（信息与通信工程专业论文）基于fpga的高速误码仪研制——发端子系统的研制.pdf

国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 摘要 误码率测试仪用于对通信系统的可靠性检测中，是检验数据传输质量的重要 手段。本课题研究用于地面站综合处理终端系统中的高速误码率测试仪。高速误 码率测试仪采用数字复接技术，基于f p g a 研制而成，数据率可达3 0 0 m b p s 以上。 本文第二章介绍数字通信及复接技术的有关理论；第三章介绍高速误码率测 试仪发端子系统的设计方案；第四章介绍高速误码率测试仪的硬件设计及实现过 程，并给出了一些实际设计电路；第五章介绍高速误码率测试仪发送端软件设计 及实现过程，并给出了各程序模块及顶层模块的仿真结果：第六章给出了高速误 码率测试仪发送端的测试参数。最后，本文对课题研究与开发过程进行了总结， 并提出了f 一阶段要进行的工作。 本课题硬件采用x i l i n x 公司x c 2 v p 4 平台级f p g a 为核心控制芯片，软件采 用x n x 公司最新集成化e d a 开发工具i s e 7 。】if o u n d a l i o n ，仿真工具m o d e l s j m s e 6 o ，综合工具s ”p l i 母p r 0 8 1 等设计完成，高速电路采用l v d s 信号进行连接。 硬件和软件调试已经成功，各项指标都达到了设计要求。高速误码率测试仪已经 用于地面站综合处理终端系统的误码检测中，并已取得良好效果。 阵列 主题词：数字复接伪随机码信号完整性低压差分信号现场可编程门 第i 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 a b s t r a c t b er r ri su s e di nd e t e c t i n gf o rr e l i a b i l i t yo fac o 咖u n i c a t i o ns y s t e m i ti sa n j m p o n a n ti n s t m m e n tw h i c h c a | 1v e r j f yt h ed a t at r a n s f e rq u a l i t y h i 曲s p e e db e r tu s e d i n s y n t h e s i z i n ga n dp r o c e s s i n gt e m l i n a ls y s t e mo ft h ee a n l ls t 撕o ni ss t u d i e da n d d e v e l o p e di nt h i sp r o j e c t i ti si m p l e m e n t e db ya d o p t i n gd i g i t a lm u l t i p l e xa n df p g a n s d a t ar a t eh a se x c e e d e d3 0 0 m b p s i nt h i st h e s i s ，t h es e c o n dc h a p t e rd i s c u s s e sm ec o n l a t i v et l l e o r ya b o u td i g i t a i c o m m u n i c a t i o na n dm u l t i p l e xt e c h n o l o g y t h et l l i r d c h a p t e rd i s c u s s e st r a n s m i n e r s d e s i g ns c h e m eo fh i g hs p e e db e r t 1 h ef o u i t hc h a p t e ri n t r o d u c e st h ed e s i g n i n ga n d i m p l e m e n t i n ga b o u tt 1 1 eh a r d w a r eo fh i 曲s p e e db e r t ，a 1 1 dg i v e ss 嗍ea c t u a ld e s i g n c j r c u i t s t h en f u lc h a p t e ri n t r o d u c e s 协ed e s i g n i n ga n di m p l e m e m i n ga b o u t 血es o f t w a r e o fh i g hs p e e db e r t ，a n dg i v e st h es i m u l a t i o nr e s u l t so fs o i n ep r o g r 锄b l o c k sa n dt o p b l o c k t h et e s “n