數(shù)字鎖相環(huán)與位同步提取課件

第5章數(shù)字鎖相環(huán)與同步提取5.1超前－滯后型DPLL5.2觸發(fā)器型DPLL5.3DPLL的性能指標(biāo)5.4位同步提取5.5小結(jié)第5章數(shù)字鎖相環(huán)與同步提取5.1超前－滯后1如圖5.0.1所示，數(shù)字鎖相環(huán)（DPLL）由數(shù)字鑒相器（DPD）、數(shù)字環(huán)路濾波器（DLF）及數(shù)控振蕩器（DCO）組成。DCO實(shí)際上是一個(gè)分頻器，它的分頻比受其輸入信號(hào)控制。當(dāng)DCO的分頻比增大時(shí)，uo(t)的相位向后移，反之向前移。DLF用于濾除噪聲，DPD用于比較ui(t)與uo(t)的相位。DLF可以用硬件或軟件實(shí)現(xiàn)，整個(gè)數(shù)字鎖相環(huán)可以用編程邏輯器件或單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。如圖5.0.1所示，數(shù)字鎖相環(huán)（DPLL）由數(shù)字鑒相器（DP2在數(shù)字鎖相環(huán)中，不要求輸入信號(hào)ui(t)包含有頻率等于碼速率的離散譜，ui(t)為單極性矩形脈沖信號(hào)即可。用途：數(shù)字鎖相環(huán)常用于提取同步信號(hào)。5.1超前－滯后型DPLL可用圖5.1.1來說明工作原理。在數(shù)字鎖相環(huán)中，不要求輸入信號(hào)ui(t)包含有頻率等于碼速率3圖中No次分頻器、或門、扣除門和附加門一起構(gòu)成DCO。鑒相器的工作原理如圖5.1.2所示。圖中No次分頻器、或門、扣除門和附加門一起構(gòu)成DCO。鑒相器4代碼10010uo(t)ui(t)滯后脈沖超前脈沖圖5.1.2超前－滯后型鑒相器波形設(shè)環(huán)路鎖定時(shí)信號(hào)uo(t)的對(duì)準(zhǔn)碼元中間，若uo(t)的上升沿位于碼元前半個(gè)周期，則稱uo(t)超前ui(t),否則為滯后。當(dāng)uo(t)超前ui(t)時(shí)，且ui(t)為高電平時(shí)，鑒相器輸出一個(gè)超前脈沖；當(dāng)uo(t)滯后ui(t),且ui(t)為高電平時(shí)，鑒相器輸出一個(gè)滯后脈沖。我們稱這種鑒相器為超前－滯后型鑒相器，稱由它構(gòu)成的數(shù)字鎖相環(huán)為超前－滯后型數(shù)字鎖相環(huán)。代碼100105若無DLF，即將滯后脈沖和超前脈沖分別直接送到附加門和扣除門，則一個(gè)超前脈沖使常開門關(guān)閉一次，扣除一個(gè)送往No次分頻器的a路時(shí)鐘脈沖，從而使信號(hào)uo(t)的相位后移2π/No;一個(gè)滯后脈沖使常閉門打開一次，并輸出一個(gè)b路時(shí)鐘脈沖，此脈沖位于常開門輸出的兩個(gè)脈沖之間，或門將常閉門輸出的這個(gè)脈沖與常開門輸出的脈沖一起送給分頻器，使uo(t)的相位前移2π/No。經(jīng)過反復(fù)調(diào)整，就可使uo(t)的上升沿對(duì)準(zhǔn)碼元之間?？梢?，此種環(huán)路的DCO的分頻比只有No-1、No及No+1三種，稱這種VCO為增量－減量計(jì)數(shù)式DCO。但相位的一次調(diào)整量僅為2π/No，故同步建立時(shí)間（即捕捉時(shí)間）較長。若無DLF，即將滯后脈沖和超前脈沖分別直接送到附加門和扣除門6在超前－滯后型數(shù)字環(huán)中常使用兩種環(huán)路濾波器：即N先M濾波器和隨機(jī)徘徊序列濾波器，它們的原理框圖分別如圖5.1.3(a)、(b)所示。超前脈沖滯后脈沖推后脈沖提前脈沖去3個(gè)計(jì)數(shù)器復(fù)位器÷N計(jì)數(shù)器÷N計(jì)數(shù)器÷M計(jì)數(shù)器或門或門圖5.1.3（a)N先于M環(huán)路濾波器在超前－滯后型數(shù)字環(huán)中常使用兩種環(huán)路濾波器：即N先M濾波器和72N+1位可逆計(jì)數(shù)器或門超前脈沖滯后脈沖提前脈沖推后脈沖圖5.1.3(b)隨機(jī)徘徊序列濾波器UPDN+N-N在N先于M濾波器中，超前、滯后脈沖分別連接到上、下兩個(gè)÷N計(jì)數(shù)器，而超前、滯后脈沖之和則通過一個(gè)或門連接到÷M計(jì)數(shù)器，而且N＜M＜2N.