脉冲抖动传输方案设计

1系统方案设计

该方案采用模拟电路实现，整个系统设计调试工作比较复杂。为了获得较低门限指标，拟对定时脉冲传输的调制解调部分通过数字电路处理实现。把微波通信链路等效成一条传输线，调制解调方案采用BPSK相干解调，定时恢复采用gardner算法，载波恢复采用costas环。但是全数字处理会带来定时恢复的抖动，因此在数字处理技术的基础上引入数字内插技术，并要模拟电路辅助去除抖动。总体思想是:由于数字处理会在传输线中引入定时恢复的抖动，最后用相位检测技术对相位模糊现象做处理。

2关键技术

2.1数字内插技术采用数字方法恢复定时信号时，在大信噪比条件下，用该定时信号对解调信号采样，当定时环路稳定后，由于数字信号的离散特性，采样点最少偏离最佳采样点一个采样周期，采样位置可能左右移动，这样引入的定时信号抖动在2T(T为最高采样钟的倒数)的范围内。以本系统为例，最高采样时钟为80MHz，引入的定时抖动则在25ns左右;若想达到10ns以内的设计指标，系统的最高采样时钟最低为200MHz，而目前选用的FPGA、A/D和D/A芯片稳定工作时的工作时钟一般在100MHz左右，若提高系统的工作时钟，就要重新选择高速运行的芯片，这必将大大提高系统的设计难度和实现的复杂程度。该方案采用内插的方法，利用三点内插拟合出最佳采样点，这样大大降低了数字化带来的脉冲传输抖动［3－6］。2.2锁相环技术锁相环的工作原理如图1所示。鉴相器的作用就是一个相位比较装置，以晶振为参考，将VCO(压控振荡器)的输出相位与晶振的相位相比较而得到一个相位差，输出是一个误差电压ud;环路滤波器的作用就是在于滤除误差电压中所带来的高频成分和噪声，达到稳定环路工作以及改善环路性能的目的;VCO的输出频率fout随着误差电压的改变而改变，鉴相器的输出电压经过环路滤波之后去控制VCO的输出频率fout，实现了相位的反馈控制，最终将输出信号的频率fout锁定在晶振的频率fi上。当环路稳定时，VCO的输出频率就等于晶振的频率fi，它们具有相同的稳定度，也可以说锁相环式频率合成器的频率稳定度可以提高VCO的水平。系统选用AnalogDevice公司的ADF4001作为锁相环控制芯片。该芯片最大的工作频率为200MHz，通过串行总线置数方式实现频率控制。芯片的输入电压要求在2.7～5.5V，可以应用于锁相环路中，主要起鉴相器的作用，与外部的环路滤波器和VCO可以组成一个完整的锁相环路。2.3调制解调器的数字化调制解调器的核心技术就是定时恢复与载波恢复。此方案采用BPSK相干解调，定时恢复采用gardner算法，载波恢复采用Costas环。定时误差检测采用F.M.Gardner提出的2S/S算法，为最大似然算法的近似。定时错误的获得与载波相位无关，实现该算法不需要以载波相位锁定为前提条件，这使得该算法有很高的灵活性。载波恢复环采用判决反馈型科斯塔斯环。判决反馈环型Costas环又成为修正型Costas环，环路的核心为相位误差检测器。检测器利用采样信号与符号判决来产生误差信号，该误差信号反映了实际载波相位与当前估计相位的差别。与传统的模拟技术相比，用数字处理技术实现通信系统无疑具有很多优点:使用模拟器件时，系统的整体性能对模拟器件的多种非理想特性很敏感，如模拟滤波器的相位失真、放大器、混频器的非线性等。为保证系统的性能，需要很多辅助电路，调试困难、易出故障，也不能满足智能化处理的要求。而采用数字技术，则可以极大地简化设备。特别在收端，可以通过各种算法来实现载波同步和符号定时。由于采用超大规模集成电路，因而便于调试和批量生产，而且工作稳定可靠，功耗低，设备小巧。2.4相位模糊检测技术经模拟环路提纯的80MHz时钟与数字环路恢复的10MHz符号时钟之间存在8种相位关系，为了使最终输出时钟和数字10MHz时钟相位一致，采用大数判决原则，在出现相位概率最大的位置恢复出模拟时钟。

3系统实现方案及性能测试分析

3.1系统实现方案调制端对输入10MHz参考锁定本地80MHz的VCO，使用锁定的本地时钟作为工作钟进行调制。调制器输入信号为2个:一为输入秒脉冲;二为同步数据。调制器输入信号的秒脉冲和同步数据均和10MHz输入参考同步。调制器对该两个输入进行复接并进行纠错编码后，再进行成形、低中频调制、D/A变换、上变频为70MHz中频后输出。调制器实现原理框图如图2所示。解调器对输入低中频信号进行全数字解调，并对恢复的时钟采用窄带模拟锁相环进行提纯，提纯后时钟信号抖动量达到5ns以内量级，再通过由高稳铷钟驱动的DDS对定时信号进行二次提纯。解调器使用DDS还可以实现对输出时钟脉冲的相位控制，精度可以达到μHz量级，满足系统要求。解调器实现原理框图如图3所示。3.2测试框图及性能分析系统的中频测试框图如图4所示。调制器的信息速率为10Mb/s，经过上变频器、混频器、变频器、可变衰减器和AGC后送入解调器。用示波器观察脉冲的传输抖动，示波器型号为TektronixDPO3054，示波器与发端的脉冲锁定，观察接收端解调出的脉冲的抖动情况。从数字示波器的观察得知，在接收电平在－30dBm～－90dBm时，脉冲可以无丢失传输。以10Mb/s速率传输时，当接收信号电平在－90dBm时(误码率在10－6量级)，定时抖动小于4ns。

4结束语

设计了一种时统设备中的定时脉冲低抖动传输方案。该方案采用了数字化方法，相比原有模拟系统而言，在简化调试方法的基础上，降低了定时脉冲的传输抖动，同时保证了较低的系统门限指标。该项技术特别适用于对时统系统中秒脉冲信号低抖动传输和对同步数据信息低误码率传输。通过实际工程应用，证明该方案对整个时统系统性能的提升起到了关键作用。

作者：朱海江 王洪磊 陈雁 单位：中国电子科技集团公司第五十四研究所