗箱電源。調(diào)整信源模塊的K1、K2、K3開關(guān)，使NRZ-OUT的連“0”和連“1”個數(shù)較少。
??? 2、觀察數(shù)字環(huán)的鎖定狀態(tài)和失鎖狀態(tài)。
將示波器的兩個探頭分別接數(shù)字信源單元的NRZ-OUT和位同步單元的BS-OUT，調(diào)節(jié)位同步單元上的可變電容C2，觀察數(shù)字環(huán)的鎖定狀態(tài)和失鎖狀態(tài)。鎖定時BS-OUT信號上升沿位于NRZ-OUT信號的碼元中間且在很小范圍內(nèi)抖動；失鎖時，BS-OUT的相位抖動很大，可能超出一個碼元寬度范圍，變得模糊混亂。
??? 3、觀察位同步信號抖動范圍與位同步器輸入信號連“1”或連“0”個數(shù)的關(guān)系。
調(diào)節(jié)可變電容使環(huán)路鎖定且BS-OUT信號相位抖動范圍最小（即固有頻差最小），增大NRZ-OUT信號的連“0”或連“1”個數(shù)，觀察BS-OUT信號的相位抖動變化情況。
??? 4、觀察位同步器的快速捕捉現(xiàn)象、位同步信號相位抖動大小及同步保持時間與環(huán)路固有頻差的關(guān)系。
??? 先使BS-OUT信號的相位抖動最小，按一下復(fù)位鍵，觀察NRZ-OUT與BS-OUT信號的之間的相位關(guān)系變化快慢情況，再按一下復(fù)位鍵，觀察快速捕捉現(xiàn)象（位同步信號BS-OUT的相位一步調(diào)整到位）。再微調(diào)位同步單元上的可變電容（即增大固有頻差）當(dāng)BS-OUT相位抖動增大時按一下復(fù)位鍵，觀察NRZ-OUT信號與BS-OUT信號的相位關(guān)變化快慢情況并與固有頻差最小時進(jìn)行定性比較。

五、?實驗報告要求

??? 1、數(shù)字環(huán)位同步器輸入NRZ碼連“1”或連“0”個數(shù)增加時，提取的位同步信號相位抖動增大，試解釋此現(xiàn)象。
??? 2、設(shè)數(shù)字環(huán)固有頻差為Δf，允許同步信號相位抖動范圍為碼元寬度TS的η倍，求同步保持時間tC及允許輸入的NRZ碼的連“1”或“0”個數(shù)最大值。
??? 3、數(shù)字環(huán)同步器的同步抖動范圍隨固有頻差增大而增大，試解釋此現(xiàn)象。
4、若將AMI碼或HDB3碼整流后作為數(shù)字環(huán)位同步器的輸入信號，能否提取出位同步信號？為什么？對這兩種碼的信息代碼中連“1”個數(shù)有無限制？對AMI碼的信息代碼中連“0”個數(shù)有無限制？對HDB3碼的信息代碼中連“0”個數(shù)有無限制？為什么？
5、試提出一種新的環(huán)路濾波器算法，使環(huán)路具有更好的抗噪能力。
6、試解釋本實驗使用的數(shù)字鎖相環(huán)快速捕捉機(jī)理，并與超前滯后型數(shù)字環(huán)進(jìn)行比較。

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