第6章-數(shù)據(jù)信號的同步.ppt課件

1、第6章 數(shù)據(jù)信號的同步 數(shù)據(jù)信號的同步數(shù)據(jù)信號的同步是指在數(shù)據(jù)信號系統(tǒng)收發(fā)兩端的信號間建立起時間上確定的關(guān)系。本章將對數(shù)據(jù)信號中同步的基本概念，基本原理以及技術(shù)進(jìn)行討論，使讀者對位同步,群同步和網(wǎng)同步的原理與技術(shù)有基本的了解。6.1 概述概述 6.1 同步的概念同步的概念 在信息交互的通信中,各種數(shù)據(jù)信號的處 理和傳輸都是在規(guī)定的時隙內(nèi)進(jìn)行的.為 了使整個數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)有序,準(zhǔn)確,可靠地工作,收,發(fā)雙方必須要有一個統(tǒng)一的時間標(biāo)準(zhǔn).這個時間標(biāo)準(zhǔn)就是靠定時系統(tǒng)去完成收,發(fā)雙方時間的一致性,即同步同步. 同步同步是實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)年P(guān)鍵.同步性能的好壞將直接影響通信質(zhì)量的好壞,甚至?xí)绊懲ㄐ拍芊裾＿M(jìn)行.

2、因此,在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中,為了保證信息的可靠處理和傳輸,要求同步系統(tǒng)應(yīng)該有更高的可靠性. 6.1.2 不同功用的同步不同功用的同步 按照同步的功用來區(qū)分:通信中有載波通信,位同步,群同步和網(wǎng)同步等4種. 1載波同步載波同步 在頻帶傳輸系統(tǒng)中,接收方若采用相干解調(diào)的方法,從接受的一條信號中恢復(fù)原發(fā)送信號,則需獲取與發(fā)送法同頻同向的載波,這個過程為載波同步.可以說,載波同步是現(xiàn)實(shí)相干解調(diào)的先決條件 .2 位同步位同步 位同步又稱比特同步,碼元同步等.在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)信號最基本單元是位,或碼元,他們通常均具有同向的持續(xù)時間.發(fā)送端發(fā)送的一定數(shù)率的數(shù)據(jù)信號,經(jīng)信道傳輸?shù)竭_(dá)接收端后,必然是混有噪聲和

3、干擾的失真了的波形,為了從該勃興中恢復(fù)出原始的數(shù)據(jù)信號,就必須對他進(jìn)行取樣判決 。 因此要在接受段產(chǎn)生一個”碼元定時脈沖序列”其頻率和相位要與接受碼元一致我們把接受端產(chǎn)生與接受碼元的重復(fù)頻率和相位一致的定時脈沖序列的過程稱為位同步,定時脈沖序列被稱為位同步脈沖。 3. 群同步群同步 群同步又稱為楨同步,在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中,為了有效地傳輸數(shù)據(jù)報文,通常還要對傳輸碼元序列按一定長度進(jìn)行分住,分楨或打信息包.這樣,接受段要準(zhǔn)確地恢復(fù)這些數(shù)據(jù)報文,就需要知道這些住,楨,包的起止時刻,接收端獲得這些定時序列成為群同步。 4. 網(wǎng)同步網(wǎng)同步 在數(shù)據(jù)通信網(wǎng)中,傳送,和交換的時一定傳輸輸率的比特流,著就需要網(wǎng)內(nèi)

4、各種設(shè)備具有相同頻率,以相同的時標(biāo)來處理比特流.這就是網(wǎng)同步的概念,所謂網(wǎng)同步就是網(wǎng)中各設(shè)備的時鐘同步. 本章中,我們主要介紹位同步,群同步和網(wǎng)同步。6.2 位同步位同步 由前面討論可知 ,位同步需要在接受端產(chǎn)生一個碼元定時脈沖序列,這個碼元定時序列的重復(fù)頻率和相位(位置)要與接受碼元一致.具體來說,對位同步信號的要求有兩點(diǎn): （1） 碼元的重復(fù)頻率要求與發(fā)送端碼元速率相同； （2） 碼元的相位要求對準(zhǔn)最佳接收時刻，也即最佳抽樣判決時刻。 位同步的方法有插入導(dǎo)頻法（外同步法）和自同步法，還可以用專門傳遞時鐘的信道傳輸同步信號。 6.2.1 插入導(dǎo)頻法插入導(dǎo)頻法 如果信道中傳輸?shù)氖遣粴w零碼 ，則

