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时分复用及帧同步时分复用及帧同步 2 1 1 时分复用 解复用 TDM 实验 一 实验目的 1 掌握时分多路复用的概念 2 了解本实验中时分复用的组成结构 二 实验仪器 1 RZ9681 实验平台 2 实验模块 主控模块 基带数据产生与码型变换 A2 信源编码与时分复用模块 A3 信源译码与时分解复用模块 A6 3 100M 双通道示波器 4 信号连接线 5 PC 机 二次开发 三 实验原理 时分复用是将整个信道传输信息的时间划分成不同时隙 利用不同的时隙来传输不同信 号 以扩大传输容量和提高传输效率 3 1 数字复接 数字复接技术是把两个或两个以上的低速信号按照时分复用的方式合并成一个高速信 号 按帧复接是指将每一路并行数据的每一帧按照信道的顺序循环逐一排列 得到一路的串 行数据 按照按帧复接的方式 每次复接一路信号的一帧数据 因此复接时不会破坏原来各 个帧的自身内部的顺序 有利于交换 准同步复接指各并行信道使用各自的时钟 但各支路的时钟被限制在一定的容差范围内 这种复接方式在复接前必须将各支路的码速都调整到统一的规定值后才能复接 在这种复接 方式中需要进行码速调整 本实验中数字复接系统方框图 如下图所示 图 1 时分复用解复用方框图 本实验中同步复接的帧结构如下图所示 发定时 调 整 复 接 收定时 分 接 恢 复 同 步 PCM 8bit CVSD 3P9 6P8 PCM 8bit CVSD 0 1 1 1 1 1 1 0 x x xx xxx x x xx xxx x x xx xxx x 125us 帧头PCM8bitCVSD 一帧4路数据 x x 图 2 时分复用帧结构 在本实验中 一帧分为四个时隙 第一个时隙传输一个 8bit 的帧头 用于同步以及确定 每一帧的起始点 第二个时隙传输 PCM 的 8bit 的量化信号 第四个时隙传输 CVSD 的量化 信号 但由于采样值不是固定的 因此每一帧传送的 PCM 和 CVSD 的信号都是不同的 第三 个时隙传输一个 8bit 的自定的数据 可以通过解复用模块 A6 的 8 个 LED 的亮灭来观察 一 帧高速串行数据的传输速率为256 由于在一帧中有 4 个时隙 因此每一路低速并行 数据的传输速率为256 4 64 3 2 数字分接 解复用 数字分解是指将一路高速串行输入信号按照一定的顺序 将复接信号分离出多路低速并 行同步输出信号 一般情况下 帧同步提取有时会出现漏同步和假同步现象 四 实验框图及测量点说明 4 1 实验框图说明 图 3 时分复用原理框图 框图说明 本实验中需要用到以下功能单元 由信源编码与复用模块 A3 完成时分复用功能 由信源译码与解复用模块 A6 完成 解复用功能 时分复用时接入四路信号 分别是帧头 PCM 8bit 设置数据 CVSD 数据 PCM 和 CVSD 是信源编码数据 由模块 A3 的处理器和 FPGA 分别对 3P1 和 3P2 输入的数据完成模数转换 PCM 和 CVSD 编码 之后由 FPGA 同时将帧头 PCM 数据 8 位设置数据 CVSD 数据进行时 分复用 在图中 3P1 和 3P2 均连接了 DDS1 但实际使用时 两个编码输入端可以分别接 入不同的模拟信号 如 P02 的电话语音信号 时分解复用由模块 A6 完成 A6 模块中的 FPGA 主要完成位同步 帧同步 数据分接 信源译码等 信源译码后的数据直接转化成模拟信号在 6P2 输出 PCM 译码数据 在 6P4 输 出 CVSD 数据 4 2 各模块测量点说明 1 信源编码与复用模块 A3 3P1 PCM 编码模拟信号输入 3P2 CVSD 编码模拟信号输入 3P7 复用帧同步输出 3P8 复用数据时钟输出 速率 256K 3P9 复用数据输出 2 信源译码与解复用模块 A6 6P8 解复据输入 6P4 CVSD 译码输出 模拟 6P2 PCM 译码输出 模拟 6P6 帧同步脉冲输出 五 实验内容及步骤 5 1 时分复接观测 1 同步帧脉冲及复接时钟观测 图 4 同步帧脉冲及复接时钟观测 1 图 5 同步帧脉冲及复接时钟观测 2 图 6 