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1 通信原理 第13同步原理 2 第13章同步原理 13 1概述數(shù)字通信系統(tǒng)中的同步種類 載波同步 碼元同步 群同步和網(wǎng)同步 載波同步 又稱載波恢復(fù) 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) 方法 接收信號(hào)中有載頻分量時(shí) 需要調(diào)整其相位 接收信號(hào)中無(wú)載頻分量時(shí) 需從信號(hào)中提取載波 或插入輔助同步信息 3 第13章同步原理 碼元同步 又稱時(shí)鐘同步或時(shí)鐘恢復(fù) 對(duì)于二進(jìn)制信號(hào) 又稱位同步 目的 得知每個(gè)接收碼元準(zhǔn)確的起止時(shí)刻 以便決定積分和判決時(shí)刻 方法 從接收信號(hào)中獲取同步信息 由其產(chǎn)生一時(shí)鐘脈沖序列 使后者和接收碼元起止時(shí)刻保持正確關(guān)系 或插入輔助同步信息 群同步 又稱幀同步 目的 將接收碼元正確分組 方法 通常需要在發(fā)送信號(hào)中周期性地插入一個(gè)同步碼元 標(biāo)示出分組位置 網(wǎng)同步 使通信網(wǎng)中各站點(diǎn)時(shí)鐘之間保持同步 4 第13章同步原理 13 2載波同步13 2 1有輔助導(dǎo)頻時(shí)的載頻提取用于不包含載頻分量的信號(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) 多采用鎖相環(huán) PLL 提取載波 鎖相環(huán)原理方框圖 5 第13章同步原理 對(duì)環(huán)路濾波器的要求 通帶越窄 能夠通過的噪聲越少 但是對(duì)導(dǎo)頻相位漂移的限制越大 數(shù)字化接收機(jī)中鎖相環(huán)的實(shí)現(xiàn)方法 窄帶濾波器 改用數(shù)字濾波器壓控振蕩器 用只讀存儲(chǔ)器代替鑒相器 可以是一組匹配濾波器 6 第13章同步原理 13 2 2無(wú)輔助導(dǎo)頻時(shí)的載波提取平方環(huán) 以2PSK信號(hào)為例進(jìn)行討論 設(shè)信號(hào)式中 m t 1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的離散分量 將上式平方 得到由上式可見 其中包含2倍載頻的頻率分量 將此2倍頻分量用窄帶濾波器濾出后再作2分頻 即可得出所需載頻 方框圖如下 7 第13章同步原理 此方案的缺點(diǎn) 1 相位含糊性 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決定于分頻器的隨機(jī)初始狀態(tài) 采用2DPSK體制可以避免此缺點(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分量 使鎖相環(huán)鎖定在錯(cuò)誤的頻率上 解決這個(gè)問題的辦法是降低環(huán)路濾波器的帶寬 8 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 9 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 c點(diǎn)的電壓 d點(diǎn)的電壓 e點(diǎn)的電壓 f點(diǎn)的電壓 g點(diǎn)的電壓 上式中的 是壓控振蕩電壓和接收載波相位之差 10 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通過環(huán)路濾波器 控制壓控振蕩器的振蕩頻率 這個(gè)電壓控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 11 第13章同步原理 由上式可見 當(dāng) 很小時(shí) 除了差一個(gè)常數(shù)因子外 電壓ve就近似等于解調(diào)輸出電壓m t 所以科斯塔斯環(huán)本身就同時(shí)兼有提取相干載波和相干解調(diào)的功能 優(yōu)缺點(diǎn) 1 不需要對(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含糊性 12 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 13 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)過低通濾波后 在d點(diǎn)的電壓為vd實(shí)際上就是解調(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 14 第13章同步原理 vf經(jīng)過窄帶低通濾波后 得到壓控振蕩器的控制電壓將上式的控制電壓和科斯塔斯環(huán)的控制電壓式比較可見 這兩個(gè)方案中的壓控振蕩器的控制電壓相同 15 第13章同步原理 多進(jìn)制信號(hào)的載頻恢復(fù)例 QPSK信號(hào)提取載頻的科斯塔斯環(huán)法原理方框圖 16 第13章同步原理 13 2 3載波同步的性能相位誤差相位誤差的種類恒定誤差 由電路參量引起的隨機(jī)誤差 由噪聲引起的恒定誤差分析 當(dāng)提取載波電路中存在窄帶濾波器時(shí) 若其中心頻率fq和載波頻率f0不相等 存在頻率偏差 f 則載波通過它時(shí)會(huì)有附加相移 設(shè)此窄帶濾波器由一個(gè)單諧振電路組成 則由其引起的附加相移等于由上式可見 電路的Q值越大 附加相移也成比例地增大 17 第13章同步原理 當(dāng)提取載頻的電路中采用鎖相環(huán)時(shí) 若鎖相環(huán)工作在穩(wěn)態(tài) 壓控振蕩電壓的頻率f0應(yīng)當(dāng)和信號(hào)載頻fc相同 