北京交通大学通信原理实验信道复接与分接.docx

北京交通大学通信原理实验信道复接与分接.docx

《北京交通大学通信原理实验信道复接与分接.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《北京交通大学通信原理实验信道复接与分接.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

北京交通大学通信原理实验信道复接与分接

实验六自定义帧结构的帧成形及其传输

一、实验前的准备

（1）预习帧成形及其传输电路的构成。

（2）熟悉附录b和附录c中实验箱面板分布及测试孔位置；定义相关模块跳线的状态。

（3）实验前重点熟悉的内容：

1）明确PCM30/32路系统的帧结构。

2）熟悉PCM30/32路定时系统。

3）明确PCM30/32帧同步电路及工作原理。

（4）思考题

1）本实验中数字复接的帧结构由几个时隙组成？

分别是什么内容？

本实验中数字复接的帧结构由4个时隙组成。

分别是帧同步时隙、话路时隙、开关信号时隙、特殊码时隙。

2）本实验中的帧定位码是什么？

其作用是什么？

本实验中的帧定位码是11100100，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，从而能正确地进行分路。

3）但实验中帧结构由几个比特组成？

每路信号的速率是多少？

本实验中每个时隙由8个比特组成，一个帧结构共32个比特。

每路信号的速率是64kbps，一帧的速率是256kbps。

二、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、帧同步的告警复用和分用过程的理解。

三、实验仪器

（1）ZH5001A通信原理综合实验系统

（2）20MHz双踪示波器

四、基本原理

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个时隙,通常用TS0~TS31来表示,其中30个时隙用于30路话音业务。

TS0为帧定位时隙,用于接收分路做帧同步用。

TS1~TS15时隙用于话音业务,分别对应第1路到第15路的话音信号。

TS16时隙用于信令信号传输,完成信令的接续。

TS17~TS31时隙用于话音业务,分别对应第16路到第30路话音信号。

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。

其帧结构如图51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时隙用来传输话音信号,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。

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地将接收信号进行分路。

当系统进人同步状态后，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，分接单元可以把输人信号正确地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SWBO2（M-SELO，M-SELI）可以选择4种m序列码型。

m序列码型可以在TPBO1检测点观测。

错码产生器可以通过跳线开关SWB02（E_SELO，E_SELI）设置4种不同信道误码率，便于了解在误码环境下，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。

在实验电路图5-2中，各测试点的定义如下。

发送m序列输出。

TPBO1:

发端插入错码指示。

TPB02:

复接器输出信号。

TPB03:

复接器输出时钟。

TPB04:

分接m序列支路输出。

TPB05:

分接收端帧同步指示。

TPB06:

发端帧同步指示。

TPB07:

发端帧同步指示。

五、实验内容

实验前的准备工作，首先是将解复接模块内的输人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_SELO、E_SEL1拔下，这种情况不在传输帧中插人误码。

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.发送传输帧结构观察

用示波器同时观测复接模块的发送帧同步指示测试点TPBO7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5-1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。

TPB07与TPB03波形：

上方接近于标准方波的是发送帧同步指示TPB07的波形，下方为接收处TPB03的波形。

可以看到有很好的同步。

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用的时隙，画图标出帧定位字所占时间位置。

帧定位信号：

从波形中可以明显看出帧定位信号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。

帧内话音数据：

由于语音芯片没有输出，因此语音数据一致为0。

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SWBO1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。

帧内开关信号：

由图可以看出，当我们改变开关的跳线帽时，帧内开关信号也随之改变，同时LED0-LED7也随之改变。

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_SELO、M_SEL1，产生不同的m序列，由于两个跳线的插拔有4种组合，因此可以产生4个不同的m序列，这些不同的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，只要求能够确定m序列所占用的时隙即可。

帧内m序列数据观测：

M_SELO、M_SEL1均拔下：

M_SELO插上、M_SEL1拔下：

M_SELO、M_SEL1均插上：

由以上几个图可以看出，只有当m序列为全0或者全1的时候，才可以看清楚，当m序列为15位或者7位的时候，由于不是8的整数倍，就会导致看不清楚。

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TPB06g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够说明收发系统之间是同步的。

