毕业设计218数字通信系统数据帧同步设计及同步可靠性研究

第一章：绪论课题研究的目的和意义随着我国国民经济和电力事业的迅速发展，绝大部分地区的用电已经没有了限制，一户一表制也已经基本得到了普及。为了改变传统的低效率的手工和半手工的抄表及管理方式，迫切需要建立一种能够自动采集各个用户用电信息并在必要时进行用电控制的集中抄表系统，而分布极其广泛的电力线作为数据传输媒介比较符合我国国情。原因是利用现有的电力线作为通讯信道，电力线网络覆盖面积之大，可大大节约资金投人，而且有利于电力部门的统一管理。但是将电力线作为一种数据传输介质却存在着技术上的问题，低压电力线是用来传输工频电能的，在其结构设计上不可能考虑高频数据传输技术的特殊要求，低压电力线载波信道的信号衰减、信道阻抗、脉冲噪声以及振荡波干扰的实际情况是非常复杂的，具有很强的时变性和随机性，不利于使用作数据传输。由于电力线路的多种干扰因素，系统的发送和接收同步时钟抖动也非常大。正是由于电力线对载波信号频率具有严厉的选择性和发送、接收同步时钟的抖动，导致了电力线数据通信的种种困难和问题。电力线载波通信使一个台区的电网成为一个广播网络。通信完成的功能包括抄表读数、控制继电器和设置电表节点。在电力线上的网络通信系统模型如果用OSI参考模型来划分，应该只包含物理层、数据链路层、网络层和应用层这四层。而本课题所研究的，是在数据链路层上的数据帧同步技术。实际上，在现代数据通信技术领域中，数据传输的发送和接收帧同步以及信道均衡技术是核心的信道处理技术。由于发送和接收时钟的抖动以及信道对频率的选择性，信号经过信道传输后，信号的幅度和相位都将发生变化，且变化的大小与信号的频率有关。一般说来，信号频率越高，信号经过信道传输后的幅度衰减越大、相位滞后也越厉害。信道的这种频率选择性给数据通信带来极大的困扰[12]。数据帧在信道发送和接收的帧同步以及信道均衡技术，就是用于消除信道的这种频率选择性的信道处理技术，不同频率的信号在经过均衡处理和数据帧同步后，可以具有大小基本一致的相位滞后与幅度衰减。因此，采用合适的信道均衡和数据帧同步技术，将是确保电力线数据通信实现和提升性能指标的关键技术。课题研究现状现阶段，比较常用的电力线载波数据通信技术有：窄带通讯方式（NarrowBand）、双音多频调制方式、多载波调制方式（MulticarrierModulation---MCM）、线形调频脉冲方式、超窄带通信方式、基于数字信号处理（DSP）的通信方式和扩频通信方式（SpreadSpectrum）[3]。目前，低压电力线载波数据通信技术已经朝着使用扩频使用通信技术的方向发展。扩频技术因其良好的隐蔽性和抗干扰性，能在很大程度上克服电力线的强衰减、强干扰的缺陷，大大提高通信系统的生存能力。采用扩频通信技术，结合适当的通信协议和差错控制技术，完全可以满足低压电力线载波数据通信系统的需要。虽然，世界范围内有关于电力线载波数据通信几年来的研究有了很大的进展，很多机构和公司都推出了各自先进的电力线通信技术（英文PowerLineCommunication），简称PLC，也就是我们课题研究的用电力线通信。电力线通信，实际上就是利用电力线载波数据通信技术和电力线的入户功能来实现多媒体数据的网络化传输。但这种方式从传输媒质上来讲，与线上网并没有区别，都是利用金属导线作为传输媒质，不同的只是两者所适应的传输频率不同(PLC一般为17～30MHz)。而电力线上网除了其它技术难题外，还有两大问题始终得不到根本性的解决，一是无屏蔽措施的电力线在传输高频电信号时会像发射天线一样对空间产生高频电磁辐射，二是与电信网的铜绞线一样存在“最后一公里”或者“最后一百米”问题。尽管一些研究资料称：电力线上网最高理想速度可达到每秒2兆比特，比ISDN方式快30倍。但也有资料指出：现在所有关于电力线通信速度的研究数据，都只是一种理论值。在自动抄表系统的通信规约方面，现有的通信规约比较多，常用寻址方式进行采集，以数据包，即帧的形式发送或接收来实现数据的采集。国家电力部门发布的《多功能电能表通信规约》中提到，通信协议为主—从方式的半双工通信方式。由数据源、数据宿或两者组成的设备为主站，主站具有选择从选择从站与从站进行信息交换功能，而从站可以从主站接收信息并且与主站进行信息交换。数据链路层负责主站与从站之间通信链路的建立并以帧为单位传输信息，保证信息的顺序传送，具有传输差错检测功能。通信链路的建立与拆除均由主站发出的信息帧来控制。每帧由帧起始符、从站地址域、控制码、数据长度、数据域、帧信息纵向校验码及帧结束符等7个域组成。每部分由若干字节组成。课题的研究内容本课题的主要研究目标是针对基于电力线载波信道自动抄表系统的数据帧同步部分进行设计和分析，主要内容包括：1．首先对数字通信系统帧同步的关键技术进行详细的分析和讨论。主要讨论同步帧长度和码型对系统性能的影响；2．熟悉仿真软件MATLAB的使用，利用该软件完成帧同步系统的仿真工作；3．