華東理工大學(xué)《通信原理》第十三章(同步原理)課件

1第13章同步原理概述 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、網(wǎng)同步載波同步：又稱載波復(fù)原。目的：在接收設(shè)備中產(chǎn)生一個(gè)和接收信號(hào)的載波同頻、同相的本地振蕩，用于相干解調(diào)。2第13章同步原理碼元同步：又稱時(shí)鐘同步或時(shí)鐘復(fù)原。 對(duì)于二進(jìn)制信號(hào)，又稱位同步。目的：得知每個(gè)接收碼元精確的起止時(shí)刻，以便確定積分和判決時(shí)刻。群同步：又稱幀同步。目的：將接收碼元正確分組。網(wǎng)同步：使通信網(wǎng)中各站點(diǎn)時(shí)鐘之間保持同步。3環(huán)路濾波器壓控振蕩器輸出導(dǎo)頻輸入信號(hào)圖13-1鎖相環(huán)原理方框圖鑒相器第13章同步原理載波同步有幫助導(dǎo)頻時(shí)的載頻提取用于不包含載頻重量的信號(hào)。在發(fā)送信號(hào)中另外加入一個(gè)或幾個(gè)導(dǎo)頻信號(hào)。多接受鎖相環(huán)（PLL）提取載波。鎖相環(huán)原理方框圖：4第13章同步原理無(wú)幫助導(dǎo)頻時(shí)的載波提取平方環(huán)：以2PSK信號(hào)為例進(jìn)行探討。設(shè)信號(hào)當(dāng)m(t)取+1和-1的概率相等時(shí)，此信號(hào)的頻譜中無(wú)角頻率c的離散重量。將上式平方，得到可見(jiàn)，用窄帶濾波器濾出2倍頻后再作2分頻，即可得所需載頻。圖13-2平方環(huán)原理方框圖載頻輸出帶通濾波平方壓控振蕩環(huán)路濾波鎖相環(huán)s(t)2分頻窄帶濾波5第13章同步原理此方案的缺點(diǎn)： 1、相位模糊性：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確定于分頻器的隨機(jī)初始狀態(tài)。接受2DPSK體制可以避開(kāi)此缺點(diǎn)的影響。 2、錯(cuò)誤鎖定：平方后的接收電壓中有可能存在其他的離散頻率重量，使鎖相環(huán)鎖定在錯(cuò)誤的頻率上。解決這個(gè)問(wèn)題的方法是降低環(huán)路濾波器的帶寬。6第13章同步原理科斯塔斯環(huán)法：又稱同相正交環(huán)法或邊環(huán)法。原理方框圖：

圖13-3科斯塔斯環(huán)法原理方框圖90相移環(huán)路濾波壓控振蕩s(t)載頻輸出低通低通解調(diào)輸出abcdefg7第13章同步原理工作原理a點(diǎn)的壓控振蕩電壓為：b點(diǎn)的壓控振蕩電壓為：上式中的(-

