04016437-郑志刚-时分复用及帧同步
时分复用系统中帧结构同步理论的研究
时分复用系统中帧结构同步理论的研究作者:张恒来源:《数字技术与应用》2017年第10期摘要:时分复用系统是数字通信系统提高单信道通信速率的重要手段之一。
本文主要对时分复用系统中的帧同步理论做深入研究,为帧结构选取提供理论基础。
关键词:高速率通信;时分复用;帧结构中图分类号:TN929 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2017)10-0045-021 引言复用系统是通信领域的重要研究内容,是提高通信速率的重要手段之一[1]。
随着数字通信时代的兴起,时分复用(TDM,下同)成为信号复用的主要技术手段。
帧同步技术是TDM 系统的难点之一,本文通过对帧状态方程理论的研究,来指导实际应用中帧结构的选择,可以减少实验成本,具有重要的实际应用价值。
2 时分复用基本原理TDM是在时间上将信道划分为不同的时隙,在不同的时隙上间插不同的脉冲信号,依次来实现时域上多路信号的复用[3]。
TDM系统主要由低通滤波器、复接器、编码/解码器、分接器和时钟同步系统等基本组件构成,基本原理如图1所示[2]。
基本工作原理如下:多路输入数字信号经过低通滤波器变成带限信号,之后复用器将并行信号合成高速串行信号,经过编码器编码后送入信道;接收端经过解码器和解复用器恢复出各路信号。
帧结构如图2(c)所示,n路信号经过采样之后经过复用器合并为一路串行信号。
在一个周期内不同时隙间包含n路信号的脉冲信息,单路脉冲的宽度加上脉冲的间隔时间被称为时隙,一个周期内的脉冲构成一帧数据,如图2所示。
3 帧同步的基本原理由上文分析得知,系统在信道传输的帧数据是在某种规则下重排之后形成的(具体的重排规则本文不做过多说明)。
帧数据在信道传输过程中会有噪声、失帧等情况的发生,这样在接收端解复用时就会出现数据混乱的问题,因此帧同步问题在TDM系统中处在十分关键的位置。
3.1 帧结构技术指标我们假定一帧数据有m个时隙,其中n个时隙分配同步码字(帧结构加入的帧结构标志信息),其余的时隙分配给m-n个信道。
数字程控交换技术实验指导书14327解读
图Ⅰ交换系统组成与结构方框图程控交换状态设置电路的组成及工作过程记发器和信令处理器(U101)用来输出扫描信号到薄膜开关输入电路中去,以接收用户的输入命令,同时将当前工作状态以汉字或字符方式输出到液晶屏电路中。
记发器和信令处理器(U101)通过USB接口与PC机进行通信,用于控制下载学生的开发程序。
图1-1是记发器和信令处理器的方框图。
图1-1 记发器和信令处理器的方框图记发器和信令处理器(U101)同时也完成交换命令的转接任务,一方面将主、被叫号码等接续信息,在液晶屏上显示出来;另一方面将主被叫号码译成接续命令送往交换控制器U103。
本实验系统有多种交换方式:人工话务交换、空分交换、数字时分交换和与电信网络通信的市话接口等。
数字时分交换又有三种不同的实现手段:1.时分交换专用芯片实现-时分MT8980;2.数字可编程逻辑技术实现-时分CPLD;3.数字信号处理技术实现-时分DSP。
不同的交换方式和实现手段是通过液晶控制选择切换的。
它们的方框图如图1-2所示。
图1-2 实验系统交换方式方框图在实验箱加电后,液晶屏上显示“欢迎使用程控交换实验……”。
键盘输入电路采用6个按键的薄电话A电话B电话CD或市话膜开关,具体介绍如下。
RESET(复位)将中央处理器进行复位操作。
按键时,液晶背景灯及交换方式指示灯等闪动一下。
START(开始)进入实验中信息交换方式的选择界面。
按下时,即进入了主菜单。
UP(上移)对菜单中的项目进行选择。
按下时,可移动液晶的指示小箭头。
DOWN(下移)作用同上UP键,但移动方向相反。
RETURN(返回)返回上一级菜单。
ENTER(确认)对选中的项目进行确认,进入相应的选择。
交换方式设置的具体操作如下:按一下薄膜开关上“开始”键,进入主菜单状态,显示:图1-3 液晶主菜单项目显示内容按“上”键或“下”键,移动指示箭头,如箭头指向“2.空分MT8816”。
按“确认”键,进入对应的下一级菜单。
04016437-郑志刚-PAM调制与抽样定理实验
PAM 调制与抽样定理实验04016437郑志刚 04016428朱晗东一、实验目的1.掌握自然抽样、平顶抽样特性;2.理解抽样脉冲脉宽、频率对恢复信号的影响; 3.理解低通滤波器幅频特性对恢复信号的影响; 4.了解混迭效应产生的原。
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A63. 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1. 抽样定理简介抽样定理告诉我们:如果对某一带宽有限的时间连续信号(模拟信号)进行抽样,且抽样速率达到一定数值时,那么根据这些抽样值就能准确地还原原信号。
这就是说,若要传输模拟信号,不一定要传输模拟信号本身,可以只传输按抽样定理得到的抽样值。
图1.2-1 信号的抽样与恢复假设()m t 、()T t δ和()s m t 的频谱分别为()M ω、()T δω和()s M ω。
按照频率卷积定理,()m t ()T t δ的傅立叶变换是()M ω和()T δω的卷积:[]11()()()()2s T s n M M M n T ωωδωωωπ∞=−∞=*=−∑该式表明,已抽样信号()m t s 的频谱()M s ω是无穷多个间隔为ωs 的()M ω相迭加而成。
需要注意,若抽样间隔T 变得大于 , 则()M ω和()T δω的卷积在相邻的周期内存在重叠(亦称混叠),因此不能由()M s ω恢复()M ω。
可见, 是抽样的最大间隔,它被称为奈奎斯特间隔。
