通信原理-同步原理-5課件

網(wǎng)同步§13.5作用：調(diào)整網(wǎng)內(nèi)各站送來的信碼的速率和相位，使之步調(diào)一致

。網(wǎng)同步§13.5作用：調(diào)整網(wǎng)內(nèi)各站送來的信碼的速率113.5.1概述網(wǎng)同步分類：網(wǎng)同步一般由接收設(shè)備調(diào)整自已的時鐘，使之和發(fā)送設(shè)備的時鐘同步。

單向通信系統(tǒng)：2）準同步網(wǎng)（異步網(wǎng)）：容許各站的時鐘有誤差，但可通

過調(diào)整碼元速率的辦法使全網(wǎng)能夠協(xié)調(diào)工作。雙向通信系統(tǒng)：1）同步網(wǎng)：全網(wǎng)各站具有統(tǒng)一時間標準。網(wǎng)同步目的：——使全網(wǎng)各站能夠互連互通，正確地接收信息碼元。13.5.1概述網(wǎng)同步分類：網(wǎng)同步一般由接收設(shè)備調(diào)整自2

1）同步網(wǎng)的同步方法：——可能由接收設(shè)備負責解決，也可能需要收發(fā)雙方共同解決。上行下行ABCDS1S2E-1E-1E-1E-1E-2例如 一個衛(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，其時隙安排如下圖：1）同步網(wǎng)的同步方法：——可能由接收設(shè)備負責解決，也可能3ABCDABt∵每個地球站只允許在給定的一段時隙中發(fā)送信號?！嘈枰髡景凑蘸托l(wèi)星的距離遠近，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，各站發(fā)射信號的時鐘之間實際上是有誤差的。這稱為發(fā)射機同步方法。發(fā)射機同步方法的分類：開環(huán)法閉環(huán)法ABCDABt∵每個地球站只允許在給定的一段時4中心站需要測量來自終端站的信號的同步準確度，并將測量結(jié)果通過反向信道送給終端站。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。開環(huán)方法依靠的是準確預(yù)測的鏈路長度等參量信息。當鏈路的路徑是確定的，這種方法很好。但是當鏈路的路徑不是確定的，或終端站只是斷續(xù)地接入時，此法就難于有效地使用。

開環(huán)法：優(yōu)點：捕捉快、不需要反向鏈路也能工作和實時運算量小。缺點：需要外部有關(guān)單位提供所需的鏈路參量數(shù)據(jù)，且缺乏靈活性。中心站需要測量來自終端站的信號的同步準確度，并將測量結(jié)果通過5中心站需要測量來自終端站的信號的同步準確度，并將測量結(jié)果通過反向信道送給終端站。。因此，閉環(huán)法需要一條反向信道傳送此測量結(jié)果，并且終端站需要有根據(jù)此反饋信息適當調(diào)整其時鐘的能力。

閉環(huán)法：優(yōu)點：不需要預(yù)先得知鏈路參量的數(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。缺點：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

之間要有雙向鏈路。此外，捕捉同步也需要較長的時間。中心站需要測量來自終端站的信號的同步準確度，并將測量結(jié)果通過6上行下行ABCDS1S2E-1E-1E-1E-1E-22）

準同步網(wǎng)（異步網(wǎng)）的同步方法：典例：準同步數(shù)字體系(PDH)中采用的碼速調(diào)整法。若這時4個地球站的上行信號都是一次群E-1信號，它們在衛(wèi)星S1上接收到后，合并成二次群E-2信號，再發(fā)送給衛(wèi)星S2。仍以上面的衛(wèi)星通信網(wǎng)為例：上行下行ABCDS1S2E-1E-1E-1E-1E-22）7將8448kb/s平均分配到每個E-1群的碼元速率為2112kb/s，它高于2048kb/s。所以，盡管各地球站的時鐘有誤差，但是在衛(wèi)星上的復(fù)接設(shè)備中合路時，平均將各路輸入信號的碼元速率都提高到以地球站時鐘為準的2112kb/s上，而不去管各路輸入信號的碼元速率存在誤差。這時,由于4個地球站的時鐘間存在誤差，雖然其碼元標稱速率都是2048kb/s，但實際速率不同。在S1上合成的E-2群碼元速率為8448kb/s，這個速率是以衛(wèi)星S1上的復(fù)接設(shè)備時鐘為準的。將8448kb/s平均分配到每個E-1群的碼元速率為218一個衛(wèi)星通信系統(tǒng)，中心站在衛(wèi)星上，終端站在地面。所有地面發(fā)射機的同步系統(tǒng)都需要預(yù)先校正信號的定時和頻率，以求信號用預(yù)定的頻率在預(yù)定的時間到達衛(wèi)星接收機。13.5.2

