（信号与信息处理专业论文）数字复接器的fpga设计与实现.pdf

摘要 本课题主要是用f p g a 实现一个数字复接器。其主要功能是在复接端 将四个支路的2 0 4 8 m b p s 数据通过正码速调整技术，将其合路成一路 8 4 4 8 m b p s 的高速数据流，在分接端又将此高速数据流恢复成原来的四路 2 0 4 8 m b p s 的数据。此支路低速数据流与高速数据流既可以是没有编码的 一般的非归零码流，也可以是编成了适合于在线路上传输的h d b 3 线路码。 本课题中的时钟提取部分和平滑时钟部分都是用的锁相环来实现的捞文 首先分析了线路码的一般问题；其次分析了正码速调整的基本原理及所涉 及的一般问题，并说明了用f p g a 进行电路设计的一般方法；最后分析了 本系统所产生的抖动，如抖动的产生，分类以及如何减小抖动等，并对本 课题所产生的两类抖动即正码速调整引入的侯时抖动和平滑锁相环引入 的抖动进行了分析，并用m a t l a b 仿真工具对锁相环的抖动与其环路带宽 之间的关系进行了仿真与计算。 本人的工作主要包括： 1 利用f p g a 完成了复接、分接系统的设计和调试。 2 利用f p g a 完成了h d 8 3 线路码的设计与调试。 3 利用锁相环完成了码速恢复。 4 对本复接分接系统所产生的抖动进行了理论分析和仿真。 5 对f p g a 进行了误码率测试，误码性能优于l o 。 关键词 复锁相环j 正码速调整j 线路码j 抖致 h a b s t r a c t t h es u b j e c ti s m a i n l ya c c o m p l i s h ad i g i t a l m u l t i p l e x e rb yf p g a t h e f u n c t i o nc a nb ea c c o m p l i s h e dt h a tm u l t i p l e x e sf o u rb r a n c h e so f2 0 4 8 m b s i n t oo n ed a t af l o wo f8 4 4 8 m b sa n dt h e nd e m u l t i p l e x e st h ed a t af l o wi n t o f o u rb r a n c h e s ，p o s i t i v ej u s t i f i c a t i o nu s e dd u r i n gt h ec o u r s eo f m u l t i p l e x t h e c o d eo ft h ef o u rb r a n c h e sc a nb et h en r zo rh d b 3w h oi s a p p r o p r i a t et ob e t r a n s m i t t e df o ral o n gd i s t a n c e t h ec l o c kr e c o v e r yc i r c u i ta n dc l o c ks m o o t h c i r c u i ta r ea c c o m p l i s h e dw i t hp h a s e - l o c k e d1 0 0 pf p l l ) i nt h i ss u b j e c t i nt h e a r t i c l e ，a tf i r s t ，c o m m o np r o b l e m so fl i n ec o d i n ga r ea n a l y s e d ；t h es e c o n d ，t h e e l e m e n t a r yt h e o r yo fp o s i t i v ej u s t i f i c a t i o ni sa n a l y s e d ，a n dt h eg e n e r a lm e t h o d a b o u th o wt o d e s i g nt h ed i g i t a lc i r c u i tw i t hf p g ai sn a r r a t e d ；a tl a s t ，t h e a u t h o rh a da n a l y s e dt h ej i t t e ri nt h i s s u b j e c t ，s u c ha st h ej i t t e rg e n e r a t i o n 、 c l a s s i f i c a t i o na n dh o wt om i n i m i z e j i t t e r ，a n a l y s e d t h e w a i t i n gj i t t