第9章同步原理與技術(shù)1

1、1數(shù)字通信原理(Principle of Digital Communications)華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院余翔宇信息工程2010級(jí) 3&42012.112第九章 同步原理與技術(shù)本章的基本內(nèi)容本章的基本內(nèi)容：n鎖相環(huán)的工作原理；n載波同步；n符號(hào)同步；n幀同步。9.1 9.1 引言引言 n 同步的基本概念同步的基本概念 同步是通信系統(tǒng)的接收端恢復(fù)發(fā)送信息所需的關(guān)鍵技術(shù)之一。 同步可以使得在通信系統(tǒng)中，信號(hào)的發(fā)送與接收的節(jié)奏保持一致，保證信息的正確接收。 在數(shù)字通信系統(tǒng)中，信號(hào)的同步主要包括：載波同步載波同步、符號(hào)符號(hào)同步同步和幀同步幀同步。 載波同步載波同步：實(shí)現(xiàn)發(fā)送與接收有相同

2、的載波頻率和固定的相位關(guān)系，保證相干或相關(guān)解調(diào)的實(shí)現(xiàn)； 符號(hào)同步符號(hào)同步：實(shí)現(xiàn)符號(hào)接收的定位，避免符號(hào)間的串?dāng)_，保證符號(hào)的正確接收和解碼； 幀同步幀同步：實(shí)現(xiàn)幀的定位，保證符號(hào)與信息間一一對(duì)應(yīng)的映射關(guān)系，保證信息碼組的正確劃分和最終信息的獲取。第7章 傳輸信道課本P4259.2 9.2 鎖相環(huán)鎖相環(huán)n 鎖相環(huán)的基本概念鎖相環(huán)的基本概念 鎖相的概念：鎖相的概念：當(dāng)我們說兩個(gè)信號(hào)相位鎖定時(shí)，通常指這兩個(gè)信號(hào)有固定的頻率比值和穩(wěn)定的相位固定的頻率比值和穩(wěn)定的相位關(guān)系。 當(dāng)用示波器同時(shí)觀測(cè)兩個(gè)相位鎖定的信號(hào)時(shí)，可以看到兩個(gè)穩(wěn)定的、相互間沒有移動(dòng)的信號(hào)波形。 第7章 傳輸信道第7章 傳輸信道n 鎖相環(huán)的

3、組成鎖相環(huán)的組成 鎖相環(huán)的基本結(jié)構(gòu) 鑒相器鑒相器：鑒別兩個(gè)信號(hào)間的相差，將其轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的電壓值。 環(huán)路濾波器環(huán)路濾波器：某種低通濾波器，用于鑒相器輸出電壓中的噪聲和高頻的成份。 壓控振蕩器壓控振蕩器：振蕩頻率可由電壓控制的振蕩器； 頻率變換器頻率變換器：完成振蕩頻率到基準(zhǔn)頻率間的變換： 兩者間的倍數(shù)通常必須是一個(gè)有理數(shù)。 0Bmffn課本P425-426n 鎖相環(huán)的工作原理鎖相環(huán)的工作原理 假定 輸入的基準(zhǔn)信號(hào)基準(zhǔn)信號(hào)： 壓控振蕩器輸出信號(hào)輸出信號(hào)： 鑒相器(采用乘法器實(shí)現(xiàn)時(shí))輸出第7章 傳輸信道1mn cos 2BBBBstAf tt 0000sin 2sin 2VCOBstAftAf tt

4、 000cos 2sin 211 sinsin 422PDPDBBBPDBPDBButKf ttf ttKttKf ttt課本P426n 鎖相環(huán)的工作原理(續(xù)) 環(huán)路(低通)濾波器輸出 其變化特性 設(shè)計(jì)壓控振蕩器的工作特性壓控振蕩器的工作特性 環(huán)路濾波器的輸出 信號(hào)波形第7章 傳輸信道 0sinsinddBdutKttKt2222 0,cos 222120,ddkkduKkkd 00dVCOdVCOuftuft課本P426n 鎖相環(huán)的工作原理(續(xù)) 鎖相環(huán)的工作區(qū)域及特性 在 工作區(qū)域 形成負(fù)反饋： 在 工作區(qū)域 形成正反饋： 圖中 穩(wěn)定平衡點(diǎn)穩(wěn)定平衡點(diǎn) 非穩(wěn)定平衡點(diǎn)非穩(wěn)定平衡點(diǎn) 鎖相環(huán)最終工

5、作在穩(wěn)定平衡點(diǎn)上。第7章 傳輸信道 0ddutd , 2222dVCOufkk 0ddutd , 22212dVCOufkk 0 課本P426n 鎖相環(huán)的基本性能分析鎖相環(huán)的基本性能分析 鎖相環(huán)在趨于相位鎖定時(shí)， 一般較小，經(jīng)環(huán)路濾波后有 如果鑒相器不是乘法器，而是一個(gè)理想的鑒相器理想的鑒相器，則直接有 工程上對(duì)反饋控制系統(tǒng)，采用拉普拉斯變換，很容易分析其穩(wěn)態(tài)時(shí)的情形，對(duì)上兩式取拉氏變換，均可得第7章 傳輸信道 t 11sin22PDPDPDPDutKtKtKt 0PDPDPDButKtKtt 0PDPDBUSKSS課本P427第7章 傳輸信道n 鎖相環(huán)的基本性能分析(續(xù)) 環(huán)路濾波器的結(jié)構(gòu)和

6、特性環(huán)路濾波器的結(jié)構(gòu)和特性 無源的環(huán)路濾波器 有源的環(huán)路濾波器 記： 。無源環(huán)路濾波器的傳遞函數(shù) 有源環(huán)路濾波器的傳遞函數(shù) 2221212121111dPDUSSSF SUSSS 1222111111dPDUSA SSF SUSSA SS 11RC22R C課本P427第7章 傳輸信道n 鎖相環(huán)的基本性能分析(續(xù)) 壓控振蕩器控制電壓壓控振蕩器控制電壓 頻率變化頻率變化 特性特性 相位變化特性 相位變化特性的拉氏變換 02dfK ut dutf 002ttdtfdtK ut dt 00dK USSS課本P427第7章 傳輸信道n 鎖相環(huán)的基本性能分析(續(xù)) 鎖相環(huán)的相位變化跟蹤性能鎖相環(huán)的相位