設(shè)開始計(jì)數(shù)前三個(gè)計(jì)數(shù)器都已復(fù)位,隨著二元隨機(jī)序列不斷輸入,三個(gè)計(jì)數(shù)器分別計(jì)數(shù)存儲(chǔ),直到下列兩個(gè)條件之一得到滿足為止:2N+1位或門超前脈沖滯后脈沖提前脈沖推后脈沖圖5.1.38（1）若某一路÷N計(jì)數(shù)器在÷M計(jì)數(shù)器之前先計(jì)滿或同時(shí)存滿了數(shù)，則在÷N計(jì)數(shù)器輸出端產(chǎn)生一個(gè)提前或推后脈沖，并使三個(gè)計(jì)數(shù)器同時(shí)復(fù)位。（2）若÷M計(jì)數(shù)器先于任何一個(gè)÷N計(jì)數(shù)器計(jì)滿，則使三個(gè)計(jì)數(shù)器同時(shí)復(fù)位，不產(chǎn)生提前或推后脈沖。后一種情況在相位差很小(環(huán)路已鎖定)時(shí)出現(xiàn)。

環(huán)路鎖定后，噪聲產(chǎn)生的超前或滯后脈沖是隨機(jī)的，且出現(xiàn)的概率相等,所以在噪聲作用下濾波器輸出提前或推后脈沖的概率很小，使環(huán)路保持鎖定狀態(tài)不變。

環(huán)路鎖定前，鑒相器連續(xù)出現(xiàn)超前脈沖或滯后脈沖,÷N計(jì)數(shù)器可以計(jì)滿,它輸出一個(gè)超前脈沖或滯后脈沖,使計(jì)數(shù)器同時(shí)復(fù)位,再重新開始計(jì)數(shù)。在提前或推后脈沖的作用下，環(huán)路逐漸進(jìn)入鎖定狀態(tài)。（1）若某一路÷N計(jì)數(shù)器在÷M計(jì)數(shù)器之前先計(jì)滿或同時(shí)存滿了數(shù)9

隨機(jī)徘徊序列濾波器

濾波器的主體是可逆計(jì)數(shù)器。超前脈沖使計(jì)數(shù)器上行計(jì)數(shù)，滯后脈沖使計(jì)數(shù)器下行計(jì)數(shù)。如果在開始計(jì)數(shù)前已復(fù)位為0狀態(tài)，則當(dāng)超前脈沖超過滯后脈沖的數(shù)目到達(dá)計(jì)數(shù)容量N時(shí)，就在+N端輸出一個(gè)提前脈沖，同時(shí)使計(jì)數(shù)器復(fù)位。2N+1位可逆計(jì)數(shù)器或門超前脈沖滯后脈沖提前脈沖推后脈沖圖5.1.3(b)隨機(jī)徘徊序列濾波器UPDN+N-N隨機(jī)徘徊序列濾波器濾波器的主體是可逆計(jì)數(shù)器。超前脈沖使計(jì)10反之,則在-N端輸出一個(gè)推后脈沖，同時(shí)使計(jì)數(shù)器復(fù)位。當(dāng)環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)后，由噪聲引起的超前或滯后脈沖是隨機(jī)的，而且出現(xiàn)概率基本相等，不會(huì)有連續(xù)很多個(gè)超前或滯后脈沖，因而它們的差值達(dá)到計(jì)數(shù)容量N的可能性極小，這樣就可以減小噪聲對(duì)環(huán)路的干擾作用。顯然,N越大，這兩種濾波器對(duì)噪聲的濾除能力越強(qiáng)，但環(huán)路的同步建立時(shí)間也越長。環(huán)路鎖定前，鑒相器連續(xù)輸出超前或滯后脈沖，上行計(jì)數(shù)器或下行計(jì)數(shù)器到達(dá)滿狀態(tài)后輸出提前脈沖和滯后脈沖，在這兩個(gè)脈沖作用下環(huán)路逐步進(jìn)入鎖定狀態(tài)。作業(yè):p1135-1反之,則在-N端輸出一個(gè)推后脈沖，同時(shí)使計(jì)數(shù)器復(fù)位。當(dāng)環(huán)路進(jìn)115.2觸發(fā)器型DPLL5.2.1基本原理當(dāng)要求同步建立時(shí)間很短時(shí)，可以使用圖5.2.1所示的數(shù)字鎖相環(huán)。PD量化器DLF分頻器收時(shí)鐘ui(t)uo(t)udNdNcDPDfc=N0fs圖5.2.1觸發(fā)器型數(shù)字鎖相環(huán)方框圖圖中ui(t)是矩形脈沖信號(hào)。PD可由觸發(fā)器組成，其原理和波形如圖5.2.2所示。5.2觸發(fā)器型DPLL5.2.1基本原理當(dāng)要求同步12圖5.2.2觸發(fā)器型鑒相器由圖可見，ui(t)的上升沿使ud(t)由低電平變?yōu)楦唠娖?，uo(t)的上升沿使ud(t)由高電平變?yōu)榈碗娖?，所以u(píng)d(t)的脈沖寬度反映了ui(t)與uo(t)的相位誤差。VccVccRDui(t)uo(t)ud(t)C1

