通信原理同步

1、1聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)通信教研組張偉明理 工 大 學(xué) 通 信 工 程 學(xué) 院理 工 大 學(xué) 通 信 工 程 學(xué) 院2數(shù)字通信系統(tǒng)框圖同步電路3第第十十章章 同步原理同步原理8.1 引言8.2 載波同步8.3 位同步8.4 群同步 48.1 引言n同步的作用帶通濾波器低通濾波器取樣判決器tfc2cos位定時(shí)bcdfg)()(2tntsPSK圖8.4.6 2PSK信號(hào)的相干解調(diào)器e使通信雙方協(xié)調(diào)一致地工作使通信雙方協(xié)調(diào)一致地工作! ! dtbT058.1 引言（續(xù)1）n同步的分類按功能分:1.載波同步(相干解調(diào)，同頻同相)2.位同步(接收判決時(shí)刻)3.群同步(幀的開始)按實(shí)現(xiàn)方法分：1.插入同步法、外同步法(

2、發(fā)送額外的同步信息)2.直接同步法、自同步法(從信息中直接提取同步信號(hào))68.2 載波同步n載波同步：從接收信號(hào)中提取與接收信號(hào)中調(diào) 制載波同頻同相的相干載波的過(guò)程。載波同步是相干解調(diào)的基礎(chǔ)。只要進(jìn)行相干解調(diào)，模擬通信和數(shù)字通信都需要載波同步。同步載波從接收的頻帶信號(hào)中提取。載波同步的實(shí)現(xiàn)方法： 插入導(dǎo)頻法 直接法7一.插入導(dǎo)頻法 在發(fā)送的信息中注入載波信息，可以是載波本身，也可以是載波的某種變換。對(duì)插入的導(dǎo)頻通常有如下要求：對(duì)插入的導(dǎo)頻通常有如下要求：1. 導(dǎo)頻要在信號(hào)頻譜為零的位置插入 ；2. 導(dǎo)頻的頻率應(yīng)當(dāng)與載波頻率有關(guān)，通常導(dǎo)頻頻率等于載波頻率 ；3. 插入的導(dǎo)頻應(yīng)與載波正交，避免導(dǎo)頻

3、對(duì)信號(hào)解調(diào)產(chǎn)生影響。8一、插入導(dǎo)頻法(續(xù)2)插入導(dǎo)頻法方框圖插入導(dǎo)頻法方框圖(a)發(fā)送端發(fā)送端(b)接收端接收端9二、直接法 接收端從不攜帶導(dǎo)頻的接收信號(hào)中直接提取相干載波的載波同步方法稱為直接法?；驹恚涸谝种戚d波的雙邊帶信號(hào)（如DSB、PSK等）中，雖然本身不包含載波分量，但作適當(dāng)?shù)姆蔷€性變換后，會(huì)出現(xiàn)載波的諧波分量，提 出這些諧波分量來(lái)得到同步載波。 101.平方變換法和平方環(huán)法接收信號(hào)：x(t) = s(t)cos(2 fct)平方輸出信號(hào)：y(t) = s2(t)cos2(2 fct) = 0.5s2(t)+0.5s2(t)cos(4 fct)s(t)中無(wú)直流分量s2(t)中有直流

4、分量若調(diào)制信號(hào)s(t)= 1，y(t)=0.5+0.5cos(4 fct)11 鎖相環(huán)具有良好的跟蹤、窄帶濾波和記憶性能，鎖相環(huán)具有良好的跟蹤、窄帶濾波和記憶性能，因此平方環(huán)法比一般的平方變換法具有更好的性能，因此平方環(huán)法比一般的平方變換法具有更好的性能，因而得到廣泛的應(yīng)用。因而得到廣泛的應(yīng)用。 平方環(huán)法提取同步載波方框圖平方環(huán)法提取同步載波方框圖12相位模糊相位模糊cos(4 fct) = cos(4 fct+2) 由窄帶2fc濾波器得到的cos(4 fct)，經(jīng)二分頻后得到的可能是cos(2 fct)，也可能是cos(2 fct + )，這種相位的不確定性就稱為相位模糊。 p 會(huì)導(dǎo)致數(shù)字信

