数字锁相环提取同步信号电路图
通信原理实验报告
实验十九滤波法及数字锁相环法位同步提取实验一、实验目的1、掌握滤波法提取位同步信号的原理及其对信息码的要求。
2、掌握用数字锁相环提取位同步信号的原理及其对信息代码的要求。
3、掌握位同步器的同步建立时间、同步保持时间、位同步信号同步抖动等概念。
二、实验器材1、主控&信号源、13、8号模块各一块2、双踪示波器一台3、连接线若干三、实验原理1、滤波法位同步提取实验原理框图滤波法位同步提取实验框图2、滤波法位同步提取实验框图说明将单刀双掷开关S2上拨，选择滤波法位同步提取电路，输入HDB3单极性码信号经一个256K窄带滤波器，滤出同步信号分量，通过门限判决后提取位同步信号。
但由于有其他频率成分的干扰,导致时钟有些部分的占空比不为50%，因此需要通过模拟锁相环进行平滑处理；数字的256K时钟经过4分频之后，已经得到一定的平滑效果，送入CD4046鉴相输入A脚的是64KHz的时钟信号，当CD4046处于同步状态时，鉴相器A脚的时钟频率及相位应该与鉴相器B脚的相同。
由于鉴相器B脚的时钟是VCO经8分频得到的。
因此，VCO输出的频率为512K。
3、数字锁相环法位同步提取实验原理框图数字锁相环位同步提取实验原理框图4、数字锁相环法位同步提取实验框图说明锁相法位同步提取是在接收端利用锁相环电路比较接收码元和本地产生的位同步信号的相位，并调整位同步信号的相位，最终获得准确的位同步信号。
4位拨码开关S3设置BCD 码控制分频比，从而控制提取的位同步时钟频率，例如设置分频频率“0000”输出4096KHz 频率，“0011”输出512KHz频率，“0100”输出256KHz频率，“0111”输出32KHz频率。
数字锁相环(DPLL)是一种相位反馈控制系统。
它根据输入信号与本地估算时钟之间的相位误差对本地估算时钟的相位进行连续不断的反馈调节，从而达到使本地估算时钟相位跟踪输入信号相位的目的。
DPLL 通常有三个组成模块：数字鉴相器(DPD)、数字环路滤波器(DLF)、数控振荡器(DCO)。
实验十五 帧同步信号提取实验
实验十五 帧同步信号提取实验一、实验目的1． 掌握巴克码识别原理。
2． 掌握同步保护原理。
3． 掌握假同步、漏同步、捕捉态、维持态的概念。
二、实验内容1． 观察帧同步码无错误时帧同步器的维持态。
2． 观察帧同步器的假同步现象、漏识别现象和同步保护现象。
三、实验器材1． 信号源模块2． 同步信号提取模块3． 20M 双踪示波器一台 4． 频率计（选用） 一台四、实验原理由于数字通信系统传输的是一个接一个按节拍传送的数字信号单元，即码元，因而在接收端必须按与发送端相同的节拍进行接收，否则，会因收发节拍不一致而导致接收性能变差。
此外，为了表述消息的内容，基带信号都是按消息内容进行编组的，因此，编组的规律在收发之间也必须一致。
在数字通信中，称节拍一致为“位同步”，称编组一致为“帧同步”。
在时分复用通信体统中，为了正确地传输信息，必须在信息码流中插入一定数量的帧同步码，它可以是一组特定的码组，也可以是特定宽度的脉冲，可以集中插入，也可以分散插入。
集中式插入法也称为连贯式插入法，即在每帧数据开头集中插入特定码型的帧同步码组，这种帧同步法只适用于同步通信系统，需要位同步信号才能实现。
适合做帧同步码的特殊码组很多，对帧同步码组的要求是它们的自相关函数尽可能尖锐，便于从随机数字信息序列中识别出这些帧同步码组，从而准确定位一帧数据的起始时刻。
由于这些特殊码组123{,,,,}n x x x x 是一个非周期序列或有限序列，在求它的自相关函数时，除了在时延j ＝0的情况下，序列中的全部元素都参加相关运算外；在j ≠0的情况下，序列中只有部分元素参加相关运算，其表示式为∑-=+=jn i j i i x x j R 1)( （15－1）通常把这种非周期序列的自相关函数称为局部自相关函数。
对同步码组的另一个要求是识别器应该尽量简单。
目前，一种常用的帧同步码组是巴克码。
巴克码是一种非周期序列。
一个n 位的巴克码组为{x 1，x 2，x 3，…，x n }，其中x i 取值为＋1或－1，它的局部自相关函数为⎪⎩⎪⎨⎧≥<<±===∑-=+nj n j j n x x j R j n i j i i 00100)(1或 （15－2） 目前已找到的所有巴克码组如表15-1所列。
