（信息与通信工程专业论文）高速误码率测试仪的接收子系统设计与实现.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 高 澎 误 码尊 钡 ( 试 仪 是针 对“ 地 面 站 综 合处 理 终 端 拉 术” 项目 系 统 方 案的 要 求， 为 其中 的 高 速 调制解调器， 设计实 现的一台 数据传输速率为3 0 0 m b / s 的 误 蒸 溥 濒组 试仪器。 它可以 有效的 检验该系 统的 可靠 性， 还可应 用于 其它高 速通 信系 统。 本课题的 任 务是 设计 与 实 现葵李邸拟凉统中 高 速信 号的接收和处理。 本文在研究了 高 速数 据分接 和 帧同 步 基 本原 理的基础上， 将f p g a扮概口 e c : l 电 路 设计 相结 合。 通 过高 速 分 接 芯 片 来 实 现 数 字分 接， f p g a实现信号处理。 文中介绍了高 速电路 设计的思 想和f p g a 设计的一般方法， 给出了接收子系统的具体设计方案和硬件实现， 并指出了 系统需要进一步改进的方面。 关 键 词: 住 f g a 技 术 数 字 分 接 帧同 步 第 i页 国防科学技术大学研究生院学位论文 t h e h ig h - s p e e d b i t - e r r o r -r a t e t e s ti n gi s d e s ig n e d f o r h ig h - s p e e d m o d e m i n t h e s c h e m e o f . ,d y e in t e g r 咖 o f e a r t hw h i c h d a t a - r a t e r e a c h e s 3 0 0 mb / s e i t n o t o n l y c a ns y s te m , b irt a l s o c a n b e a p p li e d t o th e o t h e r s y s te m t h e m i s s io n o f 此 p ro j e ct is t o d e s ig n a n d re a liz e th e r e c e iv in g s u b sy s te m o f t h e b i t - e r r o r - r a t e t e s t in g o n b a s ic o f r e s e a r c h in g t h e p ri n c ip l e o f h i少s p e e d d i g i t a l d e m u l t i p l e x e r a n d f r a m e s y n c h r o n i z i n g , c o m b in in g t h e f p g a te c h n o l o g y a n d此e c l c ir c u it d e s ig n . t h e h i 沙 s e r ia l- t o - p a ra ll e l co n v e rt c h ip s re a li z e s d i g i t a l d e m u l t i p l e x a n d翻 f p g a r e a l= d ig it a l s ig n a l .t h i s p a p e r i n t ro d u ce s 触 t h o u g h t o f th ecu= d e s ig n a n d th e b a s i c a l m e t h o d o f th e r 吧人d e s ig n .f 0m a ll y ,t h e p a p e r g iv e s 触 s e b e rn e a n d b a n t w a reo f t h e r e ce i v in g s u b s y s t e m a n d p o in ts o u t 加s id e n e e d e d to i m p r o v e in t h e k e y w o r d s : e c l f p g a t e c h n o l o g y d i g i t a l d e r n u l t i p l a x f r a m e s y n c h r o n i z e 攘 狂 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的 研究工作及取得 的研究成果。 尽我所知，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 经发表和撰写过的 研究 成果， 也不包含为获得国防 科学技术大学或其它 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 何贡献均已在论又中作了明确的说明并表示谢意 学 位论文 题目 : 高 速 误 码率测 试仪的 接收 子系 统的 设计与 实现 锹掀储斜: 0 h i n m : w 3 年以 川 1 p 学位论文版权使用授权书 本人完全了 解国防科学技术大学有关保留、 使用学位论文的规定。 