下图所示是当抽样频率s f ≥2B 时(不混叠)及当抽样频率s f <2B 时(混叠)两种情况下冲激抽样信号的频谱。
(a) 连续信号及频谱(b ) 高抽样频率时的抽样信号及频谱(不混叠)(c ) 低抽样频率时的抽样信号及频谱(混叠)图1.2-2 采用不同抽样频率时抽样信号及频谱2.抽样定理实现方法通常,按照基带信号改变脉冲参量(幅度、宽度和位置)的不同,把脉冲调制分为脉幅12Hf 12HT f =011调制(PAM)、脉宽调制(PDM)和脉位调制(PPM)。
04016437-郑志刚-OQPSK调制解调、QDPSK调制解调、QPSK成型调制解调、MSK调制
系统实验(通信方向)实验报告实验九:O Q P S K、D Q P S K、Q P S K成型调制学号姓名:04016437 郑志刚同组成员:04016428 朱晗东School of Information Science andEngineering Southeast UniversityNovember 20191.1OQPSK调制解调一、实验目的1.掌握OQPSK调制解调的原理及实现方法,和QPSK的区别。
2.分别采用A方式及B方式OQPSK调制,观测调制信号的波形及星座图。
二、实验仪器1.RZ9681实验平台2.实验模块:•基带信号产生与码型变换模块-A2•信道编码与频带调制模块-A4•纠错译码与频带解调模块-A53.100M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 OQPSK调制解调原理在QPSK体制中,它的相邻码元最大相位差达到180°。
由于这样的相位突变在频带受限的系统中会引起信号包络的很大起伏,这是我们不希望的。
所以为了减小此相位突变,将两个正交分量的两个比特DI和DQ在时间上错开半个码元(TS/2),使之不可能同时改变。
这样安排后相邻码元相位差的最大值仅为90°,从而减小了信号振幅的起伏。
这种体制称为偏移四相相移键控(Offset QPSK,OQPSK)。
QPSK和OQPSK信号的相位转移图如图5.2-1所示。
k kQPSK OQPSK图5.2-1 QPSK及OQPSK调制的星座图和相位转移图(B方式)如上图所示,采用OQPSK调制后,相位转移图中的信号点只能沿着正方形四边移动,故相位只能发生π/2的的好。
变化。
相位跳变小,所以频谱特性要比QPSK图5.2-2 OQPSK调制器框图图5.2-3 OQPSK相干解调器框图在OQPSK调制框图中可以看到,和QPSK调制相比,在OQPSK调制时,串并转后后的Q路延时了半个码元(T/2),其他部分和QPSK调制相同。
失锁重捕情况下的GPS接收机快速帧同步方法_施行
算,此处将伪距 ρ1 近似处理为 ρ2 ,快速帧同步的原理 图如图 4 所示。 3. 1 卫星位置的计算
图 3 卫星信号传播示意图
图 4 快速帧同步的原理实现框图
檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾殧
根据卫星星历和卫星信号发射时间,可通过推导
得到卫星的位置( XSat ,YSat ,ZSat ) 。 规化时间
TOW 和位计数 b 通过帧同步确定。
普通帧同步方法是通过寻找子帧边沿,确定接收
信号数据边沿对应的子帧位置。该方法需要等待帧
头,由于帧头复现周期为 6 s,在数据比特流中搜索同
步码时将产生 6 s 的不确定时间,很大程度上加长了 接收机再次定位的时间。
2 GPS 导航接收机快速帧同步方法的 可行性分析
毫秒计数 d。由式( 9) 、式( 10) ,求得接收信号的帧计
数 f 和位计数 b,省略了等待帧头的过程,完成了快速
帧同步。
3 GPS 导航接收机快速帧同步的实现
如图 3 所示,假设 t1 时刻为卫星信号发射时刻,t2 时刻为从本地时钟读取的信号接收时刻,ρ1 、ρ2 分别为 t1 、t2 时刻的伪距,考虑到卫星轨道概略高度为21000 km,即信号传播概略时间约 70 ms,在该段时间内,卫 星变动的径 向 距 离 s ρ1 、ρ2 ,可 得 ρ1 ≈ ρ2 ,为 便 于 计
导航电文中的周计数、周内秒计数和位计数构成连续
精确的时间计量系统,所以可推得 t( s) 。
图 2 所示为卫星发射信号时间的组成部分。
图 2 卫星发射信号时间的组成部分
式( 2) 描述了 t( s) 各个组成部分
t( s)
= TOW + ( mw + b)
时分复用帧同步信号和信令
时分复用帧同步信号和信令
时分复用(Time Division Multiplexing,TDM)是一种多路复用技术,它将不同的信号在时间上进行分割,并依次交替传输。
这样可以使得多个信号共享同一传输介质,提高资源的利用效率。
帧同步信号是用于在接收端对时分复用的信号进行解复用的同步信号。
它可以帮助接收端准确地划分时分复用信号中各个信道的时间片,并提供时钟参考,使得接收端能够正确地恢复原始信号。
信令是指在通信过程中传递控制信息、建立、维护、释放通信连接的过程和协议。
在时分复用系统中,信令可以用于控制时分复用的参数设置、时隙分配、通道切换等功能。
它通常由控制通道承载,与数据通道分开进行传输。
时分复用信号和信令的组合可以实现多路复用系统中的相互作用和协同工作。
时分复用信号通过时分复用技术将不同信道的数据进行分割并混合在一起进行传输,而信令则提供控制信息,使得传输端和接收端能够正确地处理时分复用信号。
这样可以实现多个信道的同时传输和控制,提高系统的容量和灵活性。
需要注意的是,具体的实现方式和协议可能因系统的不同而有所差异。
时分复用和信令可以应用于各种通信系统中,例如电话系统、数据通信系统等。
信息科学与工程学院2018-2019三好生、优秀学生干部、三好
无 90.5
90.5 优
三好学生
20 施霁桐 04016405 3.46 149/255 95
