131实验十实验十三三 帧同步信号提取实验帧同步信号提取实验一、实验目的一、实验目的1 掌握巴克码识别原理。 2 掌握同步保护原理。 3 掌握假同步、漏同步、捕捉态、维持态的概念。二、实验内容二、实验内容1 观察帧同步码无错误时帧同步器的维持态。观察帧同步码有一位错误时帧同步器 的维持态和捕捉态。 2 观察帧同步器的假同步现象、漏识别现象和同步保护现象。三、实验器材三、实验器材1 信号源模块 2 同步信号提取模块 3 20M 双踪示波器 一台 4 频率计（选用） 一台四、实验原理四、实验原理由于数字通信系统传输的是一个接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” 。在时分复用通信体统中，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。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123 ,nx x xxL延 j0 的情况下，序列中的全部元素都参加相关运算外；，在 j0 的情况下，序列中只有 部分元素参加相关运算，其表示式为（131）jnijiixxjR1)(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，x3，xn，其中 xi取值 为1 或1，它的局部自相关函数为132（132） njnjjnxxjRjnijii 00100)(1或目前已找到的所有巴克码组如表 13-1 所列。表表 13-1 巴克码组巴克码组n巴克码组2 3 4 5 7 11 13 ； 以七位巴克码组为例，求出它的自相关函数如下：当 j0 时 7111111171i2ixjR)(当 j1 时 0111111 xx1i71iijR)(按式（131）可求出 j2、3、4、5、6、7 时的 R（j）值分别为 1、0、1、0、1、0；另外，再求出 j 为负值时的自相关函数值，两者一起画在图 13- 1 中。由图可见，其自相关函数在 j0 时出现尖锐的单峰。图图 13-1 七位巴克码的自相关函数七位巴克码的自相关函数 图图 13-2 七位巴克码识别器七位巴克码识别器巴克码识别器是比较容易实现的，这里也以七位巴克码为例，用 7 级移位寄存器、相 加器和判决器就可以组成一识别器，如图 13-2 所示。当输入数据的“1”存入移位寄存器相 加01010101010101移动方向输入码元判 决输出0175311357jR（j）7531133时， “1”端的输出电平为1，而“0”端的输出电平为1；反之，存入数据“0”时，“0”端的输出电平为1， “1”端的输出电平为1。各移位寄存器输出端的接法和巴克码 的规律一致，这样识别器实际上就是对输入的巴克码进行相关运算。当七位巴克码在图13-3（a）中的 t1时刻正好已全部进入了 7 级移位寄存器时，7 级移位寄存器输出端都输出 1，相加后得最大输出7；若判别器的判决门限电平定为6，那么就在七位巴克码的最 后一位“0”进入识别器时，识别器输出一群同步脉冲表示一群的开头，如图 13-3（b）所 示。图图 13-3 识别器的输出波形识别器的输出波形帧同步系统要求建立时间很短，并且在帧同步建立后应有较强的抗干扰能力。通常用 漏同步概率 P1、假同步概率 P2来衡量这些性能。这里，主要是分析集中插入法的性能。 1.漏同步概率 P1 由于干扰的影响会引起同步码组中的一些码元发生错误，从而使识别器漏识别已发出 的同步码组。出现这种情况的概率就称为漏同步概率 P1。例如图 13-2 识别器的判决门限电 平为6，若由于干扰，七位巴克码有一位错误，这时相加输出为5，小于判决门限，识 别器漏识别了帧同步码组；若在这种情况下，将判决门限电平降为4，识别器就不会漏识 别，这时判决器容许七位同步码组中有一个错误码元。现在就来计算漏同步概率。： 设 p 为码元错误概率，n 为同步码组的码元数，m 为判决器容许码组中的错误码元最 大数，则同步码组码元 n 中所有不超过 m 个错误码元的码组都能被识别器识别，因而，未 漏概率为 mrrnrr nppC 0)1 (故得漏同步概率为（133） mrrnrr nppCP 01)1 (12.假同步概率 P2 在消息码元中，也可能出现与所要识别的同步码组相同的码组，这时会被识别器误认 为是同步码组而实现假同步。 ，出现这种情况的可能性就称为假同步概率 P2。 因此，计算假同步概率 P2就是计算信息码元中能被判为同步码组的组合数与所有可能（a ）t1巴克码1101100信息码1101100信息码识别器 输入t（b ）识别器 输出 tt1一帧134的码组数之比。设二进制信息码元出现“0”和“1”的概率相等，都为 1/2，则由该二进制 码元组成 n 位码组的所有可能码组数为 2n个，而其中能被判为同步码组的组合数显然也与m 有关。若 m0，只有一个（）码组能被识别；若 m1，即与原同步码组差一位的Cn0码组都能被识别，共有个码组。