同步帧脉冲及复接时钟观测 3 由图 4 通过示波器的 Cursor 功能 可以读出帧脉冲宽度为4 图 5 我们看出复接后 的时钟速率为256 通过图 6 可以数出一帧数据中大约有 32 个复接时钟脉冲 2 复接后帧头观测 用示波器一个通道测 3TP7 帧脉冲 并作同步 另一个通道测 3TP9 观测帧头数据 分 析帧头的起始位置 单击复接模块 帧头帧头 按钮 尝试改变帧头数据 观察帧头起始位置和 帧同步的关系 可以尝试修改一些比较特殊的帧头 例如 01111110 0 x7E 11100100 7 巴克码 1bit 0 图 7 复用数据输出 帧头 01111110 8bit 00011101 01111110 图 8 复用数据输出 帧头 11100100 8bit 00011101 上图 7 8 红框中框出了 8bit 的帧头 3 复接后 8bit 数据观测 用示波器一个通道测 3TP7 帧脉冲 并作同步 另一个通道测 3TP9 观察复用信道时隙 关系 并根据实验原理所述 定位到 3 时隙 8bit 数据位置 单击 8bit 按钮 尝试修改 8bit 编码开关 观测 3TP9 的数据变化情况 图 9 复用数据输出 帧头 11100100 8bit 01100110 111000100 00011101 01100110 上图 8 和上图 9 中的黄色框中即为 8bit 数据 4 修改各路数据观测复接变化 用示波器一个通道测 3TP7 帧脉冲 并作同步 另一个通道测 3TP9 观察复用信道时隙 2 的 PCM 编码数据和时隙 4 的 CVSD 数据 可以尝试修改或拔掉 3P1 和 3P2 上的信号 观察 两路复接数据是否变化 由于 PCM 和 CVSD 数据一直变化 因此不太容易观察 需要仔细对 比 图 10 复用数据输出 图 11 复用数据输出 拔掉 PCM 通道 图 12 复用数据输出 拔掉 CVSD 通道 图 13 复用数据输出 拔掉 PCM 和 CVSD 通道 当拔掉了 PCM 或者 CVSD 通道 在理想状况下 一帧数据的第二时隙 PCM 帧 和第 四时隙 CVSD 帧 应该均为 0 然而 观察图 11 13 第二时隙和第四时隙均仍然存在数 据的传送 因为虽然没有了输入信号 但是信道中仍然存在着信道噪声 通过解复用之后的 信号我们可以看出第二时隙和第四时隙的信号近似为白噪声 5 2 时分解复用观测 1 解复用同步帧脉冲观测 单击解复用 帧头帧头 按钮 将其修改为和复用端一样的帧头数据 用示波器一个通道测 3TP7 帧脉冲 并作同步 另一个通道测 6TP6 观察解复用端提取的帧同步脉冲 并分析其 是否同步 同时可以观测 A6 模块上 FS 指示灯状态 常亮状态为同步状态 常灭状态为 非同步状态 图 14 帧脉冲和帧同步脉冲 图 15 A6 模块 FS 指示灯状态 在图 14 中使用 Cursor 测量出帧同步脉冲和帧脉冲的延时 延时约为34 我们知道一 帧的时间为125 分为 4 个时隙之后 每个时隙的时间长度为125 4 31 25 也就 是说 当解复用端接收到帧头之后经过确认后 给出了帧同步信号 上图 15 中的红色框中 即为 FS 指示灯 在示波器上能够观察到帧同步脉冲的时候 FS 指示灯也是常亮的 尝试拔掉 6P8 接口上的复接数据 观测 6TP6 是否还有帧同步脉冲 以及 FS 指示灯 是否常亮 思考其原因 图 16 A6 模块 FS 指示灯状态 拔掉 6P8 后 当 6P8 的解复用数据输入被拔掉后 解复用模块没有接收到高速串行数据流 也就是说 没有接收到 8bit 的帧头 因此也不会有帧同步脉冲 因此 FS 指示灯为常灭状态 即为非 同步状态 但是没有帧同步信号 解复用模块上的 8bit LED 灯也应该处于长灭状态 而且 8bit 数据流也没有信号输入 因此 8bit LED 灯不应该有亮灯状态 但是在实际实验观察中 8bit LED 灯没有刷新 保持着原来的 8bit 数据流的数据 当我们多次重复实验 发现 8bit LED 灯 处于乱闪状态 尝试修改解复用 帧头 数据 将其修改为和复用端不同的帧头数据 观测 6TP6 是否 还有帧同步脉冲 以及 FS 指示灯是否常亮 思考其原因 图 17 