南郵通信原理課件第13章

1、第13章 同步原理l 13.1 概述數(shù)字通信系統(tǒng)中的同步種類：載波同步、碼元同步、群同步和網(wǎng)同步。載波同步：又稱載波恢復(fù)。u 目的：在接收設(shè)備中產(chǎn)生一個和接收信號的載波同頻、同相的本地振蕩，用于相干解調(diào)。u 方法：接收信號中有載頻分量時：需要調(diào)整其相位。接收信號中無載頻分量時：需從信號中提取載波，或輔助同步信息。2第13章 同步原理碼元同步：又稱時鐘同步或時鐘恢復(fù)。對于二進制信號，又稱位同步。u 目的：得知每個接收碼元準(zhǔn)確的起止時刻，以便決定和時刻。u 方法：從接收信號中獲取同步信息，由其產(chǎn)生一時鐘脈沖序列，使后者和接收碼元起止時刻保持正確關(guān)系?；蜉o助同步信息。群同步：又稱幀同步。u 目的：將

2、接收碼元正確分組。u 方法：通常需要在信號中周期性地一個同步碼元，標(biāo)示出分組位置。網(wǎng)同步：使通信網(wǎng)中各站點時鐘之間保持同步。3第13章 同步原理n 13.2 載波同步u 13.2.1 有輔助導(dǎo)頻時的載頻提取p 用于不包含載頻分量的信號。p 在信號中另外加入一個或幾個導(dǎo)頻信號。p 多采用鎖相環(huán)（PLL）提取載波。p 鎖相環(huán)原理方框圖：鑒相器輸入信號輸出導(dǎo)頻圖13-1 鎖相環(huán)原理方框圖4壓控振蕩器環(huán)路濾波器第13章 同步原理p 對環(huán)路濾波器的要求：通帶越窄，能夠通過的噪聲越少， 但是對導(dǎo)頻相位漂移的限制越大。p 數(shù)字化中鎖相環(huán)的實現(xiàn)方法：窄帶濾波器：改用數(shù)字濾波器壓控振蕩器：用只讀器代替鑒相器：可

3、以是一組匹配濾波器5第13章 同步原理u 13.2.2 無輔助導(dǎo)頻時的載波提取p 平方環(huán)：以2PSK信號為例進行討論。設(shè)信號s (t ) = m (t ) cos( w c t + q )式中，m(t) = ±1當(dāng)m(t)取+1和-1的概率相等時，此信號的頻譜中無角頻率wc的離散分量。將上式平方，得到1wt + q ) =1 + cos 2(wt + q )s (t) = m (t) cos (222cc2由上式可見，其中包含2倍載頻的頻率分量。將此2倍頻分量用窄帶濾波器濾出后再作2分頻，即可得出所需載頻。方框圖如下：s(t)載頻輸出圖13-2 平方環(huán)原理方框圖6窄帶濾波2分頻平 方

4、帶通濾波鎖相環(huán)壓控振蕩環(huán)路濾波第13章 同步原理此方案的缺點：1、相位含糊性：2分頻器的輸出電壓有相差180°的兩種可能相位，即其輸出電壓的相位決定于分頻器的隨機初始狀態(tài)。采用2DPSK體制可以避免此缺點的影響。2、錯誤鎖定：平方后的接收電壓中有可能存在其他的離散頻率分量，使鎖相環(huán)鎖定在錯誤的頻率上。解決這個問題的辦法是降低環(huán)路濾波器的帶寬。7第13章 同步原理p 科斯塔斯環(huán)法：又稱同相正交環(huán)法或邊環(huán)法。Ø 原理方框圖：·ec解調(diào)輸出g· a載頻輸出s(t)bdf圖13-3 科斯塔斯環(huán)法原理方框圖8第13章 同步原理Ø 工作原理va = cos

5、(w c t + j )a點的壓控振蕩電壓為：= sin(wct + j)b點的壓控振蕩電壓為： vbc點的電壓：1t + j +q )wt + q ) cos(wt + j) =m(t) cos(j -q ) + cos(2wvc = m(t) cos(ccc2d點的電壓：1t + j + q )w t + q )sin(wt + j) =m(t) sin(j -q ) + sin(2wvd = m(t) cos(ccc21ve =m(t) cos(j - q )e點的電壓：2v= 1 m(t) sin(j - q )f點的電壓：g點的電壓：f2v= v v= 1 m 2 (t) sin 2

6、(j - q )gef8上式中的(j - q )是壓控振蕩電壓和接收載波相位之差。9第13章 同步原理1 m(t ) sin 2 (j - q )v= v v=2gef8將m(t) = ±1代入上式，并考慮到當(dāng)(j - q)很小時，sin(j - q) » (j - q)，則上式變?yōu)関» 1 (j - q )g4電壓vg 通過環(huán)路濾波器，壓控振蕩器的振蕩頻率。壓控振蕩器的輸出電壓相位，使(j - q )盡可能這個電壓地小。當(dāng) jq 時，vg = 0 。壓控振蕩器的輸出電壓va 就是科斯塔斯環(huán)提取出的載波。10第13章 同步原理v= 1 m(t) cos(j - q

