幀同步,幀同步是什麼意思

幀同步,幀同步是什麼意思

在數字通信時，一般總是以一定數目的碼元組成一個個的“字”或“句”，即組成一個個的“群”進行傳輸的。是以，群同步信号的頻率很容易由位同步信号經分頻而得出。但是，每個群的開頭和末尾時刻卻無法由分頻器的輸出決定。群同步的任務就是在位同步資訊的基礎上，識别出數字資訊群（“字”或“句”）的起止時刻，或者說給出每個群的“開頭”和“末尾”時刻。

群同步有時也稱為幀同步。為了實作群同步，可以在數字資訊流中插入一些特殊碼字作為每個群的頭尾标記，這些特殊的碼字應該在資訊碼元序列中不會出現，或者是偶然可能出現，但不會重複出現，此時隻要将這個特殊碼字連發幾次，收端就能識别出來，接收端根據這些特殊碼字的位置就可以實作群同步。本節将主要講述插入特殊碼字實作群同步的方法。

插入特殊碼字實作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中廣泛使用的起止式群同步法。

起止同步法

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

電傳封包的一個字由7.5個碼元組成，假設電傳封包傳送的數字序列為10010，則其碼元結構如圖1所示。從圖中可以看到，在每個字開頭，先發一個碼元的起脈沖（負值），中間5個碼元是資訊，字的末尾是1.5碼元寬度的止脈沖（正值），收端根據正電平第一次轉到負電平這一特殊規律，确定一個字的起始位置，因而就實作了群同步。由于這種同步方式中的止脈沖寬度與碼元寬度不一緻，就會給同步數字傳輸帶來不便。另外，在這種同步方式中，7.5個碼元中隻有5個碼元用于傳遞資訊，是以編碼效率較低。但起止同步的優點是結構簡單，易于實作，它特别适合于異步低速數字傳輸方式。

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該具有尖銳單峰特性的局部自相關特性，其次這個特殊碼字在資訊碼元序列中不易出現以便識别，最後群同步識别器需要盡量簡單。目前已經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律的二進制碼字。它的特殊規律是：若一個n位的巴克碼{X1,X2,X3,…Xn}，每個碼元 隻可能取值+1或-1，則它必然滿足條件

式（1）中，R（j）稱為局部自相關函數。從巴克碼計算的局部自相關函數可以看到，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函數具有尖銳單峰特性，從後面的分析同樣可以看出，它的識别器結構非常簡單。目前人們已找到了多個巴克碼字，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，它的局部自相關函數計算結果如下

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

根據式（2）計算出來的這些值，可以作出7位巴克碼關于R（j）與j的關系曲線，如圖2。由圖2可以看出，自相關函數在j＝0時具有尖銳的單峰特性。局部自相關函數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.巴克碼識别器

巴克碼識别器是比較容易實作的，這裡以七位巴克碼為例，用7級移位寄存器、相加器和判決器就可以組成一識别器，具體結構如圖7-16所示。7級移位寄存器的1、0端輸出按照1110010的順序連接配接到相加器輸入，接法與巴克碼的規律一緻。當輸入資料的“1”存入移位寄存器時，“1”端的輸出電平為+1，而“0”端的輸出電平為-1；反之，存入資料“0”時，“0”端的輸出電平為+1，“1”端的電平為-1。

當發送端送來的碼元自右向左進入時，首先考慮一個簡單的情況：假設隻計算巴克碼（1110010）進入的幾個移位寄存器的輸出，此時将有巴克碼進入一位，二位……七位全部進入，第一位移出尚留六位……前六位移出隻留一位等13種情況。經過計算可得相加器的輸出就是自相關函數，設碼元進入移位寄存器數目為a，碼元尚留在移位寄存器的數目是b，這是就可以得到a、b和j之間的關系式

根據上述關系可以得到表2，它反映了相加器輸出與a、b之間的關系。

實際上述群同步碼的前後都是有資訊碼的，具體情況如圖4（a）所示，在這種情況下巴克碼識别器的輸出波形如圖4（b）所示。

當七位巴克碼在圖4中的t1時刻，正好已全部進入了7級移位寄存器，這時7個移位寄存器輸出端都輸出+1，相加後得最大輸出+7，如圖4（b）所示，而判決器輸出的兩個脈沖之間的資料，稱為一群資料或稱為一幀資料。