7、變化跟蹤性能 記 輸入相位函數(shù) ；輸出相位函數(shù) 定義環(huán)路傳遞函數(shù)環(huán)路傳遞函數(shù) 整理可得 定義相位誤差相位誤差 可導(dǎo)出相位誤差傳遞函數(shù)相位誤差傳遞函數(shù) BS 0S 0BSH SS 00PDPDKK F SKF SH SSKK F SSKF S 0BSSS 01BBBSSSHSH SSS 課本P428第7章 傳輸信道n 鎖相環(huán)的基本性能分析(續(xù)) 相位誤差(拉氏變換)可表示為 由拉氏變換終值定理，可得穩(wěn)態(tài)的相差 由此可確定當(dāng)輸入信號(hào)的相位發(fā)生變化時(shí)壓控振蕩器輸出相位的變化情況。 1BBBSSHSSH SSSSKF S 200limlimlimBtSSStSSSSKF S課本P428第7章 傳輸信道

8、n 鎖相環(huán)的基本性能分析(續(xù)) 示例：示例：鎖相環(huán)的相位跟蹤特性 設(shè)輸入基準(zhǔn)信號(hào)相位相位有一確定幅度 的階躍變化 壓控振蕩器穩(wěn)態(tài)的輸出相位為 即 穩(wěn)態(tài)時(shí)的相差為零，頻率鎖定自然不言而喻。 注注：對(duì)于非理想的鑒相器(如有乘法器構(gòu)建的鑒相器)，穩(wěn)態(tài)的輸出可能有一固定的相位差。 BBtu tSS 200limlimlim0tSSStSSSKF SS 00 BVCOBtttff課本P428第7章 傳輸信道n 鎖相環(huán)的基本性能分析(續(xù)) 鎖相環(huán)的頻率同步范圍鎖相環(huán)的頻率同步范圍 同步范圍同步范圍(同步帶寬)：鎖相環(huán)可跟蹤輸入基準(zhǔn)信號(hào)頻率變化的最大范圍。在此范圍內(nèi)，有 。 假定輸入基準(zhǔn)信號(hào)的頻率頻率發(fā)生幅

9、度為 的階躍變化 相應(yīng)地有 穩(wěn)態(tài)后的相位差 可見有一固定的相差，其大小與鎖相環(huán)的參數(shù)有關(guān)。 相位差是一個(gè)固定值意味著可實(shí)現(xiàn)頻率的同步，即BVCOffBf 222 BBBBftf tSS 222BBBffSSSSSKF SSKF SSS SKF S 0022limlimlim0BBtSSfftSSSKF SKFBVCOff課本P428第7章 傳輸信道n 鎖相環(huán)的基本性能分析(續(xù)) 采用非理想鑒相器鎖相環(huán)的同步范圍采用非理想鑒相器鎖相環(huán)的同步范圍 基于乘法器實(shí)現(xiàn)的鑒相器，鑒相輸出具有正弦變化特性 因此 可得 增大環(huán)路的直流增益有利于擴(kuò)大鎖相環(huán)的同步范圍。 sinPDPDutKt sin1 PDPD

10、tutK 022maxsinmaxsin1max0024BBBKFfffKFKF 04BKFf課本P429第7章 傳輸信道n 鎖相環(huán)的基本性能分析(續(xù)) 捕捉時(shí)間捕捉時(shí)間 鎖相環(huán)從壓控振蕩器自由振蕩到同步到基準(zhǔn)頻率所需的時(shí)間。 捕捉時(shí)間可由下式?jīng)Q定 式中 稱為環(huán)路的自然頻率環(huán)路的自然頻率； 稱為環(huán)路的阻尼系數(shù)環(huán)路的阻尼系數(shù)。232Pnt121nKK212nK課本P429第7章 傳輸信道n 鎖相環(huán)的基本性能分析(續(xù)) 同步保持時(shí)間同步保持時(shí)間 原來已經(jīng)鎖定工作的鎖相環(huán)，從失去同步基準(zhǔn)信號(hào)到能夠維持壓控振蕩器輸出相位變化 小于某一預(yù)定值 的時(shí)間。 假定失去基準(zhǔn)信號(hào)后，鑒相器輸出電壓指數(shù)衰減 由 可

11、得同步保持時(shí)間00 tddutE e 00000000 cccct ttcddt tt tt tttdddtttttK ut dtK ut dtK EK ut dtK E edtee001lndcdK EtK E課本P429第7章 傳輸信道n 鎖相環(huán)的基本性能分析(續(xù)) 具有較長(zhǎng)的保持時(shí)間，是間歇同步系統(tǒng)需要具備的基本要求。 廣播電視信號(hào)中，模擬的彩色全電視信號(hào)需要色副載波色副載波作為色度信號(hào)的基準(zhǔn)信號(hào)。 電視信號(hào)中的色副載波信號(hào)間歇地對(duì)電視接收機(jī)的色副載波信號(hào)進(jìn)行同步調(diào)整。 在 的行信號(hào)周期內(nèi)，有 處于同步時(shí)段，其余時(shí)段依賴同步保持性能足夠好來保證色副載波信號(hào)的穩(wěn)定性。64Hts2.25 s

12、課本P429n 鎖相環(huán)的基本性能分析(續(xù)) 輸入噪聲信號(hào)對(duì)鎖相環(huán)性能的影響輸入噪聲信號(hào)對(duì)鎖相環(huán)性能的影響 含有噪聲的基準(zhǔn)信號(hào)可以表示為 不妨假定 ，則有 其中 設(shè)環(huán)路濾波器為 定義環(huán)路噪聲帶寬為 第7章 傳輸信道 ( )cos 2( )cos2( )sin2BBBBCBSBstAf ttntf tn tf t 0Bt ( )cos 2BBnstR tf tt arctanSnBCnttAnt H S 220022LSjfBH SdfHjfdfLB課本P429-430n 鎖相環(huán)的基本性能分析(續(xù)) 對(duì)于無源環(huán)路濾波器，可得 對(duì)于有源環(huán)路濾波器，可得 小的環(huán)路濾波器有利于抑制噪聲對(duì)鎖相環(huán)的影響；