7、 )e2由上式可見，當(dāng)(j - q )很小時，除了差一個常數(shù)因子外，電壓ve 就近似等于解調(diào)輸出電壓m(t)。所以科斯塔斯環(huán)本身就同時兼有提取相干載波和相干解調(diào)的功能。Ø 優(yōu)缺點：1、不需要對接收信號作平方運算，工作頻率較低。2、為了得到科斯塔斯環(huán)法在理論上給出的性能，要求低通濾波器的性能完全相同。3、由鎖相環(huán)原理可知，鎖相環(huán)在(j - q )值接近0的穩(wěn)定點有兩個，在(j - q )等于0和p 處。所以，科斯塔斯11環(huán)法提取出的載頻也存在相位含糊性。第13章 同步原理再調(diào)制器 第3種提取相干載波的方法p原理方框圖Øecds(t)·a·b·載頻

8、輸出gf12第13章 同步原理Ø 工作原理接收信號和a點振蕩電壓相乘后得到的c點電壓v = m(t)cos(w t +q)cos(w t +j) = 1 m(t)cos(j -q) +cos(2w t +j +q)cccc2它經(jīng)過低通濾波后，在d 點的電壓為v= 1 m (t ) cos( j - q )d2vd 實際上就是解調(diào)電壓，它受b點的振蕩電壓在相乘器中再調(diào)制后，得出1 的e 點電壓等于= 12w t + 2j -q)j -q)sin(w t +j) =m(t) sin(w t +q) + sin(vm(t)cos(eccc4上式的ve 和信號s(t)再次相乘，得到在f點的電

9、壓13第13章 同步原理1- q )wt + q )wt + q ) + sin(wjv=m (t) cos(t + 22sin(fccc4=1418- q )w+ q ) sin(wt + q ) + cos(wt + q ) sin(wjt + 22m (t)cos(tcccct + j)wt + q ) + sin 2(j - q ) + sin 2(w=2m (t)sin 2(ccvf經(jīng)過窄帶低通濾波后，得到壓控振蕩器的電壓v= 1 m 2 (t) sin 2(j - q )g8將上式的電壓和科斯塔斯環(huán)的電壓式比較可見，這兩個方案中的壓控振蕩器的電壓相同。14第13章 同步原理多進制信

10、號的載頻恢復(fù)例：QPSK信號提取載頻的科斯塔斯環(huán)法原理方框圖p解調(diào)輸出··低通s(t)···低通15第13章 同步原理n 13.2.3 載波同步的性能u 相位誤差p 相位誤差的種類Ø 恒定誤差：由電路參量引起的Ø 隨機誤差：由噪聲引起的p 恒定誤差分析：Ø 當(dāng)提取載波電路中存在窄帶濾波器時，若其中心頻率fq和載波頻率f0不相等，存在頻率偏差Df，則載波通 過它時會有附加相移。設(shè)此窄帶濾波器由一個單諧振電路組成，則由其引起的附加相移等于Dj » 2Q Dffq由上式可見，電路的Q值越大，附加相移也成比例地1

11、6增大。第13章 同步原理Ø 當(dāng)提取載頻的電路中采用鎖相環(huán)時，若鎖相環(huán)工作在穩(wěn)態(tài)，壓控振蕩電壓的頻率f0應(yīng)當(dāng)和信號載頻fc相同，并且其相位誤差應(yīng)當(dāng)很小。設(shè)鎖相環(huán)壓控振蕩電壓的穩(wěn)態(tài)相位誤差為Dj，則有D f Dj =Kd式中，Df 是fc和 f0之差，而Kd為鎖相環(huán)路直流增益。為了減小誤差Dj，由上式可見，應(yīng)當(dāng)盡量增大環(huán)路的增益Kd。17第13章 同步原理p 隨機誤差分析設(shè)這種相位誤差為qn，它是由窄帶高斯噪聲引起的，所以是一個隨機量。當(dāng)大信噪比時，此隨機相位誤差qn的概率密度函數(shù)近似為rp> 2.5f (qcosq2× e-r sin qn1 > cosq) &

12、#187;,nnnr- 2.5 > cosqf (q) » 0,> -1nnr所以，在qn = 0附近，對于大的r，f (qn)可以寫為rp2nf (q-rq) »× en我們知道，均值為0的正態(tài)分布的概率密度函數(shù)表示式為18第13章 同步原理x21-f (x) =2s 2e2ps參照上式正態(tài)分布概率密度的形式， f (qn)的公式可以改寫為q 2-n2 æ 1 ö1ç÷f (q) =è 2 r øen12p×2r故此隨機相位誤差qn的方差與信號噪聲功率比r的關(guān)系為1q=2n2r所以

13、，當(dāng)大信噪比時，由窄帶高斯噪聲引起的隨機相位誤差的方差大小直接和信噪比成反比。我們常將此隨機相位誤差qn的標(biāo)準(zhǔn)偏差稱為相位抖動，并記為sj。19第13章 同步原理p 在提取載頻電路中的窄帶濾波器對于信噪比有直接的影響。對于給定的噪聲功率譜密度，窄帶濾波器的通頻帶越窄，使通過的噪聲功率越小，信噪比就越大，這樣隨機相位誤差越小。另一方面，通頻帶越窄，要求濾波器的Q值越大，則恒定相位誤差Dj越大。所以，恒定相位誤差和隨機相位誤差對于Q值的要求是的。20第13章 同步原理u 同步建立時間和保持時間p 同步建立時間：從開始接收到信號（或從系統(tǒng)失步狀態(tài)） 到提取出穩(wěn)定的載頻所需要的時間。顯然我們要求此時間