開環(huán)法需要利用反向鏈路提供的信息不需要利用反向鏈路提供的信息舉例預(yù)先校正時間：發(fā)射機需要計算信號的傳輸時間，即用電磁波的傳播速率去除發(fā)射機和接收機間的距離，并將發(fā)射時間按計算結(jié)果適當提前。這樣，信號到達中心站的時間為Tt

－

實際發(fā)送開始時間

d

－傳輸距離c

－光速網(wǎng)同步一個衛(wèi)星通信系統(tǒng)，中心站在衛(wèi)星上，終端站在地9預(yù)先校正發(fā)送頻率：發(fā)射機需要考慮由于地面發(fā)射機和衛(wèi)星接收機間相對運動產(chǎn)生的多譜勒頻移。為了能夠正確接收，發(fā)送頻率應(yīng)該等于

式中，V

－相對速度（距離縮短時為正）；f0

－標稱發(fā)射頻率。時間預(yù)測的誤差：式中，re

－距離估值的誤差；

t

－發(fā)射機處和接收機處參考時間之差。預(yù)先校正發(fā)送頻率：發(fā)射機需要考慮由于地面發(fā)射機和衛(wèi)星接收機間10式中，Ve

－發(fā)射機和接收機間相對速度的測量值誤差或預(yù)測值的誤差；

f

－發(fā)射機和接收機參考頻率間的誤差。頻率預(yù)測的誤差：參考頻率的容許誤差：參考時間和參考頻率的準確性有關(guān)。參考頻率的起伏很難用統(tǒng)計方法表述，通常規(guī)定一個每天最大容許誤差網(wǎng)同步式中，Ve－發(fā)射機和接收機間相對速度的測量值誤差或預(yù)測值1112

值的典型范圍：廉價的晶體振蕩器－10-5至10-6高質(zhì)量的晶體振蕩器

－10-9至10-11銣原子鐘－10-12銫原子鐘－10-13網(wǎng)同步12值的典型范圍：網(wǎng)同步在時間T

內(nèi)增大的頻率偏移： 式中，f(0)－初始（t=0時）頻率偏移

T－時間（天）可見，若沒有外界干預(yù)，參考時間誤差可以隨時間按平方律增長。積累的時間偏差t(T)：與參考頻率的積累相位誤差有關(guān)：網(wǎng)同步在時間T內(nèi)增大的頻率偏移： 式中，f(0)－初13這個不斷增長的時間誤差限定了外部有關(guān)單位在多長時間內(nèi)必須給予一次校正；或者更新終端站內(nèi)的關(guān)于中心站接收機的定時數(shù)據(jù)；或重新將中心站接收機和地球站發(fā)射機的參考時間設(shè)置到標稱時間。若發(fā)射機沒有來自反向鏈路的信息，系統(tǒng)設(shè)計者能用Te和t(T)的公式作為模型得出的時間和頻率偏離，決定兩次校正之間的最大時間間隔。對于發(fā)射機開環(huán)同步系統(tǒng)：網(wǎng)同步這個不斷增長的時間誤差限定了外部有關(guān)單位在多長時間內(nèi)必須給予14準閉環(huán)發(fā)射機同步法：——終端站能夠利用對反向鏈路信號測量進行同步的方法。準閉環(huán)法顯然比純開環(huán)法更適應(yīng)通信系統(tǒng)的變動性。網(wǎng)同步準閉環(huán)發(fā)射機同步法：——終端站能夠利用對反向鏈路信號測量進1513.5.3

