同步和多路復(fù)用

1、第7章同步和多路復(fù)用同步就是要使收發(fā)雙方在時間上步調(diào)一致，是通信中的一個重要技術(shù)問題。常有：載波同步、位(碼元)同步、組同步、幀同步和包同步等，組同步、幀同步和包同步也統(tǒng)稱為群同步。同步是保證信息有序、準(zhǔn)確傳輸?shù)谋匾颓疤幔较到y(tǒng)性能的好壞又將直接影響到整個通信系統(tǒng)的性能。多路復(fù)用是指多對通信設(shè)備共享一條物理鏈路且互不干擾，如高速電話干線、地面微波設(shè)備、衛(wèi)星通信等設(shè)備均采用多路復(fù)用技術(shù)來同時傳輸大量數(shù)據(jù)和聲音等信號。7.1 載波同步方法在頻帶傳輸系統(tǒng)中，當(dāng)采用同步檢測（相干解調(diào)）時，接收端需要恢復(fù)一個與發(fā)射端的調(diào)制載波同頻、同相的相干載波，而獲取這個載波的過程就稱為載波同步。接收端恢復(fù)相干

2、載波的方法一般分為兩類：一類是發(fā)送端發(fā)送數(shù)字信息的同時發(fā)送載波信號或者與數(shù)字信息有關(guān)的導(dǎo)頻信號，這種方法叫做插入導(dǎo)頻法；另一類是從接收的已調(diào)信號中提取出載波信號，這種方法叫直接法。7.1.1 插入導(dǎo)頻法為了使接收端能夠恢復(fù)載波，發(fā)送端除了發(fā)送信號之外，還會插入一個導(dǎo)頻供接收端使用。導(dǎo)頻的插入又分為頻域插入導(dǎo)頻和時域插入導(dǎo)頻兩種。1. 頻域插入導(dǎo)頻頻域插入導(dǎo)頻就是在發(fā)送端的已調(diào)信號頻譜中額外插入一個稱作導(dǎo)頻的正弦波，以便接收端作為載波同步信號加以恢復(fù)。此方法適用于抑制載波的雙邊帶殘留邊帶信號、單邊帶信號等。導(dǎo)頻是含有載波信號的單頻信號，導(dǎo)頻的頻率應(yīng)該是與載頻有關(guān)的或者就是載頻的頻率。插入導(dǎo)頻的位

3、置與已調(diào)信號的頻譜結(jié)構(gòu)有關(guān)，如圖7-1所示，通常在已調(diào)信號頻譜中的零點插入導(dǎo)頻，且要求其附近的信號頻譜分量盡量小，這樣便于插入導(dǎo)頻，解調(diào)時易于濾出它。導(dǎo)頻的權(quán)值比較小，使其占用功率不大，以提高信號的功率利用率。這種方法的具體做法是：在發(fā)送端把導(dǎo)頻插入到已調(diào)信號中一起發(fā)送，在接收端先取出導(dǎo)頻，產(chǎn)生相干載波，然后用它進(jìn)行相干解調(diào)。圖7-1 頻域插入導(dǎo)頻示意圖如圖7-2所示，Sd(t)為數(shù)字信號，由于基帶信號中存在直流成分和低頻成分，經(jīng)調(diào)制后頻譜將非?？拷d波，這樣在載波處再加入載波導(dǎo)頻將會受到干擾，使接收端提取純凈的載波有困難。為了在載頻位置插入導(dǎo)頻，對數(shù)字信號Sd(t)要先進(jìn)行變換，將其頻譜中的

4、直流和相鄰的低頻信號濾掉或衰減，然后經(jīng)低通濾波器加給環(huán)形調(diào)制器，由帶通濾波器取出上、下邊帶送給加法器，同時送給加法器的還有載波移相后所得到的。發(fā)送端必須正交插入導(dǎo)頻，不能加入導(dǎo)頻信號，否則接收端解調(diào)后會出現(xiàn)直流分量，這個直流分量無法用低通濾波器濾除，將對基帶信號的提取產(chǎn)生影響。圖7-3為接收端提取載波信號的電路示意圖。圖7-2插入導(dǎo)頻法發(fā)送端電路示意圖圖7-3插入導(dǎo)頻法接收端電路示意圖接收端實際上收到的是經(jīng)過信道失真和噪聲干擾后的信號，但是為了重點考慮濾波提取問題，假設(shè)接收端收到的信號與發(fā)送端發(fā)送的信號完全相同，即： (7-1)接收信號中包含有導(dǎo)頻信號fc，用一窄帶濾波器取出并移相，得到，再用

5、它去解調(diào)輸入信號得到： (7-2)通過式7-2得到的信號通過一個截止頻率與Sc(t)相適應(yīng)的低通濾波器就可以提取，將其余兩個高頻項濾除得到Sc(t)，Sc(t)再經(jīng)過相應(yīng)的處理就得到原來的基帶信號。2. 時域插入導(dǎo)頻頻域插入導(dǎo)頻的特點是插入的導(dǎo)頻在時間上是連續(xù)的，即信道中自始自終都有導(dǎo)頻信號傳送。而時域插入導(dǎo)頻方法則是按照一定的時間順序，在指定的時間內(nèi)發(fā)送載波同步信號，即把載波同步信號插到每幀的數(shù)據(jù)序列中。圖7-4中t2t3就是插入導(dǎo)頻的時間，一般將它插入到幀同步脈沖之后。這種插入方法使得只是在每幀的一小段時間內(nèi)才出現(xiàn)載波同步信號。接收端可以通過使用控制信號將載波標(biāo)準(zhǔn)取出。圖7-4時域插入導(dǎo)頻

6、示意圖7.1.2 直接法直接法也稱自同步法，就是設(shè)法從接收到的已調(diào)信號中提取載波同步信息。若接收到的已調(diào)信號中不包含載波分量，則對它進(jìn)行某種非線性變換后，就可以產(chǎn)生載波的諧波分量，再經(jīng)濾波、分頻就可得到所需的載波同步信號。1平方法平方法通常用來建立抑制載波的雙邊帶信號的載波同步，圖7-5為平方法提取載波示意圖。圖7-5平方法提取載波的示意圖設(shè)輸入信號為2PSK信號，其已調(diào)信號為，經(jīng)過平方部件以后輸出為：(7-3)由(7-3)式可見，平方后的接收信號中含有2倍載頻的頻率分量。所以將此2倍頻率分量用窄帶濾波器濾出后再作二分頻，即可以得出所需要的載頻。2平方環(huán)法在實際中，為了改善平方變換法的性能，使

