通信原理-同步2

1、 現(xiàn)代通信原理第十章 同步原理1引言同步是通信系統(tǒng)中一個重要的實際問題。當(dāng)采用同步解調(diào)或相干解調(diào)時，接收端需要提供一個與發(fā)射端載波同頻率的相干載波，這個相干載波的獲取就稱為載波同步。 數(shù)字通信中，還有位同步問題，因為解調(diào)時需要知道每個碼元的起止時刻，從而對積分器或匹配濾波器的輸出進行抽樣判決。我們把在接收端產(chǎn)生與接受碼元的重復(fù)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。2數(shù)字通信系統(tǒng)中，消息總是由若干“字”組成，又用若干“字”組成 “句”。接收時，同樣要知道這些“字”、“句”的起止時刻。在接收端產(chǎn)生與其起止時刻相一致的定時脈沖序列，統(tǒng)稱

2、為幀同步。同步系統(tǒng)性能的降低，會直接導(dǎo)致通信系統(tǒng)的性能的降低，甚至不能工作?？梢哉f，在同步通信系統(tǒng)中，“同步”是進行信息傳輸?shù)那疤?，正因為如此，為了保證信息的可靠傳輸，要求同步通信系統(tǒng)應(yīng)有更高的可靠性。以下以點點兩路PCM/2DPSK數(shù)字電話系統(tǒng)為例來說明載波同步、位同步以及幀同步的作用。34 設(shè)CLK頻率為192KHz、SL1、SL2的頻率為8KHz，則SL1、SL2、PCM1、PCM2、F(t)、 及PCM信號的波形如下 ：5兩個PCM編碼器用同一個時鐘CLK，SL1、SL2兩個信導(dǎo)的頻率也相等，故PCM1、PCM2的碼速率完全相同。復(fù)接器實際上是一個或門電路。此種復(fù)接器輸入的支路信號速率

3、完全相同，稱為同步復(fù)接器。CLK、SL1、SL2、及cosct是由發(fā)端同步器提供的，在電路上比較容易實現(xiàn)。收端的載波同步器提供相干載波，與發(fā)載波同頻同相（或反相）。位同步器輸出位同步信號CP(t)，信號頻率為192KHz。幀同步器從收端 PCM碼流中提取幀同步信導(dǎo)FS(t)，進而產(chǎn)生路同步信號F1(t)和F2(t)，F(xiàn)S(t)的脈沖前沿與幀同步碼1110010的最后一位起時間對齊（也可以與第一位數(shù)據(jù)起時間對齊）。F1(t)、F2(t)的脈沖前沿與各自數(shù)據(jù)的第一位起始時間或最后一位的結(jié)束時刻對齊（由具體電路決定）。若復(fù)接器輸入的各支路信號的速率標稱值相同但實際值有一定差異，則不能進行同步復(fù)接，采

4、取網(wǎng)同步方法才能復(fù)接不同速率的支路。此問題于網(wǎng)同步范疇。6載波同步方法對模擬已調(diào)信號和數(shù)字已調(diào)信號進行相干解調(diào)時，需要從接收信號中提取相干載波。提取載波的方法一般分為兩類：一類是在發(fā)送有用信號的同時，在適當(dāng)?shù)念l率位置上插入一個或多個稱為導(dǎo)頻的正弦波，接收端就由導(dǎo)頻提取出載波，這類方法稱為插入導(dǎo)頻法。另一類是不專門發(fā)送導(dǎo)頻，而在接受端直接從發(fā)送信號中提取載波，這類方法稱為直接法。71、插入導(dǎo)頻法：在抑制載波的雙邊帶信號中插入導(dǎo)頻 插入正交導(dǎo)頻的目的：收端相乘器的輸出V(t)中無直流。也可以插入同相導(dǎo)頻，低通濾波器中加入隔直電容即可。插入導(dǎo)頻信號的功率應(yīng)比較小，否則就成為AM信號了。82、直接法例

5、：從2PSK信號中直接提取相干載波。（1）平方變換法2PSK信號e(t)cos2ctcosct-cosct 2fc窄帶 帶通 平方二分頻設(shè)調(diào)制信號為 , 中無直流分量，則抑制載波的雙邊帶信號為 接收端將該信號進行平方變換就得到9（2）平方環(huán)法平方法提取載波圖中的2fc窄帶濾波器若用鎖相環(huán)代替，就構(gòu)成平方環(huán)法。由于鎖相環(huán)具有良好的跟蹤、窄帶濾波和記憶性能，故平方環(huán)法比一般的平方變換法具有更好的性能2PSK信 號ui(t)PDLFVCOu0(t)cosct-cosct平方鑒相器 環(huán) 路 濾波 器 壓 控振蕩器二分頻移 相10（3）同相正交環(huán) 此即為環(huán)路的鑒相特性 uiu1u2u3u4u6u5u7