閉環(huán)法種類：網(wǎng)同步原理：閉環(huán)法需要終端站發(fā)送特殊的同步信號，用以決定信號的時間和頻率誤差。中心站有處理能力：中心站可以進行實際的誤差測量。這種測量可以是給出偏離的量和方向，也可以是只給出方向。這個信息用反向鏈路送回給終端站發(fā)射機。中心站沒有處理能力：此時將特殊同步信號直接由反向鏈路送回終端站發(fā)射機。由終端站發(fā)射機自己解讀返回信號。13.5.3閉環(huán)法種類：網(wǎng)同步原理：閉環(huán)法需要終端站16在中心站處理的優(yōu)點：在反向鏈路上傳送的誤差測量結(jié)果可以是一個短的數(shù)字序列。當一條反向鏈路為大量終端站所時分復(fù)用時，這樣有效地利用返回鏈路是非常重要的。在中心站上的誤差測量手段能夠被所有聯(lián)到中心站的終端站共享。這相當于大量節(jié)省了系統(tǒng)的處理能力。優(yōu)缺點：在終端站處理的優(yōu)點：中心站不需要易于接入，并且中心站可以設(shè)計得較簡單以提高可靠性。響應(yīng)更快，因為沒有在中心站處理帶來的延遲。若鏈路的參量變化很快，這一點是很重要的。在中心站處理的優(yōu)點：優(yōu)缺點：在終端站處理的優(yōu)點：17在終端站處理的缺點：反向信道的使用效率不高；返回信號可能難于解讀－這種情況發(fā)生在中心站不僅是簡單地轉(zhuǎn)發(fā)信號，而且還對碼元作判決，再在反向鏈路上發(fā)送此判決結(jié)果。因為在反向信號中含有時間和頻率偏離的影響，即由碼元判決產(chǎn)生的影響。 設(shè)一個終端站采用2FSK向中心站發(fā)送信號，中心站采用非相干解調(diào)。這時的判決將決定于信號的能量。中心站接收的信號可以用下式表示：舉例在終端站處理的缺點： 設(shè)一個終端站采用2F18現(xiàn)在，若中心站解調(diào)器的兩個正交分量輸出為：則解調(diào)信號的能量為 式中，－中心站接收信號的角頻率誤差； t

－中心站接收信號到達時間誤差?，F(xiàn)在，若中心站解調(diào)器的兩個正交分量輸出為：則解調(diào)信號的能量為19對于時間誤差t為0的特殊情況，上式變?yōu)?對于頻率誤差為0的特殊情況，上式變?yōu)?從上述公式看出，存在任何時間誤差、頻率誤差或者兩者都存在，將使碼元的位置偏離解調(diào)器正確積分的位置，造成在2FSK信號積分的兩個積分器中，正確信號積分器得到的信號能量下降，部分能量移到另一個積分器中，誤碼率因而增大。對于時間誤差t為0的特殊情況，上式變?yōu)?對于頻率誤差為02021 在上面的2FSK系統(tǒng)例子中，由終端站發(fā)送一個連續(xù)的正弦波，其頻率等于2FSK信號兩個頻率的平均值；然后中心站將收到的這個信號檢測后轉(zhuǎn)發(fā)回終端站。由于這時在中心站接收機中的判決應(yīng)是“1”和“0”出現(xiàn)概率相等的碼元，故將其轉(zhuǎn)發(fā)回終端站時，將在反向鏈路中產(chǎn)生一個隨機二進制序列。若原發(fā)送的連續(xù)正弦波沒有頻率誤差，則終端站收到的序列中的兩種符號概率相等。利用這種原理就能找到中心頻率，從而在終端站上準確地預(yù)先校正頻率。

