幀同步實驗

??? 1. 掌握巴克碼識別原理。
??? 2. 掌握同步保護原理。
3. 掌握假同步、漏同步、捕捉態(tài)、維持態(tài)概念。

??? 二、實驗內(nèi)容

??? 1. 觀察幀同步碼無錯誤時幀同步器的維持態(tài)。
??? 2. 觀察幀同步碼有一位錯誤時幀同步器的維持態(tài)和捕捉態(tài)。
3. 觀察同步器的假同步現(xiàn)象和同步保護作用。

??? 三、基本原理

??? 在時分復(fù)用通信系統(tǒng)中，為了正確地傳輸信息，必須在信息碼流中插入一定數(shù)量的幀同步碼，可以集中插入、也可以分散插入。本實驗系統(tǒng)中幀同步識別碼為7位巴克碼，集中插入到每幀的第2至第8個碼元位置上。幀同步模塊的原理框圖如圖6-1所示，電原理圖如圖6-2所示（見附錄），其內(nèi)部只使用+5V電壓。
??? 本模塊有以下測試點及輸入輸出點：
??? ? S-IN?????數(shù)字基帶信號輸入點（2個）
??? ? BS-IN?????位同步信號輸入點（2個）
??? ? GAL?????巴克碼識別器輸出信號測試點
??? ? ÷24?????24分頻器輸出信號測試點
??? ? TH??????判決門限電平測試點
??? ? FS??????幀同步信號測試點
??? 圖6-1中各單元與電路板上元器件的對應(yīng)關(guān)系如下：
??? ? ÷24分頻器??? ??U60、U61：計數(shù)器4017；U58:C、U58:E：或門4071
??? ? 移位寄存器????U50、U51：四位移位寄存器74175
??? ? 相加器 ????U52：可編程邏輯器件GAL20V8
??? ? 判決器?????U53：可編程邏輯器件GAL20V8
??? ? 單穩(wěn)?????U59：單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器4528
??? ? 與門1?????U56:A：與門7408
??? ? 與門2?????U56:C：與門4708
??? ? 與門3?????U56:D：與門7408
??? ? 與門4?????U56:B：與門7408
??? ? 或門?????U58:A：或門4071
??? ? ÷3分頻器????U54：計數(shù)器4017
? 觸發(fā)器?????U55：JK觸發(fā)器4027

圖6-1? 幀同步模塊原理框圖

??? 從總體上看，本模塊可分為巴克碼識別器及同步保護兩部分。巴克碼識別器包括移位寄存器、相加器和判決器，圖6-1中的其余部分完成同步保護功能。
移位寄存器由兩片74175組成，移位時鐘信號是位同步信號。當(dāng)7位巴克碼全部進入移位寄存器時，U50的Q1、Q2、Q3、Q4及U51的Q2、Q3、Q4都為1，它們輸入到相加器U52的數(shù)據(jù)輸入端D0~D6，U52的輸出端Y0、Y1、Y2都為1，表示輸入端為7個1。若Y2Y1Y0=100時，表示輸入端有4個1，依此類推，Y2Y1Y0的不同狀態(tài)表示了U52輸入端為1的個數(shù)。判決器U53有6個輸入端。IN2、IN1、IN0分別與U52的Y2、Y1、Y0相連，L2、L1、L0與判決門限控制電壓相連，L2、L1已設(shè)置為1，而L0由同步保護部分控制，可能為1也可能為0。在幀同步模塊電路中有三個發(fā)光二極管指示燈P1、P2、P3與判決門限控制電壓相對應(yīng)，即從左到右與L2、L1、L0一一對應(yīng)，燈亮對應(yīng)1，燈熄對應(yīng)0。判決電平測試點TH就是L0信號，它與最右邊的指示燈P3狀態(tài)相對應(yīng)。當(dāng)L2L1L0=111時門限為7，三個燈全亮，TH為高電平；當(dāng)L2L1L0=110時門限為6，P1和P2亮，而P3熄，TH為低電平。當(dāng)U52輸入端為1的個數(shù)（即U53的IN2IN1IN0） 大于或等于判決門限于L2L1L0，識別器就會輸出一個脈沖信號。
當(dāng)基帶信號里的幀同步碼無錯誤時(七位全對)，把位同步信號和數(shù)字基帶信號輸入給移位寄存器，識別器就會有幀同步識別信號GAL輸出，各種信號波形及時序關(guān)系如圖6-3所示，GAL信號的上升沿與最后一位幀同步碼的結(jié)束時刻對齊。圖中還給出了÷24信號及幀同步器最終輸出的幀同步信號FS-OUT，F(xiàn)S-OUT的上升沿稍遲后于GAL的上升沿。