并且其相位誤差應(yīng)當(dāng)很小 設(shè)鎖相環(huán)壓控振蕩電壓的穩(wěn)態(tài)相位誤差為 則有式中 f是fc和f0之差 而Kd為鎖相環(huán)路直流增益 為了減小誤差 由上式可見 應(yīng)當(dāng)盡量增大環(huán)路的增益Kd 18 第13章同步原理 隨機(jī)誤差分析設(shè)這種相位誤差為 n 它是由窄帶高斯噪聲引起的 所以是一個(gè)隨機(jī)量 當(dāng)大信噪比時(shí) 此隨機(jī)相位誤差 n的概率密度函數(shù)近似為所以 在 n 0附近 對(duì)于大的r f n 可以寫為我們知道 均值為0的正態(tài)分布的概率密度函數(shù)表示式為 19 第13章同步原理 參照上式正態(tài)分布概率密度的形式 f n 的公式可以改寫為故此隨機(jī)相位誤差 n的方差與信號(hào)噪聲功率比r的關(guān)系為所以 當(dāng)大信噪比時(shí) 由窄帶高斯噪聲引起的隨機(jī)相位誤差的方差大小直接和信噪比成反比 我們常將此隨機(jī)相位誤差 n的標(biāo)準(zhǔn)偏差稱為相位抖動(dòng) 并記為 20 第13章同步原理 在提取載頻電路中的窄帶濾波器對(duì)于信噪比有直接的影響 對(duì)于給定的噪聲功率譜密度 窄帶濾波器的通頻帶越窄 使通過的噪聲功率越小 信噪比就越大 這樣隨機(jī)相位誤差越小 另一方面 通頻帶越窄 要求濾波器的Q值越大 則恒定相位誤差 越大 所以 恒定相位誤差和隨機(jī)相位誤差對(duì)于Q值的要求是矛盾的 21 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 從開始接收到信號(hào) 或從系統(tǒng)失步狀態(tài) 到提取出穩(wěn)定的載頻所需要的時(shí)間 顯然我們要求此時(shí)間越短越好 在同步建立時(shí)間內(nèi) 由于相干載頻的相位還沒有調(diào)整穩(wěn)定 所以不能正確接收碼元 同步保持時(shí)間 從開始失去信號(hào)到失去載頻同步的時(shí)間 顯然希望此時(shí)間越長(zhǎng)越好 長(zhǎng)的同步保持時(shí)間有可能使信號(hào)短暫丟失時(shí) 或接收斷續(xù)信號(hào)時(shí) 不需要重新建立同步 保持連續(xù)提供穩(wěn)定的本地載頻 22 第13章同步原理 同步建立時(shí)間和保持時(shí)間的關(guān)系在同步電路中的低通濾波器和環(huán)路濾波器都是通頻帶很窄的電路 一個(gè)濾波器的通頻帶越窄 其惰性越大 當(dāng)在其輸入端加入一個(gè)正弦振蕩時(shí) 它輸出端振蕩的建立時(shí)間越長(zhǎng) 當(dāng)輸入振蕩截止時(shí) 輸出端振蕩的保持時(shí)間也越長(zhǎng) 顯然 這個(gè)特性和我們對(duì)于同步性能的要求是相左的 即建立時(shí)間短和保持時(shí)間長(zhǎng)是互相矛盾的要求 在設(shè)計(jì)同步系統(tǒng)時(shí)只能折中處理 23 第13章同步原理 載波同步誤差對(duì)解調(diào)信號(hào)的影響載波同步的相位誤差 包括兩部分恒定誤差 和隨機(jī)誤差 相位抖動(dòng) 現(xiàn)在將其寫為 相位誤差對(duì)于2PSK信號(hào)誤碼率的影響 由科斯塔斯環(huán)的輸出電壓可知 其中 為相位誤差 ve即解調(diào)輸出電壓 而cos 就是由于相位誤差引起的解調(diào)信號(hào)電壓下降 因此信號(hào)噪聲功率比r下降至cos2 倍 將它代入誤碼率公式 得到相位誤差為 時(shí)的誤碼率等于式中 r為信號(hào)噪聲功率比 24 第13章同步原理 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cos ct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)過低通濾波器濾出的低頻分量為其中第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 25 第13章同步原理 13 3碼元同步碼元同步目的 準(zhǔn)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 它是一種利用輔助信息同步的方法 需要在信號(hào)中另外加入包含碼元定時(shí)信息的導(dǎo)頻或數(shù)據(jù)序列 自同步法 它不需要輔助同步信息 直接從信息碼元中提取出碼元定時(shí)信息 顯然 這種方法要求在信息碼元序列中含有碼元定時(shí)信息 26 第13章同步原理 13 3 1外同步法常用的外同步法 于發(fā)送信號(hào)中插入頻率為碼元速率 1 T 或碼元速率的倍數(shù)的同步信號(hào) 在接收端利用一個(gè)窄帶濾波器 將其分離出來 并形成碼元定時(shí)脈沖 優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備較簡(jiǎn)單 缺點(diǎn)是需要占用一定的頻帶寬帶和發(fā)送功率 插入碼元同步信號(hào)的方法時(shí)域 連續(xù)插入增加 同步頭 頻域 在信息碼元頻譜之外占用一段頻譜用于傳輸同步信息利用信息碼元頻譜中的 空隙 處 插入同步信息外同步法目前采用不多 27 第13章同步原理 13 3 2自同步法自同步法分類 開環(huán)同步法 由于二進(jìn)制等先驗(yàn)概率的不歸零碼元序列中沒有離散的碼元速率頻譜分量 故需要在接收時(shí)對(duì)其進(jìn)行某種非線性變換 才能使其頻譜中含有離散的碼元速率頻譜分量 并從中提取碼元定時(shí)信息 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 28 第13章同步原理 開環(huán)碼元同步法延遲相乘法原理方框圖相乘器輸入和輸出的波形 