13、小的環(huán)路濾波器不利于對(duì)快速變化的基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行跟蹤； (環(huán)路濾波器參數(shù))的取值要根據(jù)鎖相環(huán)的具體應(yīng)用合理選擇。第7章 傳輸信道2218nnLBK124nLBLBLBLB課本P4309.3 9.3 載波同步載波同步n 直接提取法直接提取法 載波同步通常需要解決在只含已調(diào)載波信號(hào)中恢復(fù)載波信號(hào)的問題。 直接提取法直接提取法：利于鎖相環(huán)電路，直接從已調(diào)載波信號(hào)中提取載波信號(hào)的方法。 直接提取法通常包括平方環(huán)法，科斯塔環(huán)法和M次方環(huán)法等。這些方法基本的特點(diǎn)基本的特點(diǎn)是： (1)利于非線性電路，去除調(diào)制載波的信息對(duì)提取載波信號(hào)的影響,得到含有噪聲的基準(zhǔn)信號(hào)； (2)采用鎖相環(huán)電路完成相當(dāng)于較理想窄帶濾波器

14、理想窄帶濾波器的功能，獲得可用于相干解調(diào)/相關(guān)解調(diào)的與發(fā)送載波信號(hào)相位鎖定的本地載波信號(hào)。第7章 傳輸信道n 直接提取法(續(xù)) 1 1、平方環(huán)法、平方環(huán)法 平方環(huán)法是一種恢復(fù)2PSK信號(hào)中載波信號(hào)的方法。 平方環(huán)法載波恢復(fù)電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 主要包括：平方運(yùn)算平方運(yùn)算、帶通濾波帶通濾波、鎖相環(huán)鎖相環(huán)和二分頻二分頻電路等。 接收的2PSK信號(hào)可以表示為 假定基帶的波形函數(shù) 為門函數(shù)門函數(shù)。第7章 傳輸信道 cos()coscnTscns tx tta g tnTt,naa a ( )Tg t課本P430第7章 傳輸信道n 直接提取法(續(xù)) 經(jīng)平方器電路平方器電路后得 經(jīng)中心頻率為 的帶通濾波器帶通濾

15、波器得 實(shí)際信號(hào)中含有造成成份，通常不能直接用以恢復(fù)載波。 本地的壓控振蕩器輸出壓控振蕩器輸出為 2222222()cos()cos111 ()1 cos2cos2222nTscnTscnnTsccnsta gtnTta gtnTta gtnTtaat2c 221cos22ccstat sin 22VCOcutAtt 課本P431第7章 傳輸信道n 直接提取法(續(xù)) 鑒相器輸出鑒相器輸出 環(huán)路濾波器輸出環(huán)路濾波器輸出 壓控振蕩器輸出壓控振蕩器輸出 其中穩(wěn)定平衡點(diǎn) 二分頻后輸出本地恢復(fù)的載波信號(hào)本地恢復(fù)的載波信號(hào) 221( )( )( )cos2sin 222 sin 2sin 42cPDVCO

16、ccPDcutst utat AttKttt cos 22VCOcutAtt ( )sin 2ddu tKtk0, 1, 2, 3,.k cosLLcutAt課本P431第7章 傳輸信道第7章 傳輸信道n 直接提取法(續(xù)) 平方環(huán)法的相位模糊問題相位模糊問題 在本地恢復(fù)的載波信號(hào) 中，對(duì) 取模 后 ，其確切取值在接收端不能確定：相位模糊相位模糊。 相位模糊產(chǎn)生的原因，2PSK信號(hào)中隨機(jī)的二進(jìn)制序列的影響。 克服相位模糊影響的方法克服相位模糊影響的方法： 采用2DPSK調(diào)制方法(調(diào)制載波的序列先進(jìn)行差分編碼行差分編碼，然后在進(jìn)行2PSK調(diào)制)； 發(fā)送訓(xùn)練序列來進(jìn)行相位的判定。 cosLLcutA

17、t0,2第7章 傳輸信道n 直接提取法(續(xù)) 2 2、科斯塔環(huán)法、科斯塔環(huán)法 科斯塔環(huán)法是另外一種提取2PSK載波信號(hào)的方法。 科斯塔環(huán)法載波恢復(fù)電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 其中，接收信號(hào)為 cos()coscnTscns tx tta g tnTt課本P431-432第7章 傳輸信道n 直接提取法(續(xù)) 壓控振蕩器輸出的兩路本地載波正交信號(hào)為 本地載波與輸入信號(hào)載波的頻差和相差綜合反映在 上。 上下兩路乘法器輸出 低通濾波輸出 1coscu ttt 2sincuttt t 3coscos1 coscos 22cccutx ttttx tttt 4cossin1 sinsin 22cccutx ttttx

18、 tttt 51cos2utx tt 61sin2utx tt課本P432第7章 傳輸信道n 直接提取法(續(xù)) 相乘輸出 可見可獲得調(diào)整壓控振蕩器的相差信號(hào)。 由鎖相環(huán)原理，壓控振蕩器將被鎖定在輸入的載波頻率上。 科斯塔環(huán)法載波恢復(fù)電路產(chǎn)生的本地載波同樣存在相位模糊問題。系統(tǒng)須采用克服相位模糊的措施。 56,utut 2272211cossin2211sin2sin288xtautx ttx ttxttat 課本P432第7章 傳輸信道n 直接提取法(續(xù)) 3 3、M次方環(huán)法次方環(huán)法 平方環(huán)法和科斯塔環(huán)法通過平方運(yùn)算電路去除2PSK信號(hào)中調(diào)制載波的信息對(duì)載波提取的影響； 一般地，在MPSK信號(hào)