gp 啪m e t e r sa r eg i v e ni n 协es i x t l lc h a p t e r 1 1 1c o n c l u s i o n ，m i s 廿l e s i s s u m m 撕z e st h ep r o j e c t sp m c e s so f m es t u d ya n dd e v e l o p m e n t ，a n da l s ob r i n g sf o n v a r d s o m et a s k sw h i c ha r eg o i n gt ob ed o n e i nt h i s p r o j e c t ，t h ek e m e lc h i pi sx c 2 v p 4 ，w h i c hi s ap l a t f o 珊f p g a m a n u f h c t u r e ( 1 b yx i l i n xc o i s e 7 hf o u n 如t i o nw h i c hi st 圭l e1 a c e s ta n di n t e 即把de d a d e v e l o p i n gt o o l i su s c di nt h es o f t 、v a r ed e v c l 印i n g m o d e l s i ms e 6 0a n di s es i m u l a t o r a r et h es i m u l a t i o nt o o l s s y n p l i 母p r 0 8 1a n dx s ta r e 廿i es y r n l l e s i st 0 0 1 s a 1 lo f h i 曲 s p e e ds i g l l a j s a r cl o wv 0 1 吨ed i 腩r c n t i a js i 目a l s ( l v d s ) n l ed e b u 呼n go f h a r d w a r ea n ds o r w a r eh a sa c h i e v e ds u c c e s s p 猢e t e r so fh i 曲s p e e db e r th a v em e t t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t h i g hs p e e db e r tw h i c hh a sb e e nu s e di nb i te r r o rr a t et e s ti n t h es y n t l l e s i z i n ga 1 1 dp r o c e s s i n gt e 咖i n a ls y s t 锄o f t h ee a 坩ls t a t i o nh a sa c q u i r e dag o o d e f f e c k e yw o r d s ：d i g n a im u | l | p i e x p nc o d e s i g n a li n t e g r 时 l v d sf p g a 第i i 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 表目录 表3 14 级m 序列发生器状态转移过程16 表3 2 部分m 序列发生器的反馈系数1 8 表3 3巴克码2 0 表3 4 最佳同步码码型2 3 表4 1a n s i 广r i a e l a 一6 4 4 ( l v d s ) 标准3 5 表4 2l v d s 与r s 一4 2 2 和p e c l 的比较3 7 表5 1计数器模块i p 核信号引脚功能描述，7 0 表5 2 b l o c ks e l e c t r a m 单口和双口配置7 2 表5 3b 1 0 c k r a m 模块i p 核信号引脚及其功能7 3 第l v 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 图目录 图1 1高速误码率测试仪简化工作流程 图2 1数字通信系统组成框图 图2 2 数字复接系统方框图 图23按位复接和按字复接示意图 图2 4正码速调整复接器的组成框图 图2 5正码速调整原理简图 图3 14 级m 序列发生器 图3 2h 级线性反馈移位寄存器 图3 3 覆盖区和随机区的划分 图3 ，4 发送端总体设计框图 图4 1l 。v d s 驱动器和接收器连接简图 图4 - 2 微带差分线及带状差分线示意图 圈4 3 v j n e x i ip r o 系列f p g a 的一般结构 图4 4 高速误码仪电路组成方框图 图4 53 3 v 稳压及滤波电路。 