在上述研究工作的基础上，针对电力线载波信道的特点，设计并分析适合的同步帧长度、码型及判决门限电平的选择。在上述工作中，利用仿真软件MATLAB对帧同步性能的分析是本次课题研究的主要工作。第二章：低压电力线信道分析由于电力线并不是专门为传输数据而设计的，所以有必要先简单分析以下高频信号在低压电力线上的传输特性。2.1低压电力线衰减特性电力线信道中信号的衰减，主要是由电力线信道路径和线路上所连接的设备决定的。该指标反映信道对各种频率信号衰减的程度，以利于选择传输信号的频率，即载波频率。测量随机两个插座间的衰减会发现，频带上的大部分衰减可以容忍，但有些电平很低，接近80dB，且出现的位置不可预测。这些很低的凹槽的随机性出现，使得要在1～30MHz选择出一段完美的电力线通信频带几乎不可能，在使用单载波通信中，通常依赖于凹槽出现的频段与载波不重叠，或采用均衡技术来克服信道的变化。但在电力线这种信道中，均衡技术变得非常昂贵，而且在阻抗很低，相当于短路的情况下，无法将信号复原。当信号达到100KHz～1000KHz的频段时，电力线衰减都在20dB以上，衰减随着频率的升高而增加，由于负载对电力线呈现不同的性质，而可能在某些频率处衰减很大，大于500KHz以后衰减开始增大。其中100KHz～400KHz频段略微好些。可以利用这个频段进行电力线上的数据通信。低压电力线上的噪声低压电力线上的干扰可以分为人为干扰和非人为干扰。非人为干扰指的是一写自然现象（如雷电等）在电力线上引起的干扰。人为干扰则是由连接在电力线上的用电设备产生的，并对数据通信有严重的影响。低压电力线上的噪声除了220V/380V的电网电压外，还有各种各样的电器设备产生的噪声，主要有以下几种：1.与50Hz电网电压频率同步的噪声，一般是由工作在工频的开关器件产生的，其频率成分是50H及其各次谐波；2.白噪声，比较典型的是电动机产生的噪声；3.脉冲噪声，重要是某些电器开关造成的，以及从高压输电变压器感应过来的噪音，特点是频谱宽、时间短；4.周期性噪声，如电视机的行频机器个次谐波。低压电力线上干扰信号的频谱非常不规则，存在许多突变，有些频率信号的强度很高，有些则很低，这种周期干扰重要是由大量的高频干扰组合而成的。经测试：从1MHz以后，噪声功率小于-90dB；在10KHz～100KHz频带内，功率较高，并在-20dB～-40dB内变化；100KHz～1MHz区间内以-40dB倍频下降。2.3低压电力线阻抗特性影响低压线路阻抗特性的因素大致有以下几个方面：接入电力系统的用电设备有不同的阻抗形式；高压配电变压器的初级对次级的影响以及电力线路的拓扑结构。研究表明，低压电力线上的输入阻抗与所传输的信号频率也密切相关。在理想情况下，当没有负载的时候，电力线相当于一根均匀分布的传输线。由于分布电感和分布电容的影响，输入阻抗会随着频率的增大而减小。当在电力线路上有负载出现时，所有频率的输入阻抗都会减小。但是，由于负载类型的不同，使得不同频率的阻抗变化也不相同，所以实际情况非常复杂，甚至使输入阻抗的变化不可预测。测试居民电力线的阻抗特性后发现，输入阻抗随频率的变化并不符合一般想象中的随频率的增加而减少的变化规律，甚至与之相反，阻抗总体上随着频率升高而增加，为了解释这一问题，可以将电力线看成是一根传输线，上面连接有各种复杂的负载。这些负载以及电力线本身组合成为许多共振电路，在共振频率及其附近频率上形成低阻抗区。因此，在输入与频率的关系上会出现许多阻抗低谷区。正是由于负载在电力线上随机地连上或断开，所以在不同时间，电力线的输入阻抗也回发生较大幅度的改变。由于低压电力线输入阻抗的剧烈变化，使得发送机功率放大器的输出阻抗和接收机的输入阻抗难以保持匹配，因而给电力线系统的设计带来困难。由此可见，电力线载波信道特性为多时变的，随着负载、用电户的多少而不断变化，其信号衰减特性和干扰特性非常复杂，而且随机性、时变性大。另外，各种参数随频率而变化。噪声功率主要集中在低频段（小于100KHz），而传输特性则因频率增加，衰减增大。产生上述现象的主要原因是：供电系统是一个开关系统，容易受到来自各方面的干扰，并且因为存在不同特性的用电负载，外界负载数量在变，所以特性阻抗也在变化，所以产生传输衰减的变化，从而导致信号的不稳定和失真。正是由于电力线的这些特点，使得电力线载波数据通信存在着许多技术方面的问题。为了保证在电力线上进行数据通信的可靠性，必须提出如下一些限制条件：信号传输距离不能太远（一般不超过1000m）；最佳的传输信号频率范围为100～450KHz；电力线载波传输信号限于同一变压器范围内。第三章：帧同步技术在数字通信中，同步是一个非常重要的问题。同步又称定时，就是使收发双方在时间上步调一致。按作用不同，常把同步分为:载波同步，位同步(码元同步)，帧同步(群同步)[5]。众所周知，数据报文有一系列码元构成。而每一个码元(二进制的或多进制的)用某种波形代表。