e r i n t r o d u c e d b yp o s i t i v ej u s t i f i c a t i o n a n d p h a s ej i t t e r i n t r o d u c e d b y t h e p h a s e l o c k e dl o o pc i r c u i t ，s i m u l a t e da n dc a l c u l a t e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ej i t t e ro f p h a s e l o c k e dl o o pa n di t sb a n d w i d t hw i t ht h em a t l a b t h e f o l l o w i n gt a s k sa r ep e r f o r m e db yt h ea u t h o r ： 1 t h e d e s i g na n dd e b u go ft h em u l t i p l e xs y s t e ma n dd e m u l t i p l e x s y s t e ma r ea c c o m p l i s h e db yf p g a 5 t h ed e s i g na n dd e b u go fl i n ec o d i n gh d b 3a r ea c c o m p l i s h e db y f p g a t h e g a p p yc l o c ki sr e c o v e r e db yt h ep l l j i t t e r g e n e r a t e d i nt h e m u l t i p l e x e ra n dp l la r ea n a l y s e d a n d s i m u l a t e d t h ee r r o rb i tr a t eo ft h em u l t i p l e x e si st e s t e dw i t ht h ee r r o ra n d j i t t e rt e s ts e t ，a n dt h ee r r o rb i tr a t ei su pt o1 0 一 k e y w o r d s m u l t i p l e x e rp h a s e l o c k e dl o o p ( p l l ) p o s i t i v e j u s t i f i c a t i o n l i n ec o d i n g j i t t e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，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或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科 技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己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：蓝弛：跨 日期：姗年月z 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位 论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以 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。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：蓝缅鸯 导师签名： 日期：年月矛日 电子科技大学硕士学位论文 第一章引言 在数字通信中，为了使终端设备标准化和系列化，同时又能适应不同 传输媒体和不同业务的需求，通常用各种等级的终端设备进行组合配置， 把若干低速的数码流按一定格式合并成为高速数码流，以满足上述需要。 数字复接就是依据时分复用基本原理完成数码合并的一种技术。数字信息 传递到目的并不是一次操作将某一速率信号复用成终端设备需要的数据 流信息，而是按照一定的速度系列依次复用在一起。将复用等级称作数字 体系。例如在发送端将几个基次群信号结合起来组成一个二次群信号，通 过信道传到接收端；接收端再将各路基群信号从二次群信号中分离出来， 传送到各个基次群的接收端，这就是数字信号的复接与分接。三次群是数 字复接序列用同样的方法，将几个二次群支路信号复接成一个三次群信号 等等。