收发帧同步指示的观测：

可以看到，收发帧有很好的同步。

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SWBO1之间的对应关系。

通过改变复接模块内跳线开关SWBOI中短路器，观察解复接模块中发光二极管LEDO-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。

当我们改变条线帽的插拔时，可以看到解复接模块输出LED0-LED7成反序的亮灭状态。

4.解复接m序列数据输出测量

测试点为发端复接模块m序列输人TPBO1、收端分接模块m序列输出TPBO5。

用示波器同时测量发端序列测试点TPBOI与解复接输出m序列TPB05波形，观测时用TPBO1同步。

调整示波器同步，观测收发m序列是否一致。

按表5-1调整跳线开关短路器SWB02上的M_SELO、M_SEL1，产生4种不同的m序列输出，观测收发帧内m序列数据是否一致变化，将测试结果记录于表5-1中。

解复接m序列数据输出测量：

M_SELO、M_SEL1均拔下：

M_SELO插上、M_SEL1拔下：

M_SELO拔下、M_SEL1插上：

M_SELO、M_SEL1均插上：

以上几个波形图中，上方位m序列输入TPB01的波形，下方位解复接模块m序列输出TPB05的波形。

表5-1m序列数据测试结果

M_SEL1

M_SELO

m序列数据

M_SEL1

M_SELO

m序列数据

拔

拔

全0，全0

插

拔

1110010

拔

插

全1，全1

插

插

111100010011010

六、实验结论分析

本次实验实现了信号的复接与分接，实际中使用的PCM30/32话路系统，而试验中使用的是自定义的4个时隙，每个时隙8个bit，一共32bit。

从原理上面验证了信号的分接与复接。

实现了同步时隙、话路时隙、开关时隙和特殊码时隙的传输。

七、思考题

（1）在第1步实验观测帧结构时，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？

同步时隙和开关时隙可以观测清楚。

话路时隙不能观测清楚，这是由于话路时隙信号是不具有以8为周期的周期性。

m序列码时隙可能观测清楚，也可能观测不清楚，这是由于m序列码可能是以8为周期，也可能不以8为周期。

（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？

能。

只要调整到合适的扫描范围即可。

这是由于输出可以将传输的m序列拼接起来。

实验七自定义帧结构的帧同步系统

一、实验前的准备

（1）预习自定义帧结构的帧同步系统电路的构成。

（2）熟悉实验指导书附录B和附录C中实验箱面板分布及测试孔位置；定义本实验相关模块的跳线状态。

（3）实验前重点熟悉的内容：

1）掌握PCM30/32路系统的帧结构；

2）明确PCM30/32帧同步系统及工作原理，

3）了解假同步、假失步的概念；

4）了解前方保护、后方保护的概念。

二、实验目的

（1）加深对PCM30/32帧同步系统的理解。

（2）加深对PCM30/32路帧同步系统同步过程的理解。

（3）掌握PCM30/32帧同步系统的基本概念

三、实验仪器

（1）ZH5001A通信原理综合实验系统

（2）20MHz双踪示波器

四、基本原理

自定义帧结构帧同步系统电路如图5-2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。

在帧同步系统中要解决的问题有：

（1）帧定位码型设计;

（2）帧定位码的码长选择;（3）同步搜索方法;（4）帧长度的确定;（5）帧定位保护方法;（6）帧定位保护参数的选择。

当这些设计和参数确定后，就决定了复接系统的下列技术性能：

（1）平均同步搜捕时间;

（2）平均发现帧时间;（3）平均确认同步时间;（4）平均帧失步时间间隔;（5）平均同步持续时间;（6）失帧引人的平均误码率等。

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，这等效于将数据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（实际的PCM30/32系统为250微秒，本实验中为125微秒）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，而进人帧失步状态。

