通信原理第11章同步原理.ppt

第11章 同步原理講義,第二節(jié) 載波同步,第三節(jié) 位同步,第四節(jié) 群同步,第一節(jié) 概述,第一節(jié) 概 述,在數(shù)字通信中，按照同步的功用分為：載波同步、位同步、群同步。 載波同步 當(dāng)采用同步檢測(cè)或相干解調(diào)時(shí)，接收端需要提供一個(gè)與接收信號(hào)中的調(diào)制載波同頻同相的相干載波。這個(gè)載波的獲取稱為載波提取或稱載波同步。 位同步 位同步又稱碼元同步。在接收端產(chǎn)生與接收碼元的重復(fù)頻率和相位一致的定時(shí)脈沖序列的過(guò)程稱為位同步。 群同步 在數(shù)字通信中，信碼流是用若干碼元組成一個(gè)“字”，又用若干個(gè)“字”組成“句”。對(duì)于數(shù)字時(shí)分多路通信系統(tǒng)，各路信碼都安排在指定的時(shí)隙內(nèi)傳送，形成一定的幀結(jié)構(gòu)。為使接收端正確分離各路信號(hào)，發(fā)送端必須提供每幀的起止標(biāo)記，在接收端檢測(cè)并獲取這一標(biāo)志的過(guò)程，稱為幀同步。因此，在接收端產(chǎn)生與“字”、“句”及“幀”起止時(shí)刻相一致的定時(shí)脈沖序列的過(guò)程統(tǒng)稱為群同步。,按照獲取和傳輸同步信息方式的不同，又可分為外同步法和自同步法。 同步是進(jìn)行信息傳輸?shù)谋匾颓疤帷Ｍ叫阅艿暮脡挠謱⒅苯佑绊懼ㄐ畔到y(tǒng)的性能。,自同步法 發(fā)送端不發(fā)送專門(mén)的同步信息，接收端設(shè)法從收到的信號(hào)中提取同步信息的方法，稱為自同步法。,第二節(jié) 載波同步,11.2.1、 直接法（自同步法） 非線性變換載波的諧波分量提取分頻載波同步信號(hào) （1）平方變換法和平方環(huán)法 設(shè)抑制載波的雙邊帶信號(hào) （11.2）,外同步法 由發(fā)送端發(fā)送專門(mén)的同步信息（常被稱為導(dǎo)頻），接收端把這個(gè)導(dǎo)頻提取出來(lái)作為同步信號(hào)的方法，稱為外同步法。,平方變換法提取載波 信號(hào)平方律器件倍頻的分量 濾波器二分頻相干載波。,11.3 同相正交環(huán)法(costas環(huán)),a,LPF,LPF,壓控 振蕩器,環(huán)路 濾波器,為了改善平方變換法的性能 圖11-1中的窄帶濾波器常用鎖相環(huán)代替， 構(gòu)成如圖11-2所示的方框圖，稱之為平方環(huán)法。,平方環(huán)法提取載波 注意： 由于分頻起點(diǎn)的不確定性，提取的載波存在的相位模糊，它有可能使2PSK相干解調(diào)后出現(xiàn)“反向工作”的問(wèn)題。 解決方法： 2DPSK,（2）同相正交環(huán)法（Costas環(huán)） 設(shè)輸入的抑制載波雙邊帶信號(hào)為，并假定環(huán)路鎖定，且不考慮噪聲的影響，則 VCO輸出的兩路互為正交的本地載波分別為 式中，為VCO輸出信號(hào)與輸入已調(diào)信號(hào)載波之間的相位誤差。 此時(shí)VCO的輸出就是所需的同步載波，即解調(diào)輸出。,Costas環(huán)法提取載波 Costas環(huán)與平方環(huán)都是利用鎖相環(huán)（PLL）提取載波的常用方法。比較兩者： Costas環(huán)工作在載波頻率上，而平方環(huán)的工作頻率是載波頻率的兩倍 當(dāng)環(huán)路鎖定后，Costas環(huán)可直接獲得解調(diào)輸出 Costas環(huán)與平方環(huán)具有相同的鑒相特性（曲線）,（11.3） 如圖11-4所示： =n( n 為任意整數(shù)）為PLL的穩(wěn)定平衡點(diǎn)。