本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电 子 文档， 允许论文被查阅和借阅;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 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。 ) 学 位论文 题目 : 高速误码率 测试仪的 接收 子系统的 设计与实现 学位论文作者签名: 作者指导教师签名: 舞 一 里 鱼 王专 日 期: 日期: z v 3 年i i 月了 日 “ ，; 年! i 月 i ) 日 国防科学技术大学研究生院学位论文 图目录 图2 . 1误 : 3墩 u c 结 构图一 ”. ，. ” . . . ，. . . . . . 一 “ “ 一 ，-. . . 一，. .一 :. ” . . 6 图3 . 1数字复 接 设备简图“ . ，一“ .，一 ，一 “ ， . . -.甲 . “ -. 一 -.一” 一 ，.“ ，. “ ，. ，. 一“ 二 ， . 8 图3 .2帧同 步控$ 婉程图.” “ -. . . . . “ . 一 ” . ，. 一 ” . -“ -. . . “ ” . “ . . . 一 “ ” 一” . ” 一1 8 图3 .3分接辆贞 同 步结 构.” 一“ ” . ，二 。 ， ” “ . ” ” . ，. ” ” -. . .一 . 1 9 图3 .4帧同 步系 统结构，. . - . . . 一“ ” . .-. . ， . ” . . “ “ ，. ” . . ” “ . “ 一 ” ”. . . 2 0 图3 .5信号 处理 部分结 构. ” . . . “ “ ， ，” ” ” . ，一 “ 一 ” ” :. ，. ，. ” . . . ” . 一” ，.， -.“ . 2 1 图4 . 1并行端接.一 ，” . ， ” . . “ .” .，.， “ .，. ” . ” . ， 二 ，一 ” ” ，. . “ . .2 8 图4 2主动荆予 瑞 接二 ” . ， .-. . . . . ” . ” ” ” ，. .- . ” . 一” ” :. ” “ ” ” “ . “ ” 二 2 9 图4 .3并行a c 端接. . . . ，. ， . ， ，. -.一 ，一 ，. 二 “ . . . ，一 ” “ . “ ，:. ” .一 二 ” .” 一 ” 2 9 图4 .4串行端接 ” .-.-.， “ .“ . ” ，” . . “ . . . .-.-.“ .“ .“ 二 . . . 2 9 图4 .5分 接部分 结构 框图. .-一 .” ” ” . ” .， ， “ .” . “ . . . “ .“ ” . . . . 3 1 图4 .6移位寄存器的电 路设计” “ . ，. . . .一 ” . . . . ” .，二 3 2 图4 .7延时电 路的设计“ “ . . .-.“ . “ :. ” ，. ，. “ . ” - . .” 一 ” .“ . - . “ ” :.” “ . “ . ” ” “ ” ” “ 二 3 3 图4 .8 m c 1 0 0 e p 4 4 5 的结构框图. ， “ . _ .，. .” .，.， 二” . 3 4 图4 .9 m c 1 0 0 e p 4 4 5 的管脚图一 ” . ._ _ .一 “ .“ 二 .“ . . . ” .” ” . . 3 4 图4 .1 0 在c k s e l 为 高平 时的 工作 时 序图 . . ” . . “ . 一 . . . . 3 6 图4 . 1 1 在c k s e l 为 低电 平且 有s y n c 信号时 的 工 作时 序图 . “ ” . “ . ” . “ ” ” .，. . 3 6 图4 . 1 2 mc 1 0 0 e p 4 4 5 的电 路设计.“ . . . . . _ . . . 卜:.“ ，. -. .“ . . . ， .一 “ . . . 一 3 7 图4 .1 3 微带传输线结构. 一” ，.“ . . 二 “ . . . . “ .“ :. ， ，. . “ ” . “ “ . . “ :. ” _. . 二 ” ” 二 ， 3 8 图4 . 1 4 带状传输 线结构. ，一” . ，. . . . .，. . . . .” “ . . “ . . . .” . .- .-. “ 二 3 8 图5 .1 s p a rt a n - ii 系 列f p g a 基 本 结构 原 理 图 . ” . . . . . . .，” . 一 “ . “ .-一 ， . 4 1 图5 .2前 后方保 护时间 计 数器结 构. “ . . . . . 