在通常的通信系统中，为了实现数据信号的接收，都要求准确的知道每一个码元的起止时刻，以便在适当时刻进行抽样判决，这就是位同步。对于已调信号，当采用相干解调时，除了位同步外，还要在数据接收端提供一个与信号载波同频同相的参考载波，即要求达到载波同步。载波同步、位同步是接收数据码所需要的。为了接收数据报文，一般要对码序列进行分组，还需要知道数据帧或信息包的开始和终止时刻。这些就是所谓的组同步、帧同步或信息包同步，且统称为群同步，即帧同步。实现帧同步的方法一般可以分为两类：第一类方法是发送的数字信号序列中插入帧同步脉冲或帧同步码作为帧的起始标志，这类方法称为外同步法。另一类方法是利用数字信号序列本身的特性来恢复帧同步信号，例如某些具有纠错能力的抗干扰编码具有这种特性，这种方法成为自同步法。帧同步问题实际上是一个对帧同步标志进行检测的问题，对帧同步系统提出的基本要求是:(1)正确建立同步的概率要大，即漏同步概率要小，错误同步或假同步的概率要小。(2)捕获时间要短，即同步建立的时间要短。(3)稳定地保持同步。采取保持措施，使同步保持时间持久稳定。(4)在满足帧同步性能要求条件下，帧同步地长度应尽可能短些，这样可以提高信道传输效率。插入特殊码组实现帧同步的方法有多种，包括起止式同步法、连贯式插入法和间隔式插入法。本文对课题所采用的连贯式插入法做重点的说明。3.1常用的帧同步法3.1.1这是在电传机中广泛使用的同步方法，它用5个码元代表一个字母（或符号等），在每个字母开始时，先发送一个码元宽度的负值脉冲，再传输5个单元编码信息，接着再发送一个宽度为1.5个码元的正值脉冲。开头的负值脉冲称为“起脉冲”，它起着同步作用，末尾的正值脉冲称为“止脉冲”，它使下一个字母开始之前产生一个间歇。那么接收端就是根据1.5个码元宽度的正电平第一次转换到负电平这一特殊规律，确定一个字的起始位置，因而就实现了帧同步。一个字母实际上由图3-1所示的占有7.5个码元宽度的波形组成。由于这种同步方式中的止脉冲宽度与码元宽度不一致，会给同步数字传输带来不便，另外，在这种起止式的同步方式中，7.5个码元中只有5个码元用于传输有效信息，效率比较低。但是起止式的同步方式有简单易行的优点。图3-1起止式同步原理图3.连贯插入法，又称为集中插入法。它是指在每一信息帧的开头以集中的形式插入作为帧同步码组的特殊码组，该码组应在信息码中很少出现，即使偶尔出现，也不可能依照帧的规律周期出现。接收端按帧的周期连续数次检测该特殊码组，这样便获得帧同步信息。连贯插入法的关键是寻找实现帧同步的特殊码组。对该码组的基本要求是：具有尖锐单峰特性的自相关函数；便于与信息码区别；码长适当，以保证传输效率。另一方面识别器也要尽量简单。符合上述要求的特殊码组有：“01111110”码、巴克码、基帧帧同步码0011011。此外，在一定条件下伪随机序列、walsh序列、gold序列也可以作为帧同步码组使用。目前最常用的帧同步码组是巴克码。.1巴克码巴克码是一种有限长的非周期序列。它的定义如下：一个n位长的码组{x1,x2,x3，…，xn}，其中xi的取值为+1或－1，若它的局部相关函数0j=00或0<j<n（3-1）0j>n则称这种码组为巴克码，其中j表示错开的位数。目前已找到的所有巴克码组如表3-1所示。其中的＋、－号表示xi的取值为+1、-1，分别对应二进制码的“1”或“0”。表3-1巴克码组n巴克码组2＋＋(11)3＋＋－（110）4＋＋＋－(1110)；＋＋－＋(1101)5＋＋＋－＋(11101)7＋＋＋－－＋－(1110010)11＋＋＋－－－＋－－＋－13＋＋＋＋＋－－＋＋－＋－＋以7位巴克码组{+++--+-}为例，它的局部自相关函数如下：当j=0时(3-2)当j=1时(3-3)同样可求出j=3，5，7时R（j）=0；j=2，4，6时R（j）=-1。根据这些值，利用偶函数性质，可以作出7位巴克码的R（j）与j的关系曲线，如图3-2所示。由图可见，其自相关函数在j=0时具有尖锐的单峰特性。这一特性正是连贯式插入帧同步码组的主要要求之一。图3-27位巴克码的自相关函数.2巴克码识别器仍以7位巴克码为例。用7级移位寄存器、相加器和判决器就可以组成一个巴克码识别器，如图3-3所示。当输入码元的“1”进入某移位寄存器时，该移位寄存器的1端输出电平为+1，0端输出电平为-1。反之，进入“0”码时，该移位寄存器的0端输出电平为+1，1端输出电平为-1。各移位寄存器输出端的接法与巴克码的规律一致,这样识别器实际上是对输入的巴克码进行相关运算。当一帧信号到来时，首先进入识别器的是帧同步码组，只有当7位巴克码在某一时刻（如图3-4(a)中的t1）正好已全部进入7位寄存器时，7位移位寄存器输出端都输出+1，相加后得最大输出+7，其余情况相加结果均小于+7。若判别器的判决门限电平定为+6，那么就在7位巴克码的最后一位0进入识别器时，识别器输出一个同步脉冲表示一群的开头，如图3-4(b)所示。