7、恢復(fù)的相干載波更為純凈，常用如圖7-6所示的鎖相環(huán)代替圖7-5中的窄帶濾波器。在此方案中采用了二分頻器，而二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初始狀態(tài)，這就導(dǎo)致分頻得出的載頻存在相位含糊性，而這種相位含糊性是無法克服的。所以，為了能夠?qū)⑵溆糜诮邮招盘柕慕庹{(diào)，通常的辦法使發(fā)送端采用2DPSK調(diào)制。在采用此方案時，還可能發(fā)生錯誤鎖定的情況。這是由于在平方后的接收電壓中有可能存在其他的離散頻率分量，使得鎖相環(huán)鎖定在錯誤的頻率上。解決這個問題的辦法是降低環(huán)路濾波器的帶寬。圖7-6平方環(huán)法示意圖由于平方環(huán)具有良好的跟蹤、窄帶濾波和記憶功能，平方環(huán)

8、法比一般的平方變換法具有更好的性能。7.2 位同步在數(shù)字通信系統(tǒng)中，接收端解調(diào)后的信號必然是受到信道失真并混有噪聲的數(shù)字波形。要將它還原成原始的基帶信號，首先必須對它進(jìn)行采樣判決。數(shù)字序列是按一定碼率、一個碼元接著一個碼元地接收下來，這就要求收發(fā)雙方的碼元速率、碼元的長短均相同，另外采樣判決的時間應(yīng)該對準(zhǔn)最佳采樣判決點。所以位同步就是設(shè)法在接收端產(chǎn)生一個與發(fā)送端碼元速率相同，且在時間上對準(zhǔn)最佳判決點的定時脈沖序列。位同步方法分為兩種：外同步方法和自同步方法。7.2.1 外同步法外同步法的基本原理為：發(fā)送端在信號中插入頻率為碼元速率或碼元速率整倍數(shù)的位同步信號；接收端用一個窄帶濾波器，將同步信號

9、分離出來，從而形成碼元位定時。1在基帶信號的零點插入導(dǎo)頻如基帶信號為二進(jìn)制不歸零序列，則這種信號本身不包含位同步信號。為了獲得位同步信號就應(yīng)該在基帶信號中插入位同步導(dǎo)頻信號，如圖7-7所示，在基帶信號頻譜的零點插入所需的導(dǎo)頻信號；若基帶信號為二進(jìn)制歸零序列，就需要先把基帶信號轉(zhuǎn)換成雙極信號，這種信號頻譜在零頻和處各有一個零點，將位同步導(dǎo)頻信號插入在處，零頻處的零點可供插入載波導(dǎo)頻，如圖7-8所示。 圖7-7不歸零信號頻域插入同步導(dǎo)頻 圖7-8歸零信號頻域插入同步導(dǎo)頻對不歸零信號，在接收端經(jīng)過中心頻率為的窄帶濾波器，就可以從解調(diào)后的基帶信號中提取位同步所需的信號，這時同步脈沖的周期與插入導(dǎo)頻的周

10、期一致；對歸零信號，窄帶濾波器的中心頻率為，此時位同步脈沖的周期為插入導(dǎo)頻周期的1/2，需要插入導(dǎo)頻倍頻，才能得到所需的同步脈沖。圖7-9為插入位定時導(dǎo)頻接收方結(jié)構(gòu)示意圖，圖中的移相、倒相和相加電路是為了從信號中消去插入導(dǎo)頻，使進(jìn)入取樣判決器的基帶信號沒有插入導(dǎo)頻。這樣做是為了消除導(dǎo)頻對基帶信號取樣判決的影響。與插入載波導(dǎo)頻法相比，它們消除了插入導(dǎo)頻影響的方法各不相同，載波同步中采用正交插入，而位同步中采用反向相消的辦法。這是因為載波同步在接收端進(jìn)行相干解調(diào)時，相干解調(diào)器有很好地抑制正交載波的能力，它不需要另外加電路就能一直正交載波，從而避免解調(diào)輸出的附加直流分量；而位定時導(dǎo)頻是在基帶加入和沒

11、有相干解調(diào)器，故不能采用正交插入。為了消除導(dǎo)頻對基帶信號取樣判決的影響，位同步采用了反向相消的辦法。圖7-9插入位定時導(dǎo)頻接收示意圖2.包絡(luò)調(diào)制法插入導(dǎo)頻法的另一種形式是使數(shù)字信號的包絡(luò)按位同步信號的某種波形變化。在移相鍵控或移位鍵控的通信系統(tǒng)中，對已調(diào)信號進(jìn)行附加的幅度調(diào)制后，接收端只要進(jìn)行包絡(luò)檢波，就可以形成位同步信號。設(shè)移相信號的表示式為：(7-4)其中是載波頻率，是隨數(shù)字信息變化的相位，現(xiàn)在某種波形的位同步對S1(t)進(jìn)行幅度調(diào)制，若這種波形為余弦波形式，則可以表示為：(7-5)式中，T為碼元寬度。接收端對S2(t)進(jìn)行包絡(luò)檢波，輸出為，除去直流分量后，就可以獲得位同步信號 。除了以上

12、兩種在頻域內(nèi)插入位同步的導(dǎo)頻之外，還可以在時域內(nèi)插入，其原理與載波時域插入方法（見圖7-4）類似。外同步法的優(yōu)點是設(shè)備較簡單，缺點是占用一定的帶寬和發(fā)送功率。其適用于多路傳輸系統(tǒng)。7.2.2 自同步法自同步法的發(fā)送端不專門發(fā)送導(dǎo)頻信號，而直接從接收的數(shù)字信號中提取位同步信號。直接提取位同步的方法又可以分為濾波法和鎖相環(huán)法。其中濾波法簡單，但是所提取的位定時信號不穩(wěn)定、不可靠，因此很少采用，本書就不介紹了。數(shù)字鎖相法的基本原理是在接收端利用一個相位比較器比較接受碼元與本地碼元定時（位定時）脈沖的相位，若兩者相位不一致（即超前或者滯后）就會產(chǎn)生一個誤差信號，通過控制電路去調(diào)整定時脈沖的相位，直至獲