當然，對于資訊而言，由于其具有的随機特性，可以考察一種最不利的情況：即當巴克碼隻有部分碼在移位寄存器時，資訊碼占有的其它移位寄存器的輸出全部是+1，在這樣一種對于群同步最不利的情況下，相加器的輸出将如表3所示。由此可得到相加器的輸出波形如圖5所示。圖中橫坐标用a表示，由a、b和j之間的關系可知，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a＝7時相加器輸出的7，大于判決電平6而判定巴克碼全部進入移位寄存器的位置。此時識别器輸出一個群同步脈沖，表示群的開頭。一般情況下，資訊碼不會正好都使移位寄存器的輸出均為+1，是以實際上更容易判定巴克碼全部進入移位寄存器的位置。後面還要講到如果巴克碼中有誤碼時，隻要錯一個碼，當a＝7時相加器輸出将由7變為5，低于判決器的判決電平。是以，為了提高群同步的抗幹擾性能，防止漏同步，判決電平可以改為4。但改為4以後容易發生假同步，這些問題在性能分析時要進一步讨論。

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資訊碼流中，而是将它分散地插入，即每隔一定數量的資訊碼元，插入一個群同步碼字。這種群同步碼字的插入方式被稱為間歇式插入法。

當然集中式插入法和間歇式插入法在實際系統當中都有應用，例如在32路數字電話PCM系統中，實際上隻有30路通電話，另外兩路中的一路專門作為群同步碼傳輸，而另一路作為其它标志信号用，這就是連貫式插入法的一個應用執行個體。而在24路PCM系統中，群同步則采用間歇式插入法。在這個系統中，一個抽樣值用8位碼表示，此時24路電話都抽樣一次共有24個抽樣值，192（24×8=192）個資訊碼元。192個資訊碼元作為一幀，在這一幀插入一個群同步碼元，這樣一幀共193個碼元。24路PCM系統如圖7-19所示：

由于間歇式插入法，是将群同步碼元分散的插入倒資訊流中，是以，群同步碼碼型選擇有一定的要求，其主要原則是：首先要便于收端識别，即要求群同步碼具有特定的規律性，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資訊碼相差別。例如在某些PCM多路數字電話系統中，用全“0”碼代表“振鈴”，用全“1”碼代表“不振鈴”，這時，為了使群同步碼字與振鈴相差別，群同步碼就不能使用全“1”或全“0”。

收端要确定群同步碼的位置，就必須對接收的碼進行搜尋檢測。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構成幀碼提取電路的一種并行檢測方法。這裡将介紹逐碼移位法的基本原理和實作同步的過程。

逐碼移位法的基本原理就是，由位同步脈沖（位同步碼）經過n次分頻以後的本地群碼（頻率是正确的，但相位不确定）與接收到碼元中間歇式插入的群同步碼進行遠碼移位比較，使本地群碼與發送來的群同步碼同步。其原理結構框圖如圖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整本地群碼相位的，具體過程可以通過圖8看到。

設接收信碼（波形c）中的群同步碼位于畫斜線碼元的位置，後面依次安排各路資訊碼1、2、3（為簡單起見，隻包含三路資訊碼）。如果系統已經實作了群同步，則位同步碼（波形a）經四次分頻後，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緻。現在假設開始時如波形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碼元位。為了易于看出逐碼移位法的工作過程，假設群碼為全“1”碼，其餘的資訊碼均與群碼不同，為“0”。在第一碼元時間，波形c與d不一緻，原理圖中的異或門有輸出（波形e），經延遲一碼元後，得波形f加于禁門，扣掉位同步碼的第2個碼元（波形b的第2個碼元位置用加一叉号表示），這樣分頻器的狀态在第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碼元時相同。這時，它的位置隻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碼元時間，c又和d1進行比較，産生碼形e1和f1，又在第3碼元位置上扣掉一個位同步碼，使本地群碼的位置又往後移一位（波形d2）。至此以後，收信碼中的群碼與本地群碼的位置就完全一緻了，因而就實作了群同步。同時，也就提供了各路的定時信号。

從圖8表示的群同步建立原理來看，如果資訊碼中所有的碼都與群碼不同，那麼最多隻要連續經過N次調整，經過NTb的時間就可以建立同步了。但實際上資訊碼中“l”、“0”碼均會出現，當出現“1”碼時，在上面群同步過程的例子中，第1個位同步碼對應的時間内資訊碼為“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，是以本地群碼不會向右移展寬，這一幀調整不起作用，一直要到下一幀才有可能調整。假如下一幀本地群碼d還是與信碼中“1”碼相對應，則調整又不起作用。當資訊碼中1、0碼等概出現時，即P(1)＝P(0)＝0.5時，經過計算，群同步平均建立的時間近似為 （5）

群同步系統的性能名額

對于群同步系統而言，希望其建立的時間要短、建立同步以後應該具有較強的抗幹擾能力。是以，在通常情況下，用以下三個性能名額來表示群同步性能的好壞，它們是：（1）漏同步機率P1；（2）假同步機率P2；（3）群同步平均建立時間ts。