19、的載波恢復(fù)過程中，可用M次方運(yùn)算電路去除MPSK信號(hào)中調(diào)制信息對(duì)載波提取的影響。 M次方環(huán)法載波恢復(fù)電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)： 其中與平方環(huán)法電路的區(qū)別是：非線性運(yùn)算單元為M次方電路； 帶通濾波器的中心頻率設(shè)定在 ；壓控振蕩器的輸出需做M分頻。 cM課本P432n 直接提取法(續(xù)) MPSK信號(hào)的一般形式為 根據(jù)三角函數(shù)的基本關(guān)系式，上式經(jīng)M次方運(yùn)算后可得 經(jīng)中心頻率為 的帶通濾波器后，得到第7章 傳輸信道 02cos1, 1,2,.,MPSKcstAtmmMM 02cos1MMPSKMcstKMtmM其他項(xiàng)cM 0002cos1 cos1 2cosBMcMcMcstKMtmMKMtmMKMtM課本P4

20、33n 直接提取法(續(xù)) 壓控振蕩器輸出 鑒相器(乘法器)輸出 環(huán)路濾波器輸出 第7章 傳輸信道 00sinVCOcstKMtMMt 0sinsin 22PDPDcutKMtMtMMt sinddutKMt課本P433n 直接提取法(續(xù)) M次方環(huán)的鑒相特性如下圖所示 其中M個(gè)穩(wěn)定的相位平衡點(diǎn)將落在如下的位置 本地恢復(fù)的載波信號(hào) 存在M重的相位模糊重的相位模糊問題。第7章 傳輸信道22220,2,.,.,1kMMMMM cosLLcutAt課本P433n 直接提取法(續(xù)) 2PSK解調(diào)時(shí)相位模糊可能使得星座點(diǎn)位置180o旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致解調(diào)時(shí)“0”與“1”倒置； MPSK解調(diào)時(shí)相位模糊則可能使星座點(diǎn)

21、位置出現(xiàn)M種不同的偏移，導(dǎo)致解調(diào)出錯(cuò)。 相位模糊對(duì)相位模糊對(duì)MPSK信號(hào)解調(diào)影響分析信號(hào)解調(diào)影響分析 已知接收信號(hào) 本地載波信號(hào)第7章 傳輸信道 2cos, 1,1,2,.,MPSKcmmstAtmmMM cosLLcutAt課本P433n 直接提取法(續(xù)) 相位模糊對(duì)MPSK信號(hào)解調(diào)影響分析 (1) 若 ，可得 此時(shí)可正確解調(diào)；第7章 傳輸信道 coscoscoscossinsin2MPSKLcmcmmst utAttA 低通濾波 cos1 sincossinsincos2MPSKLcmcmmst utAttA 低通濾波0cos, sin22mmAAIQ課本P433-434第7章 傳輸信道n

22、 直接提取法(續(xù)) 相位模糊對(duì)MPSK信號(hào)解調(diào)影響分析 (2) 若 ，可得 此時(shí)星座點(diǎn)將發(fā)生 度的旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致錯(cuò)誤判決。 示例示例 時(shí)星 座點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)變化。0coscossinsin2cossinsincos2mmmmAIAQ 45o課本P434n 直接提取法(續(xù)) 避免相位模糊對(duì)解調(diào)影響的方法避免相位模糊對(duì)解調(diào)影響的方法： 對(duì)相位采用差分編碼，使得解調(diào)時(shí)當(dāng)前的解碼輸出與當(dāng)前符號(hào)解碼輸出與當(dāng)前符號(hào)的絕對(duì)相位無關(guān)，只與前后符號(hào)的相位差有關(guān)的絕對(duì)相位無關(guān)，只與前后符號(hào)的相位差有關(guān)。第7章 傳輸信道課本P434n 直接提取法(續(xù)) MQAM信號(hào)的載波恢復(fù)信號(hào)的載波恢復(fù) MQAM信號(hào)的特點(diǎn)：載波的幅度和相

23、位具有受到調(diào)制。 對(duì)MQAM信號(hào)無法采用M次方環(huán)發(fā)消除信息對(duì)載波提取的影響。 MQAM信號(hào)的載波恢復(fù)方法 (1) 矢量點(diǎn)扣除法矢量點(diǎn)扣除法 MQAM信號(hào)中滿足 的星座點(diǎn)，對(duì)應(yīng)4個(gè)均勻分布的相位。 矢量點(diǎn)扣除法的基本思想基本思想： 設(shè)法扣除接收符號(hào)中 的符號(hào)，由此將接收信號(hào)改造為類似4PSK(QPSK)的信號(hào)； 對(duì)改造后的信號(hào)采用MPSK信號(hào)的載波提取方法恢復(fù)載波。第7章 傳輸信道kkIQkkIQ課本P434n 直接提取法(續(xù)) 示例示例：采用矢量點(diǎn)扣除法的16QAM信號(hào)的載波恢復(fù)電路及解調(diào)電路。第7章 傳輸信道課本P434第7章 傳輸信道n 直接提取法(續(xù)) MQAM信號(hào)的載波恢復(fù) (2) 通

24、用載波恢復(fù)環(huán)法通用載波恢復(fù)環(huán)法 通用載波恢復(fù)環(huán)法的基本思想基本思想： 若MQAM信號(hào)中M種不同的發(fā)送符號(hào)先驗(yàn)等概，則MQAM信號(hào)從統(tǒng)計(jì)上來說信號(hào)相位的統(tǒng)計(jì)平均值指向4個(gè)均勻分布的相位； 可設(shè)法提取信號(hào)相位的4個(gè)統(tǒng)計(jì)平均值，使MQAM信號(hào)的相位變化從統(tǒng)計(jì)上來成為某種4PSK信號(hào)，在此基礎(chǔ)上恢復(fù)出MQAM信號(hào)的載波。課本P435n 插入導(dǎo)頻法插入導(dǎo)頻法 采用插入導(dǎo)頻法的系統(tǒng)，在發(fā)送已調(diào)的載波信號(hào)時(shí)，同時(shí)發(fā)送載波信息，使得接收端可直接提出發(fā)送載波。 插入導(dǎo)頻法的實(shí)現(xiàn)方法插入導(dǎo)頻法的實(shí)現(xiàn)方法 發(fā)送信號(hào) 其中導(dǎo)頻信號(hào)為 采用與信號(hào)載波正交的導(dǎo)頻信號(hào)有利于信號(hào)解調(diào)過程的實(shí)現(xiàn)。第7章 傳輸信道 coscos

