（通信与信息系统专业论文）电力通信数字复接器的设计与实现.pdf

摘要摘要实现数卞活音雨】低述远动数撕_ 斤化一条通f i 信道卜的多路复用和解复用器，是咀力迎亿f 输系统r t 的一项关键改备、小文以电力通信传输系统急需扩容为背景，采_ q j 现代数字也于二系统设计较好的解决力案之+ 一一双c p u ，丌发一种小型化、低功耗、低成本的复用解复用设备，以满足电力通信传输系统的需要。本文首先综述r 数字复接技术的基本原理。，然后阐述了多路语音信号和数据在一路i c m 6 4 i ( b & 信道实现复接的方法洋细分析了复接帧结构及其特点，论述了在复接过程巾同步搜索与同步校核的原理。介绍了采用多c p u 系统和v l s i 声码器为核心的语音数据复接器，分析了系统的i 一作原理和特点。分析并设计出系统的软、硬件，关键词：数据信号话言信号复接分接c j ) u 时钟帧结构支路同步a b s t r a c tt h em u l t i p l e x e rw i l i c hi su s e dt om u l t i p l e xa n dd e m u t i p l e xt h ed i g i t a lt o n ea n dl o ws p e e dd a t ai nac h a n n e li st h ek e yt r a n s i t t i n ge 一。u i d m e n ti nt h ee l e c t r i cp o w e rt r a n s i t t i n gs y s t e m t h ee n do ft h i st h e s i si st od e s i g nam u l t i p l e x e r ，w i t ho n eo ft o d a y sb e s ts o l u t i o n st ot h ee l e c t r o n i cs y s t e md e s i g n m u l t i c p u ，f o re l e c t r i cp o w e rt r a n s m itr i n gs y s t e m w h i c hi st h ep r o p e r t i e s0 fl o wp o w e rc o n s u m p t l o nb i g h tw e i g h tl o w c o s ta n dt h es m a l iv o l u m e f i r s t l v ，a no v e r v i e wo nt h ep r i n c i p a lo fd i g i t a lm u l t i p l e xa n dd e n l u l t i p l e x ，i sg i v e n t h e nt h em e t h o d so fm u l t i p l e x i n gs p e e c hs i g n a l sa n ( 1d a t ao ns i n 【g l ep c m6 4 k b sc h a n n e la r ee x p o u n d e d t h em u l t i 一1 ) e x e df r a m es t r u c t u r ea n di t sc h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a l y z e di n d e t a i l i n t h i sp a p e r t h ep r i n c i p l e so fs y n c h r o n i z a t i o ns e a r c hi na n ds y n c h r o n i z a t i o nv e r i f y i n go ht h em u l t i p l e x i n gp r o c e d u r ea r ep r e s e n t e d a ( 1 a s tt h i sp a p e ri n t r o d u c e sas p e e c ha n dd a t am u l t i p l e x e db a s e do nm u l t i c p ua n dv l s iv o c o d e r s t h eo p e r a t i o np r i n c i p l ea n dc h a r a c t c r i s t i c so ft h em u l t i p l e x e da r ea a a l y z e d t h eh a r d w a r ea n ds o f t w 1 r e 。ft h es y s t e ma r eg i v e ni nd e t a i l s 。k e yw o r d s ：d a t as i g n a l 、s p e e c hs i g n a l 、m u l t i p l e x 、d e m u l t i 一】k x 、c p u 、c l o c k f r a m es t r u c t u r e 、t r i b u t a r y 、s y n c h r o n i z a t i o n 河北大学通信与信息系统碗士学位论文第一章数字复接技术与电力通信数字复接器ll 数字复接技术概述m 数字j 【! i 倍网- 为j 士r 火f 甜自蒋址水j 姓l 齿传输效率，常常需要把若干低- l 数字信号台并成一个高速数字信号，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。