8.3 Синхронизация и восстановление сигналов тактовых импульсов

В системах передачи цифровых сигналов информация в последовательном коде передается по каналу связи. Эта информация может быть цифровой или представлять собой цифровой эквивалент аналоговой информации, как это имеет место при импульсно-кодовой модуляции. При декодировании информации рекомендуется использовать системы ФАПЧ, так как требуется получить неискаженный тактовый сигнал той же частоты что и поступающая информация. Фильтр нижних частот может устранить шумы и наводки, но не отследить медленные изменения скорости передачи информации.

Возможны два различных принципа передачи цифровых данных, а именно прямая передача и передача, модулированная несущей частотой. В прямой передаче цифровой сигнал непосредственно проходит по связи. Когда используют систему с несущей частотой, это соответствует передаче цифрового сигнала, модулированного несущим сигналом, как правило, высокой частоты. Используют амплитудную (АМ), частотную (FM), фазовую (РМ) модуляцию или комбинируют различную технику модуляции, например АМ+РМ. В системах с несущей частотой различные цифровые сигналы модулируют на разные несущие частоты. Следовательно, полоса пропускания такой системы должна быть значительно шире, чем полоса пропускания системы прямой передачи.

Рис.8.4 Методы бинарного кодирования информации.

Рассмотрим систему прямой передачи данных. Предположим, что цифровой сигнал, это случайная последовательность из 0 и 1 может быть передана с помощью, например обычного стандарта RS-232, RS-422 или RS-485. Во-первых, очевидно, что передавать сигнал необходимо так, чтобы 1 соответствовала высокому уровню напряжения и 0 - низкому уровню напряжения (т.е. 5В и 0В, соответственно). Этот простейший формат передачи данных представлен в первом ряду на рис.8.4 как "NRZ-Code" (NRZ - Non-Return to Zero - без возврата к нулю - метод бинарного кодирования информации, при котором единичные биты представляются положительным значением, а нулевые отрицательным). На самом деле, как правило, этот код используют в асинхронных (не совпадающих по времени) коммуникациях. В асинхронных коммуникациях только один одинарный знак (ASCII знак в общем случае) передается в одном сообщении. Такой знак обычно содержит последовательность из 8 бит. Данные имеют заголовок в стартовом бите, и стоповый бит передают после битов данных. Бит четности позволяет приемнику обнаружить ошибку. Когда нет данных уровень напряжения передающей строки обычно “высокий”. Стартовый бит всегда “низкий” уровень. Информационный бит может быть “высоким” или “низким”, но стоповый бит всегда “высокий”. Таким образом, каждое сообщение стартует с перехода уровня с высокого на низкий в информационном сигнале. Поэтому принимающее устройство распознает точно, когда передача знака стартует. Однако, если NRZ код используют для передачи не синхронизированных 1000 знаков подряд, то незначительный сдвиг генератора синхронизирующих импульсов в передаче данных приведет к тому, что приемник будет не способен сделать выбор, который знак передан 999, 1000 или 1001.

Чтобы получить более синхронную информацию, рассмотрим другие коды, показанные на рис.8.4. В отличие от кода NRZ-знаком старт данных при использовании кода NRZ-промежутка генерируется переключением в 0. Несомненно, что код NRZ-знака разрушится, когда послана длинная последовательность 0; такая же проблема случается с кодом NRZ-промежутков при передаче последовательности из 1. RZ код (с возвращением к нулю) генерирует последовательность “высокий-низкий” всякий раз, когда выполняется передача 1. Этот код разрушается, если длинная последовательность 0 встречается в потоке данных. Улучшенный код - это код двухфазного уровня, который вырабатывает последовательность “высокий-низкий” для 1 и последовательность “низкий-высокий” для 0. Так как восстановление синхронизации в этом коде несложно, то бифазный код очень часто используют в высокоскоростной информационной коммуникации. Недостаток этого кода в том, что требуемая ширина полосы для передачи, заданная числом бит в секунду вдвое больше полосы для кода NRZ. Другой код - код модуляции задержки, который соединяет преимущества бифазного и NRZ кодов. В коде модуляции задержки знака, переход в 1 выполняется в середине бита. Если 0 следует за 1, то переход не выполняется. Если другой 0 следует за первым 0, то переход выполняется в начале бита. Ширина полосы этого кода почти такая же, как для NRZ кода.

В этом обсуждении ясно, что методы, извлекающие синронизированную информацию, зависят от конкретного использованного кода. Рассмотрим некоторые возможности техники восстановления.

Посмотрим старт с восстановлением тактируемого сигнала для RZ формата (рис.8.4). Соответствующая структурная схема показана на рис. 8.5. Восстановление синхронизирующего сигнала выполнено одной цифровой ФАПЧ (DPLL). Центральная частота этой ФАПЧ выбрана приблизительно равной скорости сигнала двоичной передачи данных. ФАПЧ синхронизируется с демодулированным сигналом данных Uz*.

Рис.8.5 Восстановление сигнала с помощью RZ кода.

Если используют фазовый детектор типа EXOR, то ГУН на выходе имеет сигнал демодулированных данных, как показано на рис.8.5. Выход ГУНа может быть использован для стробирования сигнала данных.

