（电路与系统专业论文）一种基于cpld的遥测终端机设计与实现.pdf

重庆大学硕士学位论文 ab s t r a c t a b s t r a c t 卜 s a t e l l i t e c o m mu n i c a t i o n s i s d e e p l y f a v o r e d b y mo s t c o n s u m e r , b e c a u s e o f i t s r e l i a b l e c h a n n e l , l a r g e c o m mu n i c a t i o n a r e a , m u l t i - a c c e s s a b i l i t y , e a s y c o n s t r u c t i o n , fl e x i b i l i t y o f g r o u p i n g n e t w o r k , q u i c k l y t a k i n g e f f e c t , e t c . p r e s e n t l y , i t h a s b e e n a k e y c o mm u n i c a t i o n m e a n s g e n e r a l l y u s e d b y ma n y p e o p l e . t h e t e l e me t r i c s u b s y s t e m i s a n i m p o r t a n t p a r t o f s a t e l l i t e c o m mu n i c a t i o n s , f o r i t a s s u r e s t h e s a t e l l i t e c o mm u n i c a t i o n w o r k i n g r e l i a b l y . i t i s u s e d t o me n s u r a t e s o m e w o r k i n g p a r a m e t e r s a n d s e n d t h e s e s i g n a l t o t h e g r o u n d s t a t i o n . t h e g r o u n d s t a t i o n r e c e i v e s t h e s e t e l e me t r i c s i g n a l , a f t e r p r o c e s s i n g , c o m m a n d s r e m o t e l y t o c o n t r o l t h e c o mmu n i c a t i o n s a t e l l i t e . t h e m a i n t a r g e t o f my d e s i g n i s t o c o m p l e t e t h e t e r m i n a l p a r t o f t e l e m e t r i c s u b s y s t e m o f s a t e l l i t e c o m m u n i c a t i o n , u s i n g s y n c h r o n o u s t e c h n o l o g y a n d e r r o r - c o n t r o l l i n g t e c h n o l o g y . al l t h e d e s i g n i s c o m p l e t e d b y d i g i t a l c i r c u i t . i n t h i s p a p e r , t h e i n t r o d u c t i o n p a r t r e c o m m e n d s t h e c o n s t i t u t e o f s a t e l l i t e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m , t h e f u n c t i o n o f t e l e m e t r i c s u b s y s t e m， t h e mo d e l o f m o d e r n c o m m u n i c a t i o n s y s t e m, m u l t i p l e x ( i n c l u d i n g t i m e - d i v i s i o n m u l t i p l e x a n d f r e q u e n c y - d i v i s i o n mu l t i p l e x ) a n d e r r o r - c o n t r o l l i n g t e c h n o l o g y b r i e fl y . t h e s e c o n d c h a p t e r r e c o m m e n d s s y n c h r o n o u s t e c h