由于在周期內(nèi)取值可能為0或，這意味著恢復(fù)出的載波可能與理想載波同相，也可能反相。這種相位關(guān)系的不確定性，稱為0，的相位模糊度。,11-4 平方環(huán)和Costas環(huán)的鑒相特性,（3）多相移相信號(hào)（MPSK）的載波提取 一種基于平方變換法或平方環(huán)法的推廣，是M次方變換法或M方環(huán)法，如圖11-5所示。例如從4PSK信號(hào)中提取同步載波的四次方環(huán)，其鑒相器輸出的誤差電壓為 因此， （n為任意整數(shù)）為四次方環(huán)的穩(wěn)定平衡點(diǎn)，即有0、/2、3/2的穩(wěn)定工作點(diǎn)。這種現(xiàn)象稱為四重相位模糊度，或稱90的相位模糊。同理，M次方環(huán)具有M重相位模糊度，即所提取的載波具有360/M的相位模糊。解決的方法是采用MDPSK 。,圖11-5 M方環(huán)提取載波,另一種方法基于Costas環(huán)的推廣，這種方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較復(fù)雜，在實(shí)際中較少采用。,11.2.2 插入導(dǎo)頻法（外同步法） 此法適用于DSB-SC、等概的2PSK、VSB、SSB信號(hào)等，尤其是單邊帶（SSB）信號(hào)，它即沒(méi)有載波分量又不能用直接法提取載波，只能用插入導(dǎo)頻法。,插入導(dǎo)頻： 在發(fā)送端的已調(diào)信號(hào)頻譜中額外插入一個(gè)稱 作導(dǎo)頻的正弦波，以便接收端作為載波同步信號(hào)加以恢復(fù)。 插入原則： 在已調(diào)信號(hào)頻譜中的零點(diǎn)插入導(dǎo)頻,且要求其附近的信號(hào)頻譜分量盡量的小,這樣便于插入導(dǎo)頻以及解調(diào)時(shí)易于濾除它.,采用插入導(dǎo)頻法應(yīng)注意：類(lèi)部分響應(yīng) 調(diào)制前先對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行相關(guān)編碼. 作用: 把如圖 11.6（a）所示的基帶信號(hào)頻譜函數(shù)變換成如圖 11.6(b)所示的頻譜函數(shù). 這樣經(jīng)過(guò)雙邊帶調(diào)制以后可以得到如圖 11.7 所示的頻譜函數(shù)。,11.7 抑制載波雙邊帶信號(hào)的導(dǎo)頻插入,11.6 相關(guān)編碼進(jìn)行頻譜變換,這樣，就可組成插入導(dǎo)頻的發(fā)端方框圖 11 - 9。 設(shè)調(diào)制信號(hào)m(t)中無(wú)直流分量，被調(diào)載波為a sinct，將它經(jīng)90移相形成插入導(dǎo)頻（正交載波）-acosct，其中a是插入導(dǎo)頻的振幅。于是輸出信號(hào)為 uo(t)=am(t)sinct-a cosct (9.2 - 17) 設(shè)收到的信號(hào)就是發(fā)端輸出uo(t)，則收端用一個(gè)中心頻率為fc的窄帶濾波器提取導(dǎo)頻-acosct，再將它經(jīng)90移相后得到與調(diào)制載波同頻同相的相干載波 sinct，收端的解調(diào)方框圖如圖 11 - 10 所示。,時(shí)域插入導(dǎo)頻 時(shí)域插入導(dǎo)頻法是按照一定的時(shí)間順序，在指定的時(shí)間內(nèi)發(fā)送載波標(biāo)準(zhǔn)，即把載波標(biāo)準(zhǔn)插到每幀的數(shù)字序列中，如圖11-11（a）所示。 