延遲相乘后碼元波形的后一半永遠(yuǎn)是正值 而前一半則當(dāng)輸入狀態(tài)有改變時(shí)為負(fù)值 因此 變換后的碼元序列的頻譜中就產(chǎn)生了碼元速率的分量 延遲時(shí)間等于碼元時(shí)間一半時(shí) 碼元速率分量最強(qiáng) 29 第13章同步原理 微分整流法原理同步誤差若窄帶濾波器的帶寬等于1 KT 其中K為一個(gè)常數(shù) 則提取同步的時(shí)間誤差比例為 T 碼元持續(xù)時(shí)間 Eb 碼元能量 n0 單邊噪聲功率譜密度 只要接收信噪比大 上述方案能保證足夠準(zhǔn)確的碼元同步 式中 同步誤差時(shí)間的均值 30 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 超前 滯后門 同步器 原理方框圖 31 第13章同步原理 工作原理 32 第13章同步原理 存在的問題和解決辦法在上面討論中已經(jīng)假定接收信號(hào)中的碼元波形有突跳邊沿 若它沒有突跳邊沿 則無(wú)論有無(wú)同步時(shí)間誤差 超前門和滯后門的積分結(jié)果總是相等 這樣就沒有誤差信號(hào)去控制壓控振蕩器 故不能使用此法取得同步 這個(gè)問題在所有自同步法的碼元同步器中都存在 在設(shè)計(jì)時(shí)必須加以考慮 此外 由于兩個(gè)支路積分器的性能也不可能做得完全一樣 這樣將使本來應(yīng)該等于零的誤差值產(chǎn)生偏差 當(dāng)接收碼元序列中較長(zhǎng)時(shí)間沒有突跳邊沿時(shí) 此誤差值偏差持續(xù)地加在壓控振蕩器上 使振蕩頻率持續(xù)偏移 從而會(huì)使系統(tǒng)失去同步 為了使接收碼元序列中不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間地沒有突跳邊沿 可以在發(fā)送時(shí)對(duì)基帶碼元的傳輸碼型作某種變換 例如改用HDB3碼 或用擾亂技術(shù) 使發(fā)送碼元序列不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間地沒有突跳邊沿 33 第13章同步原理 13 3 3碼元同步誤差對(duì)于誤碼率的影響在用匹配濾波器或相關(guān)器接收碼元時(shí) 其積分器的積分時(shí)間長(zhǎng)短直接和信噪比Eb n0有關(guān) 若積分區(qū)間比碼元持續(xù)時(shí)間短 則積分的碼元能量Eb顯然下降 而噪聲功率譜密度n0卻不受影響 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 在相鄰碼元沒有突變邊沿時(shí) 則積分時(shí)間沒有損失 對(duì)于等概率隨機(jī)碼元信號(hào) 有突變的邊沿和無(wú)突變的邊沿各占1 2 以等概率2PSK信號(hào)為例 其最佳誤碼率為 故在有相位誤差時(shí)的平均誤碼率為 34 第13章同步原理 13 4群同步13 4 1概述群同步碼的種類 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 35 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 36 第13章同步原理 同步電路的狀態(tài) 捕捉態(tài) 在捕捉態(tài)時(shí) 確認(rèn)搜索到群同步碼的條件必須規(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) 在保持態(tài)下 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)該降低判斷同步的條件 以使系統(tǒng)穩(wěn)定工作 37 第13章同步原理 13 4 2集中插入法 又稱連貫式插入法 原理 采用特殊的群同步碼組 集中插入在信息碼組的前頭 使得接收時(shí)能夠容易地立即捕獲它 因此 要求群同步碼的自相關(guān)特性曲線具有尖銳的單峰 以便容易地從接收碼元序列中識(shí)別出來 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)1 i N xi 0 當(dāng)1 i和i N 38 第13章同步原理 顯然可見 當(dāng)j 0時(shí) 若一個(gè)碼組的自相關(guān)函數(shù)僅在R 0 處出現(xiàn)峰值 其他處的R j 值均很小 則可以用求自相關(guān)函數(shù)的方法尋找峰值 從而發(fā)現(xiàn)此碼組并確定其位置 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 上式表明 巴克碼的R 0 N 而在其他處的自相關(guān)函數(shù)R j 的絕對(duì)值均不大于1 這就是說 凡是滿足上式的碼組 就稱為巴克碼 39 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)間順序相反的碼 也是巴克碼 40 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 其自相關(guān)函數(shù)絕對(duì)值除R 0 外 均不大于1 41 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 實(shí)際通信情況中 在巴克碼前后有其他碼元存在 但是 若假設(shè)信號(hào)碼元的出現(xiàn)是等概率的 則相當(dāng)于在巴克碼前后的碼元取值平均為0 所以平均而言 計(jì)算巴克碼的局部自相關(guān)函數(shù)的結(jié)果 近似地符合在實(shí)際通信情況中計(jì)算全部自相關(guān)函數(shù)的結(jié)果 42 第13章同步原理 集中插入法群同步碼檢測(cè)流程 43 第13章同步原理 13 4 3分散插入法 