北交通原实验2 数字多路复用与帧同步系统.docx

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北交通原实验2数字多路复用与帧同步系统

通信系统原理实验报告

数字多路复用与帧同步系统

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时间2014年12月7日

上课时间周三14：

10—16:

00

目录

一、实验目的1

二、实验仪器1

三、实验原理1

（一）PCM30/32路系统帧结构1

（二）帧成形及其传输实验电路2

（三）帧同步系统电路4

四、实验内容5

（一）自定义帧结构的帧成形及其传输5

1、发送传输帧结构观测5

2、收发帧同步指示的观测8

3、解复接开关信号输出的观测9

4、解复接ｍ序列数据输出测量10

（二）自定义帧结构的帧同步系统11

1、帧同步过程观察12

2、在误码环境下的帧同步性能测试和数据传输的定性观测13

五、思考题13

一、实验目的

1、加深对PCM30/32系统帧结构的理解。

2、加深对PCM30/32路帧同步系统及其工作过程的理解。

3、加深对PCM30/32系统话路、信令、帧同步和告警复用和分用过程的理解。

4、加深对PCM30/32帧同步系统的理解。

5、加深对PCM30/32路帧同步系统同步过程的理解。

6、掌握PCM30/32帧同步系统的基本概念。

二、实验仪器

1、ZH5001A通信系统原理实验箱一台

2、20MHz双踪示波器一台

三、实验原理

（一）PCM30/32路系统帧结构

在PCM30/32路数字传输系统中，每个样值均编8位码，一帧分为32路信号，每一路信号占用的不同的时间位置，称为时隙。

在传输数据时先传第1路信号，然后传第2路信号，第3路信号……直到传完第32路，再传第1路，第2路……如此循环下去。

这些信号分别用TS0、TS1、TS2、……TS31来表示。

其中TS0为帧定位时隙，用于传输同步码、监视码、对端告警码组（简称对告码）；TS16用于传输信令码，完成信令的接续；TS1—TS15传前15个话路的话音数字码，TS17—TS31传输后15个话路的话音数字码，显然，在32个时隙中只有30个时隙用于传话音数字码，记作PCM30/32。

将所用话路都抽样一次的时间叫帧长，也就是同一个话路抽样两次的时间间隔。

因为每个话路的抽样频率是8000Hz，即每秒抽样8000次，所以两个抽样值之间的时间间隔是1/8000，等于125µs，这也就决定了帧长是125µs。

由于编码需要时间，所以每个样值应达到一定的宽度，这个时间宽度就是时隙，即每个话路在一帧中所占的时间，等于3.91（125/32）µs，每个时隙的样值编8位码，因此，每位码占用的时间是0.448µs（3.91µѕ/8）.

PCM30/32基群帧结构如下图所示：

图1PCM30/32路系统的帧结构

在通信系统原理实验箱中，信道传输上采用了类似TDM的传输方式、定长组帧、帧定位码与信息格式。

实验电路设计了一帧共含有4个时隙，分别用TS0~TS3表示，每个时隙含8比特码。

其帧结构如下图所示。

TS0时隙为帧同步时隙，本同步系统中帧定位码选用8位码，这8位码是11100100。

应注意到，这7位码与实际中的PCM30/32路系统基群帧同步码不同，它的作用是能够使接收端通过对帧同步码的检测，确定每帧的起始位置，从而能够正确地进行分路。

TS1时隙用来传输语音信号，实验箱中的一路电话信号的传输就是占用该时隙的；TS2时隙为开关信号，复用输入信号的状态是通过8位跳线开关来设定的，跳线插入为1，跳线拔出为0；TS3时隙用来传输特殊码序列，特殊码序列可以通过跳线开关进行选择，共有4种码型可以选择。

TS0~TS3复合成一个256kbps数据流，在同一信道上传输。

图2实验用帧结构

（二）帧成形及其传输实验电路

帧成形及其传输实验可以由复接模块和解复接模块来完成，复用模块和解复用模块电路原理框图如下所示：

图3复接/解复接模块电路原理框图

复用模块主要由帧同步码的产生、开关信号的产生、话音信号时隙的复用、特殊码时隙的复用及PCM信号的传输电路组成，分接模块主要由同步码检出、同步调整、接收定时系统、接收时隙分接电路组成。

复接器系统定时用于提供统一的基准时间信号，分接器的定时来自同步单元恢复的接收时钟，在同步单元的控制下分接器的时钟信号与复接器的时钟信号保持正确的相位关系，即保持同步。

