第8章同步原理

1、第八章8.1 引言 8.2 載波同步8.3 位同步8.4 群同步Chapter 8Principle of Synchronization8.1 引言 同步電路是數(shù)字通信系統(tǒng)中不可缺少的重要組成部分，它是進(jìn)行正常通信的必要保證。在數(shù)字通信系統(tǒng)中的同步，分為載波同步、位同步、群同步和網(wǎng)同步。簡介同步電路是接收端輔助電路。 1）對已調(diào)信號進(jìn)行相干解調(diào)時(shí)，需要與發(fā)端“同頻同相”的相干載波 和 載波同步 2）數(shù)字信號再生（即抽樣判決）時(shí)，需要與發(fā)端“同頻同相”的位定時(shí)信號 位同步3）比特流以“幀”的形式在物理層傳輸，為了完成幀的定界，需要與發(fā)端“同頻同相”的幀定界信號 群同步、幀同步4）為確保通信網(wǎng)內(nèi)

2、各設(shè)備之間的可靠通信，需要各設(shè)備的系統(tǒng)時(shí)鐘一致 網(wǎng)同步tccostcsin8.2 載波同步 相干載波是接收端相干解調(diào)所必需的。相干載波的提取效率和精度是比較不同獲取方法的性能指標(biāo)。相位誤差對解調(diào)性能有較大影響。簡介載波恢復(fù)的方法有兩類：u 插入導(dǎo)頻法： 在發(fā)端發(fā)送又用信號的同時(shí)，在適當(dāng)?shù)念l率位置上插入載波或與之相關(guān)的“導(dǎo)頻信號”，接收端便可通過窄帶濾波器取出該導(dǎo)頻信號以獲取相干載波。u 直接提取法： 簡稱“直接法”，亦稱“自同步法”，從接收的已調(diào)信號中直接提取相干載波。8.2.1 插入導(dǎo)頻法（以抑制載波的雙邊帶信號為例） ttAsecDSBcos)(u 在頻率f fc c處插入一個(gè)幅度和相位恒

3、定的“正交”載波導(dǎo)頻分量。在頻域插入導(dǎo)頻在頻域插入導(dǎo)頻 插入導(dǎo)頻法發(fā)端方框圖 u 設(shè)輸入基帶信號為s(t)s(t)，其頻譜無直流分量（如歸零碼）。u 發(fā)送端的輸出 cossinscccetAs ttat導(dǎo)頻信號：正交載波 插入導(dǎo)頻法收端方框圖 假定接收端接收信號與發(fā)送端相同 tattAstecccssincos)()(u 收端乘法器的輸出 cossincoscos2sin2222cccccccm tAs ttattaAAs ts ttt恢復(fù)出基帶信號 在時(shí)域插入導(dǎo)頻在時(shí)域插入導(dǎo)頻 在一定的時(shí)段上傳送載波信息。 如衛(wèi)星通信的TDMA體制。 衛(wèi)星通信TDMA系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu) 用鎖相環(huán)提取時(shí)域插入的導(dǎo)頻

4、8.2.2 直接提取法1）非線性變換 - 濾波法 對已調(diào)信號進(jìn)行非線性變換，可得載頻的“倍頻分量”，再利用窄帶濾波器或等效鎖相環(huán)提取，經(jīng)過分頻可得所要的相干載波。 平方變換法 平方環(huán)法：用鎖相環(huán)替代窄帶濾波器 2）同相正交環(huán)法（又稱“科斯塔斯環(huán)法”CostasCostas） 同相、正交兩路鑒相，得誤差電壓v vd d，作用于壓控振蕩器產(chǎn)生同相和正交兩路載波。3）其他方法 逆調(diào)制環(huán) 判決反饋環(huán)平方變換法平方變換法 抑止載波的雙邊帶信號 cosce ts tt 平方 22222coscos222ccststetsttt平方環(huán)法 u 輸入2PSK信號經(jīng)平方后（若g(t)為矩形） 22211cosco

5、s222nSccneta g tnTttu 壓控振蕩器的輸出 0sin 22cvtAt鎖定時(shí)，很小問題： 相位模糊 載波二倍頻同相正交環(huán) u 輸入抑制載波的雙邊帶信號 ttsteccos)()( 同相鑒相器和正交鑒相器 1coscvt2sincvt 3coscos1coscos 22cccvs ttts tt 4cossin1sinsin 22cccvs ttts tt 51cos2vs t 61sin2vs t 21sin28dvstu s(t)為矩形雙極性數(shù)字基帶信號，則 1sin28dv 否則，可分解為直流和交流分量，則 sin2ddvk逆調(diào)制環(huán)（四相） 判決反饋環(huán)（四相） 8.2.3