5、在信號的頻譜中是不含有離散定時頻率分量或其諧波的，也就無法直接從信號中提取位定時信號。解決的辦法之一是插入導(dǎo)頻法。 插入導(dǎo)頻法的基本思想是在被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號頻譜中插入位同步導(dǎo)頻，接收端將其提取出來作為收端的定時信號。 例如雙極性碼的功率譜密度如圖6-1（a）所示。此時可以在f b（碼元的重復(fù)頻率）處插入定時導(dǎo)頻。如果信號經(jīng)過相關(guān)編碼，其頻率的第一個零點(diǎn)在fb/2處，插入導(dǎo)頻也應(yīng)在fb/2處，如圖6-1（b）所示。F(w)F（w)（a)（b)圖6-1 插入導(dǎo)頻的功率譜密度0WW0圖6-2為位定時導(dǎo)頻接收方框圖。從這個方框圖中可以直接提取圖6-1（a）所示頻譜中的位同步信號。對于圖6-1（b）所示

6、頻譜，接收端提取出插入導(dǎo)頻fb/2后，再進(jìn)行二倍頻即得位同步信號。相相 加加 器器抽抽 樣樣 判判 決決 輸輸入入基基帶帶信信號號窄窄波波濾濾波波器器倒倒 相相移移 相相定定時時形形成成 基基帶帶信信號號 圖圖6 6- -2 2 位位定定時時導(dǎo)導(dǎo)頻頻接接收收方方框框圖圖 為了避免導(dǎo)頻對信號判決的影響，要求導(dǎo)頻插入法的輸入端對導(dǎo)頻相位的安排有如下關(guān)系；當(dāng)信號為正，負(fù)最大值（即取樣判決時刻）時，導(dǎo)頻正好為零點(diǎn)，輸出端提取位定時信號時，通過圖6-2中的倒相和相加器消除導(dǎo)頻對信號判決的影響。 在一些數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，也常采用時域插入位同步的方法來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)地位同步。位同步信號和數(shù)據(jù)信號分別被配置在不同的時

7、間內(nèi)傳送。接收端用鎖相環(huán)路提取定時信號并保持它，就可以對隨即而來的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行處理。 6.2.2 直接法直接法 直接法是發(fā)送端不用專門發(fā)送同步導(dǎo)頻信號，接收端直接從接收到的數(shù)據(jù)信號中提取位同步信號的同步法。它有濾波法和數(shù)字鎖相環(huán)法。 1. 濾波法濾波法 如果傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號頻譜中含有離散定時頻譜分量或其諧波，就可直接通過窄帶濾波器提取。如果信號中無定時頻率分量或其諧波，除用插入導(dǎo)頻法提取窄波外，還可對這類信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆蔷€性變形，使其出現(xiàn)離散位同步分量，然后用窄波濾波器或鎖相環(huán)提取，得到位同步信號。 ( 1 ) 微分整流法 一般歸零碼中含有離散定時頻率分量或 其諧波，因此微分整流法的目的是要把

8、不歸零碼通過非線性交換為歸零碼，在通過窄波濾波器或鎖相環(huán)提取同步信息。 圖6-3時微分整流法的同步提取方框圖及波形圖。當(dāng)二進(jìn)制不歸零碼的脈沖序號通過微分和全波整后，就可得到頂尖脈沖的歸零碼序號，然后勁濾波，移項(xiàng)和脈沖形成電路，濾波干擾，提取純凈穩(wěn)定的位同步分量并形成位同步脈沖。（2） 包絡(luò)檢波法 包絡(luò)檢波法的目的是把已調(diào)信號（如PSK信號）經(jīng)非線性交換后，變成歸零碼，從而提取位同步信號。圖6-4是包絡(luò)檢波法的同步提取方框圖及波形圖。頻帶受限的PSK信號如圖6-4（b）的第一波形所示。頻帶受限，在相鄰碼元的相位交換點(diǎn)附近會產(chǎn)生幅度的平滑”陷落“。經(jīng)包絡(luò)檢波后，可得圖6-4（b）第二波形。如果用一

