蘇淑靖，吳 征

(中北大學(xué) 電子測(cè)試國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

在數(shù)字通信中，位同步是要在接收端確定每一個(gè)碼元的起止時(shí)刻，從而在數(shù)據(jù)流中區(qū)分出獨(dú)立的碼元，它起著為接收信號(hào)提供基準(zhǔn)的作用[1]。主要體現(xiàn)在產(chǎn)生與接收的數(shù)字信號(hào)時(shí)鐘同頻同相的恢復(fù)時(shí)鐘，從而準(zhǔn)確地解出數(shù)據(jù)流中攜帶的數(shù)字信息。

常用的位同步時(shí)鐘恢復(fù)電路主要有數(shù)字鎖相環(huán)和1比特位同步器，作為當(dāng)前的主流技術(shù)而廣泛使用，但它們的優(yōu)缺點(diǎn)也是顯而易見的。本文在分析了兩種位同步時(shí)鐘恢復(fù)方法的原理及其優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了利用DDS高精度分頻原理實(shí)現(xiàn)快速時(shí)鐘恢復(fù)的設(shè)計(jì)方案，能夠快速穩(wěn)定地從數(shù)據(jù)流中恢復(fù)出時(shí)鐘，并且適用于各種頻率要求，通用性強(qiáng)。

1 位同步性能分析

數(shù)字鎖相環(huán)是一種閉環(huán)結(jié)構(gòu)的位同步電路，1比特位同步器則基于開環(huán)結(jié)構(gòu)。下面對(duì)這兩種電路原理進(jìn)行介紹，并分析其優(yōu)缺點(diǎn)。

1.1 數(shù)字鎖相環(huán)法

通常數(shù)字鎖相環(huán)主要由鑒相器、數(shù)字環(huán)路濾波器、數(shù)控振蕩器三部分組成，其原理圖如圖1所示。

圖1 數(shù)字鎖相環(huán)原理圖

首先將輸入信號(hào)與反饋時(shí)鐘進(jìn)行鑒相，得出時(shí)鐘相位的超前滯后信息；然后在環(huán)路濾波器中對(duì)超前滯后信息進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)達(dá)到模值K時(shí)產(chǎn)生加扣指令，數(shù)控振蕩器根據(jù)加扣指令插入或扣除一個(gè)時(shí)鐘脈沖，從而實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘相位的調(diào)整[2]。

數(shù)字鎖相環(huán)是一個(gè)閉環(huán)反饋結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠使同步時(shí)鐘在碼元相位出現(xiàn)抖動(dòng)或者碼元消失時(shí)不會(huì)出現(xiàn)較大變化，仍然可以穩(wěn)定地輸出同步脈沖[3]。也正是因?yàn)檫@種反饋結(jié)構(gòu)，使得數(shù)字鎖相環(huán)法的同步建立時(shí)間變得很長(zhǎng)，往往需要十幾甚至幾十個(gè)信號(hào)周期。

數(shù)字鎖相環(huán)法的原理也決定了它的同步帶寬較窄，對(duì)于寬范圍的不同頻率的信號(hào)，需要花大量資源去實(shí)現(xiàn)脈沖步長(zhǎng)的控制以提高同步速度和精度，造成結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

1.2 比特位同步法

與數(shù)字鎖相環(huán)的閉環(huán)結(jié)構(gòu)不同，1比特位同步法是一種開環(huán)結(jié)構(gòu)，它主要由雙邊沿提取電路、狀態(tài)寄存器和N進(jìn)制計(jì)數(shù)器組成，原理圖如圖2所示。

圖2 1比特位同步器原理圖

當(dāng)輸入信號(hào)發(fā)生跳變時(shí)，根據(jù)邊沿脈沖產(chǎn)生一個(gè)清零信號(hào)，對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行清零，以輸出一個(gè)反映輸入信號(hào)相位的時(shí)鐘短脈沖。狀態(tài)控制器可以在接收碼元出現(xiàn)連“1”或是連“0”時(shí)保證仍然會(huì)有固定的反映輸入信號(hào)時(shí)鐘頻率的短脈沖輸出[4]。