13、得精確的同步為止。數(shù)字鎖相法的基本結(jié)構(gòu)即原理如圖7-10所示，由晶體組成的高穩(wěn)定度標(biāo)準(zhǔn)振蕩器產(chǎn)生的信號，經(jīng)形成網(wǎng)絡(luò)整形獲得周期為T但相位滯后了T/2的兩列脈沖序列a和b。這兩列脈沖序列通過常開門和常閉門加到分頻器，經(jīng)過n次分頻形成本地位同步脈沖序列。為了與發(fā)端時鐘同步，分頻器輸出與接收到的碼元序列同時加到比相器進(jìn)行比較。如果兩者完全同步，此時比相器沒有誤差信號，這時本地位同步信號作為同步時鐘；如果本地位同步信號相位超前于碼元序列，比相器輸出一個超前脈沖去關(guān)閉常開門，扣除a中的一個脈沖，使分頻器輸出的位同步脈沖滯后1/n周期，如果本地位同步脈沖比碼元脈沖相位滯后，比相器輸出一個滯后脈沖去打開常開

14、門，使b中的一個脈沖能通過常閉門和或門，由于a和b相差半個周期，所以由b中的一個脈沖插入到a中不產(chǎn)生重疊，正是由于在分頻前插入一個脈沖，因此，分頻器輸出的同步脈沖提前1/n周期，這就實現(xiàn)了相位離散式的調(diào)整。經(jīng)過若干次后便可以達(dá)到本地同步脈沖與接收碼元的同步。圖7-10(a)數(shù)字鎖相環(huán)位同步基本結(jié)構(gòu)圖圖7-10(b)數(shù)字鎖相環(huán)輸出脈沖位同步系統(tǒng)的性能通常用相位誤差、同步建立時間、同步保持時間及同步帶寬等指標(biāo)來衡量。對位同步信號的要求是相位誤差盡量小，因為相位誤差造成位定時脈沖的位移，使抽樣判決時刻偏離最佳位置，導(dǎo)致誤碼率增大。此外，要求同步建立時間短、同步保持時間長，并且到達(dá)一定得同步帶寬等。7

15、.3 群同步在計算機數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，接收端為了能正確恢復(fù)所傳輸?shù)膬?nèi)容，必須知道每個碼元序列的起始位置與結(jié)束位置。由于數(shù)據(jù)的信號結(jié)構(gòu)是遵照通信協(xié)議事先規(guī)定好的，因此在接收端很容易得到一幀信息。為了實現(xiàn)群同步，要在數(shù)據(jù)序列中插入特殊的同步碼或同步字符。群同步一般是通過對數(shù)據(jù)格式的特殊設(shè)計來達(dá)到的，亦即通過在數(shù)據(jù)碼元序列中插入特定的同步碼元或同步碼組來實現(xiàn)群同步。實現(xiàn)方法有：起止同步法和插入特殊碼組方法，而插入特殊碼組的方法又分為集中式插入法和分散式插入法。7.3.1 起止同步法起止同步方法的原理如圖7-11所示，收、發(fā)兩端的時鐘相互獨立，以字符為單位(即數(shù)據(jù)位為5-8位)，前再有一起始位(低)，后

16、有一校驗位（也可不用）再加1-2位的停止位(高電平)，平時(無字符傳時)為高電平。圖7-11起止同步法示意圖采用這種方法的優(yōu)點是：每隔一個字符的時間，對接收端定位時的相位做一次校正，因此，位定時的頻率誤差只能在一個字符范圍內(nèi)積累；對收發(fā)時鐘的頻率標(biāo)準(zhǔn)性要求不高；終止信號長度可變，能適應(yīng)固定速率闡述字符序列，又能適應(yīng)人工按鍵發(fā)報的情況。缺點是：字符間的間隔不定；額外開銷過大（如若取8位，則至少是210=22）；不適合傳長位串，容易產(chǎn)生誤差積累；常用于低速傳輸場合且效率較低。7.3.2 集中插入法集中插入法又稱連貫插入法（如圖7-12所示），就是將群同步碼以集中的形式插入信息碼流中，一般將群同步碼

17、集中地插入到一幀的開始位置。此方法的關(guān)鍵是要找出作為同步碼組的特殊碼組。集中插入法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間很短的場合。圖7-12集中插入法示意圖對作為群同步碼組的特殊碼組的基本要求是：同步碼組在信息碼元序列中不易出現(xiàn)以便于識別，即將信息碼元誤認(rèn)為同步碼組的概率要小，同時當(dāng)同步碼組中有誤碼時，漏識別的概率也要小。滿足這一要求的特殊碼應(yīng)該具有良好的自相關(guān)特性，即要求自相關(guān)函數(shù)具有尖銳的單峰，便于與信息碼區(qū)別；識別該特殊碼組的識別器應(yīng)該盡量簡單；碼長適當(dāng)，以保證傳輸效率。巴克碼是一種常用的群同步碼，它是一個n位長的碼組x1, x2, , xn，其中xi的取值是+1

18、或者-1，其局部自相關(guān)函數(shù)為：(7-6)式中j表示錯開的位數(shù)，在 j = 0 處局部自相關(guān)函數(shù)出現(xiàn)峰值，在其他時刻函數(shù)的值為0或±1。凡是滿足式(7-6)的碼組，就稱為巴克碼。目前尚未找到巴克碼的一般構(gòu)造方法，只搜索到10組巴克碼，其碼組最大長度為13，全部列在表7-1中。需要注意的是，在用窮舉法尋找巴克碼時，表7-1中各碼組的反碼（即正負(fù)號相反的碼）和反序碼（即時間順序相反的碼）也是巴克碼。表7-1中“+”代表“+1”，“-”代表“-1”。以5位巴克碼組為例，其局部自相關(guān)函數(shù)如圖7-13所示。表7-1巴克碼組N巴 克 碼12 或 34 或 5711圖7-135位巴克碼的自相關(guān)函數(shù)如