无 92.7
92
优 三好学生
21 陈衍 04016415 4.52 3/255 94
无
94
90.5 优 三好学生
22 郑志刚 04016437 4.40 9/255
90
无 92.3
91.8 优
三好学生
23 侯宏卫 04016534 4.06 57/240 85
93 94.0
94.0 优
三好学生
56 张猛 04018129 4.35 4/248
93
80 95.0
95.0 优
三好学生
57 顾昊 04018132 4.32 5/248
93
95 95.0
95.0 优
三好学生
58 倪雪楠 04018206 3.83 34/248 86
92 93.4
93.3 优
三好学生
无
90
91.5 优 三好学生
24 李想 04016543 4.53 2/240
91
无 90.5
91.5 优
三好学生
25 张弘毅 04016544 4.19 33/240 91
无 91.3
90.3 优
三好学生
26 时宇博 04016619 4.30 20 /240 86
无 90.5
90.3 优
三好学生
73 邵栩宁 04018719 3.95 25/248 89
92 94.7
93.5 优
三好学生
74 黄婧佳 04217703 4.38 2/41
86
85 93.8 93.3 优 三好学生
基于反射型时分复用的激光器波长调制解调的设计
基于反射型时分复用的激光器波长调制解调的设计孙超;丁建军;张冈;陈幼平【摘要】该文基于一种反射型的时分复用气体检测模型,该模型首次使用单根光纤完成了多点的气体体积分数检测,针对该模型设计了一种适用于多点检测的高频脉冲光源驱动及调制解调电路,该设计方案适用于基于光纤的时分复用多点谐波检测.实验证明,在保证能够对准吸收峰情况下,该调制解调方案具有高的线性度,并且满足稳定度的要求.【期刊名称】《仪表技术与传感器》【年(卷),期】2018(000)007【总页数】5页(P119-122,126)【关键词】光谱吸收;反射型时分复用;波长调制解调;多点测量【作者】孙超;丁建军;张冈;陈幼平【作者单位】江汉大学物信学院,湖北武汉 430056;华中科技大学,国家数控技术工程研究中心,湖北武汉 430074;江汉大学物信学院,湖北武汉 430056;华中科技大学,国家数控技术工程研究中心,湖北武汉 430074;华中科技大学,国家数控技术工程研究中心,湖北武汉 430074【正文语种】中文【中图分类】TN9130 引言当光经过待测气体时,若光源光谱与待测气体的吸收谱线有部分重合,重合部分光能量将被待测气体吸收,输出光强将减弱,这种气体对特定波长光能量的吸收作用满足Beer-Lambert定律。
通过使用单个窄线宽激光器通过调谐二极管激光器的输出波长在所关注的特定气体的隔离吸收线上扫描来获得测量结果。
本文基于气体分子的吸收光谱理论,利用特定波长的光与气体分子的吸收作用的原理可用于检测气体的体积分数[1-2]。
光谱吸收型时分复用的实现首先将激光器驱动信号调制成为脉冲信号,脉冲信号的频率和占空比由传感器个数决定,当脉冲信号输入到光纤,光耦合器和气室组成的拓扑阵列,为了防止接收到的各个光脉冲信号互相干扰,要求输入光脉冲的宽度小于相邻传感器间的光信号传输间隔时间,由于通过各气室的光路中光纤长度不同,会在返回信号产生一定的延时,在光探测器接收端将会形成光脉冲序列,其中每个光脉冲对应光纤上耦合的一个气室的信息,并且可以得到吸收气体的气室在光纤上的地址,输出光脉冲强度即反映出该气室中待测气体体积分数。
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改进的时分长期演进系统定时同步算法田增山;陈波;袁正午【摘要】针对现有时分长期演进(TD-LTE)系统定时同步算法复杂度过高以及抗频偏性能较差的问题,提出一种基于辅同步信号(SSS)时域共轭对称性的定时同步算法.该方法对接收信号本身进行滑动共轭对称相关运算,在明显的相关峰值处捕获SSS,然后利用捕获到的SSS的位置联合小区组内ID检测,实现循环前缀(CP)类型的判决,从而完成了定时同步.理论分析和仿真结果表明,该方法具有很强的抗频偏性能、低复杂度,且较常规算法可靠性有了很大提高,同时在多径信道下性能良好.该方法已成功应用于TD-LTE第三方终端探测系统中,验证了其可行性.【期刊名称】《计算机应用》【年(卷),期】2014(034)007【总页数】5页(P1974-1977,1987)【关键词】时分长期演进;定时同步;辅同步信号;循环前缀类型【作者】田增山;陈波;袁正午【作者单位】重庆邮电大学通信与信息工程学院,重庆400065;重庆邮电大学通信与信息工程学院,重庆400065;重庆邮电大学通信与信息工程学院,重庆400065【正文语种】中文【中图分类】TN929.50 引言作为第3代移动通信的演进系统,3GPP长期演进(Long Term Evolution,LTE)系统弥补了3G与4G之间的巨大技术落差,为3G技术向4G技术的平滑过渡提供了平台,具有峰值速率高、传输时延短等重要特点[1-3]。
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【总页数】4页(P1-4)
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【正文语种】中文
【中图分类】TM73
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基于全双工以太帧间隔的源同步时钟传输方法
