摘要：PSK解調(diào)器是航天測量船船載遙測終端遙測解調(diào)單元的重要組成部分，該解調(diào)器中的碼同步電路是實現(xiàn)遙測正常解調(diào)的基礎(chǔ)。目前船載遙測終端PSK解調(diào)電路仍然采用數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)。這里探討采用一種新型電路代替數(shù)字鎖相環(huán)，以提高電路對碼同步的提取性能。并通過理論分析證明，新的改進方案優(yōu)化了PSK解碼同步電路的性能，提高了精度，擴展了帶寬，縮短了時間，增強了可靠性。
關(guān)鍵詞：航天測量船；PSK；同步電路；解調(diào)器
0 引言
航天測量船船載遙測終端PSK解調(diào)器由PSK解調(diào)和碼同步兩部分組成。主要功能是從PCM-PSK信號中解調(diào)出副載波和PCM信號，并從PCM信號中提取碼同步。并對PCM信號積分和最佳判決，恢復(fù)出信號的信息，并把各種碼型的信息流還原成NRZ—L碼。
在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)信號是以碼元形式逐個地發(fā)送和接收的，這就要求發(fā)、收雙方的時鐘要有一個穩(wěn)定而可靠的同步關(guān)系。另外，在接收端無論是經(jīng)解調(diào)得到的基帶信號，還是由基帶傳輸所直接得到的基帶信號都可能存在一定程度的畸變和干擾，這也要求本地碼元定時與發(fā)送端定時脈沖的頻率相同，且選擇最佳的判決時刻以保證對接收信號的最佳取樣和判決。通常，把在接收端產(chǎn)生碼元定時信號的過程稱為位同步或碼元同步。碼同步是實現(xiàn)正確數(shù)字通信的基礎(chǔ)，只有取得正確的位同步之后，才能實現(xiàn)字同步、幀同步和副幀同步。如果同步不良，則對碼元的判決就不準(zhǔn)確，就會使傳輸誤碼率大大增加，甚至根本不能正常解調(diào)。實現(xiàn)正確碼同步的重要性由此可見一斑，這也對PSK解調(diào)器中碼同步電路提出了較高的要求，因為該電路是遙測正常解調(diào)的關(guān)鍵。碼同步信號一般直接從數(shù)據(jù)碼中提取，目前大多應(yīng)用數(shù)字鎖相技術(shù)。為了提高位同步精度，通常用PSK信號的相干載波作為數(shù)字鎖相環(huán)的時鐘。目前遙測終端設(shè)備中，PSK解調(diào)器碼同步電路也是采用的數(shù)字鎖相技術(shù)。
1 船載遙測終端PSK解調(diào)器中碼同步鎖相環(huán)工作現(xiàn)狀
1．1 工作原理
船載遙測終端PSK解調(diào)器碼同步鎖相環(huán)如圖1所示。
該碼同步鎖相環(huán)采用全數(shù)字鎖相環(huán)。工作原理如下：輸入PCM信號與本地信號在數(shù)字鑒相器進行相位比較。鑒相器輸出相位誤差，環(huán)路濾波器對輸入的噪聲及高頻分量進行抑制，并且根據(jù)環(huán)路相位差的大小，控制環(huán)路相位校正。
可控置位式數(shù)控振蕩器DCO根據(jù)相位誤差的大小對環(huán)路分頻器進行調(diào)整，從而達到改變輸出頻率相位的目的。
1．2 存在缺點
目前采用的船載遙測系統(tǒng)PSK解碼同步電路鎖相環(huán)存在以下缺點：
(1)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。數(shù)字鎖相環(huán)路法，一般需要近100個觸發(fā)器，比較耗費資源。
(2)同步建立時間與精度互為矛盾。鎖相環(huán)路是一個反饋結(jié)構(gòu)，這種反饋結(jié)構(gòu)使它的同步建立時間和調(diào)整精度變成了一對矛盾。由以上的數(shù)字鎖相環(huán)路可以看出，數(shù)字鑒相器輸出的超前／滯后脈沖，如果輸出脈沖步長較小，所需鎖定時間較長，且失步后，重新鎖定的時間也較長，丟失的數(shù)據(jù)較多；步長加大可以減少鎖定所需時間，但同時鎖定精度下降，產(chǎn)生矛盾。通常采用變階的方法縮短同步建立時間并保持高精度，但同時產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題。
(3)帶寬較窄。如果出現(xiàn)信號由于傳輸或器件發(fā)生漂移引起頻率偏差較大的情況，鎖相環(huán)碼同步法將無能為力。