9、直留與這第二個波形相減就得到圖6-4（b）的第四個波形，它是個歸零碼，含有位同步信號，經(jīng)濾波，脈沖形成后得到位同步脈沖序列。（3）延遲相干法）延遲相干法 延遲相干法的目的是經(jīng)延遲工的兩路PSK相乘后，通過基帶提取得到歸零碼，從而獲得位同步脈沖序號。圖6-5是延遲相干法的原理方框圖和波形圖。其中要求Tb(Tb=1/fb ).。2 數(shù)字鎖相法數(shù)字鎖相法數(shù)字鎖相法提取位同步信號的基本思想是在接收端產(chǎn)生一個頻率，再用接收到的碼元對他進(jìn)行校準(zhǔn)，最后得出位同步位號。 數(shù)字鎖相法原理方框圖如圖6-6所示。信號時鐘一般由晶振產(chǎn)生，它產(chǎn)生nfb頻率。鑒相器起到一個位同步相位比較的作用，加入鑒相器的兩路信號分別來

10、自于n分頻器和輸入數(shù)字信號,輸入數(shù)字信號是經(jīng)類似圖6-3所示波形圖加以說明。 每當(dāng)控制器輸出n個脈沖時 ，分頻器就輸出一個脈沖加到鑒相器并作為位同步信號輸出。如果位同步相位與輸入數(shù)字信號的相位在誤差范圍內(nèi)，就認(rèn)為此時分頻器輸出的就是位同步信號；如果鑒相器相位比較結(jié)果是分頻器輸出序列相位滯后輸入數(shù)字信號相位，則控制電路會在信號時鐘輸出脈沖序列之間加入一個脈沖，是通過n分頻后輸出前移； 若鑒相器比較結(jié)果是超前，則控制電路會把信號時鐘脈沖減去一個，是n分頻輸出后移。前移或后移的調(diào)整可能要進(jìn)行多次，直到鑒相器輸出在相位誤差范圍內(nèi)。圖6-6中的數(shù)字濾波器的作用是慮出噪聲對環(huán)路工作的影響，提高環(huán)路的抗干擾

11、能力，是相位校正的準(zhǔn)確性更高。 6.2.3 位同步的性能指標(biāo)位同步的性能指標(biāo)為同步信號的性能指標(biāo)有相位誤差，同步建立時間，同步保持時間和同步帶寬。對位同步信號的要求是相位誤差盡量小，同步建立時間盡量短，同步保持時間盡量長和同步帶寬滿足一定范圍。 6.3 群同步群同步 6.3.1 群同步的楨格式群同步的楨格式 位同步是對接收信號碼元到達(dá)時刻進(jìn)行估計的問題，是群同步和網(wǎng)同步的基礎(chǔ)。群同步是對接收的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行正確的分組，也即要知道一群（或一楨，一組）信號頭尾位置。他一般是通過數(shù)據(jù)格式的特殊設(shè)計來完成的。前面提到的同步傳輸方式和異步傳輸方式都是群同步。 在采用同步通信方式的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，群同步是采