n o l o g y , ma i n l y a b o u t b i t - s y n c h r o n i z a t i o n a n d f r a m e - s y n c h r o n i z a t i o n , i n c l u d i n g t h e b a s i c m e a n s t o c o m p l e t e t h e b i t - s y n c h r o n i z a t i o n a n d f r a m e - s y n c h r o n i z a t i o n , t h e w a y t o i n s e r t t h e c o d e , w h i c h c a n i d e n t i f y t h e f r a me s y n c h r o n i z a t i o n , a n d t h e f o r w a r d a n d b a c k w a r d p r o t e c t me a s u r e t o mi n i s h t h e l e a k - s y n c h r o n i z a t i o n a n d f a k e - s y n c h r o n i z a t i o n， a l s o , g i v i n g a n a n a l y s i s t o t h e p r o b a b i l i t y o f l e a k - s y n c h r o n i z a t i o n a n d f a k e - s y n c h r o n i z a t i o n , a n d s y n c h r o n o u s c o n s t r u c t i o n t i m e o f t h e f r a me - s y n c h r o n i z a t i o n s y s t e m. i n t h i r d c h a p t e r , b a s e d o n t h e o r e m o f c h a n n e l c o d i n g , r e c o mme n d s t h e b a s i c t h e o r y o f e r r o r - c o n t r o l l i n g , d i s c u s s e d t h e g r a d u a l c o d i n g p l u s a n d s o f t - d e c i s i o n d e c o d i n g p l u s . a n d b r i e fl y i n t r o d u c e s t h e b a s i c k n o w l e d g e o f t h e c i r c l e c o d e a n d g r o u p i n g c o d e . t h e f o r t h c h a p t e r r e c o m me n d s t h e c o d i n g a n d d e c o d i n g p r i n c i p l e o f t h e r s c o d e a n d c o n v o l u t i o n c o d e , a n d i n t r o d u c e s t h r e e c o n v o l u t i o n d e c o d i n g 重庆大学硕士学位论文 ab s t r a c t a r i t h me t i c , a n d d i s c u s s t h e i r a d v a n t a g e a n d d i s a d v a n t a g e . t h e f i f t h c h a p t e r r e c o m m e n d s t h e c o n c e p t o f c o n c a t e n a t e d c o d e， e x p l a i n s i t s a d v a n t a g e , s p e c i f i e s t h e ma t c h i n g p r i n c i p l e o f g r o u p i n g c o d e a n d c o n v o l u t i o n c o d e p a r a m e t e r , a l s o , i n t r o d u c e s t h e a p p l i c a t i o n o f c o n c a t e n a t e d c o d e i n s a t e l l i t e c o m m u n i c a t i o n , a n a l y s e s t h e c h a n n e l m o d e l o f s a t e l l i t e c o m m u n i c a t i o n , p r o