5、號(hào)解調(diào)后出現(xiàn)碼元反相， 如引起2PSK“反相工作”p 解決方法：差分相移鍵控（2DPSK）132.同相正交環(huán)法(costas環(huán)) 設(shè)costas環(huán)的輸入信號(hào)為壓控振蕩器的輸出為其中，為v1與costas環(huán)的輸入信號(hào)間的相位誤差。v1相移-900后，得v2為( )cos 2cx tf t1cos(2)cvf t2cos(290 )sin(2)ccvf tf t輸入信號(hào)與v1相乘，得 3( )cos(2) cos(2)1( )coscos(4)2cccvx tf tf tx tf t輸入信號(hào)與v2相乘，得 4( )cos(2) sin(2)1( )sincos(4)2cccvx tf tf tx

6、tf t經(jīng)低通濾波器濾波后，分別為 51( )cos2vx t61( )sin2vx tv5、v6相乘得經(jīng)環(huán)路濾波器濾波后，控制壓控振蕩器可以使它產(chǎn)生一個(gè)頻率為fc，相位逐漸趨近于0的載波，此載波就是所要提取的同步載波。 271( )sin28vx t較小時(shí)271( )4vx t17相位模糊相位模糊1cos(2)cvf t271( )sin(2 )8vx tv1的相位可以是，也可以是+，故也存在“相位模糊”問(wèn)題。可作為解調(diào)器的輸出。0511( )cos( )22vx tx t優(yōu)點(diǎn)： 可直接解調(diào)出信號(hào)x(t) (模擬解調(diào)或非最佳接收數(shù)字解調(diào))缺點(diǎn)：1）電路較為復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)困難；2）存在相位模糊。

7、203.兩種直接同步方法比較p 不同點(diǎn)： 平方變換法中窄帶濾波器的工作頻率是載波 頻率的兩倍； costas環(huán)的工作頻率是載波頻率本身，環(huán)路 濾波器是低通濾波器、存在900相移網(wǎng)絡(luò)。p 相同點(diǎn) 存在相位模糊； 實(shí)現(xiàn)電路與接收載波頻率有關(guān)。21三、兩種載波同步方法的比較 1. 直接法的優(yōu)缺點(diǎn) (1) 不占用導(dǎo)頻功率，因此信號(hào)功率比可以大一些。 (2) 可防止插入導(dǎo)頻法中導(dǎo)頻和信號(hào)由濾波不好引起的互相干擾，也可防止信道不理想引起的導(dǎo)頻相位誤差。 (3) 有的調(diào)制系統(tǒng)不能用直接法(如SSB系統(tǒng))。2.插入導(dǎo)頻法的優(yōu)缺點(diǎn) (1) 有單獨(dú)的導(dǎo)頻信號(hào)，一方面可以提取同步載波，另一方面可以用它作自動(dòng)增益控制

8、。 (2) 有些不能用直接法提取同步信息的調(diào)制系統(tǒng)只能用插入導(dǎo)頻法。 (3) 要多消耗一部分不帶信息的功率，與直接法比較在總功率相同條件下信噪功率比要小一些。22載波同步系統(tǒng)的性能主要性能指標(biāo)： (1)效率:為獲得同步，載波信號(hào)應(yīng)盡量少消耗發(fā)射功率。 (2)精度:指提取的同步載波與需要的載波標(biāo)準(zhǔn)比較，應(yīng)有盡量小的相位誤差。 (3)同步建立時(shí)間ts:越短越好，這樣同步建立得快。 (4)同步保持時(shí)間tc:越長(zhǎng)越好，這樣同步建立后可以保持較長(zhǎng)時(shí)間。231.穩(wěn)態(tài)相位誤差1.對(duì)于用窄帶濾波其提取同步的方法當(dāng)濾波器中心頻率與載波頻率不相等時(shí)就會(huì)使提取的同步載波信號(hào)引起一個(gè)穩(wěn)態(tài)相位誤差。2.對(duì)于用鎖相環(huán)提取