基于FPGA的锁相环位同步提取电路设计
基于FPGA的锁相环位同步提取电路设计锁相环（Phase-Locked Loop，PLL）是一种广泛应用于通信、控制及信号处理等领域的电路，能够实现频率同步和相位同步。
在本文中，我们将讨论基于FPGA的锁相环位同步提取电路设计。
首先，我们将介绍锁相环的基本原理。
锁相环由相位比较器、低通滤波器、VCO（Voltage-Controlled Oscillator）和分频器组成。
相位比较器用于比较参考信号和反馈信号的相位差，将相位差转换为电压差。
低通滤波器将电压差平滑处理，得到控制电压，用于控制VCO的频率。
VCO产生与输入信号频率相同的输出信号，通过分频器将输出信号分频后与参考信号进行比较，实现频率同步。
在基于FPGA的锁相环位同步提取电路设计中，我们的目标是实现一个能够提取输入信号的位同步信息的电路，其中输入信号可能包含多个周期不同的位同步序列。
首先，我们需要设计一个相位比较器，用于比较参考信号和输入信号的相位差。
可以使用FPGA中的数字时钟管理模块来实现相位比较器，将输入信号与参考信号都映射到固定的时钟边沿上，并通过计数器测量输入信号和参考信号之间的相位差。
然后，我们需要设计一个低通滤波器，用于平滑处理相位差。
可以使用FPGA中的滑动平均滤波器来实现低通滤波器，通过对相位差进行滑动平均运算，得到平滑的控制电压。
接下来，我们需要设计一个VCO，用于产生与输入信号频率相同的输出信号。
可以使用FPGA中的数字控制模块来实现VCO，通过调节VCO的控制电压来控制输出频率。
最后，我们需要设计一个分频器，将VCO的输出信号分频后与参考信号进行比较。
可以使用FPGA中的计数器来实现分频器，通过设置分频器的计数值来实现对VCO输出信号的分频。
在整个电路设计过程中，我们需要注意以下几点：1.选择合适的时钟频率和分辨率。
时钟频率要足够高，以满足输入信号的高速采样需求。
分辨率要足够高，以保证位同步信息的精确提取。
2.选择合适的滤波器参数。
模拟电子技术基础 7.3锁相环路(PLL)PPT课件
LF
VCO
输入调频信号
输出解调信号
uＣ(t)
捕捉带 ＞ 输入调频信号的最大频偏
环路带宽＞输入调频信号中调制信号的频谱பைடு நூலகம்度
为实现不失真解调，要求：
2. 调幅波的同步检波
乘积型同步检波框图
AMXY
LPF
uO(t)
ur(t)
us(t)
同步信号利用PLL提取
2. 调幅波的同步检波
PDⅡ的输入信号只在上升沿起作用，故该PD能处理非常窄的脉冲。
工作波形
VCO输入
VDD
PDⅡ输出
u14
u3
u13
锁定指示：锁定时高电平 失锁时低电平
u1
u9
PDⅡ称为鉴频鉴相器，因为：
o
uD(t)
PLL基本方程 的含义？
PLL基本方程 的含义？
7.3 锁相环路
可以锁定相位，可以消除频率误差,实现频率的无误差跟踪
主要要求：
掌握PLL的基本组成、工作原理和锁定的概念。
了解PLL的相位模型和基本方程。
了解PLL的捕捉与跟踪。
7.3 锁相环路
了解集成PLL和PLL的应用。
7.3.1 锁相环路基本原理
一、 锁相环路基本组成
鉴相器（PD）：用以比较ui、 uo相位， 输出反映相位误差 的电压uD(t)
CMOS锁相环路CD4046简介
为数字PLL。内有两个PD、VCO、缓冲放大器、输入信号放大与整形电路、内部稳压器等。
具有电源电压范围宽（5~15V）、功耗低、输入阻抗高等优点。工作频率0~1MHz
内部VCO产生50%占空比的方波。输出电平可与TTL电平或CMOS电平兼容。
解调电压输出
位同步信号提取实验
实验五位同步信号提取实验一、实验目的1．掌握用数字环提取位同步信号的原理及对信息代码的要求。
2．掌握位同步器的同步建立时间、同步保持时间、位同步信号同步抖动等概念。
二、实验内容1．观察数字环的失锁状态、锁定状态。
2．观察数字环锁定状态下位同步信号的相位抖动现象及相位抖动大小与固有频差的关系。
3．观察数字环位同步器的同步保持时间与固有频差之间的关系。
三、实验器材1．信号源模块2．同步信号提取模块3．20M双踪示波器一台4．频率计（选用）一台四、实验步骤1．将信号源模块、同步信号提取模块小心地固定在主机箱中，确保电源接触良好。
