北京交通大学通信原理实验(实验六 七)

实验六自定义帧结构的帧成形及其传输

一、实验前的准备

1.预习帧形成及其传输电路的构成。

2.熟悉实验箱面板分布及测试孔位置；定义本实验箱模块的跳线状态。

3.实验前重点熟悉的内容：

（1）明确PCM30/32路系统的帧结构；

（2）熟悉PCM30/32定时系统；

（3）明确PCM30/32帧同步电路及工作原理。

二、实验目的

1.加深对PCM30/32系统帧结构的理解。

2.加深对PCM30/32路帧同步系统及其工作过程的理解。

3.加深对PCM30/32系统话路、信令、帧同步的告警复用和分用过程的理解。

三、实验仪器

1.ZH5001A通信原理综合实验系统

2.20MHz双踪示波器

四、基本原理

在PCM30/32路数字传输系统中，每个样值均编8位码，一帧分为32个时隙，通常用TS0-TS31来表示，其中30个时隙用于30路话音业务。TS0为帧定位时隙，用于接收分路做帧同步用。TS1-TS15时隙用于话音业务，分别对用第一路到第十五路的话音信号。TS16时隙用于信令信号传输，完成信令的接续，TS17-TS31时隙用于话音业务，分别对应第十六路到第三十路话音信号。

在通信系统原理试验箱中，信道传输上采用了类似TDM的传输方式，定长组帧，帧定位码与信息格式。实验电路设计了一帧含有四个时隙，分别用于TS0-TS3表示，每个时隙喊八比特码。其帧结构如图：

TS0时隙为帧同步时隙，本同步系统中帧定位码选用八位码，这八位是11100100。应注意到，这7位码与实际中的PCM30/32路系统基群帧同步码不同，它的作用是能够使接收端通过对帧同步码的检测，确定每帧的起始位置，从未能过正确的进行分路。TS1时隙用来传输话音信号，试验箱中一路电话信号的传输就是占用该时隙的；TS2时隙为开关信号，复用输入信号的状态是通过8位跳线的开关来设置的，跳线插入为1，跳线拔出为0；TS3时隙用来传输特殊码序列，特殊码序列可以通过跳线开关进行选择，共有4种码型可以选择，TS0-TS3符合成一个256kbps 数据流，在同一信道上传输。

帧成形及其传输实验可以由复接模块和解复模块来完成，复用模块和解复用模块电路原理框图如图：

复用模块主要由帧同步码的产生，开关信号的产生，话音信号时隙的复用，特殊码时隙的复用及PCM信号的传输电路组成，分接模块主要由同步码验出，同步调整，接受定时系统，接收时隙分接电路组成。复接器系统定时用于提供统一的基准时间信号，分接器的定时用来自同步单元恢复的接收时钟，在同步单元的控制下，分接器的时钟同步码，利用帧同步码检测输出脉冲来进行同步调整，同步调整的目的是为了使接收定时系统同步，从而使接收定时系统能够正确的进行接收信号进行分路。当系统进行同步状态后，则形成了接收端定时信号，此时的接收定时信号完全与发送端信号同步。因此，分接单元可以把输入信号正确的分为多路支路数字信号，从而可以从分接单元恢复出原始的支路数字信号，在通信系统原理实验系统中，复接模块用一片现场可编程门阵列芯片来完成。在该芯片内部还构成了一个m序列发生器，为了便于观测复接信号波形，通过跳线开关SWB02可以选择4种m序列码型。M序列码型可以再TPB01检测点观测。错码产生器可以通过跳线开关SWB02设置4种不同信道误码率，便于了解在误码环境下，接收端帧同步过程和帧同步系统抗误码性能，从而加深对假同步和假失步形成过程的理解。

五、实验内容

1.发送传输帧结构观察

用示波器同时观测复接模块的发送帧同步指示测试点TPB07与复接模块的数字复接测试点TPB03的波形，观测时用TPB07作同步。画出TPB07的TPB03数字复用信号波形，应注意两者之间的对应关系。