其中，基群、二次群、三次群是数字复接系列按传输速率的不同来 划分的。每一种群路可以用来传送多路电话，也可以用来传送其它相同速 率的数字信号，如电视信号、频分多路复用信号的群编码信号或数据信号 等。 在数字通信网中，数字复接技术不仅仅是与信源编码、数字传输、数 字交换相并列的专门技术，而且它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。 1 1 数字复接技术的发展 数字复接技术的应用首先是从市话中继传输开始的，当时为适应非同 步支路的灵活复接，采用塞入脉冲技术将准同步的低速支路信号复接为高 速数码流。开始时的传输媒介是电缆，由于频带资源紧张，因此主要着眼 于控制塞入抖动及节约辅助比特开销，根据国家地区的技术历史形成了 美、日、欧三种不同速率结构的准同步数字系列( p d h ) 。 准同步复接是指参与复接的各个支路码流时钟与复接码流时钟是在一 定的容差范围内标称相等。严格地说，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。例如，具有相同标称速率但不是由同一时钟源产 生的两个信号通常都是准同步的。其中提到的标称比特速率及其容许的变 电子科技大学硕士学位论文 化范围都是预先统一规定的。 准同步复接既然容许时钟频率在规定的容差域内任意变动，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。由于准同步复接的这些特点，在某些具体应用条件下， 例如在远程传输网中，特别是高次群复接，采用准同步复接技术就可以简 单且经济地实现复接。 p d h 这种系列能很好的适应传统的点对点的通信，却无法适应动态联 网的要求，也难以支持新业务的开发和现代网络管理，无法支持宽带综合 业务数字网( b i s d n ) 。p d h 的固有缺点有： ( 1 ) 标准不统一 目前世界上有三种异步复接体制( 见表卜1 ) ，三者互不兼容，互通困 难，国际互联时必须进行转换，极不适应联网的要求。此外，目前只有统 一的电接口标准( g 7 0 3 ) ，没有统一的光接口标准，即使在同一种异步复 接体制中，也不能保证光接口互通。只有通过光电转换把光接口转换成电 接口后才能互通，影响了光纤系统的互联，也增加了网络的成本。 表1 - 1 三种异步复接体制( 单位k b i t s ) 次群以1 5 m b p s 为基础的系列以2 m b p s 为基础的系 列 日本体制北美体制欧洲体制 0 次群 6 46 46 4 1 次群 1 5 5 41 5 5 42 0 4 8 2 次群 6 3 1 26 3 1 28 4 4 8 3 次群3 2 0 6 4 4 4 7 3 63 4 3 6 8 4 次群 9 7 7 2 81 3 9 2 6 4 ( 2 ) 复用结构复杂 在准同步系列中( p d h ) 多采用异步复接，即以比特为单位的异步复接， 要靠塞入一些额外的比特使各支路信号与复用设备同步，然后再复用成高 2 电子科技大学硕士学位论文 速信号。这种方式很难从高速信号中提取和识别低速支路信号，要上下电 路，只能采用一系列背靠背的复接器将高速信号一步一步解复用到所要的 低速信号等级，上下路后，再一步一步地复用到高速支路上，显然，这种 异步复用方式结构复杂，硬件数量大、成本高、应用效率低，且很不灵活。 图卜1 以从1 4 0 m b s 的码流中上下一个2 m b s 支路的流程图为例说明p d h 系统的匕下路方法。 2 m b s 电信号 图1 - 1异步复接上下路方法 ( 3 ) 缺乏强大的网络管理功能 p d h 系统的运行、管理、维护主要采用人工数字交叉连接和暂停业务 测试的方法，因此帧结构中没有过多的设置运行、管理、维护比特。而现 代通信网的发展对网络管理功能的要求越来越强，网络管理功能的缺乏使 得p d h 网已无法支持新一代电信网。 为适应电信网的迅速发展和满足对联网要求日益提高这一情况，基于 网络运行的灵活性、可靠性、维护管理的方便性与有效性和对未来发展的 适应性等方面的考虑，以及p d h 的一系列的缺点，s d h 这一新一代的传 输体制出现了。 s d h 规定有效复用各种高速业务和原有低速业务的接口标准，1 9 8 8 年“月c c l t t 制定了标准。复用的特点是在网络的频率取得同步的前提 下，确定基本速率15 5 5 2 m b s ( 简称1 5 6 m b s ) ，并确定要传输的速率为 电子科技大学硕士学位论文 1 5 6 m b s 的整数倍。 s d h 的主要技术特点可归纳为以下几点： ( 1 ) s d h 是世界统一的全同步接口，在对等处理1 5 m b s 和2 m b s 系列两种信息的同时，能实现通讯设备的多种接续功能。又因为实现了全 同步化，故不需要将被复用的信息分解成低速信息，可直接进行存储处理。 ( 2 )各种信息可灵活复用，可复用从以6 4 k b s 为基础的音频信息 到宽带i s d n 高速信息。 ( 3 ) 是运行维护性能极丰富的接口，可进行复用信息的点到点联机监 视，从而可实现网络的高功能化、高质量化。 虽然p d h 存在着一定的缺陷，而且采用s d h 有许多优点，但从我们国 家目前实际存在的中继传输网的现状和结合各本地电话网中的中继传输 网的现状来看，由于目前网上现有p d h 设备的规模容量较大，s d h 设备完 全取代p d h 设备，既不现实，也无必要。目前本地电话网中的主要业务仍 以电话业务为主，各种新业务尚在初期发展之中，品种不多，而且业务量 也不大即使全部采用s d h 设备，也很难充分发挥其优势。 1 2 复接技术的研究现状 当今社会是数字化的社会，是数字集成电路广泛应用的社会。而在以 往的p d h 复接电路中，系统的许多部分采用的是模拟电路 文献1 ，因此 有很大的局限性。现在，数字集成电路本身在不断地进行更新换代。它由 早期的电子管、晶体管、小中规模集成电路、发展到超大规模集成电路 ( v l s i c ，几万门以上) 以及许多具有特定功能的专用集成电路。但是，随 着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商 来独立承担。系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路( a s l c ) 芯片，而 且希望a s i c 的设计周期尽可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的 a s i c 芯片，并且立即投入实际应用之中。因而出现了现场可编程逻辑器件 ( f p l d ) ，其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列( f p g a ) 和复杂可编程逻 辑器件( c p l d ) 。 可以毫不夸张的讲，p l d f p g a 能完成任何数字器件的功能，上至高性 能c p u ，下至简单的7 4 电路，都可以用p l d 来实现。p l d 如同一张白纸或 是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入法，或是硬件描述语言自 由的设计一个数字系统。通过软件仿真，我们可以事先验证设计的正确性。 电子科技人学帧f “学何论文 在p c b 完成以后，还可以利用p l d 的在线修改能力，随时修改设计而不必 改动硬件电路。使用p l d 来丌发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少 p c b 面积提高系统的可靠性。 f p g a c p l d ：苍片都是特殊的a s i c 芯片，它们除了具有a s c 的特点之 外，还具有以下几个优点： 随着v 1s i ( v e r yl a r g es e a l ej c ，超大规模集成电路) t 艺的不断 提高，单一芯片内部可以容纳上百万个晶体管， f p g a c p l d 芯片的规模 也越来越大，其单片逻辑门数已达到1 二百万门，它所能实现的功能也越来 越强，同时也可以实现系统集成。 f p g a c p l d 芯片在出厂之日口都做过百分之百的测试，不需要设计人 员承担投片风险和费用，设计人员只需在自己的实验室罩就可以通过相关 的软硬件环境来完成芯片的最终功能设计。所以， f p g a c p l d 的资会投 入小，节省了许多潜在的花费。 用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用 不同软件就可实现不同的功能。所以，用f p g a p l i ) 试制样片，能以最快 的速度占领市场。f p g a c p l d 软件包中有各种输入工具和仿真工具，及 版图设计工具和编程器等全线产，轱，电路设计人员在很短的时阳】内就可完 成电路的输入、编译、优化、仿真，直至最后芯片的制作。当电路有少 量改动时，更能显示出f p g a c p l d 的优势。电路设计人员使用f p g a c p l d 进行电路设计时，不需要具备专门的i c ( 集成电路) 深层次的知识， f p g a c p l d 软件易学易用，可以使设计人员更能集中精力进行电路设计，快速 将产品推向市场。 正是由于f p g a 的这些优点，已经有越来越多的通信产品是用f p g a 来 实现的。而且用f p g a 来实现通信产品的功能有个很大的好处就是可以 将其作成为一个】p 核。以后设计者在设计电路时如果需要用到此功能的 电路，就可以在f p g a 中直接调用，而不需要再外接电路。