v e s t h e a d v a n t a g e o f t h e r s a n d c o n v o l u t i o n c o n c a t e n a t e d d e c o d i n g s y s t e m i n w h i t e g a u s s y a w p c h a n n e l . a l s o , s a y i n g t h e c c s d s s t a n d a r d u s e d i n s a t e l l i t e c o mm u n i c a t i o n . t h e s i x t h c h a p t e r m a i n l y i n t r o d u c e s t h e h a r d w a r e c o mp l e m e n t a t i o n o f t h e d e s i g n . i t i n t r o d u c e s t h e c o mp l e x p r o g r a m m a b l e l o g i c d e v i c e ( c p l d ) , t h e ma x + p l u s 1 1 d e v e l o p i n g s o f t w a r e , a n d t h e a h a 4 2 1 0 c h i p . r e c o m m e n d s t h e c o m p l e me n t a t i o n o f t i m e d i v i s i o n ,m u l t i p l e x i n g a n d c o n c a t e n a t e d c o d i n g a n d d e c o d i n g , f i n a l l y , t h e e n t i r e r e s e a r c h a n d t h e d i s s e r t a t i o n a r e c o n c l u d e d o n t h e b a s i s o f t h e e x p e r i me n t a l r e s u l t s . k e y w o r d s : m u l t i p l e x i n g t e c h n o l o g y , e r r o r - c o n t r o l l i n g t h e o r y c o m p l e x p r o g r a m m a b l e l o g i c d e v i c e . i i i 重庆大学硕士学位论文t绪论 1 绪论 1 . ，课题阐述 1 . 1 . 1卫星通信系统模型 自 从2 0 世纪4 0 年代中期提出利用人造地球卫星进行通信设想以来， 历经2 0 年探索、 实验， 终于在2 0 世纪6 0 年代中期投入实用， 并在应用与 发展中取得了举世瞩目 的伟大成就。今天，卫星通信已成为人们普遍使用 的重要通信手段，并且以 它信道稳定可靠、 通信覆盖面积大、有多址通信 能力、建设方便、组网灵活、见效快等优势，深受广大用户青睐。 卫星通信系统包括通信和保障通信的全部设备。 主要由: 空间分系统、 通信地球站、跟踪遥测和指令分系统及监控管理分系统四大部分组成 ( 见 图 1 . 1 . 1 ) 。 空间分系统 跟踪遥测指令 分系统 通信地球站 监督管理分 系统 图1 . 1 . 1卫星通信系统模型 f i g u r e 1 . 1 . 1 t h e s y s t e m m o d e l o f s a t e l l i t e c o m m u n i c a t i o n s 在空间 分系统中， 通信卫星是最主要的组成部分。它的基本功能是为 各个有关的 地球站转发无线电电 信号，以实现多址中继通信，同时，通信 卫星还应具备一些辅助功能，以保证通信任务的可靠完成。一般的，通信 卫星主要由五个主要部分，它们是: 通信分系统，用来接收、处理和重 发信号。天线分系统， 用来定向发射和接收电 信号. 控制分系统，用 来对卫星的姿态、轨道位置、电路工作状态等进行必要的控制。 遥测指 令分系统， 用来测定所需要的各种工作参数并向 地面发送出遥测信号，此 外接收地面测控站发来的指控信号，经解调后送到控制分系统执行。 电 源分系统，用来为卫星提供电能。其中的遥测指令系统主要包括遥测和指 令两大部分， 此外， 还应有用于卫星跟踪的信标发射设备，它必须与地面 重庆大学硕士学位论文t绪论 的跟踪遥测指令站，简写为 t t f d m 在频域上是各路信号分割开来的， 但在时域上是混叠在一起的。 t d m 的方法有两个突出的 优点: 多路信号的汇合与分路都是数字电 路，比f d m 的模拟滤波器分路简单、 可靠。 信道的非线性会在f d m 系统中产生交调失真与高次谐波， 引起路际串话， 因此，对信道的非线性失真要求很高;而t d m 系统的非线性失真要求可降 低。 然而，t d m对信道中时钟相位抖动及接收端的时钟同步问题则提出了 较高要求。 