用StateCad实现帧定位系统

【摘　要】　用StateCad为开发工具设计出一种简单、实用的帧定位系统。
    关键词：帧定位信号，帧同步，帧定位，StateCad
 
　　在数字通信网中，为了提高传输效率，常常需要将若干路低速数字信号合并成一路高速数字信号，通过高速信道传输。数字复接技术就是实现这种数字信号合并的专门技术，完成此功能的设备称为数字复接系统。而在此系统中，为保证接收端的分路和发送端一致，必须有一个帧定位系统，以实现发送端和接收端的帧同步。在数字通信网中，帧定位系统是同步复接设备中最重要的部分。在实现工程设计中，它涉及的问题较多，对整个复接设备性能影响也较大。

1　帧定位问题
　　在同步发送、接收设备中，能够正确实施接收的前提是接收器的帧状态必须与发送器的帧状态保持正确的相位关系，即必须保持帧同步。帧定位指的就是把接收器的帧状态调整到与发送器帧状态具有正确相位关系，并且保持这种相位关系的过程。而这种过程通常称为同步搜捕过程。

　

　　帧定位系统的原理图见图1。它是由时钟源、发送定时单元、接收定时单元、同步接收定时单元、同步搜捕、保持单元组成的。发送定时单元向发送器提供各种定时信号，接收定时单元向接收器提供各种定时信号，二者产生的帧结构是相似的，帧长则是相等的，从原理上讲，二者产生的帧定位码型也是一样的，它们分别表示各自帧的开始或终了（或者其它特定部位），即表示各自的帧状态。发送器要把时钟和帧定位信号传送给接收器。通常接收器的定时单元也要由接收时钟信号来推动，它也产生自己的帧定位信号。在同步搜捕／保持单元中，对发送器与接收器帧定位信号的相对位置进行比较，如果不符正确相位关系，就采取某种控制措施，使得接收帧状态相对于发送帧状态发送相对延时，直至使得二者都达到正确的相位关系，即达到同步，然后就保持这种同步状态运行，这就是帧定位的全部过程。
　　在工程设计中，帧定位系统要解决下列具体设计问题：
    ·同步搜捕方法；
    ·帧定位码型设计；
    ·帧长度的确定；
    ·帧定位码的码长选择；
　　·帧定位保护方法。
2　同步搜捕方法
　　传统的同步搜捕方法有两种：逐位调整法和预置起动法。当合路数字信号误码率较低时，预置起动方法的平均搜捕时间较短；当合路数字信号误码率较高时，逐位调整法的平均搜捕时间较短。数字信道误码率按国际推荐通常是相当低的，不可用误码率门限也只有1×10－3，所以，一般采用预置起动搜捕方法是比较合适的。
    预置起动法的工作过程：在失帧期间，接收设备时序发生器被置在一个特定的等待状态，即接收设备帧状态处于特定的预置状态；接收码流逐比特进入帧定位信号检测电路，一旦其中全部n位信码与规定的帧定位信号码型相同，就立即输出一个控制信号，启动接收设备的时序发生器，同时用接收时钟信号来推动它。然后经过一个检验周期的时间检验判断。如果示未能建立正确的相位关系，就重复上述；如果确实建立了正确的相位关系，就保持这种相位关系并结束搜捕过程。从上述过程可以看出，如果接收码流中未同步前的任何一段信码都不出现帧定位码型，而且帧定位码中不发生误码，那么只要遇到一个完整的帧定位码组就足以建立起同步，可见，这时完成搜捕过程是比较快的。实际上，存在虚警现象和虚漏现象，即某一段信码可能组合成帧定位码型，真正的帧定位码也可能因存在误码而未被发现（即没有控制信号输出），这样就要拉长搜捕过程。
　　本设计就是采用了预置起动的搜捕方法。本设计是16路E1复接成光纤信号系统工程中的一个模块，此帧长为4320bits，采取的是集中式帧定位信号为F628H。
3　帧定位系统逻辑图
　　以上只是介绍了帧定位过程采用的具体方法，下面来介绍在实际帧定位系统中如何利用这些具体
方法。