圖6-3? 幀同步器信號波形
÷24信號是將位同步信號進行24分頻得到的，其周期與幀同步信號的周期相同（因為一幀24位是確定的），但其相位不一定符合要求。當(dāng)識別器輸出一個GAL脈沖信號時（即捕獲到一組正確的幀同步碼），在GAL信號和同步保護器的作用下，÷24電路置零，從而使輸出的÷24信號下降沿與GAL信號的上升沿對齊?！?4信號再送給后級的單穩(wěn)電路，單穩(wěn)設(shè)置為下降沿觸發(fā)，其輸出信號的上升沿比÷24信號的下降沿稍有延遲。
??? 同步器最終輸出的幀同步信號FS是由同步保護器中的與門3對單穩(wěn)輸出的信號及狀態(tài)觸發(fā)器的Q端輸出信號進行“與”運算得到的。
電路中同步保護器的作用是減小假同步和漏同步。
當(dāng)無基帶信號輸入（或雖有基帶信號輸入但相加器輸出低于門限值）時，識別器沒有輸出（即輸出為0），與門1關(guān)閉、與門2打開，單穩(wěn)輸出信號通過與門2后輸入到÷3電路，÷3電路的輸出信號使?fàn)顟B(tài)觸發(fā)器置“0”，從而關(guān)閉與門3，同步器無輸出信號，此時Q的高電平把判決器的門限置為7（P3燈亮）、且關(guān)閉或門、打開與門1，同步器處于捕捉態(tài)。只要識別器輸出一個GAL信號（因為判決門限比較高，這個GAL信號是正確的幀同步信號的概率很高），與門4就可以輸出一個置零脈沖使÷24分頻器置零，÷24分頻器輸出與GAL信號同頻同相的的周期信號（見圖6-3）。識別器輸出的GAL脈沖信號通過與門1后使?fàn)顟B(tài)觸發(fā)器置“1”，從而打開與門3，輸出幀同步信號FS-OUT，同時使判決器門限降為6（P3燈熄）、打開或門、同步器進入維持狀態(tài)。在維持狀態(tài)下，因為判決門限較低，故識別器的漏識別概率減小，假識別概率增加。但假識別信號與單穩(wěn)輸出信號不同步，故與門1、與門4不輸出假識別信號，從而使假識別信號不影響÷24電路的工作狀態(tài)，與門3輸出的仍是正確的幀同步信號。實驗中可根據(jù)判決門限指示燈P3判斷同步器處于何種狀態(tài)，P3亮為捕捉態(tài)，P3熄為同步態(tài)。
??? 在維持狀態(tài)下，識別器也可能出現(xiàn)漏識別。但由于漏識別概率比較小，連續(xù)幾幀出現(xiàn)漏識別的概率更小。只要識別器不連續(xù)出現(xiàn)三次漏識別，則÷3電路不輸出脈沖信號，維持狀態(tài)保持不變。若識別器連續(xù)出現(xiàn)三次漏識別，則÷3電路輸出一個脈沖信號，使維持狀態(tài)變?yōu)椴蹲綉B(tài)，重新捕捉幀同步碼。
不難看出，若識別器第一次輸出的脈沖信號為假識別信號（即首次捕獲到的是信息數(shù)據(jù)中與幀同步碼完全相同的碼元序列），則系統(tǒng)將進入錯誤的同步維持狀態(tài)，由于本實驗系統(tǒng)是連續(xù)傳輸以一幀為周期的周期信號，所以此狀態(tài)將維持下去，但在實際的信息傳輸中不會連續(xù)傳送這種周期信號，因此連續(xù)幾幀都輸出假識別信號的概率極小，所以這種錯誤的同步維持狀態(tài)存在的時間是短暫的。
當(dāng)然，同步保護器中的÷3電路的分頻比也可以設(shè)置為其它值，此值越大，在維持狀態(tài)下允許的識別器的漏識別概率也越大。
在維持態(tài)下對同步信號的保護措施稱為前方保護，在捕捉態(tài)下的同步保護措施稱后方保護。本同步器中捕捉態(tài)下的高門限屬于后方保護措施之一，它可以減少假同步概率，當(dāng)然還可以采取其它電路措施進行后方保護。低門限及÷3電路屬于前方保護，它可以保護已建立起來的幀同步信號，避免識別器偶爾出現(xiàn)的漏識別造成幀同步器丟失幀同步信號即減少漏同步概率。同步器中的其它保護電路用來減少維持態(tài)下的假同步概率。