1 .4差 错控制 方 式分 类 2 -4 1 数字通信系统中， 利用纠错或检错码进行差错控制的基本方式大致分 为四 类: 前向 纠 错 ( f e c ) ; 重 传反 馈 ( a r q ) o 混 合 纠错 ( h e c ) 和信息 反 馈 ( i r q ) 方式。 重庆大学硕士学位论文1绪论 1 .a . 1前向纠错 f e c ) 该方式是发端发送能够纠错的码，接收端收到这些码后，通过纠错译 码器自 动纠正传输中的错误。这种方式的优点是不需要反馈信道，能进行 一个用户对多个用户的同时通信， 特别适合于移动通信。此外，译码实时 性较好，控制电路也比 较简单。 缺点是译码设备比较复杂，所选用的纠错 码必须与信道干扰情况相匹配，因而对信道变化的适应性较差。为了要获 得比较低的误码率， 往往必须以 最坏的信道条件来设计纠错码，故所用纠 错码的冗余度要大， 从而使编码效率降低。 随着编码理论的发展和编译码 设备的大规模集成电 路成本的不断降低，译码设备越来越简单，成本越来 越低， 因而在实际数字通信中， 特别在单向 通信系统中得到较广泛的应用。 1 .4 .2检错重传( ar q ) 此方 式的 通信过程为， 发 端发出 能 够发 现 ( 或 检测 ) 错误的 码， 收端译码 器收到后，根据码的编码规则， 判决这些码在传输中有无错误产生，并通 过反馈信道把判决结果告诉发端。发端根据这种判决结果，把收端认为有 错的消息再次传送，直到收端认为正确接收为止。 因 此， a r q必 须 有一 条从 收至发的 反 馈信道， 并 要 求信源产生信息的 速率可以进行控制，故这利 .方式的控制电路比 较复杂。由于反馈重发的次 数与信道干扰情况有关， 若信道干扰很频繁，则系统经常处于重发消息的 状态，所以 传输信息的连贯性和实时性较差。该方式的优点是编译码设备 简单，且整个系统能获得极低的误码率。 1 . 4 .3混合差错控制( h f c ) 该方式是前两种方式的结合。发端发送的码不仅能够检测错误，而且 还具有一定的纠错能 力。 收端译码器收到码字后，首先检验错误情况， 如 果在码的纠错能力以内， 则自 动进行纠错，如果错误很多，超过了 码的纠 错能力，但能检测出来， 则接收端通过反馈信道给发端一个判决信号，要 求发端重发出错的消息。 这种方式在一定程度上避免了f e c方式需要复杂 译码设 备和a r q方 式 信息连贯 性差的 缺点， 并能 使整 个通信系 统的 误码 率达到很低。 重庆大学硕士学位论文 1绪论 1 . 4 . 4信息反馈( irq ) 此方式是接收端把收到的信息，原封不动地通过反馈信道送回发端， 发端比较发的与反馈回来的信息，从而发现错误，并且把出错的信息再次 传送，以 达到对方正确接收信息的目的。 这种方式不需要应用纠错码，控 制电路简单，但整个系统的传信率很低。 1 . 5差错控制 编 码介 绍 1 ,4 ,5 差错控制编译码的历史始于1 9 4 8 年香农发表的一篇著名论文。香农指 出， 对于任何一个通信系统，总有一个数c( 以 每秒比 特度量) ， 称为信道 容量， 它的意义如下: 只要一个通信系统所要求的传信率r ( 以每秒比特度 量)小于 c, 就有可能用差错控制码为此信道设计一通信系统使其输出差 错概率为任意小。对于香农信息论的一个重要注释是，建立一个太好的信 道纯属浪费;应用一种码往往更为经济。 但香农并没有告诉我们如何寻找 码，只证明了这些码的存在。 以下介绍几种常用的编码。 1 . 5 . 1分组码 分组码编码器是把信源输出的信息序列， 按k 个相继码元分为一组( 信 息组) ，并按一定规则对每一信息组增加; = n 一 k 个校验元 ( 监督元) ，组 成 长 为。 的 。 重 ( c . - i , c m - 2 , ， c o 。 称 该 。 重 为 码 的 码 字( 码 矢) 。 在 二 进制情况下， 长为k 的 信息组共有2 k 组， 因 此通过编码器后， 相应的 码字 也 有2 个 ， 称 这2 个 码 字 集 合 为 ( n , 劝 分 组 码 。 线 性 分 组 码 中 的 一 个 重 要 参数是码率r 它说明在一个码字中信息位所占的比重，r 越大，码 的传输信息的有效性越高。 第一个分组码是出 现于1 9 5 0 年的汉明码， 它是汉明提出的纠正单个错 误的线性分组码。它性能好，且编译码电路简单，易于工程实现，但效率 较低， 离香 农定 理指出 的 码相差 很远。自1 9 5 7 年 普兰 奇( p r a n g e ) 提出 循 环码后， 有关码的结构、 性质及编译码方法得到了极其迅速和详尽的研究， 重庆大学硕士学位论文1绪论 取得了许多重要结果。 目 前己 发现的大部分线性码与循环码有密切的关系。 循环码具有以下两个特点:一是码的编码电路及伴随式的计算电路非常简 单，易于实现;二是循环码的代数结构具有很多有用性质，易于找到有效 的 译码方 法。 1 9 5 9 年霍昆 格姆 ( h o c g e n g h e m ) 和1 9 6 0 年博 斯 ( b o s e ) 及 查德胡里 ( c h a u d h u r i ) 分别提出的纠正多个随机错误的循环码，b c h码。 这是一类纠错能力强，构造方便的好码。