原理 通常 分散插入法的群同步碼都很短 例如 在數(shù)字電話系統(tǒng)中常采用 10 交替碼 即在下圖所示的同步碼元位置上輪流發(fā)送二進(jìn)制數(shù)字 1 和 0 這種有規(guī)律的周期性地出現(xiàn)的 10 交替碼 在信息碼元序列中極少可能出現(xiàn) 因此在接收端有可能將同步碼的位置檢測(cè)出來 44 第13章同步原理 在接收端 為了找到群同步碼的位置 需要按照其出現(xiàn)周期搜索若干個(gè)周期 若在規(guī)定數(shù)目的搜索周期內(nèi) 在同步碼的位置上 都滿足 1 和 0 交替出現(xiàn)的規(guī)律 則認(rèn)為該位置就是群同步碼元的位置 至于具體的搜索方法 由于計(jì)算技術(shù)的發(fā)展 目前多采用軟件的方法 不再采用硬件邏輯電路實(shí)現(xiàn) 45 第13章同步原理 軟件搜索方法移位搜索法系統(tǒng)開始處于捕捉態(tài) 對(duì)接收碼元逐個(gè)考察 若考察的第一個(gè)接收碼元就發(fā)現(xiàn)它符合群同步碼元的要求 則暫時(shí)假定它就是群同步碼元 在等待一個(gè)周期后 再考察下一個(gè)預(yù)期位置上的碼元是否還符合要求 若連續(xù)n個(gè)周期都符合要求 就認(rèn)為捕捉到了群同步碼 若第一個(gè)接收碼元不符合要求或在n個(gè)周期內(nèi)出現(xiàn)一次被考察的碼元不符合要求 則推遲一位考察下一個(gè)接收碼元 直至找到符合要求的碼元并保持連續(xù)n個(gè)周期都符合為止 這時(shí)捕捉態(tài)轉(zhuǎn)為保持態(tài) 46 第13章同步原理 在保持態(tài) 同步電路仍然要不斷考察同步碼是否正確 但是為了防止考察時(shí)因噪聲偶然發(fā)生一次錯(cuò)誤而導(dǎo)致錯(cuò)認(rèn)為失去同步 一般可以規(guī)定在連續(xù)n個(gè)周期內(nèi)發(fā)生m次 m n 考察錯(cuò)誤才認(rèn)為是失去同步 這種措施稱為同步保護(hù) 在下圖中畫出了上述方法的流程圖 47 第13章同步原理 48 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) 下圖畫出了一個(gè)RAM的示意圖 它按先進(jìn)先出 FIFO 的原理工作 49 第13章同步原理 圖中畫出的存儲(chǔ)容量為40b 相當(dāng)于5幀信息碼元長(zhǎng)度 每幀長(zhǎng)8b 其中包括1b同步碼 在每個(gè)方格中 上部陰影區(qū)內(nèi)的數(shù)字是碼元的編號(hào) 下部的數(shù)字是碼元的取值 1 或 0 而 x 代表任意值 編號(hào)為 01 的碼元最先進(jìn)入RAM 編號(hào) 40 的碼元為當(dāng)前進(jìn)入RAM的碼元 每當(dāng)進(jìn)入1比特時(shí) 立即檢驗(yàn)最右列存儲(chǔ)位置中的碼元是否符合同步序列的規(guī)律 例如 10 交替 按照?qǐng)D示 相當(dāng)只連續(xù)檢驗(yàn)了5個(gè)周期 若它們都符合同步序列的規(guī)律 則判定新進(jìn)入的碼元為同步碼元 若不完全符合 則在下1比特進(jìn)入時(shí)繼續(xù)檢驗(yàn) 50 第13章同步原理 實(shí)際應(yīng)用的方案中 這種方案需要連續(xù)檢驗(yàn)的幀數(shù)和時(shí)間可能較長(zhǎng) 例如在單路數(shù)字電話系統(tǒng)中 每幀長(zhǎng)度可能有50多比特 而檢驗(yàn)幀數(shù)可能有數(shù)十幀 這種方法也需要加用同步保護(hù)措施 它的原理與第一種方法中的類似 51 第13章同步原理 13 4 4群同步性能主要性能指標(biāo) 假同步概率Pf 當(dāng)捕捉時(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捉到 產(chǎn)生假同步的主要原因是由于噪聲的影響使信息碼元錯(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而沒有捕捉到 漏同步的主要原因是噪聲的影響 使正確的同步碼元變成錯(cuò)誤的碼元 52 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)樯鲜骄褪遣辉试S有錯(cuò)同步碼時(shí)漏同步的概率 53 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 即其中 1 和 0 的先驗(yàn)概率相等 并且假設(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) 54 第13章同步原理 比較比較漏同步和假同步公式可見 當(dāng)判定條件放寬時(shí) 即m增大時(shí) 漏同步概率減小 但假同步概率增大 設(shè)計(jì)時(shí)需折中考慮 平均建立時(shí)間 從開始捕捉轉(zhuǎn)變到保持態(tài)所需的時(shí)間 現(xiàn)以集中插入法為例進(jìn)行計(jì)算 假設(shè)漏同步和假同步都不發(fā)生 則由于在一個(gè)群同步周期內(nèi)一定會(huì)有一次同步碼組出現(xiàn) 所以按照上流程圖捕捉同步碼組時(shí) 最長(zhǎng)需要等待一個(gè)周期的時(shí)間 最短則不需等待 立即捕到 平均而言 需要等待半個(gè)周期的時(shí)間 設(shè)N為每群的碼元數(shù)目 其中群同步碼元數(shù)目為n T為碼元持續(xù)時(shí)間 則一群的時(shí)間為NT 它就是捕捉到同步碼組需要的最長(zhǎng)時(shí)間 而平均捕捉時(shí)間為NT 2 若考慮到出現(xiàn)一次漏同步或假同步大約需要多用NT的時(shí)間才能捕獲到同步碼組 故這時(shí)的群同步平均建立時(shí)間約為te