图3-3巴克码识别器图3-4识别器的输出波形巴克码用于帧同步是常见的，但并不是惟一的，只要具有良好特性的码组均可用于帧同步，例如PCM30/32路基群的连贯隔帧插入的帧同步码为0011011。3.1.间隔式插入法又称为分散插入法，它是将帧同步码以分散的形式均匀插入信息码流中。这种方式比较多地用在多路数字电路系统中，如PCM24路基群设备以及一些简单的ΔM系统一般都采用1、0交替码型作为帧同步码间隔插入的方法。即一帧插入“1”码，下一帧插入“0”码，如此交替插入。由于每帧只插一位码，那么它与信码混淆的概率则为1/2，这样似乎无法识别同步码，但是这种插入方式在同步捕获时我们不是检测一帧两帧，而是连续检测数十帧，每帧都符合“1”、“0”交替的规律才确认同步。分散插入的最大特点是同步码不占用信息时隙，每帧的传输效率较高，但是同步捕获时间较长，它较适合于连续发送信号的通信系统，若是断续发送信号，每次捕获同步需要较长的时间，反而降低效率。分散插入常用滑动同步检测电路。所谓滑动检测，它的基本原理是接收电路开机时处于捕捉态，当收到第一个与同步码相同的码元，先暂认为它就是帧同步码，按码同步周期检测下一帧相应位码元，如果也符合插入的同步码规律，则再检测第三帧相应位码元，如果连续检测M帧（M为数十帧），每帧均符合同步码规律，则同步码已找到，电路进入同步状态。如果在捕捉态接收到的某个码元不符合同步码规律，则码元滑动一位，仍按上述规律周期性地检测，看它是否符合同步码规律，一旦检测不符合，又滑动一位……如此反复进行下去。若一帧共有N个码元，则最多滑动（N-1）位，一定能把同步码找到。滑动同步检测可用软件实现，也可用硬件实现。软件流程图如图3-5所示。图3-6所示为硬件实现滑动检测的方框图，假设群同步码每帧均为“1”码，N为每帧的码元个数，M为确认同步时需检测帧的个数。图3-6中“1”码检测器是在本地群同步码到来时检测信码，若信码为“1”则输出正脉冲，信码为“0”则输出负脉冲。如果本地群码与收码中群同步码对齐，则“1”码检测器将连续输出正脉冲，计数器计满M个正脉冲后输出高电位并锁定，它使与门3打开，本地群码输出，系统处于同步态。如果本地群码与收信码中群同步尚未对齐，“1”码检测器只要检测到信码中的“0”码，便输出负脉冲，该负脉冲经非门2使计数器M复位，从而与门3关闭，本地群码不输出，系统处于捕捉态。同时非门2输出的正脉冲延时T后封锁一个位脉冲，使本地群码滑动一位，随后“1”码检测器继续检测信码，若遇“0”码，本地群码又滑动一位，直到滑动到与信息码中群同步码对齐，并连续检验M帧后进入同步态。图3-5是帧同步码每帧均为“1”，若群同步码为“0”、“1”码交替插入，则电路还要复杂些。图3-5滑动监测流程图3-6滑动同步检测3.2帧同步系统的性能之前曾对帧同步系统提出具体要求，这些要求基本上反映了帧同步系统的性能情况。帧同步实质上就是要正确地检测帧同步的标志问题，防止漏检，同时还要防止错检。帧同步系统应该建立时间短，并且在帧同步建立后有比较强的抗干扰能力。通常，帧同步性能主要指标是同步可靠性（包括漏同步概率P1和假同步概率P2）及同步建立时间ts。3.2.1漏同步概率帧同步的可靠性受两个因素的影响。第一，由于干扰的影响，接收的同步码组中可能出现一些错误码元，从而使识别器漏识已发出的同步码组，出现这种情况的概率称为漏同步概率，记为P1。以n位巴克码识别器为例，设判决门限为6，此时7位巴克码只要有一位码出错，7位巴克码全部进入识别器时相加器输出由7变为5，因而出现漏同步。如果将判决门限由6降为4，则不会出现漏识别，这时判决器允许7位巴克码中有一位码出错。漏同步概率与帧同步的插入方式、帧同步码的码组长度、系统的误码概率及识别器电路和参数选取等均有关系。对于连贯式插入法，设n为同步码组的码元数，P为码元错误概率，m为判决器允许码组中的错误码元最大数，则Pr·(1-P)n-r表示n位同步码组中，r位错码和（n-r）位正确码同时发生的概率。当r≤m时，错码的位数在识别器允许的范围内，Cm表示出现r个错误的组合数，所有这些情况，都能被识别器识别，因此未漏概率为:(3-4)故漏同步概率为：(3-5)3假同步概率P2第二，在接收的序列中也有可能在信息的码元中出现与同步码组相同的码组，这时信息码会被识别器误认为同步码，从而出现假同步信号。发生这种情况的概率称为假同步概率，记为P2。假同步概率P2是信息码元中能判为同步码组的组合数与所有可能的码组数之比。设二进制数字码流中,1、0码等概率出现，则由其组合成n位长的所有可能的码组数为2n个，而其中能被判为同步码组的组合数显然也与m有关。如果错0位时被判为同步码，则只有Cno个（即一个）；如果出现r位错也被判为同步码的组合数为Cm,则出现r≤m种错都被判为同步码的组合数为Cm，因而可得假同步概率为:(3-6)可以看到，假同步概率随着同步码组长度的增加而减少。3.2.3对于连贯式插入法，假设漏同步和假同步都不出现，在最不利的情况，实现帧同步最多需要一帧的时间。