这样可以大大 减小信号的时延，并能减小电路板上的干扰，而且还有利于电路的调试。 调试时只需要修改程序，不需要重新制作电路板，这样可以缩短设计周期 并节省成本。例如，文献 2 是1 9 9 7 年武汉邮电科学院用f p g a 实现的从p d h 到s d h 的高阶映射；1 9 9 9 年q u je k l o g ic 和c is c o 公司关于用高速、大容 量的f p g a 片上r a m 实现15 5 m b p s a t m 的介绍见 文献3 。文献 4 是2 0 0 0 年x j 】in x 公司用f p g a 实现r e e d s 0 1 o m o n 编码译码。 文献5 讲述的是 北方交人2 0 0 0 年采用i ：p g a 实现n 4d q p s f f 调制器；文献 6 讲的是用f p g 电子科技人学硕十学位论文 技术实现数字通信中的扰码与解扰。文献 7 是w c d m a 系统中匹配滤波器 的f p g a 实现。文献 8 9 1 0 1 1 】2 是用f p g a 实现的其它电路功能。 不过，迄今为止，还没有用f p ( ；a 求实现数字复接器。所以用f p o a 实现数 字复接是一个新的尝试。本课题就是用f p g a 实现一个二次群复接器，而 且用f p o a 实现了复接器以后可以将之作成为一个i p 核，以后在用f p b a 设计电路时，如果需要用到复接器，就可以卣接在片内调用。 本论史还讨论了本系统中的相位抖动问题，本系统的抖动主要包括复 接器自身由于正码速调整而引入的相位抖动和锁相环引入的相位抖动。抖 动在数字电路设计中是一个很重要的问题，如果在数字电路中，抖动过大， 将会直接影响此电路的性能，因此，研究抖动是很必要的。在1 9 9 1 年， 贝儿实验室就对复接器中的抖动进行过研究，见 文献13 ，但其中只研究 了复接器中由于码速调楚引起的相位抖动，没有考虑锁相环本身要引进一 些相位抖动。2 0 0 0 年k i y o s h ii s h i i 研究了一个时钟和数据恢复电路中的 抖动压缩问题，见 文献1 4 。 文献15 是对锁相环中由于供电电源噪声 引起的抖动的分析。 文献1 6 是对p d h s d h 的抖动和漂移的分析和性能 测试。 文献l7 是p a t r ic kl a r s s o n 提出的由于数字开关噪声引起的锁相 环中的抖动的测量与分析的方法。由此可知，抖动的研究在数字通信中有 着很重要的作用。本论文对由于正码速调整引入的抖动进行了简单的分 析，主要是分析锁相环自身对本系统引入的抖动，并对锁相环的相位抖动 与环路带宽之问的关系进行了仿真与分析。 6 坐王型垫叁= ! = 塑兰生堡苎 一 第二章数字通信及复接原理 2 1 数字通信的基本概念 通信的任务是进行信息的传递与交换。通信系统主要是由信息源和收 信者、发送设备、接收没备以及传输媒介组成。而按照系统中所传输的信 号不同，通信可分为两种，传输模拟信号的通信系统称为模拟通信系统， 传输数字信号的通信系统称为数字通信系统。数字通信系统的构成模型如 图2 一l 所示。 信 系 道 + 统 译译 信信 一 亍 码码 源 斗 道 编 编 码 码 图2 1数字通信系统模型 信源输出的是待传送的信号，它可以是模拟信号也可以是数字信号。 例如电话微音器、电视摄像机等送出的是模拟信号；而电传机、计算机等 输出的则是数字信号。 信源编码器是使信源送出的信号变成合适的数字编码信号。若信源输 f b 的是模拟信号，信源编码器将把模拟信号变换成数字信号，即完成模数 转换的任务。若信源输出的是数字信号，这时的信源编码器的作用是提高 数字信号传输的有效性，去掉多余度和压缩原始信号的数据速率。 因信号在信道中传输一方面由于信道的特性不好，另一方面由于引入 噪声干扰( 噪声与信号叠加在一起) ，使得传输的数字信号产生差错一误 码。信道编码器的作用就是提高通信的可靠性，它对信号进行差错控制编 码，即按一定的规则加入多余码元以便在收端进行检错和纠错，从而降 低差错概率，提高正确识别信号的能力，提高通信的可靠性。 调制器的作用是将信道编码器输出的数字信号经过适当变换，使之适 电子科技人学硕十学位论文 于信道传输。 信道是指信号在媒质中传输的通路。根据传输媒介可以分为有线信道 ( 架空明线、电缆、光缆信道等) 与无线信道( 短波电离层传播、对流层 传播、人造卫星等) 。 信号经信道到达接收端，解调器将调制后的信号还原成基带信号，信 道译码器对由于传输造成的误码进行纠检错，信号送到信源解码器再送到 受信者，从而完成整个通信过程。受信者可以是人，也可以是各种终端设 备。显然接收端的解调、译码是发送端调制、编码的反变换。 在数字通信系统中还有一个很重要的部分因为位置比较分散，所以在 模型中没有画出，这就是同步系统。