1D1DC1QQ1RDRD(a)原理圖ui(t)uo(t)ud(t)(b)波形圖我們稱這種鑒相器為觸發(fā)器型鑒相器，由這種鑒相器構(gòu)成的數(shù)字鎖相環(huán)為觸發(fā)器型數(shù)字鎖相環(huán)。圖5.2.2觸發(fā)器型鑒相器由圖可見，ui(t)的上升沿使u13觸發(fā)器型鑒相器與量化器一起構(gòu)成數(shù)字鑒相器。PD的輸出脈沖寬度可在0～TS之間連續(xù)變化，TS為碼元寬度。量化器對(duì)ud的脈沖寬度進(jìn)行量化，輸出Nd可為1～N0間的任意整數(shù)。數(shù)字環(huán)路濾波器對(duì)Nd進(jìn)行處理，以減小信道噪聲的影響。分頻器的分頻比等于Nc,Nc可根據(jù)需要設(shè)置為任意數(shù)。設(shè)環(huán)路鎖定時(shí)，uo(t)的上升沿對(duì)準(zhǔn)碼元中間，則可用圖5.2.3來說明無DLF時(shí)環(huán)路的鎖定過程。1001uiuoNd1.5No-Nd圖5.2.3環(huán)路鎖定過程觸發(fā)器型鑒相器與量化器一起構(gòu)成數(shù)字鑒相器。PD的輸出脈沖寬度141001uiuoNd1.5No-Nd圖5.2.3環(huán)路鎖定過程此環(huán)路的DLF一般用軟件實(shí)現(xiàn)，最簡單的算法是將Nd作算術(shù)平均處理，設(shè)DPD工作m次后DLF輸出一個(gè)控制信號(hào)，則（5.2.1）當(dāng)DPD輸出數(shù)據(jù)Nd≠0.5N0時(shí)，說明環(huán)路失鎖，則將DCO的下一個(gè)分頻比改變?yōu)镹c=1.5N0-Nd就可以將uo(t)的上升沿調(diào)整到碼元中間，使環(huán)路鎖定。此后，Nd=0.5N0,Nc=N0,環(huán)路保持鎖定狀態(tài)不變。1001uiuoNd1.5No-Nd圖5.2.3環(huán)路鎖定過15（5.2.1）顯然，m越大，環(huán)路同步建立時(shí)間越長，噪聲對(duì)同步抖動(dòng)的影響越小，收發(fā)時(shí)鐘頻差對(duì)同步抖動(dòng)的影響越大。所以，選擇合適的濾波器算法是減小同步建立時(shí)間的關(guān)鍵?？傊|發(fā)器型DPLL中的DCO的分頻比可以為任意整數(shù)，稱這種DCO為÷N計(jì)數(shù)式DCO。在這種DPLL中，僅需對(duì)DCO的相位進(jìn)行一次調(diào)整，就可以使環(huán)路鎖定，它的同步建立時(shí)間可以遠(yuǎn)小于超前－滯后型鎖相環(huán)。（5.2.1）顯然，m越大，環(huán)路同步建立時(shí)間越長，噪聲對(duì)同步16一.8254簡介8254芯片中有三個(gè)獨(dú)立的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,每個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器有6種工作方式,分別表示為M0、M1、M2、M3、M4、M5。環(huán)路中使用了兩個(gè)8254芯片,共6個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。這六個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器分別表示為8254A0、8254A1、8254A2、8254B0、8254B1、8254B2。其中8254B2用于量化器,8254A2用于中斷控制器,其它用于數(shù)控振蕩器。下面介紹用8031單片機(jī)和8254可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器作為主要器件實(shí)現(xiàn)的觸發(fā)器型DPLL。5.2.2實(shí)例一.8254簡介8254芯片中有三個(gè)獨(dú)立的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,每17環(huán)路中使用了M0、M1、M2、M5四種工作方式。M0為計(jì)數(shù)結(jié)束中斷方式。采用這種工作方式時(shí),門控端G為高電平時(shí)允許計(jì)數(shù)、為低電平時(shí)停止計(jì)數(shù)。當(dāng)寫入方式控制字后,輸出端O為低電平。M1為可編程單穩(wěn)態(tài)工作方式。