19、圖7-14所示，用移位寄存器、相加器和判決器就能組成一個7位巴克碼識別器。當(dāng)輸入碼元的“1”進(jìn)入某移位寄存器時，該移位寄存器的1端輸出電平為+1，0端輸出電平為-1；反之，進(jìn)入“0”碼時，該移位寄存器的0端輸出+1，1端輸出-1。各移位寄存器輸出端的接法與巴克碼的規(guī)律一致，這樣識別器實際上是對輸入的巴克碼進(jìn)行相關(guān)運算。當(dāng)一幀信號到來時，首先進(jìn)入識別器的是群同步碼組，只有當(dāng)7位巴克碼在某一時刻（如圖7-15（a）中的t1）正好已全部進(jìn)入7位寄存器時，7位移位寄存器輸出端都輸出+1，相加后的最大輸出+7，其余情況相加結(jié)果均小于+7。若判別識別器的判決門限電平定為+6，那么就在7位巴克碼的最后一位進(jìn)

20、入識別器時，識別器輸出一個同步脈沖表示一群的開頭，如圖7-15（b）所示。圖7-147位巴克碼的識別器 (a)(b)圖7-15識別器的輸出波形在實現(xiàn)集中插入法時，在接收端中可以按上述公式用數(shù)字處理技術(shù)計算接收碼元序列的自相關(guān)函數(shù)。在開始接收時，同步系統(tǒng)處于捕捉態(tài)。若計算結(jié)果小于N，則等待接收到下一個碼元后再計算，直到自相關(guān)函數(shù)值等于同步碼組的長度N時，就認(rèn)為捕捉到了同步，并將系統(tǒng)從捕捉態(tài)轉(zhuǎn)換為保持態(tài)。此后繼續(xù)考察后面的同步位置上的接收碼組是否仍然具有等于N的自相關(guān)值。當(dāng)系統(tǒng)失去同步時，自相關(guān)值立即下降。但是自相關(guān)值下降并不等于一定是失步，因為噪聲也可能引起自相關(guān)值下降。圖7-16集中插入法群同

21、步碼檢測流程所以為了保護(hù)同步狀態(tài)不易被噪聲等干擾打斷，在保持狀態(tài)時要降低對自相關(guān)值的要求，即規(guī)定一個小于N的值（例如（N-2）,只有所考察的自相關(guān)值小于（N-2）時才判定系統(tǒng)失步。于是系統(tǒng)轉(zhuǎn)入捕捉態(tài)，重新捕捉同步碼組。按照這一原理計算流程如圖7-16所示。7.3.2 分散插入法分散插入法又稱間隔式插入法（如圖7-17），它是將群同步碼以分散的形式均勻插入信息碼流中。由于需要較長的同步建立時間，這種方法適用于連續(xù)傳輸信號之處，例如數(shù)字電話系統(tǒng)中，采用同步碼為1、0交替碼，即一幀插入“1”碼，下一幀插入“0”碼，如此交替插入。圖7-17分散式插入法示意圖分散式插入法的最大特點是：群同步碼不占用信息

22、時隙，每幀的傳輸效率較高，但是同步建立時間較長。它適用于連續(xù)發(fā)送信號的通信系統(tǒng)，若是斷續(xù)發(fā)送信號，每次捕獲同步需要較長的時間，反而降低了效率。在接收端，為了找到群同步碼的位置，需要按照群同步碼的插入周期進(jìn)行若干幀的連續(xù)檢測，若在間隔為的位置上符合同步碼的“1”、“0”交替規(guī)律，則認(rèn)為該位置就是群同步碼的位置?；瑒訖z測法也叫移位搜索法，是一種常用的同步檢測方法。滑動檢測法的過程如圖7-18，先假定某個碼元為群同步碼元；在一個周期即P個碼元之后，判斷下一個碼元是否為群同步碼元；若連續(xù)M幀均符合同步碼規(guī)律，就認(rèn)為捕捉到了群同步碼，電路進(jìn)入同步狀態(tài)；若不是群同步碼，則假定下一個碼元為群同步碼元，重新開

23、始群同步碼元的搜索。圖7-18滑動檢測流程圖7.4 網(wǎng)同步網(wǎng)同步就是指通信網(wǎng)中各站之間時鐘的同步，其目的在于使全網(wǎng)各站能夠互連互通，正確地接收信息碼元。網(wǎng)同步在時分制數(shù)字通信和時分多址通信網(wǎng)中是一個重要的問題。對于廣播一類的單向通信和一端對一端的單條鏈路通信，一般都是由接收設(shè)備負(fù)責(zé)解決和發(fā)送設(shè)備的時鐘同步問題。這就是說，接收設(shè)備以發(fā)送設(shè)備的時鐘為準(zhǔn)，調(diào)整自己的時鐘，使之和發(fā)送設(shè)備的時鐘同步。對于網(wǎng)中有多站的雙向通信系統(tǒng)，同步則有不同的解決辦法。這些辦法可以分為兩大類：第一類是全網(wǎng)各站具有統(tǒng)一的時間標(biāo)準(zhǔn)，稱為同步網(wǎng)；第二類是容許各站的時鐘有誤差，但是通過調(diào)整碼元速率的辦法使全網(wǎng)能協(xié)調(diào)工作，稱為異

24、步網(wǎng)或準(zhǔn)同步網(wǎng)。在網(wǎng)同步中，全網(wǎng)的同步可能是由接收設(shè)備負(fù)責(zé)解決，也可能需要收發(fā)雙方共同解決。這就是說，為了達(dá)到同步的目的，發(fā)射機的時鐘也可能需要作調(diào)整。在有一個中心站和多個終端站的（TDMA）通信網(wǎng)中，例如圖7-19中的衛(wèi)星通信網(wǎng)中有4個地球（終端）站，在衛(wèi)星（中心站）S1上接收地球站的TDMA信號的時隙安排如圖7-20所示。因為每個地球站只允許在給定的一段時隙中發(fā)送信號，故地球站在發(fā)射機必須保證其發(fā)送的上行信號到達(dá)衛(wèi)星上時，恰好是衛(wèi)星上中心站準(zhǔn)備接收其信號的時間。由于各個地球站和衛(wèi)星的距離不等，各個地球站上行發(fā)送信號的時鐘也需要不同，所以不可能采用調(diào)整衛(wèi)星上中心站接收機時鐘的辦法達(dá)到和所有地