设每帧的码元数为N（其中N位为帧同步码），每码元的时间宽度为T，则一帧的时间为NT。在建立同步过程中，如出现一次漏同步，则建立时间要增加NT；如出现一次假同步，建立时间也要增加NT，因此，帧同步的平均建立时间为:(3-7)帧同步平均建立时间越短，通信的效率就越高，通信的性能就越好。因此我们希望帧同步的平均建立时间越短越好。要提高通信效率，无论是连贯式插入法还是分散式插入法，都应该减少帧同步的插入次数和帧同步码的长度，使其减少到最小程度。当然，这一切要求都是在满足帧同步性能的前提下提出来得。3.3帧同步的保护同步系统的稳定和可靠对于通信设备是十分重要的。在帧同步的性能分析中我们知道，漏同步和假同步都是影响同步系统稳定可靠工作的因素，而且漏同步概率P1与假同步概率P2对电路参数的要求往往是矛盾的。为了保证同步系统的性能可靠，提高抗干扰能力，在实际系统中要有相应的保护措施，这一保护措施也是根据帧同步的规律而提出来的，它应尽量防止假同步混入，同时也要防止真同步漏掉。最常用的保护措施是将帧同步的工作划分为两种状态，即捕捉态和维持态。为了保证同步系统的性能可靠，就必须要求漏同步概率P1和假同步概率P2都要低，但这一要求对识别器判决门限的选择是矛盾的。因此，我们把同步过程分为两种不同的状态，以便在不同状态对识别器的判决门限电平提出不同的要求，达到降低漏同步和假同步的目的。捕捉态：判决门限提高，即m减小，使假同步概率P2下降。维持态：判决门限降低，即m增大，使漏同步概率P1下降。连贯式插入法帧同步保护的原理图如图3-7所示。在同步未建立时，系统处于捕捉态，状态触发器C的Q端为低电平，此时同步码组识别器的判决电平较高，因而减小了假同步的概率。图3-7连贯式插入法帧同步保护的原理图一旦识别器有输出脉冲，由于触发器的-端此时为高电平，于是经或门使与门1有输出。与门1的一路输出至分频器使之置“1”，这时分频器就输出一个脉冲加至与门2，该脉冲还分出一路经过或门又加至与门1。与门1的另一路输出加至状态触发器C，使系统由捕捉态转为维持态，这时Q端变为高电平，打开与门2，分频器输出的脉冲就通过与门2形成帧同步脉冲输出，因而同步建立。同步建立以后，系统处于维持态。为了提高系统的抗干扰和抗噪声的性能以减小漏同步概率，具体做法就是利用触发器在维持态时Q端输出高电平去降低识别器的判决门限电平，这样就可以减小漏同步概率。另外同步建立以后，若在分频器输出帧同步脉冲的时刻，识别器无输出，这可能是系统真的失去同步，也可能是由偶然的干扰引起的，只有连续出现N2次这种情况才能认为真的失去同步。这时与门1连续无输出，经“非”后加至与门4的便是高电平，分频器每输出一个脉冲，与门4就输出一个脉冲。这样连续N2个脉冲使“÷N2”电路计满，随即输出一个脉冲至状态触发器C，使状态由维持态转为捕捉态。当与门1不是连续无输出时,“÷N2”电路未计满就会被置“0”，状态就不会转换，因此增加了系统在维持态时的抗干扰能力。同步建立以后，信息码中的假同步码组也可能使识别器有输出而造成干扰，然而在维持态下，这种假识别的输出与分频器的输出是不会同时出现的，因而这时与门1就没有输出，故不会影响分频器的工作，因此这种干扰对系统没有影响。第四章：同步码循环相关检测技术目前，在数据帧的同步技术研究和应用中，一般都是通过在数据帧头加上同步位，或者专门在数据帧前加上一个完整的数据同步帧来解决数据帧的同步问题，同步码组与信息码组之间的差别性能应该越大越好，这样信息码组与同步码组才不会混淆。不会造成误判。一般使用在数学上具有良好自相关、或互相关特性的序列作为数据帧同步码组；在对数据帧头同步位或同步帧的判断和同步的算法研究中，基本上都是采用相关同步算法，也就是先将数据发送端需要发送的同步位或同步数据帧存储于接收端，然后与实际接收到的数据帧不断进行相关运算，当接收到的数据帧与本地存储的同步数据帧相匹配时将出现相关峰值(如图4-1所示)。以判断出接收到数据帧的帧头和帧尾，从而达到同步的目的。图4-1相关运算峰值因此，相关函数与函数的循环相关运算在数据帧同步的识别过程中起到了十分重要的作用。相关函数随时间成周期或多周期(各周期不能通约)变化的信号统称为循环平稳信号。循环平稳信号的周期性(循环性)结构的直接结果是这类信号都具有一种共同的性质，即所谓的谱冗余(也称谱相关)。充分利用谱冗余设计信号处理器，可以使之具有一些新的性能，特别是有利于和非循环平稳信号相区别。另外一方面，时变通计量(如是便相关函数、时变功率谱等)不能利用信号的单次观测纪录进行估计，但循环统计量却可以，而且由循环统计量可以获得时变统计量。循环统计量可以抑制任何平稳的有色噪声，高阶循环累计量还可以抑制非平稳的高斯有色噪声。因此，在循环平稳信号分析与处理中，使用循环累计量作为主要的数学工具有特殊意义。4.1循环自相关算法如果随机信号x(t)的均值和自相关函数是时间的周期函数，周期为T,则x(t)被称为广义周期平稳信号。