基于全双工以太帧间隔的源同步时钟传输方法陈健;张俊杰;宋英雄【摘要】A souse synehronized clock transmission method is proposed based on inter-packet gap (IPG) of Ethernet running in a full-duplex mode.A synchronous residual time stamp (SRTS) is adopted as the clock transmission algorithm. The characteristic of the new method is immune to fluctuation for in- band Ethernet traffic. Parameters of the SRTS algorithm used in Ethermet IPG and the output jitter waveform of recovered clock are determtined by using continued fraction. Simulation results and field programmable gate array ( FPGA ) implementation are given to decmonstrate high quality of the recovered clock.%提出在全双工以太物理层中,基于以太帧间隔(inter-packet gap,IPG)的固定比特率业务同步时钟传输方法.该方法引入同步剩余时戳(synchronous residual time stamp,SRTS)算法,是一种不受以太分组流量影响的带外时钟传输方法.通过连分数展开分析恢复时钟的各阶抖动成分,给出基于以太帧间隔的同步剩余时戳算法的参数选择方法,并通过软件仿真和现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)硬件实验证明了其优良的同步性能.【期刊名称】《上海大学学报(自然科学版)》【年(卷),期】2011(017)001【总页数】8页(P44-50,56)【关键词】帧间隔;同步剩余时戳;源时钟同步【作者】陈健;张俊杰;宋英雄【作者单位】上海大学,特种光纤与光接入网省部共建重点实验室,上海,200072;上海大学,特种光纤与光接入网省部共建重点实验室,上海,200072;上海大学,特种光纤与光接入网省部共建重点实验室,上海,200072【正文语种】中文【中图分类】TN919.3本研究提出的基于全双工以太帧间隔 (interpacket gap,IPG)源时钟同步方法具有定时精度高、抖动低及易于实现的特点.本研究从基于以太 IPG数据传输的原理入手,介绍了 IPG数据在以太 PHY层的接入位置和数据帧格式,进而引入同步剩余时戳 (synchronous residual time stamp,SRTS)的时钟同步方法.对适应以太 IPG数据传输的 SRTS算法的参数选择详细地进行了分析和仿真,给出了源时钟和恢复时钟的实验对比结果,并证明了本研究提出的源时钟同步方法具有不受以太网中分组流量和分组交换的延迟变化影响,不占用以太分组的带内带宽的优点,是一种在点对点全双工以太网中带外传输源同步时钟的新方法.IEEE 802.3协议最初定义 IPG[1]的目的是为了在 PHY层上分隔 2个相邻的数据包,以使所有处于同一以太网段的站点可以探测到不活动的载波,解决半双工模式的冲突检测问题.对于全双工方式的以太网,由于不存在信道的争用,因此,MAC子层的载波监听多路访问 /冲突检测 (carrier sense multiple access/collisiondetect,CSMA/CD)算法失去了应有的作用,保留的以太网络 IPG只起到继承 10M 以太网MAC协议的目的.百兆快速以太网可以采用全双工方式进行工作,而光纤方式的千兆以太网和万兆以太网只能采用全双工工作方式,MAC帧之间的IPG在PHY层被 12字节的空闲码字替代,以提供对端 PHY层接收码流的连续性,便于时钟恢复电路从接收码流中获得定时信号.由此可见,在 IPG中插入有用的数据,可以提供特殊的传输通道[2],此时PHY层码流还是连续的,只是替代了原来的空闲码型数据,不会使时钟恢复电路的性能变差.一般的以太 PHY层器件均通过 xM II接口与MAC层器件连接,因此,在充分利用现有器件的基础上,通过在MAC层和 PHY层的 xM II接口间串接一个 IPG数据模块,即可将 IPG数据接入点到点的以太传输通道中.为了让 IPG数据模块容易地识别出属于自己的数据帧,可以安排有别于正常以太帧前导码的 2字节码字作为 IPG数据帧的前导码,IPG数据帧携带的数据可以是 6字节,或者是 5字节数据加 1字节CRC-8校验.为了产生可靠的帧定界物理层信号,需要在 IPG数据帧的前后各留 2字节的空闲码,这样就形成了插入数据的 12字节帧间隔(见图 1).实际上,无论 PHY层速率是多少,IEEE 802.3协议的 IPG间隔都是 12字节.如果接收时对插入数据的 IPG不作任何处理,MAC层会丢弃这些插在IPG中的数据,原因是 IPG数据帧的长度小于正常以太帧最小的 64字节长度.此时,除了产生一个MAC 层的出错记录外,对原有的以太数据传输不会产生任何影响.本研究中的时钟同步分析及实验均以100BASE-T为例说明,IPG数据同样可以接入到全双工千兆以太网中.此时,除了 PHY层中物理编码子层 (physical coding sublayer,PCS)以 8B/10B编码代替了百兆以太网的 4B/5B编码外,其他方面基本与百兆以太网相同.将源时钟的信息 (如时戳值[3])通过 IPG数据模块 (带外)或以太网正常数据帧 (带内)传输是两种可行的同步方法,但均不是最佳的方法.因为,这两种方法需要在目的地用异步时钟重建一个时戳,通过重建时钟产生的时戳与接收到的源时戳不断地相互比较,最终同步到源时钟上.