因?yàn)閷?dǎo)頻在時(shí)間上是斷續(xù)傳送的，并且只在很小一部分時(shí)間存在，用窄帶濾波器取出這個(gè)間斷的載波是不能應(yīng)用的。 所以，時(shí)域插入導(dǎo)頻法常用鎖相環(huán)來(lái)提取同步載波，方框圖如圖11-11（b）所示。,11.10 插入導(dǎo)頻法收端框圖,圖11-11 時(shí)域插入導(dǎo)頻法,11.9 插入導(dǎo)頻法發(fā)端框圖,11.2.3 載波同步系統(tǒng)的性能及相位誤差對(duì)解調(diào)性能的影響 1. 載波同步系統(tǒng)的性能指標(biāo) 效率 精度 同步建立時(shí)間 同步保持時(shí)間,高效率 指為了獲得載波信號(hào)而盡量少消耗發(fā)送功率。直接法由于不需要專門(mén)發(fā)送導(dǎo)頻，因而效率比插入導(dǎo)頻法的高。,高精度 指接收端提取的載波與需要的載波標(biāo)準(zhǔn)比較，應(yīng)該有盡量小的相位誤差。載波相位誤差分為穩(wěn)態(tài)相差和隨機(jī)相差兩部分。穩(wěn)態(tài)相差與提取的電路密切相關(guān)，而隨機(jī)相差則是由噪聲引起。,同步建立時(shí)間 指從開(kāi)機(jī)或失步到同步所需要的時(shí)間。,同步保持時(shí)間 指同步建立后，若同步信號(hào)消失，系統(tǒng)還能維持同步的時(shí)間。,2. 載波相位誤差對(duì)解調(diào)性能的影響 對(duì)于雙邊帶調(diào)制信號(hào)，相位誤差只引起解調(diào)系統(tǒng)的信噪比下降，誤碼率增加。設(shè)相位誤差為，則解調(diào)后信噪功率比下降倍，對(duì)于2PSK信號(hào)，誤碼率由原來(lái)的 （11.5） 增加為 （11.6） 而對(duì)于單邊帶和殘留邊帶信號(hào)，相位誤差不僅引起信噪比下降，而且還引起輸出波形失真。,第三節(jié) 位同步,方法：插入導(dǎo)頻法和直接法。 1、 插入導(dǎo)頻法 與載波同步中的插入導(dǎo)頻法的原理相似，它是在基帶信號(hào)頻譜的零點(diǎn)處插入所需的位定時(shí)導(dǎo)頻信號(hào)，在接收端，經(jīng)過(guò)窄帶濾波，就可從解調(diào)后的基帶信號(hào)中提取出位同步所需的信號(hào)。,示意圖 注意： 插入導(dǎo)頻帶來(lái)的影響，載波同步中采用正交插入，而位同步中采用反向相消的辦法 原因: 這是因?yàn)檩d波同步在接收端進(jìn)行相干解調(diào)時(shí)，相干解調(diào)器有很好的抑制正交載波的能力，它不需另加電路就能抑制正交載波，從而避免解調(diào)輸出的附加直流分量；而位定時(shí)導(dǎo)頻是在基帶加入，它沒(méi)有相干解調(diào)器，故不能采用正交插入。為了消除導(dǎo)頻對(duì)基帶信號(hào)取樣判決的影響，位同步采用了反相相消。,11-12 插入導(dǎo)頻法頻譜圖,另一種導(dǎo)頻插入的方法: 是包絡(luò)調(diào)制法。 除了以上兩種在頻域內(nèi)插入位同步導(dǎo)頻之外，還可以在時(shí)域內(nèi)插入，其原理與載波時(shí)域插入方法類(lèi)似，參見(jiàn)圖11-11(a)。,（1）波形變換濾波法 非歸零信號(hào)歸零的單極性脈沖（譜中含有的位定時(shí)分量）用窄帶濾波器取出該分量移相調(diào)整脈沖形成位定時(shí)脈沖。 濾波器原理圖,11-13 濾波法原理圖,（2）包絡(luò)檢波濾波法 這是一種從頻帶受限的中頻PSK信號(hào)中提取位同步信息的方法，其波形圖如圖11-14所示。 經(jīng)包絡(luò)檢波后得到圖11-14(b)所示的波形，它可看成是一直流與圖11-14(c)所示的波形相減.