25、sinccgcs tx ttg tx ttat singcg tat 課本P435n 插入導(dǎo)頻法(續(xù)) 采用插入導(dǎo)頻法時(shí)基帶調(diào)制信號(hào)的波形設(shè)計(jì)應(yīng)使得導(dǎo)頻位置調(diào)制信號(hào)的成份較少，使有利于導(dǎo)頻的提取； 直接導(dǎo)頻法沒有相位模糊問題； 因?yàn)殒i相環(huán)等效與一個(gè)比較理想的帶通濾波器，從接收信號(hào)中提取的導(dǎo)頻也可通過鎖相環(huán)濾除噪聲等因素的影響，使得恢復(fù)的載波信號(hào)具有更高的質(zhì)量。第7章 傳輸信道課本P435n 載波相位的似然估計(jì)法載波相位的似然估計(jì)法 載波相位的最大似然估計(jì)載波相位的最大似然估計(jì) 數(shù)字載波調(diào)制信號(hào)一般可表示為 其中 接收信號(hào)可表示為 其中 表示同步誤差、噪聲影響導(dǎo)致的綜合相位差。 假定信號(hào)空間的標(biāo)

26、準(zhǔn)基函數(shù)為 則有第7章 傳輸信道 Recjts tx t e IQx txtjxt Re,ccjtjtcr tx t een ts ttn t ct Nktk,.,2 , 1, 1010, , ,TNckkkkkTNckckkckckr ts ttn trtrt r t dts ttstst s tt dt課本P436第7章 傳輸信道n 載波相位的似然估計(jì)法(續(xù)) 給定 ， 由矢量 決定 其中 由 因此得到 后， 的似然函數(shù)似然函數(shù) 如果發(fā)送端發(fā)送的是發(fā)收雙方已知的測(cè)試信號(hào)測(cè)試信號(hào)，則 中只有相位 是未知的，因而有12, ,.,Nrr rr Nktk,.,2 , 1, r t 000, , 1

27、,2,.,TTTkkkckkckrt r t dtt s tt dtt n t dtsnkN , 1,2,., 1,2,., kkn tnkNrkN 高斯白噪聲獨(dú)立高斯隨機(jī)變量kcs12, ,.,Nrr rr22111|exp22NNkckkcknnp r srskcscckcs課本P436第7章 傳輸信道n 載波相位的似然估計(jì)法(續(xù)) 因此關(guān)于關(guān)于 的最大似然估計(jì)的最大似然估計(jì)為 展開上式右式后可歸結(jié)為 200max|max|1 maxexp,ccTcp rp r sr ts ttdtN 0max| max,Tccp rr t s ttdtc課本P436第7章 傳輸信道n 載波相位的似然估計(jì)

28、法(續(xù)) 示例示例：設(shè)發(fā)送載波的訓(xùn)練信號(hào)為 接收信號(hào)為 求關(guān)于 的最大似然估計(jì) 。 已知 的似然函數(shù)為 令 得 的最大似然估計(jì)值為 cosTccstAt cosccr tAtn tcMLc 00,cosTTccccr t s tdtr t Atdt 00cossin0TTcccccccr t Atdtr t Atdt 00sinsincoscosTccTccr ttdtr ttdt c 1100sinsintantancoscosTccMLcTccr ttdtr ttdt 課本P437第7章 傳輸信道n 載波相位的似然估計(jì)法(續(xù)) 尋找滿足條件 的 的最大似然估計(jì)值 。在無法求解析解的情況下，

29、也可以通過數(shù)值計(jì)算的方法來獲取。 0max,Tccr t s tdtMLc課本P437第7章 傳輸信道n 載波相位的似然估計(jì)法(續(xù)) 面向判決環(huán)的最大似然估計(jì)面向判決環(huán)的最大似然估計(jì) 所謂面向判決環(huán)的最大似然估計(jì)，是指似然估計(jì)是通過發(fā)送專門的訓(xùn)練序列訓(xùn)練序列來實(shí)現(xiàn)的。 設(shè)發(fā)收雙方的約定的用于載波同步的訓(xùn)練序列為 相應(yīng)的接收到的信號(hào) 相應(yīng)的 的最大似然估計(jì)等效于尋找使得 達(dá)到最大值的 。 1Mkka 1,cosMckTcckr ts tn ta gtkTtn t 010, cosTccTMkTcckr t s ttdtr ta gtkTtdtcc課本P437第7章 傳輸信道n 載波相位的似然估計(jì)

30、法(續(xù)) 令 可導(dǎo)出 的最大似然估計(jì)值為 0cc 11010sintancosTMkTckMLTMkTckr ta gtkTtdtr ta gtkTtdt c課本P437第7章 傳輸信道n 載波相位的似然估計(jì)法(續(xù)) 最大似然估計(jì)亦可在等效的基帶信號(hào)等效的基帶信號(hào)中進(jìn)行，等效基帶信號(hào) 相應(yīng)的似然函數(shù)為 其中 令 可得 1ccMjjLkTLLLkrta gtkT entst ent *00*11ReRe cosResinImccTTjjLcLLLLMMckkckkkkrtst edtrt st edta ya y *0TkLTyrt gtkT dt*11sinRecosIm0MMLcckkckk

31、kkca ya y *111*1ImsintantancosReMkkkcMLMckkka ya y課本P437-438第7章 傳輸信道n 載波相位的似然估計(jì)法(續(xù)) 非面向判決環(huán)的最大似然估計(jì)非面向判決環(huán)的最大似然估計(jì) 非面向判決環(huán)的最大似然估計(jì)不依賴訓(xùn)練序列，可連續(xù)進(jìn)行載波相位的估計(jì)。 假定信號(hào)為先驗(yàn)等概先驗(yàn)等概的2PSK信號(hào)，則 在每個(gè)符號(hào)周期內(nèi)，似然函數(shù)相應(yīng)地為 ,cosckTcckr ts tn ta gtkTtn t,kaaa12kkP aaP aa 00001exp,1 expcosTccTkTccr t s ttdtNr ta gttdtN課本P438n 載波相位的似然估計(jì)法(