14、越短越好。在同步建立時間內(nèi)，由于相干載頻的相位還沒有調(diào)整穩(wěn)定，所以不能正確接收碼元。p 同步保持時間：從開始失去信號到失去載頻同步的時間。顯然希望此時間越長越好。長的同步保持時間有可能使 信號短暫丟失時，或接收斷續(xù)信號時，不需要重新建立同步，保持連續(xù)提供穩(wěn)定的本地載頻。21第13章 同步原理p 同步建立時間和保持時間的關(guān)系在同步電路中的低通濾波器和環(huán)路濾波器都是通頻帶很窄的電路。一個濾波器的通頻帶越窄，其惰性越大。當(dāng)在其輸入端加入一個正弦振蕩時，它輸出端振蕩的建立時間越長；當(dāng)輸入振蕩截止時，輸出端振蕩的保持時間也越長。顯然，這個特性和我們對于同步性能的要求是相左的，即建立時間短和保持時間長是互

15、相中處理。的要求。在設(shè)計同步系統(tǒng)時只能折22第13章 同步原理u 載波同步誤差對解調(diào)信號的影響p 載波同步的相位誤差：包括兩部分恒定誤差Dj和隨機誤差（相位抖動）sj ，現(xiàn)在將其寫為：e Dj sjp 相位誤差對于2PSK信號誤碼率的影響：由科斯塔斯環(huán)的輸出電壓v= 1 m(t) cos(j - q )e2可知，其中(j - q )為相位誤差，ve即解調(diào)輸出電壓，而cos(j - q )就是由于相位誤差引起的解調(diào)信號電壓下降。因此信號噪聲功率比r下降至cos2(j - q )倍。將它代入誤碼率公式，得到相位誤差為(j - q )時的誤碼率等于P = 1 erfc( r cos(j - q )e

16、2式中，r為信號噪聲功率比。23第13章 同步原理p 相位誤差對于單邊帶信號的影響設(shè)有一單頻基帶信號m(t) = cosWt它對載波coswct進行單邊帶調(diào)制后，取出上邊帶信號s(t) = 1 cos(w+ W )tc2傳輸?shù)浇邮斩?。若接收端的本地相干載波有相位誤差e，則兩者相乘后得到1 cos(w+ W )t × cos(w t + e ) = 1 cos( 2w t + Wt + e ) + cos(Wt - e )ccc24經(jīng)過低通濾波器濾出的低頻分量為1 cos( W t - e ) = 1 cos W t × cos e + 1 sin W t × si

17、n e444其中第1項是原調(diào)制基帶信號，但是受到因子cose的衰減；第2項是和第1項正交的項，它使接收信號產(chǎn)生失真。24第13章 同步原理l 13.3 碼元同步u 碼元同步目的：準(zhǔn)確的時刻對接收碼元進行，以及對接收碼元能量正確。u 碼元同步方法：從接收碼元的起止時刻產(chǎn)生一個碼元同步脈沖序列，或稱定時脈沖序列。u 碼元同步方法分類：p 外同步法：它是一種利用輔助信息同步的方法，需要在信號中另外加入包含碼元定時信息的導(dǎo)頻或數(shù)據(jù)序列。p 自同步法，它不需要輔助同步信息，直接從信息碼元中提取出碼元定時信息。顯然，這種方法要求在信息碼元序列中含元定時信息。25第13章 同步原理n 13.3.1 外同步法

18、頻率為碼元速率（1/T）u 常用的外同步法：于信號中或碼元速率的倍數(shù)的同步信號。在接收端利用一個窄帶濾波器，將其分離出來，并形成碼元定時脈沖。u 優(yōu)缺點：優(yōu)點是設(shè)備較簡單；缺點是需要占用一定的頻帶寬帶和功率。碼元同步信號的方法p 時域：Ø 連續(xù)Ø 增加“同步頭”p 頻域：Ø 在信息碼元頻譜之外占用一段頻譜用于傳輸同步信息uØ 利用信息碼元頻譜中的“空隙”處，u 外同步法目前采用不多。同步信息26第13章 同步原理n 13.3.2 自同步法u 自同步法分類：p 開環(huán)同步法：由于二進制等先驗概率的不歸零碼元序列中沒有離散的碼元速率頻譜分量，故需要在接收時對其

19、進行某種非線性變換，才能使其頻譜中含有離散的碼元速率頻譜分量，并從中提取碼元定時信息。p 閉環(huán)同步法：用比較本地時鐘周期和輸入信號碼元周期的方法，將本地時鐘鎖定在輸入信號上。27第13章 同步原理u 開環(huán)碼元同步法延遲相乘法原理方框圖pcab(a)相乘器輸入和輸出的波形：延遲相乘后碼元波形的后一p半永遠是正值；而前一半則(b)當(dāng)輸入狀態(tài)有改變時為負值。因此，變換后的碼元序列的頻譜中就產(chǎn)生了碼元速率的(c)分量。延遲時間等于碼元時間一半時，碼元速率分量最強。p28第13章 同步原理p 微分整流法原理p 同步誤差若窄帶濾波器的帶寬等于1/KT，其中K為一個常數(shù)，則提取同步的時間誤差比例為：0.33