帧脉冲和帧同步脉冲 图 18 A6 模块 FS 指示灯状态 修改帧头后 修改发送端帧头为 01101110 由图 17 和图 18 我们可以看到 无帧同步脉冲且 FS 指示灯处于长灭状态 由于解复用端在接收信号的数据流中找不到匹配的帧头 因此解复用 模块无法找到帧起始的位置 所以也就没有帧同步脉冲发出 也因此 FS 指示灯长灭 结束该步骤时 恢复帧头同步状态 继续完成下面步骤 2 解复用后 8bit 数据观测 鼠标点击 8 LED 按钮 选择 8 bits 如右图所示 此时 A6 模块中部 8 个 LED 小灯 用亮灭指示解复用得到的第 3 时隙 8bit 数据 图 19 8bit 数据观测 3 解复用后 PCM 译码观测和 CVSD 译码观测 用示波器分别观测 3P1 PCM 编码前 6P2 解复用后 PCM 译码数据 观测波形是否 相同 修改 3P1 输入信号 观测 6P2 变化 用示波器分别观测 3P2 CVSD 编码前 6P4 解 复用后 CVSD 译码数据 观测波形是否相同 修改 3P2 输入信号 观测 6P4 变化 图 20 编码前 PCM 和译码后 PCM 2KHz 2Vpp 图 21 编码前 PCM 和译码后 PCM 3KHz 2Vpp 图 22 编码前 CVSD 和译码后 CVSD 2KHz 2Vpp 图 23 编码前 CVSD 和译码后 CVSD 3KHz 2Vpp 对比观察图 20 和图 21 以及图 22 和图 23 我们可以发现 改变原始信号频率 译码后 的输出信号频率都与原始信号近似相同 但是输入输出信号的峰峰值相差较大 但是对比图 20 和图 21 以及图 22 和图 23 的输出信号 可以发现 峰峰值都近似不变 结合 PCM 编译 码实验和 CVSD 编译码实验中的输出频率响应图像 峰峰值不变可能是由于输入信号的频率 处于输出频响图像的平顶位置 对比图 20 21 和图 22 23 可以发现 在相同情况下 PCM 的译码输出比 CVSD 的译 码输出的波形好 当输入信号的频率增加到 3500 3600Hz 以上时 输出波形出现明显失真 可以通过这个 特性推算出 AD 采样速率 六 实验报告要求 1 叙述时分复用信号处理流程 从 3P9 测试点波形分析数据发送顺序 下图 24 展示了时分复用信号处理流程 4 路并行信号先传输 8bit 数据 一路信号的一帧 被锁存器锁存之后 经过 4 选 1 多 路选择器 依次将 8bit 帧头 PCM 8bit 自定信号和送入输出端 再次锁存之后 继续重复 上述输出过程 图 24 时分复用信号处理流程 2 叙述时分解复用信号处理流程 说明帧头作用 图 25 时分解复用信号处理流程 当解复用的装置接收并检测到帧头时 知道接收到一帧的数据 因此每接收 8bit 锁存一 次 分别按顺序送入 PCM 8bit 和 CVSD 通路 从而每一路可以按顺序恢复出原始信号 七 思考题 如果希望时分复用 8 路数据 一个时隙作帧头 基它七个时隙用于传 PCM 数据 推出复 用数据速率 复用数据速率 8 个时隙 PCM 传输速率 8 64 512 2 1 2 帧同步实验 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 实验仪器 1 RZ9681 实验平台 2 实验模块 主控模块 信源编码与时分复用模块 A3 信源译码与时分解复用模块 A6 3 100M 双通道示波器 4 信号连接线 5 PC 机 二次开发 三 实验原理 3 1 帧同步概念 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 在我们这次的实验中 由于 PCM 的编码方式 需要确定 PCM 传输的帧的起始位置 从而能够准确判断出一个采样值的极性和绝对值 而对于 CVSD 而言 由于它只是表示一个 相对值 因此不需要知道每一帧具体的起始位置 只需要对准每一个 bit 的位置就可以了 也就是说 对于 PCM 需要满足帧同步 对于 CVSD 只需要满足位同步就可以了 但是由于 PCM 和 CVSD 是在一路高速串行信号中传输接收的 因此对于实验系统必须要满足帧同步才 能保证每一路信号都能够完整正确的恢复出原始信号 