)是壓控振蕩電壓和接收載波相位之差。8第13章同步原理將m(t)=1代入上式，并考慮到當(dāng)(-)很小時(shí)， sin(-)(-)，則上式變?yōu)殡妷簐g通過(guò)環(huán)路濾波器，限制壓控振蕩器的振蕩頻率。這個(gè)電壓限制壓控振蕩器的輸出電壓相位，使(-)盡可能地小。當(dāng)＝時(shí)，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。9第13章同步原理優(yōu)缺點(diǎn)： 1、不須要對(duì)接收信號(hào)作平方運(yùn)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，要求兩路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(-)值接近0的穩(wěn)定點(diǎn)有兩個(gè)，在(-)等于0和處。所以，科斯塔斯環(huán)法提取出的載頻也存在相位模糊性。10第13章同步原理再調(diào)制器－第3種提取相干載波的方法原理方框圖載頻輸出90相移環(huán)路濾波壓控振蕩低通s(t)abcdefg11第13章同步原理工作原理 接收信號(hào)和a點(diǎn)振蕩電壓相乘后得到的c點(diǎn)電壓 它經(jīng)過(guò)低通濾波后，在d點(diǎn)的電壓為 vd事實(shí)上就是解調(diào)電壓，它受b點(diǎn)的振蕩電壓在相乘器中再調(diào)制后，得出的e點(diǎn)電壓等于 上式的ve和信號(hào)s(t)再次相乘，得到在f點(diǎn)的電壓12第13章同步原理 vf經(jīng)過(guò)窄帶低通濾波后，得到壓控振蕩器的限制電壓 將上式的限制電壓和科斯塔斯環(huán)的限制電壓式比較可見(jiàn)，這兩個(gè)方案中的壓控振蕩器的限制電壓相同。13第13章同步原理同步建立時(shí)間和保持時(shí)間同步建立時(shí)間：從起先接收到信號(hào)（或從系統(tǒng)失步狀態(tài)）到提取出穩(wěn)定的載頻所須要的時(shí)間。同步保持時(shí)間：從起先失去信號(hào)到失去載頻同步的時(shí)間。同步建立時(shí)間和保持時(shí)間的關(guān)系：二者相互沖突，折中處理 14第13章同步原理例：相位誤差對(duì)于單邊帶信號(hào)的影響 設(shè)有一單頻基帶信號(hào) 它對(duì)載波cosct進(jìn)行單邊帶調(diào)制后，取出上邊帶信號(hào) 傳輸?shù)浇邮斩?。若接收端的本地相干載波有相位誤差，則兩者相乘后得到 經(jīng)過(guò)低通濾波器濾出的低頻重量為 其中第1項(xiàng)是原調(diào)制基帶信號(hào)，但是受到因子cos的衰減；第2項(xiàng)是和第1項(xiàng)正交的項(xiàng)，它使接收信號(hào)產(chǎn)生失真。15第13章同步原理碼元同步碼元同步目的：精確的時(shí)刻對(duì)接收碼元進(jìn)行判決，以及對(duì)接收碼元能量正確積分。碼元同步方法：從接收碼元的起止時(shí)刻產(chǎn)生一個(gè)碼元同步脈沖序列，或稱定時(shí)脈沖序列。碼元同步方法分類：外同步法：利用幫助信息同步（較少接受）缺點(diǎn)：占用頻帶寬度和功率自同步法，不須要幫助同步信息，干脆從信息碼元中提取出碼元定時(shí)信息。16第13章同步原理自同步法自同步法分類：開(kāi)環(huán)同步法：二進(jìn)制等先驗(yàn)概率的NRZ中沒(méi)有離散的碼元速率頻譜重量。需在接收時(shí)對(duì)其進(jìn)行某種非線性變換，使其含有離散的碼元速率頻譜重量，閉環(huán)同步法：用比較本地時(shí)鐘周期和輸入信號(hào)碼元周期的方法，將本地時(shí)鐘鎖定在輸入信號(hào)上。17第13章同步原理開(kāi)環(huán)碼元同步法（非線性變換法）延遲相乘法原理方框圖（c）后一 半恒久是正值；而前一半則 當(dāng)輸入狀態(tài)有變更時(shí)為負(fù)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 重量。延遲時(shí)間等于碼元時(shí)間一半 時(shí)，碼元速率重量最強(qiáng)。c延遲T/2ab放大限幅窄帶濾波(c)(b)(a)18第13章同步原理微分整流法原理正負(fù)窄脈沖正脈沖（含有碼元速率重量）同步跟蹤誤差：不行能降為零干脆從接收波形中提取同步

低通微分整流窄帶濾波放大限幅19第13章同步原理閉環(huán)碼元同步法基本原理：將接收信號(hào)和本地產(chǎn)生的碼元定時(shí)信號(hào)相比較，使本地產(chǎn)生的定時(shí)信號(hào)和接收碼元波形的轉(zhuǎn)變點(diǎn)保持同步。這種方法類似載頻同步中的鎖相環(huán)法?！俺?滯后門”同步器：超前門滯后門環(huán)路濾波||||