1 9 6 0年彼得森 ( p e l e r s o n )找到 了二元b c h码的第一个有效算法， 后经多人的推广和改进，于1 9 6 7 年期 间 伯利坎 普 ( b e r le k a m p ) 提出了b c h码译 码的 迭代算 法， 从而将 b c h 码由理论研究推向实际应用阶段， 使它成为应用广泛而有效的一类线性码。 若 将b c h 码推广到非二 进 制( 9 2 ) 情形， 即多 元b c h 码， 应用最广泛的 是r ee d -s o lo m o n 码 ( r s 码) 。 r s 码的一个突出 优点是可以 有效地纠正 突发错误。 分组码有很多优点， 但并不完美。 首先，由于分组码的分组组织形式， 在译码之前必须接收到整个码字，这将导致系统的延时，码长较大时延时 更加明显。分组码的第二个不足是它需要非常精确的帧同步。分组码的第 三个不足是其基于代数运算的译码器通常进行的是硬判决，没有利用解调 器输出的非量化信息，即软信息。硬判决译码时，译码器信道输出的是二 进制信息，而软判决译码时， 信道输出为连续值。为达到s h a n n o n 信道编 码定理预测的性能极限，要求采用信道输出的软信息。 1 . 5 . 2卷积码 差错控制系统中除了 应用分组码以 外，还广泛使用卷积码。在分组码 的编译码过程中，本组的n 一 k个校验元仅与本组的k 个信息元有关，与 其它各组无关，也就是说分组码编码器本身并无记忆性。但是，在卷积码 的 编码 过 程中 ， 本 组的n 。 一 k 。 个 校 验 元 不 仅与 本 组的k 。 个 信 息 元 有关， 而 且还与以 前m个单位时间输入至编码器的m个信息元有关， 因此卷积码编 码器需要m个单位时间记忆部件，以存储m个单位时间的信息元。同样， 在 卷 积 码 的 译 码 过 程 中 ， 也 与 以 前 的 m 住 m ) 个 单 位 时 间 的 码 元 有 关 。 此 外， 卷积码中 每组的 信息 位数k 。 和 码长n 。 通常比 分 组 码的k 和n 要小。 正 重庆大学硕士学位论文1绪论 由 于 在 卷 积 码的 编 译 码 过 程中 ， 充 分 利 用了 各 组 之间 的 相 关 性， 且n 。 和k , 也较小。 因此， 在同样的码率r和设备复杂性条件下， 无论从理论上还是 实践上均己证明，卷积码的性能至少不比分组码差，且实现最佳和准最佳 译码也较分组码容易。 与分组码将数据分组不同的是，卷积码编码时利用移位寄存器在连续 的数据码流中加入冗余信息。其每n 个输出比 特是当前k 个输入比特以及 移位寄存器中存储的m位比 特的线性组合。 每位输出的相关位数称为约束 长度。 卷积码编码器的码率是一个码周期内的数据位数k 被同样周期内的 输出 位数除的结果。就象卷积码是连续编码一样， 卷积码译码也是连续进 行的，其译码延时固定。并且，译码时可以 采用解调器输出的软信息。卷 积码的最优译码是由v i t e r b i 于1 9 6 7 年提出维特比 算法，维特比算法是一 种最大似然译码算法，该算法使得卷积码在实际中得到大量的应用。 1 .5 . 3级联码 信道编码定理指出，随着码长n 的增加，译码错误概率按指数接近于 零。因此，为了使码有效就必须用长码. 但随着码长的增加，在一个码组 中要求纠错的数目 相应增加， 译码器的复杂性和计算量也相应增加以致难 以 实 现。 为了 解决 性能 与设 备复 杂 性的 矛 盾， 1 9 6 6 年福尼 ( f o r n e y ) 提出 了 级联码概念，把编制长码的 过程分几级完成。 在功率严重受限系统中目 前广泛采用的是一种由r s 码和卷积码构成的级联码。 数据首先用外码r s 码编码器编码， 然后送入内 码卷积码编码器。 在接收端，内 码卷积码译码 器利用软判决译码进行处理， 卷积码译码器的输出已 使信噪比有了较大提 高， 但由 于卷积码本身固 有的 特性，其译码输出的 错误通常以 突发的形式 出现。外码r s码译码器对卷积码译码输出再进行译码， 纠正其中的突发 错误。这样，内外译码器分别完成相应的 任务: 卷积码纠正低信噪比情况 下多数独立错误， r s 码译码器在高信噪比 情况下纠正多数突发错误， 这种 串 行级联 码结构是1 9 6 6 年d a v i d f o rn e y 首 先提出 的，目 前己 在卫 星通信 等系统中得到广泛应用。 1 . 5 . 4 1 9 9 3 t u r b o码 年， b e r r o u 等人提出了t u r b o 码这种新的编译码方法。 t u r b o 码是 重庆大学硕士学位论文i绪论 由两个或更多成员码并行级联构成的。 通常， 其成员码采用的是递归系统 卷 积码( r s c ) 。 两 个具 有同 样码率的r s c 编 码器以 并 行的方式对 输入 数据 编码， 数据在送入第二个编码器之前先进行交织处理。 由于r s c编码器是 系统形式的，因此第二个r s c编码器输出的系统信息序列可以不再发送， 编码后 t u r b o 码整体 速率 为1 / 3 ， 通过 删 除 编码 技术( p u n c t u r in g ) ， 可实 现 更高 的码率。 