此时,带内传输方法时戳值的到达时间将受变化的分组传输延时影响,而带外传输方法虽不受分组延时影响,但对重建源时钟的环路控制参数依赖性很大[4].如果能利用全双工以太网中 PHY层接收时钟同步于发送时钟的这一特点,就能利用类似异步传输模式 (asynchronous transfer mode,ATM)协议中的SRTS算法[5]获得直接的源同步信号,从而将避免上述时戳同步方法的缺点.2.1 基于 IPG的剩余时戳同步原理SRTS算法是 ATM标准中规定的电路仿真时钟同步方法之一[6].SRTS将源时钟与公共时钟在发送端的频率比值关系传给接收端,接收端利用可获得的公共时钟及频率比值关系恢复出源时钟频率.比值关系通过异步计数的方式实现.由于源时钟频率与公共时钟频率不一定成整数倍关系,因此,在每个源时钟周期内对公共时钟的连续计数必然产生整数和非整数部分,非整数部分在以后的多个源时钟周期内不断累积,最终产生了可变的整数计数值.SRTS算法将这些可变整数计数值以模的余数形式传递给接收端;而模的商则不需要传输,因为接收端只要已知源时钟频率就能事先确定一个最小的商数,这样就减少了在ATM中传输电路仿真同步信息的开销.由于在每个源时钟周期内对公共时钟是连续计数的,因此不会引起截断误差和累积误差.利用全双工以太网中网络接收端 PHY层恢复的时钟同步于发送端时钟这一特点,即公共时钟是通过链路提取的,可将发送端的同步业务源时钟频率与以太网物理时钟之间的关系通过带外的 IPG数据传给接收端,实现在接收端对同步业务源时钟频率的精确恢复.基于 IPG的同步剩余时戳传输如图2所示.假设源时钟 fS在 N分频后的第 n个周期内有Mn个 f0时钟周期,f0=fT/x,fT为以太网发送端的时钟频率,x为分频数,则一般情况下,Mn不一定为整数.由于 fS和 f0是2个异步时钟,fS的上沿会在 f0脉冲的任何地方出现,对 f0脉冲计数的计数器在后续输入脉冲到来前会保持当前的计数值,在 2个 f0脉冲的中间出现的计数使能信号 (fS的上沿)将引起对f0的非整数计数.因此,定义 Qn为第 n次计数的整数部分,它是第n次计数值Mn加上第 n-1次计数的小数部分 dn-1取整的结果,而第 n次计数的小数部分 dn为式中,」表示取小于等于某数的最大整数,即floor(·)函数.将式 (2)迭代求和,可得由于0≤di<1,因此式 (5)的不等式两边同时除以 n,取n→∞,可得由式 (6)可得,只要取样数目足够多,每周期的非整数Mn的平均值与每周期的整数Qn的均值是一样的,如果 Mn为容差 [Mmin,Mmax]中的固定值 Mc,则Qn的长期平均值等于真实的 Mc值.因此,式 (2)反映了 2个异步时钟之间的正确计数关系.由于没有简单地舍去每周期计数的小数部分,而是不断地将其累积,因此,经过长期平均能够达到传输Mn精确值的目的.由于 fS是固定比特率业务的源时钟频率,假设其频率稳定度为±ε,因此,第 n次的计数值 Mn介于M的最小值和最大值之间,即Mmin≤Mn≤Mmax. (7)由于计数的小数部分 dn和 dn-1介于 0和 1之间,将式 (7)代入式 (3),可得因此,在源时钟 N分频后的一个周期内,以脉冲 f0的周期为最小计数单位的脉冲计数值 Qn至少为└Mmin」.如果用 P来表示 Mn-Qn的剩余部分,则其表示的范围必须覆盖Mn-Qn的任何取值.极端情况下 ,Mn可取└Mmin」,同时 Qn取└Mmax」+1,因此 ,P至少满足基于 IPG源时钟同步信号的产生方法,是在发送端建立一个以 f0脉冲周期为最小计数单位的,模为 2P的时戳生成电路,计满 2Pbit后,QT计数器计数加 1.当源时钟的N分频信号上沿到来时,将 P bit计数器的当前计数值锁存起来,作为本次剩余时戳的RTS数据.这样,式 (3)中的 Qn可表示成经历了 QTn个 2Pf0周期加上 RTSn-RTSn-1个额外 f0周期,即基于 IPG传输的数据量比 ATM头部可携带的数据量多很多,因此,同时传输商数QT和余数 RTS的好处是,接收端无需预知同步业务的频率就能恢复出发送端的同步时钟,这也是与 ATM中只传输RTS的区别之处.在接收端,由于以太网 PHY层恢复出的时钟 fR同步于发送端的时钟 fT,fR经 x分频后得到与发送端同频的 f0,因此可以产生一个与发送端相逆的时钟恢复过程.最后,使用锁相环电路 (phase locked loop,PLL)将恢复出的频率乘 N倍,从而恢复出固定比特率业务的源时钟频率 fS.2.2 基于 IPG的剩余时戳同步算法的参数选择在基于 IPG的剩余时戳同步算法中,必须确定参数 P,N,x的选择范围.文献 [7]指出,如果 f0/fS<4.9,且 P最多为 3 bit时,将具有符合 I.363.1中规定的抗信元丢失能力,这里 P的选择由式 (9)决定.一般而言,源时钟的频率稳定度±ε并不是很大,└Mmin」与└Mmax」相差很小 ,选取 1字节的 P值不仅可以满足式 (9)的要求,而且可以使 f0和 fS的比值更大,这将明显降低由量化误差引起的抖动.由于以太网中 IPG的出现不是固定的,是随不同大小以太帧出现频次的变化而变化的,因此,源时钟N分频后的时间间隔必须大于 2倍的最长以太帧持续时间,才能保证接收端不会发生接收缓冲下溢现象.而如果在源时钟N分频后的时间间隔内有多个以太帧,则可忽略中间的 IPG,只利用剩余时戳产生后的第一个 IPG就可以至少传输一个源时钟剩余时戳.以全双工 100BASE-T为例,包括前导码的最小以太帧长 72字节,最长1 526字节.这样,N可取512.由于接收端接收到的同步剩余时戳编码流只是源时钟相对于公共时钟的瞬时相位的近似值,因此,在接收端恢复出的源时钟中通常会出现抖动.当 Mn的小数部分为 0,即 R=Mn-└Mn」=0或Qn=Mn时,则每次采样不会有相位变化,可准确恢复源时钟.