+壓控振蕩+-u1u2|u1||u2|e=|u2|-|u1|m(t)門波形產(chǎn)生20第13章同步原理工作原理：Tdd+1-1超前門滯后門(a)同步狀態(tài)(b)超前狀態(tài)d++1-1超前門滯后門T2積分時(shí)間21第13章同步原理存在的問(wèn)題若無(wú)突跳邊沿，無(wú)法取得同步。兩個(gè)支路積分器的性能不行能做得完全一樣解決方法改用HDB3碼，或用擾亂技術(shù)，使發(fā)送碼元序列不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間地沒(méi)有突跳邊沿。22第13章同步原理碼元同步誤差對(duì)于誤碼率的影響用匹配濾波器或相關(guān)器接收碼元時(shí)在相鄰碼元有突變邊沿時(shí)若碼元同步時(shí)間誤差為，則積分時(shí)間將損失2，積分得到的碼元能量將減小為Eb(1-2/T)；在相鄰碼元沒(méi)有突變邊沿時(shí)，積分時(shí)間沒(méi)有損失。例：對(duì)于等概2PSK信號(hào)，平均誤碼率為：無(wú)相位誤差時(shí)有相位誤差時(shí)23第13章同步原理群同步目的：對(duì)接收碼元序列分組群同步碼的種類：集中插入適用于要求快速建立同步的地方，或間斷傳輸信息并且每次傳輸時(shí)間很短的場(chǎng)合。

信息碼組同步碼組信息碼組信息碼組信息碼組同步碼組同步碼組24第13章同步原理分散插入適用于連續(xù)傳輸信息之處，例如數(shù)字電話系統(tǒng)中。信息碼組信息碼組信息碼組同步碼元同步碼元同步碼組同步碼元同步碼元25第13章同步原理同步電路的狀態(tài)：捕獲態(tài)：在捕獲態(tài)時(shí)，確認(rèn)搜尋到群同步碼的條件必需規(guī)定得很高，以防發(fā)生假同步。保持態(tài)：一旦確認(rèn)達(dá)到同步狀態(tài)后，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入保持態(tài)。此時(shí)，仍須不斷監(jiān)視同步碼的位置是否正確。但是，這時(shí)為了防止因?yàn)樵肼曇鸬膫€(gè)別錯(cuò)誤導(dǎo)致認(rèn)為失去同步，應(yīng)當(dāng)降低推斷同步的條件，以使系統(tǒng)穩(wěn)定工作。26第13章同步原理集中插入法：又稱連貫式插入法。原理：接受特殊的群同步碼組，集中插入在信息碼組的前頭要求群同步碼的自相關(guān)特性曲線具有尖銳的單峰，局部自相關(guān)函數(shù)定義：設(shè)有一個(gè)碼組，它包含N個(gè)碼元，則其局部自相關(guān)函數(shù)等于

式中，N為碼組中的碼元數(shù)目； xi=+1或-1，當(dāng)1iN； xi=0， 當(dāng)1>i和i>N。27第13章同步原理巴克碼：常用的一種群同步碼。定義：設(shè)一個(gè)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：

28第13章同步原理巴克碼組列表： 表中各碼組的反碼（即正負(fù)號(hào)相反的碼）和反序碼（即時(shí)間依次相反的碼）也是巴克碼。N巴克碼1＋2＋＋，＋－3＋＋－4＋＋＋－，＋＋－＋5＋＋＋－＋7＋＋＋――＋－11＋＋＋―――＋――＋－13＋＋＋＋＋――＋＋－＋－＋29第13章同步原理例：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： 由以上計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，其自相關(guān)函數(shù)確定值除R(0)外，均不大于1。304123-4-1-3-2R(j)1-1 5j320第13章同步原理巴克碼的自相關(guān)函數(shù)值曲線 自相關(guān)函數(shù)是偶函數(shù)，所以其自相關(guān)函數(shù)值畫(huà)成曲線如上圖所示。將j=0時(shí)的R(j)值稱為主瓣，其他處的值稱為旁瓣。