图4 61 5 v 稳压及滤波电路 图4 72 5 v 稳压及滤波电路 图4 8m g t 参考供电电路 图4 9m g t 发送器及接收器端接电压供电电路 图4 10 某一m g t 的发送及接收端接供电电压滤波电路一 图4 1l5 v 稳压及滤波电路 图4 1 2x c 2 v p 4 各b a l l l ( 的供电电压及滤波电路 图4 13x c l 8 v 0 4 设计电路 图4 1 4j t a g 接口电路 图4 1 5c y 7 c 6 8 0 1 3 设计电路 图4 167 4 l v x 3 2 4 5 设计电路 图4 1 7x c 2 v p 4 的i ，o 接口连接 图5 1标准x i l i n x 设计流程 图5 - 2 设计输入和综合过程 陶5 3f p g a 的设计实现过程 图5 4f p g a 设计流程的三种验证方法 图5 5 发端予系统整体设计简化框图 3 5 9 一1 1 一1 3 一1 3 15 一1 7 2 l 2 7 一3 6 4 i 4 3 4 7 4 8 一4 8 4 9 一5 0 5 0 一5 0 5 l 51 5 2 一5 2 5 3 5 4 一5 5 一5 9 一6 0 6 l 6 2 6 4 第v 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 图5 6d c m 模块原理框图6 5 图5 7 复接定时单元行为仿真波形6 9 图5 8 复接定时单元布局布线后仿真波形6 9 图5 9 二进制计数器i p 核的原理框图6 9 图5 10 地址产生单元行为仿真波形7 1 图5 川地址产生单元布局布线后仿真波形7 1 图5 1 2b l o c k r a m 模块i p 核原理框图7 2 图5 13 p n 码存储单元行为仿真波形( 开始取数情况) 7 5 图5 1 4p n 码存储单元布局布线后仿真波形( 开始取数情况) 7 5 图5 ，1 5p n 码存储单元行为仿真波形( 循环取数情况) 7 5 图5 1 6p n 码存储单元布局布线后仿真波形( 循环取数情况) 7 6 图5 1 7 并串转换电路组成简化框图7 6 图5 1 8由l u t 实现的二选一电路的真值表，7 7 图5 1 9 并串转换电路行为仿真波形7 7 图5 2 0 并串转换电路布局布线后仿真波形7 8 图5 2 1顶层模块行为仿真波形8 0 图5 2 2 顶层模块布局布线后仿真波形8 0 图6 1高速误码仪p c b 板俯视图8 1 图6 2 输入3 0 0 m h z 差分时钟波形一8 2 图6 3输入3 0 0 m h z 差分时钟频谱8 2 图6 4 输出3 0 0 m h z 差分时钟波形一8 3 图6 5 输出3 0 0 m h z 差分时钟频谱8 3 图6 6 输出3 0 0 m b p s 数据波形8 4 第v i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：基王e ! 坠鲍壶速送塑毯煎剑= 二塞端至基统鳗盟剑 学位论文作者签名：硷孟整日期：z d 口岁年f ，月，f 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：基王旦2 坠鲍直遭迟盟邋盈剑二= 发趟王丞统数盈剑 学位论文作者签名：幺鑫盂社 日期：幼苗1 年f 月，日 作者指导教师签名：茎垦煎：扬 日期：厶一 年，月l 工日 i 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 1 11 课题的提出 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 本课题依托总装研发中心十五预研项目地面站综合处理终端系统。在地 面站综合处理终端系统这一项目中，发送和接收信号需要高速3 0 0 m b p s 的调制解 调器，将来还要向6 0 0 m b p s 甚至更高的速率发展，而评价调制解调器性能的指标 就是数据传输中误码率的大小。为检测数据传输质量的好坏，决定自行研制一台 高速误码率测试仪。 在现代通信系统中，随着数据传输速率的提高，对通信设备性能的要求也越 来越高，而有效性和可靠性是标志通信设备性能的重要指标。有效性用信息传输 速率来衡量，可靠性用误比特率或误码率来衡量。在信息传输速率一定的条件下， 如何获得实际系统的误码率成为检测系统性能好坏的关键。在数字通信系统的性 能测试中，通常使用误码率测试仪对其误码性能进行测量。随着通信技术的不断 发展，通信系统的工作频率更高、信号处理速度更快。在这种情况下，对于高速 通信系统性能的检验，就需要高速误码率测试仪。目前虽然有商品误码率测试仪 出售，但由于国内产品速率较低，不能满足本课题3 0 0 m b p s 甚至6 0 0 m b p s 的要求； 国外产品速率能满足要求，但价格又非常昂贵，在地面站综合处理终端系统中就 自行设计了一台与前端调制解调器数据速率相匹配的高速误码率测试仪，以利于 及时改进和提高该系统的性能。 1 1 - 2 国内外研究现状及发展趋势 误码率测试仪作为一种电子测量仪器，主要用于测量通信系统的误码率，从 而达到检验通信系统可靠性的目的。