通信原理第11章同步原理課件

第11章同步原理講義第二節(jié)載波同步第三節(jié)位同步

第四節(jié)群同步第一節(jié)概述第一節(jié)概述在數(shù)字通信中，按照同步的功用分為：載波同步、位同步、群同步。載波同步

當采用同步檢測或相干解調(diào)時，接收端需要提供一個與接收信號中的調(diào)制載波同頻同相的相干載波。這個載波的獲取稱為載波提取或稱載波同步。位同步

位同步又稱碼元同步。在接收端產(chǎn)生與接收碼元的重復頻率和相位一致的定時脈沖序列的過程稱為位同步。群同步

在數(shù)字通信中，信碼流是用若干碼元組成一個“字”，又用若干個“字”組成“句”。對于數(shù)字時分多路通信系統(tǒng)，各路信碼都安排在指定的時隙內(nèi)傳送，形成一定的幀結(jié)構(gòu)。為使接收端正確分離各路信號，發(fā)送端必須提供每幀的起止標記，在接收端檢測并獲取這一標志的過程，稱為幀同步。因此，在接收端產(chǎn)生與“字”、“句”及“幀”起止時刻相一致的定時脈沖序列的過程統(tǒng)稱為群同步。按照獲取和傳輸同步信息方式的不同，又可分為外同步法和自同步法。同步是進行信息傳輸?shù)谋匾颓疤?。同步性能的好壞又將直接影響著通信系統(tǒng)的性能。第二節(jié)載波同步11.2.1、直接法（自同步法）非線性變換——載波的諧波分量——提取——分頻——載波同步信號（1）平方變換法和平方環(huán)法設抑制載波的雙邊帶信號（11.2）

外同步法由發(fā)送端發(fā)送專門的同步信息（常被稱為導頻），接收端把這個導頻提取出來作為同步信號的方法，稱為外同步法。平方變換法提取載波信號——平方律器件——倍頻的分量——濾波器——二分頻——相干載波。為了改善平方變換法的性能

圖11-1中的窄帶濾波器常用鎖相環(huán)代替，構(gòu)成如圖11-2所示的方框圖，稱之為平方環(huán)法。平方環(huán)法提取載波注意：由于分頻起點的不確定性，提取的載波存在的相位模糊，它有可能使2PSK相干解調(diào)后出現(xiàn)“反向工作”的問題。解決方法：

2DPSK（2）同相正交環(huán)法（Costas環(huán)）設輸入的抑制載波雙邊帶信號為，并假定環(huán)路鎖定，且不考慮噪聲的影響，則VCO輸出的兩路互為正交的本地載波分別為式中，θ為VCO輸出信號與輸入已調(diào)信號載波之間的相位誤差。此時VCO的輸出就是所需的同步載波，即解調(diào)輸出。（11.3）如圖11-4所示：θ=nπ(n為任意整數(shù)）為PLL的穩(wěn)定平衡點。由于在周期π內(nèi)θ取值可能為0或π，這意味著恢復出的載波可能與理想載波同相，也可能反相。這種相位關(guān)系的不確定性，稱為0，π的相位模糊度。11-4平方環(huán)和Costas環(huán)的鑒相特性（3）多相移相信號（MPSK）的載波提取一種基于平方變換法或平方環(huán)法的推廣，是M次方變換法或M方環(huán)法，如圖11-5所示。例如從4PSK信號中提取同步載波的四次方環(huán)，其鑒相器輸出的誤差電壓為因此，（n為任意整數(shù)）為四次方環(huán)的穩(wěn)定平衡點，即有0、π/2、π、3π/2的穩(wěn)定工作點。這種現(xiàn)象稱為四重相位模糊度，或稱90°的相位模糊。同理，M次方環(huán)具有M重相位模糊度，即所提取的載波具有360°/M的相位模糊。解決的方法是采用MDPSK。11.2.2插入導頻法（外同步法）此法適用于DSB-SC、等概的2PSK、VSB、SSB信號等，尤其是單邊帶（SSB）信號，它即沒有載波分量又不能用直接法提取載波，只能用插入導頻法。插入導頻：在發(fā)送端的已調(diào)信號頻譜中額外插入一個稱作導頻的正弦波，以便接收端作為載波同步信號加以恢復。插入原則：在已調(diào)信號頻譜中的零點插入導頻,且要求其附近的信號頻譜分量盡量的小,這樣便于插入導頻以及解調(diào)時易于濾除它.采用插入導頻法應注意：類部分響應調(diào)制前先對基帶信號進行相關(guān)編碼.作用:

把如圖11.6（a）所示的基帶信號頻譜函數(shù)變換成如圖11.6(b)所示的頻譜函數(shù).這樣經(jīng)過雙邊帶調(diào)制以后可以得到如圖11.7

所示的頻譜函數(shù)。11.6相關(guān)編碼進行頻譜變換這樣，就可組成插入導頻的發(fā)端方框圖11-9。設調(diào)制信號m(t)中無直流分量，被調(diào)載波為asinωct，將它經(jīng)90°移相形成插入導頻（正交載波）-----acosωct，其中a是插入導頻的振幅。于是輸出信號為uo(t)=am(t)sinωct-acosωct(9.2-17)設收到的信號就是發(fā)端輸出uo(t)，則收端用一個中心頻率為fc的窄帶濾波器提取導頻-acosωct，再將它經(jīng)90°移相后得到與調(diào)制載波同頻同相的相干載波sinωct，收端的解調(diào)方框圖如圖11-10所示。時域插入導頻時域插入導頻法是按照一定的時間順序，在指定的時間內(nèi)發(fā)送載波標準，即把載波標準插到每幀的數(shù)字序列中，如圖11-11（a）所示。。因為導頻在時間上是斷續(xù)傳送的，并且只在很小一部分時間存在，用窄帶濾波器取出這個間斷的載波是不能應用的。所以，時域插入導頻法常用鎖相環(huán)來提取同步載波，方框圖如圖11-11（b）所示。圖11-11時域插入導頻法11.9插入導頻法發(fā)端框圖11.2.3載波同步系統(tǒng)的性能及相位誤差對解調(diào)性能的影響1.

載波同步系統(tǒng)的性能指標

效率

精度

同步建立時間

同步保持時間高精度指接收端提取的載波與需要的載波標準比較，應該有盡量小的相位誤差。載波相位誤差分為穩(wěn)態(tài)相差和隨機相差兩部分。穩(wěn)態(tài)相差與提取的電路密切相關(guān)，而隨機相差則是由噪聲引起。同步建立時間指從開機或失步到同步所需要的時間。同步保持時間指同步建立后，若同步信號消失，系統(tǒng)還能維持同步的時間。2.載波相位誤差對解調(diào)性能的影響

對于雙邊帶調(diào)制信號，相位誤差只引起解調(diào)系統(tǒng)的信噪比下降，誤碼率增加。設相位誤差為，則解調(diào)后信噪功率比下降倍，對于2PSK信號，誤碼率由原來的（11.5）增加為（11.6）而對于單邊帶和殘留邊帶信號，相位誤差不僅引起信噪比下降，而且還引起輸出波形失真。第三節(jié)位同步方法：插入導頻法和直接法。1、插入導頻法與載波同步中的插入導頻法的原理相似，它是在基帶信號頻譜的零點處插入所需的位定時導頻信號，在接收端，經(jīng)過窄帶濾波，就可從解調(diào)后的基帶信號中提取出位同步所需的信號。示意圖注意：插入導頻帶來的影響，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原因:

這是因為載波同步在接收端進行相干解調(diào)時，相干解調(diào)器有很好的抑制正交載波的能力，它不需另加電路就能抑制正交載波，從而避免解調(diào)輸出的附加直流分量；而位定時導頻是在基帶加入，它沒有相干解調(diào)器，故不能采用正交插入。為了消除導頻對基帶信號取樣判決的影響，位同步采用了反相相消。11-12插入導頻法頻譜圖另一種導頻插入的方法:

是包絡調(diào)制法。除了以上兩種在頻域內(nèi)插入位同步導頻之外，還可以在時域內(nèi)插入，其原理與載波時域插入方法類似，參見圖11-11(a)。（1）波形變換—濾波法非歸零信號——歸零的單極性脈沖（譜中含有的位定時分量）——用窄帶濾波器取出該分量——移相調(diào)整——脈沖形成——位定時脈沖。濾波器原理圖11-13濾波法原理圖（2）包絡檢波—濾波法這是一種從頻帶受限的中頻PSK信號中提取位同步信息的方法，其波形圖如圖11-14所示。經(jīng)包絡檢波后得到圖11-14(b)所示的波形，它可看成是一直流與圖11-14(c)所示的波形相減.而圖(c)波形是具有一定脈沖形狀的歸零脈沖序列，含有位同步的線譜分量，可用窄帶濾波器取出。11-14從2PSK信號中提取位同步信息

（3）鎖相法利用鎖相環(huán)來提取位同步信號的方法稱為鎖相法。一種用于位同步的全數(shù)字鎖相環(huán)的原理框圖如圖11-15所示，它由信號鐘、控制器、分頻器、相位比較器等組成。11-15數(shù)字鎖相原理框圖信號鐘：脈沖加減器（控制器）：分頻器（計數(shù)器）：每當控制器輸出n個脈沖時,它就輸出一個脈沖.控制器與分頻器的共同作用的結(jié)果就調(diào)整了加至比相器的位同步信號的相位.PD：濾波器：11.3.3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)的性能（1）相位誤差主要是由于位同步脈沖的相位在跳變地調(diào)整所引起的。設n為分頻器的分頻次數(shù)，則最大的相位誤差為（11.7）若用時間差Te來對應表示相位誤差，因碼元長度為T，故有

Te=T/n（11.8）（2）同步建立時間指開機或失去同步后重新建立同步所需的最長時間。設碼元長度為T，則（11.9）（3）同步保持時間指同步建立后到失去同步所保持的最短時間，稱為同步保持時間。設收發(fā)兩端固有的碼元速率為F1和F2，令，，規(guī)定兩端容許的最大時間漂移為T0/K秒（K為一常數(shù)），則（11.10）（4）同步帶寬定義為能夠調(diào)整到同步狀態(tài)所允許的收、發(fā)振蕩器的最大頻差。即（11.11）2.位同步相位誤差對系統(tǒng)性能的影響位同步的相位誤差θe（對應時差Te）主要是造成位定時脈沖的位移，使抽樣判決時刻偏離最佳位置，導致誤碼率增大。設解調(diào)器輸出的基帶數(shù)字信號如圖11-16（a）所示，然后對基帶信號進行積分、取樣和判決。若位同步脈沖有誤差Te[圖11-16（b）]，則脈沖的取樣時刻就會偏離信號能量的最大點。從圖11-16（c）可以看到:

相鄰碼元的極性無交變時，

θe（Te）不影響取樣點的能量值，仍為整個碼元能量E，圖（c）中的t4和t6時刻就是這種情況。相鄰碼元的極性交變時，

θe（Te）使取樣點的積分能量減小，如圖t3點的值只是（T-2Te）時間內(nèi)的積分值。由于積分能量與時間成正比，故積分能量減小為（1-2Te/T）E。11-16相位誤差對性能的影響通常，隨機二進制數(shù)字信號相鄰碼元有變化和無變化的概率各占1/2，所以系統(tǒng)的誤碼率分為兩部分來計算。相鄰碼元無變化時，仍按原來相應的誤碼率公式計算；相鄰碼元有變化時，按信噪比（或能量）下降后計算。以2PSK信號最佳接收為例，考慮到相位誤差影響時，其誤碼率為