它是数字通信系统中必不可少的组成 部分。在数字通信中要求发端和收端之问有严格的时间关系，如果收端与 发端的码元节拍不同步就无法正确接收，同时在发端传输信号时常常要把 若干码元组成一个字，若干个字组成一句或若干码元组成一帧，为了证确 可靠的通信，必须做到码位同步，字同步，句同步或帧同步。若数字通信 系统中同步失效就会导致整个通信失效。 2 1 1 数字通信系统的主要优缺点 通过上面对数字通信系统模型和各部分作用的简单介绍之后，简要的 介绍下数字通信系统的优缺点。 ( 1 ) 优点 抗噪声性能好 由于数字通信传输的数字信号携带消息的参量只有有限个取值，一般 都是用只有两个取值的二进制信号，这样发送端传输的和接收端需要 接收和判决的只有两个值，例如二进制信号l 码取值为a ，0 码取值为 0 。传输过程中由于噪声引入列波形有影响，使波形产生失真，甚至产 生很大的失真。接收端接收到受噪声影响而失真的波形后，对它进行 判决，确定是1 码还是0 码，并再生1 、0 码的波形，因此只要不影响 波形的判决f 确，即使波形有失真也不会影响再生以后的波形。而模 拟通信时噪声使模拟信号失真后，哪怕噪声很小，噪声的影响也是无 法消除的。 用到接力通信时可以消除噪声的积累 在接力通信时信号传输经过很多中继站再传到接收端，模拟通信时， 电子科技人。硕士学忙：论文 每一一站的噪声积累使通信质量下降；数茅通信时只要噪声不使判决发 尘错误，经过再生以后噪声的影响可以消除，各站的噪声不会积累起 来，因此中继站增多时仍可有良好的通信质量。 可以采用信道编码技术使错码率下降 易于加密，保密性强 信息传输的安全性和保密性在现代通信中越来越重要，而数字通信的 加密处理比模拟通信容易的多。 设备易于集成化、微型化 便于构成综合数字网和综合业务数字网 采用数字传输方式，可以通过程控数字交换机设备进行数字交换以实 现传输和交换的综合。另外，电话业务和各种非电话业务都可以实现 数字化构成综合业务数字网。 ( 2 ) 缺点 数字通信较突出的缺点是比模拟通信占用更宽的带宽，如一路模拟电 话占4 k h z 带宽，而一路数字电话约占2 0 6 4 k h z 的带宽。然而在当f j 由 于微波和光纤通信的出现，带宽问题已基本上得到解决。因为卫星信道和 光纤信道的工作频率带宽通常可达几十兆赫，几百兆赫甚至更高，数字通 信占用频带宽的矛盾可得到解决。 2 1 2 通信系统的性能度量 通信的任务是传递信息，因此传输信息的有效性和可靠性是通信系统 最主要的质量指标。有效性是指在给定信道内能传输的信息内容的多少， 而可靠性是指接收信息的准确程度。这两者是相互矛盾而又相互联系的， 只能求得相对的统一。 、 有效性指标的讨论 ( 1 ) 码元速率或称传码率、数码率、信号速率等。 码元速率是以每秒钟传输码元的数目来衡量的。数字信号的码元速率 与信号的进制无关，只与码元宽度t b 有关。例如二进制的数字信号的码 元宽度为t b ，每秒种传输码元数目为1 t b ，故码元速率r b 2 = 1 t b ：又如四进 制的数字信号的码元宽度为t b ，每秒种传输码元数目为1 t b ，故码元速率 r b 4 = 1 t b ，与一进制相i 司。 9 电子科技人。学硕十学位论文 对n 进制的信号r b n = l t b ，显然相邻两个码涮隔越小，即码元宽度t b 越小，码元速率r b 越高。 ( 2 ) 信息量 衡量各种不同消息中包含信息多少的标准称为信息量，单位为比特， 符号为b i t 。一个n 进制数字信号，各种码元等概出现时，一个码元合有 的信息量为1 y = l 0 9 2 n 比特。 t3 ) 信息速率 信息速率用每秒种传输的信息量来度量。单位为比特秒，用r b 表示。 因为信息量与进制无关，因此信息速率也与进制无关，n 进制数字信号每 秒钟的信息量为r b n i 0 9 2 n ，所以r b n = r b n i 0 9 2 n ( 4 ) 二二进制与多进制的码元速率与信息速率相互关系的讨论。 一种是码元速率相同的条件下，二进制信息速率与多进制信息速率的 关系：设码元速率为r b ，二进制信息速率r b 2 = r b ：多进制信息速率 r b n = ( t 0 9 2 n ) r b ，它们的相互关系为r b n = ( 1 0 9 2 n ) r b 2 。另一种是在信息速率 相同条件下，二进制与多进制码元速率的关系：设信息速率为r b ，二进制 码元速率r b 2 = r b ，多进制码元速率r b n = r b ( 1 0 9 2 n ) ，它们的相互关系为 r b 2 = r b n + ( 1 0 9 2 n 、。 二、可靠性指标的讨论 差错率是数字通信中衡量通信系统传输消息可靠程度的重要性能指标 它通常有两种表示方法，即误码率p 。