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帧同步实验报告
实验目的：
本次实验旨在掌握帧同步原理、实现帧同步并进行数据解码。
实验原理：
帧同步是在数据传输中保证数据包在接收端的正确性和完整性的一项重要技术。
帧同步技术的实现需要采用同步信号来保证接收端与发送端的时间同步，从而使接收端能够将数据包正确地区分开来。
实验步骤：
1.配置实验环境：使用Verilog HDL进行代码编写，ModelSim 进行仿真。
2.编写帧同步模块：根据实验原理编写帧同步模块，实现同步信号的产生、时钟与数据同步。
3.编写数据解码模块：根据实验要求编写数据解码模块，将接收到的数据进行解码并显示在屏幕上。
4.进行仿真实验：使用ModelSim进行仿真实验并进行数据观察与分析。
实验结果：
经过本次实验，我们成功实现了帧同步技术，并且实现了接收到数据的解码与显示。
通过观察数据我们可以发现，在同步信号的作用下，数据包能够正确地区分开来，并且数据的完整性得到了保障。
从而验证了帧同步技术的重要性和实用性。
实验总结：
帧同步技术在现代通信和网络传输中有着广泛的应用。
通过本次实验我们深刻地掌握了帧同步技术的原理和实现方法，并且通过仿真实验验证了帧同步技术的可行性和实用性。
这对我们今后的学习和工作都将有着重要的启示作用。
一、帧同步1、帧同步定义：是建立在位同步的基础之上。
由于在传输中每帧所包含的码元、码字的数目和次序等都是预先约定的，所以帧同步实际上就是确定每帧的起始位置。
确定了帧的起始位置后，就可以根据预定的码帧结构来确定帧的长度和其中各码字的位置了。
2、对帧同步系统的要求1）同步捕捉（同步建立）的时间要短因为每帧中包含有很多信息。
一旦失去帧同步就会丢失许多信息。
为此，要求帧同步系统在开始工作或失步后，要能在很短时间内捕捉到同步码组，从而建立同步，这一时间称捕捉时间。
一般来讲，对话音通信的捕捉时间要求不大于100ms，对数据通信的捕捉时间要求不大于2ms。
2）帧同步要稳定可靠一旦建立同步状态后，系统不能因信道的正常误码而失步，即帧同步系统要具有一定的抗干扰能力。
由于信号在传输过程中不可避免地会出现误码，若只是偶然一次同步丢失就宣布失步而重新进行同步搜索（从同步态进入捕捉态），则正常的通信会被中断。
因此，一般规定帧同步信号丢失的时间超过一定限度时，才宣布失步，然后再进行同步搜索，这段时间称作前方保护时间。
另一方面，在信息码流中，随机地形成帧同步信号也是完全可能的。
因此，也不能一经发现符合帧同步码组的信号就宣布进入了同步态。
只有当帧同步信号连续来了几帧或一段时间后，同步系统才可发出指令，并进入同步状态。
这段时间称为后方保护时间。
3）帧同步码组的长度越短越好帧同步码在每一帧中都占用一定的长度，同步码越长，传送有用信息的效率就越低，所以在保证同步性能的前提下，帧同步码应该越短越好。
3、帧同步的实现方法1）起止式同步法起止式同步法的典型应用是电传机通信。
电传机通信中用5 个码元表示一个阿拉伯数字。
在每个数字开始时，先发送一个码元宽度的负值脉冲，再传送5 个码元的有用信息，接着再发送一个宽度为1.5 个码元的正值脉冲，如图7 所示。
开头的负值脉冲称为“起脉冲”，末尾的正值脉冲称为“止脉冲”，它们起着同步作用。
接收端根据1.5 个码元宽度的正电平第一次转换到负电平这一特殊规律，确定一个数字的起始位置，从而实现了帧同步。
帧同步分段相关算法-回复什么是帧同步分段相关算法？帧同步分段相关算法是一种用于网络游戏中实现帧同步的技术。
帧同步是指在多人游戏中，保证每个玩家看到的游戏画面一致且互相协调。