一 .“ . “ . ” . . “ 一，. 二 ” . . .一 “ . 4 4 图5 .3帧同 步时 序 仿真图. ，. . ” .” ” . . ，一 ” . . . ，二 ，一“ “ . ， . ” “ .“ ” ” .， -. . . ” ” . . .一 ” . 4 5 图5 .4信号处 理部分 结构图. . .” 一 ，. . ” . . . ，. “ ，. . “ . . ，. . ” ，“ .- . “ . ，. . . 4 5 图5 .5并行累加器时序仿真图 二 ，. . . . ，.” . . 一 . . . . . . ” .” . ” .-. “ . .-. . . . 4 6 第 m 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 表目 录 表 4 . 1( s i ) 问 题及解决方法 . . . . . . . . . . . . . . . . ， . ， . ， ， . 2 5 第 w 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 ; 1 . 1 本课题的背景 在数字 通信系统的性育 g if :7 w i 中， 通常使用误码测试仪对 其误 码 性筋荆r w q 量。 随着通信技术的 不断发展， 通信系 统向 着工作 频率更高， 信号处理更快的 方向 发展。 在这种情况下， 对于高 速通 信 系统性能的检验， 就需要高速误码率 钡 j 试仪。目 前已 有多 种商品的误码尊 妙 l9 试 仪可以 买到:典型设 备有 信息产业部电子 第四十一研5m 的a v 5 2 3 2 e , a v 5 2 3 5 ; 上海光维 通信技术有限 公司的7 6 b , 7 7 ; 掩i l e n t 公 司的p a r b e r t 8 1 2 5 0 等。 总 的 来 说， 国 外 的 产 品 功 能 比 较 完 善， 但其 价 格 也 相对 较高 。 国内 厂家的产品 信号处理谏iv 相对 1 氏 。 业已 无法满足实际需要，出于应 用以 及经济上的两方面 考 虑， 就有必要自 行设 计一台高速误码率 钡 明 试仪。 本课题依扦 月 二 总 绍 濒 开 发中 心十五预研项目 一一地面站综合处 理终端技术。 在地面站综合处理终 端 技 术 这 一 项目 中 ， 发 送和 接 收 信 号 需 要 高 速 ( 3 0 0 m b / s ) 的 调 韦 懈调 器 ，而评 价 调 布 懈调 器 这 种 通 信系 统可靠 性的 指 标就是 数 据传 输中 误 码率的 大小 。 现 有普通的 误 码率测 试仪 无 法i j 目 要求， 而高 速误 码率测试仪一般多为 进口 卫 价格偏高，误码率 钡训义 的酬 沛 嘘 出了迫切的要求。本 测试仪只 误码率， 完成最基本功r g 一显示好9 的正 确的码 数和总的 石 骤 故 ， 然后使用一 个计算器就可以 算出 这可为高 速圃言 设 备的 可靠性提供重要的 评 阶指 标。 1 . 2 由 于在高 速刻牛 下 ， 实 现t 、计 ft v困 难，因 此， 本课题首先要 解决的 就是要尽量阳氏 信 号 速 度， 过 倒f p g a可处 理的 速 度: 其次 要 解决 的是同 步比 较问 题， 铡好if 的 信号 要与 本 圳言 号同 步; 然 后在进行比 较、计 数、 显示。 由 于 信号 处 理 速 度很高， 微小 的 延时 者 锵对同 步产 ff f 良 大的 影 响。 较高的信号速度给电路设计、 调试、 安装都带了 极大的困 难。 较高的信号速度决定本课题要运 用部分e c l电 路， e c l电 压幅值较低， 抗千扰育 幼差， 驱 动能力差， 这些 都为设训 带来困 难。 此 第 t页 国防科学技术大学研究生院学位论文 外， 过冲、 器件间的 高 频 干扰都是必 须要面 对的 问 题。 在分 析 原 理 和 结 构 并 进 行 软 件 仿 真的 基 0 比， 本 文 详 细介 绍了 接 收 子 系 统的 设 计 方案 和 实 现丈 程。 首先， 本文介绍了 一 些 基本概 念， 而 后简 述了 wa 率 测试 仪的 总 体设计 方 案， 其次 本文 在对分 接和帧同步理论分析的基础上 着重介绍了 接收子系 统的分 接、帧同 步、卜 公 胶 、 显示等模块的 方案设 计， 并给出了 分接部分具体的e c l申 路实现和信号处理各个模 块的f p g a实 现， 最后， 对系 统的 南左 以 及下 一步工作， 进行了展望。 斓赫献 本课题 有比 较强的 现实 意 义， 高 速 位误 码 率 狈 以仪不 仅可以 回 到高 速的 调布 懈调 器上， 为己 研 沸 ( 和 将 要 w 制的 各 种 高 速 数 字 通 信 系 统 提 供一 个重 要的 评 沽 指 标， 有 利 于 及时 改 进不 时 是 统性能。 课题的完成将丰富高 速通信系统检测的工 程实践 知识， 的影响。 