摘 要：同步是通信系统中一个非常重要的实际问题。同步系统性能的降低会导致通信系统性能的降低，甚至使通信系统不能正常工作。因此，同步是信息能够正确可靠传输的前提。介绍一种基于单片机的锁相环位同步提取技术的原理及算法。
关键词：位同步；数字锁相；通信系统；单片机
在数字通信系统中，发送端按照确定的时间顺序，逐个传输数码脉冲序列中的每个码元。而在接收端必须有准确的抽样判决时刻才能正确判决所发送的码元，因此，接收端必须提供一个确定抽样判决时刻的定时脉冲序列。这个定时脉冲序列的重复频率必须与发送的数码脉冲序列一致，同时在最佳判决时刻(或称为最佳相位时刻)对接收码元进行抽样判决。可以把在接收端产生这样的定时脉冲序列称为码元同步，或称位同步。
实现位同步的方法和载波同步类似，有直接法(自同步法)和插入导频法(外同步法)两种，而直接法又分为滤波法和锁相法。本文介绍的方法就是用直接法中的锁相环实现的。
1 数字锁相位同步提取原理
数字通信系统接收端位同步提取通常采用如图1所示的数字锁相环DPLL(Digital Phase Locked Loop)。DPLL包括3个部件：
(1)数字鉴相器DPD(Digital Phase Ditector)比较接收码元与本地DCO输出的位同步时钟相位，输出反映相位差的数字信号。
(2)数字环路滤波器DLF(Digital Loop Filter)对DPD输出相位误差数字信号滤波，去掉随机噪声的影响，输出较准确的相位误差数字信号。
(3)数控振荡器DCO(Digital Controlled Oscillator)是数字电路构成的振荡器，输出与接收码元相同速率的位同步时钟脉冲CLK，其相位受相位误差数字信号控制可提前或推迟，最后与接收码元相位锁定。
DPD及DCO是构成数字锁相环必不可少的部件，DLF可视需要而加入。3个部件各由多种形式的电路组成不同的数字锁相环。最典型的数字锁相环为超前-滞后型数字锁相环，又称为微分整流型数字锁相环，在码速率不高时可由图2所示单片机系统实现。图中，边缘检测又称为过零检测，它将输入数据信号DK1放大整形后，再将其跳变沿(整形前的过零点)变换为窄脉冲ZCD，送至单片机的外部中断输入端INT1。边缘检测中的延时电路可用几级门实现。微分整流电路与边缘检测电路具有相同功能。
该数字锁相环未用DLF。单片机内T0定时器及其中断服务程序实现DCO功能。在DK1无跳变沿(无ZCD负脉冲)时，单片机不进入INT1中断服务程序，T0定时为输入码周期Tb。在DK1有跳变沿时，进入INT1中断服务程序，首先读取T0当前值与预期值(Tb/2时常数)，通过比较确定DCO相位与DK1数据跳变沿相位关系是超前或滞后，据此调整DCO相位。若DCO相位超前，则设置T0下周定时为Tb+δ，使DCO相位推迟；若DCO相位滞后，则设置T0下周定时为Tb-δ，使DCO相位提前，最后实现DCO相位与DK1数据相位锁定。总之，INT1中断服务程序实现DPD及DCO控制功能，T0定时器及其中断服务程序实现DCO功能。T1定时器及其中断服务程序实现延时即相移，使最后输出的位同步时钟CLK与DK1(或DK2)的相位差为0或180°：当传输系统频带不受限、采用MSK/FSK调制解调方式时，DK1为方波，接收端采用积分/采样/判决进行检测，两者相位差应为0，即CLK与DK1数据边沿对齐；当传输系统频带受限、采用GMSK/GFSK调制解调方式时，DK2(DK1经LPF后的信号)为钟形脉冲，CLK应对准DK2码元中点采样/判决，两者相位差为180°或Tb/2，如图2(d)所示。T1延时由P1.4输入信号MSKC控制。INT1、T0及T1中断服务程序框图如图3所示，主程序完成3个中断源初化及其他初始化后就踏步。
位同步提取数字锁相环由CPU2实现，其P1.4输入的控制信号MSKC来自CPU1，由工作方式决定：在FSK/MSK工作方式时，MSKC=1；在GMSK/GFSK工作方式时，MSKC=0。
对接收的随机数字信号，可近似认为两相邻码元中出现00、01、10、11的概率相等，其中有数据跳变的占一半。而对无DLF的数字锁相环而言，每发生数据跳变可调整相位一次，因此平均每2Tb s可调整相位一次，故同步建立时间为：
有DLF的数字锁相环，调整相位的速率要比无DLF的低，故同步带比式(5)小。
由式(1)、式(2)、式(5)可知，3个性能指标都取决于DCO周期调整步距δ：δ愈大，同步带愈大，同步建立时间愈短，但相位误差却增大了。所以δ应折中选取，在保证锁相环路能锁定(同步)的前提下，δ尽可能取小些，以减小相位误差。
本设计采用单片机芯片实现数字电路相关器件，简化了相关器件复杂的逻辑电路设计，降低了系统的功耗和成本，提高了系统的可靠性。实现位同步的方法很多，本文讨论的是采用数字锁相环技术来提取位同步信号。在位同步提取中，如何缩小同步建立时间、降低位误差及增大同步保持时间是好的位同步设计的努力方向。
参考文献
[1] 湛洪然.单品机原理及实训教程[M].北京：北京师范大学出版社，2008.
[2] 樊昌信.通信原理[M].北京：国防工业出版社，2001.
[3] 张厥盛，郑继禹.锁相环技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，1994.
[4] 田智生.基于锁相环的精确自动增益控制电路[J].现代电子技术，2005，28(3)：16-17.
[5] 毕成军.基于FPGA的位同步信号提取[J].现代电子技术，2006，20(4)：121-123.