2．插上电源线，打开主机箱右侧的交流开关，再分别按下两个模块中的开关POWER1、POWER2，对应的发光二极管LED001、LED002、D500、D501发光，按一下信号源模块的复位键，两个模块均开始工作。
3．将信号源模块的位同步信号的频率设置为15.625KHz（通过拨码开关SW101、SW102进行设置），将信号源模块输出的NRZ码设置为1、0交替码（通过拨码开关SW103、SW104、SW105进行设置）。
4．将同步信号提取模块的拨码开关SW501的第一位拨上，即将数字锁相环的本振频率设置为15.625KHz，然后将信号源模块输出的NRZ码从信号输入点“NRZ-IN”输入，按一下同步信号模块上的“复位”键，使单片机开始工作，以信号源产生的位同步信号“BS”为内触发源，用示波器双踪同时观察信号输出点“位同步输出”的信号与信号源中的“BS”信号。
5．特别注意的是，本模块只能提取NRZ码的位同步信号，而且当信号源模块中的位同步信号的频率偏离同步信号提取模块设置的数字锁相环的本振频率过远时，将无法正确提取输入信号的位同步信号。
本实验中数字锁相环共有15.625KHz、10KHz、8KHz、4KHz四种本振频率可供选择，分别对应拨码开关SW501的1、2、3、4位，实验时请注意正确选择。
实验5 数字锁相环与位同步
一、 实验目的
1. 掌握数字锁相环工作原理。 2. 掌握用数字环提取位同步信号的原理及对信息代码的要求。 3. 掌握位同步器的同步建立时间、同步保持时间、位同步信 号同步抖动等概念。
二、
实验内容
1. 观察数字环的失锁状态、锁定状态。 2. 观察数字环锁定状态下位同步信号的相位抖动现象 及相位抖动大小与固有频差、信息代码的关系。 3. 观察数字环位同步器的同步保持时间与固有频差之 间的关系。
四、Βιβλιοθήκη 实验步骤本实验使用数字信源单元和位同步单元。 1、熟悉位同步单元工作原理。将数字信源单元的NRZ-OUT用信 号连线连接到位同步单元的S-IN点，接通实验箱电源。调整信源 模块的K1、K2、K3开关，使NRZ-OUT的连“0”和连“1”个数较少。 2、观察数字环的锁定状态和失锁状态。 将示波器的两个探头分别接数字信源单元的NRZ-OUT和位同步单 元的BS-OUT，调节位同步单元上的可变电容C2，观察数字环的锁 定状态和失锁状态。锁定时BS-OUT信号上升沿位于NRZ-OUT信号 的码元中间且在很小范围内抖动；失锁时，BS-OUT的相位抖动很 大，可能超出一个码元宽度范围，变得模糊混乱。
五、
实验报告要求
数字环位同步器输入NRZ码连“1”或连“0”个数增加时， 提取的位同步信号相位抖动增大，试解释此现象。
据通信双方的计算机在时钟频率上存在差异，而这种 差异将导致不同的计算机的时钟周期的微小误差。尽管这 种差异是微小的，但在大量的数据传输过程中，这种微小 误差的积累足以造成传输的错误。因此，在数据通信中， 首先要解决的是收发双方计算机的时钟频率的一致性问题。 一般方法是，要求接收端根据发送端发送数据的起止时间 和时钟频率，来校正自己的时间基准和时钟频率，这个过 程叫位同步。可见，位同步的目的是使接收端接收的每一 位信息都与发送端保持同步。目前实现位同步的方法主要 有外同步法和自同步法两种： 1、外同步法。外同步的方法是，发送端发送数据之前 先发送同步时钟信号，接收方用这一同步信号来锁定自己 的时钟脉冲频率，以此来达到收发双方位同步的目的； 2、自同步法。接收方利用包含有同步信号的特殊编码 （如曼彻斯特编码）从信号自身提取同步信号来锁定自己 的时钟脉冲频率，达到同步目的。
《数字锁相环》PPT课件
1所示，它由A/D、数字计算器和D/A三部分组成。
图7-11 数字环路滤波器一般形式
•
3. 数字压控振荡器(DCO)数字压控振荡器的基本组成如图7-13所示。它由频
率稳定的信号钟、计数器与比较器组成,其输出是一取样脉冲序列,脉冲周期受数字
环路滤波器送来的校正电压控制。前一个取样时刻的校正电压将改变下一个取样
时刻的脉冲时间的位置。DCO在环路中又被称为本地受控时钟或本地参考时钟信
号。
图7-12 数字环路滤波器的模拟实现形 式