20、Eb=> 5,K ³ 18T式中，en0KEb / n0同步誤差時間的均值；T 碼元持續(xù)時間；Eb 碼元能量；n0 單邊噪聲功率譜密度。只要接收信噪比大，上述方案能保證足夠準(zhǔn)確的碼元同步2。9第13章 同步原理u 閉環(huán)碼元同步法p 基本原理：將接收信號和本地產(chǎn)生的碼元定時信號相比較，使本地產(chǎn)生的定時信號和接收碼元波形的轉(zhuǎn)變點保持同步。這種方法類似載頻同步中的鎖相環(huán)法。p “超前/滯后門”同步器：Ø 原理方框圖|u1|u1-滯后門e=|u2|-|u1|m(t) +超前門u2|u2|30第13章 同步原理Ø 工作原理+1+1TT-1-1Dd+Dd超前門超前門滯后

21、門d2D時間(b) 超前狀態(tài)(a) 同步狀態(tài)31第13章 同步原理p 存在的問題和解決辦法在上面討論中已經(jīng)假定接收信號中的碼元波形有突跳邊沿。若它沒有突跳邊沿，則無論有無同步時間誤差，超Ø前門和滯后門的結(jié)果總是相等，這樣就沒有誤差信號去壓控振蕩器，故不能使用此法取得同步。這個問題在所有自同步法的碼元同步器中都存在，在設(shè)計時必須加以考慮。此外，由于兩個支路器的性能也不可能做得完全一樣。這樣將使本來應(yīng)該等于零的誤差值產(chǎn)生偏差；當(dāng)接收碼元序列中較長時間沒有突跳邊沿時， 此誤差值偏差持續(xù)地加在壓控振蕩器上，使振蕩頻率持 續(xù)偏移，從而會使系統(tǒng)失去同步。為了使接收碼元序列中長時間地沒有突跳邊沿，

22、可Ø以在時對基帶碼元的傳輸碼型作某種變換，例如改用HDB3碼，或用擾亂技術(shù)，使地沒有突跳邊沿。碼元序列長時間32第13章 同步原理n 13.3.3 碼元同步誤差對于誤碼率的影響在用匹配濾波器或相關(guān)器接收碼元時，其器的時間長短直接和信噪比Eb/n0有關(guān)。若區(qū)間比碼元持續(xù)時的碼元能量Eb顯然下降，而噪聲功率譜密度n0間短，則卻不受影響。在相鄰碼元有突變邊沿時，若碼元同步時間誤差為D，則時間將損失2D，得到的碼元能量將減小為Eb(1-2D/T)；在相鄰碼元沒有突變邊沿時，則時間沒有損失。對于等概率隨機碼元信號，有突變的邊沿和無突變的邊沿各占1/2。以等概率2PSK信號為例，其最佳誤碼

23、30;ö率為：1EbPe = 2 erfcç÷ønè0故在有相位誤差時的平均誤碼率為é2D öùæö1Eb1EbæPe = 4 erfcç÷ +erfcê4ç1 -÷únnèTø úû33êëèø00第13章 同步原理l 13.4 群同步n 13.4.1 概述u 群同步碼的種類：p 集中同步碼組同步碼組同步碼組適用于要求快速建立同步的地方，或間斷傳

24、輸信息并且每次傳輸時間很短的場合。34信息碼組信息碼組信息碼組信息碼組第13章 同步原理p 分散同步碼元同步碼元同步碼元同步碼元同步碼組適用于連續(xù)傳輸信息之處，例如數(shù)字系統(tǒng)中。35信息碼組信息碼組信息碼組第13章 同步原理u 同步電路的狀態(tài)：p 捕捉態(tài)：在捕捉態(tài)時，確認搜索到群同步碼的條件必須規(guī)定得很高，以防發(fā)生假同步。p 保持態(tài)：一旦確認達到同步狀態(tài)后，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入保持態(tài)。在保持態(tài)下，仍須不斷監(jiān)視同步碼的位置是否正確。但是，這時為了防止因為噪聲引起的個別錯誤導(dǎo)致認為失去同步，應(yīng)該降低同步的條件，以使系統(tǒng)穩(wěn)定工作。36第13章 同步原理n 13.4.2 集中法：又稱連貫式法。在信息碼組u 原理：采

25、用特殊的群同步碼組，集中的前頭，使得接收時能夠容易地立即捕獲它。因此，要求群同步碼的自相關(guān)特性曲線具有便容易地從接收碼元序列中識別出來。的單峰，以u 局部自相關(guān)函數(shù)定義：設(shè)有一個碼組，它包含N個碼元，則其局部自相關(guān)函數(shù)等于N - jR( j) = åxi xi+ j( j = 整數(shù)）(1£ i £ N)i=1式中，N為碼組中的碼元數(shù)目；xi = +1或 -1，當(dāng)1 £ i £ N；xi = 0，當(dāng)1 > i 和i >N。37第13章 同步原理NNR(0) = å2i= N顯然可見，當(dāng)j = 0時，i=1i=1若一個碼組的自