32、續(xù)) 統(tǒng)計(jì)平均值 由此可通過 或數(shù)值計(jì)算數(shù)值計(jì)算的方法求 。 00000001expcos1 expcos11 expcos211 expcos2TckTccTkTccTTccTcEP aar tagttdtNP aar tagttdtNr tagttdtNr tagttN 0001 coshcosTcTTccdtr tagttdtNML0cMLcE課本P4389.4 9.4 符號(hào)同步符號(hào)同步n 直接提取法直接提取法 與載波同步的直接提取法類似，符號(hào)同步的直接提取法通常也是先對(duì)接收的符號(hào)序列先進(jìn)行某種非線性變換非線性變換，然后提取符號(hào)同步信息。 (1) (1) 線譜法線譜法 線譜法的實(shí)現(xiàn)方案如

33、圖所示 其中的平方器完成非線性運(yùn)算，由窄帶濾波器提取符號(hào)同步信息。窄帶濾波器可由鎖相環(huán)電路來實(shí)現(xiàn)窄帶濾波器可由鎖相環(huán)電路來實(shí)現(xiàn)。課本P439n 直接提取法(續(xù)) 接收信號(hào)可表示為 若其中攜帶信息的符號(hào)序列 是均值為零的獨(dú)立隨機(jī)序列 即 則平方運(yùn)算電路的輸出為 顯然其均值 是周期函數(shù)周期函數(shù)。 nTns ta gtnT nna2,0, 0,annmnmE aE a anm 2 nTmTnmnmTTnmsta gtnTa gtmTa a gtmT gtnT 222aTnE stgtnT 課本P439n 直接提取法(續(xù)) 對(duì)該周期函數(shù)，有 式中 如果要保證能夠直接獲得與符號(hào)同步的基波信號(hào)直接獲得與符

34、號(hào)同步的基波信號(hào)，則應(yīng)有 此時(shí)從統(tǒng)計(jì)意義上說，信號(hào)中一定包含基波信號(hào)，通過窄帶濾波器即可從變換后的信號(hào)中獲得該信號(hào)。第7章 傳輸信道 2222jmtTaTmnnE stgtnTc e 2222220021 mmTTjtjtaTTmaTTnSacgtnT edtgt edtTTmG f GfdfTT TG fgt 2110acG f GfdfTT課本P439-440n 直接提取法(續(xù)) (2) (2) 早遲門法早遲門法 早遲門法的實(shí)現(xiàn)方案如下圖所示 其中的取絕對(duì)值運(yùn)算是一種非線性非線性運(yùn)算。 主要到圖中的“早門”與“遲門”的積分時(shí)間長(zhǎng)短一樣，但時(shí)間段不同，分別為 與 。第7章 傳輸信道0,Td,

35、d T課本P440n 直接提取法(續(xù)) 如上述的波形圖所示 (a)若本地時(shí)鐘的頻率與相位與發(fā)送信號(hào)的位時(shí)鐘信號(hào)鎖定 則有 此時(shí)不會(huì)對(duì)本地壓控振蕩器做調(diào)整； (b)若本地時(shí)鐘超前(本地時(shí)鐘滯后的情形可做類似的分析) 則有 此信號(hào)會(huì)調(diào)整壓控振蕩器的相位，以消除本地超前的相位。第7章 傳輸信道120T dTdyAdtyAdtTd A120eyy1202, T dTdyA dtAdtTdAyAdtTd A 122eyyA 課本P440n 直接提取法(續(xù)) 要保證早遲門符號(hào)時(shí)鐘同步系統(tǒng)的正常工作，輸入信號(hào)中不能出現(xiàn)長(zhǎng)串“0(低電平)”和長(zhǎng)串“1(高電平)”的情況。 當(dāng)出現(xiàn)串“0(低電平)”和長(zhǎng)串“1(高

36、電平)”時(shí)，兩個(gè)積分兩個(gè)積分器的輸出相同，其絕對(duì)值的差值為零器的輸出相同，其絕對(duì)值的差值為零。壓控振蕩器會(huì)因長(zhǎng)時(shí)間得不到調(diào)整和導(dǎo)致失步。第7章 傳輸信道n 插入導(dǎo)頻的符號(hào)同步法插入導(dǎo)頻的符號(hào)同步法 與載波同步的導(dǎo)頻插入法類似，在基帶信號(hào)中，也可用插入同步信號(hào)的方法來傳遞同步信息。 某些波形的基帶信號(hào)的中，本身就含有與符號(hào)周期同步的基波或諧波信號(hào)。 包含基波同步信息信號(hào)的頻譜示例 導(dǎo)頻的提取方法導(dǎo)頻的提取方法：先通過窄帶濾波器提取出基波信號(hào)，經(jīng)整形和移相的信號(hào)處理后獲得同步信號(hào)。 第7章 傳輸信道課本P441n 符號(hào)同步信息的包絡(luò)攜帶法符號(hào)同步信息的包絡(luò)攜帶法 在恒定包絡(luò)的調(diào)制方式(如MPSK)

37、中，可通過包絡(luò)來攜帶符號(hào)符號(hào)同步同步的信號(hào)。 一般的相位調(diào)制信號(hào)可以表示為 調(diào)幅的符號(hào)同步信號(hào)可采用(時(shí)域)升余弦的形式 其中 ， 是符號(hào)周期， 。 合成后的信號(hào)可表示為 其中第7章 傳輸信道 1c cosPSKstAtt 21cossynsstAt2sTT01 1c2c( ) cos1cos cos1cossynPSKsss tststAttAtAttt12AA A課本P441第7章 傳輸信道n 符號(hào)同步信息的包絡(luò)攜帶法(續(xù)) 信號(hào)波形 同步信息提取與解調(diào)方法課本P441n 符號(hào)同步的似然估計(jì)法符號(hào)同步的似然估計(jì)法 接收的符號(hào)序列信號(hào)可用表示為 式中的 是待確定的符號(hào)位置參數(shù)符號(hào)位置參數(shù)。