1比特位同步器的這種開環(huán)結(jié)構(gòu)可以在每一個(gè)輸入信號(hào)跳變沿校準(zhǔn)碼同步時(shí)鐘的相位。所以，它的同步建立時(shí)間很短，可以在出現(xiàn)第一個(gè)跳變的碼元時(shí)就輸出正確的碼同步信號(hào)。同時(shí)，這種結(jié)構(gòu)在輸入信號(hào)由交替變化的“0”和“l(fā)”組成時(shí)，邊沿脈沖可以有效地校正頻差。

但是由于跳變沿提取電路的每一個(gè)邊沿脈沖輸出都會(huì)對(duì)計(jì)數(shù)器清零，如果跳變沿出現(xiàn)嚴(yán)重抖動(dòng)，則邊沿脈沖信號(hào)會(huì)與計(jì)數(shù)器原本的輸出產(chǎn)生沖突，造成輸出時(shí)鐘信號(hào)占空比大幅度變化，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)毛刺，對(duì)后續(xù)電路的功能實(shí)現(xiàn)無疑會(huì)產(chǎn)生致命的影響。

另外，位同步器輸出的是脈沖信號(hào)，所以需要添加一個(gè)時(shí)鐘整形電路，將輸出時(shí)鐘脈沖變?yōu)檎伎毡?0%的時(shí)鐘周期信號(hào)。

2 DDS高精度分頻設(shè)計(jì)

本方案時(shí)鐘恢復(fù)的高精度任意分頻利用DDS的相位累加器原理實(shí)現(xiàn)，原理框圖如圖3所示。

圖3 高精時(shí)鐘分頻原理圖

該時(shí)鐘分頻器由DLL、頻率控制字寄存器、N位加法器以及累加和寄存器組成。晶振經(jīng)過DLL倍頻后作為分頻器的工作時(shí)鐘，在每個(gè)時(shí)鐘的上升沿，累加的和與頻率控制字進(jìn)行相加，并將結(jié)果保存到累加和寄存器[5]。這個(gè)過程中，累加和S會(huì)從0開始逐漸增加直到溢出，然后進(jìn)行下一輪的累加。當(dāng)頻率控制字和加法器位數(shù)確定以后，累加溢出的頻率就確定了，因?yàn)橐绯鑫粫?huì)按照特定的頻率由“0”和“1”交替變化，所以直接將累加和的溢出位作為時(shí)鐘輸出，就可以得到一個(gè)占空比為50%的分頻時(shí)鐘輸出，而不需要添加時(shí)鐘整形電路。

設(shè)輸入時(shí)鐘頻率為 fi，頻率控制字為K，時(shí)鐘輸出為fo，N為累加器字長(zhǎng)，則有：

在實(shí)際應(yīng)用中，頻率控制字K可由式(1)求出。

當(dāng)分頻系數(shù)確定時(shí)，K不可能取得整數(shù)，只是一個(gè)逼近值。但是由于N的取值關(guān)系，可以達(dá)到較高的分辨率。同時(shí)分頻系數(shù)越小，精度越低，反之精度越高。

3 基于DDS的時(shí)鐘恢復(fù)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的位同步時(shí)鐘提取電路結(jié)合了超前滯后鎖相環(huán)與1比特位同步器的優(yōu)點(diǎn)，在使用基于DDS原理分頻的1比特位同步器時(shí)鐘恢復(fù)方案的基礎(chǔ)上添加了一個(gè)鑒相器，根據(jù)鑒相器的結(jié)果調(diào)整頻率控制字，在一定的周期內(nèi)，通過控制頻率控制字來調(diào)節(jié)時(shí)鐘頻率和相位，最終實(shí)現(xiàn)位同步時(shí)鐘的生成?；贒DS的時(shí)鐘恢復(fù)設(shè)計(jì)原理框圖如圖4所示。