26、相關(guān)函數(shù)僅在R(0)處出現(xiàn)峰值，其他處的R(j)值均很小，則可以用求自相關(guān)函數(shù)的方法尋找峰值，從而發(fā)現(xiàn)此碼組并確定其位置。u 巴克碼：常用的一種群同步碼。p 定義：設(shè)一個N位的巴克碼組為x1, x2, ,xN，則其自相關(guān)函數(shù)可以用下式表示：j = 00 < j < N j ³ NìN ,N - jïR( j) = å xi xi + j = í0或± 1,ï0,i =1î上式表明，巴克碼的R(0) = N，而在其他處的自相關(guān)函數(shù)R(j)的絕對值均不大于1。這就是說，凡是滿足上式的碼組，就稱為巴克碼。38

27、第13章 同步原理p 巴克碼組列表：表中各碼組的反碼（即正負號相反的碼）和反序碼（即時間順序相反的碼）也是巴克碼。39N巴克碼12， 34， 571113第13章 同步原理p 例：N = 5的巴克碼。在j = 0至4的范圍內(nèi)，求其自相關(guān)函數(shù)值：5åj = 0R(0) =x= 1 + 1 + 1 + 1 +=2當(dāng)時，ii=14當(dāng)j = 1時，R(1) = å xi xi+1i=1= 1 + 1 - 1 - 1 = 0當(dāng)j = 2時，R(2) = 1 - 1 + 1 = 1xi xi+i=當(dāng)j = 3時，R(3) = -1 + 1 = 0xi xi+i=當(dāng)j = 4時，R(4)

28、 = 1xi xi+i=由以上計算結(jié)果可見，其自相關(guān)函數(shù)絕對值除R(0)外，均不40大于1。第13章 同步原理p 巴克碼的自相關(guān)函數(shù)值曲線R(j)·532·2·4·-4·-210-1-3·-1·1·3·j自相關(guān)函數(shù)是偶函數(shù)，所以其自相關(guān)函數(shù)值畫成曲線 如上圖所示。將j = 0時的R(j)值稱為主瓣，其他處的值稱為旁瓣。實際通信情況中，在巴克碼前后有其他碼元存在。但是，若假設(shè)信號碼元的出現(xiàn)是等概率的，則相當(dāng)于在巴克碼前后的碼元取值平均為0。所以平均而言，計算巴克碼的局部自相關(guān)函數(shù)的結(jié)果，近似地符合在實際通信

29、情況中計算全部自相41關(guān)函數(shù)的結(jié)果。第13章 同步原理u 集中法群同步碼檢測流程開始保持態(tài)Y計算R(j) = N?N捕捉態(tài)N計算R(j)³(N-2)?Y42第13章 同步原理n 13.4.3 分散法：u 原理：通常，分散法的群同步碼都很短。例如，在數(shù)系統(tǒng)中常采用“10”交替碼，即在下圖所示的同步碼元字二進制數(shù)字“1”和“0”。位置上輪流這種有規(guī)律的周期性地出現(xiàn)的“10”交替碼，在信息碼元序列中極少可能出現(xiàn)。因此在接收端有可能將同步碼的位置檢測出來。同步碼元同步碼元同步碼元同步碼元43同步碼組信息碼組信息碼組信息碼組第13章 同步原理在接收端，為了找到群同步碼的位置，需要按照其出現(xiàn)周期

30、搜索若干個周期。若在規(guī)定數(shù)目的搜索周期內(nèi)，在同步碼的位置上，都滿足“1”和“0”交替出現(xiàn)的規(guī)律，則認為該位置就是群同步碼元的位置。至于具體的搜索方法，由于計算技術(shù)的發(fā)展，目前多采用軟件的方法，不再采用硬件邏輯電路實現(xiàn)。44第13章 同步原理u 軟件搜索方法p 移位搜索法系統(tǒng)開始處于捕捉態(tài)。Ø對接收碼元逐個，若的第一個接收碼元就發(fā)現(xiàn)Ø它符合群同步碼元的要求，則暫時假定它就是群同步碼元；在等待一個周期后，再下一個預(yù)期位置上的碼元是Ø否還符合要求。若連續(xù)n個周期都符合要求，就認為捕捉到了群同步碼。若第一個接收碼元不符合要求或在n個周期內(nèi)出現(xiàn)一次被Ø的碼元不符合