数字通信网中的数字复接设备相当于模拟通信网中的载波机。但是数字复接在数字通信网中的地位远比载波机在模拟通信网中的地位重要。在数字通信网中，数字复接不仅仅是与信源编码、数宁传输、数字交换相并列的专门技术，而且它还是网同步中的帧调整、线路集中器中的线路夏用及数字交换巾的时分接续等技术是数字通信网的一项丛础技术。数字复接系统包括数字复接器( d i g i t a lm u l t i p l e x e r ) 和数字分接器( c l i g i t a id e m u t i p l c x c r ) 阿部分。参见图【- - 1 ，数字复接器是把两个或两个以上的支路数字仔i 号按州分复用山一t 台并成为甲的合路数字信号的设备，数字分接器是把一个台路数字信号分解为原来的支路数字信号的设备。通常总是把戡，：复接料和数j ? 分按擀装n ：一起做成一个设备，称为复接分接器( 缩写为m d - - 艘简称数字复缓泼备( d i g i t a lm u l t i p l e xe q u i p m e n t ) 。，舯戤器纠l 器图1 一l 数字复接设备简图数字复接器是由定时，调整和复接单元组成；数字分接器是由同步、定时、分搂和恢复单元组成的。定时单元给设备提供统一的基准时间信号。复接器的定时单元有内部时钟，也可以由外部时钟推动；分接器的定时单元只能由接收的时钟束推动，借助于同步单元的控制，使得分接器的基准时间信号与复接电力通信数字复接器的设汁与实现器的基准时间信号保持正常的相位关系，即保持同步。调整单元与恢复单元是z 、j 应的：复接币元与分接币元是对应的渊整单元的作用是把各输入支路数字0 1 j 进行必受的频率或柑f 扛“珂整，形成与小机定0 信号完全同步的数字信：然后m 复接币7 i 对它们实施时问复用形成合路数字信号；分接单元的作用址把台蹄数字信号实施叫问分离形成j 口_ | _ 步支路数字信号，然后再通过恢复单元把它们恢复成原来的支路数字信号。从时分多路通信原理可知，在复接单元输入端上的各支路数字信号必须是同步的，即它们的生效瞬间与本机相应的定时信号必须保持正确的相位关系。但是在调整单元的输入端上却在复接器的输人端上则不必有这样的要求二如果复接器输入支路数宁信号与本机定时信号是同步的，那么调整单元只需调整相位，有时甚至连相位也无需调整，这种复接器称同步复接器；如果输人支路数字信号与本机定时信号是异步的，即它们的对应生效瞬间不一定以同一速率出现，那么调整单元要对各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，这种复接器称异步复接器；如果输入支路数字信号的生效瞬问相对于本机相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。【一) 同步复接设备组成前面已说明，如果各输入支路数字信号相对于本机定时信号是同步的，那么只需相位调整( 有时无须任何调整) 就可以实施数字复接，这就是同步复接。参见图l l ，去掉调整单元和恢复单元之后，就成了同步复接设备原理图。同步复接份接器的基本功能就是把同步支路数字信号合并成合路数字信号，并日把合路数字信号再分离成为原来的支路数字信号。从图1 一l 中可以看，数字复接份接设备可以划分为定时系统和复接分接系统。定时系统由复接定时单元、分接定时单元及同步单元组成。复接定时单元向复接器提供务种定时信号；分接定时单元向分接器提供各种定时信号；同步单元的作用是使得分接定时单元产生的定时信号建立并保持正确的相位关系，即建立并保持同步关系。这是正确实施同步分接的前提，下面将做详细讨论。同步复接分接系统是由同步复接单元和同步分接单元组成的。同步复接单元把各同步支路数字信号合并成合路数字信号，同步分接单元把合路数字信号分解为各支路数字信号。河北大学通信与信息系统硕士学位论文在定时系统中，如果复接定时单元向分接定时单元仅仅传送一种时钟信弓那是无法建市并保持余而的同步关系的；存复接? r 接系统中，如果只是循叫：交织地复接各支路的数字信号，那么一旦合并成为一个台路数字信号那就难以正确地实施分接i 因此，二者都需要一种特征信号，以便保证定时系统建寺伞面的同步关系；并且保证分接单元正确的实施分接：这种特征信号称帧定位信号或帧同步信号。它是循环插入合路信号中的，两次插入的间隔称为帧周期。它所表示的复接或分接定时信号的h , t n 关系称为帧状态。关于帧定位信号及帧的构成下面将详细讨论。同步数字复接每个支路信号每次交织插入的符号数量可以是一个也可是多个，每路每次插入一个符号的称比特复接；每路每次插入一个码字的称字复接。不同的复接方式可以适应不同的应用场合。例如：与p c m 编码连同的路复接，要求保存完整的字结构，而且，编码器就起到了缓冲作用，所以适于采用字复接；通常的数字群复接不要求保持字结构，考虑到尽可能简化设备，故一般都采用比特复接。