25、球站上行信號同步的目的。這時，需要各地球站按照和衛(wèi)星的距離遠(yuǎn)近，將發(fā)射信號的時鐘調(diào)整到和衛(wèi)星上中心站接收機的時鐘一致。由于延遲時間不同，各個地球站發(fā)射信號的時鐘之間實際上是有誤差的。這就是發(fā)射機同步方法。圖7-19衛(wèi)星通信網(wǎng)圖7-20TDMA接收時隙發(fā)射機同步方法可以分為開環(huán)和閉環(huán)兩種。開環(huán)法不需要依靠中心站上接收信號到達(dá)時間的任何信息，終端站根據(jù)它所存儲的關(guān)于鏈路長度等信息可以預(yù)先校正其發(fā)送時間。終端站所存儲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加以修正。這種方法依靠的是準(zhǔn)確預(yù)測的鏈路長度等參量信息。當(dāng)鏈路的路徑是確定的且鏈路本身一旦建立后將連續(xù)工作較長時間時，該方法

26、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，該方法就難于有效地使用。開環(huán)法的主要優(yōu)點是捕捉快，不需要反向鏈路也能工作，實時運算量小；其缺點是需要外部有關(guān)單位提供所需的鏈路參量數(shù)據(jù)，并且缺乏靈活性。閉環(huán)法則不需要預(yù)先得知鏈路參量的數(shù)據(jù)。鏈路參量數(shù)據(jù)在減小捕捉同步時間上會有一定的作用，但是閉環(huán)法不需要像開環(huán)法要求的那樣精確。在閉環(huán)法中，中心站需要測量來自終端站的信號的同步準(zhǔn)確度，并將測量結(jié)果通過反向信道送給終端站。因此，閉環(huán)法需要已調(diào)反向信道傳送這個結(jié)果，并且終端站需要有根據(jù)此反饋信息適當(dāng)調(diào)整其時鐘的能力。這意味著，閉環(huán)法的缺點是終端站需要有較高的實時處理能力，并且每個終端站和中心站

27、之間要有雙向鏈路。此外，捕捉同步也需要較長的時間。但是閉環(huán)法的優(yōu)點是不需要外界供給有關(guān)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適應(yīng)路徑和鏈路情況的變化。7.5 頻分復(fù)用頻分復(fù)用（Frequency Division Multiplexing，F(xiàn)DM）是一種模擬技術(shù)，在鏈路帶寬大于要傳輸?shù)乃行盘枎捴蜁r采用。它將具有一定帶寬的線路劃分成若干條占有較小帶寬的信道，每條信道供一個用戶使用，即：將每一路信號調(diào)制到不同的載波頻率上，而且載波頻率彼此間的間隔足以使信號帶寬不會交迭，則可同時傳送多路信號，圖7-21為頻分復(fù)用系統(tǒng)原理圖。圖7-21頻分復(fù)用系統(tǒng)原理圖頻分復(fù)用的過程如圖7-22所示

28、。在發(fā)送端（如圖7-23所示），多個模擬或數(shù)字信號mi(t)(i=1，2，)要混合進(jìn)入同一傳輸媒介，每個信號m被調(diào)制到不同載頻fi上，可以用任何類型的調(diào)制，產(chǎn)生的模擬調(diào)制信號再綜合產(chǎn)生一個復(fù)合信號s(t)，且在滿足這一帶寬的媒介上傳輸。在接收端（如圖7-24所示），復(fù)合信號經(jīng)過n個帶通濾波器，每個濾波器的中心頻率為fi且具有帶寬Bi。這樣，信號被分解，分別解調(diào)以恢復(fù)其原來的信號。同時為了防止相鄰信號之間相互干擾，應(yīng)合理選擇載波頻率fi，以使各路已調(diào)信號頻譜之間留有一定得防護(hù)頻帶。圖7-22頻分復(fù)用過程示意圖圖7-23頻分復(fù)用系統(tǒng)發(fā)送裝置圖7-24頻分復(fù)用系統(tǒng)接收裝置頻分復(fù)用最典型的例子是在一條

29、物理線路上傳輸多路語音信號的多路載波電話系統(tǒng)。對于語音信號，頻分復(fù)用一般都采用12v、4000Hz的通道。這當(dāng)中3000Hz分配給用戶，通道兩側(cè)各有500Hz的保護(hù)頻帶。 基群(組)有12個4000Hz的通道復(fù)用，48KHz帶寬。超伏群有5個組，60個音頻通道，240KHz帶寬。主群由若干個(5個或10個)超(大)群構(gòu)成。6個主群還可以組成一個巨群。對12路語音、頻率經(jīng)遷移、復(fù)用后如圖7-25所示，在接收端要將每路4KHz的信號分離出來（如圖7-26所示），CCITT規(guī)定兩個組用于電話，即12-60KHz和60-108KHz兩個組。圖7-2512路載波電話基群得頻譜結(jié)構(gòu)示意圖圖7-26電話語音

30、信號接收端對于頻分復(fù)用，原始信號在接收端正?；謴?fù)需要滿足的三個必要條件：，載波頻率之間的頻率差能夠容納調(diào)制信號的帶寬；，信道之間由警戒頻帶分隔以防止信號交叉；，載波頻率不會影響原來的數(shù)據(jù)頻率。頻分復(fù)用的主要優(yōu)點是實現(xiàn)相對簡單，技術(shù)成熟；缺點是設(shè)備復(fù)雜，濾波器難以制作，并且在復(fù)用和傳輸過程中，調(diào)制、解調(diào)等會不同程度地引入非線性失真，而產(chǎn)生各路信號的相互干擾。.6 時分復(fù)用時分復(fù)用（Time-Division Multiplexing，TMD）是一個數(shù)字化的過程，它是一種以時間分片方式來實現(xiàn)在同一信道中傳輸多路信號的一種方法。與頻分復(fù)用將信號結(jié)合成一個單一復(fù)雜信號的作法不同，時分復(fù)用保持了信號在物