9、同步載波的方法由設(shè)計(jì)的局限性引發(fā)。02()QradQ: 回路的品質(zhì)因數(shù)w0: 濾波器的中心角頻率w : 角頻偏()VradKw : 角頻偏Kv: 環(huán)路直流增益Q越小越好242.隨機(jī)相位誤差由噪聲引發(fā)。以窄帶濾波器提取同步載波為例。隨機(jī)相位誤差為：n用其方差 表示其大?。?n2004nsn fQ PQ: 回路的品質(zhì)因數(shù)f0: 濾波器的中心頻率n0: 白噪聲的功率譜密度Ps: 信號(hào)功率Q越大越好253.建立時(shí)間和保持時(shí)間考慮用窄帶濾波器提取載波：kQts11ln20 (1)建立時(shí)間:kQtc1ln20 (2)保持時(shí)間:Q越大越好Q越小越好用輸出載波的大小來(lái)衡量同步是否建立。k(01) 輸出載波幅度

10、與最大值之比 UkUstctt26載波相位誤差對(duì)解調(diào)性能的影響總的相位誤差是隨機(jī)相差與穩(wěn)態(tài)相差之和。對(duì)DSB(BPSK)，將引起信噪比下降，從而使用數(shù)字信號(hào)的誤碼率上升。對(duì)SSB，除了引起信噪比下降外，還使基帶信號(hào)發(fā)生畸變，從而引起數(shù)字信號(hào)解調(diào)時(shí)發(fā)生碼間串?dāng)_。278.3 位同步q在數(shù)字通信系統(tǒng)中，接收端需要一個(gè)控制取樣判決的定時(shí)信號(hào)，該定時(shí)信號(hào)的脈沖頻率應(yīng)該與發(fā)送端的碼元速率相同、相位應(yīng)該與最佳判決時(shí)刻對(duì)齊。q位同步：從接收信號(hào)中提取位同步信號(hào)的過(guò)程。q位同步是碼元正確判決的基礎(chǔ)。只有數(shù)字通信系統(tǒng)中有位同步。n位同步的實(shí)現(xiàn)方法：n 插入導(dǎo)頻法插入導(dǎo)頻法n 直接法直接法28相關(guān)編碼cos()bf

11、 tcos(2)cf tm(t)插入位同步導(dǎo)頻調(diào)制( )M( )M00ff1/2T1/T(a)(b)相關(guān)編碼一、插入導(dǎo)頻法29接收端位同步的提取帶通載波同步低通窄帶濾波倒相取樣判決限幅放大微分全波整流整形cf2bf2bf30二、直接法接收端從不攜帶導(dǎo)頻的接收信號(hào)中直接提取位同步信號(hào)的方法稱為直接法。最常用的直接法是數(shù)字鎖相環(huán)法最常用的直接法是數(shù)字鎖相環(huán)法 。31 在接收端利用相位比較器比較接收碼元和本地產(chǎn)生的位同步信號(hào)的相位，若兩者相位不一致（超前或滯后），相位比較器就產(chǎn)生誤差信號(hào)去調(diào)整位同步信號(hào)的相位，直到獲得精確的同步為止。 1.數(shù)字鎖相環(huán)法的基本原理32控制電路1.數(shù)字鎖相環(huán)法的基本原理

12、（續(xù)1）33（2）扣除門為常開門，附加門為常閉門，它們和或 門一起構(gòu)成控制電路，根據(jù)相位比較器輸出的 控制脈沖（超前脈沖或滯后脈沖）對(duì)晶振輸出 的序列實(shí)施扣除（或添加）脈沖處理。1.數(shù)字鎖相環(huán)法的基本原理（續(xù)2）（1）接收碼元速率為 ， 為碼元間隔； 晶振頻率為 ，經(jīng)整形電路以后輸出周期 同為 的脈沖序列a和b，但 相位相差180。1ssfTsTsnf1bssTnfT n34（3）n分頻器為n計(jì)數(shù)器，每當(dāng)控制器輸出n個(gè)脈沖 時(shí)，它便輸出一個(gè)脈沖，作為本地位同步信 號(hào)?？刂破骱头诸l器共同作用，調(diào)整加到比較 器上的位同步信號(hào)的相位。（4）相位比較器將本地位同步信號(hào)與接收碼元序列 進(jìn)行比較。當(dāng)本地位

