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1、实验19时分复用与帧同步实验、实验目的1. 掌握时分复用解复用基本原理；2. 掌握巴克码识别原理；3. 掌握同步保护原理；4. 掌握假同步、漏同步、捕捉态、维持态的概念。二、实验原理1. 时分复用解复用数字复接数字复接的方法主要有按位复接、按字复接和按帧复接三种；按照复接时各 路信号时钟的情况，复接方式可分为同步复接、异步复接与准同步复接三种。本 实验中选择了按帧复接的方法和方式。下面介绍一下“按帧复接”方法和“准同 步复接”方式的概念。按帧复接是每次复接一个支路的一帧数据，复接以后的码顺序为：第1路 的F0、第2路的F0、第3路的F0、第4路的F0、，第1路的F1.第 2路的F1.第3路的F
2、1.第4路的F1.，后面依次类推。也就是说，各路 的第F0依次取过来，再循环取以后的各帧数据。这种复接方法的特点是：每次 复接一支路信号的一帧，因此复接时不破坏原来各个帧的结构，有利于交换。同步复接指被复接的各个输入支路信号在时钟上必须是同步的，即各个支路 的时钟频率完全相同的复接方式。为了接收端能够正确接收各支路信码及分接的 需要，各支路在复接时，插入一定数量的帧同步码、告警码及信令等，PCM基群 就是这样复接起来的。准同步复接是在同步复接分接的基础上发展起来的，相对 于同步复接增加了码速调整和码速恢复环节。在复接前必须将各支路的码速都调 整到规定值后才能复接。本实验中数字复接系统方框图，如
3、下图所示:图2-1时分复用解复用框图定时单元给设备提供一个统一的基准时钟。码速调整单元把速率不同的各支路信 号，调整成与复接设备定时完全同步的数字信号，以便由复接单元把各支路信号 复接成一个数字流。本实验中，码速调整单元将PCM编码数据、CVSD编码数 据、拨码器开关设置的8BIT数据都调整为同步的256KHZ码元，然后复接进同 一个数据码流中，并在第1路时隙中加入帧同步信号.本实验中同步复接的帧结 构如下图所示。帧头PCMSbitCVSD0 1 11 1 1 J Oxxxxsxxxxxxxxxxxxxxxxxxx一帧4路数据图19-2时分复用帧结构在线实验平台是8个支路复用，即有8个时隙，数
4、据速率512Kb/s，每个 时隙数据速率：64Kb/s8个时隙数据分别为：帧头、PCM数据、8bit设置数 据、CVSD数据、4个时隙备用数据。数字分接（解复接）数字分接（解复接）由同步、定时、分接和恢复单元组成。同步单元的功能 是从接收信码中提取与接收信码同步的码元时钟信号。定时单元的功能是通过同 步单元提取时钟信号，产生分接设备所需要的各定时信号，如帧同步信号、时序 信号。分接单元的功能是把复接信号实施分离，形成同步支路数字信号。恢复 电路的功能是把被分离的同步支路数字信号恢复成原始的支路信号。一般情况下， 帧同步提取有时会出现漏同步和假同步现象。2. 帧同步概念数字通信系统传输的是一个接
5、一个按节拍传送的数字信号单元，即码元，因 而在接收端必须按与发送端相同的节拍进行接收，否则，会因收发节拍不一致而 导致接收性能变差。此外，为了表述消息的内容，基带信号都是按消息内容进行 编组的，因此，编组的规律在收发之间也必须一致。在数字通信中，称节拍一致 为“位同步”，称编组一致为“帧同步”。在时分复用通信系统中，为了正确地传 输信息，必须在信息码流中插入一定数量的帧同步码，它可以是一组特定的码组， 也可以是特定宽度的脉冲，可以集中插入，也可以分散插入。集中式插入法也称 为连贯式插入法，即在每帧数据开头集中插入特定码型的帧同步码组，这种帧同 步法只适用于同步通信系统，需要位同步信号才能实现。
6、2. 帧同步码组适合做帧同步码的特殊码组很多，对帧同步码组的要求是它们的自相关函数尽可 能尖锐，便于从随机数字信息序列中识别出这些帧同步码组，从而准确定位一帧 数据的起始时刻。由于这些特殊码组12 3 , nx x x x是一个非 周期序列或有限序列，在求它的自相关函数时，除了在时延j=0的情况下， 序列中的全部元素都参加相关运算外；在j尹0的情况下，序列中只有部分元素参加相关运算，其表示式为R（j） fXj通常把这种非周期序列的自相关函数称为局部自相关函数。对同步码组的另 一个要求是识别器应该尽量简单。目前，一种常用的帧同步码组是巴克码。巴克码是一种非周期序列。一个n位的巴克码组为x1，x2