在帧同步分段相关算法中，以固定的时间间隔将游戏画面划分为若干个小段，每个小段称为一个帧。
这种算法通过控制每个帧的处理时间，使得所有玩家看到的画面完全一致且具有可预测性。
第一步：帧同步的基本原理在传统的网络游戏中，每个玩家的游戏画面更新时间不一致，可能导致各个玩家看到的游戏画面有延迟或者不一致。
为了解决这个问题，引入了帧同步技术。
帧同步的基本原理是将游戏画面按照固定时间间隔分割成若干个帧，每个帧都有确定的开始和结束时间。
每个玩家根据接收到的网络数据，在指定的开始时间进行操作，将自己的操作请求发送给服务器。
服务器接收到所有玩家的操作请求后，按照指定的顺序执行操作，并计算出每个玩家在每个帧中的状态。
然后将计算得到的状态数据发送给各个玩家，使得每个玩家看到的游戏画面一致。
第二步：帧同步的优势与挑战帧同步技术相比于传统的异步网络游戏，有以下几个优势：1. 实时性：帧同步技术能够保证每个玩家看到的游戏画面是实时更新的，能够加强玩家之间的互动性。
2. 公正性：由于每个玩家的操作请求都是在指定的开始时间进行的，不会出现优先操作的情况，保证了游戏的公正性。
然而，帧同步技术也面临一些挑战：1. 网络延迟：由于网络的不稳定性，玩家之间的延迟可能会造成游戏画面的不同步，需要通过算法来解决这个问题。
2. 大量的计算：帧同步技术需要服务器对每个帧内的操作进行计算，并将结果发送给各个玩家，这可能导致服务器的负载较大。
第三步：帧同步分段相关算法的实现帧同步分段相关算法主要包括以下几个步骤：1. 分段：将游戏画面按照固定的时间间隔进行分段，每个小段称为一个帧。
这样可以确保每个玩家看到的画面一致，并能够预测未来的游戏画面。
2. 状态同步：每个玩家在每个帧内进行操作后，将自己的操作请求发送给服务器。
实验六 帧同步一、实验目的1.掌握集中插入式帧同步码识别器工作原理。
2.掌握同步保护原理。
3.掌握假同步、漏同步、捕捉态〔失步态〕、维持态〔同步态〕概念。
二、实验原理在时分复用通信系统中，为了正确地传输信息，必须在信息码流中插入一定数量的帧同步码。
帧同步码可以集中插入，也可以分散插入。
本实验系统中帧同步码为7位巴克码，集中插入到每帧的第2至第8个码元位置上。
帧同步模块的原理框图如图6-1所示。
本模块使用+5v 电压。
从总体上看，本模块可分为巴克码识别器及同步保护两部分。
巴克码识别器包括移位寄存器、相加器和判决器，图6-1中的其余部分完成同步保护功能。
移位寄存器由两片74175组成，移位时钟信号是位同步信号。
当7位巴克码全部进入移位寄存器时，U50的4321,,,Q Q Q Q 及U51的432,,Q Q Q 都为1，它们输入到相加器U52的数据输入端D0~D6,U52的输出端Y0、Y1、Y2都为1，表示输入端为7个l 。
假设100012 Y Y Y 时，表示输入端有4个l ，依此类推，012Y Y Y 的不同状态表示了U52输入端为1的个数。
判决器U53有6个输入端。
IN2、IN1、IN0分别与U52的Y2、Y1、Y0相连，L2、L1、L0与判决门限控制电压相连，L2、L1已设置为1，而L0由同步保护部分控制，可能为1也可能为0。
在帧同步模块电路中有三个发光三极管指示灯P1、P2、P3与判决门限控制电压相对应，即从左到右与L2、L1、L0一一对应，灯亮对应1，灯熄对应0。
判决电平测试点TH 就是L0信号，它与最右边的指示灯P3状态相对应。
当L2L1L0=111时门限为7 ,三个灯全亮，TH 为高电平；当L2L1L0=110时门限为6，P1和P2亮，而P3熄，TH 为低电平。
