M序列的位同步時鐘的提取與恢復

劉啟航 張帥帥 宋越卿 南京郵電大學貝爾英才學院

M序列的位同步時鐘的提取與恢復

劉啟航 張帥帥 宋越卿 南京郵電大學貝爾英才學院

針對數字通信系統中接收端同步時鐘的獲取問題，本文以M序列為傳輸序列，通過對偽隨機序列性質的分析，給出具體的位同步時鐘提取和恢復算法。同步時鐘提取算法的關鍵在于原始序列的恢復和最大游程的確定。通過設計模擬電路恢復原始序列，在FPGA或DSP上設計算法確定最大游程恢復出同步時鐘。由于恢復的實時時鐘往往有時延抖動，最后還需要通過單片機對數據進行擬合來獲得一個準確的時鐘。

M序列 位同步時鐘

數字通信系統中往往需要偽隨機序列輔助通信，而獲取相關序列的位同步時鐘是接收端進行解調等操作的前提。位同步時鐘同步的方法分為兩種：自同步法和外同步法。外同步法是在發送端另外發送同步信息，占用帶寬資源。本文主要設計的是自同步法，在原序列中提取位同步時鐘，節省資源并且更加準確，誤碼率更低。在實際傳輸過程中，接收端所獲得的M序列通常經過了衰減和變形，因此整個提取時鐘分為兩個部分：信號的整形和時鐘的提取。信號的整形主要是將畸變信號進行放大和轉換成標準的數字信號。位同步時鐘提取部分在許多文獻中都采用了基于鎖相環，另外用GPS輔助的方法，這種方法獲得的時鐘很精確，但需要獲取衛星時鐘增加了設備制造的成本。本文設計的方法是利用高倍頻的時鐘測量并獲取信號的最大脈寬，由反饋函數計算得出最大游程長度，兩者之比即為時鐘頻率。再利用二倍頻時鐘信號來恢復出位同步時鐘，原理簡單設備易實現。

1 信號整形電路設計

在接收端獲取的信號是一個衰減變形的序列，本文通過π型衰減器和濾波器模擬實際信號干擾效果。信號整形的第一步就是對信號進行放大。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，并且設計電路時注意阻抗匹配。

信號整形的第二步是對信號進行數字化，該部分電路通常采用比較器將模擬信號轉為數字序列。為了這部分電路對各種信號具有普適性，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環輸出，得到一個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環輸出來減少波形的上升時延，從而避免了過沖現象，也防止波形過緩給下面FPGA進行時鐘提取時造成誤差。比較器設計仿真圖如圖1所示，在設計實際電路的時候每一段比較器之間還需加上隔離模塊，保證各個模塊之間阻抗匹配互不干擾。

圖1 比較器原理圖

2 位同步時鐘算法設計

2.1 時鐘頻率的獲得

將整形后的M序列輸入FPGA，在FPGA內完成對時鐘頻率的獲取。首先根據輸入的M序列查找其反饋函數，找出最大游程，以28-1長度的M序列為例，最大游程長度為8。其次在FPGA內部產生一個高頻插入信號，該信號插入到M序列中，并捕捉插入信號的上升沿和下降沿，獲得該序列的幀信號。最后比較幀信號M序列每一對上升沿和下降沿之間脈沖的個數，找出最大的脈寬。最大脈寬比上最大游程數即位M序列的時鐘頻率。通過仿真圖2，可以觀察到捕獲的幀信號與原信號之間的對比。

圖2 幀信號捕捉仿真圖

圖中第一行為原始使時鐘，頻率過高無法清晰顯示，第二行和第三行均為插入信號，兩個正反信號，便于捕捉邊沿，第四行為M序列，第五行為幀信號。

2.2 位同步時鐘的恢復

根據之前獲得的幀信號，對時鐘進行恢復。在產生同步時鐘的時候，要與幀信號的起始相位一致，來保證兩段的時鐘在時間上的一致性。在發送端M序列的時鐘改變時，會影響在接收端對上升沿和下降沿的捕獲，因此在FPAG內部第一次恢復出同步時鐘后，產生一個二倍頻的時鐘動態監視M序列。當發送端M序列時鐘改變，二倍頻時鐘檢測到上升沿或下降沿相位產生偏移，便通知捕獲模塊重新捕獲，恢復出正確的時鐘。

在恢復出時鐘后，將數據緩存到buffer中，以串口協議發送給單片機，由于buffer中的數據都是實時檢測的數據，因此需要單片機再對其一組數據進行擬合，將大量的實時數據擬合出一個精確的時鐘頻率，并在屏幕上顯示出來。

3 結語

本文對M序列在接收端恢復提取位同步時鐘的問題給出了具體解決方案。從硬件的選型和設計到軟件具體算法的實現，都作了較為詳盡的闡述。

[1]楊兵見,魏豐,陳永志.Linux下的PCIE同步時鐘卡的設備驅動程序開發[J].計算機測量與控制,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鐘的研制[J].電力系統保護與控制,2009,37(2):80-82

[3]李澤文,姚建剛,曾祥君,等.基于數字鎖相原理的GPS高精度同步時鐘產生新方法[J].電力系統自動化,2009,33(18):82-86

[4]蔣陸萍,曾祥君,李澤文,等.基于GPS實現電力系統高精度同步時鐘[J].電網技術,2011(2):201-206

[5]李澤文,舒磊,鄧豐,等.基于全數字鎖相環的電力系統高精度同步時鐘[J].電力自動化設備,2015,35(7):32-36

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

第一作者：劉啟航：在讀本科生，研究方向為通信工程；單位：南京郵電大學。

第二作者：張帥帥：在讀本科生，研究方向為通信工程；單位：南京郵電大學。

第三作者：宋越卿：在讀本科，研究方向為通信工程單位：南京郵電大學。