通信原理第10章同步原理課件

1、 在數(shù)字通信系統(tǒng)中，為了使接收端能夠正確在數(shù)字通信系統(tǒng)中，為了使接收端能夠正確地從所收到的信號中恢復出原始信息，就必須保地從所收到的信號中恢復出原始信息，就必須保證接收機能夠從所收到數(shù)字序列中正確識別出一證接收機能夠從所收到數(shù)字序列中正確識別出一個碼元的起止時刻、一個碼組或碼字起止碼元、個碼元的起止時刻、一個碼組或碼字起止碼元、一幀的起止碼字，能夠保證接收機產(chǎn)生一個頻率一幀的起止碼字，能夠保證接收機產(chǎn)生一個頻率和相位與所收到的頻帶信號載波的頻率和相位一和相位與所收到的頻帶信號載波的頻率和相位一致的本地載波，這種確保接收機與發(fā)送機能夠協(xié)致的本地載波，這種確保接收機與發(fā)送機能夠協(xié)調(diào)一致工作的技術(shù)就

2、統(tǒng)稱為同步技術(shù)。本章將分調(diào)一致工作的技術(shù)就統(tǒng)稱為同步技術(shù)。本章將分別討論載波同步、位同步、幀同步和網(wǎng)同步的原別討論載波同步、位同步、幀同步和網(wǎng)同步的原理和性能。理和性能。 第一節(jié)第一節(jié) 同步的基本內(nèi)容和要求同步的基本內(nèi)容和要求 第二節(jié)第二節(jié) 載波同步載波同步 第三節(jié)第三節(jié) 位同步位同步 第四節(jié)第四節(jié) 幀同步幀同步 第五節(jié)第五節(jié) 網(wǎng)同步的基本概念網(wǎng)同步的基本概念 同步是通信系統(tǒng)中一個非常重要問題。由于一般收、發(fā)雙方有一定距離，要使它們能很好地發(fā)送和接收信息，同步系統(tǒng)是必不可少的。 當接收端采用同步解調(diào)時，需要提供一個與發(fā)射端調(diào)制載波同頻同相的相干載波。這個相干載波的獲取就稱為載波同步。第一節(jié) 同

3、步的基本內(nèi)容和要求 因為數(shù)字通信中消息是一串相繼的信號碼元的序列，解調(diào)時常需知道每個碼元的起止時刻。因此，接收端必須產(chǎn)生一個用作抽樣判決的定時脈沖序列，它和接收碼元的終止時刻應對齊。我們把在接收端產(chǎn)生與接收碼元的頻率和相位一致的定時脈沖序列的過程稱為碼元同步或位同步，稱這個定時脈沖序列為碼元同步脈沖或位同步脈沖。 對數(shù)字信號傳輸來說，有了載波同步和位同步，發(fā)端的代碼可以在收端解調(diào)出來，但代碼是一連串的“1”、“0”碼，數(shù)字代碼總是用若干碼元組成一個“字”，又用若干“字”組成一“句”。因此，在接收這些數(shù)字流時，同樣也必須知道這些“字”、“句“的起止時刻。在接收端產(chǎn)生與“字”、“句”起止時刻相一致

4、的定時脈沖序列，稱為“字”同步和“句“同步，統(tǒng)稱為群同步或幀同步。 隨著數(shù)字通信的發(fā)展，多個用戶需相互通信，從而組成了數(shù)字通信網(wǎng)。為了保證通信網(wǎng)內(nèi)各用戶之間可靠地進行數(shù)據(jù)交換，在整個通信網(wǎng)內(nèi)必須有一個統(tǒng)一的時鐘標準，這就是網(wǎng)同步。 提取載波的方法分兩種：一種是直接法，該方法不專門發(fā)送導頻，而在接收端直接從發(fā)送信號中提取載波。第二種是插入導頻法，即在發(fā)送有用信號的同時，在適當?shù)念l率位置上，插入一個（或多個）稱作導頻的正弦波，接收端就由導頻提取出載波。第二節(jié) 載波同步 一、直接法 這種方法的思路是：有些信號雖然不包含載波分量，但對該信號進行某種非線性變換后，就可以直接從其中提取出載波分量來。 設調(diào)