12、用插入一些特殊字符或比特組合來區(qū)分一群數(shù)據(jù)信號的，其主要方法有利用規(guī)定的字符建立群同步和利用規(guī)定的比特組合建立群同步。利用規(guī)定的字符建立群同步與第一章所講同步傳輸方式相同。利用規(guī)定的比特組合建立群同步的群結(jié)構(gòu)與HDLC的楨結(jié)構(gòu)相同，一個特殊的比特組合標(biāo)志著一個群的開始和結(jié)束，數(shù)據(jù)字段長度不定，通常是8比特的整數(shù)倍。在HDLC中標(biāo)志序列為01111110。 6.3.2 群同步的工作過程群同步的工作過程 群同步的工作過程包括同步建立和同步保持，同步建立又稱同步搜捕。傳統(tǒng)的 同步搜捕方法有逐位調(diào)整法和預(yù)置啟動法。逐步調(diào)整法的工作過程如下: (1) 接收短的本地楨狀態(tài)停頓一個節(jié)拍，是本地楨相對接收楨遲

13、一步。 (2) 檢查本地楨相對接收楨狀態(tài)相位關(guān)系。若相位關(guān)系被確認(rèn)，搜捕結(jié)束，進(jìn)入同步保持狀態(tài)，如相位關(guān)系不符合要求，再重復(fù)（1）。如此重復(fù)，直到達(dá)到同步狀態(tài)為止。 預(yù)量啟動法的工作過程如下： (1)在失步狀態(tài)下，楨位定時信號識別器監(jiān)視接收信號，如果識別出接收信號中有楨定時信號碼型，立即輸出一個楨標(biāo)志脈沖區(qū)啟動產(chǎn)生本地楨結(jié)構(gòu)。 （2）隨后在一個確定檢驗(yàn)周期內(nèi)，檢查本地楨狀態(tài)與接收楨狀態(tài)相位關(guān)系。若相位符合要求，結(jié)束搜捕，進(jìn)入保持狀態(tài)；若不符合相位關(guān)系的要求，重復(fù)上一步。如此重復(fù)，直到同步狀態(tài)為止。 逐位調(diào)整法與預(yù)置啟動法比較，前者適合于誤碼較嚴(yán)重的場合，此時平均搜捕時間短，后者適合于誤碼不太嚴(yán)

14、重的場合，相對的平均搜捕時間要比前者短。 6 .3.3 群同步的性能指標(biāo)群同步的性能指標(biāo)群同步的性能指標(biāo)有漏同步概率P1，假同步概率P2合群同步品均建立時間ts.。假同步是指在數(shù)據(jù)信號中，可能出現(xiàn)與要識別的楨定時碼型相同的碼組，而被誤認(rèn)為同步的現(xiàn)象。.漏同步是指由于干擾影響而使楨定時碼型組中一些碼元發(fā)生錯誤，而使漏識別楨同步的現(xiàn)象。在群同步系統(tǒng)中，要求p1和p2 應(yīng)盡量小些，平均建立時間ts短些。 6.3.4 群同步系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計群同步系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計 為減小p1和p2 ，群同步應(yīng)設(shè)計具有干擾的群同步狀態(tài)保護(hù)電路。 群同步保護(hù)電路工作時分為兩個狀態(tài)；同步建立和同步保持。在同步建立過程中，p2

15、較大，此時保護(hù)電路需連續(xù)接收到規(guī)定次數(shù)接收楨定時碼組與本地群碼一致，才認(rèn)為同步建立。同步建立后，轉(zhuǎn)入同步保持狀態(tài)，為防止漏同步，只有當(dāng)保護(hù)電路連續(xù)接收不到規(guī)定次數(shù)的楨定時碼組時。才認(rèn)為失步，轉(zhuǎn)入同步建立狀態(tài)。這樣使得p1.p2減小，提高了同步的可靠性，增加了區(qū)同步系統(tǒng)的抗干擾能力。 6.4 網(wǎng)同步網(wǎng)同步 對數(shù)字，數(shù)據(jù)通信網(wǎng)來說，要保證個節(jié)點(diǎn)之間可靠地通信，必須在網(wǎng)內(nèi)建立一個統(tǒng)一的時間標(biāo)準(zhǔn)，稱為網(wǎng)同步。或者說網(wǎng)同步的任務(wù)是保證通信網(wǎng)中各個站都有共同的時鐘信號。 網(wǎng)同步的方法主要有兩大類；全網(wǎng)同步系統(tǒng)和準(zhǔn)同步系統(tǒng)。全網(wǎng)同步系統(tǒng)是使網(wǎng)內(nèi)各站的時鐘頻率和相位都相同，即在網(wǎng)內(nèi)各站的時鐘彼此同步。實(shí)現(xiàn)這類