采用比特复接时，同步复接份接原理图见图l 一2 ；相应的时间波形见图j3 ，同步复接器是由各支路缓冲存储器和合路移位寄有器组成的。假定在【( 1 时刻各支路信号已被写入各自的缓冲存储器，在t l 时刻受定时信号l t 控制，把支路缓冲存储器的内容并行写入合路移位寄存器；受合路时钟( f h ) 控制，f l ：t 20 , 1 刻开始串行读出。这就完成了同步复接过程。如果不考虑传输延叫，这个合路数字信号就：即被送到了同步分接器的输入端。同步分接器是m 合蹄移位寄存器和各支路缓冲存储器组成的。受接收时钟( f h ) 控制，在t 3时刻开始把接收的合路数字信号串行写入移位寄存器；在t 4 时刻受定时信号i 。r 控制，并行地把各支路信号写人各自的缓冲存储器。这种就完成了同步分接对程。皇立望量鏊至茎鎏鲞墼堡生主茎鎏，!图i 一2 同步复接分接原理图s ht 1 广1 广 nnnt uuuui r r _r 。- - _ - - l - - _ - j麓。一s s ! y j - 二二二二=s 4 1l 河北大学通信与信息系统硕士学位论文从f 二述有关同步复接的说明中可以看出，同步复接份接技术将涉及到一些具体的技术问题。这些问题包括：帧结构问题、帧定位问题和同步保障等问题。下而将逐一讨论这些问题。( 二) 帧结构上一节已经提到，为了使得分接器的帧状态相对于复接器的帧状态能获得并保持正确的相位关系，而且能够正确地实施分接，在合路数字信号中必须循环插人帧定位信号。因此在合路数字信号中也就存在以帧为单位的结构。帧( f r a m e ) 的严格定义是指这样一组相邻接的数字时隙，其中各数字时隙的位置可以根据帧定位信号来加以识别。有时出于需要，由几个帧构成一个复帧( m u l t if r a m e ) 或者把一个帧分解成几个子帧( s u b f r a m e ) 。通常在一帧内要包含以下内容：帧定位信号( f i a n l ea l i g n m e n ts i g n a l ) ，或者称为帧同步信号：前面已经说明它是用来保证获得并保持帧同步的特征信号。帧定位信号码组依其在一帧巾位置分布，可以分为集中式帧定位信号( b u n c h e df r a m e a l i g n m e n ts i g n a l )和分散式帧定位信号( d i s t r i b u t e df r a m ea l i g n m e n ts i g n a l ) 前者是指它的各个码元占据相邻的时隙，后者是指它的各个码元占据不相邻的时隙。二者在作用机理上没有本质差别，在性能上略有不同。它们分别适用于不同的帧结构中。例如：i t u t 建议g 7 3 2 ( 2 0 4 8 k b s ) 采用集中式帧定位信号；建议g 7 3 3 ( 1 5 4 4k b s ) 采用分散式帧定位信号。信息位：这是帧中传送的主要内容，占用帧中的时隙数也最多，例如：建议g7 3 2 中有9 4 的时隙传信息位；建议g7 3 3 中有8 7 的时隙传信息位。前面已经介绍过，各支路信息是彼此循环不交织插入合路数字信号中的。每一次插一个符号的称比特复接；每一次插一个字的称字复接。例如：建议g ，7 3 2 和g7 3 3 都是采用字复接。信令( s i g n a l i n g ) ：信令是通信网中与接续的建立和控制，以及与网络管理有关的信息位。通常在基群中占有规定的时隙位置。例如：建议g 7 3 2 规定信令占用第1 6 时隙，如果不够用的话，从第3 1 时隙用起；建议g 7 3 3 规定信令占用每个路时隙的第8 比特位置。信令总是与话路配合使用的，如果预先把信令时隙划分为多个子信令时隙，每个子信令时隙对应地分配给某一固定的话路使用，就称为随路信令( c h a n n e la s s o c i a t e ds i g n a l l i n g ) ；如果所有话路-电力通信数字复接器的设计与实现共用这一信令通路就称为共路信令( c o m m o n c h a n n e ls i g n a l i n g ) 。勤务数字( s e r v i c ed 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 gd i g i t a l ) ；通常是指保障设备正常工作并能提供各种方便的一些数字信号。例如：告警信号、码速调整指示信号以及其它指示或控制信号。把上述各种信号做适当的安排并使之标准化，就形成了通用的帧结构。( 三) 帆定位问题前面已经说明，在同步复接份接设备中，能够正确实施分接的前提是分接器的帧状态必须与复接器的帧状态保持正确的相位关系，即必须保持帧同步帧定位指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父系并且保持这种相位关系的过程，这种调整通常称为同步搜捕过程。f i x 提供给分接a - f c的各种定j 寸信号图1 4 帧定位系统简图帧定位系统的原理图见图1 4 它是由时钟源复接定时单元、分接定时单元和同步搜捕保持单元组成的。复接定时单元向复接器提供各种定时信号，分接定时单元向分接器提供各种定时信号，二者产生的帧结构是相似的，帧长是相等的，从原理上讲二者产生的帧定位码型也是一样的，它们分别表示各自帧的开始或终了( 或者其它特定部位) ，即表示各自的帧。