2 船載遙測終端PSK解調(diào)器采用全數(shù)字PCM碼同步器
針對以上缺點，考慮對碼同步電路進行改進，采用一種新型的全數(shù)字PCM碼同步器，其特點是適應(yīng)性好，頻率跟蹤快。整個系統(tǒng)由一個可編程數(shù)字濾波器、一個雙邊沿提取器、一個數(shù)字預(yù)測器和一個合成器組成。
2．1 電路方案設(shè)計
電路組成如圖2所示。
由于輸入信號不可避免地存在著各種干擾，這些干擾脈沖將影響碼同步脈沖和PCM數(shù)據(jù)的提取，由此在輸入端加一個可編程數(shù)字濾波器。該濾波器可根據(jù)具體碼寬調(diào)整濾波寬度，其原理為：設(shè)pcm_in為濾波前的輸入，pcm_out為濾波后的輸出，濾波寬度Ls=To×m，To為高精度時鐘clk的周期，輸出為：
式中：pcm_in[n]為當(dāng)前的輸入，pcm_out[n]為當(dāng)前的輸出，pcm_out[n-1]為1個時鐘前的輸出，輸入信號經(jīng)m個時鐘濾波后輸出。
雙邊沿提取器的作用是在輸入信號的跳變碼元的上升沿或下降沿處產(chǎn)生邊沿脈沖，是輸入信號頻率及相位的真實反映，可有效校準(zhǔn)碼同步器鎖定的精度。在同步過程中，當(dāng)輸入的碼值發(fā)生變化時，將在邊沿產(chǎn)生一個躍變，此時雙邊沿提取器將產(chǎn)生邊沿脈沖信號edge，同時控制預(yù)測器使其復(fù)位，禁止預(yù)測輸出；當(dāng)輸入的碼值為連“1”或連“0”時，無邊沿變化，邊沿提取器停止工作，無edge輸出，此時預(yù)測器開始工作，產(chǎn)生預(yù)測的本地碼同步信號pred，pred由clk分頻獲得，并由edge對齊相位。邊沿提取器與預(yù)測器輸出的信號經(jīng)合成器合成輸出，二者協(xié)同完成碼時鐘信號的恢復(fù)。為了提高數(shù)據(jù)提取的準(zhǔn)確性，解決pred與輸入信號頻率誤差造成的相位移動，將碼同步向后移位180°。電路中各點波形如圖3所示。
2．2 新同步電路性能分析
假設(shè)輸入的NRZ—L隨機序列的碼速率為fin，本地通過預(yù)測器產(chǎn)生的預(yù)測碼速率為fin，輸入的NRZ—L隨機碼序列中的每個碼字的寬度為To，隨機碼序列的最大游程為K(K表示隨機序列中連“0”或連“1”的最大個數(shù))，可以得到如下結(jié)論：
(1)頻差的影響。由上述分析可知，當(dāng)產(chǎn)生頻差時，fin≠flo。如果輸入的隨機序列是由交替變化的“0”和“1”組成，則雙邊沿提取所產(chǎn)生的邊沿脈沖將有效地校正頻差；如果輸入K個連續(xù)的“0”或“1”時，由180°碼同步的相位只能偏移±180°，所以只要滿足式，就可以保證有正確的碼同步信號輸出，并能提取到正確的數(shù)據(jù)。
(2)同步建立時間ts。只要輸入的碼序列速率與預(yù)測器的中心頻率之差在上式所示的頻差范圍內(nèi)，當(dāng)出現(xiàn)第一個跳變的碼字時，該碼同步器就會輸出正確的碼同步信號。這是因為它是一種開環(huán)結(jié)構(gòu)的緣故。
(3)如果信號中斷，碼同步器輸出的是本地時鐘經(jīng)預(yù)測器產(chǎn)生的碼同步信號f=flo。
(4)同步帶寬△fs。由上面的算法可知，它的同步帶寬與輸入的隨機碼的游程有關(guān)，即：
|△fs|=flo／(2K)
通過與數(shù)字鎖相環(huán)法比較，可以知道：
當(dāng)輸入信號的頻率偏差較大時，雙邊沿提取器可以實時地對預(yù)測器輸出的碼同步信號進行校準(zhǔn)，在滿足同步帶寬的情況下仍可保持同步。在數(shù)字鎖相環(huán)中，需要捕獲過程以消除頻差。同步建立時間是指在最大相差的情況下，建立同步所需要的時間ts=nTe，Te是一個碼元周期，n是分頻比。而采用改進電路后，捕獲與同步可以在每一個跳變的碼元處完成。
3 結(jié)語
本文提出了一種全新的PCM碼同步電路，代替原有的數(shù)字鎖相環(huán)電路，實現(xiàn)碼同步功能，以提高電路對PSK載波碼元的提取性能。通過以上的對比分析可以看出，PSK解調(diào)器采用改進后的碼同步電路后，PSK載波碼元的提取性能得到了很大程度的提高，精度更好，帶寬更大，同步時間更短，可靠性更高，該方案具有很好的推廣價值。
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