其均值m(t)及自相关函数R(t,τ)分别为：(4-1)(4-2)将信号x(t)的(时变)相关函数定义为Rx(t,τ)=E{x(t)x*(t-τ)}。则，若x(t)x*(t)的统计特性具有周期为T的周期性，则其相关函数为：(4-3)由于Rx(t,τ)约是周期为T的周期函数，因而对Rx(t,τ)以用Fourier:展开它，得到:(4-4)式中α=m/T,且：(4-5)系数约表示频率为a的循环自相关强度，它还是τ的函数，简称循环自相关函数，α称为信号x(t)的循环频率。一个循环平稳信号的循环频率α可能有多个(包括零循环频率和非零循环频率)，其中，零循环频率对应信号的平稳部分，只有非零的循环频率才刻画信号的循环平稳性。4.2循环互相关函数借用循环自相关函数的概念，定义循环互相关函数为信号x(t)与信号y(t)的互相关函数的Fourier级数展开的系数:(4-6)设接收信号x(t)=s(t)+n(t)，本地信号为s(t=t1)，其中t1是本地信号相对于接收信号的时延，则接收信号与本地信号的互相关函数：(4-7)因为直扩通信信号s(t)与噪声n(t)统计上互不相关，且n(t)数学期望值(均值)为0，则:(4-8)由于循环自相关函数为，则循环互相关函数(4-9)与常规的相关检测方法相比，循环互相关函数在特性频率α处没有受到噪声的干扰，这样可以提升同步检测的性能。4.3循环互相关运算的MATLAB实现本次毕业设计使用的仿真软件是MATLAB。MATLAB是一个高性能的科技计算软件，广泛应用于数学计算、算法开发、数学建模、系统仿真、数据分析处理及可视化、科学和工程绘图、应用系统开发，包括建立用户界面。当前它的使用范围涵盖了工业、电子、医疗、建筑等各领域。MATLAB是英文MatrixLaboratory(矩阵实验室)的缩写，软件运行的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学，工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C、FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多。MATLAB语言最突出的特点就是简洁。与以往使用的编程语言相比，MATLAB用更直观的，符合人们思维习惯的代码，代替了C和FORTRAN语言的冗长代码。MATLAB给用户带来的是最直观，最简洁的程序开发环境。同时，MATLAB还能够与C、C++、JAVA、FORTRAN、BASIC、汇编等编程语言通用，具有强大的程序语言处理能力[6]。本次毕业设计使用的MATLAB工具包和三十几种工具包(Toolbox)。工具包又可以分为功能性工具包和学科工具包。功能工具包用来扩充MATLAB的符号计算，可视化建模仿真，文字处理及实时控制等功能。学科工具包是专业性比较强的工具包，控制工具包，信号处理工具包，通信工具包等都属于此类。循环相关是针对序列的循环移位的一种相关运算。也就是先让序列以N为周期进行周期延拓，然后再进行左移位，只朝一个方向移位的原因是：对周期序列向左移动一个位置，也就相当于向右移动了N－1个位置。最后取（0，N－1）的N个值就得到了循环移位后的N个序列。在用MATLAB编写循环相关程序时，考虑用矩阵相乘的形式来表示循环相关。假设序列x(n)长度为N点，序列y(n)长度为N点，x(n)除区间0≤n≤N-1之外皆为零，y(n)除区间0≤n≤N-1之外皆为零，用矩阵的形式来表达循环相关rxy(m)。在求循环相关时，序列要循环左移，一个N点的序列y(n)行向量，进行N次循环移位得到一个移位矩阵。计算循环相关时，只要用另一个行向量x(n)乘上该矩阵即可得到循环相关结果。用MATLAB编写循环左移函数circlel()：functionv=circlel(y)N=length(y)；v=zeros(N,N)；fori=1:Nforj=1:Nv(i,j)=y(j)；endL=y(1)；fork=1:N-1y(k)=y(k+1)；endy(N)=L；end给定两个序列x(n)和y(n)，计算过程：V=circlel(y)；r=x*V；即可。如果x(n)和y(n)的长度不同，则把短的序列进行补零，使得两者点长相同，然后计算同上。分别令序列x(n)为：11位巴克码；y(n)为11位巴克码移位后所得序列；将y(n)序列进行循环左移后与x(n)相乘，即求V=circlel(y)；r=x*V，画出相关运算峰值如图4-2所示。图4-2巴克码相关运算峰值从图4-2中可以看到，当序列y(n)向左移位到与序列x(n)的相位完全一致的时候，相关运算会得到一个与图3-1中所示的一样的较高的峰值，表明此时两个序列x(n)和y(n)完全匹配。第五章：帧同步设计及可靠性研究5.1同步帧性能分析5.1在绪论中曾经指出，在低压电力载波通道中脉冲杂音干扰非常频繁，为此应尽可能缩短数据收发时间，并采用较短的突发帧结构，以求避开脉冲杂音干扰。