31、理上的獨立性，而從邏輯上把它們結(jié)合在一起，各路信號按照時間順序依次占用信道。7.6.1 時分復(fù)用基本原理時分復(fù)用分配給用戶不是某段頻帶，而是一段時間即時隙。在其占用的時間片內(nèi)，該用戶可使用信道的全部帶寬，即用戶周期性占用整個頻帶。圖7-27為時分復(fù)用的原理示意圖。圖7-27時分復(fù)用原理示意圖時分復(fù)用的發(fā)送裝置和接收裝置的基本機構(gòu)如圖7-28和圖7-29所示。發(fā)送端要發(fā)送多個信號mi(t)，i=1，2，n，這些信號要被復(fù)制到同一傳輸媒介上，具體的過程是：每個信息源發(fā)出數(shù)據(jù)，暫時緩存到緩沖器中，掃描開關(guān)以一定的順序?qū)Ω餍畔⒃淳彌_器進(jìn)行掃描，使數(shù)據(jù)以串行的形式發(fā)往線路，即交替地對多個終端數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣

32、，以同時傳輸多條數(shù)據(jù)。圖7-28時分復(fù)用發(fā)送裝置圖7-29時分復(fù)用接收裝置時分復(fù)用中，以數(shù)據(jù)幀的形式復(fù)用多路信號，每一幀分成不同的時間片（或叫時隙），每個時隙分配給不同的信號。具體如何分配信道資源，時分復(fù)用又可以分為同步時分復(fù)（ATDM）用和異步時分復(fù)用（STDM）。7.6.2 同步時分復(fù)用同步時分復(fù)用是一種固定分配資源的方式，為每個信號分配完全一樣的時間片，不管該設(shè)備有沒有數(shù)據(jù)要傳送。如圖7-30所示，每個信號分配的時隙固定不變，若當(dāng)前沒有數(shù)據(jù)則輸出一個“空”字符，免得數(shù)據(jù)相位混亂，線路兩端均必須以同樣的基準(zhǔn)對終端掃描。時間片的一個完整循環(huán)組成一個幀，其包括分配給每個設(shè)備的一個或者多個時間片

33、。同步時分復(fù)用中分配給某個設(shè)備的時間片在一幀中的位置是固定的。圖7-30同步時分復(fù)用示意圖同步時分復(fù)用需要先將模擬信號（如語音）數(shù)字化，即采樣、量化和編碼。圖7-31為同步時分復(fù)用的實現(xiàn)示意圖，圖7-32為幀形成示意圖。圖7-31同步時分復(fù)用實現(xiàn)示意圖圖7-32同步時分復(fù)用幀形成示意圖注意，每一幀的起始(或末了)一般有一同步位(寬度上應(yīng)圖示出區(qū)別，固后面每個時隙內(nèi)為8位)在脈沖形狀上可與數(shù)據(jù)位不同?！纠?-1】：如圖7-33所示，每個音頻通道的帶寬為4KHz，采樣頻率兩倍于帶寬，即8KHz。則采樣周期即一幀的時間為1/f=l/8000=126 s，對24路信號，每路數(shù)據(jù)7位加1位控制位共8位，

34、且一幀中有1位同步，則一幀共24*(7+1)+1共193位。因此速率可達(dá)：8000次采樣/秒*193位/采樣=1.544Mbps。圖7-33CCITT規(guī)定：每32路中，每路8位，全部為數(shù)據(jù)；專門將2路做控制用，即16位里幾位作為幀同步，余位做控制；30路作為語音傳輸。(32×8×8000=2.048Mbps)。層編號路數(shù)（語音）數(shù)傳率（Mbps）1302.04821208.448348034.3684519207680139.264565.148同步時分復(fù)用的優(yōu)點是所有幀的大小一樣，可以簡化協(xié)議，但是由于時隙是預(yù)先分配和固定的，若某臺設(shè)備沒有發(fā)送數(shù)據(jù)，對應(yīng)的時隙就會空閑，從

35、而導(dǎo)致帶寬和信道容量浪費。7.6.2 異步時分復(fù)用異步時分復(fù)用技術(shù)不再按固定的通道順序插入數(shù)據(jù)，即若某個通道無數(shù)據(jù)輸出，就跳過一個時間片。為不亂，插入數(shù)據(jù)前先插入數(shù)據(jù)所在的通道地址。也允許將許多較低速率的輸入線路復(fù)用到一條較高速率的線路上，但不同的是其所有輸入線路的速率之和可能比通路容量大。在同步系統(tǒng)中，如果有n條輸入線路，幀內(nèi)就至少有固定的n個時間片；在異步系統(tǒng)中，如果有n條輸入線路，幀內(nèi)就至多需要m個時間片，其中m小于n。如圖7-34在異步時分復(fù)用中，幀內(nèi)時間片的數(shù)目m是根據(jù)在給定時刻可能進(jìn)行發(fā)送的輸入線路數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果決定的。每一個時間片都可以被所連接的任何一個有數(shù)據(jù)發(fā)送的輸入線路所使用。

36、復(fù)用器掃描各輸入線路，接收部分?jǐn)?shù)據(jù)直到幀填滿，然后通過鏈路發(fā)送該幀。如果沒有足夠數(shù)據(jù)將幀內(nèi)所有時間片填滿，該幀就以半填充方式傳輸。圖7-34異步時分復(fù)用示意圖異步時分復(fù)用中，每個時間片須攜帶一個地址來告訴多路分解器如何為其中的數(shù)據(jù)定向。地址由復(fù)用器添加，數(shù)據(jù)被讀入后由多路分解器丟棄。對尋址的要求使異步時分復(fù)用對于比特或字節(jié)交織來說效率低下。地址通常只由少數(shù)比特組成，并可只在傳輸?shù)谝徊糠指郊油暾牡刂沸畔?，隨后部分采用縮略格式。變長時間片：異步時分復(fù)用可以通過改變時間片長度來容納不同數(shù)據(jù)速率的流量。管理變長字段要求在每個時間片開頭增加控制比特來指明后續(xù)的數(shù)據(jù)部分的長度，這些額外比特同樣增加了系統(tǒng)

37、的額外開銷，僅在時間片較大時適用。對于時分多路復(fù)用的信號傳輸，目前沒有國際一致公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，美國Bell system的T1，T2，T3和T4標(biāo)準(zhǔn)分別為：1.544Mbps (如第12頁24路)、6312 Mbps (96路)、44736Mbps(672路)和274.176Mbps(4032路)。在同步系統(tǒng)中，如果有n條輸入線路，幀內(nèi)就至少有固定的n個時間片，分配給某設(shè)備的時間片在一幀中的位置是固定的。在異步系統(tǒng)中，如果有n條輸入線路，幀內(nèi)就至多需要m個時間片，其中m小于n。一般來說，F(xiàn)DM適合于直接傳輸模擬信號，而TDM則適合于直接傳送數(shù)字信號。.7 碼分復(fù)用碼分復(fù)用是一種多對用戶間靠各自特殊

