實驗六? 幀同步
??? 一、實驗目的

??? 1. 掌握巴克碼識別原理。
??? 2. 掌握同步保護原理。
3. 掌握假同步、漏同步、捕捉態、維持態概念。

??? 二、實驗內容

??? 1. 觀察幀同步碼無錯誤時幀同步器的維持態。
??? 2. 觀察幀同步碼有一位錯誤時幀同步器的維持態和捕捉態。
3. 觀察同步器的假同步現象和同步保護作用。

??? 三、基本原理

??? 在時分復用通信系統中，為了正確地傳輸信息，必須在信息碼流中插入一定數量的幀同步碼，可以集中插入、也可以分散插入。本實驗系統中幀同步識別碼為7位巴克碼，集中插入到每幀的第2至第8個碼元位置上。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），其內部只使用+5V電壓。
??? 本模塊有以下測試點及輸入輸出點：
??? ? S-IN?????數字基帶信號輸入點（2個）
??? ? BS-IN?????位同步信號輸入點（2個）
??? ? GAL?????巴克碼識別器輸出信號測試點
??? ? ÷24?????24分頻器輸出信號測試點
??? ? TH??????判決門限電平測試點
??? ? FS??????幀同步信號測試點
??? 圖6-1中各單元與電路板上元器件的對應關系如下：
??? ? ÷24分頻器??? ??U60、U61：計數器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?????U59：單穩態觸發器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：計數器4017
? 觸發器?????U55：JK觸發器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別器及同步保護兩部分。巴克碼識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功能。
移位寄存器由兩片74175組成，移位時鐘信號是位同步信號。當7位巴克碼全部進入移位寄存器時，U50的Q1、Q2、Q3、Q4及U51的Q2、Q3、Q4都為1，它們輸入到相加器U52的數據輸入端D0~D6，U52的輸出端Y0、Y1、Y2都為1，表示輸入端為7個1。若Y2Y1Y0=100時，表示輸入端有4個1，依此類推，Y2Y1Y0的不同狀態表示了U52輸入端為1的個數。判決器U53有6個輸入端。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已設置為1，而L0由同步保護部分控制，可能為1也可能為0。在幀同步模塊電路中有三個發光二極管指示燈P1、P2、P3與判決門限控制電壓相對應，即從左到右與L2、L1、L0一一對應，燈亮對應1，燈熄對應0。判決電平測試點TH就是L0信號，它與最右邊的指示燈P3狀態相對應。當L2L1L0=111時門限為7，三個燈全亮，TH為高電平；當L2L1L0=110時門限為6，P1和P2亮，而P3熄，TH為低電平。當U52輸入端為1的個數（即U53的IN2IN1IN0） 大于或等于判決門限于L2L1L0，識別器就會輸出一個脈沖信號。
當基帶信號里的幀同步碼無錯誤時(七位全對)，把位同步信號和數字基帶信號輸入給移位寄存器，識別器就會有幀同步識別信號GAL輸出，各種信號波形及時序關系如圖6-3所示，GAL信號的上升沿與最后一位幀同步碼的結束時刻對齊。圖中還給出了÷24信號及幀同步器最終輸出的幀同步信號FS-OUT，FS-OUT的上升沿稍遲后于GAL的上升沿。