首先从接收信号中检测帧同步码，利用帧同步码检测输出脉冲来进行同步调整，同步调整的目的是为了使收发定时系统同步，从而使接收定时系统能够正确的将接收信号进行分路。

当系统进入同步状态后，则形成了接收端定时信号，此时的接收定时信号完全与发送端信号同步。

因此，分接单元可以把输入信号正确的分为多路支路数字信号，从而可以从分接单元恢复出原始的支路数字信号，在通信系统原理实验系统中，复接模块用一片现场可编程门阵列（FPGA）芯片来完成。

在该芯片内部还构造了一个m序列发生器，为便于观测复接信号波形，通过跳线开关SWB02（M_SEL0，M_SEL1）可以选择4种m序列码型。

m序列码型可以在TPB01检测点观测。

错码产生器可以通过跳线开关SWB02（E_SEL0，E_SEL1）设置4种不同信道误码率，便于了解在误码状态环境下，接收端帧同步过程和帧同步系统抗误码性能，从而加深对假同步和假失步形成过程的理解。

（三）帧同步系统电路

帧同步是指收发两端相应的话路在时间上对准，以便接收端能够正确分路。

复用时多路信号构成一帧，并且附加帧起始标志（帧同步码），以便接收端识别。

每一帧内信号位固定，若能识别出首尾，就可以正确区分每一路信号，实现帧同步，相当于开关起始位置相同。

自定义帧结构帧同步系统电路如图3所示。

在TDM复接系统中，要保证接收端分路系统与发送端一致，必须要有一个同步系统，从而实现接收端与发送端同步。

同步系统是复接/解复接设备中最重要的组成部分。

帧定位同步的方法通常有两种：

逐步移位同步搜索法和置位同步搜索法。

通信系统原理实验中的解复接同步搜索方法采用的是逐步移位同步法。

逐步移位同步搜索法的基本工作原理是调整接收端本地帧定位码的相位，使之与接收到的总码流中的帧定位字对准。

当收发系统同步后，就可以用接收端各分路定时脉冲对接收到的码流进行正确的分路。

如果本地帧同步码的相位没有对准码流接收信号的帧定位字码位，则同步检测电路将输出一个扣除脉冲可将接收时钟信号扣除一个时钟，这等效于将数码流后移一个码元时钟周期，使帧定位检测电路检测后移一位信码。

如果下一位检测结果仍与帧定位字不一致，则再扣除一个时钟，这一过程称为“同步搜索”。

搜索直至检测到帧定位码为止。

因在接收码流中，除有真正的帧定位码字外，随机的数字信号也可能存在与帧定位字完全相同的码型。

因此，只有经过固定的周期在同一位置，多次连续出现帧定位码字，方可进入同步状态。

这一部分功能由帧定位检测电路和校核电路完成。

由于各种因素（如干扰、线路故障等）使电路失去同步，破坏了电路的同步工作状态，而进入帧失步状态。

从帧失步到重新获得同步的这段时间（也称同步时间）使通信处于中断状态。

误码也会造成帧失步。

抗误码造成的帧失步由帧定位检测电路和保护计数电路来完成，只有当在一定的时间间隔内，在帧定位码字的位置多次检测不到帧定位码字，才可以判定为帧失步，需重新进入同步搜索状态。

