幀同步,幀同步是什么意思

幀同步,幀同步是什么意思

在數(shù)字通信時(shí)，一般總是以一定數(shù)目的碼元組成一個(gè)個(gè)的“字”或“句”，即組成一個(gè)個(gè)的“群”進(jìn)行傳輸?shù)?。因此，群同?a target="_blank">信號(hào)的頻率很容易由位同步信號(hào)經(jīng)分頻而得出。但是，每個(gè)群的開頭和末尾時(shí)刻卻無法由分頻器的輸出決定。群同步的任務(wù)就是在位同步信息的基礎(chǔ)上，識(shí)別出數(shù)字信息群（“字”或“句”）的起止時(shí)刻，或者說給出每個(gè)群的“開頭”和“末尾”時(shí)刻。

群同步有時(shí)也稱為幀同步。為了實(shí)現(xiàn)群同步，可以在數(shù)字信息流中插入一些特殊碼字作為每個(gè)群的頭尾標(biāo)記，這些特殊的碼字應(yīng)該在信息碼元序列中不會(huì)出現(xiàn)，或者是偶然可能出現(xiàn)，但不會(huì)重復(fù)出現(xiàn)，此時(shí)只要將這個(gè)特殊碼字連發(fā)幾次，收端就能識(shí)別出來，接收端根據(jù)這些特殊碼字的位置就可以實(shí)現(xiàn)群同步。本節(jié)將主要講述插入特殊碼字實(shí)現(xiàn)群同步的方法。

插入特殊碼字實(shí)現(xiàn)群同步的方法有兩種，即連貫式插入法和間隔式插入法。在介紹這兩種方法以前，先簡單介紹一種在電傳機(jī)中廣泛使用的起止式群同步法。

起止同步法

目前在電傳機(jī)中廣泛使用的同步方法，就是起止式群同步法，下面就以電傳機(jī)為例，簡要地介紹一下這種群同步方法的工作原理。

電傳報(bào)文的一個(gè)字由7.5個(gè)碼元組成，假設(shè)電傳報(bào)文傳送的數(shù)字序列為10010，則其碼元結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖中可以看到，在每個(gè)字開頭，先發(fā)一個(gè)碼元的起脈沖（負(fù)值），中間5個(gè)碼元是信息，字的末尾是1.5碼元寬度的止脈沖（正值），收端根據(jù)正電平第一次轉(zhuǎn)到負(fù)電平這一特殊規(guī)律，確定一個(gè)字的起始位置，因而就實(shí)現(xiàn)了群同步。由于這種同步方式中的止脈沖寬度與碼元寬度不一致，就會(huì)給同步數(shù)字傳輸帶來不便。另外，在這種同步方式中，7.5個(gè)碼元中只有5個(gè)碼元用于傳遞信息，因此編碼效率較低。但起止同步的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，它特別適合于異步低速數(shù)字傳輸方式。

連貫式插入法

連貫式插入法就是在每群的開頭集中插入群同步碼字的同步方法。作群同步碼字用的特殊碼字首先應(yīng)該具有尖銳單峰特性的局部自相關(guān)特性，其次這個(gè)特殊碼字在信息碼元序列中不易出現(xiàn)以便識(shí)別，最后群同步識(shí)別器需要盡量簡單。目前已經(jīng)找到的最常用的群同步碼字，就是“巴克”碼。

1.巴克碼

巴克碼是一種具有特殊規(guī)律的二進(jìn)制碼字。它的特殊規(guī)律是：若一個(gè)n位的巴克碼{X1,X2,X3,…Xn}，每個(gè)碼元 只可能取值+1或-1，則它必然滿足條件

式（1）中，R（j）稱為局部自相關(guān)函數(shù)。從巴克碼計(jì)算的局部自相關(guān)函數(shù)可以看到，它滿足作為群同步碼字的第一條特性，也就是說巴克碼的局部自相關(guān)函數(shù)具有尖銳單峰特性，從后面的分析同樣可以看出，它的識(shí)別器結(jié)構(gòu)非常簡單。目前人們已找到了多個(gè)巴克碼字，具體情況如表1所示。表中+表示+1，–表示–1。