（1）帧定位信号测量。在TPB03测试点波形中，找到帧定位信号所占用的时隙，画图标出帧定位所占时间位置。

（2）帧内话音数据观察。找出帧内话音信号的位置，在图中标出话音数据所占时间位置，由于话音信号的随机性，无法看到清晰的信号，只要确定其

位置即可。

（3）帧内开关信号的观测。找到帧内开关信号在帧结构中的位置。调整跳线开关SWB01上短路器，就可以改变开关信号的状态，在TPB03测试点波形

中可以看到开关信号状态的变化，由此可以找到开关信号在帧结构中的

位置，并可以观测到开关信号状态变化情况。

（4）帧内m序列数据观测。调整示波器同步按钮，调整跳线开关短路SWB02上M_SEL0、M_SEL1，产生不同的m序列，由于两个跳线的插拔有4种组合，

因此可以产生4个不同的m序列，这些不同的m序列出现在帧结构相应

的时隙后，有可能清晰的观察到，也有可能表现为模糊不清，出现这两

种状况的原因自己分析。本步不要求读出m序列的具体值，只要求能够

确定m序列所占用的时隙即可。

2.收发帧同步指示的观测

发送帧同步指示测试点为TPB07，接收帧同步指示测试点为TPB06。用示波

器同时观测帧复接模块同步指示测试点TPB07与解复接模块帧同步指示测试点TPB06波形，观测时用TPB07同步，记录TPB06和TPB07的波形，说明TPB06和TPB07测试到的波形怎样才能够说明收发系统之间是同步的。

3.解复接开关信号输出的观测

当收发系统处于同步状态情况下，观察解复接模块的开关信号指示，即发光二极管指示灯与复接模块内跳线开关SWB01之间的对应关系。通过改变复接跳线开关SWB01中短路器，观察解复接模块中发光二极管的状态变化，找到发光二极管随跳线开关而变化的关系，记录结果。

4.解复接m序列数据输出测量

测试点为发端复接模块m序列输入TPB01、收端分接模块m序列输出TPB05。

用示波器同时测量发端m序列测试点TPB01与解复接输出m序列TPB05波形，观测时用TPB01同步。调整示波器同步，观测收发m序列是否一致。调整跳线开关短路器SWB02上的M_SEL0、M_SEL1，产生4种不同的m序列输出，观测收发帧内m序列数据是否一致变化，将测试结果记录表中。

六、实验结论分析

1.用示波器同时观测复接模块的发送帧同步指示测试点TPB07与复接模

块的数字复接测试点TPB03的波形，观测时用TPB07作同步。画出TPB07的TPB03数字复用信号波形，应注意两者之间的对应关系。

（图1 TPB07与TPB03的信号波形）

分析：从图中可以看到两波形时钟同步

（1）帧定位信号测量。

（图2 帧定位信号位置）

分析：从图中可以读出帧定位信号为11100100

（2）帧内话音数据观察。

（图3 话音信号位置）

分析：从波形中可观测看出，话路时隙中的话音信号为一随机信号无法描述其具体波形。

（3）帧内开关信号的观测。

（图4 跳线开关位置）

分析：从图中可以看出此时跳线开关选择为01010101（具体对照请看下文分析）

（4）帧内m序列数据观测。

（图5 m序列位置）

分析：从图中可以看到当短路开关SWB02成这种组合时，m序列产生以上波形（具体分析下文给出，此处只找到相应时隙）

2.收发帧同步指示的观测

（图6 收发系统同步波形）

（图7 收发系统不同步波形）

分析：如图6/图7所示，上面为接受帧同步指示测试点TPB06波形；下面为发送帧同步指示测试点TPB07波形。在测试中当以TPB07为基准时，上下两波形固定不移动，在没有相对位移的情况下，即可说明收发系统间同步；在图7中，以TPB07为基准，TPB06波形在实际观测中始终在移动，与下面波形存在位移差，说明此时收发系统不同步。

3.解复接开关信号输出的观测

具体过程请看下图：

（图8）

LED01-LED07并没有短接跳线，对应发光二极管没有变化，如图9：

（图9）

在LED7处接短接线，图10箭头处，二极管DB01点亮，如图11箭头所示：

（图11）

（图12）

依次短接LED7、LED5、LED3、LED1,如图12箭头所示，可依次看到DB01、DB03、DB05、

DB07依次点亮，如图13箭头所示：

（图13）

分析可得对应关系：

LED7->DBO1; LED3->DB05;

LED6->DB02; LED2->BD06;

LED5->DB03; LED1->DB07;

LED4->DB04; LED0->DB08.