NT 1 2 Pf Pl 55 第13章同步原理 13 4 5起止式同步起止式同步法用途 它主要適用于電傳打字機(jī)中 電傳打字機(jī)中起止式同步法原理 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)的輸出電壓一直處于高電平狀態(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 56 第13章同步原理 為了保持字符間的間隔 又規(guī)定在 起脈沖 前的高電平寬度至少為1 5T 并稱它為 止脈沖 所以通常將起止式同步的一個(gè)字符的長(zhǎng)度定義為7 5T 在手工操作輸入字符時(shí) 止脈沖 的長(zhǎng)度是隨機(jī)的 但是至少為1 5T 由于每個(gè)字符的長(zhǎng)度很短 所以本地時(shí)鐘不需要很精確就能在這5個(gè)碼元的周期內(nèi)保持足夠的準(zhǔn)確 起止式同步的碼組中 字符的數(shù)目不必須是5個(gè) 例如也可能采用7位的ASCII碼 起止式同步有時(shí)也稱為異步式通信 因?yàn)樵谄漭敵龃a元序列中碼元的間隔不等 57 第13章同步原理 13 4 6自群同步唯一可譯碼假設(shè)現(xiàn)共有4種天氣狀態(tài)需要傳輸 將其用二進(jìn)制編碼表示 如下表所示 當(dāng)接收端收到的數(shù)字序列為 1110110110 時(shí) 它將唯一地可以譯為 雨晴陰陰 保證唯一可譯的充分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 58 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)碼字的開頭 例如 下表中的編碼是唯一可譯碼 但是不是瞬時(shí)可譯碼 例如 在收到 10 后 必須等待下一個(gè)符號(hào)是 0 還是 1 才能確定譯為 雨 還是 陰 在這種編碼中 晴 1 是 陰 10 的詞頭 并且 陰 10 是 雨 100 的詞頭 59 第13章同步原理 唯一可譯碼的唯一可譯性是有條件的 即必須正確接收到開頭的第一個(gè)或前幾個(gè)碼元 例如 在下表的例子中當(dāng)發(fā)送序列是 1110110110 時(shí) 若接收時(shí)丟失了第一個(gè)符號(hào) 則接收序列將變成 110110110 這樣它將被譯為 陰陰陰 從這個(gè)例子可以看出 為了能正確接收丟失開頭碼元的信息序列 要求該編碼不僅應(yīng)該是唯一可譯的 而且是可同步的 60 第13章同步原理 可同步編碼由其構(gòu)成的序列在接收時(shí)若丟失了開頭的一個(gè)或幾個(gè)碼元 則將變成是不可譯的或是經(jīng)過對(duì)開頭幾個(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 按照下表編碼發(fā)送天氣狀態(tài) 當(dāng)發(fā)送的天氣狀態(tài)是 云雨陰晴 時(shí) 發(fā)送碼元序列為 100110110101 若第一個(gè)碼元丟失 則收到的序列將為 00110110101 由于前兩個(gè)碼元為 00 它無(wú)法譯出 故得知同步有誤 譯碼器將從第二個(gè)碼元開始譯碼 即對(duì) 0110110101 譯碼 并譯為 晴陰陰晴 可以看出 這時(shí)前兩個(gè)碼字錯(cuò)譯了 但是從第3個(gè)碼字開始已自動(dòng)恢復(fù)正確的同步 若前兩個(gè)碼元都丟失了 則收到的序列將是 01101101 這時(shí)也是從第3個(gè)碼字開始恢復(fù)正確的同步 61 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 在下表中給出了一種三進(jìn)制的碼長(zhǎng)等于3的無(wú)逗號(hào)碼 可以驗(yàn)證 這8個(gè)碼字中任何兩個(gè)碼字的拼合所形成的碼長(zhǎng)等于3的碼字都和這8個(gè)碼字不同 例如 AB 的編碼為 100101 從其中拼合出的3位碼字有 001 010 它們都不是表中的碼字 所以這種編碼能夠自動(dòng)正確地區(qū)分每個(gè)接收碼字 目前無(wú)逗號(hào)碼尚無(wú)一般的構(gòu)造方法 62 第13章同步原理 13 4 7擴(kuò)譜通信系統(tǒng)的同步在擴(kuò)譜通信系統(tǒng)中 接收端使本地偽隨機(jī)碼和收到的偽隨機(jī)碼同步的方法分為兩步 第一步是捕獲 即達(dá)到兩者粗略同步 相位誤差小于一個(gè)碼元 第二步是跟蹤 即將相位誤差減少到最小 并保持下去 63 第13章同步原理 捕獲 捕獲有不同的方法 下面以直接序列擴(kuò)譜系統(tǒng)為例介紹幾種方法 串行搜索法原理方框圖 64 第13章同步原理 工作過程初始狀態(tài) 沒有捕獲到偽碼時(shí) 接收高頻擴(kuò)譜信號(hào)在混頻器中和擴(kuò)譜的本地振蕩電壓相乘 得出類似噪聲狀的寬帶的中頻信號(hào) 它通過窄帶中頻放大器和解調(diào)器后 電壓很小 因此 搜索控制器的輸入電壓很小 它控制偽碼產(chǎn)生器 使其產(chǎn)生的偽碼的相位不斷地移動(dòng)半個(gè)碼片 當(dāng)偽碼產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽碼相位和接收信號(hào)的偽碼相位相差不到一個(gè)碼片時(shí) 混頻器輸出一個(gè)窄帶中頻信號(hào) 它經(jīng)過中放和解調(diào)后 送給搜索控制器一個(gè)大的電壓 它使偽碼產(chǎn)生器停止相位調(diào)整 于是系統(tǒng)捕獲到偽碼相位 并進(jìn)入跟蹤狀態(tài) 優(yōu)缺點(diǎn) 上述串行搜索法的電路和運(yùn)算較簡(jiǎn)單 但是當(dāng)偽碼的長(zhǎng)度很長(zhǎng)時(shí) 