第 2页 国防 科学技术大学研究生院学位论文 第二章误码率 测试仪的 总体方案设计 2 . 1 各种通信系统均有各自 的技术性能指标， 各有不同， 但对于 任何 通信系统来说， 衡量其优劣的 基 本 指 标 都是以 有效 性 和 可 靠 性 为 理 茹 出 的 。 数 字 通 信 系 统 也 有 表 示 有 效 性和 可 靠 性的 指 标， 任 a两 者， 只能 得相对的统一。 一、有效性指标 1 、信息传输速率 信道的 传 输速率 通常是以 每 秒所 传渝言 息 量的 多少 来 衡量 。 信息 量是 消 息多 少的 一 种量度。 消 息的 不确定性矛 辨撇大， 其信息量越大。 信息传输速率是 指每秒钟传送的 信息量。 2 . 号传渝 速率 符号 传 输 速率 也p 蛤 号速 率 或 码元 速率， 它是 指 单位时间内 所传 输的 码元 数目 ， 其单 位为“ 波 特” 。 这里的 码元可以是多 进制的， 也可以 是二 进制的。 符号传输速率 和信息 传输速率可以 相互换算。 进制， 均 代 表每 秒 钟所 传 输的 符 号数， 而 对于 信号 传 输 速率， 则 必须折合为相应的二进a 帜元来津算 o 3 . 频带利用率 在比 较不同 的 数 字通 信系 统 的效 率时 ， 仅比 较 它 们的 信息 于 z 0 率 是不 够的。 或 者说即 使两 个 系 统 的 信 息 传 输 速 率 相同 ， 创门 的 效 率 也 可 能 不同 。 所以 还要比 较 传 输 这种 信 息所 占 用 的 信 道 频 带 宽度。 二、可 靠性指标 衡量数字 通信系 统可靠性的主要指标是误 码率. 在传渝呈 中发生误码的码元个数与 传输的 总 码 元 数 之 比称 为 误 码 率 ， 用 p 。 表 示 8 10 1 第 3页 国防科学技术大学研究生院学位论文 p e =l i m n - r 阅 发生误码的个数n 传输总码元个数n 误码率的大小由 退 璐的 系统特性和信道质量决定， 如果 j 蒯 路 的系统特性和信道特性都是 高 质量 的，则系统的误码率较低。 误码率u im仪作为 一种电 子测量仪器， 主要用于钡 m m言 系统的误码 率， 统可靠性的目的。 2 . 2 2 . 2 . 1 电子测量 测量 是为 确定被 测对 象的 量 值而 进行的 实 验过程。 在 这们丈 程中 常 借助 一些专门 的 设 备， 即 测 量仪器， 把被测对象直接或间接地与同 类己 知单幽 1 于 卜 川 佼 ， 取得用数值和单位共同 表示的 测量结 果。 由 于 无线电电 子学 、 微电 子学 及 计算 卑 l 技 术的 迅 速 发 展和密 切结 合，电 子测 量己 经 成为 测 量学 的 组成部分。 它在科 技领域、 尖端技术和现代4 廿沪等各个 领域内 发挥着重 要作用。 目 前电 子测 量技术 在很多 领域 得到了 应用， 在现 代 利 学 杖 术中 具 有不 可替 代的 重要 作 用。 电子 测量具有以下 几个明 显白 训 寺 点: 1 . 测 量 频 率范 围 极 宽 电 子 测 量能 工作 在很宽的 频 率范围， 因 此它的 应 用范围 $ k i - 泛。 但也由 于 频率范围宽， 在不同 的濒 好 即 ( it所依据的原理、 卿月 的方法、 使用的元器件等可能相割良 远， 通常把被测电量或 供给同 一电 量的仪器分为不同的 频段。 2 . 量程很广 由 于 所测电 量的 大小 相差 极 大， 要 求测 量仪器的 量 程也 极宽。 同 一台电 子测量仪 器， 经常能 做 到量程很宽。 3 . 测量准确度高 4 .测量速度快 第 a页 国防科学技术人学研究生院学位论文 5 . 易 于 禾 拥计 算 机， 形 成电 子 测 量 与 计 算 技 术的 紧 密 结 合 这个特点决定了电 子测量技术成为当 今测量 枯术中的 主流。电 子测量和计算技术的 紧密结合， 特别是 从7 0 年代以 来， 超大夫 吸 莫 集 成电 路和微处理机的出 现，更 使电 子测量领域犬牛了 重大 变化。 现在随着微计算 书 u 力 能的不断提高和成本的不断阔氏 ，就可以 在不增加仪器体 af n 不明 显增加成本 的 情况 f ， 使仪器的 性育 跋 当 大的习认 ， 使它具有高性能、多功能、 智能化白 训 待 点。 2 . 2 . 2钡 狱、 钡 1 量领域巫待解决的问 题 自 动不 j l 9 li 试、测量在各 禾 盯 单 位、各公司企业内越来越等到关注。现代竞争要求测试系统有 .更 短的开发周期、更低的成本和更高的质量。 今天在测试系统管理方 面面临的一个难题是难以 将专用 测试系统在领域内扩散，这些系统通常彼此不兼容，不能共享硬件和软件组件，这不仅使开发效率 难以 提高， 而w 寸 于一个开发昂 贵的tq统无疑也是一个极大的 浪费。 ft j狱, a l 量系统的 成 本， 共享测试系统的硬件和软件资源， 提高开发效率的要求，决定了测试系统与测量仪器的发展力 . 向。 2 . 2 . 