31、要求，則推遲一位下一個接收碼元。直至找到符合要求的碼元并保持連續(xù)n個周期都符合為止；這時捕捉態(tài)轉(zhuǎn)為保持態(tài)。45第13章 同步原理Ø 在保持態(tài)，同步電路仍然要不斷同步碼是否正確，但是為了防止時因噪聲偶然發(fā)生一次錯誤而導(dǎo)致錯認為失去同步，一般可以規(guī)定在連續(xù)n個周期內(nèi)發(fā)生m次(m < n)錯誤才認為是失去同步。這種措施稱為同步保護。在下圖中畫出了上述方法的流程圖。46第13章 同步原理開始將同步狀態(tài)設(shè)為捕捉態(tài)將各記數(shù)器置0狀態(tài)轉(zhuǎn)換保持態(tài)同步狀態(tài)捕捉態(tài)Y是同步碼？N置0記數(shù)器C記到n？N是同步碼？Y記數(shù)器B記到m？置0YN記數(shù)器A記到n？Y47第13章 同步原理檢測法。Ø 先

32、將接收碼元序列存在計算機的RAM中，再進行檢驗。下圖畫出了一個RAM的示意圖，它按先進先出(FIFO)的原理工作：p新碼元進入檢驗是否“1”和“0”交替老碼元輸出4833x34x35x36x37x38x39x40025x26x27x28x29x30x31x32117x18x19x20x21x22x23x24009x10x11x12x13x14x15x16101x02x03x04x05x06x07x080第13章 同步原理容量為40 b，相當(dāng)于5幀信息碼元長度，圖中畫出的Ø每幀長8 b，其中包括1 b同步碼。在每個方格中，上部陰影區(qū)內(nèi)的數(shù)字是碼元的編號，下部的數(shù)字是碼元的取值“1”或“

33、0”，而“x”代表任意值。編號為“01”的碼元最先進入RAM，編號“40”的碼元為當(dāng)前進入RAM的碼元。Ø每當(dāng)進入1比特時，立即檢驗最右列位置中的碼元是Ø否符合同步序列的規(guī)律（例如，“10”交替）。按照圖示，相當(dāng)只連續(xù)檢驗了5個周期。若它們都符合同步序列的規(guī)律，則判定新進入的碼元為Ø同步碼元。若全符合，則在下1比特進入時繼續(xù)檢驗。49第13章 同步原理Ø 實際應(yīng)用的方案中，這種方案需要連續(xù)檢驗的幀數(shù)和時間可能較長。例如在單路數(shù)字系統(tǒng)中，每幀長度可能有50多比特，而檢驗幀數(shù)可能有數(shù)十幀。這種方法也需要加用同步保護措施。它的原理與第似。法中的類50第13章

34、同步原理n 13.4.4 群同步性能u 主要性能指標(biāo)：p 假同步概率Pf ：當(dāng)捕捉時同步系統(tǒng)將錯誤的同步位置當(dāng)作正確的同步位置捕捉到。產(chǎn)生假同步的主要于噪聲的影響使信息碼元錯成同步碼元。是由p 漏同步概率Pl：同步系統(tǒng)將正確的同步位置漏過而沒有捕捉到。漏同步的主要步碼元變成錯誤的碼元。是噪聲的影響，使正確的同51第13章 同步原理u 計算漏同步概率：設(shè)接收碼元錯誤概率為p，需檢驗的同步碼元數(shù)為n，檢驗時容許錯誤的最大碼元數(shù)為m，則未漏判定為同步碼的概率等于måC pr (1- p)n-rP =runr =0式中，Cn 為n中取r的組合數(shù)。r所以，漏同步概率等于måC pr

35、(1- p)n-rP = 1-rlnr =0有錯誤時，即設(shè)定m = 0時，則上式變?yōu)楫?dāng)不P = 1 - (1 - p ) nl上式就是不有錯同步碼時漏同步的概率。52第13章 同步原理u 計算假同步概率假設(shè)信息碼元是等概率的，即其中“1”和“0”的先驗概率相等；并且假設(shè)假同步完全是由于某個信息碼組被誤認為 是同步碼組造成的。同步碼組長度為n，所以n位的信息 碼組有2n種排列。它被錯當(dāng)成同步碼組的概率和容許錯誤碼元數(shù)m有關(guān)。若不容許有錯碼，即m = 0，則只有一種可能，即信息碼組中的每個碼元恰好都和同步碼元相同。若m = 1，則有Cn 種可能將信息碼組誤認為是同步碼組。1因此假同步的總概率為m&

36、#229;r nCPf= r =02n式中，分母2n是全部可能出現(xiàn)的信息碼組數(shù)。53第13章 同步原理u 比較p 比較漏同步和假同步公式可見，當(dāng)判定條件放寬時，即m 增大時，漏同步概率減小，但假同步概率增大。設(shè)計時需折中考慮。u 平均建立時間：從開始捕捉轉(zhuǎn)變到保持態(tài)所需的時間。p現(xiàn)以集中法為例進行計算。p假設(shè)漏同步和假同步都不發(fā)生，則由于在一個群同步周期內(nèi)一定會有一次同步碼組出現(xiàn)。所以按照上流程圖捕捉同步碼組時，最長需要等待一個周期的時間，最短則不需等待，立即捕到。平均而言，需要等待半個周期的時間。設(shè) N為每群的碼元數(shù)目，其中群同步碼元數(shù)目為n，T為碼元持續(xù)時間，則一群的時間為NT，它就是捕捉