6、低 通 900移相 VCO LPF 低 通11上式中，Um、Ud為乘法器引起的信號幅度變化，當(dāng)VCO的固有振蕩頻率與2PSK的載頻非常接近且環(huán)路增益很高時，環(huán)路鎖定后 ， ?？梢娪猛嗾画h(huán)提取的載波也存在相位模糊現(xiàn)象。環(huán)路鎖定后， ，考慮到噪聲等因素，應(yīng)對u5(t)進行抽樣判決以再生數(shù)字基帶信號。從4PSK信號中提取相干載波的方法與2PSK相似，可用四次方變換，四次方環(huán)及四相Costas環(huán)。用Costas環(huán)提取相干載波時，環(huán)路的工作頻率等于信號載頻，用其它方法時電路工作頻率等于信號載頻的二倍或四倍。 12載波同步系統(tǒng)的性能同步誤差 理想相干載波與接收機輸入信號載波同頻同相。 實際相干載波為c

7、os(wct+n(t) 為穩(wěn)態(tài)相差，由固有頻差（鎖相環(huán)VCO的固有頻率或振蕩回路中心頻率與載頻之差）產(chǎn)生的。 為隨機相差、由噪聲產(chǎn)生。 減小帶通濾波器帶寬（增大Q值），可減小隨機相差、但增加穩(wěn)態(tài)相差。減小環(huán)路自然諧振頻率可減小隨機相差，增大環(huán)路增益可減小穩(wěn)態(tài)相差。 性能指標：高效率、高精度、同步建立時間快、保持時間長1、高效率：為了獲得載波，盡量少消耗發(fā)送功率。直接法提取載波的效率高，插入導(dǎo)頻法的效率低。2、高精度：提取的載波，其相位盡量精確。（同步誤差盡量小）13同步建立時間ts和同步保持時間tc tc：載波同步器的輸入信號丟失后，相干載波與輸入信號載波之間的相位誤差小于某一范圍所需要的時間

8、。 減小帶通濾波器的Q值，可減小ts但tc也減小。 增大鎖相環(huán)的自然諧振頻率，可減小ts但tc也減小。3、建立時間和保持時間14建立時間保持時間希望短希望長矛盾15載波相位誤差對解調(diào)性能的影響 1、模擬通信 (1)DSB 輸出信號功率 輸出噪聲功率m(t)cosct+n(t)cos(ct+) uo(t) BPF LPF16 可見載波相位誤差使解調(diào)輸出信號功率減小但不改變噪聲功率即輸出信噪比下降。同理可證明，在AM解調(diào)中，載波相位誤差也使輸出信噪比下降。 (2)SSB 設(shè) ，上邊帶信號為 ，則相干解調(diào)輸 出信號為 ，第一項與m(t) 成正比，但相位誤差使信號功率下降。第二項與原信號正交，使基帶信

9、號產(chǎn)生畸變且越大畸變越大。 與DSB系統(tǒng)一樣，相位誤差并不改變SSB解調(diào)器的輸出噪聲功率，因此載波相位誤差使SSB解調(diào)器的輸出信噪比下降且信號畸變。 在VSB相干解調(diào)中也有上述現(xiàn)象發(fā)生。 172、數(shù)字通信 顯然，抽樣判決器輸入信噪比變化規(guī)律同模擬通信，故誤碼率增大。 2PSK系統(tǒng)誤碼率為 相干解調(diào) 最佳相干接收機 18位同步1、插入導(dǎo)頻法 適用于不包含位同步信號的碼型，如二進制NRZ碼 在基帶信號頻譜的零點（如二進制NRZ碼 處）插入所需導(dǎo)頻信號 2PSK或2FSK系統(tǒng)中進行附加的幅度調(diào)制，接收端進行包絡(luò)檢波 時域插入同步信號：載波同步、位同步、數(shù)據(jù)信號分別被配置在不同的時間內(nèi)傳送 19(2)