在寫入工作方式和計(jì)數(shù)值后,O端輸出高電平。G端輸入觸發(fā)脈沖的正跳變啟動(dòng)計(jì)數(shù)器,在時(shí)鐘輸入端C的下一個(gè)脈沖負(fù)跳變后使O端變低電平,并開始計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)器減為0時(shí),O端變高電平。如果在輸出保持低電平期間,寫入新的計(jì)數(shù)常數(shù),不會(huì)影響低電平的持續(xù)時(shí)間,只有當(dāng)下一個(gè)觸發(fā)脈沖到來時(shí),才使用新的計(jì)數(shù)常數(shù)。當(dāng)寫入計(jì)數(shù)常數(shù)后,計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)期間O端維持低電平,計(jì)數(shù)器減為0時(shí),O端變?yōu)楦唠娖?向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求,直至寫入新的控制字和計(jì)數(shù)常數(shù)為止。環(huán)路中使用了M0、M1、M2、M5四種工作方式。M0為計(jì)數(shù)18M2為頻率發(fā)生器(分頻器)工作方式。此時(shí),G端為高電平時(shí)允許計(jì)數(shù),為低電平時(shí)禁止計(jì)數(shù)而且立即將O端置高電平,G端脈沖的正跳變啟動(dòng)計(jì)數(shù)。如果計(jì)數(shù)尚未結(jié)束,又出現(xiàn)新的觸發(fā)脈沖,則從新的觸法脈沖上升沿后,開始重新計(jì)數(shù),因此使輸出的負(fù)脈沖寬度加大。因此負(fù)脈沖周期可由軟件編程給定,寫入方式控制字后,O端輸出高電平,寫入計(jì)數(shù)常數(shù)后開始計(jì)數(shù),并輸出周期性脈沖信號(hào)。把G端接高電平,M2方式下能產(chǎn)生連續(xù)的負(fù)脈沖信號(hào),由O端輸出,其寬度等于一個(gè)時(shí)鐘周期,脈沖周期等于寫入計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)常數(shù)和時(shí)鐘周期的乘積。M2為頻率發(fā)生器(分頻器)工作方式。此時(shí),G端為高電平時(shí)允許19M5為硬件觸發(fā)選通(延時(shí))工作方式,寫入方式控制字及計(jì)數(shù)常數(shù)后,O端輸出高電平。G端輸入信號(hào)的正跳變啟動(dòng)計(jì)數(shù)器,C端時(shí)鐘信號(hào)的下一個(gè)脈沖負(fù)跳變使計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù),計(jì)完最后一個(gè)數(shù),輸出一個(gè)負(fù)脈沖,其寬度等于一個(gè)時(shí)鐘周期。8254的最高時(shí)鐘頻率為10MHz。輸出負(fù)脈沖的下降沿與門控信號(hào)的上升沿之間的時(shí)間間隔等于N+1個(gè)時(shí)鐘周期,N為寫入的計(jì)數(shù)常數(shù)。2.量化器圖5.2.4為量化器及中斷控制器方框圖。圖中M0、M1分別為8254B2、8254A2的工作方式,N0為它們的計(jì)數(shù)常數(shù)及8254A2輸出脈沖寬度。M5為硬件觸發(fā)選通(延時(shí))工作方式,寫入方式控制字及計(jì)數(shù)常數(shù)20ui(t)uo(t)N0N/dNd圖5.2.4量化器及中斷控制器8254B2M0N0CGud(t)8254A2M1N0CGui(t)去INT1N0Nd量化器由8254B2承擔(dān)，ud(t)作為它的門控信號(hào)，由于8254計(jì)數(shù)方式為減計(jì)數(shù)，所以量化器的量化結(jié)果為Nd=N0-N/d

(5.2.2)ui(t)uo(t)N0N/dNd圖5.2.4量化器及21式中N’d為相位誤差的量化值,其變化范圍是0～N0,故Nd的變化范圍也是0～N0。Nd=N0-N/d