預(yù)先校正頻率法：21 在上面的2FSK系統(tǒng)例子中，由終端站發(fā)送一個連續(xù)的正弦22

一旦找到正確的頻率，終端站發(fā)射機再交替發(fā)送“1”和“0”，以尋找正確的定時。這時在半個碼元時間內(nèi)改變發(fā)送的定時，發(fā)射機就能找到給出最壞誤碼性能的時間。因為在中心站收到的碼元位置和正確位置相差半個碼元時，中心站2FSK接收機的兩個檢波器給出相等的能量，判決結(jié)果是隨機的，故在反向鏈路上發(fā)回的二進制序列也將是隨機的。終端站發(fā)射機可以用這種原理計算正確的定時。 這種方法比用尋找誤碼性能最佳點更好。因為在任何設(shè)計良好的系統(tǒng)中，碼元能量大得足夠容許存在少許定時誤差，所以即使定時不準，反向信號也可能沒有誤碼。22 一旦找到正確的頻率，終端站發(fā)射機再交替發(fā)送“1”和“0配套輔導(dǎo)教材：

曹麗娜樊昌信

編著

國防工業(yè)出版社

整理知識歸納結(jié)論梳理關(guān)系引導(dǎo)主線剖析難點解惑疑點強化重點點擊考點配套輔導(dǎo)教材：23謝謝！謝謝！24

網(wǎng)同步§13.5作用：調(diào)整網(wǎng)內(nèi)各站送來的信碼的速率和相位，使之步調(diào)一致

。網(wǎng)同步§13.5作用：調(diào)整網(wǎng)內(nèi)各站送來的信碼的速率2513.5.1概述網(wǎng)同步分類：網(wǎng)同步一般由接收設(shè)備調(diào)整自已的時鐘，使之和發(fā)送設(shè)備的時鐘同步。

單向通信系統(tǒng)：2）準同步網(wǎng)（異步網(wǎng)）：容許各站的時鐘有誤差，但可通

過調(diào)整碼元速率的辦法使全網(wǎng)能夠協(xié)調(diào)工作。雙向通信系統(tǒng)：1）同步網(wǎng)：全網(wǎng)各站具有統(tǒng)一時間標準。網(wǎng)同步目的：——使全網(wǎng)各站能夠互連互通，正確地接收信息碼元。13.5.1概述網(wǎng)同步分類：網(wǎng)同步一般由接收設(shè)備調(diào)整自26

1）同步網(wǎng)的同步方法：——可能由接收設(shè)備負責解決，也可能需要收發(fā)雙方共同解決。上行下行ABCDS1S2E-1E-1E-1E-1E-2例如 一個衛(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，其時隙安排如下圖：1）同步網(wǎng)的同步方法：——可能由接收設(shè)備負責解決，也可能27ABCDABt∵每個地球站只允許在給定的一段時隙中發(fā)送信號?！嘈枰髡景凑蘸托l(wèi)星的距離遠近，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，各站發(fā)射信號的時鐘之間實際上是有誤差的。這稱為發(fā)射機同步方法。發(fā)射機同步方法的分類：開環(huán)法閉環(huán)法ABCDABt∵每個地球站只允許在給定的一段時28中心站需要測量來自終端站的信號的同步準確度，并將測量結(jié)果通過反向信道送給終端站。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。開環(huán)方法依靠的是準確預(yù)測的鏈路長度等參量信息。當鏈路的路徑是確定的，這種方法很好。但是當鏈路的路徑不是確定的，或終端站只是斷續(xù)地接入時，此法就難于有效地使用。

開環(huán)法：優(yōu)點：捕捉快、不需要反向鏈路也能工作和實時運算量小。缺點：需要外部有關(guān)單位提供所需的鏈路參量數(shù)據(jù)，且缺乏靈活性。中心站需要測量來自終端站的信號的同步準確度，并將測量結(jié)果通過29中心站需要測量來自終端站的信號的同步準確度，并將測量結(jié)果通過反向信道送給終端站。。因此，閉環(huán)法需要一條反向信道傳送此測量結(jié)果，并且終端站需要有根據(jù)此反饋信息適當調(diào)整其時鐘的能力。

