通信原理第72章多路傳輸課件

第7章同步系統(tǒng)7.1概述7.2載波同步技術(shù)7.3位同步技術(shù)7.4群同步(幀同步)技術(shù)7.1概

述

不同功用的同步按照同步的功用來區(qū)分，有載波同步、位同步(碼元同步)、群同步(幀同步)等。

1.載波同步數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能是由解調(diào)方式?jīng)Q定的。相干解調(diào)中，首先要在接收端恢復(fù)出相干載波，這個相干載波應(yīng)與發(fā)送端的載波在頻率上同頻，在相位上保持某種同步關(guān)系。在接收端恢復(fù)這一相干載波的過程稱為載波跟蹤、載波提取或載波同步。載波同步是實(shí)現(xiàn)相干解調(diào)的先決條件。

2.位同步位同步又稱碼元同步。不管是基帶傳輸，還是頻帶傳輸(相干或非相干解調(diào))，都需要位同步。為了從該波形中恢復(fù)出原始的基帶數(shù)字信號，就要對它進(jìn)行取樣判決。因此，要在接收端產(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)要與接收碼元一致，以保證：①接收端的定時脈沖重復(fù)頻率和發(fā)送端的碼元速率相同;②取樣判決時刻對準(zhǔn)最佳取樣判決位置。在數(shù)字時分多路通信系統(tǒng)中，各路信碼都安排在指定的時隙內(nèi)傳送，以形成一定的幀結(jié)構(gòu)。在接收端為了正確地分離各路信號，首先要識別出每幀的起始時刻，從而找出各路時隙的位置。接收端必須產(chǎn)生與字、句和幀起止時間相一致的定時信號。在發(fā)送端提供每幀的起止標(biāo)記，而在接收端檢測并獲得這一標(biāo)志的過程就是幀同步。

不同傳輸方式的同步

1.外同步法由發(fā)送端發(fā)送專門的同步信息，接收端把這個專門的同步信息檢測出來作為同步信號的方法，

稱為外同步法。

2.自同步法發(fā)送端不發(fā)送專門的同步信息，接收端設(shè)法從收到的信號中提取同步信息的方法，稱為自同步法。在載波同步和位同步中，自同步法用的較多；在群同步中，一般都采用外同步法。同步對正常的信息傳輸來說是必要的，只有收發(fā)之間建立了同步才能開始傳輸信息。同步誤差小、相位抖動小以及同步建立時間短、保持時間長等為其主要指標(biāo)。由此可知，從e(t)中很容易通過窄帶濾波器取出2fc頻率成分，再經(jīng)過一個二分頻器就可得到fc的頻率成分，這就是所需要的同步載波。如果二分頻電路處理不當(dāng)，將會使fc信號倒相，造成的結(jié)果就是“相位模糊”，即“反向工作”。2.平方環(huán)法為了使恢復(fù)的相干載波更為純凈，常常在非線性處理之后加入鎖相環(huán)。特殊鎖相環(huán)法

1.同相—正交環(huán)法(科斯塔斯環(huán))那么輸入信號與v1,v2相乘后得經(jīng)過低通濾波器后分別得v5,v6經(jīng)過乘法器后得這個電壓經(jīng)過環(huán)路濾波器以后控制VCO，使它與ωc同頻，相位只差一個很小的θ。此時v1=cos(ωct+θ)就是要提取的同步載波，而 就是解調(diào)器的輸出。

2）同相-正交環(huán)法的優(yōu)缺點(diǎn)科斯塔斯環(huán)的優(yōu)點(diǎn)有兩個：一是科斯塔斯環(huán)工作在ωc頻率上，比平方環(huán)工作頻率低，且不用平方器件和分頻器；二是當(dāng)環(huán)路正常鎖定后，同相鑒相器的輸出就是所需要解調(diào)的原數(shù)字序列。因此，這種電路具有提取載波和相干解調(diào)的雙重功能。科斯塔斯環(huán)的缺點(diǎn)是電路較復(fù)雜以及存在著相位模糊的問題。

幾種信號的正頻域頻譜圖(a)相關(guān)編碼前的頻譜；(b)相關(guān)編碼后的頻譜(c)雙邊帶調(diào)制后的頻譜

在DSB發(fā)射機(jī)中插入導(dǎo)頻的方框圖

相干解調(diào)器

3.時域中插入導(dǎo)頻法時域插入法中對被傳輸數(shù)據(jù)信號和導(dǎo)頻信號在時間上加以區(qū)別。把一定數(shù)目的數(shù)字信號分作一組，稱為一幀。在每一幀中，除有一定數(shù)目的數(shù)字信號外，在t0—t1的時隙中傳送位同步信號，在t1—t2的時隙內(nèi)傳送幀同步信號，在t2—t3的時隙內(nèi)傳送載波同步信號，而在t3—t4時間內(nèi)才傳送數(shù)字信息；以后各幀都如此。時域中插入導(dǎo)頻方式的載波提取往往采用鎖相環(huán)路。時域中插入導(dǎo)頻法(a)信號分配示意圖；(b)采用鎖相環(huán)路的方框圖