13、同步信號(hào)比接收碼元序列 超前時(shí)，就輸出超前脈沖；當(dāng)本地位同步信號(hào) 比接收碼元序列滯后時(shí)，就輸出滯后脈沖。1.數(shù)字鎖相環(huán)法的基本原理（續(xù)3）35無(wú)相位誤差（無(wú)相位誤差（n=3n=3）a路脈沖b路脈沖或門輸出脈沖n分頻器輸出超前脈沖滯后脈沖接收碼元相位比較器在接收碼元序列中的0、1交變點(diǎn)處進(jìn)行比相！36本地相位超前（本地相位超前（n=3n=3）a路脈沖b路脈沖或門輸出脈沖n分頻器輸出滯后脈沖超前脈沖接收碼元最小相位調(diào)整量為最小相位調(diào)整量為T Ts s/n/n37本地相位滯后（本地相位滯后（n=3n=3）a路脈沖b路脈沖n分頻器輸出超前脈沖滯后脈沖或門輸出脈沖接收碼元最小相位調(diào)整量為最小相位調(diào)整量為

14、T Ts s/n/n38二、數(shù)字鎖相環(huán)法的性能指標(biāo)二、數(shù)字鎖相環(huán)法的性能指標(biāo)p 位定時(shí)誤差：p 位同步建立時(shí)間：p 位同步保持時(shí)間：p 同步帶寬：指同步建立后，本地位定時(shí)與接收碼元之間的剩余相位偏差。由不同步到同步所需的最長(zhǎng)時(shí)間。由同步到失去同步所需要的時(shí)間。能夠調(diào)整到同步狀態(tài)所允許的收、發(fā)晶振頻率之間的最大頻差。391 1、位定時(shí)誤差、位定時(shí)誤差位定時(shí)誤差：同步建立后，本地位定時(shí)與接收 碼元之間的剩余相位偏差。每調(diào)整一步，位定時(shí)位置改變Ts/n。最大位定時(shí)誤差 te=Ts/n。用相位表示的位定時(shí)誤差，稱為相位誤差。最大相位誤差 e = 2/n小于2/n的相位誤差是不可調(diào)整的。n越大，e 越小

15、。402 2、位同步建立時(shí)間、位同步建立時(shí)間位同步建立時(shí)間指由不同步到同步所需的最長(zhǎng)時(shí)間。p 最大初始位定時(shí)誤差為Ts/2， 數(shù)字鎖相環(huán)需要調(diào)整n/2次。p 平均2個(gè)碼元時(shí)間內(nèi)可調(diào)整1次。相位比較器在接收碼元序列中0、1碼元的交變點(diǎn)處進(jìn)行比相。sssnTTnt22位同步建立時(shí)間為n越小，同步建立越快！413 3、同步保持時(shí)間、同步保持時(shí)間112201 200111/TFTFTTTFT K設(shè)收發(fā)兩端的碼元周期分別為和，。若規(guī)定兩端容許的時(shí)間漂移為秒， 則達(dá)到此值所需要的時(shí)間長(zhǎng)度為0210/1( )/cTKtsTTTK f21fff 其中。而這段時(shí)間就是同步保持時(shí)間。424 4、同步帶寬、同步帶寬

16、系統(tǒng)所允許的收發(fā)雙方的最大頻差。如果超過(guò)這個(gè)頻差，鎖相環(huán)將無(wú)法使收端位同步脈沖的相位與輸入信號(hào)的相位同步。20000222sffTTnfnfn1212212120/211ssTnTnFFFTTTFFFFF鎖相環(huán)每次能調(diào)整的時(shí)間為， 對(duì)于隨機(jī)數(shù)字來(lái)說(shuō)， 平均每?jī)蓚€(gè)碼元周期才能調(diào)整一次， 因此平均一個(gè)碼元周期內(nèi)，鎖相環(huán)能調(diào)整的時(shí)間為。而一個(gè)碼元周期內(nèi)，收發(fā)雙方的時(shí)間差為。所以，只有滿足以下條件， 鎖相環(huán)才能實(shí)現(xiàn)收發(fā)雙方同步43 相位誤差引起抽樣判決時(shí)刻的偏差，從而影響抽樣信號(hào)的信噪比，最終導(dǎo)致判決信號(hào)的誤碼率上升。以匹配濾波器接收為例。設(shè)相位誤差對(duì)應(yīng)的時(shí)間差為Te ，則00112(/)1/44ee

