西工大通信原理(期末復(fù)習(xí)、考研、求職必備)- 同步原理

1、通 信 原 理 電 子 教 案第11章 同步原理西 北 工 業(yè) 大 學(xué) （2008.3）8/27/2022111.1 引言同步：是指收發(fā)雙方在時間上保持步調(diào)一致。 同步的分類： 載波同步同頻同相相干載波；位（碼元）同步節(jié)拍一致、相位可調(diào)；群同步 幀同步；點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)同步（通信網(wǎng)中用）。 同步信號來自于接收信號；在通信系統(tǒng)中，通常都是要求同步信息傳輸?shù)目煽啃愿哂谛盘杺鬏數(shù)目煽啃浴１菊乱螅赫莆蛰d波、位、群同步的工作原理和獲取方法。 性能及影響作一般了解。8/27/20222研究的問題： 引言 載波同步的方法 載波同步系統(tǒng)的性能 載波相位誤差對解調(diào)性能的影響11.5 位同步的方法 11.6 位同步系統(tǒng)

2、的性能及其相位誤差的性能的影響11.7 群同步11.8 擴(kuò)頻系統(tǒng)同步11.9 網(wǎng)同步8/27/2022311.2 載波同步的方法 獲取方法 插入導(dǎo)頻法（外同步法）：在發(fā)送有用信號的同時，在適當(dāng)?shù)念l率位置上插入一個或多個稱作載頻的正弦波，接收端由導(dǎo)頻提取載波； 直接法（自同步法）：不專門發(fā)送導(dǎo)頻，在接收端直接從發(fā)送信號中提取載波。8/27/20224 適用：DSB、SSB、2DSP、2DPSK信號頻譜中皆不含載波成分.原理：注：插入導(dǎo)頻為“正交載波”與加在調(diào)制器的那個載波移相90。模型：8/27/20225數(shù)學(xué)分析：發(fā)端： 收端：LPF輸出：8/27/20226（1）平方變換法和平方環(huán)法 發(fā)端：

3、設(shè)調(diào)制信號中無直流分量，則DSB信號為：收端：平方變換法模型：經(jīng)平方律部件后:注：雖m(t)中無直流分量，但m2(t)卻有直流分量，故e(t)中第二項包含有2c頻率分量，經(jīng)窄帶濾波器可獲成分：二分頻，得:8/27/20229好處：窄帶、跟蹤、記憶、維持。討論：平方環(huán)適于DSB，2PSK、2DPSKm2(t) k；對于4PSK圖119。問題：二分頻電路提取出的載波存在相位模糊問題。解決？ 問題：窄帶濾波器不易實現(xiàn)。改進(jìn)：用PLL（鎖相環(huán)）代替。載波跟蹤環(huán)8/27/202210（2）同相-正交環(huán)法（科斯塔斯環(huán)） 經(jīng)低通后：目標(biāo)：只需證得v7(載波相位差)。同相載波正交載波雙PLL環(huán)模型：8/27/

4、202211經(jīng)低通后的輸出分別為 ：乘法器的輸出為：上式可以近似地表示為：好處：載波提取、相干解調(diào)一次完成！v5; 工作頻率為fc，不是2fc，當(dāng)載波頻率很高時易于實現(xiàn)； 無相位模糊問題。8/27/20221211.3 載波同步系統(tǒng)的性能指標(biāo) 載波同步系統(tǒng)的主要性能包括：效率、精度、同步建立時間和同步保持時間。1、精度 精度是指提取的同步載波與載波標(biāo)準(zhǔn)比較，它們之間的相位誤差大小。（1）穩(wěn)態(tài)相位誤差 當(dāng)利用窄帶濾波器提取載波時，假設(shè)所用的窄帶濾波器為一簡單單調(diào)諧回路，其Q值一定。那么，當(dāng)回路的中心頻率0與載波頻率c不相等時，就會使輸出的載波同步信號引起一穩(wěn)態(tài)相差。若0與c之差為，且較小時，可得