为了能实现帧同步 则我们需要在每一帧传输帧的起始位置加一段特定的同步码 当解 复用端识别到这段特定的码元序列时 即可知道接收到一帧的起始位置 从而实现帧同步 3 2 帧同步码组 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 但是由于增加了帧头 相当于减小了传输效率 因此在选择帧头的时候 希望尽可能使用长度较短的帧头码组 四 实验框图及测量点说明 4 1 实验框图说明 下图为帧同步原理的实验框图 图 26 帧同步原理实验框图 框图说明 本实验中需要用到以下功能单元 由信源编码与复用模块 A3 完成时分复用功能 由信源译码与解复用模块 A6 完成 帧同步提取及时分解复用功能 4 2 各模块测量点说明 1 信源编码与复用模块 A3 3P1 PCM 编码模拟信号输入 3P2 CVSD 编码模拟信号输入 3P7 复用帧同步输出 3P8 复用数据时钟输出 速率 256K 3P9 复用数据输出 2 信源译码与解复用模块 A6 6P8 解复用数据输入 6P4 CVSD 译码输出 模拟 6P2 PCM 译码输出 模拟 6P6 帧同步脉冲输出 五 实验内容及实验步骤 5 1 帧同步提取观测及分析 1 假同步测试 假同步指 在传输的数据中检测到和帧头完全相同的码元序列 系统误以为检测到了帧 头进行了同步 但实际上数据是错位的 设置复接发送端 8bit 数据 使其和 帧头 数据相同 多次重复完成 3P9 和 6P8 信号 线的断开 连接操作 用示波器同时观测 3TP7 和 6TP6 观察 6TP6 是否每次都可以输出帧同 步脉冲 用示波器观测原始信号 3P1 和复接 译码恢复信号 6P2 是否每次都相同 如不相 同 分析其原因 图 27 帧脉冲和帧同步脉冲 1 图 28 帧脉冲和帧同步脉冲 2 通过观察帧脉冲和帧同步脉冲中间的延时我们可以发现 系统会随机地把原本的帧头或 者自己设置的 8bit 数据识别做帧头 图 29 编码前 PCM 和译码后 PCM 把 8bit 识别为帧头 图 30 编码前 CVSD 和译码后 CVSD 把 8bit 识别为帧头 当系统把 8bit 识别为帧头时 把输入端的 CVSD 数据送到了解复用端的 PCM 端 把输 入端的 PCM 数据送到了解复用端的 CVSD 端 因此 这两个数据流都不能正确的译码 导致 输出的模拟信号的波形恢复不出原始的输入信号 2 后方保护测试 捕捉态 在帧同步提取中 为了减少系统的假同步的量 系统增加了后方保护 只有当系统连续 捕获到 n n 为后方保护计数 次帧同步码后 才能认为系统已真正进入到了同步状态 图 31 3bit 正确帧头个数 图 32 4bit 正确帧头个数 图 33 11bit 正确帧头个数 图 34 12bit 正确帧头个数 图 35 15bit 正确帧头个数 PCM 译码信号 图 36 16bit 正确帧头个数 PCM 译码信号 通过上图 31 图 36 可以看出 当正确帧头个数为 3bit 时 FS 指示灯常亮 但是在 示波器上观察不到帧同步脉冲 可能是由于能检查到的同步的次数过少 所以示波器上很难 观测到 但是当正确帧头个数增加到 4bit 时 示波器上出现了周期性的帧同步信号 图 32 但是没有和帧脉冲数完全对应 当正确帧头数增加到 12 个时 通过示波器观察到帧同步脉 冲和帧脉冲能够完全对应 但是只有当 16bit 的帧头全部都正确时 恢复出的译码信号才是 与发送的输入信号波形失真最小的 因为只要有帧头有错误时 就会存在某些帧的 PCM 的 数据无法正确被接收 对于 PCM 的恢复信号 只要在接收的信号中出现了一帧的错误或者 顺序的错误 都会使 PCM 无法正确恢复信号 后方保护时间是指 从捕捉到第一个同步码到系统进入同步状态这段时间称为后方保护 时间 可表示为 Td 尝试分析后方保护时间 Td 通过实验观察到当正确帧头数为 3 时 系统即可进入同步状态 则后方保护时间为 3 125 375 3 前向保护测试 维持态 当同步系统检测不到同步码时 并不立即进入捕捉态 而是当连续 m 次 m 称为前方 保护计数 检测不到同步码后 才判为系统真正失步 然后进入捕捉状态 重新开始捕捉同 步码 