在本系统的应用中由于数据量小，而且数据帧的帧长较短。如果以1200bps的速率发送，则发送一帧数据占用时间为80ms。在其他应用中，如果数据量比较大，则可以把大的数据组分解成小的分组发送出去，在接收端，进行数据重组。短分组比较容易躲避电力线上的频繁脉冲杂音千扰，且当单个短分组被破坏时，只需重传该分组，可以提高系统的传输效率。由于本系统应用中所传输的数据量不大且对速度要求不高，故采用定长帧。由于采用的是突发数据帧形式，时隙较短，可以认为信道短时平稳，因此只需由前导序列一次确定相关同步信息。首先考虑同步码组长度对帧同步可靠性的影响。利用公式3-5和3-6分析同步码长度与帧同步性能关系，设判决器允许码组中的错误码元最大数为1，通过纠错编码技术处理后的电力线载波数据通信信道误码率为10-5～10-6，得出同步码组长度n与漏同步概率P1和假同步概率P2的关系图，如图5-1所示：图5-1(a)漏同步概率与同步码组关系图5-1(b)假同步概率与同步码组关系由图5-1可见，造成接收端漏同步的原因是由于干扰的影响，接收的同步码组中出现一些错误码元，从而使识别器漏识已发出的同步码组。在经过纠错编码后的电力线载波信道的误码率只有10-5～10-6。漏同步的概率是非常小的。造成接收端假同步是由于信息的码元中出现与同步码组相同的码组，这时信息码会被识别器误认为同步码。伴随着同步码组长度的增加，数据码组与同步码组完全相同几率将减少，为保证低的假同步概率，同步码组的长度应该尽量长些。但是，并非同步码组长度越长越好，在保证帧同步可靠性的前提下，同步帧的长度越长就意味着数据帧同步建立的时间就越久，数据传输的效率就将降低。同时考虑到既要保证帧同步可靠性，又要提高数据传输效率。按照《多功能电能表通信规约》规定，设计帧同步码组为1byte即8bit，同步方案如图5-2(a)所示。同步帧（8bit）信息帧（64bit）图5-2(a)数据帧同步模型帧格式为如图5-2(b)帧起始符控制码数据长度域数据域校验码结束符68HCLDATAFCS16H图5-2(b)数据帧结构模型帧起始符68H：标识一帧信号的开始；L为数据长度，等于数据域DATA的字节数；数据域DATA：所要传送的数据，为压缩的BCD码，传送时先低位后高位，传送方按字节进行加33H处理，接收方按字节进行减33H处理；检验码CS：从帧起始符到校验码之前的所有各字节的模256的和，即各字节二进制算术和，不计超过256的溢出值。数据域应按加33H进行打包和传输，因此校验和也是在加33H后及减33H前进行累加计算；结束符16H：标识一帧信息的结束。5.1帧同步系统性能由所用的标志字决定。作为帧同步标志字所用的特殊码组首先应该具有尖锐单峰特性的局部自相关函数。之前提到过，许多特殊码组都可以用作为同步帧。分析几种特殊序列的性能来选择合适的同步码组。在同步情况下，伪随机序列（m序列、M序列、gold序列）、walsh函数等具有理想的互相关特性。虽然电力线信道中，不存在无线通信中由于多径信道产生的多径时延，但电力线信道干扰很大，这些函数的互相关特性变得比较恶劣，将导致系统性能急剧下降。所以在电力线载波信道中应采用专用的同步码组作为系统的同步帧。首先分析现有使用的同步码型“68H”的性能。先将所有单极性码组转化成双极性码组，即将码组中的“1”码设为“+1”，而将码组中的“0”码设为第一步先检测信息帧为全“0”序列情况下接收端对同步码组的识别特性。在收、发两端事先确定一组特殊序列作为同步码组，发送端的发送一段由同步码组和全“0”序列组成的连续序列，加上二进制随机序列模拟信道对数据帧的干扰。将发送的连续序列与接收端事先已经确定好的同步码组进行相关运算，检测同步码组的峰值，通过运用MATLAB软件仿真循环相关运算，观察同步码组在电力线载波数据通信中相关运算得出的峰值的情况。图5-3同步帧“68H”信息帧为全“0”序列时的相关峰值再来检测信息帧为随机序列的情况下接收端对同步码组的识别特性。具体的检测方法和信息帧为全“0”序列的时候相同。图5-4同步帧“68H”信息帧为随机序列时的相关峰值从图中可以发现，由于信息帧与接收端本地的同步识别码不相关，所以相关峰值很小。当与同步帧完全匹配时，会出现一个较高的相关峰值。当信息帧为全“0”序列组的时候，它与同步帧相关所得的峰值应该为0，由于叠加了噪声所以会出现些许峰值，不过叠加的噪声只是增加了旁瓣的值，对峰值的影响很小。当使用“68H”作为同步帧时，如果在信息帧中出现一段与之相同的码组，就有可能造成假同步，而假同步的概率为1/28。5.3电力线帧同步设计5.3使用帧同步系统中经常使用到的帧同步码组“01111110”和巴克码作为自动抄表系统数据传输的同步帧。其中同步码组“01111110”的特征是以信息帧中很难出现的6位连续的“1”码并且在其两端各加上一位的“0”码组成一个8位的同步帧。在检验同步码组“01111110”为保证传输的可靠性，在发送端将该码组加到信息帧的帧头之前，对信息帧进行零比特填充，使得信息帧中不会出现6个连续的“1”。