国内典型设备有信息产业部电子第四十一研 究所的a v 系列误码测试仪，如a v 5 2 3 5 、a v 5 2 3 1 、a v 5 2 3 2 e 等。国外产品如a 百l e n t 公司的p a r b e r t8 1 2 5 0 并行误码率测试仪。n 4 9 0 6 a 串行误码率测试仪等。总的来 说，国外的产品功能比较完善，但其价格也相对较高：国内厂家的产品信号处理 速度相对较低，业已无法满足实际需要。出于应用以及经济上两方面考虑，就有 必要自行设计一台高速误码率测试仪。 自动化测试、测量在各科研单位、各公司企业内越来越受到关注。现代竞争 要求测试系统有更短的研发周期、更低的成本和更高的质量。今天在测试系统管 理方面面临的一个难题是难以将专用测试系统在领域内扩散，这些系统通常彼此 第1 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 不兼容，不能共享硬件和软件组件，这不仅使开发效率难以提高，而且对于一个 开发昂贵的测试系统无疑也是一个极大的浪费。降低测试、测量系统的成本，共 享测试系统的硬件和软件资源，提高开发效率等，这些方面决定了测试系统与测 量仪器的发展方向。 由于电子测量技术具有其他测量技术无法比拟的优势，电子测量仪器成为测 量仪器中的主流。并且随着计算机技术的飞速发展，电子测量仪器与计算机结合 得更为紧密。目前在多种测量仪器内部都装有微处理机，对仪器的工作进行统一 的指挥和管理，还用微计算机软件代替部分仪器硬件，增加仪器的多功能和灵活 性，构成所谓的智能仪器。这种仪器通常具有记忆存贮、逻辑判断、数学运算、 命令识别等“智能”特点，形成一代灵巧多用、高性能、多功能的新仪器。计算 机的引入使电子测量仪器的电路设计和所能达到的性能指标等各方面都发生了革 命性的变革，这标志着电子测量仪器进入了一个蓬勃发展的新阶段，与计算机结 合已是电子测量仪器发展的主要方向。 1 1 3 课题在理论与实践上的意义 在数字化、信息化日益发展的今天，数字集成电路已应用到人们日常生活、 【作和学习的方方面面，电子产品正逐渐将通信、消费和计算等功能融合起来， 数字化、智能化设计已经变得愈来愈普及，产品的更新换代不断加快，个性化产 品不断涌现。同时，随着系统向高速度、低功耗、低电压和多媒体、网络化、移 动化方向的发展，其对电路的要求越来越高，传统的单一功能的集成电路设计技 术已无法满足性能闩益提高的整机系统的要求。而可编程逻辑器件( c p l d 和f p g a 等1 由于其固有的特性，正好填补了这方面的需求。可编程逻辑器件可以方便地通 过对逻辑结构的编程和配置，完成对系统和设备的升级，以便迅速适应市场的变 化。可编程逻辑器件还可以支持多种通信协议和接口标准，并可以随着标准和协 议的演变而改变功能。与专用集成电路( a s i c ) 相比，其n r e ( 不可回收工程) 成本较 低，开发时间较短，同时比a s i c 实现具有更大的灵活性，推动了可编程逻辑器件 的高速发展。 与复杂可编程逻辑器件c p l d ( c o m p l e xp r o g 栅m a b l el o g i cd e v i c e ) 相比，现场 可编程门阵列f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a _ t ea r r a y ) 在设计及研制阶段具有更大的 灵活性，f p g a 更适合进行复杂的时序电路设计，其单片逻辑门数已逾上千万门， 高端产品还集成了p a w e rp c 等处理器内核，多吉比特收发器( m g t ) 模块等，构成 了功能庞大的片上可编程系统( s o p c ) 平台，适应了数字化、信息化飞速发展的需 要。 本课题采用高速数字通信有关技术，利用f p g a 及v h d l 语言研制高速误码 第2 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 率测试仪。课题有比较强的现实意义，高速误码率测试仪不仅可以应用到高速调 制解调器上，还可为已研制和将要研制的各种高速数字通信系统提供一个重要的 评估指标，有利于及时改进和提高系统性能。课题的完成将丰富高速通信系统检 测的工程实践知识，并为通信系统检测的发展带来有益的影响。 1 2 课题研制任务 本课题的主要任务是：完成高速误码率测试仪的设计与实现。高速误码率测 试仪发射端产生3 0 0 m b p s 的测试信号以及提供被测系统工作的3 0 0 m h z 时钟，测 试信号和时钟都采用差分传输方式：接收端接收被测系统送来的3 0 0 m b p s 数据和 3 0 0 m h z 时钟，然后与本地伪随机码进行比较，统计误码个数，并将统计结果通过 u s b 接口送到计算机上显示出来。