(5.2.2)8254B2的讀取時(shí)間由8254A2控制，輸入信號(hào)ui(t)作為它的門控信號(hào)。每一個(gè)ui(t)脈沖都使8254A2產(chǎn)生一個(gè)寬度為N0的負(fù)脈沖，倒相后變?yōu)檎}沖送到8031的端。通過定時(shí)控制寄存器TCON設(shè)置外部中斷1為負(fù)跳變中斷方式，當(dāng)查詢到TCON的IE1位為高電平時(shí)，讀8254B2。由于8254A2產(chǎn)生的脈沖寬度小于ud(t)的脈沖寬度且其前沿處于通一時(shí)刻，所以可以確保讀數(shù)時(shí)8254B2已停止計(jì)數(shù)。式中N’d為相位誤差的量化值,其變化范圍是0～N0,故Nd的223.數(shù)字環(huán)路濾波器主要由軟件完成。設(shè)環(huán)路鎖定后無噪聲時(shí)ui(t)和uo(t)相位差為N0/2,則在噪聲的影響下，相位差可能大于N0/2,也可能小于N0/2。這兩種情況出現(xiàn)的概率一般是相同的，只要對(duì)一組相位差數(shù)據(jù)作平均處理，就可以減少噪聲的影響。設(shè)數(shù)字濾波器采用平均處理算法,一組內(nèi)有m個(gè)數(shù)據(jù),其輸出為：顯然一組內(nèi)數(shù)據(jù)越多，對(duì)噪聲的濾波效果越好。但這受到環(huán)路的捕捉時(shí)間和同步保持時(shí)間的限制。(5.2.3)此式即為DCO的下一次分頻比。3.數(shù)字環(huán)路濾波器主要由軟件完成。設(shè)環(huán)路鎖定后無噪234.數(shù)控振蕩器由四個(gè)8254可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器及門電路組成,如圖5.2.5所示。8254A18254A08254B08254B1M2M2M1M1N0N-2N-3N01111CCCCGGGG&≥P1.4Uo(t)圖5.2.5÷N計(jì)數(shù)式DCON0N0N0N-2N-2O4.數(shù)控振蕩器由四個(gè)8254可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器及門電24當(dāng)N=N0時(shí),環(huán)路處于鎖定狀態(tài),8031的P1.4端不輸出信號(hào),保持低電平,8254A0輸出為高電平,經(jīng)非門G1、與門G2后,給8254B0的G端輸入一個(gè)低電平,使其O端為高電平。8254A18254A08254B08254B1M2M2M1M1N0N-2N-3N01111CCCCGGGG&≥P1.4Uo(t)圖5.2.5÷N計(jì)數(shù)式DCON0N0N0N-2N-2O當(dāng)N=N0時(shí),環(huán)路處于鎖定狀態(tài),8031的P1.4端不輸出信258254A18254A08254B08254B1M2M2M1M1N0N-2N-3N01111CCCCGGGG&≥P1.4Uo(t)圖5.2.5÷N計(jì)數(shù)式DCON0N0N0N-2N-2OO端的高電平使工作在M2方式的8254A1處于計(jì)數(shù)工作狀態(tài),輸出一個(gè)頻率為f0的周期信號(hào)。N0而O端的高電平經(jīng)倒相后使8254B1禁止計(jì)數(shù)。8254A18254A08254B08254B1M2M2M126ui(t)uo(t)ud(t)N0N0/2N0/2N0/2圖5.2.6鎖定時(shí)的波形鎖定時(shí)ui(t)、uo(t)、ud(t)的波形如圖5.2.6所示。而8254B0輸出的高電平倒相后變?yōu)榈碗娖?，它?254B1禁止計(jì)數(shù)。ui(t)uo(t)ud(t)N0N0/2N0/2N0/2圖275.環(huán)路捕捉過程結(jié)合P107圖5.2.7，看看環(huán)路捕捉過程。u28254A0N0N0G2N0&8254B0N-2N-28254B1G6≥8254A10NN0uo(t)G1G3G4G55.環(huán)路捕捉過程結(jié)合P107圖5.2.7，看看環(huán)路捕捉28由上述捕捉過程可見：不管開環(huán)相位誤差為多大，閉環(huán)后只要對(duì)DCO的分頻比作一次調(diào)整，就可以使環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)。而在超前-滯后型鎖相環(huán)中，要使環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)必須對(duì)DCO的分頻比進(jìn)行n次調(diào)整，每次只能調(diào)整一個(gè)Tc。