复接器要把时钟( f h ) 和帧定位信号( s f ) 传送给分接器。通常分接器的定时单元也耍由接收时钟信号( f h ) 来推动，它也产生自己的帧定位信号( s f) 。在同步搜捕保持单元中比特s f 和s f 。的相对位置，如果不符合正确相位关系，就采取某种控制措施，使得分接帧状态相对于复接帧状态发生相对延时，直到使得二者达到正确的相位关系，即达到同步，然后就保持这种同步状态运行。这就是帧定位的全部过程。当然这是原理性的说明，具体实现方法可能有所不同。6 - 可- ：i l 大学通信与信息系统硕士学位论文( 四) 同步搜捕方法传统的同步搜捕方法有两种：逐位调整法和预置起动法。逐位调整的工作过程是这样的：首先把接收设备的帧状态停顿一个节拍，即j ：! q x d 于接收信号的帧状态延退一个时隙，然后在一个检验周期时间内把接收设侪的帧状态与接收俯l ? 的帧状态加以比较。如果不符合正确相位关系，就继续重复上述过程；如果符合正确相位关系，就保持这种相位关系并结束搜捕过程：从上述过程中可以看出，如果接收码流中任何一段信码都不出现帧定位码型，而且帧定位码中不发生误码，那么，这种逐位调整和逐位检验所花费的时间就显得长了些。实际上接收码流中的任何一段信码都可能出现帧定位码型( 即存在虚警现象) ，而且帧定位码中也可能发生误码( 即存在虚漏现象) ，这时这种逐位调整和逐位检验所花费的时间就成了必须的，而且检验周期选得足够长才可能较好地降低虚警概率和虚漏概率的影响，最终使得搜捕过程尽可能地短。采用预置起动搜捕方法时，在失帧期间接收设备时序发生器被置在一个特定的等待状态，即接收设箭帧状态处于特定的预置状态；接收码流逐比特进入帧定位信号检测电路，一旦其中全部n 位信码与规定的帧定位信号码型相同，就立即输出一个控制信号，启动接收设备的时序发生器，同时用接收时钟信号来推动它。然后经过一个检验周期的时间检验判断。如果末能建立正确的相位关系，就重复上述过程；如果确实建立正确的相位关系，就保持这种相位关系并结束搜捕过程。从上述过程可以看出，如果接收码漉中未同步前的任何一段信码都不出现帧定位码型，而且帧定位码中不发生误码，那么要遇到一个完整的帧定位码组就可以建立起同步，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虚漏现象，即某一段信码可能组合成帧定位码型，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。比较上述两种搜捕方法可以看出：在非同步位置上，逐位调整法每调整一次都要检验一次，而预置起动法只有出现虚警现象时才检验一次。可见后者是比较节省时间的，在同步位置上，逐位调整法不管帧定位码中是否出现误码总是检验一次，而且即使有某种程度的误码也可能做出相位关系正确的判断；而预置起动法，只要帧定码中有误码，就肯定地错过了建立同步的机会。可见-1后者会把搜捕时间拖长。综合上述两个方面，当合路数字信号误码率较低时，预置起动方法的平均搜捕时间较短，当合路数字信号误码率较高时，逐位调整法搜捕时间较短。数字信号误码率按国际推荐，通常是相当低的，不可用误码率门限，也只有l 1 0 5，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采用这种方法。方囊( 盘)ll ll l 1ixxxl ( t 伯n忱1 l ili2c 毛勺带l | il1ii；l 垤pijiiii十( 叽) ii iliilr( 以矿1i、ll、t y sliiii_ 一nl巧蒹( 自iio lilo i fi 口xfx iz fyfx i ric u 碲仉dlflof，口工( 9 寸id1i弓olf口牛( 儿产i口l口l口f0口loln( 哟”dl0r口才擐lo jff0td0xxxxx l c f m凡jdfi口ldd2口ffdf口口号驴j，口口4口i口0fdff口，矿矿nic 雎夕f护f口口图1 5 在重叠区内帧定位码型8 ( 五) 帧定位信号码型如果接收的合路数字信号能同时符合这样两个条件：其一，任何一位信码出现“l ”或0 的概率都是j 2 ，码元之问互不相关；其二，在检测帧定位信号时，任何两次试验之间也是互不相关的，那么，帧定位系统的性能与帧定位码型无关。事实上，条件二是不能完全符合的。在前一节讨论的两种同步搜捕方法中，都是一步一步地按顺序进行试验的，而且前后若干次试验是彼此相关的。例如：假定已经发生了失帧( 参见图1 5 ) ，但是分接帧状态相对于复接帧状态的延时( r ) 小于帧定位信号的时间长度( n t n 一其中n 是帧定位信号值数，t n 是合路信号时隙宽度) ，即处在重叠区内，这时如果帧定位码型不同，就将有不同的虚警概率( p y ) 。图1 5 中列举了三种典型的例子：它们的帧定位码长( n ) 都是6 位。方案( a ) 中r = 1 t n 时，p y = 1 2 ，对虚警概率的影响。方案( b ) r = 2 t n时，p v = ( 1 2 ) 。，而方案( c ) 中r = 1 t n 直到，r = ( n 一1 ) t n 都存在p y ：0 。可见在重叠区内，帧定位码型要对虚警概率数值影响是显著的。因此在设计帧定位信号码型时，首先要保证在重叠区内( r ( n 一1 ) t n ) 虚警概率要尽可能低。