和误信率( 误比特率) p b 。 ( 1 ) 误码率p 。 吁铷亲蒜 公式( 2 1 ) 例如经过长时间统计，平均传输1 0 0 0 个码元中差错一个码元。即 p 。= 1 0 一。 ( 2 )误信率p b 耻坳糕黼器器 ( ： ) p 。与p b 的关系 电子科技人。学硕十学何论文 二进制时，p e = p b ；n 进制时与译码方式有关，一般p b m k 时，s 与l 。近似成比例 且为了取得满足设计要求a p p 值，墩 k 2 猢钋川扑剀 每当在 l 。，l 。】区域内取得一个适当的l 、数值，就可按上列公式求得 一族设计值：k 、q 、s 、a s 及a 。如果 i p p 值超出预计或给定的指标， 那就重新选取l 、，直到a j p p 满足设计要求；此外，在基本参数设计中，还 需要考虑到信道利用率和设备经济性。 在正码速调整中还涉及到一个码速调整过渡过程，它的通用计算公式 如下： 血x 铋t o + 降h 卜卜 蜮c z - ” 式中，t 。为码速调整缓冲存储器在读出第x 信码时的读写时差值， 单位是支路时隙宽度( u i ) ；o 是x = 0 时t ，的值，即初始读写时差；g 为读出第x 信码之前的总停拍数。在帧结构确定之后，就可以计算过渡过 程曲线，从此曲线可以求得读写时差的最大值( a t 。) 、最小值( t 。) 以及原始值( a t o ) ，还可求得稳定调整判定区的宽度，从而确定缓冲存储 器的容量，起始时差的设置以及控制判定时间波形设计。 如图2 5 是c c i t t 推荐的支路速率( f i ) 为2 0 4 8 m b s ，复接速率( f h ) 为8 4 4 8 m b s 的准同步复接器的帧结构。其中1 3 位为帧定位标志，5 4 、 10 7 、1 6 0 为三个塞入标志位，1 6 1 位为调整位，4 5 3 、5 5 1 0 6 、1 0 8 15 9 、l 6 2 2 1 2 位为信息比特位。此外其它的推荐参数有f t f l 为5 0 p p m ， f h “为3 0 p p m ，q 为2 0 6 ，s 为0 4 2 4 2 4 ，a m 为0 1 4 3 u i 。 电子科技人中颂十学位论文 u 。l l l 可1 驵，7 1 1。 、 7 345 35 4 5 51 0 61 0 71 0 8 主hj 7 j 1 ) jl l 付、j v 主h ， 7 卜 15 91 6 01 6 11 6 22 1 2 图2 5币码速调整的基次群( 速率为2 0 4 8 m b s ) 的帧结构 2 3 2 正负码速调整 正负码速调整与正码速调整的基本原理是一样的，不同点仅仅在于 同步复接时钟( f n l ) 取值不同。在乖负码速调整中同步复按时钟取值等 于支路时钟的标称值，即f m = “。因为f m 与矗都在各自的容差域内变动， 所以它们的瞬时值之间可能会出现三种情况：f m f i ；f m = f i ；f m f i 。第一 种情况是读出速率大于写入速率，因此必须把f 停止若干拍才能保持正常 传输，这就是前面提到的诋码速调整；第二种情况是读出与写入速率相等， 这时无需调整就可以保持乖常传输，称为同步工作状态；第三种情况是读 出速率小于写入速率，因此必须提供额外的通道把多余部分传出去才能保 持正常传输，这种状态称负调整状态。同步工作状念可以用正调整与负调 整相问来取代。这样复接系统中就只有正、负调整两种状态，相应地必须 有两种控制指令，例如用1 1 l 表示正调整，o o o 表示负调整，这与汇码速 湄糗十分相似。当低次群码流输入缓冲存储器的写时钟与读时钟之问的相 差小于零时，就进行正调整，当相差大于零时就进行负调整，当相差等于 零时就相间地进行正、负调整。在币负调整中，这两种调整都是以帧为 单位来实现的，这跟_ i 码速调整是类似的。在帧结构中有一个负调整时隙， 当不进行负调整时它传调整码，进行负调整时就传信码；有一个正调整时 隙，不进行调整时它传信码，进行调整时传调整码。 l f 负码速调整与正码速调整相比较有以下特点：正负调整便于准同 步同步兼容；正负调整可以充分利用码速调整余量，因为它是以标称 值为中心对称的，而正码速调整是为了降低抖动，调整比率不能取为o 5 ， 因此在相同条件下，正负调整可允许支路时钟有更大的容差范围，各支 路频率差愈大，抖动愈小；复接抖动最大值两者接近，平均而言，正负 匪 电子科技人学硕十学位论文 调整的复接抖动要大得多。 2 3 3 正零负码速调整 萨零负码速调整与f 负码速调整在时钟取值方面是一样的，即同 步复接时钟( f l n ) 取值等于支路时钟的标称值( n ) 。它与j 下负码速调整不同的 是，它有三种码速调整状念：难调整、不调整、负调整，并且用三种码速 调整指令传送到码速。愀复端。