M序列的位同步時(shí)鐘的提取與恢復(fù)

劉啟航 張帥帥 宋越卿 南京郵電大學(xué)貝爾英才學(xué)院

M序列的位同步時(shí)鐘的提取與恢復(fù)

劉啟航 張帥帥 宋越卿 南京郵電大學(xué)貝爾英才學(xué)院

針對(duì)數(shù)字通信系統(tǒng)中接收端同步時(shí)鐘的獲取問(wèn)題，本文以M序列為傳輸序列，通過(guò)對(duì)偽隨機(jī)序列性質(zhì)的分析，給出具體的位同步時(shí)鐘提取和恢復(fù)算法。同步時(shí)鐘提取算法的關(guān)鍵在于原始序列的恢復(fù)和最大游程的確定。通過(guò)設(shè)計(jì)模擬電路恢復(fù)原始序列，在FPGA或DSP上設(shè)計(jì)算法確定最大游程恢復(fù)出同步時(shí)鐘。由于恢復(fù)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘往往有時(shí)延抖動(dòng)，最后還需要通過(guò)單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合來(lái)獲得一個(gè)準(zhǔn)確的時(shí)鐘。

M序列 位同步時(shí)鐘

數(shù)字通信系統(tǒng)中往往需要偽隨機(jī)序列輔助通信，而獲取相關(guān)序列的位同步時(shí)鐘是接收端進(jìn)行解調(diào)等操作的前提。位同步時(shí)鐘同步的方法分為兩種：自同步法和外同步法。外同步法是在發(fā)送端另外發(fā)送同步信息，占用帶寬資源。本文主要設(shè)計(jì)的是自同步法，在原序列中提取位同步時(shí)鐘，節(jié)省資源并且更加準(zhǔn)確，誤碼率更低。在實(shí)際傳輸過(guò)程中，接收端所獲得的M序列通常經(jīng)過(guò)了衰減和變形，因此整個(gè)提取時(shí)鐘分為兩個(gè)部分：信號(hào)的整形和時(shí)鐘的提取。信號(hào)的整形主要是將畸變信號(hào)進(jìn)行放大和轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)。位同步時(shí)鐘提取部分在許多文獻(xiàn)中都采用了基于鎖相環(huán)，另外用GPS輔助的方法，這種方法獲得的時(shí)鐘很精確，但需要獲取衛(wèi)星時(shí)鐘增加了設(shè)備制造的成本。本文設(shè)計(jì)的方法是利用高倍頻的時(shí)鐘測(cè)量并獲取信號(hào)的最大脈寬，由反饋函數(shù)計(jì)算得出最大游程長(zhǎng)度，兩者之比即為時(shí)鐘頻率。再利用二倍頻時(shí)鐘信號(hào)來(lái)恢復(fù)出位同步時(shí)鐘，原理簡(jiǎn)單設(shè)備易實(shí)現(xiàn)。

1 信號(hào)整形電路設(shè)計(jì)

在接收端獲取的信號(hào)是一個(gè)衰減變形的序列，本文通過(guò)π型衰減器和濾波器模擬實(shí)際信號(hào)干擾效果。信號(hào)整形的第一步就是對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。放大器的選型選用TI公司的OPA228，OPA288可用作前向放大器，輸入阻抗高，低噪聲，并且設(shè)計(jì)電路時(shí)注意阻抗匹配。

信號(hào)整形的第二步是對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，該部分電路通常采用比較器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字序列。為了這部分電路對(duì)各種信號(hào)具有普適性，本文采用兩段比較器輸出。第一段比較器選用壓擺率較小的放大器開(kāi)環(huán)輸出，得到一個(gè)上升較為緩慢的波形。第二段選用一片壓擺率較大的放大器開(kāi)環(huán)輸出來(lái)減少波形的上升時(shí)延，從而避免了過(guò)沖現(xiàn)象，也防止波形過(guò)緩給下面FPGA進(jìn)行時(shí)鐘提取時(shí)造成誤差。比較器設(shè)計(jì)仿真圖如圖1所示，在設(shè)計(jì)實(shí)際電路的時(shí)候每一段比較器之間還需加上隔離模塊，保證各個(gè)模塊之間阻抗匹配互不干擾。

圖1 比較器原理圖

2 位同步時(shí)鐘算法設(shè)計(jì)