t u r b o 码译 码时 采用迭 代形 式 的软 输入软 输出 ( s i s o ) 逐位最大 后验概率( m a p ) 译 码 算法。 1 . 6差错控制编译码的应用 由于差错控制码的发展主要是受通信问 题所激发，差错控制编码的专 有名词都是从通信理论的课题中移植过来。 但这些码有着许多其它的应用。 例如，在计算机存储器以 及数字磁带和磁盘中用这些码来防止电路失常或 噪声。这些码也用来作数据压缩，而且编译码理论与 统计实验的设计理论 也是密切相关的。 在通信问题上码的应用是多方面的。平常二进制在计算机终端之间， 在飞机之间，以及在空间飞船与地面之间进行传输。即使在接收信号功率 接近于热噪声功率的情况下，也可以 用这些码来达到可靠的通信。当前， 由于许多人造信号使得电 磁频谱愈来愈拥挤，纠错编码成为更加重要的课 题，因为当干扰存在时，纠错码可使通信线路可靠地工作。在军事应用中 常需使用纠错码防止敌人的有意干扰。 许多通信系统对发射功率都有限制。例如， 在通信中继卫星中功率是 非常昂贵的。纠错编码是降低所需功率的一种最好方法，因为终端接收到 的微弱消息可以 借助于纠错码来正确得到恢复。 纠错编码在一定系统内的通信也很重要.在现代复杂的数字系统内， 其子系统之间可存在巨 大的数据流。 数字自 动驾 驶， 数字过程控制， 数字 开关系统，以 及数字雷达信号处理都是含有大量数字数据的系统，它们必 须由 多个相互连接的子系统来分担。 这些数据或由 专用线或由 更高级的时 分数据总线系统来传送。 在上述的 任一情况， 为了 保证正常的性能， 差错 控制技术变的愈来愈重要。 纠错码以及编码和译码电路最终将达到它们能掌握大量数据的境地。 可以 预期将来差错控制 技术在所有通信系统中 将 扮演中 心角色。很可能将 来c d ， 磁带以 及电视波形将使用纠错编码保护的数字消息。 c d的刮擦或 者接收信号的干扰将被编码全部抑制掉，只要设计纠错码的纠错能力比差 错更强。 重庆大学硕士学位论文 z同步技术 2 同步技术 2 . ，同步的作用及实现的基本方法6 .8 1 2 . 1 . 1同步的作用 同步是指时标和信号间相对应的各有效瞬间具有所要求的恒定的相 位关系，亦即两个信号在它们相对应的有效瞬间以 相同的平均速率出现。 数字通信系统是一个同步通信系统，同步对数字通信系统的性能有着 重要的影响。在点对点通信中，收端为了正确地再现所传输的信号，必须 产生一个时间上与发端信号同步的时钟信号。在这个时钟信号的控制下， 一步一步地通过解调、译码和判决等各个接收环节，恢复出所传输的信号 来。这种为了满足点对点通信的需要所提取的相位上的同步时钟信息，就 是位同步所完成的功能。在多路通信中，常常把各路信号按一定的帧格式 编排复合起来，然后进行传输。在收端为了从复合信号中将各路信号正确 的分开，需要一个准确的时间标志，用以表示一帧的起始时刻。根据这个 帧起始标志， 才能正确地识别各路的时间位置， 为此在发端合路群信号中， 要循环地插入一个特殊的帧定位信号( 帧同步信号) ， 收端将正确检测识别 它，这种同步方式叫做帧同步。在数字传输和数字交换构成的综合数字网 中，为了使网内各交换节点的全部数字流都能实现有效地交换，必须使得 到达交换节点中实现信号交换的接续网络的所有数字流的帧定位信号同 步，以便来自 不同数字传输系统的外来数字流能与数字交换机内部的数字 流交替插入。这种数字交换中需要的同步称为交换同步。由于交换同步涉 及到网内到达各交换点的全部数字流的同步，因此又称为网同步。 2 . 1 . 2同步实现的基本方法 目 前，在各种通信系统中采用着各种各样的同步方法。归纳起来有三 种一般的方法: ( 1 ) 使用统一的时间标准; 0 时 ， v ( t 的 每 个 脉 冲 宽 度 趋 于 零 ， 它 含 的 位 同 步 分 量 也 将 趋 于 无 穷 小 可 见 在0 - t , 之 间 ， 延 迟 时 间t 有 个 最 佳 取 值 ， 能 使 v (1 ) 中 的 位 同 步 分 量 达 最 大 值 。 经 过 对 归 零 窄 脉 冲 序 列 v (t ) 功 率 谱中 所 含 位 同 步 线 谱 的 功 率 分 析， 研 究 它 与t 值 的 关 系， 得出 结 论 : 当: 值 等 于 码 元 长 度t s 的 一 半 时，所含的位同步分量达最大值。所以采用延迟相干一滤波法从频带不受 限的中频p s k 信号中 提取位同步时， 应该选取延迟时间t 等于二分之一码 长t s 。 重庆大学硕士学位论文2 同步技术 2 . 2 .3数字锁相法 数字锁相法是在数字通信的位同步系统中得到广泛应用的一种提取位 同步信号的方法。它的主要组成部件由 过零检测器、数字鉴相器、高稳振 荡器和可变分频器组成，其原理图如下: 数字鉴相器 图2 .2 .5 数字锁相环法形成 位定时 信号 f ig u r e 2 .2 . 5 t h e f o r m a t i o n o f t i m i n g - b i t s i g n a l t h r o u g h a d ig i t al p h a s e - lo c k e d lo o p 数字锁相环法的 基本原理是: 接收端有一个高稳定的 振荡器，其输出 通过分频得到本地位定时 脉冲序列， 然后输入基准定时 脉冲与本地定时脉 冲在鉴相器中 进行相位比 较。 