零比特填充法的具体做法是：在发送端，当一串数据尚未加上同步头的时候，先扫描整个数据帧，只要发现有5个连续“1”，则立即填入一个“0”。因此经过这种零比特填充后的数据，就可以保证在数据中不会出现6个连续“1”。在接收一个数据帧时，先确定同步帧，接着再对信息帧进行扫描。每当发现5个连续“1”时，就将5个连续“1”后的一个“0”删除，以还原成原来的信息帧。这样就保证了在所传输的信息帧中，不管出现什么样的码元组合，也不至于引起对同步帧的判断错误。下面通过运用MATLAB软件仿真循环相关运算，观察“01111110”码组和巴克码在电力线载波数据通信中相关运算得出的峰值的情况。方法与之前观察“68H”码组的时候相同。图5-5(a)同步帧“01111110”信息帧为全“0”序列时的相关峰值图5-5(b)同步帧11位巴克码信息帧为全“0”序列时的相关峰值图5-6(a)同步帧“01111110”信息帧为随机序列时的相关峰值图5-6(b)同步帧为11位巴克码信息帧为随机序列时的相关峰值比较设计的帧同步码组“01111110”与“68H”、11位在数据帧同步时的性能指标。当传输的信息帧为全“0”序列时，三种同步码组都具有良好的相关性，经过接收端的循环相关检测，在接收到同步帧的时候都有较大的峰值。且旁瓣值都很小。当传输的信息帧为随机序列的时候，巴克码和“68H”中的旁瓣值有了明显的提高，有些甚至已经很接近于相关峰值。这是因为信息帧中的随机序列有可能很接近于同步码组，在与接收端的同步码组进行循环相关运算的时候就会出现较高的旁瓣值，当信息帧中的一段序列与同步码组完全匹配时就会造成假同步。而使用“01111110”作为同步码组的时候，因为信息帧经过了零比特填充法的处理，在不出现误码的理想情况下，信息帧中不会有与同步码组相同的一段序列存在，假同步的概率为零。同时之前还提到，在低压电力载波通道中脉冲杂音干扰非常频繁，应尽可能缩短数据收发时间，并采用较短的突发帧结构，以求避开脉冲杂音干扰。8位同步帧的抗干扰能力要比11位巴克码强。因此，“01111110”相较11位巴克码和“68H”码组具有更高的可靠性。另一方面，使用8位同步码组时，所需要的同步建立时间也要比11位巴克码短，这就提高了传输效率。比较性能得出结论，使用“01111110”作为同步码可以拥有较好的可靠性。5.3.2通过理论计算可得，“01111110”经过相关运算所获得的最高峰值可以达到8，但由于信道的衰减以及误码率的存在，真正能够达到的相关峰值往往没有8，如何正确地选择判决电平与帧同步系统的可靠性密切相关。判决电平太高会造成漏同步，如果太低，就有可能误识别因为噪声而引起的峰值较高的旁瓣值处为同步位。分别设接收端判决电平为8、7、6，发送100个信息帧为随机序列的数据，比较同步判决的可靠性。表5-1判决电平与可靠性关系判决电平发送数据帧识别到正确的数据帧漏识别数据帧误识别数据帧81006931071009910610010009从表5-1中可以看到，将判决电平设为8的时候，发送的100个数据帧接收端只识别到了69个，系统的漏同步概率太高。当判决电平被设为6的时候，虽然将100个同步帧都识别到了，当时却把9段信息帧判定为同步帧，系统的假同步概率太高。而使用7的判决电平时，只出现了一次漏同步，相比之下，同步系统的可靠性最好。小结此次的毕业设计在熟悉数字通信系统数据帧同步原理的基础上，通过学习仿真软件MATLAB的应用，实现了用MATLAB程序代码对数据帧同步码组进的循环相关判决。通过查找资料，了解了电力线载波通信信道的特点以及现有的电力线信道数据帧同步技术。在分析这些帧同步技术存在的问题与不足的基础上，设计使用“01111110”作为同步码组电的力线数据帧同步方案，并且对前后两种同步方案的性能进行比较和分析。最后根据电力线信道的性能以及软件仿真的结果提出了识别所设计的帧同步码组时保证同步可靠性的判决电平方案，在同时考虑到漏同步概率和假同步概率的情况下将判决电平的数值设为7V。在对课题的研究告一段落的时候，再次回顾整个过程，仍然存在着不足之处，首先是在对电力线信道的仿真方面，由于电力线信道的随机性和时变性，影响电力线信道性能的多种因素，使得单纯使用软件难以完全模拟出现实生活中电力线信道的个种特性；另外一方面，由于课题设计时间上的仓促，还没有将设计的帧同步系统放置在实际的电力线自动抄表系统中进行检验，研究的具体方案是否真正适用于电力线系统还需要进一步的检验。电力线载波数据通信以其广泛的分布性必将在未来的数字通信中占据一席之地，而作为数字通信系统数据传输的一个重要环节，数据帧同步技术的研究将会继续发展下去。谢辞在这次毕业课程设计及毕业论文撰写的过程中，指导教师林东老师给予了我很大的帮助，给我的设计，论文提出了宝贵的意见和辅导。他对于数据传输领域的认识，对于所学知识的灵活运用，对工作的认真负责的态度，对困难敢于克服的精神，都给了我很大的帮助，支持