需要搜索的時(shí)間也隨之增長(zhǎng) 65 第13章同步原理 并行搜索法工作原理 在并行搜索法中 將相位相隔半個(gè)碼片時(shí)間Tc 2的偽碼序列同時(shí)在許多并行支路中和接收信號(hào)作相關(guān)運(yùn)算 然后在比較器中比較各路的電壓大小 選擇電壓最大的一路作為捕捉到的偽碼相位 原理方框圖 缺點(diǎn) 當(dāng)N很大時(shí) 電路和運(yùn)算相當(dāng)復(fù)雜 66 第13章同步原理 前置同步碼法在上面介紹的擴(kuò)譜碼同步方案中 當(dāng)偽碼的長(zhǎng)度很長(zhǎng)時(shí) 搜索時(shí)間也因之很長(zhǎng) 為了縮短搜索時(shí)間 可以前置一個(gè)較短的同步碼組 以縮短搜索時(shí)間 同步碼組縮短后 搜索時(shí)間雖然短了 但是錯(cuò)誤捕獲的概率會(huì)增大 典型的前置同步碼組的長(zhǎng)度在幾百至幾千碼元 決定于系統(tǒng)的要求 67 第13章同步原理 跟蹤延遲鎖定跟蹤環(huán)原理方框圖 68 第13章同步原理 工作原理 圖中接收機(jī)的偽碼產(chǎn)生器將兩個(gè)相差1碼片時(shí)間 Tc 的本地偽碼輸出到兩個(gè)相關(guān)器 分別和接收信號(hào)作相關(guān)運(yùn)算 送到早相關(guān)器的偽碼是p t Tc 2 送到遲相關(guān)器的偽碼是p t Tc 2 而送入兩相關(guān)器的接收信號(hào)則是式中A 接收信號(hào)振幅 g t 1 基帶數(shù)字信號(hào) p t 偽碼 c 載波角頻率 載波相位 接收信號(hào)和兩個(gè)本地偽碼相乘后 經(jīng)過包絡(luò)檢波 檢波器輸出為 E Ag t p t p t Tc 2 其中E 表示求平均值 69 第13章同步原理 忽略常數(shù)因子A 并且考慮到 g t 1 則上式就是接收偽碼和本地偽碼的相關(guān)函數(shù)的絕對(duì)值 遲相關(guān)器支路 R Tc 2 E p t p t Tc 2 早相關(guān)器支路 R Tc 2 E p t p t Tc 2 由于接收偽碼和本地偽碼的結(jié)構(gòu)相同 只是相位不同 所以上式中求的相關(guān)函數(shù)是自相關(guān)函數(shù) 這就是說 包絡(luò)檢波器的輸出就是偽碼的自相關(guān)函數(shù)的絕對(duì)值 這兩個(gè)值在加法器中相減 得到的輸出電壓經(jīng)過環(huán)路濾波后送給壓控振蕩器作為控制電壓Vc 控制其振蕩頻率 70 控制電壓Vc的特性 此控制電壓是兩個(gè)自相關(guān)函數(shù)的絕對(duì)值之差 它在下圖中用粗實(shí)線畫出 在理想跟蹤狀態(tài)下 0 此時(shí) 在控制電壓特性曲線上應(yīng)該工作在原點(diǎn)上 若 0 即接收偽碼相位超前 則控制電壓Vc為正值 使壓控振蕩器的振蕩頻率上升 若 0 即接收偽碼相位滯后 則控制電壓Vc為負(fù)值 使壓控振蕩器的振蕩頻率下降 這樣就使跟蹤環(huán)路鎖定在接收偽碼的相位上 第13章同步原理 71 第13章同步原理 接收信號(hào)的解擴(kuò) 在原理方框圖中還示出 為了對(duì)接收信號(hào)解擴(kuò) 用早相關(guān)器的本地偽碼 加以延遲半個(gè)碼片時(shí)間Tc 2 使之和接收偽碼同相 然后送到第三個(gè)相乘器 和接收信號(hào)相乘 進(jìn)行解擴(kuò) 缺點(diǎn) 延遲鎖定跟蹤環(huán)的兩個(gè)支路特性必須精確相同 否則合成的控制電壓特性曲線可能偏移 使跟蹤誤差 為0時(shí) 控制電壓Vc不為0 此外 當(dāng)跟蹤準(zhǔn)確使控制電壓值長(zhǎng)時(shí)間為0時(shí) 跟蹤環(huán)路有可能發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象 特別是在有自動(dòng)調(diào)整環(huán)路增益的一些較復(fù)雜的跟蹤環(huán)路中 下面將介紹的 抖動(dòng)跟蹤環(huán)克服了這些缺點(diǎn) 72 第13章同步原理 抖動(dòng)跟蹤環(huán)原理方框圖在這種方案中 只有一個(gè)跟蹤環(huán)路 它采用時(shí)分制的方法 使早相關(guān)和遲相關(guān)共用這個(gè)環(huán)路 從而避免了兩個(gè)支路的特性不一致的問題 73 第13章同步原理 此外 為了避免壓控振蕩器的控制電壓長(zhǎng)時(shí)間為0 它在跟蹤過程中 由 抖動(dòng)產(chǎn)生器使偽碼產(chǎn)生器的時(shí)鐘相位發(fā)生少許抖動(dòng) 因而故意地產(chǎn)生少許誤碼 使跟蹤誤差 值和控制電壓Vc值在0附近抖動(dòng) 而不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間為0 由于抖動(dòng)很小 對(duì)跟蹤性能的影響可以忽略 74 第13章同步原理 13 5網(wǎng)同步13 5 1概述網(wǎng)同步目的 使全網(wǎng)各站能夠互連互通 正確地接收信息碼元 網(wǎng)同步方法分類 單向通信系統(tǒng) 一般由接收設(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 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)或準(zhǔn)同步網(wǎng) 容許各站的時(shí)鐘有誤差 但是通過調(diào)整碼元速率的辦法使全網(wǎng)能夠協(xié)調(diào)工作 75 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 也可能需要收發(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)隙安排示于下圖中 