若两者相位不一致( 超前或滞后) ， 鉴相器输 出误差信息，并去控制调整可变分频器的输出脉冲相位，直到使输出的位 定时脉冲的频率和相位与输入信号的频率和相位一致时，才停止调整。 上图2 . 2 . 5 的具体工作过程如下: 振荡器产生的高稳定振荡频率f 是 接收信号频率的2 n 倍，即f = 2 一 n * f ( f = 1 / t 是码元速率或称位定时频率) ， 这也就是本地输出脉冲序列的频率，经二分频后，形成频率为f / 2 的两路 脉冲序列a 和b ，且两路脉冲序列的时间差为t / ( 2 - n ) ( 即相位差为二) 。 重庆大学硕士学位论文2同步技术 数字鉴相器由超前门y 1 .滞后门y 2和单稳电路组成。当本地定时与 接收定时在鉴相器进行相位比较时，可产生超前或滞后脉冲，并控制可变 分频器去调节木地定时的相位，使本地定时相位与接收定时相位一致。 可变分频器由 2 - ( n - 1 ) 分频器、扣除门和附加门组成。当超前脉冲到 来时，常开门扣除一个脉冲，使本地定时相位推后;当滞后脉冲到来时， 常闭门打开， 附加一个脉冲， 使分频器输出的位定时信号相位提前。 这样， 根据鉴相器比较的结果不断调整，最后达到收、发定时信号一致。 总之，数字锁相法提取位定时信号的全过程是:每当输入脉冲信号出 现一次过渡，就产生一个脉冲，进行一次相位比较，其结果或者产生一个 “ 加” 脉冲，使位定时脉冲提前 t / ( 2 一 ( n - 1 ) ) 秒;或者产生一次 “ 减” 脉冲，使位定时脉冲滞后 t / ( 2 - ( n - 1 ) )秒。这样，经过多次比较控制， 在没有外加干扰的 情况下，可以使本地形成的位定时脉冲输入信号的过渡 点间的时间误差保持在t / ( 2 一 ( n - 1 ) )秒以内，这时系统处于锁定状态。 2 . 3帧同 步 数字通信的时分复用技术就是通过时间分割来实现多路复用，在此帧 同步的作用是使在接收端的时隙脉冲排列规律和接收到的码流中时序排列 规律一致，以保证正确无误地进行分路，接收端实现帧同步的方法一般可 以 分为两类， 第一 类方法是在发送的数字 信号序列中 插入帧同步脉冲或帧 同步码作为 帧的起始标志， 这类方法称为外同 步法; 另一类方法是利用数 字信号序列本身的 特性来恢复 帧同 步信号， 例如某些具有纠错能力的抗干 扰编码具有这种特性， 这种方法称为自 同步法。 在数字通信中应用较多的 是外同步法。 帧同步问 题实质上是一个对帧同步标志进行检测的问题.对帧同步系 统提出的基本要求是: 建立同步的 概率大， 错误同 步的 概率小。 捕捉时间要短. 无论是初始捕捉还是失步后重新进入捕捉， 都要求捕捉 时间短。因为在捕捉过程中系统处于失步状态。 这样， 对于数据传输系统 将丢失数据信息， 对于数字电话系统将出 现语音中断现象。 稳定 地保持同 步。 接收 端的 帧同 步系统一 旦进 入同 步 状态之后， 应当 稳 定地保持同步， 而不被信道千扰引 起的 误码破坏同步。 信道中的 干扰， 根 据统计来看， 其时间宽 度一般小于3 m s ， 为了防 止信道误码破坏同步状态， 通常在收端帧同 步系统中 采取了 相应的 保护措施。同步后接收端收不到帧 重庆大学硕士学位论文z同步技术 同步码有两种情况:1 ) 真正失步了。在这种情况下，收不到帧同步时间都 较长，总是大于 3 m s ; 2 ) 由于信道误码而收不到帧同步。发生这种情况的 时间比较短，一般小于 3 m s ， 根据两种情况的不同特点， 对帧同步就采用 相应的保护措施， 只要在帧失步的情况下， 收端帧同步系统才转入捕捉态。 在满足帧同步性能要求的条件下，为提高有效信息的传输效率，帧同步 码的长度应尽可能短些。 2 .3 . 1帧同步码的插入方式 所谓帧同步码插入方式是指在发送端怎样将帧同步码插入信息码流中 作为帧起始标志的。通常有两种插入方式。 集中插入方式 这种方式就是将帧同步码以 集中方式插入信息码流中。 在接收端只要检 测出帧同步码的位置，就可识别出帧的开头，从而确定各码组的位置。这 种方法的优点是能较迅速地建立帧同步。 分散插入方式 这种方式就是将帧同步码以分散的形式插入信息码流中。帧同步码可 以是1 , 0 交替码或其它码型。如果发生了帧失步，则需要逐位进行比较， 直到重新收到帧同步码，才能恢复帧同步。所以同步恢复时间要长一些， 这是这种方式的缺点。 集中插入方式的同步码通常是采用一个字长r 比特码组， 集中插入一 帧中的一个时隙。 如p c m 3 0 / 3 2 路设备， 采用r = 7 比 特同步码组， 集中插入 到 偶 帧 的t s 。 时 隙， 这 种 插入 方 式 要占 用 信 息 时隙， 但 缩短了 同 步引 入时 间。 2 .3 .2帧同步系统的前后方保护 同步系统的工作稳定可靠对于通信设备是十分重要的。数字信号在传 输过程中总会出现误码。一种是由 信道噪声等原因引起的随机误码;另一 种是突发干扰造成的 误码。 正常的 随机误码尽管也会造成信息码的丢失或 错误，只要在满足一定的误码率要求下，不会对通信质量造成大的影响， 而且能自 动地恢复正常。