3 测量仪器的发 展方向 由 于电 子测量技术具有其忙 觑 四 量技术无法比 拟的 优势，电 子测量仪器成为 测量仪器中的主 流。 并且随荀十 算机技术的飞 速发展，电子测量仪器与计 卑 嘴 合得更为紧密。目 前在多利 硒1 量仪器内 部者 嗽有微处理机， 对仪器的工作进布 t :统 一的 指挥和管理， 还用微计算# 1 l 软州弋 替部分仪器硬件， 增 加仪器的多 功育 冲灵活 性， 构 茹胃 的 智自 g 1 义 器。 这种 仪器 通常 具 有记 忆存 贮、 逻辑判 断、 数 学 运算、 命令识别等 “ 智能” 特点，形 成一 代灵巧多用、高 性能 多功能的新仪器。 刀 份卜 ， 可以 利用微计算 琳 l 作为括 炜 抨台， 通过标准接口 总 线连接多台 仪器， 组成自 动钡 1 试系 统。 在计算机的控1$ 吓 ， 这种系统依照程 序的 安排， 快速准确的完成大ima ( 试任务。 充分发 挥计算机的 功能， 还可 以 用计i# 1 1 软州弋 替仪器的 硬件， 直接用计护生 酬言 号和完成各种测试功 能。 计 算 叨 1 的 引 入使电 子测 量仪器的 电 路设计 和所 自 ki 左 到的 性能 宁 剖 w 等各方 面都发生了 革命 性的 变 革， 这 标志着电子测量仪器 进入了 一个蓬勃发展的 新阶段。 采用计算 湘 l 己 是电 子测量仪器发展的主要方向 d1 l 第 5页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 . 3 如上一节所述， 以“ 虚拟仪器” 的思想为 指导， 基于p c 机并集成更多 g 临能， 发 展的 方向， 但就本系统而言， 本系 统有很强的 针x 1 1 生 ， 选择这种方案，而月开发 周期相 对较长， 开发费用也相 对较高。因 此， 本课题依托于实验室现有资源，充分利用己 1 扫 经 验， 建 立一 套以f p g a 为 核 , l r 器 件 的 误码 率 领 临系统。 接收 部分 两部分。其结构 如图2 . 1 -. 此系 统的组成主 要包括发射部分( 信号源) 和 8m 14a r1ih 于 诬弓一 气 三 日 一 匹 tr 图2 .1误码率 侧洲义 结 构图 右 漪 寸 部分必 需能够i t 定的 输出3 0 0 h 4 b / s 数字信号。 现有器件q 产生 如此a i*度的 数钊言 号，本误码率测试仪的 发射部分采用复接的办法，即把少 u 粉o 速信号合成一路高 速信号。由f f g a 内 部的s r a m 循环发送相同 码字，在绍丈e c l 的复接器合成一路高速、妙卖 的信号。 此外， f p g a 还发送一 路和数据信号同 步的 控布 蟾号， 括 喘 复接时间， 防止复 接 后数 据发生 错乱， 从 而佣 e 复 接 信号的 准确。 发 射部分 选 用 州 泞为m 序列， 在m 序列前 面 还增 加了 用 于 帧同 步 的同 步头。除了m 序列， 发射部分可以通 过拨码开关来选择发 射其它序列。 由 于信 号 速 度高， 接收部 分首 先要降田言 号 速 度， 本系 统 深 用分 接的 方 法， 即 把串 行高 速 信号 转化为并 行 丫 氏 速 信号， 而后 在 对并 行信号 作 进一步 的 处 理. 分 接使 信号 速 度降柱j f f g a 的习 处理的 频率范围， 但由 于串 行数据转化为荆于 数 据，札 城的 增加了电 路的复杂 度. 同复 接一样，分 接也要 确 保 分 接 后的 数 据正 确， 只 有 数 据到 达 接 收 子 系 统 时 才开 始 分 接。 分 接 部 分 主 要为e c l 电 路， 子系 统圃丈 一 些简单的 逻 辑 组合a ii 路 以 及一 些延 时 芯片， 产生一 路与 数 据同 步的 下降沿 信号， 第 6页 国防科学技术大学研究生院学位论文 制 分 接 的 时 间 。 这 在下 一 章 将 作 更 进 一 步 的 阐 述。 分接后的 数 据交由f p g a 来 处理。 分接 后的 数 据首先 要尧劫贞 同 步， 只子 溉定了 数据的 位 置， 刁 - 育 娇口 预存数 据作比 较。 同 步 后， 由 帧同 步系 统发同 步 使能 信号， 启 动本 地s r a m 做比 较， 同时 启 动并 行累 加 计数器， 1 已 录 累 加结果 和比 较的 总数， 并 把错 误数圃 数 码管 显示出 来。 为了 接收 发射 端发 出的不同 序列， 接收端同 样j 澎尘 暖 码开关 来 选择需要接收的 序列。 第 7页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第三章 误码率 测试仪接收子系统的 方案设计 夸 3 . 1 数字复接/ 分接的基本概念 在数字通信网中， 为了 扩大传 输容量和传输效率， 常常需要把若干州氏 谏 数字信号合并 成为一 个高速数字信号， 然后再通过高速信道传输。数字复接就是实现这种数字信号合并的专门技术。 