调整过程与前面两种调整技术类似：f 调整 是在萨码速调整位置不传信码；负调整是在负码速调整位置多传一位信 码；不调整是在正码速调整位置照常传信码的同时在负码速调整位罱传一 位插入码，在收端照此实施恢复控制。 f 零负码速调整的特点是：复接抖动可以设计的足够小；便于准同 步至同步兼容：调整速率较低，调整过渡过程较长；调整电路较复杂，较 自i 两种调整方法设备量要增加2 0 3 0 。 有些国家如苏联、土耳其采用正零负码速调憨结构作为国内通信数 字复接标准，采用这个方式的数字复接设备可适应准同步、同步及数字变 换等多种工作方式，可以统一同步准同步复接制式，大幅度地降低塞入 抖动。我国采用的主要是正码速调整方式。这也是用的最为普遍的方式。 2 4 本系统简介 本课题是一个标准的e l 接口，属于数字通信的终端设备。其目的是在 发送端将四路不同源的2 0 4 8 m b s 的低速n r z ( 非归零码) 或h d b 3 码( 三 阶高密度双极性码) 的数据按照c c i t t 的g 7 0 3 建议复接成一路8 4 4 8 m b s 的高速n r z 或h d b 3 数据流，然后在接收端将此高速数据流恢复成原来的 四路低速数据。它属于准同步复接系列( p d t t ) ，码速调整方式采用的是正 码速调整技术，复接方式为按位复接。本系统的方框图如图2 - 6 所示。 其中，进入复接器的四路数据为h d b 3 码的数据。因为h d b 3 码数据不能直 接送到数字复接器进行复接，此码流数据需要经过一个译码器把之转换成 非归零码后再送入复接设各进行复接。复接后输出的为8 4 4 8 m b s 的高速 数据流，此数据流经过一些传输设备送到接收端的数字分接器( 传输设备 没有在此图中标出) 。数字分接器输出的为n r z 码流的信号，经过一个译 码器使之变换成h d b 3 码，这样在接收端就恢复出了原来的四路h d b 3 低速 数掘流。 也子利! 壅叁：! i = 堡堂笪堡苎一一一一一一 图2 6 本课题的数字复接分接框图 图2 6 画出的是输入四路数据为h d b 3 码时的情形，如果输入的数据 流不是h d b 3 码，而是一般的非归零码，则只要把四路2 0 4 8 l b s 的n r 2 数据流直接送入数字复接器，不需要经过h d b 3 译码器，且在接收端，分 接出来的四路信号也不需要经过i i d b 3 编码器，直接输出四路n r z 数据和 各自相应的时钟就可以了。复接设备出来的高速8 4 4 8 m b s 的数据是n r z 码。如果需要在传输设备中传的是n r z 码，则直接把此8 t 4 8 i l i h s 的数掘 电子科技人学硕十学位论文 和时钟经过传输设备发送到接收端。如果需要传的是h d b 3 码，则要求此 数据流经过一个h d b 3 编码器，把n k z 码变换成h d b 3 码，再经过传输设备 传送到接收端，接收端再经过一个译码过程，把n r z 码再变换成h d b 3 码 送入数字分接设备进行处理。 2 0 也子科技人学硕十学何论文 3 1线路码 第三章数字复接的f p g a 实现 在数字通信系统中，为了使信息适合于在信道上传输，由终端机发出 的数字信息必须编成合适的传输码序列。一般终端机发出的信号都是没有 经过编码的n r z 码。n r z 码的脉冲极性单一，它的脉冲宽度等于码元宽度， 且平均值不为零，说明其含有直流分量。因此其频谱分量中存在着丰富的 低频和直流分量，不适宜在有变压器等交流藕合的信道中使用，另外，代 码中每个“1 ”和“o ”分别独立地对应某个传输电平，相邻信号之间不存 在约束关系，因此n r z 码不具有检错能力，一般只用于近距离的信道传输。 还有一种一般的单极性码即归零码( r z 码) 。此种码型的信号脉冲出现的 持续时间小于码元宽度。代表数字代码的脉冲，在小于码元的时间内总要 回到零电平。它的特点是脉冲窄，有利于减小码元间波形的干扰，而且， 由于码元间隔明显，所以有利于同步时钟的提取。但由于脉冲窄、码元能 量小，在匹配接收时输出信噪比较n r z 码波形低些。一般不选择r z 码为 传输码型。选择传输码时主要需要注意以下几点： ( 1 ) 不包含直流分量，并且低频分量较少，高频分量也要较少。 ( 2 ) 再生中继器以及接收端的定时信息是直接从接收到的信息流 中提取出来的，这就要求传输码包含有传输速率上的时钟成 分，或者经过某些处理后( 如全波整流) ，可以恢复出时钟成 分，以便提取时钟。由于定时提取电路一般是由谐振槽路构成 的，要求传输码中的连零要少。 ( 3 ) 编译码电路要简单，码字的抗干扰能力强，并能提供不中断的 误码监测。 ( 4 ) 对信源的依赖性要小，以便使用于不同信源信号的传输。 由上面的这些要求可以看出，如果是在电缆中传输，则要求传的是双 极性码，如a