5、制信號為m(t), m(t)中無直流分量，當它和載波相乘后，得到了抑制載波的雙邊帶信號 假定信號傳輸無失真，到接收端后，將該信號進行平方變換，得 顯然，上式中es2(t)0，所以e(t)表示式的第二項中包含有2fc頻率的分量。若用一窄帶濾波器將2fc頻率分量濾出，再進行二分頻，就獲得所需的載波fc。tftmtsc2cos)()(tftmtmtftmtecc4cos)(212)(2cos)()(2222 1平方變換法和平方環(huán)法平方變換法提取載波 該方法采用二分頻電路后，在相干psk 解調(diào)時，解調(diào)后的序列可能是正確的，也可能極性正好相反，即“反向工作”。對移相信號而言，解決這個問題的常用方法是采用

6、相對調(diào)相。 為了改善平方變換法的性能，可以在平方變換法的基礎上，把2fc窄帶濾波器用鎖相環(huán)代替，就稱為平方環(huán)法提取載波。由于鎖相環(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，應用更為廣泛。平方環(huán)法提取載波 2同相正交環(huán)法 同相正交環(huán)法提取載波同相正交環(huán)法提取載波 設輸入的抑制載波雙邊帶信號為m(t)cos2fct ，在壓控振蕩器鎖定后輸出信號為v1=cos(2fct+ ) ，v1經(jīng)過相移電路后得v2=sin(2fct+ ) ，由于這兩個信號相位差/2，因此通常稱這種環(huán)路為同相正交環(huán)，得 )4cos(cos)(21)2cos(2cos)(3tftmtftf

7、tmccc)4sin(sin)(21)2sin(2cos)(4tftmtftftmccc經(jīng)低通后的輸出分別為將v5和v6加于相乘器得式中是壓控振蕩器輸出信號與輸入已調(diào)信號載波之間的相位誤差。當較小時cos)(215tmsin)(216tm2sin)(812657tm)(4127tm v7的大小與相位誤差成正比，它就相當于一個鑒相器的輸出。用v7去控制壓控振蕩器輸出信號的相位，最后使穩(wěn)態(tài)相位誤差減小到很小。這時壓控振蕩器的輸出v7就是所需提取的載波。 這種方法初看沒有二分頻，似乎沒有相位模糊問題，但通過分析同樣存在這個問題，因為當v1=cos(2fct+180)時，經(jīng)過計算可得v7=1/8 m2

8、(t)sin2,因此v1的相位也是不確定的。 二、插入導頻法 插入導頻法就是在發(fā)送端插入一個或數(shù)個導頻與信號一起傳輸，對于某些信號，比如單邊帶調(diào)制信號，只能用插入導頻法提取載波。下面以在抑制載波的雙邊帶信號中插入導頻為例說明其原理。 由于導頻與信號一起傳輸，因此第一個要求是在載頻處已調(diào)信號的頻譜分量為零，這樣可避免信號與導頻的相互干擾，當采用某種相關(guān)編碼信號去進行抑制載波的雙邊帶調(diào)制，載頻附近的頻譜分量很小，易于插入導頻以及解調(diào)時易于濾出它。第二個要求是插入的導頻和加于調(diào)制器的那個載波是正交關(guān)系，目的是為了解調(diào)。 抑制載波雙邊帶信號的導頻插入插入導頻法發(fā)端方框圖 設調(diào)制信號為m(t)，m(t)

9、中無直流分量，被調(diào)載波為acsin2fct，調(diào)制器假設為一相乘器，插入導頻是被調(diào)載波移相90形成的，為-accos2fct，其中，ac是插入導頻的振幅。于是輸出信號為tfatftmatucccc2cos)(2sin)()(0插入導頻法收端方框圖 設u0(t)無失真地傳到收端，則收端用一個中心頻率為fc的窄帶濾波器就可取得導頻-accos2fct ，再將它移相/2，就可得到與調(diào)制載波同頻同相的信號sin2fct 。 插入導頻法提取載波要使用窄帶濾波器。這個窄帶濾波器也可以用鎖相環(huán)來代替，這是因為鎖相環(huán)本身就是一個性能良好的窄帶濾波器，因而使用鎖相環(huán)后，載波提取的性能將有改善。 三、載波同步系統(tǒng)的