以n = 7的巴克碼為例，它的局部自相關(guān)函數(shù)計(jì)算結(jié)果如下

同樣可以求出j = 3、4、5、6、7，以及j = -1、-2、-3、-4、-5、-6、-7時(shí)R（j）的值為

根據(jù)式（2）計(jì)算出來的這些值，可以作出7位巴克碼關(guān)于R（j）與j的關(guān)系曲線，如圖2。由圖2可以看出，自相關(guān)函數(shù)在j＝0時(shí)具有尖銳的單峰特性。局部自相關(guān)函數(shù)具有尖銳的單峰特性正是連貫式插入群同步碼字的主要要求之一。

2.巴克碼識(shí)別器

巴克碼識(shí)別器是比較容易實(shí)現(xiàn)的，這里以七位巴克碼為例，用7級(jí)移位寄存器、相加器和判決器就可以組成一識(shí)別器，具體結(jié)構(gòu)如圖7-16所示。7級(jí)移位寄存器的1、0端輸出按照1110010的順序連接到相加器輸入，接法與巴克碼的規(guī)律一致。當(dāng)輸入數(shù)據(jù)的“1”存入移位寄存器時(shí)，“1”端的輸出電平為+1，而“0”端的輸出電平為-1；反之，存入數(shù)據(jù)“0”時(shí)，“0”端的輸出電平為+1，“1”端的電平為-1。

當(dāng)發(fā)送端送來的碼元自右向左進(jìn)入時(shí)，首先考慮一個(gè)簡單的情況：假設(shè)只計(jì)算巴克碼（1110010）進(jìn)入的幾個(gè)移位寄存器的輸出，此時(shí)將有巴克碼進(jìn)入一位，二位……七位全部進(jìn)入，第一位移出尚留六位……前六位移出只留一位等13種情況。經(jīng)過計(jì)算可得相加器的輸出就是自相關(guān)函數(shù)，設(shè)碼元進(jìn)入移位寄存器數(shù)目為a，碼元尚留在移位寄存器的數(shù)目是b，這是就可以得到a、b和j之間的關(guān)系式

根據(jù)上述關(guān)系可以得到表2，它反映了相加器輸出與a、b之間的關(guān)系。

實(shí)際上述群同步碼的前后都是有信息碼的，具體情況如圖4（a）所示，在這種情況下巴克碼識(shí)別器的輸出波形如圖4（b）所示。

當(dāng)七位巴克碼在圖4中的t1時(shí)刻，正好已全部進(jìn)入了7級(jí)移位寄存器，這時(shí)7個(gè)移位寄存器輸出端都輸出+1，相加后得最大輸出+7，如圖4（b）所示，而判決器輸出的兩個(gè)脈沖之間的數(shù)據(jù)，稱為一群數(shù)據(jù)或稱為一幀數(shù)據(jù)。

當(dāng)然，對(duì)于信息而言，由于其具有的隨機(jī)特性，可以考察一種最不利的情況：即當(dāng)巴克碼只有部分碼在移位寄存器時(shí)，信息碼占有的其它移位寄存器的輸出全部是+1，在這樣一種對(duì)于群同步最不利的情況下，相加器的輸出將如表3所示。由此可得到相加器的輸出波形如圖5所示。圖中橫坐標(biāo)用a表示，由a、b和j之間的關(guān)系可知，a=14-b。

由圖5可以看出，如果判決電平選擇為6，就可以根據(jù)a＝7時(shí)相加器輸出的7，大于判決電平6而判定巴克碼全部進(jìn)入移位寄存器的位置。此時(shí)識(shí)別器輸出一個(gè)群同步脈沖，表示群的開頭。一般情況下，信息碼不會(huì)正好都使移位寄存器的輸出均為+1，因此實(shí)際上更容易判定巴克碼全部進(jìn)入移位寄存器的位置。后面還要講到如果巴克碼中有誤碼時(shí)，只要錯(cuò)一個(gè)碼，當(dāng)a＝7時(shí)相加器輸出將由7變?yōu)?，低于判決器的判決電平。因此，為了提高群同步的抗干擾性能，防止漏同步，判決電平可以改為4。但改為4以后容易發(fā)生假同步，這些問題在性能分析時(shí)要進(jìn)一步討論。