而圖(c)波形是具有一定脈沖形狀的歸零脈沖序列，含有位同步的線譜分量，可用窄帶濾波器取出。,11-14 從2PSK信號(hào)中提取位同步信息,（3）鎖相法 利用鎖相環(huán)來(lái)提取位同步信號(hào)的方法稱為鎖相法。 一種用于位同步的全數(shù)字鎖相環(huán)的原理框圖如圖11-15所示，它由信號(hào)鐘、控制器、分頻器、相位比較器等組成。,11-15 數(shù)字鎖相原理框圖,信號(hào)鐘： 脈沖加減器（控制器）： 分頻器（計(jì)數(shù)器）：每當(dāng)控制器輸出n個(gè)脈沖時(shí),它就輸出一個(gè)脈沖.控制器與分頻器的共同作用的結(jié)果就調(diào)整了加至比相器的位同步信號(hào)的相位. PD： 濾波器：,11.3.3 位同步系統(tǒng)的性能及其相位誤差對(duì)性能的影響 1.位同步系統(tǒng)的性能 （1）相位誤差主要是由于位同步脈沖的相位在跳變地調(diào)整所引起的。設(shè)n為分頻器的分頻次數(shù)，則最大的相位誤差為 （11.7） 若用時(shí)間差Te來(lái)對(duì)應(yīng)表示相位誤差，因碼元長(zhǎng)度為T(mén)，故有 Te=T/n （11.8）,（2）同步建立時(shí)間指開(kāi)機(jī)或失去同步后重新建立同步所需的最長(zhǎng)時(shí)間。設(shè)碼元長(zhǎng)度為T(mén)，則 （11.9） （3）同步保持時(shí)間指同步建立后到失去同步所保持的最短時(shí)間，稱為同步保持時(shí)間。設(shè)收發(fā)兩端固有的碼元速率為F1和F2，令，規(guī)定兩端容許的最大時(shí)間漂移為T(mén)0/K秒（K為一常數(shù)），則 （11.10） （4）同步帶寬定義為能夠調(diào)整到同步狀態(tài)所允許的收、發(fā)振蕩器的最大頻差。即 （11.11）,2. 位同步相位誤差對(duì)系統(tǒng)性能的影響 位同步的相位誤差e （對(duì)應(yīng)時(shí)差Te）主要是造成位定時(shí)脈沖的位移，使抽樣判決時(shí)刻偏離最佳位置，導(dǎo)致誤碼率增大。 設(shè) 解調(diào)器輸出的基帶數(shù)字信號(hào)如圖11-16（a）所示，然后對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行積分、取樣和判決。若位同步脈沖有誤差Te圖11-16（b），則脈沖的取樣時(shí)刻就會(huì)偏離信號(hào)能量的最大點(diǎn)。,從圖11-16（c）可以看到: 相鄰碼元的極性無(wú)交變時(shí)， e（Te）不影響取樣點(diǎn)的能量值，仍為整個(gè)碼元能量E，圖（c）中的t4和t6時(shí)刻就是這種情況。 相鄰碼元的極性交變時(shí)， e（Te）使取樣點(diǎn)的積分能量減小，如圖t3點(diǎn)的值只是（T-2Te）時(shí)間內(nèi)的積分值。由于積分能量與時(shí)間成正比，故積分能量減小為（1-2Te/T）E。,11-16 相位誤差對(duì)性能的影響,通常，隨機(jī)二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)相鄰碼元有變化和無(wú)變化的概率各占1/2，所以系統(tǒng)的誤碼率分為兩部分來(lái)計(jì)算。 相鄰碼元無(wú)變化時(shí)，仍按原來(lái)相應(yīng)的誤碼率公式計(jì)算； 相鄰碼元有變化時(shí)，按信噪比（或能量）下降后計(jì)算。 