幀同步實(shí)驗(yàn)

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

??? 二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

??? 1. 觀察幀同步碼無錯(cuò)誤時(shí)幀同步器的維持態(tài)。
??? 2. 觀察幀同步碼有一位錯(cuò)誤時(shí)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(hù)作用。

??? 三、基本原理

??? 在時(shí)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中幀同步識(shí)別碼為7位巴克碼，集中插入到每幀的第2至第8個(gè)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(cè)試點(diǎn)及輸入輸出點(diǎn)：
??? ? S-IN?????數(shù)字基帶信號(hào)輸入點(diǎn)（2個(gè)）
??? ? BS-IN?????位同步信號(hào)輸入點(diǎn)（2個(gè)）
??? ? GAL?????巴克碼識(shí)別器輸出信號(hào)測(cè)試點(diǎn)
??? ? ÷24?????24分頻器輸出信號(hào)測(cè)試點(diǎn)
??? ? TH??????判決門限電平測(cè)試點(diǎn)
??? ? FS??????幀同步信號(hào)測(cè)試點(diǎn)
??? 圖6-1中各單元與電路板上元器件的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：
??? ? ÷24分頻器??? ??U60、U61：計(jì)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(jì)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(shí)別器及同步保護(hù)兩部分。巴克碼識(shí)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(hù)功能。
移位寄存器由兩片74175組成，移位時(shí)鐘信號(hào)是位同步信號(hào)。當(dāng)7位巴克碼全部進(jìn)入移位寄存器時(shí)，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(gè)1。若Y2Y1Y0=100時(shí)，表示輸入端有4個(gè)1，依此類推，Y2Y1Y0的不同狀態(tài)表示了U52輸入端為1的個(gè)數(shù)。判決器U53有6個(gè)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(hù)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(gè)發(fā)光二極管指示燈P1、P2、P3與判決門限控制電壓相對(duì)應(yīng)，即從左到右與L2、L1、L0一一對(duì)應(yīng)，燈亮對(duì)應(yīng)1，燈熄對(duì)應(yīng)0。判決電平測(cè)試點(diǎn)TH就是L0信號(hào)，它與最右邊的指示燈P3狀態(tài)相對(duì)應(yīng)。當(dāng)L2L1L0=111時(shí)門限為7，三個(gè)燈全亮，TH為高電平；當(dāng)L2L1L0=110時(shí)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(gè)數(shù)（即U53的IN2IN1IN0） 大于或等于判決門限于L2L1L0，識(shí)別器就會(huì)輸出一個(gè)脈沖信號(hào)。
當(dāng)基帶信號(hào)里的幀同步碼無錯(cuò)誤時(shí)(七位全對(duì))，把位同步信號(hào)和數(shù)字基帶信號(hào)輸入給移位寄存器，識(shí)別器就會(huì)有幀同步識(shí)別信號(hào)GAL輸出，各種信號(hào)波形及時(shí)序關(guān)系如圖6-3所示，GAL信號(hào)的上升沿與最后一位幀同步碼的結(jié)束時(shí)刻對(duì)齊。圖中還給出了÷24信號(hào)及幀同步器最終輸出的幀同步信號(hào)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(hào)波形
÷24信號(hào)是將位同步信號(hào)進(jìn)行24分頻得到的，其周期與幀同步信號(hào)的周期相同（因?yàn)橐粠?4位是確定的），但其相位不一定符合要求。當(dāng)識(shí)別器輸出一個(gè)GAL脈沖信號(hào)時(shí)（即捕獲到一組正確的幀同步碼），在GAL信號(hào)和同步保護(hù)器的作用下，÷24電路置零，從而使輸出的÷24信號(hào)下降沿與GAL信號(hào)的上升沿對(duì)齊?！?4信號(hào)再送給后級(jí)的單穩(wěn)電路，單穩(wěn)設(shè)置為下降沿觸發(fā)，其輸出信號(hào)的上升沿比÷24信號(hào)的下降沿稍有延遲。
??? 同步器最終輸出的幀同步信號(hào)FS是由同步保護(hù)器中的與門3對(duì)單穩(wěn)輸出的信號(hào)及狀態(tài)觸發(fā)器的Q端輸出信號(hào)進(jìn)行“與”運(yùn)算得到的。
電路中同步保護(hù)器的作用是減小假同步和漏同步。
當(dāng)無基帶信號(hào)輸入（或雖有基帶信號(hào)輸入但相加器輸出低于門限值）時(shí)，識(shí)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(hào)通過與門2后輸入到÷3電路，÷3電路的輸出信號(hào)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(hào)，此時(shí)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(shí)別器輸出一個(gè)GAL信號(hào)（因?yàn)榕袥Q門限比較高，這個(gè)GAL信號(hào)是正確的幀同步信號(hào)的概率很高），與門4就可以輸出一個(gè)置零脈沖使÷24分頻器置零，÷24分頻器輸出與GAL信號(hào)同頻同相的的周期信號(hào)（見圖6-3）。識(shí)別器輸出的GAL脈沖信號(hào)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(hào)FS-OUT，同時(shí)使判決器門限降為6（P3燈熄）、打開或門、同步器進(jìn)入維持狀態(tài)。在維持狀態(tài)下，因?yàn)榕袥Q門限較低，故識(shí)別器的漏識(shí)別概率減小，假識(shí)別概率增加。但假識(shí)別信號(hào)與單穩(wěn)輸出信號(hào)不同步，故與門1、與門4不輸出假識(shí)別信號(hào)，從而使假識(shí)別信號(hào)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(hào)。實(shí)驗(yàn)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(shí)別器也可能出現(xiàn)漏識(shí)別。但由于漏識(shí)別概率比較小，連續(xù)幾幀出現(xiàn)漏識(shí)別的概率更小。只要識(shí)別器不連續(xù)出現(xiàn)三次漏識(shí)別，則÷3電路不輸出脈沖信號(hào)，維持狀態(tài)保持不變。若識(shí)別器連續(xù)出現(xiàn)三次漏識(shí)別，則÷3電路輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，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(shí)別器第一次輸出的脈沖信號(hào)為假識(shí)別信號(hào)（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(jìn)入錯(cuò)誤的同步維持狀態(tài)，由于本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是連續(xù)傳輸以一幀為周期的周期信號(hào)，所以此狀態(tài)將維持下去，但在實(shí)際的信息傳輸中不會(huì)連續(xù)傳送這種周期信號(hào)，因此連續(xù)幾幀都輸出假識(shí)別信號(hào)的概率極小，所以這種錯(cuò)誤的同步維持狀態(tài)存在的時(shí)間是短暫的。
當(dāng)然，同步保護(hù)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(shí)別器的漏識(shí)別概率也越大。
在維持態(tài)下對(duì)同步信號(hào)的保護(hù)措施稱為前方保護(hù)，在捕捉態(tài)下的同步保護(hù)措施稱后方保護(hù)。本同步器中捕捉態(tài)下的高門限屬于后方保護(hù)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(jìn)行后方保護(hù)。低門限及÷3電路屬于前方保護(hù)，它可以保護(hù)已建立起來的幀同步信號(hào)，避免識(shí)別器偶爾出現(xiàn)的漏識(shí)別造成幀同步器丟失幀同步信號(hào)即減少漏同步概率。同步器中的其它保護(hù)電路用來減少維持態(tài)下的假同步概率。