顯然，觸發(fā)器型鎖相環(huán)的捕捉時(shí)間遠(yuǎn)小于超前-滯后型鎖相環(huán)。6.環(huán)路軟件程序流程圖對(duì)圖中有關(guān)問題說明如下:(1)由于量化器有量化誤差,所以環(huán)路鎖定時(shí)量化器輸出不可能準(zhǔn)確地等于No/2,因而程序中當(dāng)發(fā)現(xiàn)量化輸出平均值與No/2有±1誤差時(shí),就不再對(duì)DCO進(jìn)行相位調(diào)整。參見P108圖5.2.8所示。由上述捕捉過程可見：不管開環(huán)相位誤差為多大，閉環(huán)后只要對(duì)DC29(3):最后要注意:在每一次對(duì)8254B2進(jìn)行讀數(shù)之前,只允許一個(gè)輸入脈沖進(jìn)入鑒相器,否則讀數(shù)不能反映相位誤差。(2):8254B0置定工作方式后輸出為高電平,以保證8254A1允許計(jì)數(shù),8254B1禁止計(jì)數(shù)。8254B1置定工作方式后輸出的高電平倒相后送到或門G6,從而使G6處于開啟狀態(tài),保證DCO有輸出信號(hào)。作業(yè)P1135－2但運(yùn)行程序需要時(shí)間,當(dāng)信號(hào)碼速率較高時(shí),上述條件不能滿足,為了盡可能提高同步器的碼速率,必須在鑒相器輸入端加一個(gè)控制器,控制進(jìn)入鑒相器的脈沖速率。(3):最后要注意:在每一次對(duì)8254B2進(jìn)行讀數(shù)之前,只允305.3DPLL的性能指標(biāo)數(shù)字鎖相環(huán)性能指標(biāo)包括同步建立時(shí)間、同步保持時(shí)間和同步誤差等。1.同步建立時(shí)間ts設(shè)環(huán)路鎖定時(shí)DCO輸出信號(hào)的上升沿對(duì)準(zhǔn)碼元中間,則環(huán)路的最大起始相差為π或-π。對(duì)于超前—滯后型鎖相環(huán),DCO每次的相位調(diào)整為2π/N0,最多需要調(diào)整N0/2次就可以使環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)。設(shè)鑒相器平均在兩個(gè)碼元內(nèi)工作一次,且工作m(即圖5.1.3中的N=m)次后才對(duì)DCO進(jìn)行一次相位調(diào)整,則(5.3.1)5.3DPLL的性能指標(biāo)數(shù)字鎖相環(huán)性能指標(biāo)包括同步建立31超前脈沖滯后脈沖推后脈沖提前脈沖去3個(gè)計(jì)數(shù)器復(fù)位器÷N計(jì)數(shù)器÷N計(jì)數(shù)器÷M計(jì)數(shù)器或門或門圖5.1.3（a)N先于M環(huán)路濾波器2N+1位可逆計(jì)數(shù)器或門超前脈沖滯后脈沖提前脈沖推后脈沖圖5.1.3(b)隨機(jī)徘徊序列濾波器UPDN+N-N超前脈沖滯后脈沖推后脈沖提前脈沖去3個(gè)計(jì)數(shù)器復(fù)位器÷N計(jì)數(shù)器32對(duì)于觸發(fā)器型鎖相環(huán),對(duì)DCO進(jìn)行一次相位調(diào)整就可使環(huán)路鎖定,則(5.3.2)上兩式中Ts為碼元周期?？梢?上兩式即為相位捕捉時(shí)間。2.同步保持時(shí)間tc鎖相環(huán)鎖定后,若輸入序列出現(xiàn)連“1”或連“0”碼,則鑒相器停止工作,環(huán)路不受控制,收發(fā)時(shí)鐘的頻差(即DCO的時(shí)鐘頻率與輸入信號(hào)對(duì)應(yīng)的發(fā)端時(shí)鐘頻率之差)使得DCO輸出位同步信號(hào)的相位逐步偏離期望值,同步誤差逐步增大。環(huán)路不受控制后,同步誤差能保持在允許范圍內(nèi)的最長時(shí)間為同步保持時(shí)間。對(duì)于觸發(fā)器型鎖相環(huán),對(duì)DCO進(jìn)行一次相位調(diào)整就可使環(huán)路鎖定33設(shè)發(fā)射機(jī)、接收機(jī)的時(shí)鐘穩(wěn)定度為η,則DCO輸出信號(hào)頻率與環(huán)路輸入信號(hào)碼速率之間的最大誤差為2ηfs,此頻差在tc內(nèi)產(chǎn)生的相位差為4πηfstc。若允許由時(shí)鐘頻差產(chǎn)生的位同步信號(hào)最大相位誤差為2π?,則4ηfsπtc=2π?由此得(5.3.3)tc應(yīng)大于兩次相位調(diào)整時(shí)間間隔,tc越大,允許連“1”碼或連“0”碼越長。3.