本系统设计的目标是既可以进行预存的p n 码 的发射、接收和误码统计，也可以实时通过u s b 接口从计算机接收数据，增加同 步头，将数据按一定的长度打包后发射出去；接收端捕捉到同步头后将数据分路， 存储到r a m 中，然后通过u s b 接口送回到计算机进行数据的比较和统计误码。 由于数据率很高，实时数据传输误码比较难度较大，目前只完成了预存数据的误 码测试。 本课题由本人和另外一位同学同时承担，本人的任务是完成高速误码率测试 仪的硬件设计以及发端子系统的软件设计，另一位同学完成接收子系统的软件设 计。图1 1 是高速误码率测试仪简化工作流程框图。 l 一 蜡甜斟 柬。乒s 系统榭 w 图1 1高速误码率测试仪简化工作流程 高速误码率测试仪的硬件设计是采用x i l i l l ) 【公司先进的v i n e x - i ip r o 系列 f p g a 为核心实现的，论文第四章将对与硬件设计有关的问题及实际设计电路进行 介绍， 高速误码率测试仪发射端的软件设计是先计算出所需要的伪随机码( 也可固定 发0 1 码) ，将这些伪随机码写入r o m ，工作时由r o m 读出低速的7 5 m b p s 数据， r o m 的数据宽度为四位，经过数字复接、时延控制得到所需要的3 0 0 m b p s 高速串 第3 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 行数据。论文第五章将对高速误码率测试仪发送端软件设计有关的问题及软件调 试过程进行介绍。 高速误码率测试仪的核心技术就是复接与分接。复接与分接理论虽然比较成 熟，但用f p g a 实现仍存在许多问题。目前所知有一些关于用f p o a 实现复接与 分接的文章，但都是在较低的速率上，一般用于2 0 4 8 k b p s 的p c m 3 0 路基群的复 接上。本课题由于速率达到3 0 0 m b p s ，实现起来就会有许多不同。 在高速条件下实现伪随机数据的产生非常困难。目前比较高档的f p g a ，其 内部工作速率也只有2 0 0 m h z 左右，加之还要进行增加同步头和数据打包等处理， 为保证工作可靠，内部工作速率还要降低。因此，本课题首先要解决的就是尽量 降低信号处理速度，达到f p g a 可处理的速度；其次要解决同步头的加入、数据 成帧等问题。由于信号处理速度很高，微小延时都将对复接产生很大的影响。较 高的信码速率给电路设计、调试、安装都带来了极大的困难。本课题是在f p g a 内部采用并行四路数据传输方式，在i o 接口经复接后产生晟终的3 0 0 m b p s 测试 数据流，然后送往被测系统进行处理。论文第二章将对与复接技术有关的问题进 行介绍，第三章将就与本系统设计方案有关的问题进行讨论。 第4 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第二章数字通信及复接原理 2 1 数字通信系统的组成 通信的目的是传递或交换信息，根据在信道上传输信号的波形不同，可以把 通信分为两类方式：模拟通信和数字通信。传送模拟信号的通信称为模拟通信， 传送数字信号的通信称为数字通信。本文重点讨论与数字通信有关的一些问题。 数字通信系统就是利用数字信号来传递信息的通信系统。图2 1 是数字通信系统组 成框图。 来白其他信源 信 源 佶 苫 信源 编码 信源 译码 加 密 解 密 信道 编码 信道 译码 多路 复用 多路 分接 调 制 多 址 发射 设备 噪卢+ 干扰叫信道 解 调 多 址 接收 设备 送至其他信宿 图2 1 数字通信系统组成框图 由数字通信系统组成框图可以看出，数字通信系统可分成信源和信宿；信源 编码和译码；加密和解密；信道编码与译码：调制与解调；多路或多址；同步、 定时和数字复接：信道与噪声等几大部分。其中，同步、定时和数字复接是数字 通信系统的一个非常重要的组成部分。任何一个实际的数字通信系统要正常工作， 必须有一个稳定的定时同步系统。定时系统产生一系列的定时信号，使系统有序 地工作；同步系统确保收发之间具有相对不变的时间关系。定时系统应产生一高 稳定的主时钟及相应的时序信号。同步系统包括位( 比特) 同步、帧同步、载波同步、 网同步等，如果同步有误差或失去同步，则数字通信中就会出现大量误码，甚至 使整个通信中断。 数字复接技术是随着通信业务量的不断增加，迫切需要扩大传输容量和提高 传输效率而提出的。为了使终端设备标准化和系列化，同时又要适应不同传输媒 质和不同业务容量的要求，通常将各种等级的终端设备进行组合配置，把若干个 低速数码流按一定的格式合并为高速数码流，通过高速数字信道传输，到对方再 分离，还原为各个低速数码流。实现数字信号的合并与分离的技术称为数字复接 第5 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 与分接( 简称数字复用) ，它是依据时分复用基本原理完成数码流合并的一种技术， 是数字通信网的基础技术。数字复接包括数字复接与数字分接两部分功能。 