10、濾波法 現(xiàn)形成含位同步信息的信號（如NZ碼，數(shù)字雙相碼等），再用窄帶濾波器濾出 r(t)來自相干解調(diào)器或非相干解調(diào)器的低通濾波器，在最佳接收機中則視具體情況確定r(t)的來源。 波形變換輸出信號中必須含有頻率等于碼速率的離散譜。 若信道中傳輸?shù)氖荁NRZ碼或2DPSK信號，則波形變換單元可由比較、微分、整流等三部分構(gòu)成，波形示意圖如下 r(t)ui(t)u0(t)cp(t) 波形 變換 窄帶帶通 濾波器 脈沖 形成 移 相20比較器輸出r(t)微分輸出ui(t)21若無碼間串?dāng)_且無噪聲，則 脈沖的上升沿都應(yīng)與各碼元的開始時間對齊，它的頻譜中包含有位同步信號重復(fù)頻率的離散譜成分，濾波、脈沖形成及

11、移相后可得到理想的位同步信號。碼間串?dāng)_和噪聲使位同步器輸出的位同步信號在一定范圍內(nèi)抖動。信息碼中的連“1”或連“0”碼也會造成位同步信號相位抖的。連“1”或連“0”個數(shù)越多，濾波輸出信號 的周期和幅度變化越大，位同步輸出信號的相位抖動也越大。因此在基帶傳輸系統(tǒng)中常采用HDB3碼，在數(shù)字調(diào)制傳輸中常將信號源輸出的數(shù)字基帶信號位進行擾碼處理以減少連“1”和連“0”的個數(shù)。 22從2PSK信號中提取位同步信息 包絡(luò)檢波濾波法233、鎖相環(huán)法 接收端用鑒相器比較接收碼元與位同步的相位，若兩者相位不一致，鑒相器產(chǎn)生誤差信號去調(diào)整位同步的相位，直至兩者相位相同。24（1）晶振的頻率為（2）當(dāng)位同步超前接收

12、碼元的相位時，相位比較器輸出一超前脈沖，加到扣除門，扣除一個脈沖。（3）當(dāng)位同步滯后接收碼元的相位時，相位比較器輸出一滯后脈沖，加到附加門，插入一個脈沖。（4）經(jīng)過反復(fù)調(diào)整相位，即實現(xiàn)了位同步2526位同步系統(tǒng)的性能及其相位誤差對性能的影響1、位同步系統(tǒng)性能 指失去同步后重建同步所需的最長時間。相位最大相差 秒，需要調(diào)整的次數(shù)：故同步建立時間：(1) 同步建立時間27(2)同步保持時間tc 收發(fā)雙方的固有位定時重復(fù)頻率之間的頻差為 ，當(dāng)同步建立后，一旦輸入信號中斷，收端同步信號的相位會漂移，時間越長，相位漂移量越大，直至失步。28(3)同步誤差 穩(wěn)態(tài)誤差 此為量化誤差 隨機誤差 由輸入噪聲產(chǎn)生

13、292、 同步誤差對誤碼率的影響 同步誤差使誤碼率增大，因同步信號偏離了被采樣信號的最大值對應(yīng)的時間。2PSK最佳接收機 式中Te為用時間表示的同步誤差 30幀同步1、幀同步碼插入方式及碼型（1）集中插入（連貫插入） 在一幀開始的n位集中插入n比特幀同步碼，PDH中的A律PCM基群、二次群、三次、四次群，律PCM二次群、三次群、四次群以及SDH中各個等級的同步傳輸模塊都采用集中插入式。 （2）分散插入式（間隔插入式） n比特幀同步碼分散地插入到n幀內(nèi)，每幀插入1比持，律PCM基群及M系統(tǒng)采用分散插入式。31 分散插入式無國際標準，集中插入式有國際標準。幀同步碼出現(xiàn)的周期為幀周期的整數(shù)信，即在每

14、N幀（N1）的相同位置插入幀同步碼。 （3）幀同步碼碼型選擇原則 （a）假同步概率小 （b）有尖銳的自相關(guān)特性，以減小漏同步概率 如A律PCM基群的幀同步碼為001101，設(shè)“1”對應(yīng)正電平1，“0”碼對應(yīng)負電平-1，則此幀同步碼的自相關(guān)特性如下圖所示 320123456-6-5-4-3-2-1-1-1-1-1-5-5-5-53333j7R(j)332、幀同步碼識別介紹常用的集中插入幀同步碼的識別方法。設(shè)幀同 步碼為0011011，當(dāng)幀同步碼全 部進入移位寄存器時它的7個輸 出端全為高電平，相加器3個輸 出端全為高電平，表示 ui=1+2+4=7。門限L由3個輸入電平?jīng)Q定，它們的權(quán)值分別為1，