当U52输入端为l 的个数〔即U53的IN2 IN1 IN0〕大于或等于判决门限于L2L1L0，识别器就会输出一个脉冲信号。
帧同步、键控器等设备的功能一、帧同步概念和分类在数字时分多路通信系统中，为了能正确分离各路时隙信号，在发送端必须提供每帧的起始标记，在接收端检测并获取这一标志的过程称为帧同步。
帧同步有：起止式同步法和插入特殊同步码组法两种。
起止式同步法：是在发送端利用特殊的码元编码规则使码组本身自带分组信息。
插入特殊同步码组法：是指在发送码元序列中插入用于帧同步的若干同步码．主要有集中式插入和间隔式插入两种。
集中式插入，也称为连贯式插入，要求帧同步特殊码组具有优良的自相关特性。
常用的帧同步码组是巴克码。
间隔式插入。
也称为分散式插入，通常采用简单的周期性循环序列作为帧同步码，并分散的均匀插入信息码流中。
二、键控器的概念和分类何为键控,键控(KEY)又叫抠像,是在一副图像中沿一定的轮廓抠去它的一部分而填入另一幅图像的特技手段。
在电视画面上插入字幕、符号,或以某种较复杂的图形、轮廓线来分割屏幕时,需要采用键控特技。
键控特技实质上也是一种分割图像的特技,只是分割屏幕的分界线多为不规则的形状,例如文字、符号、复杂的图形或某种自然景物等。
“抠”与“填”是键控技术实质所在。
在正常情况下,被抠的图像是背景图像,填入的图像为前景图像,用来抠去背景图像的电信号称为键信号,形成这一键信号的信号源为键源。
根据键信号产生的方式不同,键控可分为亮度键和色度键。
1 亮度键亮度键又称黑白键,他利用键源视频信号中的亮度分量来产生键信号。
按照键源视频信号的来源不同,亮度键又分为内键和外键两种方式。
内键也叫自键,他是以参与键控特技的其中一路作为键信号来分割画面特技,也就是说键源与前景图像是同一个图像。
内键要求键源图像每点的亮度必须比较均匀而且亮度比较大,一般用于文字、符号或图形的叠加。
这是因为文字、符号是由基本上等亮度的笔划组成的,符合内键的要求。
外键相对于内键而言,外键的键信号由第三路键源图像来提供,而不是参与键控特技的前景或背景图像。
与内键相比,外键的键控效果更好,比如,在叠加字幕时,利用黑白字幕做成键,填入彩底信号嵌进图像中就形成了叠加彩色字幕的效果;而在内键方式下必须用彩色字幕作键源来完成,彩色字幕的亮度电平反差不如黑白字幕的大,因此,内键的效果有时不及外键的好。
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,以便通过高速信道进行传输.实现此功能的设备称为数字复接系统.数字复接系统包括发送端和接收端两部分,通常称为复接器和分接器.为了使分接器的帧状态相对于复接器的帧状态获得并保持相位关系,以便正确地实施分接,数字复接系统在发送端把低速数字信号合并为高速信号的同时,往往还要插入用于同步的帧同步码;而在接收端,分接器要把发送端数字信号中的帧同步码检测出来并去除,然后才能分解为原来的支路数字信号,其中完成帧同步码检出这一功能的单元称为数字复接系统的帧同步器.在合路数字信号中,帧同步码能否被准确识别直接决定了能否正确的分接出各个支路信号.目前,FPGA已在通信领域得到了广泛应用,这也为数字复接技术提供了灵活且可移植的设计方法.本文将介绍数字复接系统中帧同步器的工作原理和FPGA的设计流程,同时将给出具体实现方法以及设计中需要注意的问题.1 帧同步器原理图1是笔者设计的一种数字复接系统接收端的原理框图.其中,定时发生器为帧同步系统提供帧定位标志信号;帧同步系统用来检测所传输数据码流中的帧同步码;比特分接电路用于把串行数据转换成并行数据;告警优先电路用来指示当前系统处于同步状态还是失步状态.