数字通信具有许多优点，这些优点包括：抗干扰能力强，无噪声积累；便于 加密处理，且保密强度高；便于直接与计算机接口，形成智能网；便于构成综合 数字网( i d n ) 和综合业务数字网( i s d n ) ：设备便于集成化、微型化。数字通信的不 足之处是比模拟通信占用更宽的系统频带。 2 1 数字通信系统的主要性能指标 数字通信系统的性能指标很多，但从研究信息的传输来说，有效性和可靠性 是主要的两个指标。有效性是指在给定信道上能传输的信息内容的多少，可靠性 是指接收信息的准确程度。两者是相互矛盾而又相互联系的，通常也是可以互换 的。衡量数字通信系统有效性的主要性能指标是传输速率、频带利用率。可靠性 可用信号在传输过程中出错的概率来表述，即用差错率来衡量。 2 _ 2 1 有效性指标 1 码元传输速率如 码元传输速率也叫信号速率或符号速率、传码率、调制速率等，它是单位时 间内所传输的码元数目，其单位为“波特”( b a u d ) ，简称波特率，用符号“b ”表 示。这里的码元可以是多进制的，也可以是二进制的【2 j 。 2 信息传输速率岛 信息传输速率简称信息速率，又可称为传信率、比特率等。信息传输速率通 常是以每秒所传输信息量的多少来衡量。信息量是消息的多少的一种量度，消息 的小确定性程度越大，其信息量越大。信息论中已定义信源发出信息的度量单位 是“比特”，一个二进制码元( “l ”或“0 ”) 在等概条件下所含的信息量是一个比 特，所以信息传输速率的单位是比特，秒( b i t ，s ) ，简记为b ，s 或b p s 。 码元传输速率和信息传输速率可以相互换算。码元速率不管所传输的信号为 多少迸制，均代表每秒钟所传输的符号数。而对于信息传输速率，则必须折合为 相应的二进制码元来计算。它们之间的换算公式为如= 如l o 盘n ，其中n 为码元 的进制数，风为信息传输速率，勘为码元传输速率。如果符号传输速率是6 0 0 波 特，在二进制传输时的信息速率为6 0 0 b ，s ，在四进制传输时的信息速率为1 2 0 0 b s ， 在八进制传输时的信息速率为1 8 0 0 b s 。 从对通信的有效性而言，传输速率的高低直接与信道容量的大小有关。信道 所允许传输的最大信息速率称之为信道容量。传输速率高时相应要求的是大容量 信道，反之，低传输速率相应可以是小容量信道。从另一方面说，传输速率的高 虿了页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 低又将直接对应对传输信道频带的要求。高传输速率要求的信道传输频带就宽， 低传输速率相对来说就要求较窄的信道带宽。 3 频带利用率和功率利用率 在比较不同的数字通信系统的效率时，只比较它们的信息传输速率是不够的， 或者说即使两个系统的信息传输速率相同，它们的效率也可能不同。所以还要比 较传输这种信息所占用的信道频带宽度。通信系统所占用的频带越宽，传输信息 的能力应该越强。因此真正用来衡量数字通信系统传输效率的指标( 有效性) 是单位 频带内的传输速率，即 叩：鸳煞喾( b ，h z ) ( 2 1 1 ) 叩2 1 丽瓦夏一l 剧h 印 “ 对于二进制传输时可以表示为： 叩：笔冀冀塑娑侧( s ) ( 2 _ 2 ) 1 频带宽度 ”一。 、 功率利用率是用系统信噪比来描述的，它定义为在比特差错率小于某一规定 值时所要求的最低归一化信噪比。归一化信噪比是指每比特的信号能量疡和噪声 单边功牢谱密度的比值。对某特定传输系统而言，所需的归一化信噪比越低， 功率利用率越高，反之则越低。 功率利用率和频带利用率这两项指标都主要决定于调制解调方式。一般来说， 在选择调制解调方式时应兼顾二者。如果在某些系统中，主要是功率受限，则可 以适当牺牲频带利用率来提高功率利用率。反之，若主要是频带受限，则应着重 提高频带利用率，而功率利用率可以适当降低1 2 j 。 2 2 2 可靠性指标 数字通信系统可靠性可用信号在传输过程中出错的概率来表述，即用差错率 来衡量。差错率越大，表明系统可靠性愈差。差错率通常有两种表示方法i l 】i 。 1 码元差错率凡 码元差错率简称误码率，它是指接收到的错误码元数在传送的总码元数中占 的比例，即码元在传输系统中被传错的概率，用符号只表示【1 j 1 2 j 。即 。；发生误码个数n，。 c 2 牌鬲丽丽 u 。 这个指标是多次统计结果的平均量，所以这里指的是平均误码率。 误码率的大小由传输通路的系统特性和信道质量决定，如果通路的系统特性 和信道特性都是高质量的，则系统的误码率较低。显然。提高信道信噪比( 信号功 率噪声功率) 可使误码率减少。另外，缩短中继段距离，信噪比可提高，从而使误 第7 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 码率减小。 2 信息差错率只6 信息差错率简称误信率或误比特率，它是指接收错误的信息量在传送信息总 量巾所占的比例，或者说是码元的信息量在传输系统中被丢失的概率，用符号只6 表示j 。