閉環(huán)法：優(yōu)點：不需要預(yù)先得知鏈路參量的數(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。缺點：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

之間要有雙向鏈路。此外，捕捉同步也需要較長的時間。中心站需要測量來自終端站的信號的同步準確度，并將測量結(jié)果通過30上行下行ABCDS1S2E-1E-1E-1E-1E-22）

準同步網(wǎng)（異步網(wǎng)）的同步方法：典例：準同步數(shù)字體系(PDH)中采用的碼速調(diào)整法。若這時4個地球站的上行信號都是一次群E-1信號，它們在衛(wèi)星S1上接收到后，合并成二次群E-2信號，再發(fā)送給衛(wèi)星S2。仍以上面的衛(wèi)星通信網(wǎng)為例：上行下行ABCDS1S2E-1E-1E-1E-1E-22）31將8448kb/s平均分配到每個E-1群的碼元速率為2112kb/s，它高于2048kb/s。所以，盡管各地球站的時鐘有誤差，但是在衛(wèi)星上的復(fù)接設(shè)備中合路時，平均將各路輸入信號的碼元速率都提高到以地球站時鐘為準的2112kb/s上，而不去管各路輸入信號的碼元速率存在誤差。這時,由于4個地球站的時鐘間存在誤差，雖然其碼元標稱速率都是2048kb/s，但實際速率不同。在S1上合成的E-2群碼元速率為8448kb/s，這個速率是以衛(wèi)星S1上的復(fù)接設(shè)備時鐘為準的。將8448kb/s平均分配到每個E-1群的碼元速率為2132一個衛(wèi)星通信系統(tǒng)，中心站在衛(wèi)星上，終端站在地面。所有地面發(fā)射機的同步系統(tǒng)都需要預(yù)先校正信號的定時和頻率，以求信號用預(yù)定的頻率在預(yù)定的時間到達衛(wèi)星接收機。13.5.2

開環(huán)法需要利用反向鏈路提供的信息不需要利用反向鏈路提供的信息舉例預(yù)先校正時間：發(fā)射機需要計算信號的傳輸時間，即用電磁波的傳播速率去除發(fā)射機和接收機間的距離，并將發(fā)射時間按計算結(jié)果適當提前。這樣，信號到達中心站的時間為Tt

－

實際發(fā)送開始時間

d

－傳輸距離c

－光速網(wǎng)同步一個衛(wèi)星通信系統(tǒng)，中心站在衛(wèi)星上，終端站在地33預(yù)先校正發(fā)送頻率：發(fā)射機需要考慮由于地面發(fā)射機和衛(wèi)星接收機間相對運動產(chǎn)生的多譜勒頻移。為了能夠正確接收，發(fā)送頻率應(yīng)該等于

式中，V

－相對速度（距離縮短時為正）；f0

－標稱發(fā)射頻率。時間預(yù)測的誤差：式中，re

－距離估值的誤差；

t

－發(fā)射機處和接收機處參考時間之差。預(yù)先校正發(fā)送頻率：發(fā)射機需要考慮由于地面發(fā)射機和衛(wèi)星接收機間34式中，Ve

－發(fā)射機和接收機間相對速度的測量值誤差或預(yù)測值的誤差；

f

－發(fā)射機和接收機參考頻率間的誤差。頻率預(yù)測的誤差：參考頻率的容許誤差：參考時間和參考頻率的準確性有關(guān)。參考頻率的起伏很難用統(tǒng)計方法表述，通常規(guī)定一個每天最大容許誤差網(wǎng)同步式中，Ve－發(fā)射機和接收機間相對速度的測量值誤差或預(yù)測值3536