接器( d i g i t a l m u l t i p l e x e r ) 和数字分接器( d i g i t a l d e m u l t i p l e x e r ) 两部分。 参见图 3 . 1 ， 数字个或两 个以 上的支 路数字信号 按时分复 用方式合并成为单 一的合路数字信号的 设备;接器是把一个合 路数字信号分解为原来的支路数字信号的设备路 数字信号的 设备; 数字分接器是 是把数字复接器和数字分接器装在一 起 做成 一 个 设 备 ， 称 为 复 接 分 接 器( 缩 写 为m u l d e x ) 0 。 数字复接器是由 定时、 调整和复接单元所组成; 数字分接器是由同 步、 定时、 分接和恢复单元 组成: 图3 .1数字复接设备简图 一的 基准时间 信号。 复接器的定时单元设备 有内 部时钟， 也可以由 外部 分接器的 定时单元只自 罐贺 乡 卜 部的时 钟来推动， 4 11 a于同 步单元的 控制， 基准时间 信号与复接器的 基准时间 信号保 持正确的 相位关系， 即 保持同 步。 对应的 : 复 接单元与 分 接单元是 对 应的. 调整 单 元的 作用是 把各 路 翻 7 入 的 支路数 字信 号进行 必要的 频率或 相位调 整， 形成与 沛 布 1 1定 时信号完全同步的数字信号， 然后由 复接单 元对它们实施时间 复 用 形 成合路 数字信号; 分接单元的 作用是把合路数字信 号实 施时间 分离形成同 步支路数字信号， 然后 第 8页 国防科学技术大学研究生院学位论文 形 成 合 路 数 字信 号 ; 分 接 单 元 的 作 用 是 把合 路数 字 信 号 实 施 时 间 分 离 形 成同 步 支 路 数 字 信 号， 然 后 再 通 过 恢 复 单 ， l e 它 fl孩复 成 为 原 来 的 支 路 数 字 信 号 。 i ll 112 1 从时分多路通信原理可知，上的各 支路 数字信号必须是同 步的， 即 它们与本 机相应的定时信号必须保持正确的 相位关系。如果复接器输入的支路数 字信号与沛 彬 飞 定时信号 是同 步的， 那么调整单 元只需调整相位，有时甚至连相位也无须调整，如果 输入 支路数字信号与本机定时信 号是异步的，那么调整单元要对各个支路数字信号实施频率和相位 调整， 使之成为同 步数字信号， 退 拼 中 复接器称异步复接器; 如果输入支路数字信号的 生效瞬间 相对 于 本 机对应的 定时 信号 是以 同 一标准 速率出 现， 而 速率的 任 何变 化都限 制在规定的 容差 范围内， 这 种 复接 器称为 准同 步复 接器。11 2 1 在定时系统中， 如果复接定时单元向 分接定时单j u l 又 仅传送一利时钟信号， 持全 面的同 步关系 的 : 7 -10 9 接/ 分 接系 统中 ， 如 果只 是 循环交 织 地复 接各 支 路 数字信 号， 那么一 旦 合并成为一个合 路数字信号那就难以正确地实施分接。因此，二者都需要一种特征信号 定时系统建立全面的同 步关系;并且保证分接单元正 确的实施分 接。 帧同步信号。 3 . 2 帧( f r a m e ) 的 严洛 定义是指 这样一组相邻的 数字时隙， 其中各 数字时隙的 位置可以 根据帧定位信 号来加以 识别。 帧 定 位 信号( f r a m e a i l g r m e n t s i g n a l ) ， 或 者 称为 帧同 步 信号 : 它 是 用 来保 证 获 得并 保 持同 步自 m 征信号。 信息位:这剥 贞 中于 t i g 的主要内容，占 用- 冲 贞 中的时隙数也多。 插入 合路数字信号中的。每一次插入一个符 号的 称比 特复 接; 每浏函 入一个字的 称字复 接。 信令( s i g n a l l i n g ) : 信令 是 通 信网 中 与 连 续 的 建 立 和 控制 ， 以 及 与 网 络 管 理 有 关 的 信 息 位。 勤务数字 ( s e r v i c e d i g i t a l ) ， 有时也叫内 务数字 ( h o u s e k e e p i n g d i g i t a l ) : 第 9页 国防科学技术大学研究生院学位论文 设备正 常工 作并b洛种方 便的 一 些 数钊言 号. 例 如: 告 1 言 号、 码 速调拼断澹号以 及 其 他指 示 洲空 布 in号。 把上 述 各 种信号 做适 当 的 安 排并 使 之标 准化， 澎 扮 衫 成了 通用的 帧结构。 1 9 1 在同步复 接/ 分接设备中，育 游 正确实施分接的前提是分的帧状态必须与复接器的帧状态 保待 正确的相 位关系，即必须保持帧同 步。 帧定位指 前提是 分接器的 的就是把分接器的 帧状态调整到与复 接器帧状 态具有正确相位关系， 并且保书 炭琳相位关系的 过程。 帧定位系统是同步复主设 备中最重要的组成部分。 在工程设计中它涉及的问 题较多;对整个复 接设备性能的影响 也较大。 1 )建 立正 确的 帧同 步 统设讨中要解决下列具体设计问 题: 无论如何设计 帧定位码， 实际上接收 到的数 据流中 任何一 段信息码都可 能因为误码，出 现与 帧 定位码码型相同的情况，这就要求帧同步系统采取一定的校核措施， 时同步能真正的接必 j d 信号枷始位置。 