即 。传输中出错的比特数n ( 信息量)、 屹2 牌1 丽而甄隔蔽而丽丽 2 4 ) 3 性能极限 在实际信道中，干扰总是存在的，实际信道的带宽也是有限的，因此信息不 可能以无限高的速率在信道中传输。信道容量就是单位时间内信道中无差错传输 的最大信息量。在实际的有扰连续信道中，当信道受到加性高斯白噪声干扰，且 当信道传输信号的功率和信道的带宽受限时，可依据仙侬公式计算信道容量。 根据著名的仙侬定理，如果信息源的信息速率见小于或等于一个所谓的信道 容量c ，那么在理论上存在一种方法可使信息源能够以任意小的差错率通过信道传 输。如果心 c ，则没有任何办法传输这样的信息，或者说传输二进制信息的差错 率为1 2 。信道容量c 是信道的极限传输能力，它常用最大信息速率表示。仙侬公 式可表述如f 5 】： c = b 1 0 9 ，ll + 生i ( b i t ，s ) ( 2 5 ) 。 式中，b 为信道带宽( h z ) ，s 为信号功率( w ) ，为噪声功率( w ) 。 从上式可以看出，信道容量受带宽、信号功率和噪声功率三个因素的限制。 若要提高信道容量，则应减小噪声或提高发射功率。同时，信道容量还与带宽有 关，但对仙侬公式稍作变换就可得出结论：保持影一定，即使信道带宽趋于无 穷大，信道容量仍是一个定值。其中胁是噪声单边功率谱密度，噪声功率= 馏。 如下式所示5 】： 煅c 乩4 4 熹 ( 2 _ 6 ) 2 3 1 数字复接原理 2 3 数字复接基本理论 在数字通信网中，为了扩大传输容量和提高传输效率，常常需要把若干低速 信号合并成为一个高速数字信号，然后再通过高速信道传输。数字复接就是实现 数字信号合并的专门技术”。同时，在数字通信网中，数字复接不仅仅是与信源编 第8 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 码、数字传输、数字交换并列的专门技术，而且还是网同步中的帧调整、线路集 中器中的线路复用以及数字交换中的时分接续等技术的基础。可见，数字复接技 术是数字通信网的一项基础技术。 数字复接，即数字信号的时分复用。参与复接的信号称为支路信号，复接后 的信号称为合路信号。从合路的数字信号中把各支路的数字信号一一分开称为分 接。数字复接系统包括数字复接器( d i g i t a lm u l t i p l e x e r ) 和数字分接器( d 硒t a l d e m u l t i p l e x e r ) 两部分。一般总是把数字复接器和数字分接器装在一起做成一个设 备，称为复接分接器( 缩写为m u i d c x ) ，简称为数字复接设备( d i g i t a lm u l t i p l e x e q “p m e n t ) 。图2 2 为数字复接系统组成框图【3 1 。 图2 2 数字复接系统方框图 数字复接器由定时单元、调整单元和复接单元组成；数字分接器由同步单元、 定时单元、分接单元和恢复单元组成。 由时分复用原理可知，在数字复接器中，复接单元输入端上各支路数字信号 必须是同步的，即数字信号的频率与相位完全是确定的关系。只要使各支路数字 脉冲变窄，将相位调整到合适位置，并按照一定的帧结构排列起来，即可实现数 字信号合路复接功能。但是在复接器输入端的各支路信号不一定与本机定时信号 是同步的。码速调整单元的作用就是把各准同步的输入支路数字信号的频率和相 位进行必要调整，形成与本机定时信号完全同步的数字信号。若输入信号是同步 的，那么只需要调整相位，有时甚至连相位也无须调整。此时，调整单元可大大 简化，甚至可以去掉。 复接定时单元受内部时钟或外部时钟控制，产生复接需要的各种定时控制信 号；调整单元及同步复接单元受定时单元控制，合路数字信号和相应的时钟同时 送给分接器。分接器的定时单元受合路时钟控制，因此它的工作节拍与复接器定 时单元同步。 分接定时单元产生的各种控制信号与复接定时单元产生的各种控制信号是类 第9 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 似的；同步单元从合路信号中提取出帧定时信号，用它再去控制分接器定时单元。 同步分接单元受分接定时单元控制，把合路信号分解为支路数字信号。最后，受 分接定时单元控制的恢复单元把分接出的数字信号恢复成为各支路信号。 根据复接前各支路信号时钟源的不同和对支路信号传输速率要求的不同，数 字复接的工作形式有两种：一种是同步复接，由同一主振器提供时钟的各个数字 信号叫做同源信号，同源信号的数字复接称为同步复接。二是异步复接，由不同 时钟源产生的数字信号称为异源信号，异源信号的数字复接称为异步复接。 2 32 同步数字复接 同步复接( s y n c h m n o u sm u l d e x ) 中各被复接的支路信号的时钟源是由一个总时 钟供给的，所以可保证各支路的时钟频率相等。但被复接的支路信号并非来自同 地方，即各支路信号的传输距离是不相同的，各支路信号到达复接设备时，其 相位是不可能完全保持一致的。