??? 四、實(shí)驗(yàn)步驟

??? 本實(shí)驗(yàn)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(duì)應(yīng)相連，接通實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(hào)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(shí)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(cuò)一位，重新觀察上述信號(hào)，此時(shí)GAL、÷24、TH、FS應(yīng)不變。使信源幀同步碼再錯(cuò)一位重作上述觀察。（此時(shí)同步器應(yīng)轉(zhuǎn)入捕捉態(tài)，僅÷24波形不變，請(qǐng)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(hào)，此時(shí)斷開電源，再接通電源，可看到÷24波形的下降沿已不再對(duì)準(zhǔn)第一個(gè)數(shù)據(jù)位（相位隨機(jī)），觀察其他信號(hào)可見TH為高電平，F(xiàn)S無輸出。將信源K1從剛才錯(cuò)兩位狀態(tài)還原為僅錯(cuò)一位狀態(tài)，觀察÷24信號(hào)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(hào)相位是否變化。分析÷24信號(hào)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(shí)別器假識(shí)別現(xiàn)象及同步保護(hù)器的保護(hù)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(shí)別器假識(shí)別現(xiàn)象，理解同步保護(hù)電路的保護(hù)作用。

??? 五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求
??? 1. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，畫出同步器處于同步狀態(tài)及失步狀態(tài)時(shí)同步器各點(diǎn)波形。
2. 本實(shí)驗(yàn)中同步器由同步態(tài)轉(zhuǎn)為捕捉態(tài)時(shí)÷24信號(hào)相位為什么不變？
??? 3. 同步保護(hù)電路是如何使假識(shí)別信號(hào)不形成假同步信號(hào)的？
4. 試設(shè)計(jì)一個(gè)后方保護(hù)電路，使識(shí)別器連續(xù)兩幀有信號(hào)輸出且這兩個(gè)識(shí)別脈沖的時(shí)間間隔為一幀時(shí)，同步器由失步態(tài)轉(zhuǎn)為同步態(tài)。
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