??? 四、實驗步驟

??? 本實驗使用數(shù)字信源單元及幀同步單元。
??? 1、熟悉幀同步單元的工作原理，將信源單元的NRZ-OUT、BS-OUT分別與幀同步單元的S-IN、BS-IN對應(yīng)相連，接通實驗箱電源。
??? 2、觀察同步器的維持態(tài)（同步態(tài)）
??? 將數(shù)字信源單元的K1（左邊的8位微動開關(guān)）置于×111 0010狀態(tài) (110010為幀同步碼，×是無定義位，可任意置“1”或置“0”)，K2置為1000 0000狀態(tài)、K3則置為全0狀態(tài)，示波器CH1接信源單元的NRZ-OUT，CH2分別接幀同步單元的GAL、÷24、TH及FS，觀察并紀(jì)錄上述信號波形以及與NRZ-OUT的相位關(guān)系（注意：TH為0電平，幀同步模塊的P3指示燈熄，P1、P2亮，表示識別門限為6）。使信源的幀同步碼（注意是K1的第2位到第8位）中錯一位，重新觀察上述信號，此時GAL、÷24、TH、FS應(yīng)不變。使信源幀同步碼再錯一位重作上述觀察。（此時同步器應(yīng)轉(zhuǎn)入捕捉態(tài)，僅÷24波形不變，請根據(jù)原理框圖分析思考此過程）。
??? 3、觀察同步器的捕捉態(tài)（失步態(tài)）
上步中電路已經(jīng)由同步態(tài)變?yōu)椴蹲綉B(tài)，示波器仍觀察÷24信號，此時斷開電源，再接通電源，可看到÷24波形的下降沿已不再對準(zhǔn)第一個數(shù)據(jù)位（相位隨機），觀察其他信號可見TH為高電平，F(xiàn)S無輸出。將信源K1從剛才錯兩位狀態(tài)還原為僅錯一位狀態(tài)，觀察÷24信號相位是否變化。再將信源K1還原為正確的幀同步碼(×1110010) ，觀察÷24信號相位是否變化。分析÷24信號相位變化原因，從而理解同步器從失步態(tài)轉(zhuǎn)為同步態(tài)的過程。
??? 4、觀察識別器假識別現(xiàn)象及同步保護器的保護作用。
上步中同步器轉(zhuǎn)為同步狀態(tài)后，使信源單元的K2或K3中出現(xiàn)1110010狀態(tài)（與1110010狀態(tài)有一位不同的狀態(tài)也可），示波器CH1接NRZ-OUT，CH2分別接GAL和FS，觀察識別器假識別現(xiàn)象，理解同步保護電路的保護作用。

??? 五、實驗報告要求
??? 1. 根據(jù)實驗結(jié)果，畫出同步器處于同步狀態(tài)及失步狀態(tài)時同步器各點波形。
2. 本實驗中同步器由同步態(tài)轉(zhuǎn)為捕捉態(tài)時÷24信號相位為什么不變？
??? 3. 同步保護電路是如何使假識別信號不形成假同步信號的？
4. 試設(shè)計一個后方保護電路，使識別器連續(xù)兩幀有信號輸出且這兩個識別脈沖的時間間隔為一幀時，同步器由失步態(tài)轉(zhuǎn)為同步態(tài)。
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