2.1 時(shí)鐘頻率的獲得

將整形后的M序列輸入FPGA，在FPGA內(nèi)完成對(duì)時(shí)鐘頻率的獲取。首先根據(jù)輸入的M序列查找其反饋函數(shù)，找出最大游程，以28-1長(zhǎng)度的M序列為例，最大游程長(zhǎng)度為8。其次在FPGA內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)高頻插入信號(hào)，該信號(hào)插入到M序列中，并捕捉插入信號(hào)的上升沿和下降沿，獲得該序列的幀信號(hào)。最后比較幀信號(hào)M序列每一對(duì)上升沿和下降沿之間脈沖的個(gè)數(shù)，找出最大的脈寬。最大脈寬比上最大游程數(shù)即位M序列的時(shí)鐘頻率。通過(guò)仿真圖2，可以觀察到捕獲的幀信號(hào)與原信號(hào)之間的對(duì)比。

圖2 幀信號(hào)捕捉仿真圖

圖中第一行為原始使時(shí)鐘，頻率過(guò)高無(wú)法清晰顯示，第二行和第三行均為插入信號(hào)，兩個(gè)正反信號(hào)，便于捕捉邊沿，第四行為M序列，第五行為幀信號(hào)。

2.2 位同步時(shí)鐘的恢復(fù)

根據(jù)之前獲得的幀信號(hào)，對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行恢復(fù)。在產(chǎn)生同步時(shí)鐘的時(shí)候，要與幀信號(hào)的起始相位一致，來(lái)保證兩段的時(shí)鐘在時(shí)間上的一致性。在發(fā)送端M序列的時(shí)鐘改變時(shí)，會(huì)影響在接收端對(duì)上升沿和下降沿的捕獲，因此在FPAG內(nèi)部第一次恢復(fù)出同步時(shí)鐘后，產(chǎn)生一個(gè)二倍頻的時(shí)鐘動(dòng)態(tài)監(jiān)視M序列。當(dāng)發(fā)送端M序列時(shí)鐘改變，二倍頻時(shí)鐘檢測(cè)到上升沿或下降沿相位產(chǎn)生偏移，便通知捕獲模塊重新捕獲，恢復(fù)出正確的時(shí)鐘。

在恢復(fù)出時(shí)鐘后，將數(shù)據(jù)緩存到buffer中，以串口協(xié)議發(fā)送給單片機(jī)，由于buffer中的數(shù)據(jù)都是實(shí)時(shí)檢測(cè)的數(shù)據(jù)，因此需要單片機(jī)再對(duì)其一組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，將大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)擬合出一個(gè)精確的時(shí)鐘頻率，并在屏幕上顯示出來(lái)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)M序列在接收端恢復(fù)提取位同步時(shí)鐘的問(wèn)題給出了具體解決方案。從硬件的選型和設(shè)計(jì)到軟件具體算法的實(shí)現(xiàn)，都作了較為詳盡的闡述。

[1]楊兵見(jiàn),魏豐,陳永志.Linux下的PCIE同步時(shí)鐘卡的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2017,25(1):98-100

[2]郜洪亮,劉遵義.基于GPS和FPGA的便攜式高精度同步時(shí)鐘的研制[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2009,37(2):80-82

[3]李澤文,姚建剛,曾祥君,等.基于數(shù)字鎖相原理的GPS高精度同步時(shí)鐘產(chǎn)生新方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2009,33(18):82-86

[4]蔣陸萍,曾祥君,李澤文,等.基于GPS實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)高精度同步時(shí)鐘[J].電網(wǎng)技術(shù),2011(2):201-206

[5]李澤文,舒磊,鄧豐,等.基于全數(shù)字鎖相環(huán)的電力系統(tǒng)高精度同步時(shí)鐘[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2015,35(7):32-36

[6]GurpreetSibia.低噪聲放大器選擇[J].電子產(chǎn)品世界,2004(19):102-103

第一作者：劉啟航：在讀本科生，研究方向?yàn)橥ㄐ殴こ?；單位：南京郵電大學(xué)。

第二作者：張帥帥：在讀本科生，研究方向?yàn)橥ㄐ殴こ?；單位：南京郵電大學(xué)。

第三作者：宋越卿：在讀本科，研究方向?yàn)橥ㄐ殴こ虇挝唬耗暇┼]電大學(xué)。