間歇式插入法

在某些情況下，群同步碼字不再是集中插入在信息碼流中，而是將它分散地插入，即每隔一定數(shù)量的信息碼元，插入一個(gè)群同步碼字。這種群同步碼字的插入方式被稱為間歇式插入法。

當(dāng)然集中式插入法和間歇式插入法在實(shí)際系統(tǒng)當(dāng)中都有應(yīng)用，例如在32路數(shù)字電話PCM系統(tǒng)中，實(shí)際上只有30路通電話，另外兩路中的一路專門作為群同步碼傳輸，而另一路作為其它標(biāo)志信號(hào)用，這就是連貫式插入法的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例。而在24路PCM系統(tǒng)中，群同步則采用間歇式插入法。在這個(gè)系統(tǒng)中，一個(gè)抽樣值用8位碼表示，此時(shí)24路電話都抽樣一次共有24個(gè)抽樣值，192（24×8=192）個(gè)信息碼元。192個(gè)信息碼元作為一幀，在這一幀插入一個(gè)群同步碼元，這樣一幀共193個(gè)碼元。24路PCM系統(tǒng)如圖7-19所示：

由于間歇式插入法，是將群同步碼元分散的插入倒信息流中，因此，群同步碼碼型選擇有一定的要求，其主要原則是：首先要便于收端識(shí)別，即要求群同步碼具有特定的規(guī)律性，這種碼型可以是全“1”碼、“1”“0”交替碼等；其次，要使群同步碼的碼型盡量和信息碼相區(qū)別。例如在某些PCM多路數(shù)字電話系統(tǒng)中，用全“0”碼代表“振鈴”，用全“1”碼代表“不振鈴”，這時(shí)，為了使群同步碼字與振鈴相區(qū)別，群同步碼就不能使用全“1”或全“0”。

收端要確定群同步碼的位置，就必須對(duì)接收的碼進(jìn)行搜索檢測。一種常用檢測方法為逐碼移位法，它是一種串行的檢測方法；另一種方法是RAM幀碼檢測法，它是利用RAM構(gòu)成幀碼提取電路的一種并行檢測方法。這里將介紹逐碼移位法的基本原理和實(shí)現(xiàn)同步的過程。

逐碼移位法的基本原理就是，由位同步脈沖（位同步碼）經(jīng)過n次分頻以后的本地群碼（頻率是正確的，但相位不確定）與接收到碼元中間歇式插入的群同步碼進(jìn)行遠(yuǎn)碼移位比較，使本地群碼與發(fā)送來的群同步碼同步。其原理結(jié)構(gòu)框圖如圖7：

圖7中異或門、延遲一位電路和禁門是專門用來扣除位同步碼元以調(diào)整本地群碼相位的，具體過程可以通過圖8看到。

設(shè)接收信碼（波形c）中的群同步碼位于畫斜線碼元的位置，后面依次安排各路信息碼1、2、3（為簡單起見，只包含三路信息碼）。如果系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了群同步，則位同步碼（波形a）經(jīng)四次分頻后，就可以使得本地群碼的相位與收信碼中的群同步碼的相位一致。現(xiàn)在假設(shè)開始時(shí)如波形d圖所示，本地群碼的位置與波形c收信碼中的群碼位置相差兩個(gè)碼元位。為了易于看出逐碼移位法的工作過程，假設(shè)群碼為全“1”碼，其余的信息碼均與群碼不同，為“0”。在第一碼元時(shí)間，波形c與d不一致，原理圖中的異或門有輸出（波形e），經(jīng)延遲一碼元后，得波形f加于禁門，扣掉位同步碼的第2個(gè)碼元（波形b的第2個(gè)碼元位置用加一叉號(hào)表示），這樣分頻器的狀態(tài)在第2碼元期間沒有變化，因而分頻器本地群碼的輸出仍保持和第1碼元時(shí)相同。這時(shí)，它的位置只與收信碼中的群碼位置相差一位了（見波形d1）。

類似地在第2碼元時(shí)間，c又和d1進(jìn)行比較，產(chǎn)生碼形e1和f1，又在第3碼元位置上扣掉一個(gè)位同步碼，使本地群碼的位置又往后移一位（波形d2）。至此以后，收信碼中的群碼與本地群碼的位置就完全一致了，因而就實(shí)現(xiàn)了群同步。同時(shí)，也就提供了各路的定時(shí)信號(hào)。