2 )稳定地保持同步 接收 端的 帧同 步系 统一 旦 进 入同 步 状 态之 后， 就 要稳 定 地保 持同 步， 而 不 被信 道 干扰引 起的 误 am 坏同 步。同 步端 检不 到同 步 码 有两 种 情况: 真正的 失 步了 。 由 于信 道误 码而 检不 至 !* a 同 步 码， 即 漏报 情况。 为了 抗 信道误 码 破 坏同 步， 在接收 端郎 神 贞 同 步 系统中 ta - e对 这两 种 情况采 取的 保 护措施，只有真正 失步时，收端同步系统才转 3 ) 捕获时间要短 由 于在捕获过程中系统处于失步状态，因 此不论 对于初始捕获还是失 步 都 要求时间 要短。 1 7 1 1 1 2 1 3 . 2 .1 帧同步码插入的方法 所谓帧同步码插入方式是指在发送端怎样将帧作为帧起始标志的。一般 1 .集中 插入方式 这种方式就是将帧同步码以 分散的形r流中。 在接收端只要监测出帧同步码的位置， 第 1 0页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 、分靓 入方式 这种插入方式是榭贞 同步码以 分散的 形式插入 信息码流中。 帧同步码可以 是l o 交替冯 或是 其 它 码型。 如果 发生 帧失 步， 则需 要逐 4圳于 嗽 ， 直 到重新收 至 懒同 步 码， 才能 恢复 帧同 步。 所以 同步恢复时间要长 _ l， 这是这种方法的缺点。 把帧同步头集中插到信r 、 位的前头， 作为起始的标志。 3 . 2 . 2 帧同步搜捕方法选择 在复接/ 分接设 备中， 如果接收码流刁 峭警与漏报现象，可以通过检测接收码流中的帧同步 码而获得帧定时 信号，实际中由 于非同 步位置 上信息码可能出 现与 帧同 步w 型相同的 情况，而产 生 误判 情况( 虚警现象) 。 也可能由 于信道误码， 而 使真正的 帧同 步上检不到顷 同 步码 ( 漏报现象) 。 因 此不育 g i w 单 地从接收码流中 提取帧定时 信号， 而必需由 本 地定时单元产生帧定时 信号， 并通过 采 取某种控制措 施， 不断调整本坳贞 定时 信号的才 m , 最终使本地帧定时与接收码流中的帧同 步位置 取得同 步， 并且保持这种同 步状态运行。 传统的同 步搜捕方法有两种: 逐位调整法和预置启 动法。 1 )逐位调整法 其工作过程是， 首先把接收设备白 铡 祯 定 时停顿一 个节拍，即 相对接收 信号中以 冲 贞 定时延 迟- 个 时隙，然后在校验周期内 把接收设备的 帧定时与接收 信号中 提取的 帧定时相比 较， 如果 1 9 j 合正确 的 相位关系 就重复上 述过程， 如果符合 正确的 相位关 系， 就保持这种相垫 关 系 并结 束搜捕过程。由 于 接到的码流信息段中 有 可能出 现与 帧定 位码相同的 情况， 帧定 位码中 也有 可有 ta 生误码， 因 此校 验周期要选的足 够长， 刁 可食 vi r 好的阳aw 警 和漏报概率的影响。 2 ) 预置启动法 在失 步状 态时， 接收设 备时 序发 生 器被 置在 一个 特定的 等待 状态， 即 接收 设丧0, 伏 态 处习 漪定 的预 置状态; 接收码流逐目寺 进入帧定位 信号检 嘟 u 电 路， 一旦 其中 全部n 位信码与规定的 帧定位信 号 码型相同， a aail 即 输出 一个 拦 筛 m 言 号， 启动接收设备的的时 序发生器，同 时用接收时争 日 言 号来推 动它。 然后经 过一 个检测 周期时 间的 检测 判断。 如果未 能 建 立正 确的 相位 关系， 就重 复 a j 丈 程二 如果确实建立了 正确的相位关 系， 就保持这种相位关系 并结束搜捕过程。 从上t d 程可以 看出， 如 第 ! 1页 国防科学技术大学研究生院学位论文 果 接 收 码流 中 未同 步 前 的 任 何一 段 信 码 氰 环出 王 卿贞 定 位 码 型， 而 且 帧 定 位 码中 不 发 生 误 码， 那 么 只 要找到一个 完整的帧定 位码组就足以 建立起同 步， 可见这时完 成搜捕过程是比 较快的。实 际上存在 虚 警现 象和 漏报现 象，即 某一 段 信码 可育 溯成随 定 位码型， 真正的 帧定 位 码也 可能 因 存在 误码而 未 被发现 ( 即 没有控制信号输出) ， 这样就 要拉长搜 捕过程。 比 较1 述两 种方法，当 初始时刻本地帧定时处于非同 步位置时， 逐位调 整法每调整一次都要检 验一次， 而预制启动法只 有在虚警时 才检验一次， 可见预制启动捕获时间 较短。当 初始时刻本地pp 定时 处于同 步 位置时， 逐 位调 整法不 管是 否出 现 帧定 位码只 检验一次， 即 便有 某 种程度卜 的 误码也 可能作出 对相位关系 的正 确判断， 而预制启动法只 要帧同 步码出 现误码就擞昔 过建立同 步的 机会。 可见 后 者 会 把 搜 捕 时 m 拉 长。 