4.解复接m序列数据输出测量

分别调整跳线开关短路器SWB02上的M_SEL0、M_SEL1，得到如下波形：

（图14 M_SEL0拔；M_SEL1拔）

（图15 M_SEL0插；M_SEL1拔）

（图16 M_SEL0插；M_SEL1插）

（图17 M_SEL0拔；M_SEL1插）

七、思考题

1.在第1步实验观测帧结构时，哪个时隙的信号能够观测清晰？哪个时

隙的信号不能观察清晰？哪个时隙的信号有可能清晰也有可能不清晰？

答：帧同步信号可以清晰观测以及开关信号可以清晰观测；

话路时隙不能观察清晰；

特殊吗时隙可能清晰也有可能不清晰观测。

2.在m序列数据为7位和15位的情况下，能否调整示波器使在同步的条

件下观测完整的一个帧内m序列数据周期？为什么？

答：都不可以，因为1帧有8位数据，周期不一样。

实验七自定义帧结构的帧同步系统

一、实验前的准备

（1）预习自定义帧结构的帧同步系统电路的构成。

（2）熟悉实验指导书附录B和附录C中试验箱面板分布及测试孔位置；定义本实验相关模块的跳线状态。

（3）实验前重点熟悉的内容。

①掌握PCM30/32路系统的帧结构；

②明确PCM30/32帧同步系统及工作原理；

③了解假同步、假失步的概念；

④了解前方保护、后方保护的概念。

二、实验目的

（1）加深对PCM30/32路系统的帧系统的理解。

（2）加深对PCM30/32路帧同步系统同步过程的理解。

（3）掌握PCM30/32帧同步系统的基本概念。

三、实验仪器

（1）ZH5001A通信系统原理实验箱

（2）20MHz双踪示波器

四、基本原理

自定仪帧结构帧同步系统电路如图所示。在TDM复接系统中，要保证接收端分路系统与发送端一致，必须要有一个同步系统，从而要有一个同步系统，从而实现接收端与发送端同步。同步系统是复接/解复接设备中最重要的组成部分。在帧同步系统中要解决的问题有：①帧定位码型设计；②帧定位码的码长选择；③同步搜索办法；④帧长度的确定；⑤帧定位保护办法；⑥帧定位保护参数的选择。当这些设计和参数确定后，就决定了复接系统的下列技术性能：①平均同步搜捕时间；②平均发现帧时间；③平均确认同步时间；④平均帧失步时间间隔；⑤平均同步持续时间；⑥失帧引入的平均误码率等。

帧定位同步的方法通常有两种，逐步移位同步搜索法和置位同步搜索法。通信系统原理实验中的解复接同步搜索法采用的是逐步移位同步法。逐步移位同步搜索法的基本工作原理是调整接收端本地帧定位码的相位，使之与接收到的总码流中的帧定位字对准。当收发系统同步后，就可以用接收端各分路定时脉冲对接收到的码流进行正确的分路。如果本地帧同步码的相位没有对准码流接收信号的帧定位字码位，则同步检测电路将输出一个扣除脉冲可将接收时钟信号扣除一个时钟，这等效于将数据码流后移一个码元时钟周期，使帧检测电路检测后后移一位信码。如果下一位检测结果仍与帧定位字不一致，则再扣除一个时钟，这一过程称为“同步搜索”。搜索直至检测到帧定位码为止。因在接受码流中，除有真正的帧定位码字外，随机的数字信号也可能存在与帧定位字完全相同的码型。因此，只有经过固定的周期（实际的PCM30/20系统为250μs，本实验中为125μs）在同一位置，多次连续出现帧定位码字，方可进入同步状态。这一部分功能由帧定位检测电路的校核电路完成。

由于各种因素（如干扰、线路故障等）使电路失去同步，破坏了电路的同步工作状态，而进入帧失步状态。从帧失步到重新获得同步的这段时间（也称为同步时间）使通信处于中断状态。误码也会造成帧失步。因此，从同步到下一次失步的时间应尽量长一些，否则将意味着不断的终端通信，这一时间的长短表示TDM同步系统的抗干扰能力。误码造成的帧失步由帧定位检测电路和保护计数电路来完成，只

有当在一定的时间间隔内，在帧定位码字的位置多次检测不到帧定位码字，才可以判定为帧失步，需重新进入同步搜索状态。

语音信号中断时间短于100ms ，将不易被人耳感觉，但对于数据通信而言却是不允许的。为了能更深入理解在有误码环境下帧失步、帧同步和抗误码性能，在复接模块内设计了错码产生器（可有3种类型的误码），通过错码设置跳线开关SWB02可以选择不同的信道误码率，分别为23106.1104--??、和0.1.通过实验能过观测到复接模块和解复接模块有抗误码的性能，也就是说，在误码率较低的情况下，由于误码产生的位置可能落在帧定位以外的时隙，这种情况不会影响帧同步。当误码落在帧定位时隙，如果误码率较低，只要连续出现帧同步字的个数达到前方保护计数器的个数，就可进入同步。而从同步状态转换到失步状态，帧定位字的零星误码，由于有后方保护计数器，不会对同步系统产生影响。当误码率加大时，则系统无法进入和保持同步状态，而始终处在帧同步搜索状态，这是由于误码率的增加，无法达到连续计满后方保护计数器的个数，因此无法同步。