在复接系统的发送端,可以将帧同步码集中插在每帧的开头位置;也可以将其分散插在各个支路的前面.前者称为帧同步码集中插入法,后者称为分散插入法.图2所示是使用集中插入法时,接收端帧同步器的原理框图.通常帧同步电路有两种状态,同步未建立时系统处于搜捕态,建立后则处于保持态;保持态下的同步保护措施称为前方保护,搜捕态下的同步保护措施称为后方保护.帧同步系统电路设计的原则是:同步建立时,假同步概率要小;同步建立后,漏同步概率要小.图2中的帧同步器前端是由8位移位寄存器组成的帧同步码检测电路,当输入码流中无同步码组时,检测电路输出始终为1,这时定时发生器关闭,比较/计数电路(由a、b、c、d四个D触发器组成)不工作,系统处于搜捕态;一旦在输入码流中检测到同步码组,检测电路输出就为0,定时发生器开始产生比较/计数电路的计数时钟,计数器开始后方保护计数;如果随后在规定时刻上又连续α-1次(图中α=3)检测到帧同步码组,则系统同步,帧同步器进入保持态.在同步保持状态下,一旦帧同步码检测电路在规定时刻有一次未发现帧同步码,步码检测电路将继续搜捕,直至检测到真正的帧同步码为止.2.4 比较/计数电路计数电路用于完成搜捕态与保持态下的计数.搜捕态下,当帧同步码检测电路连续3α=3 次捕获到同相位的正确帧同步码时,帧同步器将进入保持态;而在保持态下,如果帧同步码检测电路连续4(β=4)次未检测到帧同步码,帧同步器将进入搜捕态.程序如下(其中,比较/计数电路计数时钟clk_yf5由帧定位标志信号f8和时钟clk产生,yf2为输出保持结果,yf3为输出搜捕结果):3 设计中需要注意的问题设计中要严格控制定时发生器产生时钟clk_yf5的宽度,以避免出现不定状态.如果帧定位标志信号f8与帧同步检出电路都是由时钟clk的上升沿或下降沿产生的,那么clk_yf5脉冲中就会出现一小段不定状态,而在这段时间里帧同步系统是不能正常工作的.所以,帧定位标志信号f8由时钟clk的下降沿触发产生,帧同步检出电路则由时钟clk的上升沿触发,这样便可以得到一半码元宽度的时钟clk_yf5脉冲,且脉冲中不存在不定状态.设计中应多采用同步时序电路来实现各个进程模块的功能,以免电路中产生毛刺.。
时分多路复用系统中的帧同步1.帧同步的概念数字信号序列常常以字或帧的方式传输。
在PCM30/32路系统中，在一个抽样周期内，要依次发送出CH1~CH30路的话音信号，构成一帧。
为了在接收端能够识别出每一帧的起止位置，在发送端必须提供每帧的起止标志。
帧同步的目地是要求收端与发端相应的话路在时间上要对准，就是要从收到的信码流中分辨出哪8位是一个样值的码字，以便正确的解码；还要能分辨出这8位码是哪一个话路以便正确分路。
这相当于收、发两端的高速电子开关k1，k2的旋转起始位置一样。
为了要做到帧同步，要求在每个帧的第一个时隙位置安排标志码，即帧同步码，以使接收端能识别判断帧的开始位置是否与发端的位置相对应。
因为每一帧内各信号的位置是固定的，如果能把每帧的首尾区分出来，就可以正确区分每一路信号，即实现帧同步。
2. 帧同步电路的工作原理PCM复用系统为了完成帧同步功能，在接收端还需要有两种装置：一是同步码识别装置，二是调整装置。
同步码识别装置用来识别接收的PCM信号序列中的同步标志码位置；调整装置，当收、发两端同步标志码位置不对应时，需对收端开展调整以使其两者位置相对应。
这些装置统称为帧同步电路。
3. 帧同步系统中的保护电路为了减少系统工作中出现假失步的现象，防止误判，一般系统中并不是将一次比较结果就作为是否失步的判决依据，而是连续观察几次比较结果，如果几次都不能对准信号序列中的同步码时才确认为是失步。