值的典型范圍：廉價的晶體振蕩器－10-5至10-6高質(zhì)量的晶體振蕩器

－10-9至10-11銣原子鐘－10-12銫原子鐘－10-13網(wǎng)同步12值的典型范圍：網(wǎng)同步在時間T

內(nèi)增大的頻率偏移： 式中，f(0)－初始（t=0時）頻率偏移

T－時間（天）可見，若沒有外界干預(yù)，參考時間誤差可以隨時間按平方律增長。積累的時間偏差t(T)：與參考頻率的積累相位誤差有關(guān)：網(wǎng)同步在時間T內(nèi)增大的頻率偏移： 式中，f(0)－初37這個不斷增長的時間誤差限定了外部有關(guān)單位在多長時間內(nèi)必須給予一次校正；或者更新終端站內(nèi)的關(guān)于中心站接收機的定時數(shù)據(jù)；或重新將中心站接收機和地球站發(fā)射機的參考時間設(shè)置到標稱時間。若發(fā)射機沒有來自反向鏈路的信息，系統(tǒng)設(shè)計者能用Te和t(T)的公式作為模型得出的時間和頻率偏離，決定兩次校正之間的最大時間間隔。對于發(fā)射機開環(huán)同步系統(tǒng)：網(wǎng)同步這個不斷增長的時間誤差限定了外部有關(guān)單位在多長時間內(nèi)必須給予38準閉環(huán)發(fā)射機同步法：——終端站能夠利用對反向鏈路信號測量進行同步的方法。準閉環(huán)法顯然比純開環(huán)法更適應(yīng)通信系統(tǒng)的變動性。網(wǎng)同步準閉環(huán)發(fā)射機同步法：——終端站能夠利用對反向鏈路信號測量進3913.5.3

閉環(huán)法種類：網(wǎng)同步原理：閉環(huán)法需要終端站發(fā)送特殊的同步信號，用以決定信號的時間和頻率誤差。中心站有處理能力：中心站可以進行實際的誤差測量。這種測量可以是給出偏離的量和方向，也可以是只給出方向。這個信息用反向鏈路送回給終端站發(fā)射機。中心站沒有處理能力：此時將特殊同步信號直接由反向鏈路送回終端站發(fā)射機。由終端站發(fā)射機自己解讀返回信號。13.5.3閉環(huán)法種類：網(wǎng)同步原理：閉環(huán)法需要終端站40在中心站處理的優(yōu)點：在反向鏈路上傳送的誤差測量結(jié)果可以是一個短的數(shù)字序列。當一條反向鏈路為大量終端站所時分復(fù)用時，這樣有效地利用返回鏈路是非常重要的。在中心站上的誤差測量手段能夠被所有聯(lián)到中心站的終端站共享。這相當于大量節(jié)省了系統(tǒng)的處理能力。優(yōu)缺點：在終端站處理的優(yōu)點：中心站不需要易于接入，并且中心站可以設(shè)計得較簡單以提高可靠性。響應(yīng)更快，因為沒有在中心站處理帶來的延遲。若鏈路的參量變化很快，這一點是很重要的。在中心站處理的優(yōu)點：優(yōu)缺點：在終端站處理的優(yōu)點：41在終端站處理的缺點：反向信道的使用效率不高；返回信號可能難于解讀－這種情況發(fā)生在中心站不僅是簡單地轉(zhuǎn)發(fā)信號，而且還對碼元作判決，再在反向鏈路上發(fā)送此判決結(jié)果。因為在反向信號中含有時間和頻率偏離的影響，即由碼元判決產(chǎn)生的影響。 設(shè)一個終端站采用2FSK向中心站發(fā)送信號，中心站采用非相干解調(diào)。這時的判決將決定于信號的能量。中心站接收的信號可以用下式表示：舉例在終端站處理的缺點： 設(shè)一個終端站采用2F42現(xiàn)在，若中心站解調(diào)器的兩個正交分量輸出為：則解調(diào)信號的能量為 式中，－中心站接收信號的角頻率誤差； t

－中心站接收信號到達時間誤差。現(xiàn)在，若中心站解調(diào)器的兩個正交分量輸出為：則解調(diào)信號的能量為43對于時間誤差t為0的特殊情況，上式變?yōu)?/p>