i t u t 现已排t j ：的4 蚪复接码流的帧定位信号码型如图1 6推荐值计算值建议速率畎b s )n ( b )bpg 7 4 28 4 4 8 1 0342 7、40g 7 5 i3 4 3 6 81 0342 74 0g 75 ii3 9 2 6 41 2342 24 2g 9 2 25 6 4 9 9 2l2342 242建议码流速度c k b 曲帧雠号码型g 7 4 28 4 4 81 】1o1ooog 7 5 l3 4 3 6 8111101o0og 7 5 1l3 9 2 6 411l110100000g 9 2 25 6 4 9 9 2111l1o1000 00到1 6 帧定位信号码型电力通信数字复接器的设计与实现可见，取这些帧定位信号码型时，在重叠区内的虚警概率全都等于零。l 六) 同步状态保护( 1 ) 同步状态保护的必要性只有进人同步状态后，系统才可能提供正常服务。但是由于接收码流存在误码，就可能破坏这种同步状态而重新进入搜捕状态。如果失帧过于频繁；或者说由于误码引起的两次失步之间的平均间隙( tf ) 过短，那么系统就难以保证服务质量。如果象以上各节讨论的那样，不采取保护措施的话，在帧定位信号的几位码元中，只要发生一位误码就立即引起失帧。失帧概率表达式p l = c r i 。( 1 一p 。) p e 。n p e( 式中，p l 是帧定位码组每个码元发生错误的概率) 它与帧频( f s ) 乘积就是在一秒钟虎平均发生失帧的次数，显然这个乘积的倒数就等于两次失频这间的平均时间间隔( tf ) ：lt 2f 疆t f = l n p 。这就是未采取同步状态保护措施时的两次失帧之间平均间隔计算式。例如：i t u t 建议g7 4 2 ：t s = 1 0 0 u s ，n = 1 0 当码流误码率p l = 1 1 0 。时，求得t f = 1 0 m s ；当p l = 1 1 0 。一时，求得tf = 1 0 s 。可见即使在误码率相当低时，平均每隔1 0 秒就要发生一次失帧，这在工程上是不能接受的。因此必须采取同步状态保护措施。( 2 ) 同步状态保护方法通常采用的同步状态保护方法是这样的：在进入同步态之后，在规定的时刻( 即在建立同步态之后的每隔整整一帧的时刻) 连续检验是否发生帧定位信号丢失现象，如果连续p 次发现帧定位信号丢失，那么就确认进入失帧状态采用这样的保护措施后失帧概率及两次发生失帧之间的时间间隔表达式为：b 1 - ( n p 。) o f l ( n p 。) o例如：i t u t 建议o7 4 2 ：t s = 1 0 0 u s ，n = 1 0 ，口= 4 当p 1 = 1x1 0 。时，求得cf = 3 小时。即在误码率相当高的情况下，平均每隔e j b 日寸才发生次失帧。可见，这种同步状态保护措施是相当有效的。( 3 ) 平均确认失帧时间1 0 采取同步保护措施给系统带来的好处是明显的，偶然的连续少于b 次的帧定位信号丢失不会破坏同步状态；但是也有不利的一面，即如果系统真的发生r 失帧而不能立即作出判断，必须至少观察p 次才能确认失帧，并开始搜捕。从真正发生失帧到确认失帧所经历的时间称为平均确认失帧时间( t d ) 。参见图i 一7 ，在真正发生了矢帧之后，在原来的规定时刻上，还可能由信码组合出假的帧同步码型，这就要引起虚警现象。在识别过程之中，发生虚警次数图1 7 平均确认失帧时间( t d ) 计算图解可能不等；虚警事件也可能出现在不同时刻。参照图1 7 可以写出发生失步时刻到达保护计数器的计数( d ) 为x 时平均经历时间( tx ) 的一般表达式：c x = ( 1 一p y ) ( k l + t ) + p ，( 1 一p ，) 2 ( t 。一】+ l ) + p ；( 1 一p 。)3 ( t x l + t 。) + = ( 1 一p y ) ( t 。1 + t s ) i 或、1：生：! 王1 一p yx 21 日寸，考虑到发生失步时刻可能随机地出现在一帧内的任何时刻，所以保护计数= 1 的平均经历时间为：b ) ( 亨+ e ) + 巧( 1 一p ，)电力通信数字复接器的设计与实现( + 2 t 。) + = ( 1 一p ，) 予曼p ；+ p ，( 1 一p ，) t s黔冯= 耸竽= 矗芋当x = p 时，即保护计数器计到口，从而确认失步所经历的平均时间t d 就址所求的平均确认失帧叫问：oi + 1 ：t d 一1p 。t 。世el p y ( 1 一p v ) 22 矗+ 南+ “+ 雨r t + 争= 专+ 南+ ”+ 高尸2 ( 1 一p 。) p t d ： i 耋万l = l 【j r ，j公式6 1 就是平均确认失帧时间一般表达式。当p y = 0 时t d 。( 口一寺) l( 6 2 )公式( 6 2 ) 就是通常忽略虚警概率( p y ) 影响时，平均确认失帧时间的近似表达式。当p y ：# 0 时，6 1 式可写成：t 。= 等详昔棚+ 吉蹦巾it ,( 七) 搜捕过程校核( 1 ) 搜捕过程校核的必要性如果末采取同步状态保护措施的话，本来是不需要采取搜捕过程校核的。但是采取了同步状态保护措施之后，对于同步搜捕性能就产生了严重的不利1 2 ! ! ! 型望鲨垡堡堑墼鎏丝堡_ ! ! ! ! 一影响。