10、性能 載波同步系統(tǒng)的主要性能指標是效率和精度。 效率高就是為了獲得載波信號而盡量少消耗發(fā)送功率。用直接法提取載波時，發(fā)端不需發(fā)送導頻，因而效率高；而用插入導頻法時，由于插入導頻要消耗一部分功率，顯然系統(tǒng)的效率降低。 精度高就是提取出的載波應和標準載波同頻同相，但實際上很難實現(xiàn)，只能要求相位誤差盡量小。 另外的性能指標有同步建立時間和同步保持時間。 相位誤差通常由穩(wěn)態(tài)相差和隨機相差組成。 穩(wěn)態(tài)相差主要是指載波信號通過同步信號提取電路以后，在穩(wěn)態(tài)下所引起的相差；隨機相差是由于隨機噪聲的影響而引起同步信號的相位誤差。 實際的同步系統(tǒng)中，由于同步信號提取電路的不同，信號和噪聲形式的不同，相位誤差也就不

11、同。 1.相位誤差 假設所用的窄帶濾波器為一個簡單的單調(diào)諧回路，其q 值一定。那么，當回路的中心頻率f0與載波頻率fc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f0與fc之差為f，且f較小時，可得 因此，q 值越高，所引起的穩(wěn)態(tài)相差越大。02ffq 同步系統(tǒng)使用鎖相環(huán)時，當鎖相環(huán)壓控振蕩器與輸入載波信號之間有頻率差f 時，也會引起一穩(wěn)態(tài)相差。該穩(wěn)態(tài)相差為 式中，kv為環(huán)路直流增益。 kf2 隨機相差是由于隨機的噪聲疊加在載波信號上而引起的。假設載波信號的初始相位為零，則n就是隨機相差，經(jīng)計算得相位誤差的分布f(n)。隨機相差n的方差與信噪比r有如下關(guān)系所以隨機相差n的方差與信噪比r是

12、反比關(guān)系。 2)(nrnenrfrn212 當用單調(diào)諧電路作為窄帶濾波器時，設回路的諧振頻率f0與q 值已經(jīng)給定。如果在t=0 時刻將信號接入電路，則輸出電壓為tfeuutqf0222cos102.建立時間和保持時間載波同步的建立與保持 當t=ts時，輸出電壓u(ts)達到，此時認為已建立同步信號，將u(ts)的表示式代入式中，可求得 就是單調(diào)諧電路的載波建立時間。kfqts11ln220 如果在t=0 時將接入電路的信號斷開，由于回路儲能元件的作用，得回路電壓表示式為 上式示于曲線的末尾部分，其包絡逐漸衰減。當輸出電壓u(tc)下降到時，認為同步信號已經(jīng)消失。求得保持時間為 tfuetutq

13、f0222cos)(0kfqtc1ln220 位同步又稱碼元（或比特）定時。實現(xiàn)位同步的方法基本上可以分為兩大類，一類是外同步法，另一類是自同步法。外同步法就是在發(fā)送端除了發(fā)送有用的數(shù)字信息外，還專門傳送位同步信號，到了接收端用窄帶濾波器或鎖相環(huán)把濾波出來的信號作為同步之用。自同步法是發(fā)送端不專門向接收端傳送位同步信號，收端所需要的位同步信號是從解調(diào)后的數(shù)字基帶信號中提取出來。第三節(jié) 位同步 對于全占空的隨機二進制序列，不論是單極性還是雙極性的，當p（1）=p（0）=0.5時，都沒有fb ，2fb等線譜的，因而不能直接從其中濾出位同步信號。但是，若對該信號進行某種變換，例如，變成歸零脈沖后，則