17、bbTPerfcEnerfcEnT位同步相位誤差對(duì)系統(tǒng)影響44群同步與載波同步、位同步的比較：群同步與載波同步、位同步的比較： 載波同步解決了同步解調(diào)問(wèn)題，把頻帶信號(hào)解調(diào)為基帶信號(hào)。位同步確定數(shù)字通信中各個(gè)碼元的抽樣判決時(shí)刻，把每個(gè)碼元加以區(qū)分。 群同步的任務(wù)是把字、句或碼組區(qū)分開來(lái)。8.4 群同步458.4 群同步（續(xù)1）群同步的實(shí)現(xiàn)方法： 起止式同步法 連貫式插入法 間歇式插入法46用特殊的波形標(biāo)識(shí)幀的開始或結(jié)束。止起止12345151.5一.起止式同步法只能用于簡(jiǎn)單的通信中，如：PC串口、電報(bào)。47用一個(gè)特殊的碼組來(lái)表示幀的開始?！疤厥狻保?、在信息碼元序列中不易出現(xiàn)；2、識(shí)別器簡(jiǎn)單。二

18、.連貫式插入法同步碼信息碼信息碼同步碼同步碼的尋找是關(guān)鍵48巴克碼 巴克碼是具有特殊規(guī)律的二進(jìn)制碼組，具有尖銳的自相關(guān)函數(shù)。同時(shí)，巴克碼的識(shí)別器組成十分簡(jiǎn)單。用局部自相關(guān)函數(shù)來(lái)定義巴克碼：1j0( )0,1,10jnnjiijinRjx x當(dāng) 當(dāng) 長(zhǎng)為n的巴克碼(局部自相關(guān)函數(shù))49巴克碼局部自相關(guān)函數(shù)示例巴克碼局部自相關(guān)函數(shù)示例 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 1 2 3 4 5 6 707654321jR(j)50常見(jiàn)的巴克碼組常見(jiàn)的巴克碼組位數(shù)位數(shù)n巴克碼組巴克碼組2+ + ; - +3+ + -4+ + + - ; + + - + 5+ + + - +7+ + + - - +

19、 -11+ + + - - - + - - + -13+ + + + + - - + + - + - + 51抽頭：1110010輸入“1”： 1 +1 0-1輸入“0”： 0 +1 1-1七位巴克碼識(shí)別器七位巴克碼識(shí)別器01(1)相相 加加判決判決移動(dòng)方向移動(dòng)方向輸入碼元輸入碼元01(7)01(6)01(5)01(4)01(3)01(2)52當(dāng)輸入為當(dāng)輸入為0000000 1110010 0000000時(shí)，識(shí)別時(shí)，識(shí)別器的輸出情況器的輸出情況(t=1)01(1)相相 加加判判 決決輸入碼元輸入碼元01(7)01(6)01(5)01(4)01(3)01(2)0 0 0 0 0 0 0 1-1-

20、1-1-1111-1053當(dāng)輸入為當(dāng)輸入為0000000 1110010 0000000時(shí)，識(shí)別時(shí)，識(shí)別器的輸出情況器的輸出情況(t=2)01(1)相相 加加判判 決決輸入碼元輸入碼元01(7)01(6)01(5)01(4)01(3)01(2)0 0 0 0 0 0 1 1-1-1-1-111-1-3054當(dāng)輸入為當(dāng)輸入為0000000 1110010 0000000時(shí)，識(shí)別時(shí)，識(shí)別器的輸出情況器的輸出情況(t=3)01(1)相相 加加判判 決決輸入碼元輸入碼元01(7)01(6)01(5)01(4)01(3)01(2)0 0 0 0 0 1 1 1-1-1-111-101-155當(dāng)輸入為當(dāng)輸