從圖8表示的群同步建立原理來看，如果信息碼中所有的碼都與群碼不同，那么最多只要連續(xù)經(jīng)過N次調(diào)整，經(jīng)過NTb的時(shí)間就可以建立同步了。但實(shí)際上信息碼中“l(fā)”、“0”碼均會(huì)出現(xiàn)，當(dāng)出現(xiàn)“1”碼時(shí)，在上面群同步過程的例子中，第1個(gè)位同步碼對(duì)應(yīng)的時(shí)間內(nèi)信息碼為“1”，圖7-21中異或門輸出e＝0，f＝0禁門不起作用，不扣除第2位同步碼，因此本地群碼不會(huì)向右移展寬，這一幀調(diào)整不起作用，一直要到下一幀才有可能調(diào)整。假如下一幀本地群碼d還是與信碼中“1”碼相對(duì)應(yīng)，則調(diào)整又不起作用。當(dāng)信息碼中1、0碼等概出現(xiàn)時(shí)，即P(1)＝P(0)＝0.5時(shí)，經(jīng)過計(jì)算，群同步平均建立的時(shí)間近似為 （5）

群同步系統(tǒng)的性能指標(biāo)

對(duì)于群同步系統(tǒng)而言，希望其建立的時(shí)間要短、建立同步以后應(yīng)該具有較強(qiáng)的抗干擾能力。因此，在通常情況下，用以下三個(gè)性能指標(biāo)來表示群同步性能的好壞，它們是：（1）漏同步概率P1；（2）假同步概率P2；（3）群同步平均建立時(shí)間ts。

   不同形式的同步系統(tǒng)，性能自然也不同。在此將主要分析集中插入方式的群同步系統(tǒng)的性能。

1.漏同步概率P1

由于噪聲和干擾的影響，會(huì)引起群同步碼字中一些碼元發(fā)生錯(cuò)誤，從而使識(shí)別器漏識(shí)別已發(fā)出的群同步碼字，出現(xiàn)這種情況的概率稱為漏識(shí)概率，用符號(hào) 來表示。以7位巴克碼識(shí)別器為例，設(shè)判決門限為6，此時(shí)7位巴克碼中只要有一位碼發(fā)生錯(cuò)誤，當(dāng)7位巴克碼全部進(jìn)入識(shí)別器時(shí)，相加器輸出就由7變5，小于判決門限6，這時(shí)就出現(xiàn)了漏同步情況，因此，只有一位碼也不錯(cuò)才不會(huì)發(fā)生漏同步。若在這種情況下，將判決門限電平降為4，識(shí)別器就不會(huì)漏識(shí)別，這時(shí)判決器容許7位同步碼字中有一個(gè)錯(cuò)誤碼元。

在信息碼中也可能出現(xiàn)與所要識(shí)別的群同步碼字相同的碼字，這時(shí)識(shí)別器會(huì)把它誤認(rèn)為群同步碼字而出現(xiàn)假同步。出現(xiàn)這種情況的概率就被稱為假同步概率，用符號(hào)P2表示。

因此，計(jì)算假同步概率P2計(jì)算信息碼元中能被判為同步碼字的組合數(shù)與所有可能的碼字?jǐn)?shù)之比。設(shè)二進(jìn)制信息碼中1和0碼等概出現(xiàn)，也就是P(1)＝P(0)＝0.5，則由該二進(jìn)制碼元組成n位碼字的所有可能的碼字?jǐn)?shù)為2n個(gè)，而其中能被判為同步碼字的組合數(shù)也與m有關(guān)，這里m表示判決器容許群同步碼字中最大錯(cuò)碼數(shù)，若m＝0時(shí)，只有個(gè)碼字能識(shí)別；若M＝1，則有個(gè)碼字能識(shí)別。以此類推，就可求出信息碼元中可以被判為同步碼字的組合數(shù)，這個(gè)數(shù)可以表示為，由此可得假同步概率的表達(dá)式為

從式（6）和式（7）可以看到，隨著m的增大，也就是隨著判決門限電平降低，P1減小，但P2將增大，所以這兩項(xiàng)指標(biāo)是相互矛盾的。所以，判決門限的選取要兼顧漏同步概率和假同步概率。