38、選擇的碼型使所有用戶皆同時共用同一頻帶(信道)的多路復(fù)用方式。碼分復(fù)用一般用于無線電場合，是移動通信中的主要技術(shù)，在無線通信中將其名為CDMA，即碼分多址訪問。在無線通信中把頻分復(fù)用和時分復(fù)用也稱為FDMA和TDMA。打個比方來說明TDMA，F(xiàn)DMA和CDMA的不同：在一個大廳里為來自世界各地的客人們組織一個宴會，許多對朋友都要交談。用TDMA方式每個只分到一個時間片談話；用FDMA方式相當(dāng)于各對朋友分組躲在一個角落連續(xù)交談；CDMA方式則是大家在大廳里用自己不同的語言(如英語、法語、漢語)或方言同時談話，對談?wù)邔e人講的不懂，只作為噪音不予理會。在CDMA系統(tǒng)中，每一比特時間需再劃分為m個時

39、間間隔，稱之為碼片，m的取值一般為64或128。為了說明的方便，以下取m=8。對每一個用戶站，需分配一個唯一的碼片序列(也稱作偽隨即碼或偽噪聲)。當(dāng)某站要發(fā)比特1，則發(fā)送其碼片序列，如00011011；要發(fā)比特0，則發(fā)送該碼片序列的二進(jìn)制反碼，如11100100。以下，為了說明的方便將碼片序列中的0和1分別以-1和+1表示，于是上例碼片序列可以表示為 -1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1。在CDMA系統(tǒng)中，由于碼片的寬度僅為1個信息位的寬度的1/m，即將原來的位傳送率由原來的bbps提高到mbbps，所需頻帶寬度比原來提高了m倍，故稱之為擴頻通信。系統(tǒng)中各站碼片序列不但必須各不相同，

40、還必須互相正交?？梢杂脭?shù)學(xué)公式來表示碼片序列的正交關(guān)系。以S和T分別表示兩個碼片序列向量，若二者正交，則其歸一化的內(nèi)積為0，即 (7-7)如，向量s為(-1-1-1+1+1-1+1+1)，向量T為(-1-1+1-1+1+1+1-1)，將兩個向量的各分量值代入上式，可證明其為正交。不但如此，s與T的碼片的反碼的向量內(nèi)積亦為0。此外，任何一個碼片序列向量的歸一化內(nèi)積皆為1，即 (7-7)同時也不難看出，一個碼片序列向量與其反碼的向量的歸一化內(nèi)積的值為-1，即 (7-8)系統(tǒng)中所有站的碼片都需是同步的。于是各站的碼片都同時開始發(fā)送。當(dāng)兩個或多個站同時發(fā)送，其信號是線性疊加的，譬如在一個碼周期中有三個

41、站都發(fā)出+1，一個站發(fā)-1，則疊加后的結(jié)果為+2。可以是電壓+2伏表示。一個站R要接收某一個s站發(fā)送的數(shù)據(jù)，則必須預(yù)先獲取s站的碼片序列。當(dāng)s站發(fā)1時，R站將所獲取的s站碼片序列與其求歸一化內(nèi)積s·s，得到的正是+1；s站發(fā)0，則s·s，得到的是-1。對于多個站同時發(fā)送的情況(疊加但和識別無關(guān))。注意，這里指的是多個移動設(shè)備與基站的通信，因移動設(shè)備間是無法通信的，一般情況移動設(shè)備越遠(yuǎn)基站收到的信號越弱，此時基站會指示移動設(shè)備加強功率。因此在蜂窩內(nèi)，不管移動設(shè)備的遠(yuǎn)近，基站收到的信號強度大致相同。設(shè)三個站A、B、C同時發(fā)送，接收站要收的是C站的信息。如該三站分別發(fā)的數(shù)據(jù)位為1

42、、0、1，接收站收到的是，根據(jù)接收站已獲取的C站碼元序列進(jìn)行如下的運算得：，由于所有站的碼片序列皆為正交，前兩項所表示的兩個站碼片序列的歸一化內(nèi)積都為0，只有第三項為1。對于多個站串行(非同時)發(fā)送的情況，接收站將所獲取c站的碼元，分別對三個站的碼元序列進(jìn)行運算，得：，若C發(fā)送的為0，則有。CDMA在無線通信中的優(yōu)點有：容量大，可比TDMA系統(tǒng)大4-6倍，比FDMA大10-20倍；抗干擾性好，不易受外來干擾，因其帶寬很大；發(fā)射信號的功率低，手機的發(fā)射功率可較小，從而對其它系統(tǒng)影響小；保密性好。PIN碼越復(fù)雜，保密性越好。7.8 多址技術(shù)不同地域的不同用戶同時（或幾乎同時）使用統(tǒng)一信道的技術(shù)，稱

43、為多址技術(shù)。多址技術(shù)與復(fù)用技術(shù)都是采用頻分復(fù)用、時分復(fù)用和碼分復(fù)用等技術(shù)使多路信號共用統(tǒng)一信道。但是多址技術(shù)指的是相距遙遠(yuǎn)的用戶遠(yuǎn)程分享一個信道，如衛(wèi)星通信等；而復(fù)用技術(shù)是指一個地區(qū)的用戶分享一個信道，如電話。復(fù)用系統(tǒng)中，用戶的需求通常是固定的；而多址系統(tǒng)中，用戶的需求變化是很大的。7.8.1 頻分多址有許多種不同的技術(shù)可以用來實現(xiàn)信道共享，把信道頻帶分割為若干更窄的互不相交的頻帶（稱為子頻帶），把每個子頻帶分給一個用戶專用（稱為地址），這種技術(shù)稱為頻分多址技術(shù)。在FDMA中，不同用戶的信號被分配不同的頻率。與模擬信號相同，在相鄰的信號頻譜之間有保護(hù)帶，用于減小相鄰信道的串話。頻分多址技術(shù)原理