将多次比较结果作为判决依据是通过保护电路来实现的。
4. 对帧同步系统的要求以及有关问题的讨论对帧同步系统要求是：（1）同步性能稳定，具有一定的抗干扰能力；（2）同步识别效果好（3）捕捉时间短（4）构成系统的电路简单上述几项性能与同步码型的选择、帧同步码的插入方式、帧同步码的识别检出方式、同步捕捉方式以及保护电路的设计等因素有关。
下面分别开展讨论。
①帧同步码的选择②帧同步码插入的方式③帧同步码的识别检出方式④同步捕捉方式所谓帧同步码插入的方式是指在发送端同步码是怎样与信息码合成的。
浅析帧同步机的原理和应用
摘要：本文主要讲述了中心系统的同步定时问题和帧同步机的原理、技术特点和应用关键词：同步定时帧同步
以前我台播出机房的信号源比较单一，以放像机的信号源为主，用于播出的外来信号只有一路，如转播中央台新闻。
对于机房内部信号源的同步问题比较简单，只要同步机的黑场信号锁定放像机的信号源，就能达到信号源之间的同步。
对于一路外来信号源的同步可用"台从锁相"解决，所谓"台从锁相"是让本台同步机的振荡频率和相位跟踪外地同步信号的一种锁相方式，即让外地信号锁定机房内同步机。
随着广播电视事业的发展，电视节目日益丰富，信号源也呈多样化，有机房内的信号也有多个外来信号。
如直播体育赛事时，就需一路外来微波信号。
有两路以上外来信号时，系统同步就成了问题，不可能再用台从锁相方式来解决同步，因为台从锁相只能用一路外来信号进行锁相，而另一路外来信号无法进行锁相，这时采用帧同步机是解决外来信号同步问题的最好方法，它不但可调延时量，而且可调超前量，是处理外来信号定时关系最为灵活的设备。
帧同步机的原理类似于录像机中的时基校正器，但它的校正范围超过录像机中时基校正器的范围，如录像机的校正范围是十几行，而帧同步机是几场。
为什么要进行时基校正呢?我们知道录像机是一种磁带记录设备，从磁带上重放的信号不可避免地会产生时基误差。
因为在录像机中，视频信号的记录过程是将随时间变化的电信号变换成随空间(沿磁迹方向上)变化的磁信号，重放时的过程与之相反。
这种电磁转换过程是通过磁头与磁带的相对运动来实现的。
若记录和重放时头带相对速度不一致，就会造成在一定时间内记录的信号不能在相同的时间里重放出来，于是产生了时基误差。
它的存在对电视信号来说是非常不利的，严重时会造成信号的不同步，如台标没法加上去，它也会影响重放图像的质量。
这时就需要时基校正器对信号进行校正，从而恢复原有的相位关系，成为时基稳定的信号。
对于外来信号，由于其时基误差比较大，必须经过帧同步机进行校正。
其原理如图1可见，它利用存储器将外来信号进行模数转换以数字信号写入帧存储器，然后以中心机房同步信号及彩色副载波信号的基准，逐步从存储器内读出，然后再进行数模转换，变成模拟的视频信号输出。
帧同步机由Ａ／Ｄ变换和Ｄ／Ａ变换，写入时钟发生器，读出时钟发生器以及存储部分几部分组成。
未校正的重放视频信号经输入处理和Ａ／Ｄ变换后，成为数字信号，在写入时钟控制下被依次读出，经D／Ａ变换后成为模拟信号。
其中，写入时钟锁定于离带基准信号(色同步或行同步)，因此与重放信号具有相同的时基抖动。
在写入时钟控制下，数据存入存储器的节拍也和时基的节拍一致。
由于写入时钟相对于每行写入信号的相位，即取样点的相对相位是不变的。
在读出端，读出时间锁定于基准信号，因此从存储器中读出的数据是稳定的、周期均匀的，不再有时基抖动。
相当于给含有时基误差不同的信号以不同的延时，时基超前的信号多延时一些，时基滞后的信号少延时一些，使最后得到的信号与基准信号的时基一致。
其中，写入时钟发生器的作用是为时基校正器提供写入定时信号，包括Ａ／Ｄ转换用的取样脉冲和存储器用的写入时钟、写入开始脉冲等。