逐步移位同步搜索法系统组成框图如下所示：

为了能够深入理解在有误码的环境下帧失步、帧同步和抗误码性能，在复接模块内设计了错码产生器。

在误码率较低的情况下，由于误码产生的位置可能落在帧定位以外的时隙，这种情况不会影响帧同步过程。

当误码落入帧定位时隙时，如果误码率较低，只要连续出现帧同步字的个数达到前方保护计数器的个数，就可以进入同步状态。

而从同步状态转到失步状态，帧定位字的零星误码，由于有后方保护计数器，则不会对同步系统产生影响。

当误码率加大以后，则系统无法进入和保持同步状态，而始终处于帧同步搜索状态。

前方保护和后方保护的过程示意图如下所示：

前方保护的目的是避免出现假失步（由于误码引起的失步），后方保护的目的是避免出现假同步（因信息码可能出现的与帧同步码型相同的码组而误判的同步）。

四、实验内容

（一）自定义帧结构的帧成形及其传输

实验前的准备工作，首先是将解复接模块内的输入信号和时钟选择跳线开关KB01、KB02设置为LOOP（自环）位置。

在这种情况下，复接模块和解复接模块直接相连，不经过线路编码。

再将复接模块内的工作状态选择跳线开关SBW02的m序列选择跳线开关M_SEL0、M_SEL1拔下，这时，m序列发生器输出产生m序列全0。

将错码选择跳线开关E_SEL0、E_SEL1拔下，这种情况不在传输帧中插入误码。

总之，实验的初始条件是复接、分接直接相连；m序列为全0；传输无误码。

1、发送传输帧结构观测

用示波器同时观测复接模板的发送帧同步指示测试点TPB07与复接模块的数字复接信号测试点TPB03的波形，观测时用TPB07作同步。

数字复接信号的帧结构应与图2相同。

画出TPB07的波形和TPB03数字复用信号波形，注意两者之间的对应关系。

（1）帧定位信号的测量。

在TPB03测试点波形中，找到帧定位信号所占据的时隙，画图标出帧定位字所占时间位置。

方框所示即为帧定位信号，对应低电平时的前八个码元11100100。

（2）帧内话音数据观察。

找出帧内话音信号的位置，在图中标出话音数据所占时间位置。

由于话音信号的随机性，无法看到清晰的信号，只要确定其位置即可。

方框所示即为帧内话音信号，对应低电平时的后八个码元，是随机的。

（3）帧内开关信号观测。

找到帧内开关信号在帧结构中的位置。

调整跳线开关SWB01上短路器，就可以改变开关信号的状态，在TPB03测试点波形中可以看到开关信号状态的变化，由此可以找到开关信号在帧结构中的位置，并可以观测到开关信号状态变化情况。

此时开关信号为01111110

此时开关信号为01111111

此时开关信号为1111110

方框所示即为帧内开关信号，对应高电平时的前八个码元。

（4）帧内m序列数据观测。

调整示波器同步旋钮，调整跳线开关短路器SWB02上M_SEL0、M_SEL1，产生不同的m序列出现在帧结构相应的时隙后，有可能清晰地观察到，也有可能表现为模糊不清，出现这两种情况的原因自己分析。

本步不要求读出m序列的具体值，只要求能确定m序列所占用的时隙即可。

M_SEL0=M_SEL1=0M_SEL0=1，M_SEL1=0

M_SEL0=0，M_SEL1=1M_SEL0=M_SEL1=1

0表示开关拔下，1表示开关插上。

方框所示即为帧内m序列，对应高电平时的后八个码元。

可以看出，M_SEL0=M_SEL1=0和M_SEL0=1，M_SEL1=0时清晰；M_SEL0=0，M_SEL1=1和M_SEL0=M_SEL1=1时模糊。

因为此时m序列为7位和15位输出，而帧应该是8的倍数。

2、收发帧同步指示的观测

发送帧同步指示测试点为TPB07，接收帧同步指示测试点为TPB06。

用示波器同时观测帧复接模块同步指示测试点TPB07与解复接模块帧同步指示测试点TPB06波形，观测时用TPB07同步，记录TPB07和TPB06的波形，说明TPB07和TPB06测试到的波形怎样才能说明收发系统之间是同步的。

接收帧同步指示与发送帧一致，且对应发送下降沿。

3、解复接开关信号输出的观测

当收发系统处于同步状态情况下，观察解复接模块的开关信号指示，即发光二极管指示灯（LED0~LED7）与复接模块内跳线开关SWB01之间的对应关系。

通过改变复接模块内跳线开关SWB01中短路器，观察解复接模块中发光二极管LED0~LED7的状态变化，找到发光二极管随跳线开关而变化的关系，记录结果。

开关接的是2、3、4、5、6、7，二极管亮的是3、4、5、6、7、8

开关接的是1、2、3、4、5、6、7，二极管亮的是2、3、4、5、6、7、8

开关接的是2、3、4、5、6、7、8，二极管亮的是1、2、3、4、5、6、7

开关接的是1、2、4、5、6、7、8，二极管亮的是1、2、3、4、5、7、8

可见，开关顺序与二极管顺序正好相反。

4、解复接ｍ序列数据输出测量

测试点位发端模块ｍ序列输入TPB01、收端分接模块ｍ序列输出TPB05。

用示波器同步测量发端ｍ序列测试点TPB01与解复接输出ｍ序列TPB05波形，观测时用TPB01。

调整示波器同步，观测收发m序列是否一致。

按表格1调整跳线开关短路器SWB02上的M_SEL0、M_SEL1，产生4种不同的ｍ序列输出，观测收发帧内的ｍ序列数据是否一致变化，将测试结果记录如下。

M_SEL1拔M_SEL0拔

M_SEL1拔M_SEL0插

M_SEL1插M_SEL0拔

M_SEL1插M_SEL0插

前两种情况看不清，后两种可以解复接M序列。

（二）自定义帧结构的帧同步系统

实验前跳线开关的设置：

首先将解复接模块内的输入信号和时钟选择跳线开关KB01、KB02设置为LOOP（自环）位置，使复接模块的输出不经过线路编码，直接送到解复接模块连接成自环测试方式；将复接模块内的跳线开关SBW02的ｍ序列选择选择跳线开关M_SEL0、M_SEL1拔下，这时，ｍ序列发生器产生器将产生ｍ序列0。