7、，x3,，xn，其中xi取值为+1或一1,它的局部自相关函数为=0njR(j) = 2T=1 xt x. = 0 或 10 j n目前已找到的所有巴克码组如表18-1所列。表18-1巴克码组n巴克码组2+ +3+ + 1+ + + ; + + +5+7+ + + -11+ + + + 13+十十一一+-+以七位巴克码组 + + + + 为例，求出它的自相关函数如下:当j = 0时 R=电3=1 1111当 j = 1 时 R(j) = 7=1xix.1 =11113. 帧同步提取及同步状态实际数字通信系统中，由于采用了数字可编程(FPGA)器件，我们可以设计比效 复杂的帧同步判决状态机，如下图
8、所示：在状态机中。从而使漏同步(同步码出 错)，假同步(信息码中有相同的同步码)的概率可以很小；因此，同步码不一 定要选巴克码，本实验平台缺省帧同步码“01111110”，实验时可以设置改变；图2-3帧同步判决状态机注：本状态机不代表实验中实际使用状态机，实验中以实际测量为准，并由 学生自己绘制。4. 实验框图及测量点说明实验框图说明下图为帧同步原理的实验框图:图2-4帧同步原理实验框图框图说明：本实验中需要用到以下功能单元：A2单元完成两路模拟信号的信源编码和时分复用功能；A7单元完成帧同 步提取、时分解复用功能。本实验时分复用8个时隙，分别是帧头、PCM、8bit设置数据、CVSD数 据、
9、4路备用数据。PCM和CVSD编码的信源都是DDS信号，在本次实验中， 我们重点不关注复接内容，而是关注帧同步相关实验内容。在实验中，可以通过 “前向保护”按钮为帧头加错，加错方式为：通过16bit的拨码开关，循环为 16帧数据的帧头进行加错，拨码设置为“0”帧头未加错，设置为“1”帧头加 错，以便验证“假同步”，“漏同步”，“捕捉态”，“维持态”等状态。帧同步提取由A7单元完成，A7单元中的FPGA主要完成位同步，帧同步、 数据分接、信源译码等。提取的帧同步信号从7TP2输出。如果进入同步状态， 则PCM译码，CVSD译码将还原的模拟信号从7TP7,7TP8输出，可以通过恢复 的模拟信号验证
10、帧同步是否正确。注：流程图中：“DDS”按钮用于选择PCM和CVSD编码的模拟信号；“帧头”按钮用于设置同步帧头数据，要求收发帧头数据必须相同；“8bit”按钮用于设置开关量；5各模块测量点说明 2P1： PCM和CVSD编码模拟信号输入； 2TP9 :复用帧同步输出； 2TP8 :复用时钟输出； 2P6：复用数据输出； 7VT11：解复据输入； 7TP7： CVSD译码输出（模拟）； 7TP8： PCM译码输出（模拟）； 7TP2 :帧同步脉冲输出； 7VT12:8位设置数据输出；三、实验任务1. 帧结构数据分析观测；2. 帧同步及帧同步保护分析；3. 分接数据观测；四、实验内容及实验步骤1
11、. 实验准备(1) 获得实验权限，从浏览器进入在线实验平台；(2) 选择实验内容使用鼠标在通信原理实验目录选择：帧同步及时分复用实验，进入到帧同步实 验页面。2. 发送端复接数据及帧头观测(1)同步帧脉冲及复接后帧头观测用示波器一个通道测2TP9帧脉冲，并将该信号作示波器同步源；另一个通 道测2P6，观测帧头数据，分析帧头的起始位置；单击复接模块“帧头”按钮， 尝试改变帧头数据，观察帧头起始位置和帧同步的关系。可以尝试修改一些比较 特殊的帧头，例如：“01111110 (0x7E)”，“ 11100100(7bit 巴克码+1bit 0)”。(2)复接后8bit数据及各时隙数据观测用示波器一个