写入时钟必须与重放信号严格同步，即必须精确跟踪重放信号的时基变化，跟踪的精度越高，它的校正精度也越高。
从重放信号中提取定时脉冲，它反映重放信号的时基变化，然后根据这个定时脉冲导出写入时钟。
存储系统包括存储器和存储控制两部分，是帧同步机的核心。
存储器用来存储数据，存储控制为数据按一定规律写入和读出提供逻辑选择控制。
帧同步机中采用的存储器通常为移位寄存器(SAM)和随机存取存储器(RAM)。
存储控制包括写入、读出和过载控制。
写入和读出电路的作用是使数据按正确的地址写
入和读出。
存储器工作时，先由写入时钟将数字视频信号顺序存入存储器，经过一段时间后，再由读时钟读出。
由于输入的图像信号有时基误差，所以写时钟的速度和读时钟的速度不一样。
如果写入比读出快，则写时钟会追上读时钟，这时会发生旧的数据还未取出，新的数据又要存入的现象，称为写过载。
如果写入比读出慢，则读时钟会追上写时钟，这时会发生新数据还未写入，读时钟又把旧的数据读一遍的错误，这称为读过载。
过载现象会破坏帧同步机的正常工作，造成图像的闪烁或撕裂现象，这是不允许的，因此由过载电路来对其进行检测和控制。
同时，失落补偿也在帧同步机中进行。
它利用电视信号的行间相关性。
失落补偿也分为RAM失落补偿和SAM失落补偿两种。
RAM失落补偿是以上一行(或两行)无失落的信息填补到本行对应的失落点上，达到失落补偿的目的。
SAM式失落补偿中，采用一行或两行的延时移位寄存器，利用其延时作用进行补偿。
帧同步机能处理多种信号，如Ｓ－Ｖｉｄｅｏ，模拟分量、复合信号、ＡＥＳ／ＥＢＵＤＩＧＩＴＡＬＩ／Ｏ和ＳＤＩ信号等，可以模拟输入、数字输出，它是向数字化过渡的理想产品。
高级一点的帧同步机还能处理音频信号，解决声音的时延问题。
下面以帧同步机DPS470为例介绍一下它的性能及应用。
帧同步机的性能、特点有：
1)信号处理：是复合信号经８ｂｉｔ量化，带宽为7.73ＭＨｚ
2)同步窗口：可为8场或4场或2场(可任选)
3)增益误差：小于2%，调制后为1V峰－峰值信号
4)相位误差：小于2°
５）频率响应：当为同步模式时，０～５.５ＭＨｚ＋／－0.5ｄＢ当为ＴＢＣ模式时，０～３.３ＭＨｚ＋0.5／－３ｄＢ
6)K因子：同步模式为1%；ＴＣＢ模式为3%
7)信噪比：加权后可为58ｄＢ
它在系统的简图如下：
由图2可见：视频部分主要处理中央台信号；音频部分可处理两路信号，一路是中央台的信号，另一路是新闻的微波信号，输入输出一一对应；同步信号由同步机产生的黑场信号进行锁相。
由于处理新闻微波信号的帧同步机只有视频功能，没有音频功能，所以用它既可处理本身中央台的视音信号，又可处理一路外来的新闻微波音频信号，使两路视频信号同步的同时，音频信号也得到了校正，使信号的图像与口形同步。
它是菜单式操作，数字调节，简单方便。
能对以下参数进行实时处理：可调节亮度、黑场和色度的电平幅度大小，副载波、行相位的相位调整。
调节完可对调好的系数进行存贮(Ｓｔｏｒｅ），也可恢复（Ｒｅｃａｌｌ）先前参数设置。
此功能在记忆（ＭＥＭ）菜单内实现。
可遥控也可本机操作，同时具有键锁功能，以防止其它人的误操作。
在同步模式中，有Ｐrocess、Ｂypass、ＴＳＧ（ＴｅｓｔＳｉｇｎａｌＧｅｎｅｒａｔｏｒ）3种可选。
其中：Ｐｒｏｃｅｓｓ为正常模式，Ｂｙｐａｓｓ是复合输入信号直接从复合输出口1旁通出去，ＴＳＧ有多种测试信号可供输出。
通过近两年的使用，该同步机性能稳定，在播出中没出什么问题，随着电视技术的发展，设备的升级，而帧同步机无须升级，因它有数字输入输出接口，为以后我台的设备升级奠定了技术基础。