38、假定 是高斯白噪聲，關(guān)于參數(shù) 的最大似然估計(jì)可表示為 即當(dāng) 中的參數(shù) 相同時(shí)似然值達(dá)到最大。 (1)(1) 面向判決的最大似然估計(jì)面向判決的最大似然估計(jì) 所謂面向判決的最大似然估計(jì)是一種通過訓(xùn)練序列來獲得符號(hào)同步信息的方法。 記用于同步的訓(xùn)練序列訓(xùn)練序列為 。訓(xùn)練序列是發(fā)送和接收雙方均確知的序列。第7章 傳輸信道 ,nTnr ts tn ta gtnTn t 0max|max,Tp rr t s tdt n t , s tr t 1Mnna課本P441-442n 符號(hào)同步的似然估計(jì)法(續(xù)) 對(duì)于訓(xùn)練序列的似然估計(jì)值為 將相應(yīng)的符號(hào)序列信號(hào)代入得 其中 在上式具有解析表達(dá)式條件下，可通過下式求解

39、 的最大似然估計(jì)值，令 第7章 傳輸信道 0, MTMMr t s tdtTM T 100110, MMMTTMMnTnTMMnTnnnnr t s tdtr ta gtnTdtar t gtnTdta y 0MTnTyr t gtnTdt 10 MMnnMLnddyadd課本P442第7章 傳輸信道n 符號(hào)同步的似然估計(jì)法(續(xù)) 在無法獲得解析解的情況下可通過數(shù)值搜索計(jì)算的方法求解 (2) (2) 非面向判決的最大似然估計(jì)非面向判決的最大似然估計(jì) 非面向判決的最大似然估計(jì)直接利于信息符號(hào)序列 對(duì) 進(jìn)行估計(jì)。 是接收端未知的序列。假定符號(hào)序列的先驗(yàn)概率已知，因此可求似然函數(shù)的統(tǒng)計(jì)平均值統(tǒng)計(jì)平均

40、值 argmaxMLMML 1Mnna 1Mnna 1 21210.MMTMMMnTna aaEP a aar ta gtnTdt課本P442第7章 傳輸信道n 符號(hào)同步的似然估計(jì)法(續(xù)) (2) 非面向判決的最大似然估計(jì) 若可獲得上式的解析解，則可通過下式求解 的最大似然值 若無法得到解析解，可通過數(shù)值計(jì)算的方法求相應(yīng)的數(shù)值解 0 MMLdEd argmaxMLME課本P442n 載波相位和符號(hào)同步的聯(lián)合估計(jì)載波相位和符號(hào)同步的聯(lián)合估計(jì) 對(duì)于數(shù)字載波調(diào)制信號(hào)的正確解調(diào)，需要實(shí)現(xiàn)載波同步載波同步與符符號(hào)同步號(hào)同步。即正確估計(jì)載波相位載波相位 和定時(shí)偏差定時(shí)偏差 。 上述兩個(gè)參數(shù)的聯(lián)合估計(jì)，有利

41、于避免其中一個(gè)參數(shù)的估計(jì)誤差對(duì)另外一個(gè)參數(shù)的影響。 一般的數(shù)字載波調(diào)制信號(hào)可以表示為 相應(yīng)的接收信號(hào)為第7章 傳輸信道c cossin RecnTcnTcnnjtnTnTns ta gtnTtb gtnTta gtnTjb gtnTe Re;,RecossincccrjjtnTrnTrnnTrccnTrccnnr ts tn ta gtnTjb gtnTeen ta gtnTtb gtnTtn t 課本P442-443第7章 傳輸信道n 載波相位和符號(hào)同步的聯(lián)合估計(jì)(續(xù)) 其中 是待估計(jì)的參數(shù)。 接收信號(hào)中有用信號(hào)的等效低通信號(hào)有用信號(hào)的等效低通信號(hào)為 接收信號(hào)的等效低通信號(hào)接收信號(hào)的等效低通

42、信號(hào)為 若 是高斯噪聲，可導(dǎo)出有關(guān)參數(shù) 的等效似然函數(shù)為 其中 記, cr;,cjLcrnTrnTrnstea gtnTjb gtnT ;,LLcrLrtstnt Lnt, cr *1,Re; ,RecMjLLLnnnnTrt stdteajb y *nLTTyrt gtnTdt 111MMMnnnnnnnnnnajb ya yjb yAjB第7章 傳輸信道n 載波相位和符號(hào)同步的聯(lián)合估計(jì)(續(xù)) 可得 令 整理可得 由此得到 的最大似然值最大似然值 。 ,RecossinjLeAjBAB ,sincos0LAB ,cossin0LAB arctanMLMLBA 0 MLABAB, cr, ML

43、ML課本P4439.5 9.5 幀同步幀同步n 幀同步的概念幀同步的概念 幀同步是通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息正確接收的必要條件之一必要條件之一。 載波同步和符號(hào)同步保證了可以正確定位比特信息，在此基礎(chǔ)上還需要幀同步才能夠提取出用戶的信息。 例如例如：語音信號(hào)的每個(gè)樣值編碼后得到一個(gè)8比特的碼字； 若采用4PSK調(diào)制方式傳輸，一個(gè)碼字需要通過4個(gè)4PSK符號(hào)來傳輸。在接收端需要幀同步保證最后碼字的正確組合，才能恢復(fù)樣值信息。 數(shù)據(jù)幀的傳輸方式數(shù)據(jù)幀的傳輸方式： 異步異步的各個(gè)數(shù)據(jù)幀獨(dú)立傳輸方式，如以太網(wǎng)中的報(bào)文等； 同步同步的各個(gè)數(shù)據(jù)幀首尾相接的連續(xù)傳輸方式，如電信網(wǎng)中的E1信號(hào)。第7章 傳輸信道課本P4