76 第13章同步原理 因?yàn)槊總€(gè)地球站只允許在給定的一段時(shí)隙中發(fā)送信號(hào) 故地球站的發(fā)射機(jī)必須保證其發(fā)送的上行信號(hào)到達(dá)衛(wèi)星上時(shí) 恰好是衛(wèi)星上中心站準(zhǔn)備接收其信號(hào)的時(shí)間 由于各個(gè)地球站和衛(wèi)星的距離不等 各個(gè)地球站的上行發(fā)送信號(hào)的時(shí)鐘也需要不同 所以不可能采用調(diào)整衛(wèi)星上中心站接收機(jī)時(shí)鐘的辦法達(dá)到和所有地球站上行信號(hào)同步的目的 這時(shí) 需要各地球站按照和衛(wèi)星的距離遠(yuǎn)近 將發(fā)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)鐘一致 由于延遲時(shí)間不同 各個(gè)地球站發(fā)射信號(hào)的時(shí)鐘之間實(shí)際上是有誤差的 這稱為發(fā)射機(jī)同步方法 77 第13章同步原理 發(fā)射機(jī)同步方法的分類 開環(huán)法 開環(huán)方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 終端站根據(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 終端站所存儲(chǔ)的這些信息是從有關(guān)單位提供的 但是還可以按照從中心站送回的信號(hào)加以修正 開環(huán)方法依靠的是準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的鏈路長(zhǎng)度等參量信息 當(dāng)鏈路的路徑是確定的 這種方法很好 但是當(dāng)鏈路的路徑不是確定的 或終端站只是斷續(xù)地接入時(shí) 這種方法就難于有效地使用 開環(huán)法的主要優(yōu)點(diǎn)是捕捉快 不需要反向鏈路也能工作和實(shí)時(shí)運(yùn)算量小 其缺點(diǎn)是需要外部有關(guān)單位提供所需的鏈路參量數(shù)據(jù) 并且缺乏靈活性 78 第13章同步原理 閉環(huán)法 在閉環(huán)法中 中心站需要測(cè)量來自終端站的信號(hào)的同步準(zhǔn)確度 并將測(cè)量結(jié)果通過反向信道送給終端站 因此 閉環(huán)法需要一條反向信道傳送此測(cè)量結(jié)果 并且終端站需要有根據(jù)此反饋信息適當(dāng)調(diào)整其時(shí)鐘的能力 閉環(huán)法的優(yōu)點(diǎn) 不需要預(yù)先得知鏈路參量的數(shù)據(jù) 并且可以很容易地利用反向鏈路來及時(shí)適應(yīng)路徑和鏈路情況的變化 閉環(huán)法的缺點(diǎn) 終端站需要有較高的實(shí)時(shí)處理能力 并且每個(gè)終端站和中心站之間要有雙向鏈路 此外 捕捉同步也需要較長(zhǎng)的時(shí)間 79 第13章同步原理 異步網(wǎng)或準(zhǔn)同步網(wǎng)的同步方法 典型例子是準(zhǔn)同步數(shù)字體系 PDH 中采用的碼速調(diào)整法 仍以上面的衛(wèi)星通信網(wǎng)為例 若這時(shí)4個(gè)地球站的上行信號(hào)都是一次群E 1信號(hào) 它們?cè)谛l(wèi)星S1上接收到后 合并成二次群E 2信號(hào) 再發(fā)送給衛(wèi)星S2 這時(shí)由于4個(gè)地球站的時(shí)鐘間存在誤差 雖然其碼元標(biāo)稱速率都是2048kb s 但是實(shí)際速率不同 在S1上合成的E 2群碼元速率為8448kb s 這個(gè)速率是以衛(wèi)星S1上的復(fù)接設(shè)備時(shí)鐘為準(zhǔn)的 將8448kb s平均分配到每個(gè)E 1群的碼元速率為2112kb s 它高于2048kb s 所以 盡管各地球站的時(shí)鐘有誤差 但是在衛(wèi)星上的復(fù)接設(shè)備中合路時(shí) 平均將各路輸入信號(hào)的碼元速率都提高到以地球站時(shí)鐘為準(zhǔn)的2112kb s上 而不去管各路輸入信號(hào)的碼元速率存在誤差 80 第13章同步原理 13 5 2開環(huán)法開環(huán)法分類 需要利用反向鏈路提供的信息 不需要利用反向鏈路提供的信息 它由于沒有反饋信息需要處理 所以對(duì)處理能力沒有要求 但是其通信性能顯然受鏈路特性穩(wěn)定性的影響 開環(huán)法舉例 一個(gè)衛(wèi)星通信系統(tǒng) 中心站在衛(wèi)星上 終端站在地面 所有地面發(fā)射機(jī)的同步系統(tǒng)都需要預(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) 81 第13章同步原理 預(yù)先校正時(shí)間 發(fā)射機(jī)需要計(jì)算信號(hào)的傳輸時(shí)間 即用電磁波的傳播速率去除發(fā)射機(jī)和接收機(jī)間的距離 并將發(fā)射時(shí)間按計(jì)算結(jié)果適當(dāng)提前 這樣 信號(hào)到達(dá)中心站的時(shí)間為式中 Tt 實(shí)際發(fā)送開始時(shí)間 d 傳輸距離 c 光速 預(yù)先校正發(fā)送頻率 發(fā)射機(jī)需要考慮由于地面發(fā)射機(jī)和衛(wèi)星接收機(jī)間相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多譜勒頻移 為了能夠正確接收 發(fā)送頻率應(yīng)該等于式中 V 相對(duì)速度 距離縮短時(shí)為正 f0 標(biāo)稱發(fā)射頻率 82 第13章同步原理 時(shí)間預(yù)測(cè)的誤差 式中 re 距離估值的誤差 t 