　　在实际情况下，设计帧定位系统要考虑下列两种情况：首先，信码内容是随机的，其中每一段内容都可能随机地形成帧定位信号所特有的图案，即形成冒充的帧定位信号，这样就可能出现假同步；此外，数字传输通常都存在误码操作，如果刚好帧定位信号中出现误码，同步识别设备在相应的部位就识别不出信码，这时同步设备就可能判断系统发生失
步，因而开始同步搜捕，这样恰恰导致了真失步。考虑到上述两种情况，帧定位过程都要制订一种特定的搜捕校核逻辑和同步保护逻辑，以便消除信码随机组合引起的虚警现象和误码引起的虚漏现象的影响。图2为CCITT推荐了帧定位校核／保护逻辑图。
　　假定帧定位系统处于失步状态，于是同步系统开始进行搜捕，从合路信码中识别出定位信号时，同步校核计数器计1，并且起动分接定时单元；如果在整整相隔一个帧周期的时刻（简称规定时刻）又发现了帧定位信号，同步校核计数器就计2；如果总计连续在规定时刻共发现x次帧定位信号，那么帧定位系统就确认系统进入了同步状态。其中，x称为同步搜捕校核系数。如果，连续发现帧定位信号的次数不足x次，其间在规定时刻有一次未发现帧定位信号，则同步校核计数器立即置0，并且把分接定时单元置于预置状态，即帧定位系统重新处于失步状态。
4　用StateCad实现帧定位系统
　　以上在理论上论述了帧定位系统的框图、搜捕方法及帧定位系统校核与保护。由图2可看出帧定位系统涉及到各种状态的转换，如用电路或语言描写来实现势必具有一定的技术困难，而StateCad软件就是方便实现各种状态转换的有利工具。下面将介绍以StateCad为工具实现的帧定位系统的工程设计。
    图3是本设计的逻辑框图。

　　为了确保系统在大部分时间内处于工作状态，在本设计中校核计数设计为1次，保护计数为3次，即在帧的同一位置连续2次发现帧同步信号则进入同步状态，而在同步状态中连续4次丢失帧同步信号才进入失步状态，重新搜捕帧同步信号。
　　按照图3的设计，用StateCad实现的状态图如图4所示。整个系统中输入信号为：reset端（复位端）、din（输入信号）、clk（时钟信号）；输出信号为：fp（帧识别脉冲：当每个帧来临时回定送出此信号）、lof（锁定信号）、dfp（伪帧识别脉冲）、lck（伪锁定信号）。其中，在输出信号中fp、lof在锁定状态下才有

效，而dfp、lck只有在发现帧头时才有效，它们的设计目的是为了方便系统调试，辨别系统工作状态；信号变量有：n为计数器（它用来标识帧头的位置且在renx中复位）、a为16位移位寄存器（它为搜捕帧头服务）。图4中以虚线划分出锁定与未锁定状态。
　　未锁定状态中有三个状态：（1）start状态为初始状态变为复位状态,各个变量都赋初值；（2）unlock、ren0、ren1构成失步状态，在此状态中完成预置起动法搜捕帧头；（3）usearch1、ren2构成检验状态。
　　锁定状态中有两个状态：（1）同步状态包括lock、ren3，在此状态里要不断检验帧头是否符合预置状态；（2）保护状态：保持1（ren4、search1）、保持2（ren5、search2）、保持3（ren6、search3），在此状态中要完成检验帧同步信号的任务。
　　各个状态的转换条件都是以n与a的值为依据的，在这里帧长假设为4320bits，预置帧头为
“1111011000101000”。整个系统的工作原理在介绍逻辑框图中已陈述。
　　StateCad软件在编译过程中可自动生成硬件描述语言，再通过其它软件下载到可编程逻辑器件中用于实际应用。
　　此系统已通过digital fusion软件仿真并且已应用于实际16路E1信号复接成光纤传输系统，且运行良好。

　　
参考文献

1　孙玉编著．数字网专用技术．北京：人民邮电出版社，1998
2　孙玉编著．数字复接技术．北京：人民邮电出版社，1991
3　陈炽文，张建红编著．数字数据网．北京：清华大学出版社，1999
4　韦乐平，李英灏编著．SDH及其新应用．北京：人民邮电出版社，2001
5　刘少亭．付慧生编．数字通信．北京：煤炭工业出版社，1995