5、可見：Q值越高，所引起的穩(wěn)態(tài)相差越大。 8/27/202213（2）隨機(jī)相位誤差 從物理概念上講，正弦波加上隨機(jī)噪聲以后，相位變化是隨機(jī)的，它與噪聲的性質(zhì)和信噪功率比有關(guān)。經(jīng)過分析當(dāng)噪聲為窄帶高斯噪聲時，隨機(jī)相位差與信噪功率比之間的關(guān)系式為其中：f0回路的中心頻率，A接收信號幅度?？梢姡簽V波器的Q值越高，隨機(jī)相位誤差越小。 8/27/2022142、同步建立時間和保持時間 建立時間 保持時間可見：要使建立時間變短，Q值需要減??；要延長保持時間，Q值要求增大，因此這兩個參數(shù)對Q值的要求是矛盾的。 8/27/202215 3、兩種載波同步方法的比較 直接法的優(yōu)缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾方面：（1）不占用

6、導(dǎo)頻功率，因此信噪功率比可以大一些；（2）防止導(dǎo)頻和信號間的互相干擾，也可以防止信道不理想引起導(dǎo)頻相位的誤差 ;（3）但有的調(diào)制系統(tǒng)不能用直接法（如SSB系統(tǒng)）。插入導(dǎo)頻法的優(yōu)缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在； （1）有單獨(dú)的導(dǎo)頻信號，一方面可以提取同步載波，另一方面可以利用它作為自動增益控制；（2）有些不能用直接法提取同步載波的調(diào)制系統(tǒng)只能用插入導(dǎo)頻法；（2）與直接法比較，在總功率相同條件下實際信噪功率比要小一些。 8/27/20221611.4 載波相位差對載波性能的影響設(shè)則8/27/202217討論：希望：解調(diào)出m(t)，最好：cos = 1，即 = 0。若 = 0，x(t) = m(t)/2 -正是可希

7、望的 0，x(t)將衰減 cos 倍 對模擬信號，相當(dāng)于功率下降cos2倍：S/N; 對數(shù)字信號，相當(dāng)于能量下降cos2倍:8/27/20221811.5 位同步的方法要求：與發(fā)端節(jié)拍一致、相位可調(diào)。獲取方法：插入導(dǎo)頻法（外同步法）、直接法（自同步法）。1.插入導(dǎo)頻法原理：同于載波同步時導(dǎo)頻插入法。單/雙極性NRZ部分響應(yīng)系統(tǒng)8/27/202219部分響應(yīng)系統(tǒng)：8/27/202220 當(dāng)系統(tǒng)的位同步采用自同步方法時，發(fā)端不專門發(fā)送導(dǎo)頻信號，而直接從數(shù)字信號中提取位同步信號。 自同步法具體又可分為濾波法和鎖相法。（1）波形變換濾波法波形變換：由微分、整流電路構(gòu)成 。移相：正弦波，好實現(xiàn)。8/27

8、/202221（2）鎖相法本地：同相常態(tài) 超前扣除 滯后添加接收碼元頻率：F晶振頻率nF a、b兩路脈沖相位相差180度相位比較器：完成本地脈沖與接收碼元比相8/27/202222若相位相同：無附加脈沖；若超前：超前脈沖減脈沖 引起相位滯后：T/n；若滯后：滯后脈沖附加脈沖 引起相位超前：T/n；直至相位相同、鎖定。本地同步脈沖T=1/Fnn-1123n-1nabcdefnn-1n123n12nn4n原理時序：8/27/20222311.6.1 位同步系統(tǒng)的性能指標(biāo) 位同步系統(tǒng)的性能指標(biāo)除了效率以外，主要有以下幾個：（1）相位誤差（精度）,（2）同步建立時間,（3）同步保持時間,（4）同步帶寬

9、。1、相位誤差e 由上圖可見一個碼元周期內(nèi)由晶振及整形電路來的脈沖數(shù)為n個，因此，最大調(diào)整相位為： 可以看到，隨著n的增加，相位誤差e將減小。 11.6 位同步系統(tǒng)的性能及相位誤差對性能的影響8/27/2022242、同步建立時間ts定義：失去同步后重建同步最所需的長時間。故同步建立時間為：3、同步保持時間tc 系統(tǒng)因為沒有輸入，使得收端位同步信號的相位就會逐漸發(fā)生漂移，時間越長，相位漂移量越大，直至漂移量達(dá)到某一準(zhǔn)許的最大值，就算失步了。為了使同步建立時間ts減小，要求選用較小的n，這就和相位誤差e對n的要求相矛盾 。8/27/202225式中：F0收發(fā)兩端固有碼元重復(fù)頻率的幾何平均值；F收