因此，像这类误码造成的同步码丢失往往是一种 漏同步现象， 希望同步系统此时不要动作。当出现突发性干扰或传输信道 重庆人学硕十学位论文z同步技术 性能劣化，往往会造成信息码大量丢失，直接影响通信质量，甚至造成通 信中断。同步系统因连续检不出同步码而处于帧失步状态，此时同步系统 具有识别漏同步的能力， 特别引入了前方保护时间，因此前方保护时间的 定义是: 从第一个同步码丢失起到同步系统进入捕捉状态为止的这段时间。 前方保护时间的长短与同步码的插入方式有关，集中插入方式一般规定连 续丢失掉一些相邻的帧同步码才能判为失步。因此，只要同步码连续丢失 的时间比前方保护时间短，同步系统是不会动作的。 当同步系统处于捕捉状态后， 要从码流中重新检出同步码。不管选择 哪种同步码型，信息码流中都有可能出现与同步码图案相同的码组，称这 种码组为假同步码。同步系统如果不能识别假同步码，就可能进入误同步 状态，使同步系统工作不稳定。为了避免进入假同步，引入了后方保护时 间， 它是指从同步系统捕捉到第一个真同步 状态之间的这段时间。 对p c m 3 0 / 3 2 基群设备 而言 ，建议按c c i t t g . 7 3 2 的 帧失步和帧复位 的规定: 帧失步 如果同步系统连续收到3 -4 个帧同步码组有错，即认为帧 己失步，同步系统可进入捕捉状态。 帧复位如果同步系统在捕捉过程中， 捕捉到的帧同步码组具有下列 规律: 第n 帧有同步码、第n + 1 帧没有同步码、第n + 2 帧有同步码，则认 为同步系统可进入同步状态，帧定位恢复。任一条件不满足，同步系统都 必须 重 新 捕 捉。 n 十 1 帧 没 有 同 步 码 组的 检 查 是 通过 插 入奇 帧t s 。 的 1 0 / 1 川 1 1 码组的第二位来核对的， 称为 监视码。 如果n + 1 帧的 第二位码为 . 1 11 ，则证明没有同步码，如果n + 1 帧的第二位码为 “ 0 ，则表明n 帧同 步是假同步码，系统必须重新进行捕捉。 因为p c m 3 0 / 3 2路是用偶帧插入同 步码，因此两组同步码之间的间隔 为5 1 2 b i t ， 即2 5 0 u s ， 而不是1 2 5 u s 。 再由上述规定可知p c m 3 0 / 3 2 基群 设备的前方保护时间为5 0 0 -7 5 0 u s ，后方保护时间为2 5 0 u s . 重庆大学硕士学位论文2同步技术 2 .3 .3帧同步系统的工作流程图 根据c c i t t g . 7 3 2 建议，画出帧同步系统的流程图 ( 2 . 3 . 6 ) 。图中a 表示同步态; b 表示前方保护计数; c 表示捕捉态:d 表示后方保护计数。 图2 .3 .6帧同 步系统工作流程图 f i g u r e 2 . 3 .6 t h e d ia g r a m o f a fr a m e - s y n c h r o n i z a t i o n s y s t e m fl o w 一 2 3 重庆大学硕士学位论文 z同步技术 如果系统连续地在预定时间检出帧同步码组， 系统处于帧同步状态a , 如果系统在预定时间没有检出 帧同步码组，而且连续d 次时，系统便由同 步态a 进入捕捉态c 。 在捕捉态c ， 帧同 步系统在接收到的信码流中 捕捉帧 同步码，当捕捉到帧同步码组后，系统就进入后方保护计数 d 。在状态 d 中，从找到一个帧同步码起， 每隔一帧 ( 1 2 5 u s )考察一次，结果有两种 可能: 一种是连续a 次正好每次都对上， 即检出 监视码后继而检出帧同步码， 在这种情况下就认定这个码组就是帧同步码组， 帧同步系统就进入同步态 a ; 另一种可能是在上述过程中只要有一次没有对上， 就认定在第一次检出 的并不是真正的 帧同步码组， 系统又立即回到 捕捉态c . 前方保护计数0 的 作用是，一旦没检出帧同步码组，并不立即判定系 统为帧失步而使系统进入前方保护计数，只有当d 次仍检测不出时，系统 才进入c 状态。因此，前方保护的目 的是判断是否帧失步;而后方保护的 目的则是判断是否己调整到真正同步。 2 .3 . 4帧同步系统的主要性能指标 衡 量 帧 同 步 系 统 的 主 要 指 标 有 漏 同 步 概 率 拐， 假 同 步 概 率p u 和 帧 同 步 平 均 建 立 时 间t s 。 不 同 方 式 的 同 步 系 统， 有 不 同 的 性 能。 在 此， 主 要 分 析集中插入方式的同步系统的性能。 漏同 步 概 率气 数字信号在传输过 程中由 于千扰的 影响使同 步码组产生误码， 而使帧同 步信息丢失， 造成假失步 现象， 通常称为 漏同步。出 现这种情况的 可能性 称 为 漏 同 步 概 率p s 。 设 帧 同 步 码 组 长 为1 ， 码 元 的 误 码 率 为几， m 为 容 许 码 组 出 错 的 最 大 数 ( 容错度) 。 因此码组中 所有不超过m 个错误的码组都能当作同步码正确识 别，则未漏概率为 重庆大学硕十学位论文z同步技术 ic p ( 1 一 p , ) - ( 式 2 - 3 - 1 ) 故得漏同步概率为 p si 二