在未采取搜捕过程校核措施时，在非同步位上一旦发现了伪同步码组，同步检测电路就立即判定为进入了同步状态，在未采取同步状态保护时，只要在下一个规定时刻未发现伪同步码组，就可以立即向下一个码位搜索；但是采取了同步状态保护之后，必须在随后的规定时刻上至少要连续p 次不再出现伪同步码组，才能向下一次码位搜索。可见在非同步位上一旦发生了虚管事件，至少要耗费口个帧周期的时间才可能往下码位搜索。这就明显地拉长了同步搜捕时间，因此，这时有必要采取相应的搜捕过程校核措施。( 2 ) 搜捕过程的校核方法下面介绍一种通常采用的搜捕过程校核方法：在搜捕过程中，在发现第一个帧同步码型之后，在规定的时刻( 即在发现第一个帧同步码型时刻起，每隔整整一帧的时刻) ，连续检验是否还有帧同步码型出现，如果总计连续发现a次，才确认进入了同步状态。这时如果仅仅考虑虚警概率p y 导致进入同步状态一次的话，则在非同步位上平均停留时问的计算公式如下：事件爱，主车阢聿平向停留时t 叼元筐警( j p 孑)o 铲虚喈1 次曙l 卜p 谤)吒埘虚警z 次谬l i p 一哇a t k j 文帮下h 脚t r 荏谨c 州礅p c f 一乃)弋孑k = 杰；蠢了虚喾耐圾? 喾譬姆恻丐罗图l 8 采取保护校核措施后的非同步位平均停留时间计算简图t 卜( 1 一p y ) t h + p y ( 1 一p y ) ( t h + t 3 ) + 巧( 1 一p y ) ( t h + 2 t s )一i ) t j + p ； t h + ( a 1 ) t 5 + d i 3 电力通信数字复接器的设计与实现式中平均确认失步时间t 。一( p 一导) t ，么t ；= t i 、l ( 1 一p ，) + p ，( 1 一p y ) 十p ；( 1 一p y ) + + 巧“( 1 一b ) + 弓 + t ； p y ( i p y ) + 2 碑( 1 一p y )+ - + ( a 1 ) p ；一1 ( 1 一p y ) + ( a 一1 ) p ； + t d p ；= t h + l ( p y + p ；+ + p ；1 ) + t d ：= t h + 旦1 出- p y - t + t d r厶= t h + 篱，坶。考虑到工程设计中通常保证p y l ，p ，”1 p y ，这时d么t a 4 t 1 1 十尚t s( 7 1 )这就是采取了搜捕校核和同步保护措施之后在非同步位上平均停留时f t j 。显然，它与未采取相应措施时是一样的。当然这是近似结果。因此可见，在采取了同步保护和搜捕校措施之后，对于在非同步位上平均停留时间并未广：生明显影响，所以，无论采取保护校核措施与否，都可以用相同的计算公式来计算平均搜捕时间。( 3 ) 平均确认同步时间采用搜捕过程校核措施给系统带来的好处也是显然的，它会使得系统不敛因采取了同步保护措施而使得搜捕过程明显拉长。但是采取了这种措施也给系统带来不利的一面，即如果系统实际上已经进入了同步态，却不能立即得到确认。必须经过一段时间进行判断，在确认同步之后才能施加同步保护。这段时间就是平均确认同步时间( tw ) 。考虑到在搜捕校核过程中，如果校核计数器的计数w ) 已经达到了x ( a ；随后出现一次虚漏现象，那么校核计数器立即清零并从头开始搜捕。因此，在采取校核措施之后，平均确认同步时间( t1 4 河北大学通信与信息系统硕士学位论文w ) 就是从开始搜捕直到确认同步所经历的全部时间。参照图l 一9 可以看出自开始搜捕至校核计数器计到y 所经历的平均时间( ty ) 的一般表达式：t 。= ( 1 一p 1 ) ( t 。_ + c 。m a x ) + p i ( 1 一p 1 ) 2 ( t ，一1 + t sm a x )+ p f ( 1 一p 1 ) 3 ( t y1 + t ：m a x ) + - t = ( i p t ) ( t y 一1 + t ：m a x )酗“= 虹高产式中，t y 一1 是校核计数器计到( y 一1 ) 的经历的平均时间；tsm a x 是自非同步位过渡到同步位经历的最长时间；p i 是虚漏概率。考虑到开始搜捕时间可能出现在相对于输人信号帧的任何部位；此处还考虑到( 7 1 ) 式的近似关图1 9 平均确认同步时间( n v ) 计算图解可以看出，采取校核措施日寸校核计数器计到1 经历的平均时间，就近拟等于未采用校核措施时的平均搜捕时间( ta ) ：t ，= 警丁t s m a x当y = a 日d ，即校核计数器计到。，从而确认同步所经历的平均时间tw ，就是所求的平均确认同步时间：c h i 十c f r i a x1 一p 。一h m a x + h2 + t s m a x + + ! ! 二! 苎旦翌兰一1 一p 、。( 1 一p ；) 2 ( 1 一p i ) 8 1一t s m a x +蔓望! 坚+ + t l + t u m a x +蔓里璺兰+ 生望堕一一1 一p i ( 1 一p ，) ! 。l p i。( 1 一p ) 8 1 ( 1 一p i ) 5未罱一耋南一赤汹x(7-2)21p21p21( 一) ，刍( 一，) t( 一只) 8 1 蜘“公式( 7 2 ) 就是平均确认i n 步时间一般表达式。当p l = 0 时，t 。= ( a 一去) t ：r n 。m ( n 一寺) l( 7 3 )公式( 7 3 ) 就是忽略了虚警概率( p y ) 及虚漏概率( p l ) 影响时，平均确认同步时间的近似表达式。