不同形式的同步系統，性能自然也不同。在此将主要分析集中插入方式的群同步系統的性能。

1.漏同步機率P1

由于噪聲和幹擾的影響，會引起群同步碼字中一些碼元發生錯誤，進而使識别器漏識别已發出的群同步碼字，出現這種情況的機率稱為漏識機率，用符号 來表示。以7位巴克碼識别器為例，設判決門限為6，此時7位巴克碼中隻要有一位碼發生錯誤，當7位巴克碼全部進入識别器時，相加器輸出就由7變5，小于判決門限6，這時就出現了漏同步情況，是以，隻有一位碼也不錯才不會發生漏同步。若在這種情況下，将判決門限電平降為4，識别器就不會漏識别，這時判決器容許7位同步碼字中有一個錯誤碼元。

在資訊碼中也可能出現與所要識别的群同步碼字相同的碼字，這時識别器會把它誤認為群同步碼字而出現假同步。出現這種情況的機率就被稱為假同步機率，用符号P2表示。

是以，計算假同步機率P2計算資訊碼元中能被判為同步碼字的組合數與所有可能的碼字數之比。設二進制資訊碼中1和0碼等概出現，也就是P(1)＝P(0)＝0.5，則由該二進制碼元組成n位碼字的所有可能的碼字數為2n個，而其中能被判為同步碼字的組合數也與m有關，這裡m表示判決器容許群同步碼字中最大錯碼數，若m＝0時，隻有 個碼字能識别；若M＝1，則有 個碼字能識别。以此類推，就可求出資訊碼元中可以被判為同步碼字的組合數，這個數可以表示為 ，由此可得假同步機率的表達式為

從式（6）和式（7）可以看到，随着m的增大，也就是随着判決門限電平降低，P1減小，但P2将增大，是以這兩項名額是互相沖突的。是以，判決門限的選取要兼顧漏同步機率和假同步機率。

3.群同步平均建立時間ts

對于連貫式插入的群同步而言，設漏同步和假同步都不發生，也就是P1 = 0和P2 = 0。在最不利的情況下，實作群同步最多需要一群的時間。設每群的碼元數為N（其中m位為群同步碼），每碼元時間為Tb，則一群碼的時間為NTb。考慮到出現一次漏同步或一次假同步大緻要多花費 的時間才能建立起群同步，故群同步的平均建立時間大緻為：

群同步的保護

1.連貫式插入法中的群同步保護

連貫式插入法中的群同步保護電路如圖9。在群同步尚末建立時，系統處于捕捉态，狀态觸發器C的Q端為低電平，群同步碼字識别器的判決門限電平較高，因而就減小了假同步機率P2。這時在保護電路中，由于把判決門限電平調高，假同步的機率已很小，故保護電路中的n分頻器被置零，禁止位同步n分頻後輸出。這裡的n表示一幀資料的長度，是以，在置零信号無效時，位同步n分頻後可以輸出一個與群同步同頻的信号，但脈沖位置不能保證與群同步脈沖位置相同，而這個脈沖位置也正是需要捕捉态确定的。

從圖9可以看到，為了減小假同步的機率，必須連續 次接收的碼元與本地群碼相一緻，才被認為是建立了同步，采用這種方法可使假同步的機率大大減小。

狀态觸發器C在同步末建立時處于“捕捉态”（此時Q端為低電平）。本地群碼和收碼隻有連續n1次一緻時，n1計數電路才輸出一個脈沖使狀态觸發器的Q端由低電平變為高電平，群同步系統就由捕捉态轉為維持态，表示同步已經建立。這樣收碼就可通過與門1加至解調器。偶然的一緻是不會使狀态觸發器改變狀态的，因為 次中隻要有一次不一緻，就會使計數電路置“0”。

同步建立以後，可以利用狀态觸發器C和n2計數電路，來防止漏同步以提高同步系統的抗幹擾能力。一旦轉為維持狀态以後，觸發器C的Q反端變為低電乎，将與門2封閉。這時即使由于某些幹擾使e有輸出，也不會調整本地群碼的相位。如果是真正的失步，e就會不斷地将輸出加到n2計數電路，同時e的反也不斷将 計數電路置“0”。這時n1計數電路也不會再有輸出加到n2計數電路的置“0”端上，而當n2計數電路輸入脈沖的累計數達到n2時，就輸出一個脈沖使狀态觸發器由維持态轉為捕捉态，C觸發器的Q反端轉為高電平。這樣，一方面與門2打開，群同步系統又重新進行逐碼移位，另一方面封閉與門1，使解調器暫停工作。由此可以看出，将逐碼移位法群同步系統劃分為捕捉态和維持态後，既提高了同步系統的可靠性，又增加了系統的抗幹擾能力。