載波同步系統(tǒng)的性能指標(biāo)載波同步系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)有效率、精度、同步建立時間和同步保持時間。1.效率為獲得同步，載波信號應(yīng)盡量少地消耗發(fā)送功率。2.精度精度是指提取的同步載波與需要的載波標(biāo)準(zhǔn)比較，應(yīng)該有盡量小的相位誤差。7.3位同步技術(shù)

位同步的概念

位同步是數(shù)字通信中非常重要的一種同步技術(shù)，它是指在接收端的基帶信號中提取碼元定時的過程。

2.對位同步信號的要求對位同步信號的要求有兩方面：一是使收信端的位同步脈沖頻率和發(fā)送端的碼元速率相同;二是使收信端在最佳接收時刻對接收碼元進(jìn)行抽樣判決。3.位同步方法的分類

直接法(自同步法)和插入導(dǎo)頻法(外同步法)插入和提取位定時導(dǎo)頻的方框圖(a)發(fā)送端；(b)接收端

自同步法1.從基帶數(shù)字信號中提取同步信息1)微分、全波整流濾波法通常的基帶數(shù)字信號是不歸零的脈沖序列，可將不歸零序列變換成歸零序列，然后用窄帶濾波器來濾取位同步信號。微分、全波整流濾波法是一種常規(guī)的位同步提取方法。

微分、全波整流濾波法方框圖及各點(diǎn)波形(a)方框圖；(b)波形圖

2.從已調(diào)信號中提取位同步信息

1)包絡(luò)檢波濾波法頻帶受限的中頻PSK信號在相位反轉(zhuǎn)點(diǎn)處形成幅度的“陷落”，因此采用包絡(luò)檢波濾波法來提取位同步信息。2)延遲相干濾波法

當(dāng)中頻濾波器的帶寬遠(yuǎn)大于信號頻譜寬度或由于在中頻放大器中采用了對稱限幅器而將包絡(luò)削平時，無法采用包絡(luò)檢波濾波法來提取位同步信息。2PSK信號e1(t)和經(jīng)過延遲τ時間的信號e2(t)相乘，得到一組脈沖寬度為τ的歸零序列v(t)，位同步頻率分量可用窄帶濾波器濾取。當(dāng)τ值等于碼元長度Ts的一半(即Ts/2)時，所含的位同步分量達(dá)到最大值。位同步系統(tǒng)的性能指標(biāo)1.相位誤差位同步信號的平均相位和最佳取樣點(diǎn)的相位之間的偏差稱為靜態(tài)相差。靜態(tài)相差越小，誤碼率越低。2.同步建立時間同步建立時間即為失去同步后重建同步所需的最長時間。通常要求同步建立的時間要短。

3.同步保持時間當(dāng)同步建立后，一旦輸入信號中斷，或者遇到長連0碼、長連1碼時，由于接收碼元過零脈沖沒有，鎖相系統(tǒng)因?yàn)闆]有輸入相位基準(zhǔn)而不起作用，此時收、發(fā)雙方的固有位定時重復(fù)頻率有誤差。所允許的誤差到達(dá)時間決定同步保持時間。同步保持時間越長越好。4.同步帶寬收、發(fā)雙方位定時頻率之差若超過一定范圍，無法使接收端位同步脈沖的相位與輸入信號的相位同步。要求同步帶寬越小越好。7.4群同步(幀同步)技術(shù)

對群同步系統(tǒng)的基本要求群同步問題實(shí)質(zhì)上是一個對群同步標(biāo)志進(jìn)行檢測的問題。群同步系統(tǒng)通常應(yīng)滿足以下基本要求：(1)正確建立同步的概率要大，即漏同步概率要小，錯誤同步或假同步的概率要小；(2)捕獲時間要短，即同步建立的時間要短；(3)穩(wěn)定地保持同步，采取保持措施，使同步保持時間持久穩(wěn)定；(4)在滿足群同步性能要求的條件下，群同步碼的長度應(yīng)盡可能短些，這樣可以提高信息傳輸效率。