当p l ：o 日寸，( 7 2 ) 式可以改写成：c 。= f 王j ! 喾一 t + 吉( ，一p ，) 一一 t ：m a x( 八) 帧定位保护参数根据前面讨论的结果，就可以归纳出一个完整的帧定位保护逻辑图( 见图1 1 0 ) 处于失步状态时，帧同步码检测电路一旦发现帧同步码型( 简称发现一次) ，校核计数器就开始计数。如果随后在规定时刻上又连续发现( a 一1 ) 次，即校核计数器计到a ，就确认进入同步态，同时，保持校核计数器q 状态并且把保护计数器归零；如果随后在连续( a 1 ) 规定时刻上有一次未发现同步码型( 简称丢失一次) ，就把校核计数器归零并重新进行搜捕。1 6 河北大学通信与信息系统硕士学位论文图l 1 0 帧定位保护逻辑处于同步状态时，帧同步码检测电路在规定时刻上只要一次未发现帧定位码，保护计数器就计1 。如果随后在规定时刻上又连续( b 一1 ) 次未发现，即保护计数计到p ，就确认进入了失步态。同时保护计数器的计口状态并且把校核计数器归零；如果随后在连续( 口一1 ) 个规定时刻上有一次发现了帧同步码，就把保护计数器归零并重新进行同步监视。这时，在同步位上发生虚漏事件的概论和在非同步位上发生虚警事件的概率分别为：砰( n p ) ps = ( 告) n a在工程设计中，为了使得同步搜捕保持电路不致于过分复杂，把虚漏概率和虚警概率限制在l l 旷8量级是足够的。如果按。c ( i 兀叫隹荐的信道误码率，不可用门限( p l = l 1 矿来考虑，可以得出下列公式：p 。一r = l l o 一8f8铲矿五忙忐电力通信数字复接器的设计与实现可见，在帧定位信号码长确定后，按上述公式可以求得相应的帧定位保护参数前方保护次数口和后方保护次数a 的数值。相应的计算曲线见图1一l l 。下表给出了( i t u t ) 的推荐值，同时列出了相应的计量结果易4王图l 一1 1a 、8 计算曲线推荐值计算值建议速率( k b s )n ( b )p吐pg 7 4 28 4 4 81 0342 74 0g 7 5 l3 4 3 6 8l o342 74 0g7 5 l1 3 9 2 6 41 2342 24 2g 9 2 25 6 4 9 9 21 2342 24 2表1 1 计算结果1 2 电力通信的发展与现状电力线载波通信是电力系统的一种特殊的通信方式，它以电力线为载体，以变电站为终端，是适合电力系统通信，特别是电力调度通信的需要。它具有以下主要特点：( 1 ) 元中继通信距离长。几百公里的长距离输电线路连续的两个变电站，如使用电力线载波，只需建一两对载波机，就可以建立起通信。如用微波通信，就需建多个微波站才能建立起通信。如用光纤通信，几百公里的光缆投资1 8 河北大学通信与信息系统硕士学位论文不少，施工也不是一朝一夕可以完成。从这点来讲，电力线载波通信是其它通信无可比拟的。( 2 ) 由于电力线载波通信是以电力线为载体，以变电站为用户，所以载波机就直接装在电力线的两端，即变电站里，设备离用户近，可以提高可靠性。( 3 ) 工程的施工比较简单，输电线路建好后，装上阻波器、耦带电容器、结合滤波器，放好高频电缆，然后安装载波机，就可以进行调试。这些工作都在变电站内进行，基本上不需要另外进行基建工程，所以能比较快的建立起通信。在不少工期比较紧的输变电工程中，往往只有电力线载波通信才能和输变电工程同期建成，保证了输变电工程的如期投产。电力线载波通信是电力系统的一种必不可少的通信手段，它在许多方面是其它通信手段无法替代的。目前，在我国电力系统运行的电力线载波通讯设备，大部分是模拟电力线载波机。随着电力系统的长足发展，综合自动化领域向弱电化、自动化、信息化、智能化、无人值守方向发展，变电站与集控站，调整端之间有大量的信息需要传输，单边带4 k h z 带宽摸似载波机只能传一路话路和一路数据，速率低，已远远不能适应电力系统的发展需求，目前有一种趋势，通信都由模拟通信向数字通信发展，电力线载波通信也应赶上这个潮流。数字载波通信是利用当今国际最先进的数字科技而发展起来替代模拟载波通信的升级换代产品。数字载波通信既保留了模拟载波通信信息传输稳定可靠、路由合理及维护管理方便等优势，又解决了原载波通信容量小、组网困难的缺陷，同时进一步提高了通信质量，是载波通信发展的必然趋势。1 3 电网通信扩容的方法对电网通信进行扩容有两种办法：一是可以引进先进通信设备人手，在变电站与供电局之间架设光缆，这样建立起来的通信网其有话音优、网管功能强、速率高等优点。二是采用当今先进的数字处理技术，数字复接技术对电力通信网进行扩容，设计出符合电力通信的复用设备，与原电力线载波机结合，可使单信道模拟电路变成可同时传输多路数字信息的多信道数字传输系统。与原模拟载波通信相比，具有活质优、网管功能强、误码率低、可靠性高的明显优势，从而为电力线载波通信升级、扩容、改造提供了投资省、见效快的理想途1 9 -径。如图所示，传统的载波机只传输一路话音和一路数据。经过改造，就可以传多路语音与数据。电力线调执行电话调度所传统载波机之间的通信扩容后的载波机通信图1 1 2 扩容前后对照图调度所电话调度总机热线电话行政动虮r $ 2 3 2墼一河北大学通信与信息系统硕士学位论文第二章电力通信数字复接器的总体设计2 1 设计目标实现语音和数据复接的数字复接器是电力通信系统中的一个关键设备，语音质量和数据的可靠性是用户最为关心的，也是设计的关键所在，所以数字复接器的总体设计直接关系到整个系统的可靠性、稳定性等指标。