3.群同步平均建立時(shí)間ts

對(duì)于連貫式插入的群同步而言，設(shè)漏同步和假同步都不發(fā)生，也就是P1 = 0和P2 = 0。在最不利的情況下，實(shí)現(xiàn)群同步最多需要一群的時(shí)間。設(shè)每群的碼元數(shù)為N（其中m位為群同步碼），每碼元時(shí)間為Tb，則一群碼的時(shí)間為NTb。考慮到出現(xiàn)一次漏同步或一次假同步大致要多花費(fèi) 的時(shí)間才能建立起群同步，故群同步的平均建立時(shí)間大致為：

群同步的保護(hù)

1.連貫式插入法中的群同步保護(hù)

連貫式插入法中的群同步保護(hù)電路如圖9。在群同步尚末建立時(shí)，系統(tǒng)處于捕捉態(tài)，狀態(tài)觸發(fā)器C的Q端為低電平，群同步碼字識(shí)別器的判決門限電平較高，因而就減小了假同步概率P2。這時(shí)在保護(hù)電路中，由于把判決門限電平調(diào)高，假同步的概率已很小，故保護(hù)電路中的n分頻器被置零，禁止位同步n分頻后輸出。這里的n表示一幀數(shù)據(jù)的長度，因此，在置零信號(hào)無效時(shí)，位同步n分頻后可以輸出一個(gè)與群同步同頻的信號(hào)，但脈沖位置不能保證與群同步脈沖位置相同，而這個(gè)脈沖位置也正是需要捕捉態(tài)確定的。

從圖9可以看到，為了減小假同步的概率，必須連續(xù) 次接收的碼元與本地群碼相一致，才被認(rèn)為是建立了同步，采用這種方法可使假同步的概率大大減小。

狀態(tài)觸發(fā)器C在同步末建立時(shí)處于“捕捉態(tài)”（此時(shí)Q端為低電平）。本地群碼和收碼只有連續(xù)n1次一致時(shí)，n1計(jì)數(shù)電路才輸出一個(gè)脈沖使?fàn)顟B(tài)觸發(fā)器的Q端由低電平變?yōu)楦唠娖?，群同步系統(tǒng)就由捕捉態(tài)轉(zhuǎn)為維持態(tài)，表示同步已經(jīng)建立。這樣收碼就可通過與門1加至解調(diào)器。偶然的一致是不會(huì)使?fàn)顟B(tài)觸發(fā)器改變狀態(tài)的，因?yàn)?次中只要有一次不一致，就會(huì)使計(jì)數(shù)電路置“0”。

同步建立以后，可以利用狀態(tài)觸發(fā)器C和n2計(jì)數(shù)電路，來防止漏同步以提高同步系統(tǒng)的抗干擾能力。一旦轉(zhuǎn)為維持狀態(tài)以后，觸發(fā)器C的Q反端變?yōu)榈碗姾?，將與門2封閉。這時(shí)即使由于某些干擾使e有輸出，也不會(huì)調(diào)整本地群碼的相位。如果是真正的失步，e就會(huì)不斷地將輸出加到n2計(jì)數(shù)電路，同時(shí)e的反也不斷將 計(jì)數(shù)電路置“0”。這時(shí)n1計(jì)數(shù)電路也不會(huì)再有輸出加到n2計(jì)數(shù)電路的置“0”端上，而當(dāng)n2計(jì)數(shù)電路輸入脈沖的累計(jì)數(shù)達(dá)到n2時(shí)，就輸出一個(gè)脈沖使?fàn)顟B(tài)觸發(fā)器由維持態(tài)轉(zhuǎn)為捕捉態(tài)，C觸發(fā)器的Q反端轉(zhuǎn)為高電平。這樣，一方面與門2打開，群同步系統(tǒng)又重新進(jìn)行逐碼移位，另一方面封閉與門1，使解調(diào)器暫停工作。由此可以看出，將逐碼移位法群同步系統(tǒng)劃分為捕捉態(tài)和維持態(tài)后，既提高了同步系統(tǒng)的可靠性，又增加了系統(tǒng)的抗干擾能力。