以2PSK信號(hào)最佳接收為例，考慮到相位誤差影響時(shí)，其誤碼率為 (11.12）,返回,第四節(jié) 群同步,群同步的任務(wù)就是在位同步的基礎(chǔ)上識(shí)別出這些數(shù)字信息群（字、句、幀）“開(kāi)頭”和“結(jié)尾”的時(shí)刻，使接收設(shè)備的群定時(shí)與接收到的信號(hào)中的群定時(shí)處于同步狀態(tài)。 實(shí)現(xiàn)群同步的方法 起止式同步法 ：插入特殊同步碼組方法 連貫式插入法和間隔式插入法,11.4.1 起止式同步法,起止式同步波形 圖11-17 這種7.5單位碼（碼元的非整數(shù)倍）給數(shù)字通信的同步傳輸帶來(lái)一定困難。另外，在這種同步方式中，7.5個(gè)碼元中只有5個(gè)碼元用于傳遞消息，因此傳輸效率較低。,11.4.2 連貫式插入法 這是在每一信息群的開(kāi)頭集中插入群同步碼組的方法。一種常用的群同步碼組是巴克碼。 巴克碼是一個(gè)n位長(zhǎng)的碼組x1,x2,x3xn，其中xi的取值為+1或1，它的局部相關(guān)函數(shù)滿足： （11.13） (其中j表示錯(cuò)開(kāi)的位數(shù)) 目前已找到的巴克碼組如表11-1所示。,表11-1 巴克碼組,以7位巴克碼組為例， 7位巴克碼的自相關(guān)函數(shù),2.巴克碼識(shí)別器, 仍以7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個(gè)巴克碼識(shí)別器，如圖 11-19 所示。當(dāng)輸入碼元的“1”進(jìn)入某移位寄存器時(shí)，該移位寄存器的1端輸出電平為+1，0端輸出電平為-1。反之，進(jìn)入“0”碼時(shí)，該移位寄存器的0端輸出電平為+1，1端輸出電平為-1。各移位寄存器輸出端的接法與巴克碼的規(guī)律一致, 這樣識(shí)別器實(shí)際上是對(duì)輸入的巴克碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。當(dāng)一幀信號(hào)到來(lái)時(shí)，首先進(jìn)入識(shí)別器的是群同步碼組， 只有當(dāng)7位巴克碼在某一時(shí)刻（如圖 11-20(a)中的t1）正好已全部進(jìn)入7位寄存器時(shí)，7位移位寄存器輸出端都輸出+1，相加后得最大輸出+7，其余情況相加結(jié)果均小于+7。若判別器的判決門(mén)限電平定為+6，那么就在7位巴克碼的最后一位0進(jìn)入識(shí)別器時(shí)，識(shí)別器輸出一個(gè)同步脈沖表示一群的開(kāi)頭，如圖 11-20(b)所示。,11-19 巴克碼識(shí)別器,11-18 7位巴克碼的自相關(guān)函數(shù),11-20 識(shí)別器的輸出波形,4.3 間隔式插入法 間隔式插入法又稱為分散插入法，它是將群同步碼以分散的形式均勻插入信息碼流中。 分散插入的最大特點(diǎn)是同步碼不占用信息時(shí)隙，每幀的傳輸效率較高，但是同步捕獲時(shí)間較長(zhǎng)。 4.4 群同步系統(tǒng)的性能 漏同步概率、假同步概率和同步建立時(shí)間,（1）漏同步概率由于干擾的影響，接收的同步碼組中可能出現(xiàn)一些錯(cuò)誤碼元，從而使識(shí)別器漏識(shí)已發(fā)出的同步碼組，出現(xiàn)這種情況的概率稱為漏同步概率，記為 漏同步概率與群同步的插入方式、群同步碼的碼組長(zhǎng)度、系統(tǒng)的誤碼概率及識(shí)別器電路和參數(shù)選取等均有關(guān)系。對(duì)于連貫式插入法，漏同步概率為 （11.14） 式中，P為碼元錯(cuò)誤概率，n為同步碼組的碼元數(shù)， m為識(shí)別器容許碼組中錯(cuò)誤碼元的最大數(shù)，,（2）假同步概率在信息碼元中也可能出