10、發(fā)兩端存在頻差。說明：要想延長同步保持時間tc，需要提高收發(fā)兩端振蕩器的頻率穩(wěn)定度。 8/27/20222611.6.2 位同步相位誤差對性能的影響假設(shè)： 位同步相位誤差c可用時間差Te來表示； 解調(diào)器已解調(diào)出基帶數(shù)字信號，并假定采用MF法檢測：即對基帶信號進(jìn)行積分、取樣和判決； 設(shè)位同步超前接收碼元Te 。8/27/202227接收碼元:位同步:積分、清洗(最佳接收)E 可充滿，達(dá)最大值，獲最大能量；E不能充滿，能量損失可見： 相鄰碼元無數(shù)據(jù)變化時，位同步誤差不影響取樣點(diǎn)的積分能量，獲最大能量E； 相鄰碼元有數(shù)據(jù)變化時，能量損失。 E= (1 - 2Te / T )E8/27/202228設(shè)

11、：相鄰碼元無數(shù)據(jù)變化的概率為P，取樣點(diǎn)積分能量達(dá)E； 相鄰碼元有數(shù)據(jù)變化的概率為(1-P),取樣點(diǎn)積分能量E。2PSK最佳接收時：等概時：其中：所以：可見：位同步相位差Pe8/27/20222911.7 群同步-幀同步11.7.1 引言前提：已實現(xiàn)位同步。任務(wù)：識別出數(shù)字信息群的起止時刻，或者說給出每個群的 “開頭”和“末尾”時刻。實現(xiàn)方法： 自同步：利用數(shù)據(jù)碼組本身之間不同的特性來實現(xiàn)。 外同步：在數(shù)字信息流中插入一些特殊碼字作為每個群的頭尾標(biāo)記，接收端據(jù)其位置實現(xiàn)群同步。連貫式插入法間隔式插入法重點(diǎn)：外同步。8/27/20223011.7.1 起止同步法結(jié)構(gòu)：缺點(diǎn)：止脈沖與碼元寬度不同，給

12、同步數(shù)字傳輸帶來不便；傳輸效率低：67% 。8/27/20223111.7.2 連貫式插入法 連貫式插入法：在每群的開頭集中插入群同步碼字的同步方法。例：PCM30/32同步碼字特殊碼字：局部自相關(guān)特性有尖銳的峰值；在信息碼元序列中不易出現(xiàn)以便識別；識別器要簡單。最常用的群同步碼字：“巴克碼”。 1、巴克碼 定義：一個長為n的碼組x1, x2, x3, xn，其中xi 取值1，其局部自相關(guān)函數(shù)滿足則稱該碼組為巴克碼。 信 息 碼標(biāo) 識 碼一幀8/27/202232表11-1巴克碼字位數(shù)n巴克碼字2+ +；+3+ +4+ + +；+ +5+ + +7+ + + +11+ + + + +13+ +

13、 + + + + +表中+表示+1，表示1 例：7位巴克碼8/27/2022332、巴克碼識別器8/27/20223411.7.3 間歇式插入法 定義：將群同步碼字分散地插入到信息之中，即每隔一定數(shù)量的信息碼元，插入一個群同步碼字。例：PCM 24群同步則采用間歇式插入法。 收端要確定群同步碼位置的方法： （1）逐碼移位法； （2）RAM幀碼檢測法。 8/27/202235 逐碼移位法的基本原理：由位同步脈沖經(jīng)過n次分頻以后的本地群碼與接收到碼元中間歇式插入的群同步碼進(jìn)行逐碼移位比較，使本地群碼與發(fā)送來的群同步碼同步。 8/27/202236例：等間隔插入全“1”碼！a位同步碼；c收到的碼：信碼、同步碼；N同步位信息位=1+3=4;異或門不一致門經(jīng)過計算，群同步平均建立的時間近似為：8/27/20223711.7.4 群同步系統(tǒng)的性能要求：同步時間要短，即捕獲時間要短；同步性要可靠。影響同步性能的兩個錯誤： 漏同步：如7位巴克碼錯1位，輸出和將減為5；假同步：信息碼中有同與巴克碼的碼形。1和參數(shù)的關(guān)系設(shè)：巴克碼中每碼元出錯的概率為Pe，則正確的概率為1- Pe ； n巴克碼的長度； m識別器允許巴克碼出錯的最大個數(shù)。8/27/202238 m = 0 ：未漏概率：(1-Pe)n漏概率: P1=1-(1-Pe)n m =1，m = 0 - 至多錯一位 通式：n-巴