31第13章同步原理集中插入法群同步碼檢測(cè)流程

初始化(將同步狀態(tài)設(shè)為捕捉態(tài))移1位開(kāi)始N等待下一同步碼組Y保持態(tài)捕捉態(tài)NY計(jì)算R(j)(N-2)?計(jì)算R(j)=N?32第13章同步原理分散插入法：原理：分散插入法的群同步碼都很短。在信息碼元序列中極少可能出現(xiàn)。例如，在數(shù)字電話系統(tǒng)中常接受“10”交替碼。接收端，依據(jù)其出現(xiàn)周期搜尋若干個(gè)周期。信息碼組信息碼組信息碼組同步碼元同步碼元同步碼組同步碼元同步碼元33新碼元進(jìn)入老碼元輸出檢驗(yàn)是否“1”和“0”交替08007x06x05x04x03x02x01x16115x14x13x12x11x10x09x24023x22x21x20x19x18x17x32131x30x29x28x27x26x25x40039x38x37x36x35x34x33x第13章同步原理存儲(chǔ)檢測(cè)法。先將接收碼元序列存在計(jì)算機(jī)的RAM中，再進(jìn)行檢驗(yàn)。下圖畫(huà)出了一個(gè)RAM的示意圖，它按先進(jìn)先出(FIFO)的原理工作：34第13章同步原理群同步性能主要性能指標(biāo)：假同步概率Pf：當(dāng)捕獲時(shí)同步系統(tǒng)將錯(cuò)誤的同步位置當(dāng)作正確的同步位置捕獲到。特點(diǎn)：信息碼元錯(cuò)成同步碼元。漏同步概率Pl：同步系統(tǒng)將正確的同步位置漏過(guò)而沒(méi)有捕獲到。漏同步的主要緣由是噪聲的影響，特點(diǎn)：正確的同步碼元變成錯(cuò)誤的碼元。緣由：噪聲影響（兩者）35第13章同步原理計(jì)算漏同步概率：設(shè)接收碼元錯(cuò)誤概率為p，需檢驗(yàn)的同步碼元數(shù)為n，檢驗(yàn)時(shí)容許錯(cuò)誤的最大碼元數(shù)為m，則未漏判定為同步碼的概率等于