为了能按要求的对间排列各支路信号，在复接之 前设置缓冲存储器以便调整各支路信号的相位。另外，为了接收端能正常接收各 支路信码以及分接的需要，各支路在复接时还应插入一定数量的帧同步码、对端 告警码和业务码。这种复接后的数码率就不是原来四个支路合起来的数码率了。 所以每个支路在同步复接前先进行正码速调整，调整到较高的同一数码率进行同 步复接。对于数码率完全相同或相互成整数倍的数字信号，可以用较简单的方法 实现同步复接。 2 3 3 准同步数字复接 准同步复接( p 1 e s i o c h m n o u sm u l t i p i e x ) 是指参与复接的各支路的数码时钟与复 接时钟是在一定的容差范围内标称相等。如果两个信号的对应生效瞬间以同一标 称速率出现，而速率的任何变化都限制在规定的范围之内，则这两个信号彼此就 是准同步的。具有相同标称速率但不是由同一个时钟源产生的两个信号通常就是 准同步的。准同步复接中各支路的标称比特速率矾o m j n a lb i tr a t e ) 及容许的变化范 围( l 、0 1 e r a n c e ) 都是预先统一规定的【3 1 。 准同步复接既然容许时钟频率在规定的容差范围内任意变动，那么对于参与 复接的支路时钟相位关系自然就没有任何限制。因此，就无须为准同步复接提供 特殊的环境条件，只要时钟标称值及其容差符合规定，就可以实现准同步复接。 对于准同步复接，若直接将各准同步信号送入复接器进行复接，合成信号就 会出现重叠和错位现象，从而丢失信息。因此，在实施复接之前，必须先使异源 数字信号瞬时数码率达到一致，即同步。即准同步信号的复接必须使各支路的数 字信号相同( 同步化) ，且要保持固定的相位关系。 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 实现准同步复接可以采用各种适当的具体技术方法。例如，低速数据复接通 常采用简单的高速采样技术，即用多个时隙来传一个支路比特，由此引入的码元 宽度误差不超过一个复接时隙宽度。为了减小引入的码元宽度误差就得适当增加 时隙数量。显然，这种方法的特点是设备简单而复接效率低，适用于低速数据传 输，而在高速数字复接中就不宜采用。目前，高速数字复接一般采用各种码速调 整技术。 人们所谓的异步复接通常都是准同步的。 2 3 4 数字复接方式 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。图2 3 给出了四 路支路数据按位复接和按字复接的示意图。 厂 ：厂 ：厂 ：厂 厂 厂厂 几厂 一几 厂 厂 厂 ( a ) 四路支路教据 厂 门厂 r 厂 厂 ( b ) 按位复接后的波形 厂 厂 厂 厂 厂 广 几 ( c ) 按字复接后的波形 图2 3 按位复接和按字复接示意图 ( 1 ) 按位复接。按位复接又叫比特复接，即复接时每次每支路依次复接一个比 特。复接以后的码序列中第l 位表示第1 路的第l 位码；第2 位表示第2 路的第l 位码；第3 位表示第3 路的第1 位码：第4 位表示第4 路的第1 位码：第5 位表 示第l 路的第2 位码；第6 位表示第2 路的第2 位码；后面各位依次类推。也就 是说，各路的第l 位码依次取过以后，再循环取以后的各位。这种复接方式最大 的优点是复接设备简单、对复接缓存器的容量要求小、容易实现，缺点是对信息 的交换处理不利，并要求各个支路码速和相位相同。在数字复接过程中，缓存器 是不可缺少的，当设备正在进行第一路信号的复接时，第二、三、四路的信码仍 然不停地发来，但暂时还轮不到它们，这就需要有个缓存器先将信码储存起来， 否则就可能造成信码的丢失。缓存器的容量由下式决定【4 j ： 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 m ：旦! ! 生+ l ( b i t )( 2 7 ) 册 式中，u 为单位间隔内的比特数，m 为复接路数。将u = l ，州= 4 代入上式， 得m = 1 7 5 比特。可见，按位复接时缓存器的容量为2 比特即可。 ( 2 ) 按字复接。按字复接是每次每支路复接一个码字的复接方式。对于p c m 基群来说，八位码代表话音的一个取样值，所以八位码可以算作个码字。按字 复接时，先将支路的一个码字存储起来，在规定的时间一次复接，接下来所有支 路轮流复接。这种方式的优点是复接后的码流保留了完整的字结构，有利于多路 合成处理和交换，但要求有较大容量的缓冲存储器，电路较为复杂。 ( 3 ) 按帧复接。按帧复接是每次复接每支路的一帧码字。对于p c m 基群来说， 1 帧含有2 5 6 个码元，这种复接方式的优点是复接时不破坏原来各支路的帧结构。 有利于交换，但它要求更大容量的缓冲存储器，目前极少使用。 通常数字复接不要求保持帧结构，因此考虑到尽可能地简化设备，一般多采 用按位复接或按字复接方式，目前国内的复接