(11.12）返回第四節(jié)群同步群同步的任務就是在位同步的基礎上識別出這些數(shù)字信息群（字、句、幀）“開頭”和“結(jié)尾”的時刻，使接收設備的群定時與接收到的信號中的群定時處于同步狀態(tài)。實現(xiàn)群同步的方法起止式同步法：插入特殊同步碼組方法連貫式插入法和間隔式插入法11.4.1起止式同步法起止式同步波形圖11-17這種7.5單位碼（碼元的非整數(shù)倍）給數(shù)字通信的同步傳輸帶來一定困難。另外，在這種同步方式中，7.5個碼元中只有5個碼元用于傳遞消息，因此傳輸效率較低。11.4.2

連貫式插入法這是在每一信息群的開頭集中插入群同步碼組的方法。一種常用的群同步碼組是巴克碼。

巴克碼是一個n位長的碼組{x1,x2,x3…xn}，其中xi的取值為+1或－1，它的局部相關(guān)函數(shù)滿足：

（11.13）(其中j表示錯開的位數(shù))目前已找到的巴克碼組如表11-1所示。表11-1巴克碼組n巴克碼組2＋＋(11)3＋＋－（110）4＋＋＋－(1110)；＋＋－＋(1101)5＋＋＋－＋(11101)7＋＋＋－－＋－(1110010)11＋＋＋－－－＋－－＋－(11100010010)13＋＋＋＋＋－－＋＋－＋－＋(1111100110101)以7位巴克碼組為例，7位巴克碼的自相關(guān)函數(shù)2.巴克碼識別器仍以7位巴克碼為例。用7級移位寄存器、相加器和判決器就可以組成一個巴克碼識別器，如圖11-19所示。當輸入碼元的“1”進入某移位寄存器時，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，進入“0”碼時，該移位寄存器的0端輸出電平為+1，1端輸出電平為-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行相關(guān)運算。當一幀信號到來時，首先進入識別器的是群同步碼組，只有當7位巴克碼在某一時刻（如圖11-20(a)中的t1）正好已全部進入7位寄存器時，7位移位寄存器輸出端都輸出+1，相加后得最大輸出+7，其余情況相加結(jié)果均小于+7。若判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0進入識別器時，識別器輸出一個同步脈沖表示一群的開頭，如圖11-20(b)所示。11-19巴克碼識別器11-187位巴克碼的自相關(guān)函數(shù)

11-20識別器的輸出波形4.3間隔式插入法間隔式插入法又稱為分散插入法，它是將群同步碼以分散的形式均勻插入信息碼流中。分散插入的最大特點是同步碼不占用信息時隙，每幀的傳輸效率較高，但是同步捕獲時間較長。

4.4群同步系統(tǒng)的性能漏同步概率、假同步概率和同步建立時間（1）漏同步概率由于干擾的影響，接收的同步碼組中可能出現(xiàn)一些錯誤碼元，從而使識別器漏識已發(fā)出的同步碼組，出現(xiàn)這種情況的概率稱為漏同步概率，記為漏同步概率與群同步的插入方式、群同步碼的碼組長度、系統(tǒng)的誤碼概率及識別器電路和參數(shù)選取等均有關(guān)系。對于連貫式插入法，漏同步概率為

（11.14）式中，P為碼元錯誤概率，n為同步碼組的碼元數(shù)，m為識別器容許碼組中錯誤碼元的最大數(shù)，（2）假同步概率在信息碼元中也可能出現(xiàn)與同步碼組相同的碼組，這時會被識別器誤認為同步碼，從而出現(xiàn)假同步信號。發(fā)生這種情況的概率稱為假同步概率，記為。假同步概率是信息碼元中能判為同步碼組的組合數(shù)與所有可能的碼組數(shù)之比，即（11.15）比較以上兩式，m增大（即判決門限電平降低），減小，但增大，所以兩者對判決門限電平的要求是矛盾的。（