但是,当R≠0时,则每次时戳采样的取整运算存在余数,会发生相位变化,经过若干个时戳采样周期后,相位的累积将达到或超过一个 f0周期的单位间隔 (unit interval,U I),而一旦超过,累积相位就会减去一个 f0周期的单位间隔,而这时正是时戳采样Qn=Mn+1时期.因此,累积相位误差的最大值是一个 f0周期的单位间隔 (U Ip-p).对于某种特定频率的同步业务时钟 fS和由最大 IPG间隔确定的 N,以太网发送时钟 fT的分频数x决定了 f0,从而又确定了Mn及其余数 R.文献[8]认为,与累积相位误差的幅度值相比,低频抖动的频率更值得关注.分频数 x 对低频抖动的频率影响很大,Mn的余数 R的取值范围为(0.41,0.44),可使锁相倍频滤波后的抖动均方值达到最佳.对于一个频率稳定度为±ε的,固定比特率业务的源时钟频率 fS,假设Mn的标称值为Mnorm,即以全双工 100BASE-T以太网传输 E1时钟信号为例 ,设 fT=25.000Mbit/s,fS,norm=2.048 Mbit/s,N=512,按照式 (11)寻找最佳分频数 x,使0.41≤Rnorm≤0.44.经计算机编程寻找到的最佳分频数 x为 9.考虑到 E1时钟信号频率的容限范围,本研究在2.047 8~2.048 2 Mbit/s范围内每隔100 Hz作一次 x 的搜索,可得 x取值为 1,3,4,9.下面通过对相位抖动频率和抖动幅度的仿真试验对 x 的取值作进一步的分析.2.3 剩余时戳的相位抖动仿真结果与性能分析在 ITU-T I.363.1中规定,1≤f0/fS<2.实际上,在基于 IPG的剩余时戳同步算法中,由于有足够多的字节空间可以携带剩余时戳的余数和商数,因此,f0完全可以取到最大值,即 x=1.选取分频数 x的标准是,由其确定的余数 R是否会产生很低频率的相位抖动或很大的抖动幅度.因为较高频率的相位抖动更容易被锁相倍频的低通滤波器滤除,而较低的频率则不易被滤除.利用Matlab软件对上例中的 x从 1~12取值,计算在 E1标称频率下,相位抖动的阶数和各阶抖动的幅度.仿真结果表明,只要 E1的时钟频率偏离其标称频率,原来的零余数就不再为 0了,并且出现了相位的低频抖动成分.可见,单纯由源时钟的标称频率求解最佳分频数不符合实际情况,实际的源时钟频率可能在允许的频率稳定度范围内取任何值.因此,需将 E1时钟频率在 2.047 8~2.048 2 Mbit/s范围内每隔几十 Hz作一次相位抖动成分分析,并按照0~3阶抖动成分分别作图比较.图 3显示了 x=1时相位抖动的分布情况.虽然抖动的频率在整个分析的频带内都有分布,但是,0阶抖动的幅度比 x取其他值时都小,1阶以上抖动幅度则更低.x=3,4,9时的 0阶或 1阶抖动的频率集中在 0~800 Hz,幅度为 0.2~0.4 UIp-p.而在其他分频数情况下,低频抖动幅度均大于 0.2 UIp-p,有些甚至达到 0.8 UIp-p左右.因此,基于 IPG的 SRTS算法的最佳参数选择需在源时钟频率容限范围内仔细搜索,而不只是针对源时钟的标称频率.如果有多个网络时钟分频数能使余数落在 0.41~0.44范围内,即使它们的相位抖动性能很接近,还是要作进一步的相互比较,选出最佳值.图 4显示了 E1时钟频率为 2.047 932 5 MHz,网络时钟分频数 x=1时,0,1和 2阶相位抖动的仿真波形.这些抖动波形是由于剩余时戳算法对余数取整所引起的.当网络时钟为 25 MHz时,f0=25 MHz,N=512,Mn的近似值是 6 250.206 000 4,取整后的 Mn为 6 250,余数R=0.206 000 4≈975/4 733.根据文献[9],将其展开成连分数形式,即由图 4(a)可见,0阶抖动由 4个 Mn=6 250和1个Mn=6 251的相位波形(R0=1/5)构成的三角形组成.0阶抖动的周期为 5个N/fS≈1.25 ms,频率约为 800 Hz,0阶抖动的最大幅度约为 0.065 UIp-p(一个 U Ip-p为 f0的周期,即 40 ns).因此,基于IPG的剩余时戳算法的 E1恢复时钟的理论,同步精度为2.6 ns.由图 4(b)可见,1阶抖动由 6个 0阶抖动波形(R0=1/5)和1个R′0=1/4的相位波形构成的三角形组成.1阶抖动的周期约为 33个N/fS≈8.25 ms,频率约为 120 Hz,最大幅度约为0.015 U Ip-p.由图 4(c)可见,2阶抖动由 6个 1阶抖动波形(R0=7/34)和1个R′1=6/29的相位波形构成的三角形组成.2阶抖动的周期约为 230个N/fS≈57.50ms,频率约为 17 Hz,最大幅度约为 0.002 UIp-p.实际上,抖动仿真中还存在 3阶以上的相位抖动,但由于其频率和幅度比前 3阶更低,对恢复的固定比特率业务时钟精度产生的影响可以忽略不计,而前 2阶相位抖动是恢复时钟精度的主要决定因素.按照第 2节叙述的 IPG数据传输原理,可在全双工以太网的MAC层和 PHY层之间插入一个中间处理模块来实现 IPG源时钟的传输,而原来全双工以太网的 PHY层和MAC层的接口芯片可不作任何修改.在图 5所示的 IPG源时钟传输实验方案中,KS8995是一块集成了 5个百兆以太网口的网络交换芯片,其作用是实现 PHY层和MAC层的连接及MAC交换功能.由于 KS8995能提供M II接口上的信号,因此,由现场可编程门阵列 (field p rogrammable gate array,FPGA)构成的中间处理模块能利用这些接口信号完成MAC层与 PHY层的连接.按照以上设计思路,本研究开发了一套硬件实验电路板,并对 A ltera公司的EP1C3T144C8 FPGA芯片进行了 IPG数据发送和接收电路的编程.