式中，Cnr為n中取r的組合數(shù)。 所以，漏同步概率等于

當(dāng)不允許有錯(cuò)誤時(shí)，即設(shè)定m=0時(shí)，則上式變?yōu)?上式就是不允許有錯(cuò)同步碼時(shí)漏同步的概率。36第13章同步原理計(jì)算假同步概率：假設(shè)信息碼元是等概率的；假設(shè)假同步完全是由于某個(gè)信息碼組被誤認(rèn)為是同步碼組造成的。同步碼組長(zhǎng)度為n，所以n位的信息碼組有2n種排列。它被錯(cuò)當(dāng)成同步碼組的概率和容許錯(cuò)誤碼元數(shù)m有關(guān)。若不容許有錯(cuò)碼，即m=0，則只有一種可能，即信息碼組中的每個(gè)碼元恰好都和同步碼元相同。若m=1，則有Cn1種可能將信息碼組誤認(rèn)為是同步碼組。因此假同步的總概率為 式中，分母2n是全部可能出現(xiàn)的信息碼組數(shù)。37第13章同步原理起止式同步用途：主要適用于電傳打字機(jī)中。原理：一個(gè)字符由5個(gè)二進(jìn)制碼元組成，每個(gè)碼元的長(zhǎng)度相等鍵盤輸入的每個(gè)字符之間的時(shí)間間隔不等。在無(wú)字符輸入時(shí)，電傳打字機(jī)的輸出電壓始終處于高電平狀態(tài)。在輸入一個(gè)字符時(shí)，于5個(gè)信息碼元之前加入一個(gè)低電平的“起脈沖”，其寬度為一個(gè)碼元的寬度T，如下圖所示起止止123451.5TT38第13章同步原理自群同步唯一可譯碼假設(shè)現(xiàn)共有4種天氣狀態(tài)須要傳輸，將其用二進(jìn)制編碼表示，：接收端序列為“1110110110”時(shí)，唯一地可以譯為“雨晴陰陰”。唯一可譯充分條件（非必要條件）是：在編碼中任何一個(gè)碼字都不能是其他碼字的前綴。滿足這個(gè)條件的編碼又稱為瞬時(shí)可譯碼。晴云陰雨010111011139第13章同步原理瞬時(shí)可譯碼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(gè)碼字的開(kāi)頭。例如，唯一可譯碼（非瞬時(shí)可譯碼）：例如，在收到“10”后，必需等待下一個(gè)符號(hào)若是“0”，譯為“雨”若是“1”，譯為“陰”“晴(1)”是“陰(10)”的詞頭，“陰(10)”是“雨(100)”的詞頭。晴陰雨11010040第13章同步原理唯一可譯性前提：即必需正確接收到開(kāi)頭的第一個(gè)或前幾個(gè)碼元。例如，當(dāng)發(fā)送序列是“1110110110”時(shí)，（雨晴陰陰）若接收“110110110”。這樣它將被譯為“陰陰陰”。編碼是唯一可譯的，且是可同步的。晴云陰雨010111011141第13章同步原理可同步編碼：在接收時(shí)若丟失了開(kāi)頭的一個(gè)或幾個(gè)碼元，則將變成是不行譯的開(kāi)頭幾個(gè)碼元錯(cuò)譯后，能夠自動(dòng)獲得正確同步及正確譯碼。例如：當(dāng)發(fā)送碼元序列為“100110110101”（云雨陰晴）。若收到序列為“00110110101”對(duì)“0110110101”譯碼，并譯為“晴陰陰晴”。晴云陰雨01100101110142第13章同步原理無(wú)逗號(hào)碼：可同步碼中的一種碼組長(zhǎng)度均相等的碼。例如，三進(jìn)制、碼長(zhǎng)等于3：自動(dòng)正確地區(qū)分每個(gè)接收碼字。尚無(wú)一般的構(gòu)造方法。ABCDFGHI10010110220020120221121243第13章同步原理網(wǎng)同步目的：全網(wǎng)各站能夠互連互通，正確地接收信息碼元。方法分類：?jiǎn)蜗蛲ㄐ畔到y(tǒng)：由接收設(shè)備調(diào)整自已的時(shí)鐘，使之和發(fā)送設(shè)備的時(shí)鐘同步，如廣播系統(tǒng)。雙向通信系統(tǒng)：同步網(wǎng)：全網(wǎng)各站具有統(tǒng)一時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)異步網(wǎng)（準(zhǔn)同步網(wǎng)）：容許各站的時(shí)鐘有誤差，但是通過(guò)調(diào)整碼元速率的方法使全網(wǎng)能夠協(xié)調(diào)工作44第13章同步原理同步網(wǎng)的同步方法可能由接收設(shè)備負(fù)責(zé)解決，也可能須要收發(fā)雙方共同解決。例： 一個(gè)衛(wèi)星通信網(wǎng)中有4個(gè)地球（終端）站，在衛(wèi)星（中心站）S1上接收地球站的TDMA信號(hào)，其時(shí)隙支配示于下圖中：上行下行ABCDS1S2E-1E-1E-1E-1E-2ABCDABt45第13章同步原理 放射機(jī)同步方法：地球站放射到達(dá)時(shí)間必需是衛(wèi)星接收時(shí)間。