圖4 基于DDS的時(shí)鐘恢復(fù)原理圖

圖4中 K為頻率控制字，S為累加和，Rst為復(fù)位信號(hào)。其工作原理為：首先根據(jù)待測(cè)信號(hào)頻率計(jì)算出頻率控制字K，當(dāng)有輸入信號(hào)出現(xiàn)跳變時(shí)，鑒相器啟動(dòng)DDS時(shí)鐘生成器開始生成相應(yīng)頻率的時(shí)鐘；然后在每個(gè)輸入信號(hào)跳變沿，鑒相器讀取相位累加和的值進(jìn)行判讀，頻率控制字控制器根據(jù)鑒相器判讀結(jié)果改變DDS分頻器的頻率控制字來調(diào)節(jié)相位，從而實(shí)現(xiàn)恢復(fù)時(shí)鐘的頻率和相位的鎖定。

3.1 鑒相器

鑒相器用來提取輸入數(shù)字信號(hào)與時(shí)鐘信號(hào)相位之差。與常用的對(duì)兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行比較的原理不同，本文設(shè)計(jì)的鑒相器是建立在DDS分頻基礎(chǔ)上的。由于DDS分頻原理是通過頻率控制字的累加溢出來生成時(shí)鐘信號(hào)，所以可以將其累加和S看作是時(shí)鐘相位的實(shí)時(shí)體現(xiàn)，鑒相器只需在輸入信號(hào)發(fā)生跳變時(shí)，讀取此時(shí)相位累加器的累加值并進(jìn)行判斷，就可以得出時(shí)鐘信號(hào)為超前還是滯后，并能同時(shí)確定相位誤差的值。

信號(hào)跳變沿到來時(shí)，首先根據(jù)此時(shí)溢出位的值判斷同步時(shí)鐘處于前半周期還是后半周期。當(dāng)溢出位為0時(shí)為前半周期，為1時(shí)則為后半周期。然后根據(jù)累加和值S的大小判斷相位關(guān)系。

圖5所示為兩種典型的跳變沿到來時(shí)信號(hào)與時(shí)鐘可能的相位關(guān)系，其中(1)所示為前向抖動(dòng)，此時(shí)信號(hào)的跳變略早于時(shí)鐘信號(hào)；(2)為后向抖動(dòng)，輸入信號(hào)的跳變沿略晚于時(shí)鐘信號(hào)。如果以0～M(N位全為1的數(shù))表示完整的時(shí)鐘相位，則(1)所示相位差為M-S，(2)所示相位差為 S。

圖5 時(shí)鐘相位關(guān)系

3.2 頻率控制字控制

相位控制以鑒相器輸出的鑒相結(jié)果作為依據(jù)改變頻率控制字來實(shí)現(xiàn)。首先設(shè)置一個(gè)抖動(dòng)容限值L，當(dāng)相位差小于L時(shí)，表示抖動(dòng)在允許范圍以內(nèi)，不對(duì)頻率控制字做改變，即不對(duì)時(shí)鐘相位做調(diào)整。當(dāng)相位誤差大于L時(shí)，如果此時(shí)為前向抖動(dòng)，則將頻率控制字左移1位，使相位累加提前溢出，最終使時(shí)鐘相位前移；如果為后向抖動(dòng)，則不對(duì)頻率控制字做改變，而是鑒相器輸出復(fù)位信號(hào)到時(shí)鐘生成器來快速對(duì)齊時(shí)鐘相位，與1比特位同步法相同。