發(fā)射機(jī)處和接收機(jī)處參考時(shí)間之差 頻率預(yù)測(cè)誤差 式中 Ve 發(fā)射機(jī)和接收機(jī)間相對(duì)速度的測(cè)量值誤差或預(yù)測(cè)值的誤差 f 發(fā)射機(jī)和接收機(jī)參考頻率間的誤差 83 第13章同步原理 參考時(shí)間和參考頻率的關(guān)系 預(yù)測(cè)時(shí)間誤差 t和預(yù)測(cè)頻率誤差 f通常是由于參考頻率的隨機(jī)起伏引起的 發(fā)射機(jī)或接收機(jī)的參考時(shí)間通常來自參考頻率的周期 故參考時(shí)間和參考頻率的準(zhǔn)確性有關(guān) 參考頻率的起伏很難用統(tǒng)計(jì)方法表述 通常規(guī)定一個(gè)每天最大容許誤差 值的典型范圍 廉價(jià)的晶體振蕩器 10 5至10 6高質(zhì)量的晶體振蕩器 10 9至10 11銣原子鐘 10 12銫原子鐘 10 13 84 第13章同步原理 在規(guī)定每天最大容許誤差的情況下 若無(wú)外界干預(yù) 則頻率偏移可能隨時(shí)間線性地增大 式中 f T 在時(shí)間T內(nèi)增大的頻率偏移 f 0 初始 t 0時(shí) 頻率偏移T 時(shí)間 天 然而 若參考時(shí)間是按計(jì)算周期得到的 則積累的時(shí)間偏差 t T 和參考頻率的積累相位誤差有關(guān) 由上式可以看出 若沒有外界干預(yù) 參考時(shí)間誤差可以隨時(shí)間按平方律增長(zhǎng) 85 第13章同步原理 對(duì)于發(fā)射機(jī)開環(huán)同步系統(tǒng) 這個(gè)不斷增長(zhǎng)的時(shí)間誤差限定了外部有關(guān)單位在多長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)必須給予一次校正 或者更新終端站內(nèi)的關(guān)于中心站接收機(jī)的定時(shí)數(shù)據(jù) 或重新將中心站接收機(jī)和地球站發(fā)射機(jī)的參考時(shí)間設(shè)置到標(biāo)稱時(shí)間 若發(fā)射機(jī)沒有來自反向鏈路的信息 系統(tǒng)設(shè)計(jì)者能用Te和 t T 的公式作為模型得出的時(shí)間和頻率偏離 決定兩次校正之間的最大時(shí)間間隔 準(zhǔn)閉環(huán)發(fā)射機(jī)同步法 終端站能夠利用對(duì)反向鏈路信號(hào)測(cè)量進(jìn)行同步的方法 準(zhǔn)閉環(huán)法顯然比純開環(huán)法更適應(yīng)通信系統(tǒng)的變動(dòng)性 86 第13章同步原理 13 5 3閉環(huán)法原理 閉環(huán)法需要終端站發(fā)送特殊的同步信號(hào) 用以決定信號(hào)的時(shí)間和頻率誤差 種類 中心站有處理能力 中心站可以進(jìn)行實(shí)際的誤差測(cè)量 這種測(cè)量可以是給出偏離的量和方向 也可以是只給出方向 這個(gè)信息用反向鏈路送回給終端站發(fā)射機(jī) 中心站沒有處理能力 此時(shí)將特殊同步信號(hào)直接由反向鏈路送回終端站發(fā)射機(jī) 由終端站發(fā)射機(jī)自己解讀返回信號(hào) 87 第13章同步原理 優(yōu)缺點(diǎn) 在中心站處理的優(yōu)點(diǎn) 在反向鏈路上傳送的誤差測(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是非常重要的 在中心站上的誤差測(cè)量手段能夠被所有聯(lián)到中心站的終端站共享 這相當(dāng)于大量節(jié)省了系統(tǒng)的處理能力 在終端站處理的優(yōu)點(diǎn) 中心站不需要易于接入 并且中心站可以設(shè)計(jì)得較簡(jiǎn)單以提高可靠性 響應(yīng)更快 因?yàn)闆]有在中心站處理帶來的延遲 若鏈路的參量變化很快 這一點(diǎn)是很重要的 88 第13章同步原理 在終端站處理的缺點(diǎn) 反向信道的使用效率不高返回信號(hào)可能難于解讀 這種情況發(fā)生在中心站不僅是簡(jiǎn)單地轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào) 而且還對(duì)碼元作判決 再在反向鏈路上發(fā)送此判決結(jié)果 因?yàn)樵诜聪蛐盘?hào)中含有時(shí)間和頻率偏離的影響 即由碼元判決產(chǎn)生的影響 例 設(shè)一個(gè)終端站采用2FSK向中心站發(fā)送信號(hào) 中心站采用非相干解調(diào) 這時(shí)的判決將決定于信號(hào)的能量 中心站接收的信號(hào)可以用下式表示 式中 中心站接收信號(hào)的角頻率誤差 t 中心站接收信號(hào)到達(dá)時(shí)間誤差 89 第13章同步原理 現(xiàn)在 若中心站解調(diào)器的兩個(gè)正交分量輸出為 則解調(diào)信號(hào)的能量為對(duì)于時(shí)間誤差 t為0的特殊情況 上式變?yōu)閷?duì)于頻率誤差為0的特殊情況 上式變?yōu)?90 第13章同步原理 從上述公式看出 存在任何時(shí)間誤差 頻率誤差或者兩者都存在 將使碼元的位置偏離解調(diào)器正確積分的位置 造成在2FSK信號(hào)積分的兩個(gè)積分器中 正確信號(hào)積分器得到的信號(hào)能量下降 部分能量移到另一個(gè)積分器中 誤碼率因而增大預(yù)先校正頻率法 在上面的2FSK系統(tǒng)例子中 由終端站發(fā)送一個(gè)連續(xù)的正弦波 其頻率等于2FSK信號(hào)兩個(gè)頻率的平均值 然后中心站將收到的這個(gè)信號(hào)檢測(cè)后轉(zhuǎn)發(fā)回終端站 由于這時(shí)在中心站接收機(jī)中的判決應(yīng)是 1 和 0 出現(xiàn)概率相等的碼元