12、通道测2TP9帧脉冲，并将该信号作示波器同步源；另一个通 道测2P6，观察复用信道时隙关系及相应时隙数据，并根据实验原理所述，定位 到3时隙8bit数据位置，单击“8bit”按钮，尝试修改8bit编码开关，观测 2P6的数据变化情况；注意：结束该步骤时，要保证设置的8-bit数据和帧头数据不同；7TP23TP9：bit7VT11皿 4 打卜HM* A :1甫布障炉;分:哽ShttQE7TP27VT11ifiOVCUV Z4dvTICEftii._2IWMi |n 13.iDO.Mkj卅南俸# iJ | limr : 14J(Mhn3. 帧同步提取观测及帧同步保护分析(1)解复用同步帧脉冲观测单
13、击解复用单元“帧头”按钮，将其修改为和复用端一样的帧头数据。用示 波器通道1观测2TP9帧脉冲，并作同步；另一个通道测7TP2,观察解复用端 提取的帧同步脉冲，并分析其是否同步。用鼠标点击复用单元和解复用单元连接开关，使其断开，观测7TP2是否还 有帧同步脉 冲。此时输入端没有数据，无法检测到帧头，因此处于未同步状态。尝试修改解复用“帧头”数据，将其修改为和复用端不同的帧头数据，观 测7TP2是否还有帧同步脉冲，思考其原因。此时，输入端虽然有数据，但是 无法检测到帧头，因此处于未同步状态.结束该步骤时，恢复帧头同步状态，继续完成下面步骤。(2)假同步测试假同步是指：同步系统根据其同步算法进入到
14、了同步状态，但实际系统并没 有真正同步。设置复接发送端8bit数据，使其和“帧头”数据相同，用鼠标多次重复切 换模块2和模块7间的开关。用示波器同时观测2TP9和7TP2，观察7TP2 是否每次都输出帧同步脉冲？7TP2脉冲和2TP9脉冲是否有相差？用示波器观 测原始信号2P1和复接-译码恢复信号7TP7,是否每次都相同？如不相同，分 析其原因。（3）后方保护测量（捕捉态）帧同步提取中，增加了后方保护，后方保护是为了防止伪同步的不利影响。 后方保护是这样防止伪同步的不利影响的：在捕捉帧同步码的过程中，只有在 连续捕捉到n（n为后方 保护计数）次帧同步码后，才能认为系统已真正进入 到了同步状态。
15、后方保护的前提是在后方保护之前，系统处于捕捉状态。将示波器分别观测：发送端帧同步脉冲2TP9,接收端检 测的帧同步脉冲 7TP2。单击“前向保护”按钮，弹出16bit拨码开关。将16bit设置为全“ 1”， 则连续16帧数据帧头全部加错，观测此时7TP2是否有帧脉冲输出？逐渐增 加正确 帧头个数（将拨码开关设置为0），如：1bit、2bit、3bit、4bit（连 续的n-bit），观测7TP2是否有帧头输出，根据结论分析后方保护计数n的 个数；后方保护时间是指：从捕捉到第一个同步码到系统进入同步状态这段时间称 为后方保护时间，可表示为Td；尝试分析后方保护时间Td.（4）前向保护测试（维持态
16、）系统在进入同步状态后设置了前方保护，前方保护是为了防止假失步的不利 影响。前方保护是这样防止假失步的不利影响的：当同步系统检测不到同步码时， 并不立即进入捕捉态，而是当连续m次（m称为前方保护计数）检测不到同步 码后，才判为系统真正失步，然后 进入捕捉状态，重新开始捕捉同步码。将示波器分别观测：发送端帧同步脉冲2TP9,接收端检测的帧同步脉冲 7TP2。单击“前向保护”按钮，弹出16bit拨码开关。将16bit设置为全 “0”，则连续16帧数据帧头均未加错，观测此时7TP2帧脉冲是否正确？逐 渐增加错误帧头个数（将拨码开关设置为1），如：1bit、2bit、3bit、4bit （连续的n-b
17、it），观测7TP2帧同步检测信息是否有丢失，用示波器 观测2P1 和7TP7,是否相同？。根据结论分析前向保护计数n的个数；尝试观测当开关位置为 “0001000100010001”、“0010010110010011 ”时， 帧同步提取情况和解复用-译码信号恢复情况；TO11VfVM UAH忡1川1川仙则TI血肿叫 .扁川1而山11命血111伽血1前方保护时间是指：从第一个帧同步码丢失起到帧同步系统进入捕捉状态为 止的这段时间称为前方保护时间，可表示为：Ts；尝试分析前向保护时间Ts(5) 同步状态下音频观测将系统设置到同步状态，完成下列内容：用示波器观测7TP7和7TP8，比较 输出信号和2P1输入信号是否一致；分析2P1和7TP8相位不一致(延时)的 主要原因？7TP24. 实验结束，从浏览器退出在线实验平台。