4 性能分析及仿真測(cè)試

與常用的位同步時(shí)鐘恢復(fù)電路相比較，本方案設(shè)計(jì)的基于DDS分頻原理的位同步時(shí)鐘恢復(fù)電路有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)極大地增加了同步帶寬。基于DDS的任意分頻方法使得本方案設(shè)計(jì)的位同步器可以適用于多種頻率要求，只需要改變頻率控制字就可以得到任意頻率的分頻時(shí)鐘，而且可以達(dá)到很高的頻率分辨率。分頻的分辨率同時(shí)也是分頻的最小值，如式(2)所示：

分頻的最大值受限于奈奎斯特定理，理論上為本地高頻時(shí)鐘fi的一半，實(shí)際中約為40%。

(2)有效降低了頻差的影響。當(dāng)輸入信號(hào)出現(xiàn)較長(zhǎng)的連續(xù)0或者1時(shí)，此時(shí)沒有跳變沿來校正時(shí)鐘相位，頻差會(huì)在連續(xù)時(shí)鐘周期內(nèi)疊加。而基于DDS的分頻方法在多個(gè)時(shí)鐘周期的累加過程中，每一次累加溢出時(shí)，其余值會(huì)進(jìn)入下一個(gè)周期進(jìn)行累加，而不是清零，這樣可以使誤差相互抵消，因此即使單個(gè)時(shí)鐘周期誤差較大，也不會(huì)使誤差疊加，將頻差的影響降到最低[6]。

(3)可以實(shí)現(xiàn)快速、穩(wěn)定的位同步。當(dāng)時(shí)鐘相位誤差較大時(shí)，能夠通過改變頻率控制字與復(fù)位時(shí)鐘生成電路，在1～2個(gè)周期內(nèi)快速實(shí)現(xiàn)同步，比鎖相環(huán)法反應(yīng)更加迅速；與開環(huán)結(jié)構(gòu)的1比特位同步方法相比，在大幅相位抖動(dòng)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生毛刺，時(shí)鐘更加穩(wěn)定。

本文在ISE環(huán)境下采用VHDL語言設(shè)計(jì)了位同步提取電路，使用Xilinx公司的Spartan3E系列FPGA芯片XC3S250E予以實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如圖6所示。

圖6中 clk為本地時(shí)鐘，pcm_i為輸入信號(hào)，K[63:0]為頻率控制字，c為恢復(fù)時(shí)鐘輸出?？梢钥闯?，當(dāng)輸入信號(hào)跳變時(shí)時(shí)鐘生成電路開始工作，生成固定頻率的時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)鐘上升沿位于碼元周期的中間位置，可以更準(zhǔn)確地讀取碼元。在輸入信號(hào)的跳變沿，會(huì)根據(jù)時(shí)鐘信號(hào)與輸入信號(hào)的相差來調(diào)整時(shí)鐘相位，圖中(1)所示位置為后向抖動(dòng)，時(shí)鐘生成器被復(fù)位，以對(duì)齊時(shí)鐘相位；(2)所示為大幅度的前向抖動(dòng)，此時(shí)頻率控制字被左移1位，使時(shí)鐘信號(hào)相位前移。

在實(shí)際工作時(shí)根據(jù)需要的頻率計(jì)算出頻率控制字即可，圖7所示為實(shí)際測(cè)試時(shí)使用示波器測(cè)量的位同步情況，圖中上面為輸入信號(hào)，下面為位同步時(shí)鐘。結(jié)果表明，本方案設(shè)計(jì)的電路能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)鐘恢復(fù)的功能，其性能穩(wěn)定。

圖7 位同步輸出測(cè)試

本文提出了一種基于DDS高精度任意分頻的時(shí)鐘恢復(fù)方案，與常用的位同步方法相比，具有時(shí)鐘分頻精度高、適用頻率范圍寬、同步速度快、同步時(shí)鐘穩(wěn)定度好以及設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。并且該方案經(jīng)過仿真以及實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證其正確可行，是數(shù)字時(shí)鐘恢復(fù)方案的一種很好的選擇。

圖6 位同步仿真驗(yàn)證

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