14、該序列中就有fb=1/tb的位同步信號分量。一、自同步法1濾波法 上圖中的波形變換，采用微分和全波整流電路，微分的作用是把不歸零脈沖變?yōu)闅w零脈沖，全波整流電路的作用是把雙極性信號變?yōu)閱螛O性信號，保證頻譜中有fb分量。濾波法原理圖 基帶信號微分、整流波形 經(jīng)微分、整流后的基帶信號波形如圖, 另一種波形變換方法應用對象是頻帶受限的二相psk 信號，波形如下頁圖a。因頻帶受限，在相鄰碼元的相位突變點附近會產(chǎn)生幅度平滑的“陷落”。經(jīng)包絡檢波后，可以認為它是一直流和下頁圖b所示波形相減而組成的，因此包絡檢波后的波形中包含有如下頁圖c所示波形，而這個波形中已含有位同步信號分量。因此，將它經(jīng)濾波器后就可提取

15、出位同步信號。頻帶受限二相psk信號的位同步信號提取 a）帶限2psk信號b）包絡檢波后的波形c）含有位同步信號的波形 比如在時分多址數(shù)字衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，各地球站的信息都是按子幀傳送的，每一子幀都有一報頭，用作為載波恢復時間和位定時恢復時間等。通常地球站發(fā)射報頭時功率大，發(fā)射信息部分時功率小，分幀結(jié)構(gòu)及對應的調(diào)幅波形如下頁圖所示，由于報頭的寬度是一個碼元寬度的整數(shù)倍，故可以用包絡檢波一濾波法來提取位同步信號。為確保位同步恢復在報頭內(nèi)實現(xiàn)，并一直保持到分幀結(jié)束，在濾波之前加了一個沖激振蕩器。采用包絡檢波法從報頭中提取位同步a）幀結(jié)構(gòu)及對應的調(diào)幅波形b）包絡檢波提取位同步信號的方框圖 數(shù)字鎖相環(huán)由

16、數(shù)字電路構(gòu)成，也可由軟件構(gòu)成或某些部件由軟件完成。常見的數(shù)字鎖相環(huán)位同步器原理方框圖如下頁圖 (不包括數(shù)字環(huán)路濾波器dlf)。數(shù)字鎖相環(huán)2. 鎖相環(huán)法數(shù)字鎖相環(huán)位同步器原理方框圖 圖中，c次分頻器、或門、扣除門和附加門一起構(gòu)成數(shù)控振蕩器(dco)，此環(huán)路的基本原理是：相位比較器(鑒相器)輸出的兩個信號通過控制常開門和常閉門的狀態(tài)，改變n0次分頻器輸出信號的周期(一次改變2/ n0)，使環(huán)路逐步達到鎖定狀態(tài)。 這種鎖相環(huán)的同步建立時間比較長，當需要快速建立同步信號時，可用快速捕捉數(shù)字鎖相環(huán)。 為了衡量一個數(shù)字通信設備的位同步性能，通常提出以下幾項指標： 相位誤差e 同步建立時間ts 同步保持時間

17、t0二、位同步系統(tǒng)的性能 衡量數(shù)字鎖相環(huán)的一個重要指標是相位誤差，考慮到它對誤碼的影響，一般用時差來表示相位誤差。顯然，為了減小位同步相位誤差的影響，分頻次數(shù)n（n=2n-1)應越大越好，但這與減小同步建立時間有矛盾。因為在同步建立過程中，本地位定時脈沖是每比較一次向輸入信號過渡點靠近tb/2n-1秒，n越大，靠近的步子就越小，同步建立的速度就越慢。所以n值的選取要折中兩者的要求。1相位誤差e 數(shù)字鎖相法提取位同步信號時，引起相位誤差的主要原因是位同步脈沖相位的調(diào)整是跳變式的。因為每調(diào)整一步，相位改變2/n（n 是分頻器的分頻次數(shù)），故最大的相位誤差為2/n，用e表示 若用時間差te來表示相位