实验测试分 3个步骤:①利用电子设计自动化(electronic design automation,EDA)工具ModelSim模拟仿真;②使用 FPGA开发软件固有的信号跟踪器 SignalTap对FPGA的数据处理情况进行跟踪;③使用示波器进行实际测量.3.1 发送端设计发送端实体主要包括网络交换芯片 KS8995和FPGA.KS8995为M II接口信号的提取提供了接口,FPGA负责产生业务时钟的同步时戳并实现在 IPG时间段的数据插入功能.发送端的 FPGA内部逻辑结构如图 6所示.MAC层数据从M II接口输出后,FPGA 对其进行缓冲,以保证有时间判断链路上的 IPG是否到来.业务时钟通过分频后的触发信号来决定是将下行数据直通 PHY层还是使用同步时戳数据替换 IPG中的空闲字段,其中同步时戳是由本地 25 MHz发送时钟计数得到的.为了获得稳定的计数值,本地振荡器应具有足够好的频率稳定性和抖动容限,才能使由本地振荡器获得的发送时钟具有较好的品质.3.2 接收端设计接收端实体同样由网络交换芯片 KS8995和FPGA构成.KS8995的功能与发送端芯片完全相同,但FPGA的功能与发送端不同,其目的是还原业务时钟.接收端的 FPGA内部逻辑结构如图 7所示.来自 PHY层的数据在传给MAC层的同时,提取插入的同步信息数据,然后将低频时钟恢复,再通过数字锁相环构成的倍频单元恢复业务时钟.3.3 实验结果利用 Altera公司的 FPGA设计软件 Quartus自带的SignalTap工具,抓取实际FPGA里恢复的同步信息 (见图 8).图中第 2排即为业务时钟同步信息数据,显示为十六进制 55 aa 18 6a 00 aa,共 6字节,其中前两字节 55 aa代表用于识别的包头,中间的 18 6a为同步用的时戳信息,00为空余字节,aa供CRC8校验使用 (测试时未加入).发送端的业务时钟 fS采用 2.048MHz的频率,则 512分频后为 4 kHz的频率;然后用发送端的时钟 fT=25MHz对 4 kHz进行计数,则在一个周期内的典型脉冲数为 0x186a.图9显示了源时钟与恢复时钟的实测对比.测试结果表明,当源时钟平均抖动为 500 ps时,恢复时钟能控制在 5 ns以下,与理论仿真结果一致.本研究提出的基于全双工以太网 IPG的源同步时钟传输方法,充分利用了全双工以太网中的 IPG和接收时钟同步于发送时钟 PHY层的特点,结合SRTS算法不会引入截断误差和累积误差的优势,将源时钟在接收端完整恢复.本研究所提出的同步方案是一种不受以太分组流量影响的新的带外同步时钟传输方法.【相关文献】[1] IEEE Standards Association. 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系统实验(通信方向)实验报告实验三:时分复用及帧同步学号姓名:04016437 郑志刚2.1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•信源编码与复用模块-A3•信源译码与解复用模块-A63.100M双通道示波器4.信号连接线5.PC机(二次开发)三、实验原理在数字通信中,为扩大传输容量和提高传输效率,通常需要把若干低速的数据码流按一定格式合并(时分复用)为高速数据码流,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。
在时分复用中,把时间划分为若干时隙,各路信号在时间上占有各自的时隙,即多路信号在不同的时间内被传送,各路信号在时域中互不重叠。
把两个或两个以上的支路数字信号按时分复用方式合并成单一的合路数字信号的过程称为数字复接,其实现设备称为数字复接器。
在接收端把一路复合数字信号分离成各路信号的过程称为数字分接,其实现设备称为数字分接器。
数字复接器、数字分接器和传输信道共同构成数字复接系统。
本实验平台中,模块A3集成了数字复接器,模块A6集成了数字分接器。
3.1 数字复接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;按照复接时各路信号时钟的情况,复接方式可分为同步复接、异步复接与准同步复接三种。
本实验中选择了按帧复接的方法和方式。
下面介绍一下“按帧复接”方法和“准同步复接”方式的概念。
按帧复接是每次复接一个支路的一帧数据,复接以后的码顺序为:第1路的F0、第2路的F0、第3路的F0、第4路的F0、……,第1路的F1.第2路的F1.第3路的F1.第4路的F1.……,后面依次类推。
也就是说,各路的第F0依次取过来,再循环取以后的各帧数据。
这种复接方法的特点是:每次复接一支路信号的一帧,因此复接时不破坏原来各个帧的结构,有利于交换。
同步复接指被复接的各个输入支路信号在时钟上必须是同步的,即各个支路的时钟频率完全相同的复接方式。
为了接收端能够正确接收各支路信码及分接的需要,各支路在复接时,插入一定数量的帧同步码、告警码及信令等,PCM基群就是这样复接起来的。
准同步复接是在同步复接分接的基础上发展起来的,相对于同步复接增加了码速调整和码速恢复环节。
在复接前必须将各支路的码速都调整到规定值后才能复接。
本实验中数字复接系统方框图,如下图所示:图2.1-1 时分复用解复用方框图定时单元给设备提供一个统一的基准时钟。
码速调整单元把速率不同的各支路信号,调整成与复接设备定时完全同步的数字信号,以便由复接单元把各支路信号复接成一个数字流。
本实验中,码速调整单元将PCM 编码数据、CVSD 编码数据、拨码器开关设置的8BIT 数据都调整为同步的256KHZ 码元,然后复接进同一个数据码流中,并在第1路时隙中加入帧同步信号.本实验中同步复接的帧结构如下图所示。