Синхронизация ФАПЧ сигнала восстановления тактового импульса имеет место для каждой логической 1, содержащейся в сигнале данных. Во время последовательности логических 0 ГУН продолжает генерировать со своей частотой. Продолжающийся второй 0 следует отменить, так как частота ГУНа может сдвинуться до значения, при котором синхронизация срывается.

Длинную последовательность 0 избегают, если используют проверку на четность. Для проверки на четность дополнительный бит информации добавляют в каждую группу, сообщение, восемь последовательных бит данных. Когда отрицательная четность, то суммарное число 1, в том числе четный бит. Результат отрицательной четности в таком случае гарантирует, что в каждой последовательности 9 бит имеется по крайней мере один бит, который не ноль.

Однако проблема инициализации по-прежнему заслуживает внимания Каждое законченное сообщение отслеживает пауза. В течение паузы нет сигнала, т.е. ситуация идентична длинной последовательности 0 в случае RZ кода. Тогда при старте нового сообщения синхронизация, вероятно, будет потеряна. Синхронизация может быть восстановлена, если дать установку, которая предварит каждое сообщение. В случае RZ кода типичная предустановка содержит серию 1.

Рис.8.6. Способ восстановления тактового сигнала при NRZ формате.

Один метод выделения частоты тактового сигнала из NRZ сигнала показан на рис.8.6. Демодулированный сигнал NRZ Uz* сначала дифференцируется. Затем дифференцированный сигнал Udiff выпрямляется через схему абсолютного значения. Как показано на диаграммах (рис.8.6) выпрямленный сигнал Udiff* содержит компоненту частоты синхронную с тактом. Следовательно, он может быть использован для синхронизации ФАПЧ. В режиме синхронизации ФАПЧ выходной сигнал ГУНа является восстановленным тактовым сигналом U_T. Схемы аналогового-дифференциатора и абсолютного значения могут быть выполнены в одной цифровой схеме.

Рис.8.7. Функция аналогового дифференциатора вместе со схемой абсолютного значения может быть выполнена на цифровом контурном детекторе.

На рис. 8.7 показана так называемая схема контурного детектора (edge detector), в которой задержка распространения вентилей используется, чтобы получить импульс для каждого изменения входного сигнала. Время среза и фронта входного сигнала должно быть меньше, чем совокупная задержка распространения сигнала через четыре каскада инверторов. Если эти условия не выполняются, триггер Шмитта может быть использован, чтобы привести в соответствие передачу.

Если используют форматы бифазный или модуляции задержки, то демодулированный сигнал данных Uz* переключается в начале и в центре битовой ячейки (рис. 8.4). В этом случае демодулированному сигналу Uz* используемому для синхронизации требуется ФАПЧ с частотой вдвое больше. Схема восстановления тактового сигнала для формата модуляции задержки (DM) показана на рис.8.8. Сигналы, полученные для этой схемы, приведены на рис.8.9.

Схема контурного детектора вырабатывает короткие положительные импульсы U_f1 на каждое переключение (положительный и отрицательный фронт) демодулированного сигнала Uz*. Cигнал U_f1 используют для синхронизации ФАПЧ, которая работает с удвоенной частотой 2f (рис.8.9). Выходной сигнал Ut масштабирован на частоту в 2раза ниже за счет использования крайнего правого JK-триггер (рис.8.8).

Тактовый сигнал Ut теперь определяется низким уровнем в первой половине битовой ячейки и высоким уровнем во второй половине. На рис.8.8 показано, что схема также устанавливает и противоположную фазу (Ut сначала высокий в первой половине битовой ячейки). Это результат ошибочного представления полученных данных, потому что в каждой битовой ячейки изменения должны происходить либо в начале, либо в центре.

Для получения корректной фазы восстановленного тактового сигнала необходимо время вначале, чтобы установить выходной JK-триггер. Для ясности на рис.8.9 показано, что в начале восстановленный тактовый сигнал Ut действительно имеет неправильную фазу. Для получения корректных результатов требуется дополнительная схема. Рассмотрим с другой стороны сигнал U_f1 (рис.8.9). Интервал времени между любыми двумя последовательными импульсами U_f1 не постоянный, однако можно показать, что он составляет 1, или 2 периода битовой ячейки. Интервал длиннее, чем 2 периода невозможен. Трехразрядный двоичный счетчик (отмечен как 101 детектор на рис. 8.8) используют для подсчета (отрицательных) переключений сигналаU_f1 частотой 2f. Если счетчик восстанавливает каждый импульс U_f1,то их количество не превышает 4. Кроме того, на рис.8.9 ясно показано, что 4 импульс можно получить только в первой половине битовой ячейки и никогда во второй половине.

Этот факт используют, чтобы правильно установить триггерный делитель на 2 на рис.8.8. Всякий раз, когда 3-битный счетчик достигает 4 мультивибратор с одним устойчивым состоянием (однотактный режим) запускается. Это устанавливает JK-триггер в 1 состояние. Как показывают диаграммы, фаза восстановленного тактового сигнала устанавливают в ее корректное состояние.

Рис.8.8 Схема восстановления тактового сигнала при DMформате.

Рис.8.9. Временные диаграммы для схемы рис.8.8.