对于数字复接器应达到阻下的要求：( 1 ) 在数字复接器的设计中，必须把模拟语音变成数字信号，然后把数字化的语音信号再进行压缩，才能进行复接，在压缩的过程中不可避免造成信息丢失，在设计过程中既要尽量增大压缩比，又要保证语音质量。在对数据的复接时，由于是低速数据一般不予压缩，但数据不能出错，所以对数据的可靠性是设计中应考虑的。( 2 ) 数字复接器除了能够实现多路话音与数据的复分接功能外，还有控制显示功能，以便用户操作使用。图2 1 系统组成功能框图信道电力通信数字复接器的设计与实现2 2 数字复接器的系统结构设计方案( 一) 系统的逻辑组成数字复接器的组成原理框图如图2 1 所示。整个系统由p c m 编码、语音压缩、c p u l 、c p u 2 、双口r a m 、显示等模块构成。( 二) 各模块的功能分析与设计1 p c m 编码解码p c m 编解码功能可由一片m c l 4 5 4 8 0 芯片来完成，它完成a 巾一d a 变换。m c l 4 5 4 8 0 是通用单通道p c m 编码解码滤波器，它兼有预采样滤波器和重构滤波器，有一个精确的在片的1 5 7 5 v 基准电压，无需外部元件，其设计即可用于同步传输也可用于异步传输。它具有u 律或a 律压扩可选功能，本系统选用a 律压扩，因此后面的a m b e 一1 0 0 0 与a d d a 接口也将选择a律接口。此器件实现的p c m 系统所要求的语音数字化和频带限制在3 0 0 h z一3 4 0 0 h z 。m c l 4 5 4 8 0 p c m 编码解码器能容纳各种时钟格式，如短帧同步、长帧同步、芯片内数字链接口( i d c ) 以及通用电路接口( g c i ) 定时设备等。本系统选用短帧同步模式，主要考虑是与a m b e 一1 0 0 0 所需的时钟相区配，a m b e 一1 0 0 0 也工作在短帧模式。外部语音信号经过a d 变换和m c l 4 5 4 8 0 内部低通滤波器，按8 k h z 的速率进行采样，变成6 4 kb s 的数据流在声码器的接收数据选通时钟的控制下送至声码器。同时，m c l 4 5 4 8 0 完成d a 变换及低通滤波，再将模拟语音信号通过模拟输出端输出。2 语音压缩由声码器a m b e 一1 0 0 0 完成语音的压缩编解码功能，这是本系统的核心部分，系统的性能主要由它完成。编码过程包括：输人p c m 语音数据按2 0 m s分帧，语音频谱各带清浊音判断、数据速率的确定、数据门限的动态调整、以及对语音数据的压缩和打包等。形成了3 4 字节的压缩编码数据包，供微处理器c p u l 处理和实现数据存储等。3 4 字节的数据包中包括2 个字节的包头h e a d e r ，用于帧同步；l 字节的i d ，根据其取值的不同，a m b e 一1 0 0 0 执行不同的功能；l 字节的标识f l a g s ，用于报告a m b e 一1 0 0 0 中特定功能的状态及通知a m b e 一1 0 0 0 有关正在接收的数据的信息，6 字节的控制信息c o n t r o l ，用2 2 河北大学通信与信息系统硕士学位论文于刈。声码器传递信息；其余2 4 字节便是话音数据信息v o i c ed a t a 。图2 2( a ) 给出了声码器的基本帧格式，其中图( b ) 给出的是送往声码器的控制帧结构，语音数据( 或控制数据) 少于l 9 2 位时用必须填充，保证送往a m b e 一1 0 0 0 的a m b e 一1 0 0 0 解码器完成对压缩语音数据包的解码。a i 皿e 解码器每2 0 m s 接受微处理器发送的3 4 字节压缩数据，解码器根据收到的数据格式，向p c m 接口发送6 4 kb s 的符合a 伽a 接口压扩编码规律的重要数据。3 定时单元时钟电路部分主要完成编码解码所需全部时钟的电路设计。由于整个系统所需时钟均来源于同一晶振所产生的时钟，即产生于同一时钟源，因此整个系统应该是同步系统。4 数据支路单元数据支路单元完成支路与低速数据终端的通信，并将终端数据投入到数据复分接过程。数据支路单元可支持同步数据和异步数据其速率包括1 9 2 k b s ，9 6kb s 3 0 0b s 等各种速率，既可以和数据终端设备( u r e 如计算机) 相连接又能数据线路终端设备( d c e 如m o d e m ) 相连接。5c p u l 单元c p u i 单元采用性价比高的5 1 单片机，主要功能是：把采集的语音数据送双口r a m 暂时存储以及把从远方接收的语音和数据( 均在双i ：1p a m 中) 送还各条支路。具体为：在声码器的编码信息包准备( e p r ) 为高时，c p u l 通过启动声码器的读选通端( r d n ) 接收编码器发送的一帧话音数据信息包，然后再将包中数据部分送至双e lr a m 。相反，c p u l 把双口r a m 中的语音部分数据，信息打包成帧，在声码器的解码信息包空( d p e ) 为高时，c p u l- 2 3 一电力通信数字复接器的设计与实现启动声码器的写选通端( w r n ) 发送一帧语音数据信息包。当c p u l