21、入為0000000 1110010 0000000時(shí)，識(shí)別時(shí)，識(shí)別器的輸出情況器的輸出情況(t=4)01(1)相相 加加判判 決決輸入碼元輸入碼元01(7)01(6)01(5)01(4)01(3)01(2)0 0 0 0 1 1 1 0-1-1-111-1-1-3056當(dāng)輸入為當(dāng)輸入為0000000 1110010 0000000時(shí)，識(shí)別時(shí)，識(shí)別器的輸出情況器的輸出情況(t=5)01(1)相相 加加判判 決決輸入碼元輸入碼元01(7)01(6)01(5)01(4)01(3)01(2)0 0 0 1 1 1 0 0-1-1-11-1-11-3057當(dāng)輸入為當(dāng)輸入為0000000 1110010

22、0000000時(shí)，識(shí)別時(shí)，識(shí)別器的輸出情況器的輸出情況(t=6)01(1)相相 加加判判 決決輸入碼元輸入碼元01(7)01(6)01(5)01(4)01(3)01(2)0 0 1 1 1 0 0 1-1-11-1-1-11-3058當(dāng)輸入為當(dāng)輸入為0000000 1110010 0000000時(shí)，識(shí)別時(shí)，識(shí)別器的輸出情況器的輸出情況(t=7)01(1)相相 加加判判 決決輸入碼元輸入碼元01(7)01(6)01(5)01(4)01(3)01(2)0 1 1 1 0 0 1 0-111-1-11-11059當(dāng)輸入為當(dāng)輸入為0000000 1110010 0000000時(shí)，識(shí)別時(shí)，識(shí)別器的輸出情

23、況器的輸出情況(t=8)01(1)相相 加加判判 決決輸入碼元輸入碼元01(7)01(6)01(5)01(4)01(3)01(2)1 1 1 0 0 1 0 011111117160當(dāng)輸入為當(dāng)輸入為0000000 1110010 0000000時(shí)，識(shí)別時(shí)，識(shí)別器的輸出情況器的輸出情況(t=9)01(1)相相 加加判判 決決輸入碼元輸入碼元01(7)01(6)01(5)01(4)01(3)01(2)1 1 0 0 1 0 0 011-1-11-111061當(dāng)輸入為當(dāng)輸入為0000000 1110010 0000000時(shí)，識(shí)別時(shí)，識(shí)別器的輸出情況器的輸出情況(t=10)01(1)相相 加加判判 決

24、決輸入碼元輸入碼元01(7)01(6)01(5)01(4)01(3)01(2)1 0 0 1 0 0 0 01-1-1-1-111-1062當(dāng)輸入為當(dāng)輸入為0000000 1110010 0000000時(shí)，識(shí)別時(shí)，識(shí)別器的輸出情況器的輸出情況(t=11)01(1)相相 加加判判 決決輸入碼元輸入碼元01(7)01(6)01(5)01(4)01(3)01(2)0 0 1 0 0 0 0 0-1-11-11111063當(dāng)輸入為當(dāng)輸入為0000000 1110010 0000000時(shí)，識(shí)別時(shí)，識(shí)別器的輸出情況器的輸出情況(t=12)01(1)相相 加加判判 決決輸入碼元輸入碼元01(7)01(6)0

25、1(5)01(4)01(3)01(2)0 1 0 0 0 0 0 0-11-1-11111064當(dāng)輸入為當(dāng)輸入為0000000 1110010 0000000時(shí)，識(shí)別時(shí)，識(shí)別器的輸出情況器的輸出情況(t=13)01(1)相相 加加判判 決決輸入碼元輸入碼元01(7)01(6)01(5)01(4)01(3)01(2)1 0 0 0 0 0 0 01-1-1-11111065當(dāng)輸入為當(dāng)輸入為0000000 1110010 0000000時(shí)，識(shí)別時(shí)，識(shí)別器的輸出情況器的輸出情況(t=14)01(1)相相 加加判判 決決輸入碼元輸入碼元01(7)01(6)01(5)01(4)01(3)01(2)0 0 0 0 0 0 0 0-1-1-1-1111-1066當(dāng)輸入為當(dāng)輸入為0000000 1110010 0000000時(shí)，識(shí)別時(shí)，識(shí)別器的輸出情況器的輸出情況(t=114) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1407654321-1-2-3tR(t)設(shè)門限為設(shè)門限為4670 01 12 23