前方保護(hù)時間是指從第一個同步碼丟失起到同步系統(tǒng)進(jìn)入捕捉狀態(tài)為止的一段時間。

信息碼流中都有可能出現(xiàn)與同步碼圖案相同的碼組，而造成同步動作，這種碼組稱為偽同步碼。后方保護(hù)時間是指從同步系統(tǒng)捕捉到第一個真同步碼到進(jìn)入同步狀態(tài)的一段時間。起止式同步法數(shù)字電傳機(jī)中廣泛使用。開頭的負(fù)值脈沖稱為“起脈沖”；末尾的正值脈沖稱為“止脈沖”（1.5個碼元寬度）。接收端就是根據(jù)的正電平第一次轉(zhuǎn)換到負(fù)電平這一特殊規(guī)律來確定一個字的起始位置的，從而實(shí)現(xiàn)了群同步。每個波形由7.5個碼元寬度組成，只有5個碼元用于傳輸信息，所以效率較低。連貫式插入法連貫式插入法又稱為集中插入法。將幀同步碼以集中的形式插入到信息碼流一幀的開始處。此方法關(guān)鍵是找出特殊碼組（不易出現(xiàn)）。最常用的群同步碼組是巴克碼。例如在PCM30/32路系統(tǒng)中，群同步的方式采用的就是連貫式插入法，它們的碼型是“0011011”。連貫式插入法的優(yōu)點(diǎn)是能夠迅速地建立群同步。1．巴克碼巴克碼的特殊規(guī)律是：

若一個n位的巴克碼｛x1,x2,x3,…,xn｝，每個碼元xi只可能取值+1或-1，則它必然滿足條件

式中, 稱為局部自相關(guān)函數(shù)。目前已找到的巴克碼組如表所示。表中“+”表示+1,“-”表示-1。

巴克碼組

以n=7為例，它的局部自相關(guān)函數(shù)如下：

同樣可以求出j=3,4,5,6,7以及j=-1,-2,-3,-4,-5,-6,-7時R(j)的值為

j=0,

R(j)=7j=±1,±3,±5,±7， R(j)=0j=±2,±4,±6, R(j)=-1根據(jù)這些值，可以作出7位巴克碼的R(j)與j的關(guān)系曲線，見下圖

。

7位巴克碼的R(j)與j的關(guān)系曲線

2.巴克碼識別器以7位巴克碼1110010為例。用7級移相寄存器、相加器和判決器組成一個巴克碼識別器。對輸入的信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，只有當(dāng)7位巴克碼在某一時刻正好全部進(jìn)入7位寄存器時，7個移位寄存器輸出端都輸出+1，相加后的最大輸出為+7，其余情況相加結(jié)果均小于+7。對于數(shù)字信息序列，幾乎不可能出現(xiàn)與巴克碼組相同的信息，故識別器的相加輸出也只能小于+7。間歇式插入法間歇式插入法又稱為分散插入法，將群同步碼以分散的形式插入信息碼流中。多用在多路數(shù)字電路系統(tǒng)中。群同步碼均勻地分散插入在一幀之內(nèi)。間歇式插入法的缺點(diǎn)是當(dāng)失步時，同步恢復(fù)時間較長，因?yàn)槿绻l(fā)生了群失步，則需要逐個碼位進(jìn)行比較檢驗(yàn)，直到重新收到群同步的位置，才能恢復(fù)群同步。此法的另一缺點(diǎn)是設(shè)備較復(fù)雜，因?yàn)樗幌襁B貫式插入法那樣，群同步信號集中插入在一起，而是要將群同步在每一子幀里插入一位碼，

這樣群同步碼編碼后還需要加以存儲。

群同步系統(tǒng)的性能指標(biāo)

1.群同步可靠性群同步可靠性受兩個因素的影響：漏同步概率，記為P1；假同步概率，記為P2。這是衡量群同步可靠性的兩個主要指標(biāo)，它們之間是矛盾的。

2.群同步平均建立時間ts對于連貫式插入法，假設(shè)漏同步和假同步都不出現(xiàn)，在最不利的情況下，實(shí)現(xiàn)幀同步最多需要一幀時間，設(shè)每幀的碼元數(shù)為N,每碼元的時間寬度為Tb，則一幀的時間為NTb。在建立同步過程中，如出現(xiàn)一次漏同步，則建立時間要增加NTb；如出現(xiàn)一次假同步，建立時間也要增加NTb，因此，幀同步的平均建立時間為對于分散式插入法，其平均建立時間經(jīng)過分析計(jì)算可得群同步的保護(hù)在數(shù)字通信系統(tǒng)中，由于噪聲和干擾的影響，當(dāng)有誤碼存在時，就會有漏同步的問題；另外，由于信息碼中也可能偶然出現(xiàn)群同步碼，這樣就會產(chǎn)生假同步的問題。為此，要增加群同步的保護(hù)措施，以提高群同步