6、載波同步系統(tǒng)的性能系統(tǒng)性能的主要指標(biāo)： 效率 消耗的發(fā)送功率 精度 相位誤差（包括穩(wěn)態(tài)相差和隨機(jī)相差） 穩(wěn)態(tài)相差：無噪聲條件下，載波同步系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)輸出的信號與相干載波之間的相位差。 隨機(jī)相差：由隨機(jī)噪聲的影響造成的載波同步系統(tǒng)輸出與相干載波之間的相位誤差。 ，回路的中心頻率與載波頻率的頻差穩(wěn)態(tài)相差 1）用窄帶濾波器提?。?02tgQ 2）用鎖相環(huán)提?。?0K回路的中心頻率 0c環(huán)路的直流增益 隨機(jī)相差（方差表示） 1）用窄帶濾波器提?。?2）用平方環(huán)法提?。?snQPfnv421002輸出的信噪比 回路的品質(zhì)因數(shù) 輸出信號功率 噪聲單邊功率譜密度 2200222iLst nn BBst前置帶

7、通濾波器的帶寬環(huán)路的噪聲帶寬 同步同步的的建立時(shí)間建立時(shí)間t ts s和和保持時(shí)間保持時(shí)間t tc c1）用窄帶濾波器提?。?021ln1sQtK輸出電壓包絡(luò)達(dá)到KU時(shí)，同步建立 021lncQtK輸出電壓包絡(luò)降至KU時(shí)，同步結(jié)束 2）用鎖相環(huán)提?。?同步建立時(shí)間 = 鎖相環(huán)的捕捉時(shí)間 快（速）捕（獲）時(shí)間： 1Lnt 捕獲時(shí)間： 232pnt 1cutctef 同步保持時(shí)間：鎖相環(huán)原已鎖定的情況下，由于信號中斷，壓控振蕩器輸出信號的相位變化不超過某一允許值 所得的時(shí)間。 環(huán)路濾波器電容放電支路的時(shí)間常數(shù) 028.2.4 載波相位誤差對解調(diào)性能的影響1）雙邊帶調(diào)幅信號 cosce ts tt假

8、設(shè)提取的載波為 ， 則相干解調(diào)輸出為： cosccett cos2s tx t相位誤差 影響：信噪比下降 2）單邊帶信號及殘余邊帶信號 1cos2ctu 上邊帶： 111coscoscossinsin444x tttt 有效項(xiàng)畸變項(xiàng)u 相干解調(diào)輸出為：信噪比下降信號畸變 3）調(diào)相信號 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)相信號的表示式與抑制載波的雙邊帶信號相同。 u 相干解調(diào)輸出： cos2s tx t 系統(tǒng)誤碼率： cos210nEerfcPce QPSK信號的誤碼率： 00111 11cos1cos2424eccPPEEerfcerfcnn 8.3 位同步 位同步也具有外同步法和內(nèi)同步法兩大類。位同步系統(tǒng)的性能通

9、常利用相位誤差、建立時(shí)間、保持時(shí)間等指標(biāo)來衡量。 簡介8.3.1 外同步法 外同步法：發(fā)送端在傳送數(shù)字信息的同時(shí)，或采用單獨(dú)的信道，或與數(shù)字信號共用同一個(gè)信道，向接收端傳送位同步信息。 1）頻域插入導(dǎo)頻法： - 頻域插入位同步導(dǎo)頻法：在基帶信號頻譜的第一個(gè)零點(diǎn)插入所需的導(dǎo)頻。- 包絡(luò)調(diào)制法：在發(fā)端將位同步信號的某種波形（通常采用升余弦脈沖波形）對調(diào)相載波進(jìn)行附加幅度調(diào)制，使其包絡(luò)隨位同步波形而變化；在接收端，利用包絡(luò)檢波器和窄帶濾波器分離位同步信號。 2）時(shí)域插入導(dǎo)頻法： 在傳送數(shù)字信息信號之前先傳送位同步信息。 頻域插入位同步導(dǎo)頻法發(fā)端收端包絡(luò)調(diào)制法發(fā)端收端8.3.2 自同步法 自同步法：直

10、接從數(shù)字信號中提取位定時(shí)信號的方法，也叫直接法。 1）濾波法：直接從數(shù)字碼流中用窄帶濾波器提取位定時(shí)頻率，從而得到位定時(shí)脈沖。2）鎖相法：鎖相環(huán)來提取位同步信號的方法。 可分為模擬鎖相法和數(shù)字鎖相法。 從基帶數(shù)字信號中提取位同步 微分、全波整流濾波法 從已調(diào)中頻信號中提取位同步 包絡(luò)檢波濾波法 模擬鎖相法 過零檢測輸出信號 數(shù)字鎖相法08FF8.3.3 位同步系統(tǒng)的性能及其相位誤差對性能的影響 相位誤差：（最大相位誤差） 360en 同步建立時(shí)間：失步后再重建同步所需的最長時(shí)間。 2ssstTNnT1ctF K 同步保持時(shí)間：信號中斷后，收端同步信號相位漂移達(dá)到某值的時(shí)間。 同步帶寬：鎖相環(huán)在