44、如圖7-35所示圖7-35頻分多址技術(shù)原理示意圖FDMA的優(yōu)點是通過減少信息比特率和使用有效的數(shù)字碼可獲得容量的增加。FDMA的缺點包括：FDMA與模擬相同沒有本質(zhì)的區(qū)別，提高容量只依賴于減小S/I的比。但窄帶數(shù)字化方法在這方面僅給出有限的優(yōu)勢，在給定的頻譜分配中，希望得到適度的容量改善。窄帶技術(shù)需要窄帶濾波器，但它無法用VLSI數(shù)字電路實現(xiàn)每個信道的最大比特率是固定的，較低的。這對將來信息比特率可變的需求是不行的。7.8.1 時分多址時分多址的原理是將一個帶寬有限的信道按時間劃分成多個時隙，分配給不同的用戶。時分多址技術(shù)的原理如圖7-36所示。圖7-36時分多址技術(shù)原理示意圖如圖7-37所示

45、在TDMA系統(tǒng)中，每個用戶的數(shù)據(jù)在稱為時隙的一段時間內(nèi)傳送，幾個時隙組成一幀。每個時隙由時隙頭加信息比特組成，時隙頭的作用是提供識別和偶發(fā)的信息，在預(yù)接收機保證時隙的同步。保護(hù)時間用于每個用戶的傳輸時減少信道之間的串話。TDMA的優(yōu)點：TDMA允許靈活的比特率。既可以是基本單信道速率的幾倍，對于低比特率的廣播型業(yè)務(wù)也可以是它的幾分之一；TDMA不需要窄帶濾波器，可用VLSI集成；TDMA提供了對幀到幀的信號強度/比特錯誤率的監(jiān)視機會，以使得移動臺或基站能夠啟動和執(zhí)行切換；TDMA能更有效的利用帶寬，沒有保護(hù)頻帶；TDMA傳送信號時，在時隙之間預(yù)留了足圖7-37TDMA系統(tǒng)中信息格式示意圖夠的保

46、護(hù)時間，以適用下述情況：鐘不穩(wěn)定造成的時間不精確；時延擴展；由傳播距離造成的傳輸時延；信號脈沖的拖尾。TDMA的缺點：對手機上行的峰值功率較大，這樣減少電池的壽命；TDMA為了時隙同步需要匹配濾波器和相關(guān)檢測等相當(dāng)多的信號處理。習(xí) 題習(xí)題7-1 什么是同步？為什么在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中采用同步技術(shù)？習(xí)題7-2 什么是載波同步？實現(xiàn)方法有哪些？習(xí)題7-3 什么是位同步？實現(xiàn)方法有哪些？習(xí)題7-4 位同步信號的基本要求是什么？習(xí)題7-5用插入導(dǎo)頻法進(jìn)行位同步，發(fā)端相位應(yīng)該怎樣確定？收端信號怎樣防止位定時導(dǎo)頻對信號的干擾？習(xí)題7-6 什么是群同步？實現(xiàn)方法有哪些？ 習(xí)題7-7群同步方式的幀結(jié)構(gòu)示意圖。習(xí)題

47、7-8什么是網(wǎng)同步？其實現(xiàn)方法有哪些？習(xí)題7-9某音頻通道帶寬4KHz，以8KHz的頻率對24路信號進(jìn)行采樣，且每路中含有8位數(shù)據(jù)，一幀中有1位用于同步，問通道上的速率是多少？習(xí)題7-10什么是多路復(fù)用？主要的實現(xiàn)方法有哪些？習(xí)題7-11說明頻分復(fù)用和時分復(fù)用的基本原理。習(xí)題7-12說明同步時分復(fù)用和異步時分復(fù)用的區(qū)別。習(xí)題7-13什么是CDMA技術(shù)？有何特點？習(xí)題7-14什么是擴頻技術(shù)？習(xí)題7-15什么是多址技術(shù)？常用的多址技術(shù)有哪些？答 案習(xí)題7-1同步就是要使收發(fā)雙方在時間上步調(diào)一致，是通信中的一個重要技術(shù)問題。常有：載波同步、位(碼元)同步、組同步、幀同步和包同步等，組同步、幀同步和包

48、同步也統(tǒng)稱為群同步。同步是保證信息有序、準(zhǔn)確傳輸?shù)谋匾颓疤?，而同步系統(tǒng)性能的好壞又將直接影響到整個通信系統(tǒng)的性能。習(xí)題7-2 在頻帶傳輸系統(tǒng)中，當(dāng)采用同步檢測（相干解調(diào)）時，接收端需要恢復(fù)一個與發(fā)射端的調(diào)制載波同頻、同相的相干載波，而獲取這個載波的過程就稱為載波同步。接收端恢復(fù)相干載波的方法一般分為兩類：一類是發(fā)送端發(fā)送數(shù)字信息的同時發(fā)送載波信號或者與數(shù)字信息有關(guān)的導(dǎo)頻信號，這種方法叫做插入導(dǎo)頻法；另一類是從接收的已調(diào)信號中提取出載波信號，這種方法叫直接法。習(xí)題7-3 位同步就是設(shè)法在接收端產(chǎn)生一個與發(fā)送端碼元速率相同，且在時間上對準(zhǔn)最佳判決點的定時脈沖序列。位同步方法分為兩種：外同步方法和

49、自同步方法。習(xí)題7-4 對位同步信號的要求是相位誤差盡量小，因為相位誤差造成位定時脈沖的位移，使抽樣判決時刻偏離最佳位置，導(dǎo)致誤碼率增大。此外，要求同步建立時間短、同步保持時間長，并且到達(dá)一定得同步帶寬等。習(xí)題7-5用插入導(dǎo)頻法進(jìn)行位同步，發(fā)端相位應(yīng)該怎樣確定？收端信號怎樣防止位定時導(dǎo)頻對信號的干擾？為了在載頻位置插入導(dǎo)頻，對數(shù)字信號Sd(t)要先進(jìn)行變換，將其頻譜中的直流和相鄰的低頻信號濾掉或衰減，然后經(jīng)低通濾波器加給環(huán)形調(diào)制器，由帶通濾波器取出上、下邊帶送給加法器，同時送給加法器的還有載波移相后所得到的。發(fā)送端必須正交插入導(dǎo)頻，不能加入導(dǎo)頻信號，否則接收端解調(diào)后會出現(xiàn)直流分量，這個直流分量無法用低通濾波器