同步誤差當(dāng)收發(fā)時(shí)鐘頻率相同時(shí),仍存在同步誤差,這種同步誤差由量化誤差和噪聲產(chǎn)生,分別稱為量化誤差和隨機(jī)誤差。設(shè)發(fā)射機(jī)、接收機(jī)的時(shí)鐘穩(wěn)定度為η,則DCO輸出信號(hào)頻率與環(huán)34量化誤差的最大值是：（5.3.4）隨機(jī)誤差由噪聲產(chǎn)生，其大小與數(shù)字環(huán)路濾波器有關(guān)。4.同步帶寬?fs由于收發(fā)時(shí)鐘存在頻差，所以環(huán)路輸入的碼速率與環(huán)路開環(huán)時(shí)DCO輸出的位同步信號(hào)頻率之間有一定差值，此差值必須小于某一最大值環(huán)路才能鎖定，這個(gè)最大值就是環(huán)路的同步帶寬?fs。量化誤差的最大值是：（5.3.4）隨機(jī)誤差由噪聲產(chǎn)生，其大小35在超前－滯后型數(shù)字環(huán)中，一次調(diào)整相位量為2π/N0，設(shè)鑒相器平均在兩個(gè)碼元內(nèi)工作一次，鑒相器工作m次對(duì)DCO調(diào)整一次相位，則環(huán)路在每個(gè)碼元內(nèi)平均調(diào)整的相位量為2π/（2mN0),在一個(gè)碼元內(nèi)由頻差?fs引起的相位差為（2π?fs)/fs,令得（5.3.5）式中，fs在數(shù)值上等于碼速率。在超前－滯后型數(shù)字環(huán)中，一次調(diào)整相位量為2π/N0，設(shè)鑒相器36觸發(fā)器型數(shù)字環(huán)只需調(diào)整一次相位就可以進(jìn)入鎖定狀態(tài)，其同步帶寬為（5.3.6）同步帶寬應(yīng)大于2ηfs，環(huán)路才能鎖定。結(jié)論：收發(fā)時(shí)鐘頻率穩(wěn)定度越高，則同步保持時(shí)間越長，同步誤差越小，接收時(shí)鐘頻率越高，則DCO的分頻比N0越大，同步誤差越小。但超前－滯后型位同步器的同步建立時(shí)間越長，且同步帶越小，觸發(fā)器型為同步器的同步建立時(shí)間及同步帶與接收時(shí)鐘頻率無關(guān)；觸發(fā)器型數(shù)字環(huán)只需調(diào)整一次相位就可以進(jìn)入鎖定狀態(tài)，其同步帶寬37同步保持時(shí)間越長，允許連“1”碼和連“0”碼的個(gè)數(shù)越多；同步誤差使誤碼率增大；在通信系統(tǒng)的接收端及發(fā)送端應(yīng)使用高穩(wěn)度時(shí)鐘，以確保DPLL能進(jìn)入鎖定狀態(tài)。例5.1在數(shù)字鎖相環(huán)位同步器中，時(shí)鐘頻率穩(wěn)定度為10－5，碼速率為106Baud，設(shè)允許由于時(shí)鐘頻差產(chǎn)生的位同步誤差為2×10－2π。（1）求同步保持時(shí)間；（2）求位同步器輸入碼流中最多允許的連“0”或連“1”碼個(gè)數(shù)。解：同步保持時(shí)間越長，允許連“1”碼和連“0”碼的個(gè)數(shù)越多；同步38根據(jù)題意可知，η＝10－5，ε＝10－2，fs=106,所以同步保持時(shí)間為(2)碼元寬度為允許輸入碼流中連“0”或連“1”碼的最大個(gè)數(shù)為根據(jù)題意可知，η＝10－5，ε＝10－2，fs=106,所以39最后特別要注意，數(shù)字鎖相環(huán)鎖定狀態(tài)的定義與模擬鎖相環(huán)及電荷泵鎖相環(huán)鎖定狀態(tài)的定義是不同的。在模擬鎖相環(huán)和電荷泵鎖相環(huán)中，當(dāng)輸入固定頻率信號(hào)時(shí)，環(huán)路鎖定后的相位誤差是一個(gè)常數(shù)，即反饋信號(hào)與輸入信號(hào)的相位關(guān)系是固定的（前提是不考慮各種噪聲及電荷泵鎖相環(huán)的鑒相紋波）。在數(shù)字鎖相環(huán)中，鑒相器輸入的是一個(gè)非周期信號(hào)，DCO的相位不是連續(xù)可調(diào)的，而且收發(fā)時(shí)鐘之間存在一定的頻差。這些因素使得DCO輸出信號(hào)的相位不可能固定在某一個(gè)希望值（如其上升沿對(duì)準(zhǔn)碼元中間）不變。最后特別要注意，數(shù)字鎖相環(huán)鎖定狀態(tài)的定義與模擬鎖相環(huán)及電荷泵40但是，只要DCO輸出信號(hào)相位變化不超過某一范圍，則它作為位同步信號(hào)時(shí)所引起的誤碼率增加量是可以接受的。