11、鎖定后能跟蹤輸入信號的最大頻率范圍。 02sFfn1）數(shù)字鎖相法位同步系統(tǒng)的性能 2）位同步相位誤差對性能的影響 相位誤差一般用時(shí)間差T Te e來表示。 2PSK的誤碼率 00112/1/44eesTPerfcE nerfc EnT8.4 群同步 “字”、“句”、“群”同步統(tǒng)稱為群同步。其同步方法也包括外同步法和自同步法。常見的外同步法有起止式同步法、加高或加寬式同步法和插入特殊碼組等。 簡介群同步的方法分為： 1）外同步法：在發(fā)送的數(shù)字序列中插入專門的群同步脈沖或群同步碼組。 - 起止式同步法 - 加高或加寬式同步法 - 插入特殊碼組法：連貫插入法和間隔式插入法。 2）自同步法：利用數(shù)字序

12、列本身的特性來提取群同步脈沖。如：有糾錯(cuò)能力的抗干擾編碼，為了能糾正接收數(shù)字序列中的錯(cuò)碼，加入一些監(jiān)督碼，在接收端有可能根據(jù)這些監(jiān)督碼的位置恢復(fù)出群同步信號，從而不再需要發(fā)送另外的群同步信號。8.4.1 起止式同步法 在每一組信號碼元的前面和末尾都加一個(gè)同步碼元。 在實(shí)際應(yīng)用中常常是通過增加一個(gè)專用的碼元變換裝置來解決脈沖寬度不一致問題。 8.4.2 加高或加寬式同步法 在每組信碼前增加一個(gè)幅度或?qū)挾忍貏e大的群同步脈沖。 8.4.3 連貫式插入法 在每群的開頭集中插入群同步碼組（易識別的特殊碼組）的方法。 應(yīng)用最廣泛的是“巴克碼”(BarkerBarker) 。 非周期序列，具有尖銳的局部自相

13、關(guān)函數(shù)。12,11nix xxx 或 自相關(guān)函數(shù)為 10010njiijinjR jx xjn，當(dāng)或，當(dāng)如七位巴克碼組1110010，若j=1，則： 6111 1 1 1 1 10iiiR jx x 7位巴克碼的自相關(guān)函數(shù) 7位巴克碼發(fā)生器串行式串行式 反饋式反饋式 7位巴克碼識別器七位巴克碼識別器七位巴克碼識別器輸入輸出關(guān)系輸入輸出關(guān)系 8.4.4 間隔式插入法 分散插入的方式，即每隔一定數(shù)量的信息碼元，插入一個(gè)群同步碼元。逐碼移位法群同步逐碼移位法群同步 8.4.5 群同步系統(tǒng)的性能 性能衡量指標(biāo)： - 漏同步概率PP1 1： 干擾導(dǎo)致同步碼組發(fā)生誤碼，產(chǎn)生漏識別現(xiàn)象的概率。 - 假同步概

14、率PP2 2： 信息碼中出現(xiàn)與群同步碼組一致的碼，產(chǎn)生誤識別現(xiàn)象的概率。 - 群同步平均建立時(shí)間t ts s漏同步概率- n位同步碼組，單個(gè)碼元出錯(cuò)概率PPe e。- 收到符號中，相符個(gè)數(shù)為y y，則不相符個(gè)數(shù)為n=yn=y。- 同步碼組識別器允許的錯(cuò)碼個(gè)數(shù)k k。 在群同步碼組識別器所允許的錯(cuò)誤范圍內(nèi)，識別器能正確識別同步碼的概率為： 001kn xxxneexPCPP 漏識別概率(即漏同步概率)： 10101111nkn xn xxxxxneeneex kxPCPPPCPP 假同步概率消息碼元中能被判為同步碼組的組合數(shù)與所有可能碼組合數(shù)之比。 設(shè)二進(jìn)制消息碼元現(xiàn)出“0”和“1”的概率相等。

15、 假同步概率： 2012nkxnxPC當(dāng)判決門限值取定后，漏同步概率隨著碼組長度n的增加而增加，近似成正比關(guān)系；而假同步概率隨著碼組長度n增加而減小。同步平均建立時(shí)間 設(shè)每群的碼元數(shù)為NN (其中n n位為群同步碼)，每個(gè)碼元時(shí)間為T Ts s，一群的時(shí)間為NTNTs s。 連貫插入法群同步的平均建立時(shí)間： 121sstNTPP逐位移位法群同步建立時(shí)間逐位移位法群同步建立時(shí)間 111ssssPtNtNTNTP最佳同步碼 在給定誤碼率PPe e和同步碼識別器允許的誤碼個(gè)數(shù)k k的條件下，長度為n n的各種碼型在覆蓋區(qū)內(nèi)，假同步概率最小的碼型。 覆蓋區(qū)：也叫重疊區(qū)，由部分信息碼元和部分同步信號碼元共同組成的假同步碼組所出現(xiàn)的區(qū)域。群同步碼長度n 左側(cè)n-1右側(cè)n-1覆蓋區(qū)長