37、到同步碼組需要的最長時間；而平均捕捉時間為NT / 2。若考慮到出現(xiàn) 一次漏同步或假同步大約需要多用NT的時間才能捕獲到同步碼組，故這時的群同步平均建立時間約為54te » NT(1/2 + Pf + Pl)第13章 同步原理n 13.4.5 起止式同步u 起止式同步法用途：它主要適用于電傳打字機中。u 電傳打字機中起止式同步法原理：p 一個字符由5個二進制碼元組成，每個碼元的長度相等p 鍵盤輸入的每個字符之間的時間間隔不等。p 在無字符輸入時，電傳打字機的輸出電壓一直處于高電平狀態(tài)。p 在輸入一個字符時，于5個信息碼元之前加入一個低電平的“起脈沖”，其寬度為一個碼元的寬度T，如下圖

38、所示止起止T1.5T55第13章 同步原理為了保持字符間的間隔，又規(guī)定在“起脈沖”前的高電平寬度至少為1.5T，并稱它為“止脈沖”。所以通常將起止式同步的一個字符的長度定義為7.5T。在手工操作輸入字符時，“止脈沖”的長度是隨機的， 但是至少為1.5T。由于每個字符的長度很短，所以本地時鐘不需要很精確就能在這5個碼元的周期內(nèi)保持足夠的準(zhǔn)確。起止式同步的碼組中，字符的數(shù)目不必須是5個，例如也可能采用7位的ASCII碼。起止式同步有時也稱為異步式通信，因為在其輸出碼元序列中碼元的間隔不等。pppppp56第13章 同步原理n 13.4.6 自群同步u 唯一可譯碼p 假設(shè)現(xiàn)共有4種天氣狀態(tài)需要傳輸，

39、將其用二進制編碼表示，如下表所示：p 當(dāng)接收端收到的數(shù)字序列為“1110110110¼”時，它將唯一地可以譯為“雨晴陰陰¼”。p 保證唯一可譯的充分條件是在編碼中任何一個碼字都不能是其他碼字的前綴。p 滿足這個條件的編碼又稱為瞬時可譯碼。57晴云陰雨0101110111第13章 同步原理u 瞬時可譯碼p 其碼字的邊界可以由當(dāng)前碼字的末尾確定，而不必等待下一個碼字的開頭。p 例如，下表中的編碼是唯一可譯碼，但是不是瞬時可譯碼：p 例如，在收到“10”后，必須等待下一個符號是“0”還是“1”，才能確定譯為“雨”還是“陰”。在這種編碼中，“晴(1)”是“陰(10)”的詞頭，并且“

40、陰(10)”是“雨(100)”的詞頭。58晴陰雨110100第13章 同步原理u 唯一可譯碼的唯一可譯性是有條件的，即必須正確接收到開頭的第一個或前幾個碼元。p 例如，在下表的例子中序列是“1110110110¼”時，若接收時丟失了第一個當(dāng)符號，則接收序列將變成“110110110¼”。這樣它將被譯為“陰陰陰¼”。p 從這個例子可以看出，為了能正確接收丟失開頭碼元的信息序列，要求該編碼不僅應(yīng)該是唯一可譯的，而且是可同步的。59晴云陰雨0101110111第13章 同步原理u 可同步編碼由其的序列在接收時若丟失了開頭的一個或幾個碼元，p則將變成是不可譯的或是經(jīng)過對開

41、頭幾個碼元錯譯后，能夠自動獲得正確同步及正確譯碼。例如，按照下表編碼天氣狀態(tài)：p的天氣狀態(tài)是“云雨陰晴¼”時，當(dāng)碼元序列為p“100110110101¼”。若第一個碼元丟失，則收到的序列將為“00110110101¼”。由于前兩個碼元為“00”，它無法譯 出，故得知同步有誤，譯碼器將從第二個碼元開始譯碼， 即對“0110110101¼”譯碼，并譯為“晴陰陰晴¼”?？梢钥闯?，這時前兩個碼字錯譯了，但是從第3個碼字開始已自動恢復(fù)正確的同步。若前兩個碼元都丟失了，則收到的序列將是“01101101¼”。這時也是從第3個碼字開始恢復(fù)正60確的

42、同步。晴云陰雨011001011101第13章 同步原理u 無逗號碼：p 可同步碼中的一種碼組長度均相等的碼。p 例如，在下表中給出了一種三進制的碼長等于3的無逗號碼：p 可以驗證，這8個碼字中任何兩個碼字的拼合所形成的碼長等于3的碼字都和這8個碼字不同。例如“AB”的編碼為“100101”，從其中拼合出的3位碼字有“001”、“010”，它們都不是表中的碼字。所以這種編碼能夠自動正確地區(qū)分每個接收碼字。p 目前無逗號碼尚無一般的構(gòu)造方法。61ABCDFGHI100101102200201202211212第13章 同步原理n 13.4.7 擴譜通信系統(tǒng)的同步u 在擴譜通信系統(tǒng)中，接收端使本地