圖6-3? 幀同步器信號波形
÷24信號是將位同步信號進行24分頻得到的，其周期與幀同步信號的周期相同（因為一幀24位是確定的），但其相位不一定符合要求。當識別器輸出一個GAL脈沖信號時（即捕獲到一組正確的幀同步碼），在GAL信號和同步保護器的作用下，÷24電路置零，從而使輸出的÷24信號下降沿與GAL信號的上升沿對齊。÷24信號再送給后級的單穩電路，單穩設置為下降沿觸發，其輸出信號的上升沿比÷24信號的下降沿稍有延遲。
??? 同步器最終輸出的幀同步信號FS是由同步保護器中的與門3對單穩輸出的信號及狀態觸發器的Q端輸出信號進行“與”運算得到的。
電路中同步保護器的作用是減小假同步和漏同步。
當無基帶信號輸入（或雖有基帶信號輸入但相加器輸出低于門限值）時，識別器沒有輸出（即輸出為0），與門1關閉、與門2打開，單穩輸出信號通過與門2后輸入到÷3電路，÷3電路的輸出信號使狀態觸發器置“0”，從而關閉與門3，同步器無輸出信號，此時Q的高電平把判決器的門限置為7（P3燈亮）、且關閉或門、打開與門1，同步器處于捕捉態。只要識別器輸出一個GAL信號（因為判決門限比較高，這個GAL信號是正確的幀同步信號的概率很高），與門4就可以輸出一個置零脈沖使÷24分頻器置零，÷24分頻器輸出與GAL信號同頻同相的的周期信號（見圖6-3）。識別器輸出的GAL脈沖信號通過與門1后使狀態觸發器置“1”，從而打開與門3，輸出幀同步信號FS-OUT，同時使判決器門限降為6（P3燈熄）、打開或門、同步器進入維持狀態。在維持狀態下，因為判決門限較低，故識別器的漏識別概率減小，假識別概率增加。但假識別信號與單穩輸出信號不同步，故與門1、與門4不輸出假識別信號，從而使假識別信號不影響÷24電路的工作狀態，與門3輸出的仍是正確的幀同步信號。實驗中可根據判決門限指示燈P3判斷同步器處于何種狀態，P3亮為捕捉態，P3熄為同步態。
??? 在維持狀態下，識別器也可能出現漏識別。但由于漏識別概率比較小，連續幾幀出現漏識別的概率更小。只要識別器不連續出現三次漏識別，則÷3電路不輸出脈沖信號，維持狀態保持不變。若識別器連續出現三次漏識別，則÷3電路輸出一個脈沖信號，使維持狀態變為捕捉態，重新捕捉幀同步碼。
不難看出，若識別器第一次輸出的脈沖信號為假識別信號（即首次捕獲到的是信息數據中與幀同步碼完全相同的碼元序列），則系統將進入錯誤的同步維持狀態，由于本實驗系統是連續傳輸以一幀為周期的周期信號，所以此狀態將維持下去，但在實際的信息傳輸中不會連續傳送這種周期信號，因此連續幾幀都輸出假識別信號的概率極小，所以這種錯誤的同步維持狀態存在的時間是短暫的。
當然，同步保護器中的÷3電路的分頻比也可以設置為其它值，此值越大，在維持狀態下允許的識別器的漏識別概率也越大。
在維持態下對同步信號的保護措施稱為前方保護，在捕捉態下的同步保護措施稱后方保護。本同步器中捕捉態下的高門限屬于后方保護措施之一，它可以減少假同步概率，當然還可以采取其它電路措施進行后方保護。低門限及÷3電路屬于前方保護，它可以保護已建立起來的幀同步信號，避免識別器偶爾出現的漏識別造成幀同步器丟失幀同步信號即減少漏同步概率。同步器中的其它保護電路用來減少維持態下的假同步概率。

??? 四、實驗步驟

??? 本實驗使用數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對應相連，接通實驗箱電源。
??? 2、觀察同步器的維持態（同步態）
??? 將數字信源單元的K1（左邊的8位微動開關）置于×111 0010狀態 (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、K3則置為全0狀態，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，觀察并紀錄上述信號波形以及與NRZ-OUT的相位關系（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）中錯一位，重新觀察上述信號，此時GAL、÷24、TH、FS應不變。使信源幀同步碼再錯一位重作上述觀察。（此時同步器應轉入捕捉態，僅÷24波形不變，請根據原理框圖分析思考此過程）。
??? 3、觀察同步器的捕捉態（失步態）
上步中電路已經由同步態變為捕捉態，示波器仍觀察÷24信號，此時斷開電源，再接通電源，可看到÷24波形的下降沿已不再對準第一個數據位（相位隨機），觀察其他信號可見TH為高電平，FS無輸出。將信源K1從剛才錯兩位狀態還原為僅錯一位狀態，觀察÷24信號相位是否變化。再將信源K1還原為正確的幀同步碼(×1110010) ，觀察÷24信號相位是否變化。分析÷24信號相位變化原因，從而理解同步器從失步態轉為同步態的過程。
??? 4、觀察識別器假識別現象及同步保護器的保護作用。
上步中同步器轉為同步狀態后，使信源單元的K2或K3中出現1110010狀態（與1110010狀態有一位不同的狀態也可），示波器CH1接NRZ-OUT，CH2分別接GAL和FS，觀察識別器假識別現象，理解同步保護電路的保護作用。

??? 五、實驗報告要求
??? 1. 根據實驗結果，畫出同步器處于同步狀態及失步狀態時同步器各點波形。
2. 本實驗中同步器由同步態轉為捕捉態時÷24信號相位為什么不變？
??? 3. 同步保護電路是如何使假識別信號不形成假同步信號的？
4. 試設計一個后方保護電路，使識別器連續兩幀有信號輸出且這兩個識別脈沖的時間間隔為一幀時，同步器由失步態轉為同步態。
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