01111110x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x 125us帧头PCM 8bit CVSD一帧4路数据x x图2.1-2 时分复用帧结构一帧数据中有4个时隙,速率256Kb/s ,每个时隙数据速率:64Kb/s 。
本实验平台一帧数据复用了三个用户:PCM 用户、开关量用户、CVSD 用户; 3.2 数字分接(解复接)数字分接(解复接)由同步、定时、分接和恢复单元组成。
同步单元的功能是从接收信码中提取与接收信码同步的码元时钟信号。
定时单元的功能是通过同步单元提取时钟信号,产生分接设备所需要的各定时信号,如帧同步信号、时序信号。
分接单元的功能是把复接信号实施分离,形成同步支路数字信号。
恢复电路的功能是把被分离的同步支路数字信号恢复成原始的支路信号。
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 实验框图说明下图为时分复用的实验原理框图:发定时调 整复 接发定时分 接恢 复同 步PCM 8bit CVSD3P96P8PCM 8bit CVSD帧同步图2.1-3 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。
注:在流程图中:“DDS信号源”按钮用于选择PCM和CVSD编码的模拟信号;“帧头”按钮用于设置同步帧头数据,要求收发帧头数据必须相同;“8bit”按钮用于设置开关量;“8-LED”按钮用于选择A6模块解复用数据指示灯显示什么内容;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、实验内容及步骤5.1实验准备(1). 实验模块在位检查在关闭系统电源的情况下,确认下列模块在位:● 信源编码与复用模块-A3 ●信源译码与解复用模块-A6(2). 加电打开系统电源开关,模块右上角红色电源指示灯亮,几秒后模块左上角绿色运行指示灯开始闪烁,说明模块工作正常。
若两个指示灯工作不正常,需关电查找原因。
(3). 选择实验内容使用鼠标在液晶上根据功能菜单选择:实验项目->原理实验->信道复用实验->时分复用实验,进入到时分复用实验页面。
(4). 信号线连接:使用信号连接线按照实验框图中的连线方式进行连接,并理解每个连线的含义。
5.2 时分复接观测(1). 同步帧脉冲及复接时钟观测用示波器一个通道测量3TP7帧脉冲,并作同步;另一通道观测复接后时钟3TP8。
观测帧脉冲宽度?一帧数据包含的时钟个数?复接后时钟速率?分析:帧脉冲的频率为8KHz ;帧脉冲每个周期宽度为125us , 一帧数据包含了32个时钟;复接后的时钟速率为8*32=256KHz 。
(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”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(0x7E )” ,“11100100(7巴克码+1bit 0)”。
A3A2A4A6A5A1分析:每个帧脉冲周期内的前八个比特的数据应该是帧头,通过单独改变帧头的数据观察示波器的变化,发现帧头的起始位置就是在每个帧脉冲的上升沿。
上图所示,我们将帧头数据分别设置为“01111110(0x7E)”,“11100100(7巴克码+1bit 0)”,在示波器的每个帧脉冲的下降沿开始我们发现复接数据分别为“01111110(0x7E)”,“11100100(7巴克码+1bit 0)”,即帧头的位置(已在图中标出)。
(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;分析:每个帧脉冲周期内的第三个时隙的数据应该是8bit,单独改变8bit数据,图示为改变8bit数据为01110110的观测,位置已经在图中标识出。
(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。
首先观察复用信道时隙2和4的PCM编码数据和CVSD数据:10010011、11010101拔掉3P1(没有PCM编码输入):01010100、01010100拔掉3P2(没有CVSD编码输入):01101010、01010101拔掉3P1和3P2(没有PCM和CVSD编码输入):01000100、10101010分析:可以看出在拔掉3P1或者3P2的情况下,复用数据都相较之前发生了变化。
5.3 时分解复接观测(1).解复用同步帧脉冲观测单击解复用“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。
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。
在后续帧同步实验中会详细讲解该内容。
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。
结束该步骤时,恢复帧头同步状态,继续完成下面步骤。
分析:CH1接复用端的帧脉冲,CH2接解复用端的帧同步脉冲,如上图所示。
我们可以看到两个帧脉冲周期相同,脉冲宽度相同,只存在一个延时,是同步的。
同时A6模块上“FS”指示灯状态为常亮状态也证明了这点。
拔掉6P8接口上的复接数据,6TP6没有帧同步脉冲,“FS”指示灯常灭,因为没有解复用数据的输入,所以无法解复用。
修改解复用“帧头”数据为和复用端不同的帧头数据,6TP6也不存在帧同步脉冲,因为解复用端按照自己的帧头数据去提取复用数据中的帧头,之后再进行位同步和帧同步操作,但是自己的帧头数据不包括在输入复用数据中,因此无法读取到帧头数据,无法解复用。
(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。