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。

因此，从同步到下一次失步的时间应尽量长一些，否则将意味着不断的中断通信，这一时间的长短表示了TDM同步系统的抗干扰能力。

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图5-3所示。

语音信号的中断时间短于100ms，不易被人耳感觉出来，但对数据通信来说却是不允许的。

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（可以有3种类型的误码），通过错码设置跳线开关SWB02（E_SEL0，E_SEL1）可以选择不同的信道误码率，误码率分别约为4×10-3、1.6×10-2和1×10-1。

通过实验能够观测到复接/解复接具有抗误码的性能，也就是说，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，就可以进人同步状态。

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，则系统无法进人和保持同步状态，而始终处于帧同步搜索（扫描）状态，这是由于误码率的增加，无法达到连续计满后方保护计数器的个数，因此无法达到同步状态。

五、实验内容

实验前跳线开关的设置：

首先将解复接模块内的输人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_SEI0、E_SEL1拔下，此时，不在传输帧中插人误码。

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。

帧同步波形：

波形图中，上方是TPB07的波形，下方是TPB06的波形。

从波形中可以看到，在发送同步指示的下降沿之后，接收同步指示将检测到一个同步信号，这个同步信号为一个窄脉冲。

2）将解复接模块内的输入数据选择跳线开关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。

反复插入和拔除KB01的短路器，观测同步和失步状态，记录测试结果。

分析：

KB01拔除后帧同步系统是否同步？

当KB01插入后能否立即同步？

为什么？

帧失步时的波形：

帧失步时，可以看到TPB06的波形在向右移动。

这其实是失步后，解复接模块在依次向后搜寻查找同步时隙过程的体现。

插入KB01后，并不能立即同步，TPB06而是向后移动一段直至刚好移动到TPB07的下降沿，这是就完成了新的同步。

这正是失步后再同步搜寻同步时隙的体现。

3）将开关信号设置为帧定位信号（插人为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的波形及相位关系。

假同步的波形：

正常情况下，接收帧同步指示TPB06应该在发送帧同步指示TPB07的下降沿后，当我们将开关信号设置为与同步时隙一样的信号后，就有可能将开关信号检测到而识别为同步时隙，这时候，就会出现假同步，由以下两图对比可知，假同步时，接收帧同步指示TPB06应该在发送帧同步指示TPB07的上升沿后。

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，解复接模块内的发光二极管指示灯LEDO-LED7与发端复接模块内跳线开关SWB01的状态一致。

1）将复接模块内错码选择跳线开关SWB02的E_SEL0、E_SEL1短路器插人，使传输信道中加人错码，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LEDO-LED7的变化状态，记录测试结果。

信道误码率Pe≈1×10-1时，可以看到LED0至LED7几乎是全部都在闪动，并且隐约可以看出几个比较亮的LED在走动。

2）将SWB02的E_SEL1短路器插人、E_SELO拔除，减小传输信道中的误码率，此时Pe≈1.6×10-2。

重复上述测量内容，记录测试结果。

信道误码率Pe≈1.6×10-2时，可以看到LED0至LED7几乎是全部都在闪动，并且隐约可以看出几个比较亮的LED在走动。

但是，这时的闪动相对上面较弱。

3）将SWB02的E_SEL0短路器插人、E_SEL1拔除，进一步减小传输信道中的误率，这时，Pe≈4×10-3。

记录测试结果。

信道误码率Pe≈4×10-3时，可以看到LED0至LED7闪动相对上面较弱，几个比较亮的LED可以停下不在走动。

六、实验结论分析

此次试验观察了帧失步和假同步的现象，更加深刻的认识了同步检测的原理。

并且还定性观测了在不同误码率环境下的帧同步性能。

七、思考题

（1）在本实验中，可通过哪些方法来判断帧失步？

可以通过观测接收端同步信号、或者观测接收信号中的同步时隙。

（2）将复接模块内开关信号跳线开关SWBO1中LED7-LEDO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？

有可能造成解复接模块同步错误，会错误的将开关信号识别为同步时隙，这样一来，就会把信号分接出错。