44、44n 幀同步標(biāo)識(shí)符的周期性插入法幀同步標(biāo)識(shí)符的周期性插入法 幀同步標(biāo)識(shí)符周期性插入法適合應(yīng)用于同步的幀連續(xù)傳輸?shù)南到y(tǒng)。 幀同步標(biāo)識(shí)幀同步標(biāo)識(shí)：特點(diǎn)的比特組合圖樣。例如“0011011”。 幀同步標(biāo)識(shí)的設(shè)置 幀同步標(biāo)識(shí)符周期性插入法的特點(diǎn)：同步標(biāo)識(shí)符周期性出現(xiàn)同步標(biāo)識(shí)符周期性出現(xiàn)。 幀同步標(biāo)識(shí)符可以集中插入到數(shù)據(jù)流中； 幀同步標(biāo)識(shí)符也可以分散插入到數(shù)據(jù)流中。第7章 傳輸信道課本P444第7章 傳輸信道n 幀同步標(biāo)識(shí)符的周期性插入法(續(xù)) (1)(1) 幀同步標(biāo)識(shí)符的集中式插法幀同步標(biāo)識(shí)符的集中式插法 每個(gè)數(shù)字幀等長(zhǎng)；在每幀的首部插入完整的標(biāo)識(shí)符。 幀同步標(biāo)識(shí)符的搜索與幀同步的維護(hù)幀同步標(biāo)識(shí)符的

45、搜索與幀同步的維護(hù) 具體過程包括下圖所示的三個(gè)階段 同步搜索同步搜索：獲取第一個(gè) 同步標(biāo)識(shí)符； 預(yù)同步預(yù)同步：消除虛假同步； 同步同步：消除干擾對(duì)同步 的影響。課本P444第7章 傳輸信道n 幀同步標(biāo)識(shí)符的周期性插入法(續(xù)) 示例：示例：幀同步標(biāo)識(shí)符的集中式插法工作過程 在系統(tǒng)中，假定取參數(shù) 同步搜索同步搜索過程通過逐比特的搜索實(shí)現(xiàn)； 預(yù)同步預(yù)同步與同步同步的過程通過逐幀(假定在每幀中設(shè)置幀同步字)確認(rèn)幀同步字重復(fù)出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)。3JK課本P445第7章 傳輸信道n 幀同步標(biāo)識(shí)符的周期性插入法(續(xù)) (2) 輔助幀同步法輔助幀同步法 在綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(ISDN)系統(tǒng)中采用異步轉(zhuǎn)移傳輸模

46、式異步轉(zhuǎn)移傳輸模式(ATM)作為其網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。 ATM采用稱為信元的小數(shù)據(jù)分組的工作方式。一個(gè)信元可看作一個(gè)數(shù)據(jù)幀。搜索幀同步位置相當(dāng)于信元定界。 在ATM系統(tǒng)中，信元定界并沒有專門的標(biāo)識(shí)符，而是采用一種利用循環(huán)冗余校驗(yàn)監(jiān)督位兼做兼做信元定界的輔助的幀同步法。 搜索監(jiān)督位的過程與幀同步標(biāo)識(shí)符集中式插法幀同步標(biāo)識(shí)符集中式插法中搜索同步標(biāo)識(shí)符的方法基本一樣。 其區(qū)別在于，搜索過程的逐比特逐比特搜索改為逐字節(jié)逐字節(jié)搜索；檢查是否為標(biāo)識(shí)符標(biāo)識(shí)符改為檢測(cè)是否監(jiān)督位監(jiān)督位。課本P445n 幀同步標(biāo)識(shí)周期性分散插入法幀同步標(biāo)識(shí)周期性分散插入法 在幀同步標(biāo)識(shí)周期性分散插入法中，由若干比特組成

47、的標(biāo)識(shí)符以比特為單位分別插入到每個(gè)幀(或每個(gè)偶數(shù)幀的幀頭)。 例如M調(diào)制編碼系統(tǒng)中一幀數(shù)據(jù)由32比特組成，在偶數(shù)幀的幀頭中插入同步標(biāo)識(shí)符的1個(gè)比特。 下圖為采用101010作為同步標(biāo)識(shí)符的M調(diào)制編碼系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)，交替出現(xiàn)的1和0被分散地插入到每個(gè)偶數(shù)幀的幀頭 圖中以“”標(biāo)識(shí)的是奇數(shù)幀其起始位置，放置其他信息。第7章 傳輸信道課本P446n 同步標(biāo)識(shí)符的周期性插入法性能分析同步標(biāo)識(shí)符的周期性插入法性能分析 幀同步算法主要性能由從開始搜索到同步所需要的時(shí)間來衡量。 M調(diào)制編碼系統(tǒng)幀同步算法性能分析調(diào)制編碼系統(tǒng)幀同步算法性能分析 記：碼元周期為 ；幀同步標(biāo)識(shí)的間隔為 ； 同步標(biāo)識(shí)的圖樣為“0000”

48、 假定從任意的第 i 位開始搜索 當(dāng)前位不為同步圖樣“0”定義為事件X，概率為 此后搜索過程移動(dòng)到下一位，在幀中相對(duì)移動(dòng)一位時(shí)間為 當(dāng)前位為同步圖樣“0”定義為事件Y，概率為 此后搜索過程移動(dòng)到下一幀的當(dāng)前位，在幀中是否相對(duì)移動(dòng)取決于當(dāng)前位是否為同步圖樣。第7章 傳輸信道T2 3264synN1PPT課本P446第7章 傳輸信道n 同步標(biāo)識(shí)符的周期性插入法性能分析(續(xù)) 由此可得如下的關(guān)系 事件事件 概率概率 相對(duì)移動(dòng)相對(duì)移動(dòng)1位所需時(shí)間位所需時(shí)間 移動(dòng)1位所需的平均時(shí)間為2 1 1 1 2. . . synsynkXPTYXPPNTTYYXPPNTTY X 1 . . .ksynPPkNTT100(1)(1)().(1)(). (1)(1)1KsynsynsynKKsynKKTP TPP NTTPP