地球站與衛(wèi)星距離不等，時(shí)鐘也須要不同。不行能調(diào)整衛(wèi)星上中心站接收機(jī)時(shí)鐘各地球站依據(jù)和衛(wèi)星的距離遠(yuǎn)近，將放射信號(hào)的時(shí)鐘調(diào)整到和衛(wèi)星上中心站接收機(jī)的時(shí)鐘一樣；46第13章同步原理放射機(jī)同步方法的分類：開(kāi)環(huán)法：不需依靠中心站上接收信號(hào)到達(dá)時(shí)間的任何信息。終端站依據(jù)它所存儲(chǔ)的關(guān)于鏈路長(zhǎng)度等信息可以預(yù)先校正其發(fā)送時(shí)間。這些信息是從有關(guān)單位供應(yīng)的，但是還可以依據(jù)從中心站送回的信號(hào)加以修正。特點(diǎn)：捕獲快、不須要反向鏈路也能工作和實(shí)時(shí)運(yùn)算量小。缺點(diǎn)是須要外部有關(guān)單位供應(yīng)所需的鏈路參量數(shù)據(jù)，并且缺乏靈敏性。47第13章同步原理閉環(huán)法：中心站須要測(cè)量來(lái)自終端站的信號(hào)的同步精確度，并將測(cè)量結(jié)果通過(guò)反向信道送給終端站。閉環(huán)法須要一條反向信道傳送此測(cè)量結(jié)果，并且終端站須要有依據(jù)此反饋信息適當(dāng)調(diào)整其時(shí)鐘的實(shí)力。特點(diǎn)：不須要預(yù)先得知鏈路參量的數(shù)據(jù)。并且可以很簡(jiǎn)潔地利用反向鏈路來(lái)剛好適應(yīng)路徑和鏈路狀況的變更。終端站須要有較高的實(shí)時(shí)處理實(shí)力，并且每個(gè)終端站和中心站之間要有雙向鏈路。此外，捕獲同步也須要較長(zhǎng)的時(shí)間。48第13章同步原理異步網(wǎng)或準(zhǔn)同步網(wǎng)的同步方法：準(zhǔn)同步數(shù)字體系(PDH)中接受的碼速調(diào)整法。以上面的衛(wèi)星通信網(wǎng)為例：若4個(gè)地球站的上行信號(hào)都是一次群E-1信號(hào)，其碼元標(biāo)稱速率都是2048kb/s，在S1上合成的E-2群碼元速率為8448kb/s，將8448kb/s平均支配到每個(gè)E-1群的碼元速率為2112kb/s，它高于2048kb/s。49第13章同步原理開(kāi)環(huán)法開(kāi)環(huán)法分類：須要利用反向鏈路供應(yīng)的信息。不須要利用反向鏈路供應(yīng)的信息。 對(duì)處理實(shí)力沒(méi)有要求，但其通信性能明顯受鏈路特性穩(wěn)定性的影響。舉例：一個(gè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)，全部地面放射機(jī)的同步系統(tǒng)都須要預(yù)先校正信號(hào)的定時(shí)和頻率，以求信號(hào)用預(yù)定的頻率在預(yù)定的時(shí)間到達(dá)衛(wèi)星接收機(jī)。50第13章同步原理準(zhǔn)閉環(huán)放射機(jī)同步法：終端站利用對(duì)反向鏈路信號(hào)測(cè)量進(jìn)行同步。比純開(kāi)環(huán)法更適應(yīng)通信系統(tǒng)的變動(dòng)性。51第13章同步原理閉環(huán)法原理：閉環(huán)法須要終端站發(fā)送特殊的同步信號(hào)，用以確定信號(hào)的時(shí)間和頻率誤差。種類：中心站有處理實(shí)力：中心站可以進(jìn)行實(shí)際的誤差測(cè)量。將測(cè)量信息用反向鏈路送回給終端站放射機(jī)。中心站沒(méi)有處理實(shí)力：此時(shí)將特殊同步信號(hào)干脆由反向鏈路送回終端站放射機(jī)。由終端站放射機(jī)自己解讀返回信號(hào)。52第13章同步原理優(yōu)缺點(diǎn)：在中心站處理的優(yōu)點(diǎn)：誤差測(cè)量結(jié)果可以是一個(gè)短的數(shù)字序列。當(dāng)一條反向鏈路為大量終端站所時(shí)分復(fù)用時(shí)，這樣有效地利用返回鏈路。中心站的誤差測(cè)量手段能夠被全部聯(lián)到中心站的終端站共享。大量節(jié)約了系統(tǒng)的處理實(shí)力。在終端站處理的優(yōu)點(diǎn)：中心站不須要易于接入，并且中心站可以設(shè)計(jì)得較簡(jiǎn)潔以提高牢靠性。響應(yīng)更快，沒(méi)有在中心站處理帶