43、偽隨機碼和收到的偽隨機碼同步的方法分為兩步：p 第一步是捕獲，即達到兩者粗略同步，相位誤差小于一個碼元。p 第二步是跟蹤，即將相位誤差減少到最小，并保持下去。62第13章 同步原理u 捕獲：捕獲有不同的方法。下面以直接序列擴譜系統(tǒng)為例介紹幾種方法。p 串行搜索法Ø 原理方框圖混頻接收信號信碼輸出63第13章 同步原理工作過程初始狀態(tài)：沒有捕獲到偽碼時，接收高頻擴譜信號在混頻器中和擴譜的本地振蕩電壓相乘，得出類似噪聲狀的寬帶的中頻信號，它通過窄帶中頻放大器和解調(diào)器后，Ø電壓很小。因此，搜索器的輸入電壓很小，它偽碼產(chǎn)生器，使其產(chǎn)生的偽碼的相位不斷地移動半個碼片。當(dāng)偽碼產(chǎn)生器產(chǎn)生

44、的偽碼相位和接收信號的偽碼相位相差不到一個碼片時，混頻器輸出一個窄帶中頻信號，它經(jīng)過中放和解調(diào)后，送給搜索器一個大的電壓，它使偽碼產(chǎn)生器停止相位調(diào)整。于是系統(tǒng)捕獲到偽碼相位，并進入跟蹤狀態(tài)。優(yōu)缺點：上述串行搜索法的電路和運算較簡單，但是當(dāng)偽碼的長度很長時，需要搜索的時間也隨之增長。Ø64第13章 同步原理p 并行搜索法Ø 工作原理：在并行搜索法中，將相位相隔半個碼片時間Tc/2的偽碼序列同時在許多并行支路中和接收信號作相關(guān)運算。然后在比較器中比較各路的電壓大小。選擇電壓 最大的一路作為捕捉到的偽碼相位。Ø 原理方框圖：Ø 缺點: 當(dāng)N很大時，電本地偽碼M

45、(t)路和運算相當(dāng)復(fù)雜。輸出接收信號本地偽碼M(t-Tc/2)c/2)本地偽碼M(65第13章 同步原理p 前置同步碼法Ø 在上面介紹的擴譜碼同步方案中，當(dāng)偽碼的長度很長時， 搜索時間也因之很長。為了縮短搜索時間，可以前置一 個較短的同步碼組，以縮短搜索時間。Ø 同步碼組縮短后，搜索時間雖然短了，但是錯誤捕獲的概率會增大。Ø 典型的前置同步碼組的長度在幾百至幾千碼元，決定于系統(tǒng)的要求。66第13章 同步原理u 跟蹤p 延遲鎖定跟蹤環(huán)Ø 原理方框圖接收信號·信碼輸出早相關(guān)·遲相關(guān)·Vcp(t + Tc/2)p(t - Tc/2

46、)偽碼產(chǎn)生器67an-1an-2×××a1a0第13章 同步原理Ø 工作原理：圖中的偽碼產(chǎn)生器將兩個相差1碼片時間(Tc)的本地偽碼輸出到兩個相關(guān)器，分別和接收信號作相關(guān)運算。送到早相關(guān)器的偽碼是p(t + Tc/2)，送到遲相關(guān)器的偽碼是p(t - Tc/2)，而送入兩相關(guān)器的接收信號則是s(t) = Ag(t) p(t + t ) cos(wct + q )式中 A 接收信號振幅；g(t) ±1 基帶數(shù)字信號；p(t + t) 偽碼； wc 載波角頻率；q 載波相位。接收信號和兩個本地偽碼相乘后，經(jīng)過包絡(luò)檢波。檢波器輸出為：E| Ag(t)

47、p(t +t)×p(t ± Tc/2) |，其中E·表示求平均值。68第13章 同步原理忽略常數(shù)因子A，并且考慮到| g(t)| = 1，則上式就是接收偽碼和本地偽碼的相關(guān)函數(shù)的絕對值：遲相關(guān)器支路：|R(t + Tc/2)| = E| p(t +t)×p(t - Tc/2) |早相關(guān)器支路：|R(t - Tc/2)| = E| p(t +t)×p(t + Tc/2) |由于接收偽碼和本地偽碼的結(jié)構(gòu)相同，只是相位不同，所以上式中求的相關(guān)函數(shù)是自相關(guān)函數(shù)。這就是說，包絡(luò)檢波器的輸出就是偽碼的自相關(guān)函數(shù)的絕對值。這兩個值在加法器中相減，得到的輸出電

48、壓經(jīng)過環(huán)路濾波后送給壓控振蕩器作為電壓Vc，其振蕩頻率。69第13章 同步原理電壓Vc的特性：電壓是兩個自相關(guān)函數(shù)的絕對值之差，它在下圖中用Ø此粗實線畫出。Vc|R(t - Tc/2)|Tc/2 t0R(t +Tc/2) -R(t - Tc/2)-|R(t +Tc/2)|在理想跟蹤狀態(tài)下，t = 0。此時，在電壓特性曲線上應(yīng)該工作在原點上。若t > 0，即接收偽碼相位超前，則電壓Vc為正值，使壓控振蕩器的振蕩頻率上升；若t < 0，即接電壓Vc為負值，使壓控振蕩器的振收偽碼相位滯后，則蕩頻率下降。這樣就使跟蹤環(huán)路鎖定在接收偽碼的相位上。70第13章 同步原理接收信號的解擴：在原理方框圖中還示出，為了對接收信號解擴，用早相 關(guān)器的本