图 37 错误帧头数为 9bit 帧脉冲和帧同步脉冲 图 38 错误帧头数为 13bit 帧脉冲和帧同步脉冲 图 39 2bit 错误帧头个数 PCM 译码信号 图 40 14bit 错误帧头个数 PCM 译码信号 通过图 37 图 40 我们可以观察到当错误帧头个数为 9bit 时 帧同步脉冲和帧脉冲不 能稳定的一一对应的同步 当错误帧头个数为 13bit 时 在示波器上无法观测到帧同步脉冲 但是 FS 指示灯常亮 也就是虽然同步的概率很小但是系统仍然能检测到同步帧头 当错 误帧头个数为 14bit 时 FS 指示灯不亮 说明已经完全不能同步 正如前文所述 只要有一帧的错误 PCM 就无法正确恢复 因此当错误帧头个数为 2bit 时 图 39 PCM 译码信号即有大幅的失真情况 当错误帧头个数为 14 时 图 40 由于 系统完全无法同步 因此 PCM 译码信号完全观察不到输入信号 图 41 开关位置为 0001000100010001 帧脉冲和帧同步脉冲 图 42 开关位置为 0001000100010001 PCM 译码信号 图 43 开关位置为 0010010110010011 帧脉冲和帧同步脉冲 图 44 开关位置为 0010010110010011 PCM 译码信号 当开关位置为 0001000100010001 时 帧头发生周期性重复 因此接收端能够正确的 识别出帧头 并且由于每隔 3 帧加错一帧的帧头 意味着在接收端接受到的采样值与正确的 发送端的采样值相比 每隔 3 个采样值 会少一个采样值点 当在发送端之前的抽样频率足 够高 也就是抽样频率远大于信号的最高频率时 即发生了过采样 这样即使在接收端漏掉 部分的采样值 由于其他的采样值的前后顺序是正确的 因此接收端恢复出的信号与帧头完 全不加错时恢复出的信号是可能相同的 发生失真的原因可能是由于量化噪声及信道噪声所 导致的 但是 当采样频率没有远大于发送信号的最高频率时 由于漏掉了一部分的量化值 所以也可能会导致恢复出的信号发生失真 但是由图 42 可以观察到 恢复出的信号没有发 生过多的失真 因此推断出可能抽样脉冲的频率还是比较高的 但是当开关位置为 0010010110010011 时 帧头的加错不是周期性变化的并且在相邻 的 16 帧中内没有构成重复 因此 对于接受端由于前向保护机制 由于加错的帧头数过多 且集中 可能会使接收端由同步的状态转为失步状态 从而使一部分正确的帧头没有被捕捉 到 通过观察图 43 可以发现 在 16 帧中 只有一帧出现了帧同步信号 也就是说剩下的 15 帧由于连续或者间断连续的错误的帧头使得系统进入了失步状态 而从失步状态需要连续捕 捉到 n 帧正确的帧头 系统才会重新进入同步状态 而从失步状态到重新同步这段期间即使 有正确的帧头也不会被捕捉到 也就是说 在接收端接收到的量化信号的个数是发送端量化 信号数的 1 16 相当于进行了一个大幅度的下采样 而由于原始的抽样脉冲的频率在经过 下采样的转化之后 虽然能够提高信噪比 但是可能不满足大于输入信号 2 倍的要求 原始 信号所携带的信息在这个下采样过程中被大幅丢失了 导致恢复出的信号发生了明显的失 真 前向保护时间 从第一个帧同步码丢失起到帧同步系统进入捕捉状态为止的这段时间称 为前方保护时间 可表示为 尝试分析前向保护时间 通过上述实验 我们发现当连续 14 帧的帧头出错时 FS 指示灯不亮 也就是意味着 系统进入了捕捉态 14 1 125 1625 所以前向保护时间为 1625 4 非同步状态下解复用数据观测 1 修改 8bit 数据 图 45 设置 8bits 01011111 和解复用模块上 8bitLED 图 46 设置 8bits 01011001 和解复用模块上 8bitLED 通过图 45 46 可以观察到 当我们在主控模块上修改 8bit 数据时 由于系统非同步 接收端接受不到正确的帧头 因此接收端接受不到帧的数据 因此 8bit LED 不随我们修改的 8bit 数据的变化而变化 2 PCM 编码数据 图 47 PCM 编码前和解复用后 PCM 译码数据波形 2000Hz 2Vpp 图 48 PCM 编码前和解复用后 PCM 译码数据波形 300