16、網(wǎng)同步的方法有主從同步伐和相互同步法；準(zhǔn)同步系統(tǒng)又稱獨(dú)立時鐘法，它是在各站均采用相互獨(dú)立的高穩(wěn)定性時鐘，只要網(wǎng)中各數(shù)據(jù)之路比特流數(shù)率的偏差在一定的容許范圍內(nèi)，就可以用交接設(shè)備來調(diào)整個支路數(shù)據(jù)流的數(shù)率，是它們變?yōu)橄嗷ネ降臄?shù)據(jù)流。實(shí)現(xiàn)這類網(wǎng)同步的主要方法有碼速調(diào)整法和水庫法 6.4.1 全網(wǎng)同步系統(tǒng)全網(wǎng)同步系統(tǒng) 全網(wǎng)同步法是通過頻率控制系統(tǒng)去控制個交換站的時鐘而使 他們達(dá)到同步的。同步的各站在頻率和相位上都有保持一致。 1. 主從同步法主從同步法 主從同步法是在通信網(wǎng)內(nèi)建立一個主站，裝備有高穩(wěn)定度的時鐘，產(chǎn)生網(wǎng)內(nèi)的主基準(zhǔn)時鐘頻率，再將改頻率逐戰(zhàn)傳送至網(wǎng)內(nèi)的各個站。M S1 S5 S3 S4 S2

17、S6主從同步網(wǎng)主要有產(chǎn)生主機(jī)時鐘的主站M，傳 送 同 步 信 號 的 鏈 路 及 從 站Si(I=1.2.36)組成，如圖6-8所示。各站的時鐘頻率都直接或間接地來自主基準(zhǔn)時鐘源，所以網(wǎng)內(nèi)的時鐘頻率相同。各從站的時鐘頻率通過各自的時鐘調(diào)整電路來與主站的時鐘頻率一致。各從站還設(shè)有為補(bǔ)償主基準(zhǔn)時鐘傳輸時延的時延調(diào)整電路，這樣各站的頻率相位可以始終保持一致。 還有一種主從同步方式，稱作等級主從同步方式，如圖6-9所示。如圖6 8不同的是全網(wǎng)所有的交換站都按等級分類，其時鐘都按照其所處的地位水平分配一個等級。AB圖6-9 等級主從結(jié)構(gòu)時鐘主從同步方式的優(yōu)點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)，設(shè)備簡單。但對于圖6-8來說，只要

18、主站主基準(zhǔn)時鐘頻率源發(fā)生故障，全網(wǎng)格從站逐漸失去同步而無法工作，同樣，當(dāng)某一中間站發(fā)生故障，其后面的占也將無法工作。而如圖6-9所示的等級主從方式可以部分地改善這種情況，當(dāng)主站的時鐘源發(fā)生故障時，可由副時鐘源代替，通過圖6-9種虛線所示通過供給時鐘，但電路較復(fù)雜些。 6.2.3 位同步的性能指標(biāo)位同步的性能指標(biāo)為同步信號的性能指標(biāo)有相位誤差，同步建立時間，同步保持時間和同步帶寬。對位同步信號的要求是相位誤差盡量小，同步建立時間盡量短，同步保持時間盡量長和同步帶寬滿足一定范圍。 6.3 群同步群同步 6.3.1 群同步的楨格式群同步的楨格式 位同步是對接收信號碼元到達(dá)時刻進(jìn)行估計的問題，是群同步