再将错码选择跳线开关E_SEL0、E_SEL1拔下，此时，不在传输帧中插入误码。

1、帧同步过程观察

（1）用示波器同时观测复接模块内帧同步指示测试点TPB07与解复接模块内帧同步指示测试点TPB06的波形。

观测时用TPB07作同步，调整示波器可以使收发两者信号同步。

这是一种正常的工作方式。

可见，收发信号同步。

（2）将解复接模块内的输入信号选择跳线开关KB01的短路器拔除，使传输信道中断，观测解复接模块帧同步失步情况。

反复插入和拔出KB01的短路器，观测同步和失步状态，记录测试结果。

分析：

KB01拔出后帧同步系统是否同步？

当KB01插入后能否立即同步？

为什么？

KB01拔出后帧同步系统不同步，同步指示信号右移，处于搜索状态。

KB01插入后不能立即同步，但一段时间之后可以达到同步状态。

因为在接收码流中，除了真正的帧定位码字外，随机的数字信号也可能存在与帧定位字完全相同的码型。

因此，只有经过固定的周期在同一位置，多次连续出现帧定位码字，方可进入同步状态。

（3）将开关信号设置为帧定位信号（插入为1，拔除为0），反复插入和拔除KB01的短路器，观测同步和假同步现象。

记录同步和假同步两种情况下TPB07和TPB06的波形和相位关系。

左图是假同步，右图是真同步。

说明开关序列边位帧同步序列以后会影响帧的同步，如果开关码设置成和帧定位信号一样11100100，系统将会出现同步不正确的现象，有两个同步点。

2、在误码环境下的帧同步性能测试和数据传输的定性观测

用示波器同时观测复接模块帧同步指示测试点TPB07与解复接模块帧同步指示测试点TPB06波形。

观测时用TPB07同步，调整示波器使收发信号同步。

注意观察，在正常的情况下，解复接模块内发光二极管指示灯LED0~LED7与发端复接模块内跳线开关SWB01的状态一致。

（1）复接模块内错码选择跳线开关SBW02的E_SEL0、E_SEL1短路器插入，使传输信道中加入错码，此时信道误码率Pe≈1×10-1。

观测接收帧同步信号是否与发端同步，定性观测发光二极管指示灯LED0~LED7的变化状态，记录测试结果。

不同步，LED灯闪烁。

（2）将SBW02的E_SEL1短路器插入，E_SEL0拔除，减小传输信道中的误码率，此时Pe≈1.6×10-2。

重复上述测试内容，记录测试结果。

不同步，LED灯闪烁，但速度比

（1）慢。

（3）将SBW02的E_SEL0短路器插入，E_SEL1拔除，进一步减小传输信道中的误码率，此时Pe≈4×10-3。

记录测试结果。

同步，LED灯微闪，因为此时误码率较小。

五、思考题

1、在第一个实验的第1步观测帧结构时，哪个时隙的信号能够观测清晰？

哪个时隙的信号不能观察清晰？

哪个时隙的信号有可能清晰也有可能不清晰？

帧同步时隙和开关信号时隙能够观测清晰；话路时隙不能观察清晰；特殊码时隙有可能清晰也有可能不清晰。

2、在m序列数据为7位和15位的情况下，能否调整示波器使在同步的条件下观测完整的一个帧内m序列数据周期？

为什么？

都不可以，因为1帧有8位数据，周期不一样。

3、画出实验中的定时系统部分波形：

系统主时钟（编码脉冲）、路脉冲波形图。

（1）时钟脉冲：

频率：

2048kHz

频率稳定度：

50×

10-6，误差：

±102Hz

占空比：

50%，脉冲宽度：

0.488/2=0.244µs

（2）路脉冲：

作用：

1）用于各话路信号抽样和分路；

2）TS0、TS16路时隙脉冲形成。

频率：

8kHz（抽样）宽度：

0.488µs×4=1.95µs

4、在第二个实验中，可通过哪些方法来判断帧失步？

（1）通过观察LED灯闪烁。

（2）通过示波器观察帧同步指示测试点。

5、将复接模块内开关信号跳线开关SWB01中LED7~LED0设置为11100100码型，使其与帧定位信号一致，对解复接模块会造成什么影响？

同步时会出现假同步，原因是复接模块可能会把开关信号当作帧同步信号。

6、在电路上，采用什么方法可以防止（或减小）假同步状态的产生

采用。

同步保护电路

7、同步保护电路是如何使假识别信号不形成假同步信号?

首先，识别器先找到和帧同步一致的信码码位，然后对帧逐个比较，如果收到端的本地同步码相位与信码码型相同，那么是假识别信号，否则是帧同步信号。