15、2，4。 比較器 相加器門限 L421124u0ui移位寄存器PCM碼流QQQQQQQ34比較器的功能為據(jù)此可得以下波形： x0011011 數(shù)據(jù)碼 x0011011 數(shù)據(jù)碼ttPCM碼流u0此脈沖對齊第一位數(shù)據(jù)353、識別器性能 設(shè)誤碼率為Pe，n幀碼位，L=n-m，（即允許幀同步碼錯m位），求漏識別概率P1和假識別概率P2以及同步識別時間ts。 (1) 漏識別概率 正確識別概率為 ，故 ，m=0時 門限L越低，Pe越小，則漏識別概率越小。 36 (2) 假識別概率 n位信碼產(chǎn)生一個假識別信號的概率為 門限越高，幀碼位數(shù)越多，則假識別概率越小。 37(3) 同步識別時間ts P1=P2=0時

16、，ts=NTs，N為一個同步幀中碼元位數(shù)，Ts為碼元寬度 一個同步幀中產(chǎn)生一個假識別信號概率為 故當(dāng)P10、P20時 分散插入幀同步碼的同步識別時間為 可見集中插入式同步識別時間遠小于分散插入式的同步識別時間。 38 同步原理394、同步保護 無同步保護時，同步系統(tǒng)的漏同步概率PL等于識別器漏識別概率P1，假同步概率Pj等于識別器的假識別概率平P2。由上述分析可見。當(dāng)信道誤碼率一定時，增大幀碼長度、降低門限可減少漏同步概率，同時使假同步概率也足夠低，但幀碼太長，將降低有效信息的傳輸速度，是不允許的。這一矛盾可用同步保護電路解決。 (1) 后方保護 當(dāng)幀同步系統(tǒng)處于捕捉態(tài)時，連續(xù)個同步幀時間內(nèi)識

17、別器有輸出時，同步系統(tǒng)進入同步狀態(tài)，輸出幀同步信號。 此措施可減小假同步概率。 也可以在采取此措施的同時提高門限電平以進一步減小假同步概率。40 (2) 前方保護 當(dāng)幀同步系統(tǒng)處于同步態(tài)時，連續(xù)個同步幀時間內(nèi)識別器檢測不到幀同步碼，則系統(tǒng)回到捕捉態(tài)。 此措施可以減小漏同步（假失步）概率。也可以在采取此措施的同時降低限電平，以進一步減小漏同步概率。 41(3) 同步性能 設(shè)門限等于幀碼碼元數(shù)n，同步幀長為N比持，同步周期為TF秒，則 同步建立時間 42網(wǎng)同步的基本概念1、必要性 通信網(wǎng)中需對信息進行復(fù)接、分接和交換，以復(fù)接系統(tǒng)為例來說明網(wǎng)同步的必要性。 同步復(fù)接：各低速率支路的數(shù)據(jù)的速率完全相等

18、，則通信網(wǎng)需對各支路用戶提供同步時鐘即建立一個同步網(wǎng)。 準同步復(fù)接：各支路數(shù)據(jù)速率的標稱值相等但實際值存在一定誤差，復(fù)接時對各支路數(shù)據(jù)速率進行調(diào)整或其它處理。碼速調(diào)整及其它處理方法也屬于網(wǎng)同步技術(shù)范疇。 復(fù) 接 器 信道 分 接 ABCDABCD低速數(shù)據(jù)流高速數(shù)據(jù)流432、網(wǎng)同步方法簡介（1）主從同步法 通信網(wǎng)中某一站（主站）設(shè)置一個高穩(wěn)定的主時鐘，其它各站（從站）的時鐘頻率和相位同步于主時鐘的頻率和相位。 各站時鐘的頻率和相位也可以同步于GPS提供的標準時鐘。（2）相互同步法 網(wǎng)內(nèi)各站設(shè)有獨立時鐘，它們的固有頻率存在一定偏差，各站所使用的時鐘頻率鎖定在網(wǎng)內(nèi)各站固有頻率的平均值上（此平均值將稱為網(wǎng)頻）。