5 16 1 综上所述，当 合路信号t 率 较低时， 预希0动法的 平y o n 脯时间 较短。当 合路信号误码率 较 高时， 逐位 上 巴 茂 法的平均搜捕时间 较短。 数t - 4 言 i 1 i 吴 码率按国 际推荐 通常是相当 低的， 不可用 i r- 率门 限 也只 有1 x 1 0 - ; ， 所以 ， 一般 采用 预 置 起动 搜 捕 方 法是比 较合 适的。 在数 字复 接器设 计中 通常 都采 用这种方法， 本系 统也采 用了 这种方 .法。 3 . 2 . 3帧同 步 码与 码长的 选 择 帧同 步 码的 码长选 择: 在同 步 位 上， 帧定 v il t 言 号 码 组的 l -p i - 个码元 或多 个直到n 个码元发 生 误 码， 都能导 致 错讨律女同 步 的 机会， 即 发生 漏报事 件。 发生 这 种 潮民 事 件的 概率为: p r = 艺 c n ( 1 一 p x, - p 。 n p e ( 3. 1 ) p r “ n p e ( n 为 帧 同 步 码 码 长 ， p ， 为 新 f 抨均 误 码 率 ) 按误码比 书 重情况来设计帧定位码长最 因为 i饺 低时 对 于 搜捕 性能的 影响要 轻的 多， 然而 从信 道 利用 效率 考虑， 帧定 位码长 取值略 短于 最 佳值也是 合 适的。 本 系 统 取 帧 长 为5 1 2 ， 在 误 码 比 较 严 重 p e = 5 x l o - z ) 时 ， 计 算 结 果 的 。 二 1 1 。 本 系 统 把 串 行 高 速信号分接为8 路， 再交由 后端f p g a 作处理， 势必增力 a ro 端处 理1钊 洛 实现 的 复 杂 度， 也 不 能 充 分 不 佣信 道。 综 合 考 虑 信 道 利 用 效率以 及 电 路 实 现 的 复 杂 度， 第 1 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 的复 杂 度， 也 不能充 分利 用信 道。 综 合考虑 信i l l 用 效率以 及申 路实 现的 复 杂度， 本系 统 取帧同 步 码长为s o 在顺 中 有一个同 步 位和 ( 1 - 1 ) 个非同 步位; 在非 重叠区 有 ( 1 - n ) 个非同 步位 可能出 现虚 警现 象;同 步搜 捕过捏 平 均要经 历半 个 帧 周期。 所以 ， 同 步 搜 捕一次 成 功概率 为: ; ， 一 (1 一 ， v ) 2“ 一 ， (1 一 p r) 与 “ ( 1 一 p y ) z 。 ( 1 一 p j 二 (; 一 县 ， ， ) (1 一 。 ) 艺 ( 3. 2 ) 1一2 - .1 侧 、 生l i n 2 2 2 一pe ( 3. 3 ) 令上式 为零，求得: ( 3 . 4 ) 所以 ，同 步 捕获 一次 )勿力 概率( p ) 随 帧定 位信 号 长 度 ( n ) 变 化 存在 十极 大值: l i n 2 p. . x ( 3 . 5 ) 2 一 n p ( l 为 帧 长 哟 1-2 一 钾.1 岛 当 帧 长( 1 ) 及 月 烤虑 的 平 均 误 码 率( p e ) 确 定 之 后 7 1 ， 按 公 式( 3 . 4 ) 及( 3 . 5 ) 就 可 以 求 簇 种 贞 定 位 信 号 最 佳 长 度( n ) 及 搜 捕 一 次 成 功 概 率 的 极 大 值( p -) . 3 . 2 . 4帧定 位信号码型 帧同步码的选择应满足: 1 . 自 甜浏浏雌确识别: 2 、 假同 步和漏同 步的概剩刻、 越好; 3 、 从传 输 效率考虑， 帧同 步码的长度 应 尽量 短。 为了 满足上述要求， 帧同 步码要具有良 好的 相位辨别能力， 即 具 有尖 锐的自 相关 函 数 特 性， 例 如: 巴 克 码 、 p n 码 等。 13 1 在集中 插入p i a的帧 同步系统中， 形成假同 步码组可以 分为 两种类型: 一种是全部由 信a 码元 贫 1 3页 国防科学技术大学研究生院学位论文 组 成， 这种 类型的 假同 步码发 生 在数码 流的 随 机区， 另一 种是 部分由 信息 码元， 部 分由 刻贞 同 步 码 这种类型的假同 步码发生区。 设随 红 同 步码组的长 度为1 位， 将( 1 - 1 ) 位 称为覆盖区。息 位称为随机区。 人们利用计算机对 不同码型的覆盖区加同 步概率 进行计 算， 其中 计算出 假同 步概率最小的 码型就是 最佳码。 本系统设 计就影 用8 1 0 1 1 1 0 0 0 3 . 3 3 .3 .1同步状态保护 接收过程中主要解决如何尽快的从接收码流中检测出真正 的帧同步码， 小。同 步过程中主 要解决的问 题是， 如何稳定 地保持同 步。 也就 尉贞 同步系统要具有抗千 扰能力， 漏同 步概 率要小。 一旦发 现 真失 步了， 系统进入同步后，由 于存在信道误码， 如果不采取保 护措施， 一旦 接妙 倒的 帧同 步码有 误， 就 统重新进入捕