19、和網(wǎng)同步的基礎(chǔ)。群同步是對接收的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行正確的分組，也即要知道一群（或一楨，一組）信號頭尾位置。他一般是通過數(shù)據(jù)格式的特殊設(shè)計來完成的。前面提到的同步傳輸方式和異步傳輸方式都是群同步。 在采用同步通信方式的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，群同步是采用插入一些特殊字符或比特組合來區(qū)分一群數(shù)據(jù)信號的，其主要方法有利用規(guī)定的字符建立群同步和利用規(guī)定的比特組合建立群同步。利用規(guī)定的字符建立群同步與第一章所講同步傳輸方式相同。利用規(guī)定的比特組合建立群同步的群結(jié)構(gòu)與HDLC的楨結(jié)構(gòu)相同，一個特殊的比特組合標(biāo)志著一個群的開始和結(jié)束，數(shù)據(jù)字段長度不定，通常是8比特的整數(shù)倍。在HDLC中標(biāo)志序列為01111110。 6.3

20、.2 群同步的工作過程群同步的工作過程 群同步的工作過程包括同步建立和同步保持，同步建立又稱同步搜捕。傳統(tǒng)的 同步搜捕方法有逐位調(diào)整法和預(yù)置啟動法。逐步調(diào)整法的工作過程如下: (1) 接收短的本地楨狀態(tài)停頓一個節(jié)拍，是本地楨相對接收楨遲一步。 (2) 檢查本地楨相對接收楨狀態(tài)相位關(guān)系。若相位關(guān)系被確認(rèn)，搜捕結(jié)束，進(jìn)入同步保持狀態(tài)，如相位關(guān)系不符合要求，再重復(fù)（1）。如此重復(fù)，直到達(dá)到同步狀態(tài)為止。 預(yù)量啟動法的工作過程如下： (1)在失步狀態(tài)下，楨位定時信號識別器監(jiān)視接收信號，如果識別出接收信號中有楨定時信號碼型，立即輸出一個楨標(biāo)志脈沖區(qū)啟動產(chǎn)生本地楨結(jié)構(gòu)。 （2）隨后在一個確定檢驗(yàn)周期內(nèi)，檢

21、查本地楨狀態(tài)與接收楨狀態(tài)相位關(guān)系。若相位符合要求，結(jié)束搜捕，進(jìn)入保持狀態(tài)；若不符合相位關(guān)系的要求，重復(fù)上一步。如此重復(fù)，直到同步狀態(tài)為止。 逐位調(diào)整法與預(yù)置啟動法比較，前者適合于誤碼較嚴(yán)重的場合，此時平均搜捕時間短，后者適合于誤碼不太嚴(yán)重的場合，相對的平均搜捕時間要比前者短。 6 .3.3 群同步的性能指標(biāo)群同步的性能指標(biāo)群同步的性能指標(biāo)有漏同步概率P1，假同步概率P2合群同步品均建立時間ts.。假同步是指在數(shù)據(jù)信號中，可能出現(xiàn)與要識別的楨定時碼型相同的碼組，而被誤認(rèn)為同步的現(xiàn)象。.漏同步是指由于干擾影響而使楨定時碼型組中一些碼元發(fā)生錯誤，而使漏識別楨同步的現(xiàn)象。在群同步系統(tǒng)中，要求p1和p2 應(yīng)盡量小些，平均建立時間ts短些。 6.3.4 群同步系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計群同步系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計 為減小p1和p2 ，群同步應(yīng)設(shè)計具有干擾的群同步狀態(tài)保護(hù)電路。 群同步保護(hù)電路工作時分為兩個狀態(tài)；同步建立和同步保持。在同步建立過程中，p2較大，此時保護(hù)電路需連續(xù)接收到規(guī)定次數(shù)接收楨定時碼組與本地群碼一致，才認(rèn)為同步建立。同步建立后，轉(zhuǎn)入同步保持狀態(tài)，為防止漏同步，只有當(dāng)保護(hù)電路連續(xù)接收不到規(guī)定次數(shù)的楨定時碼組時。才認(rèn)為失步，轉(zhuǎn)入同步建立狀態(tài)。這樣使得p1.p2減小，提高了同步的可靠性，增加了區(qū)同步系統(tǒng)的抗干擾能力