图7-13 数字压控振荡器的基本组成方 案
•
数字压控振荡器的含义可用数学式子表示。对于第k个取样周期Tk,有
•
式中T０/N为DCO周期相对于中心周期To变化的最小单位。当无控制时,y k-1=0
•
若要设计一个受350MHz时钟控制的DCO,而为得到小于7.5°的环路量化相差,
输入信号最高工作频率fo应按下式计算:
2 360o fo 7.5o
N
fc
fo
7.5o 360o
fc
7.5o 360o
350
7.29MHz
第2节 位同步数字环实例
•
上述四种类型数字锁相环都可实现FM解调、位同步提取等功能。对于位同步提
•
二、环路位同步原理
•
图7-18为图7-16方案内各点的波形图,这里为分析简便,以均匀变换的数字脉
很大影响。
图7-1 数字锁相环一般组 成
•
1. 触发器型数字锁相环(FF—DPLL)该环路利用一双稳态触发器作数字鉴相器，
其状态分别受输入信号与本地受控时钟信号的正向过零点触发,产生的置位与复位脉
冲状态变化之间间隔就反映着两信号之间相位误差。
樊昌信《通信原理》(第7版)名校考研真题(同步原理)【圣才出品】
第13章同步原理一、判断题1．中国和欧洲PCM所采用的一次群的同步周期为125微秒。
（）[南邮2009研] 【答案】对【解析】中国和欧洲PCM采用E体系，其中抽样频率为8 kHz，抽样周期为1/8kHz ＝125μs。
2．位同步和帧同步都是数字通信所特有的同步方式，模拟通信没有。
（）[南邮2009研]【答案】错【解析】模拟通信系统有时也需要帧同步，如在模拟电视信号中，为正确区分各行各帧，必须在视频信号中加入行同步脉冲和帧同步脉冲。
二、选择题1．同步系统中用于相干解调的是（）同步，用于抽样判决的是（）同步。
[南邮2009研]A．高频，低相B．大，小C．载波，位D．群，帧【答案】C【解析】载波同步又称为载波恢复，即在接收设备中产生一个和接收信号的载波同频同相的本地载波，供给解调器作相干解调用。
在接收数字信号时，接收端需要产生与接收码元严格同步的时钟脉冲序列，用来确定每个码元的积分区间和抽样判决时刻，二进制码元同步又称为位同步。
2．数字系统和模拟系统都可能具有的同步是（）同步。
[南邮2009研]A．载波B．网C．码元D．帧【答案】A【解析】“码元”和“帧”是数字系统中的概念；模拟系统和数字系统都需要载波将信号调制到射频以便于发射，故数字系统和模拟系统都可能具有的同步是载波同步。
3．准同步数字序列一次群帧结构含有（）个非话路时障，故非话音比特的速率为（）kbit/s。
[南邮2010研]A．30，2B．2，128C．2，64D．32，2【答案】B【解析】准同步数字序列一次群帧结构包含32路，其中30路承载PCM电话信号，2路承载传输信令、同步码等非话路信号；每路比特率为64kbit/s，故非话音比特速率为64×2＝128kbit/s。
4．群同步系统有两个工作状态：（）态和（）态。
[南邮2009研]A．维持，相干B．相位，波形C．维持，捕捉D．连续，离散【答案】C【解析】群同步系统有两个工作状态：维持态和捕捉态。
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1 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，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1-1所示。
它的特点是先形成含有位同步信息的信号，再用滤波器将其滤出。
下面，介绍几种具体的实现方法。
窄带法同步提取法是其中的一种。
图1-1 滤波法原理图
图1-1原理图中的波形变换，在实际应用中亦可以是一微分、整流电路，微分、整流后的基带信号波形如图1-2所示。
这里，整流输出的波形与图1-1中波形变换电路的输出波形有些区别，但这个波形同样包含有同步信号分量。
图1-2 基带信号微分、整流波形图1-3 频带受限二相PSK信号的位同步信号提取
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二相移相信号进行包络检波的方法来提取位同步信号。
频带受限的二相PSK信号波形如图1-3（a）所示。