因此，在數(shù)字鎖相環(huán)中，將DCO輸出信號(hào)的相位處于允許范圍之內(nèi)的穩(wěn)定狀態(tài)定義為鎖定狀態(tài)。但是，只要DCO輸出信號(hào)相位變化不超過某一范圍，則它作為位同415.4位同步提取在數(shù)字通信中，接收端解調(diào)出來的基帶信號(hào)中往往含有大量的噪聲。這種含有噪聲的基帶信號(hào)是不能直接送給終端機(jī)的，需要從此信號(hào)中提取出位同步信號(hào)，用此信號(hào)對(duì)受噪聲污染的基帶信號(hào)進(jìn)行抽樣判決，得到一個(gè)再生的基帶信號(hào)（可能有誤碼存在）。除位同步信號(hào)外，數(shù)字通信中還必須有載波同步信號(hào)（用于相干解調(diào)）、幀同步信號(hào)和網(wǎng)同步信號(hào)（在通信網(wǎng)中）。而幀同步信號(hào)和網(wǎng)同步信號(hào)的獲得也需要位同步信號(hào)。目前，位同步信號(hào)的提取幾乎全部使用鎖相環(huán)。5.4位同步提取在數(shù)字通信中，接收端解調(diào)出來的基帶信號(hào)42在模擬鎖相環(huán)和模數(shù)混合鎖相環(huán)中，輸出信號(hào)的頻率和相位是連續(xù)可調(diào)的。在數(shù)字鎖相環(huán)中，輸出信號(hào)的相位不是連續(xù)可調(diào)的，而是存在一個(gè)最小的調(diào)整（量化）單位，故用數(shù)字環(huán)做成的同步器常被稱為量化同步器。由于在DPLL中，DCO是一個(gè)分頻器，分頻器的時(shí)鐘必須由高穩(wěn)定度晶振提供，而高穩(wěn)定度晶振的振蕩頻率一般在10MHz以下，所以由量化同步器得到的位同步信號(hào)頻率不可能很高（否則穩(wěn)態(tài)誤差太大）。而模擬鎖相環(huán)和模數(shù)混合鎖相環(huán)的VCO輸出信號(hào)頻率可以很高，整形后可以作為位同步信號(hào)。所以在高速率數(shù)字通信中，必須用連續(xù)同步器來提取位同步信號(hào)。在模擬鎖相環(huán)和模數(shù)混合鎖相環(huán)中，輸出信號(hào)的頻率和相位是連續(xù)可43此處就對(duì)它們構(gòu)成位同步器時(shí)的一些特殊問題作一介紹。5.4.1DPLL位同步器如圖5.4.1所示，數(shù)字鎖相環(huán)位同步器由硬限幅器及DPLL構(gòu)成，圖中r(t)來自接收機(jī)的低通濾波器。此處就對(duì)它們構(gòu)成位同步器時(shí)的一些特殊問題作一介紹。5.4.144設(shè)通信系統(tǒng)是一個(gè)二進(jìn)制雙極性系統(tǒng)且無碼間串?dāng)_、無噪聲，則圖5.4.1各點(diǎn)波形如圖5.4.2（a)所示。圖5.4.2DPLL位同步器波形當(dāng)考慮到碼間串?dāng)_及噪聲時(shí)，各點(diǎn)波形如圖5.4.2(b)所示。設(shè)通信系統(tǒng)是一個(gè)二進(jìn)制雙極性系統(tǒng)且無碼間串?dāng)_、無噪聲，則圖545圖5.4.2DPLL位同步器波形在實(shí)際通信系統(tǒng)中，碼間串?dāng)_可以很小，但噪聲總是存在的，因此硬限幅器的輸出信號(hào)的碼元寬度是變化的，不能作為數(shù)字基帶信號(hào)送給終端設(shè)備，必須用位同步信號(hào)ud(t)對(duì)r(t)極性抽樣判決，才能得到信息代碼對(duì)應(yīng)的數(shù)字基帶信號(hào)。圖5.4.2DPLL位同步器波形在實(shí)際通信系統(tǒng)中，碼間串465.4.2CPPLL位同步器CPPLL要求輸入信號(hào)為矩形脈沖，且在每個(gè)碼元內(nèi)都應(yīng)該有信號(hào)，起碼不能幾個(gè)碼元內(nèi)無信號(hào)，因此圖5.4.2的ui(t)不宜直接送給CPPLL?？梢杂脠D5.4.3所示的方法構(gòu)成CPPLL位同步器。5.4.2CPPLL位同步器CPPLL要求輸入信號(hào)為矩形47圖中單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1及單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器2分別設(shè)置為上升沿觸發(fā)和下降沿觸發(fā)。兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖寬度小于碼元周期，因而u2(t)