18、誤差，因每碼元的周期為tb，故得ne360nttbe 同步建立時間為失去同步后重建同步所需的最長時間。建立同步最不利的情況，是位同步脈沖與輸入信號相位相差tb2，鎖相環(huán)每調(diào)整一步僅能移tbn 秒，故需最大的調(diào)整次數(shù)為22nnttkbb2 . 同步建立時間ts 接收隨機數(shù)字信號時，可近似認為兩相鄰碼元中出現(xiàn)0l，10，11，00是等概率的，其中過零點的情況占一半。在數(shù)字鎖相法中都是以數(shù)據(jù)過零點中提取標準脈沖用以比相的。因此，平均起來，相當于兩個周期可調(diào)整一次相位，故同步建立時間為 ts = 2tbk = ntb(s)，為使ts減少，故要求n 減少。 。 除相位誤差外，同步保持時間也是同步系統(tǒng)的一

19、個重要指標。從接收信號消失或接收信號中的位同步信息消失開始，到位同步電路輸出的位同步信號中斷為止這段時間，稱為位同步的保持時間。在系統(tǒng)已經(jīng)建立同步的情況下，由于某種原因，使信號中斷，或出現(xiàn)長連“0”、連“1”碼時，因沒有過渡點，也沒有誤差脈沖。如再考慮收、發(fā)兩端的振蕩器不可避免地存在小量的頻率偏移，也會使收端定時脈沖的相位逐漸偏離同步位置。對此，為保證碼元檢測的精度，應要求系統(tǒng)的位定時脈沖的相位偏移限制在一定的范圍內(nèi)。也就是說，在允許的同步保持時間內(nèi)，應保證定時脈沖的相位偏離不超過允許值。 3同步保持時間t0 設發(fā)射機、接收機的時鐘穩(wěn)定度為，則dco輸出信號頻率與環(huán)路輸入信號信息速率之間的最大

20、誤差為2fbs。若允許位同步信號的最大相位誤差為2，則4fbtc= 2,由此得 tc應大于兩次相位調(diào)整時間間隔。tc越大，允許連1碼或連0碼越長。bcft2 數(shù)字通信的時分復用技術(shù)就是通過時間分割來實現(xiàn)多路復用，在此幀同步的作用是使在接收端的時隙脈沖排列規(guī)律和接收到的碼流中時序排列規(guī)律一致，以保證正確無誤地進行分路。幀同步有時也稱為群同步。接收端實現(xiàn)幀同步的方法一般可以分為兩類：第一類方法是在發(fā)送的數(shù)字信號序列中插入幀同步脈沖或幀同步碼作為幀的起始標志，這類方法稱為外同步法；另一類方法是利用數(shù)字信號序列本身的特性來恢復幀同步信號，例如某些具有糾錯能力的抗于擾編碼具有這種特性，這種方法稱為自同步

21、法。這一節(jié)只介紹數(shù)字通信中應用較多的外同步法。第四節(jié) 幀同步 幀同步問題實質(zhì)上是一個對幀同步標志進行檢測的問題。 對幀同步系統(tǒng)提出的基本要求是： （1）正確建立同步的概率大，錯誤同步的概率小。 （2）捕捉時間要短。無論是初始捕捉還是失步后重新進入捕捉，都要求捕捉時間要短。因為在捕捉過程中系統(tǒng)處于失步狀態(tài)。這樣，對于數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將丟失數(shù)據(jù)信息，對于數(shù)字電話系統(tǒng)將出現(xiàn)話音中斷現(xiàn)象。實踐證明，人耳對于小于100ms的中斷現(xiàn)象不易感覺，所以要求數(shù)字電話系統(tǒng)一旦幀失步后，重新建立同步的時間（又稱捕捉時間）應小于100ms，對于數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)則要求捕捉時間更短些。 （3）穩(wěn)定地保持同步。接收端的幀同步系統(tǒng)一