因频带受限，在相邻码元的相位变换点附近会产生幅度的平滑“陷落”。
经包络检波后，可得图1-3（b）所示的波形。
可以看出，它是一直流和图1-3（c）所示的波形相减而组成的，因此包络检波后的波形中包含有如图1-3（c）所示的波形，而这个波形中已含有位同步信号分量。
因此，将它经滤波器后就可提取出位同步信号。
2 锁相法
位同步锁相法的基本原理和载波同步的类似。
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，直到获得准确的位同步信号为止。
前面讨论的滤波法原理中，窄带滤波器可以是简单的单调谐回路或晶体滤波器，也可以是锁相环路。
我们把采用锁相环来提取位同步信号的方法称为锁相法。
下面介绍在数字通信中常采用的数字锁相法提取位同步信号的原理。
（1）数字锁相
数字锁相的原理方框图如图1-4所示。
图1-4 数字锁相原理方框图
它由高稳定度振荡器（晶振）、分频器、相位比较器和控制器所组成。
其中，控制器包括图中的扣除门、附加门和“或门”。
高稳定度振荡器产生的信号经整形电路变成周期性脉冲，然后经控制器再送入分频器，输出位同步脉冲序列。
位同步脉冲的相位调
整过程如图1-5所示。
若接收码元速率为F（波特），则要求位同步脉冲的重复速率也为F（赫）。
这里，晶振的振荡频率设计在nF（赫），由晶振输出经整形得到重复频率为nF（赫）的窄脉
冲[图1-5（a）]，经扣除门、或门并n次分频后，就可得重复速率为F（赫）的位同步信号[图1-5（b）]。
如果接收得重复速率为F（赫）的位同步信号[图1-5（c）]。
如果接收端晶振输出经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，通过控制器对分频器进行调整。
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，相位比较器送出一超前脉冲，加到扣除门（常开）的禁止端，扣除一个a路脉冲[图1-5（d）]，这样，分频器输出脉冲的相位就推后1/n周期（360°/n），如图1-5（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，如何对分频器进行调整呢？晶振的输出整形后除a路脉冲加于附加门。
附加门在不调整时是封闭的，对分频器的工作不起作用。
当位同步脉冲相位滞后时，相位比较器送出一滞后脉冲，加于附加门，使b路输出的一个脉冲通过“或门”，插入在原a路脉冲之间[1-5（f）]，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1/n周期[1-5（g）]。
经这样的反复调整相位，即实现了位同步。
全数字锁相法提取同步信号适用于信码率较低的数字通信电路，一般信码率
<8Mb/s，本地时钟频率为65MHz左右。
原理中的分频系数M，也称相位调整步长，M越大，同步误差越小。
因此，数字锁相法提取同步信号其工作频率不能做得很高。
但这种方法适用于全数字化实现，具有稳定性好，容易集成，成本低等优点，并且由于采用全数字化实现，因此免调试，适用批量生产。
图1-5 位同步脉冲的相位调整
3 步骤
1）输入电路如图1-6示。
图1-6 数字锁相提取同步时钟实验电原理图
输入、输出脚位分配如图1-6所示，CPLD/FPGA选用U3，注意有两路全局时钟分别输入83P和2P，分别为异步4.096MHz，充当异地时钟。
信码发送方的时钟0.8MHz引出端为18P，发送4级伪码引出端为35P，图形下载后可用示波器测试并与仿真波形进行比较。
注意观察TP4（CLK8K）、TP12（TB8K）波形是否同频同相。
2）仿真波形如图1-7所示。
图1-7 数字锁相提取同步时钟实验仿真波形
注：H点可能看不到波形是由于与I点相距太远所致，所以有条件的话，用数字存储示波器观测。
3）变换电路“DCFO”模块电原理如图1-8所示。
图1-8 变换电路“DCFO”模块电原理图
4）“超前”脉冲成形电路“LDELAYGBT”模块电原理如图1-9所示。
图1-9 “超前”脉冲成形电路“LDELAYGBT”模块电原理图
5）“滞后”脉冲成形电路“LDELAY1”模块电原理如图1-10所示。
图。