五、实验内容

实验前跳线开关的设置：首先将解复接模块的输入信号和时钟选择跳线开关KB01、KB02设置为LOOP 位置，使复接模块输出不经过线路编码，直接送到解复接模块连接成自环测试方式；将复接模块内的跳线开关SBW02的m 序列选择跳线开关M_SEL0、M_SEL1拔下，这时m 序列发生器产生m 序列0。再将错码选择跳线开关E_SEL0、E_SEL1拔下，此时不在传输帧中产生误码。

1、帧同步过程观察

（1）用示波器同时观测复接模块内帧同步指示测试点TPB07与解复接模块内帧同步指示测试点TPB06的波形。观察时用TPB07作同步，调整示波器可以使收发两者信号同步。这是一种正常工作方式。

（2）将解复接模块内的输入数据选择跳线开关KB01的短路器拔除，使传输信道中断，观测解复接模块帧同步失步情况。反复插入拔出KB01的短路器，观测同步和失步状态，记录结果。分析：KB01拔除后帧同步系统是否失步？当KB01插入后能否立即同步？为什么？

（3）将开关信号设置为帧定位信号（插入为1，拔除为0），反复插入拔除KB01的短路器，观测同步和假同步现象，记录同步和假同步两种情况下TPB07和TPB06的波形及相位关系。

2、在误码环境下的帧同步性能测试盒数据传输的定性观测

用示波器同时观测复接模块帧同步指示试点TPB07与解复接模块帧同步指示测试点TPB06波形。观测时用TPB07同步，调整示波器使收发信号同步。注意观察，在正常情况下，解复接模块内的发光二极管指示灯LED0-LED7与发端复接模块内跳线开关SWB01的状态一致。

（1）将复接模块内错码选择跳线开关SWB02的E_SEL0，E_SEL1短路器插入，使传输信道中加入错码，此时信道误码率Pe=0.1。观测接收帧同步信号是否与发端同步，定性观测发光二极管指示灯LED0-LED7的变换状态，记录测试结果。

（2）将SWB02的E_SEL1短路器插入，E_SEL0拔除，减小传输信道中的误码率，此时Pe=0.016。重复上述测量内容，纪律测试结果。

（3）将SWB02的E_SEL0短路器插入，E_SEL01拔除，进一步减小传输信道中的误率，这时，Pe=0.004。记录测试结果。

六、实验结论分析

1、帧同步过程观察

（1）用示波器同时观测复接模块内帧同步指示测试点TPB07与解复接模块内帧同步指示测试点TPB06的波形。观察时用TPB07作同步，调整示波器可以使收发两者信号同步。这是一种正常工作方式。

（图18）

分析：如图18所示，上面波形为TPB07波形，下图为TPB06波形，由此图观察到正常工作方式，在TPB07的下降沿有触发。

（2）将解复接模块内的输入数据选择跳线开关KB01的短路器拔除，使传输信道中断，观测解复接模块帧同步失步情况。反复插入拔出KB01的短路器，观测同步和失步状态，记录结果。分析：KB01拔除后帧同步系统是否失步？当KB01插入后能否立即同步？为什么？

（图19）

分析：

KB01拔除后帧同步系统是否失步？

答：KB01拔出后产生失步。

当KB01插入后能否立即同步？为什么？

答：当KB01再次插入后不能立即同步，因为需要一定的时间找到帧同步时隙。

（3）将开关信号设置为帧定位信号（插入为1，拔除为0），反复插入拔除KB01的短路器，观测同步和假同步现象，记录同步和假同步两种情况下TPB07和TPB06的波形及相位关系。

分析：在同步时，从不同步恢复到同步的过程比较慢，且跳变是在下降沿触发；而假同步时，由于开关信号设置为帧定位信号11100100，所以恢复过程较快，但跳变是上升沿触发。

2. 在误码环境下的帧同步性能测试盒数据传输的定性观测

（1）将复接模块内错码选择跳线开关SWB02的E_SEL0，E_SEL1短路器插入，使传输信道中加入错码，此时信道误码率Pe=0.1。观测接收帧同步信号是否与发端同步，定性观测发光二极管指示灯LED0-LED7的变换状态，记录测试结果。

（图20）

分析：此时的收帧信号与发端不同步，LED显示处于动态变化。

（2）将SWB02的E_SEL1短路器插入，E_SEL0拔除，减小传输信道中的误码率，此时Pe=0.016。重复上述测量内容，纪律测试结果。

分析：此时的结果与步骤一的结果相同。此时的收帧信号与发端不同步，LED显示处于动态变化。

（3）将SWB02的E_SEL0短路器插入，E_SEL01拔除，进一步减小传输信道中的误率，这时，Pe=0.004。记录测试结果。