22、旦進人同步狀態(tài)之后，應當穩(wěn)定地保持同步，而不被信道干擾引起的誤碼破壞同步。信道中的干擾，根據(jù)統(tǒng)計來看，其時間寬度一般小于3ms，為了防止信道誤碼破壞同步狀態(tài)，往往在收端幀同步系統(tǒng)中采取了相應的保護措施。同步后接收端收不到幀同步碼有兩種情況： 真正失步了。在這種情況下，收不到幀同步時間都較長，總是大于3ms； 由于信道誤碼而收不到幀同步。發(fā)生這種情況的時間比較短，一般小于3ms，根據(jù)兩種情況的不同特點，對幀同步就可以采用相應的保護措施，只有在真失步的情況下，收端幀同步系統(tǒng)才轉(zhuǎn)入捕捉態(tài)。 （4）在滿足幀同步性能要求的條件下，為提高有效信息的傳輸效率，幀同步碼的長度應盡可能短些。一、起止式同步法 這

23、種方法主要應用于電傳報中，在發(fā)送每一個字符代碼的前面均加上一個“起”信號，其長度規(guī)定為一個碼元，極性為負，后面均加一個“止”信號；“止”信號長度為1.5個碼元，極性為正。字符可以連續(xù)發(fā)送，也可以單獨發(fā)送；不發(fā)送字符時，連續(xù)發(fā)送“止”信號。因此，每一字符的起始時刻可以是任意的，但在同一個字符內(nèi)各碼元長度相等。這樣，接收端可根據(jù)字符之間的從“止”信號到“起”信號的跳變來檢測識別一個新字符的“起”信號，從而正確地區(qū)分一個個字符。因此，這樣的字符同步方法稱起止式同步。其優(yōu)點是：實現(xiàn)字符同步比較簡單，收發(fā)雙方的時鐘信號不需要精確的同步。缺點是每個字符增加了23 bit，降低了傳輸效率。起止式同步的信號波

24、形 這種方法就是將幀同步碼組在每幀的開頭連續(xù)插入，在收端，只要檢測出幀同步碼組的位置，就可識別出幀的開頭，從而可確定幀內(nèi)信息碼組。這種方法實現(xiàn)較容易。 作為幀同步碼組，在傳輸過程中不可避免地也會受到噪聲的影響，從而導致幀同步碼組中某些碼元出錯，以致接收端檢測不出幀同步碼組，造成漏同步。同時，由于信息碼序列是隨機的，有可能出現(xiàn)與幀同步碼組完全相同的碼型，這會使收端產(chǎn)生假同步。在實際中，總是希望漏同步和假同步概率越小越好，并且碼組易于識別，傳輸效率要高，即幀同步碼組的長度應盡量短。為了滿足這些要求，通常選用巴克碼作為幀同步碼組。二、連貫式插入法 巴克碼是一種具有特殊規(guī)律的二進制序列。其規(guī)律是：一個

25、長度為n位的巴克碼組x1,x2,x3xn，xi取值為+1或-1，它的局部自相關(guān)函數(shù)為jnijiinjnjjnxxjr1, 00100,)(，或目前所有的巴克碼組如表+ + + -+ + + -；+ + - + + + - + + + - - + -+ + + - - - + - - + -+ + + + + - - + + - + - +234571113巴克碼組n+ + + -+ + + -；+ + - + + + - + + + - - + -+ + + - - - + - - + -+ + + + + - - + + - + - +234571113巴克碼組n 以n=7為例，根據(jù)上式求出它的自相關(guān)函數(shù)如下： 當j=0 時 當j=l 時 同理可求出j= 2，3，4，5，6，7 時的r（j）值分別為-1、0、-1、0、-1、0 ；再求出j 為負值時的自相關(guān)函數(shù)值，自相關(guān)函數(shù)波形如下頁圖所示，其自相關(guān)函數(shù)在j0 時出現(xiàn)尖銳的單峰。71271111111)(iixjr6110111111)(iiixxjr七位巴克碼的自相關(guān)函數(shù)三、幀同步系統(tǒng)的性能幀同步系統(tǒng)的性能指標主要是漏同步概率p1假同步概率p2幀同步平均建立時間ts 數(shù)字信號在傳輸過程中由于干擾的影響使同步碼組產(chǎn)生誤碼，而使幀同步信息丟失，造成假失步現(xiàn)象，稱為漏同步。