依此类推，就可求出信息码元中可被判为同步码组的组Cn1合数，因而可得假同步概率为 mrr nC 0（134） mrr nnCP 022比较式（133）和式（134）可见，m 增大，即判决门限电平降低时，P1减小，但 P2增 大，所以这两项指标是有矛盾的，判决门限的选取要兼顾两者。 在分析判决门限电平对 P1和 P2的影响时，讲到两者是有矛盾的。我们希望在同步建 立时要可靠，也就是假同步概率 P2要小；而在同步建立以后，就要具有一定的抗干扰性能， 也就是漏同步概率 P1要小。为了满足以上要求以及改善同步系统性能，帧同步电路应加有 保护措施。最常用的保护措施是将帧同步的工作划分为两种状态捕捉态和维持态。 终端接收机由非同步工作状态转入同步工作的过程，称为“捕捉态” ，终端机进入同步 工作后则称为“维持态” 。可把捕捉过程分成两步进行，先在信码中找到与该时刻本地帧同 步码型相同的信码码位。当找到和帧同步码型一致的信码码位后，再进行第二步，即逐帧 比较下去，也就是在该时隙上按本地同步码的周期进行比较。在比较过程中，一旦发现在 收端本地同步码的相位与信码码型不同时，则重新移一个码元相位，重新从第一步开始找 帧同步码位，以上两步交替进行，即可建立真正的同步。 分散式插入法也称为“间隔式插入法” ，它并不是将帧同步码组集中插入数据码流中， 而是常以 1 比特帧同步码按一定的排布规律分散地插在数据流中。在本实验中，帧同步码 是采用集中插入法集中插入到 NRZ 码的 28 位的。帧同步码识别电路所能识别的帧同步 码的码型设置为 1110010，并且在当输入的 NRZ 码的码速率为 15.625KHz、10KHz、8KHz、4KHz 时，才能正常提取帧同步码。这一点请特别注意。 在信号源模块产生的 NRZ 码中，帧同步码是集中插入到每帧信号的 28 位的，因此 只要帧同步码识别电路在码流中能识别到与设置的帧同步码相同的码组，就会输出一个一 致脉冲。在本实验中采用的是采用滑动窗口来检测帧同步码的，如图 13-4 所示。10010110101110010011101010101001011010111001001110101010(a)(b)135图图 13-4 帧同步码滑动窗口识别示意图帧同步码滑动窗口识别示意图图 13-4 中虚线框就是由单片机 U509（89C2051）控制的一个 7 位的滑动窗口，这个窗 口是固定不动的，但输入的 NRZ 码在位同步提取电路提取出来的位同步信号的控制下，逐 位向前移动，如图 13-4（a）所示，该时刻移入滑动窗口的 7 位码与帧同步码不同，所以帧 同步码识别电路没有输出，而当该序列再右移一位（如图 13-4（b）所示）之后，移入滑 动窗口的 7 位码与帧同步码完全相同，此时帧同步码识别电路才会有一致脉冲输出。 不难看出，若信息数据中含有与帧同步码完全相同的码元序列，则系统将进入错误的 同步维持状态，由于在这里是连续传输以 24 位为周期的周期信号，所以此状态将维持下去。 但在实际的信息传输中不会连续传输这种周期信号，因此连续几帧都输出假识别信号的概 率极小，所以这种错误的同步维持状态存在的时间是短暂的。 在本实验中，帧同步识别器第一次识别到的与帧同步码相同的码元序列被认为一定就 是正确的帧同步码而不会是与帧同步码完全相同的数据（因为当各模块上电复位后 NRZ 码 是从第一位开始输入帧同步识别电路的，而帧同步集中插入在 NRZ 码的第二位至第八位， 所以帧同步识别电路第一次识别到的与帧同步码相同的码元序列一定就是正确的帧同步码） 。 此后只要识别器输出一致脉冲信号，就将该信号延迟 24 位以后再与第一次识别到的帧同步 信号比较，若相位相同，则输出正确的帧同步信号，若相位不同，则判断为假识别信号， 给予滤除。123456ABCD654321DCBABSRST1P3.02P3.03XTAL24XTAL15P326P337P348P359GND10P3711P1012P1113P1214P1315P1416P1517P1618P1719VCC20U509 89C2051VCCXTALRSTI/OS503 BNTP504 TPTP508 TPI/OS504 BNNRZ1-IN图图 13-5 帧同步电路原理图帧同步电路原理图五、实验步骤五、实验步骤1 将信号源模块、同步信号提取模块小心地固定在主机箱中，确保电源接触良好。 2 插上电源线，打开主机箱右侧的交流开关，再分别按下两个模块中的开关 POWER1、POWER2，对应的发光二极管 LED001、LED002、D500、D501 发光，按 一下信号源模块的复位键，两个模块均开始工作。（注意，此处只是验证通电是否 成功，在实验中均是先连线，后打开电源做实验，不要带电连线）1363 将信号源模块输出的 NRZ 码设置为 01110010 10101010 10101010，将信号源位同步 信号的频率设置为 15.625KHz，将同步信号提取模块的拨码开关 SW501 的第一位拨 上，即将数字锁相环的本振频率设置为 15.625KHz。 4 将信号源模块产生的 NRZ 码送入同步信号提取模块的信号输入点“NRZ1-IN”，用示 波器双踪同时观