《現(xiàn)代通信原理與技術(shù)》課件-第11章

第11

章同步原理11.1概述11.2載波同步11.3位同步11.4群同步

11.1概述

所謂同步,是指收、發(fā)雙方在時(shí)間上步調(diào)一致,故又稱定時(shí)。在數(shù)字通信中,按照功用不同,同步分為載波同步、位同步、群同步和網(wǎng)同步。

(1)載波同步。載波同步是指在相干解調(diào)時(shí),接收端需要提供一個(gè)與接收信號(hào)中的調(diào)制載波同頻同相的相干載波。這個(gè)載波的獲取稱為載波提取或載波同步。在第4章的模擬

調(diào)制以及第7章的數(shù)字調(diào)制學(xué)習(xí)過程中,我們了解到要想實(shí)現(xiàn)相干解調(diào),必須有相干載波。因此,載波同步是實(shí)現(xiàn)相干解調(diào)的先決條件。

(2)位同步。位同步又稱碼元同步。在數(shù)字通信系統(tǒng)中,任何消息都是通過一連串碼元序列傳送的,所以接收時(shí)需要知道每個(gè)碼元的起止時(shí)刻,以便在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)刻進(jìn)行取樣判決。例如圖89和圖810所示的兩種最佳接收機(jī)結(jié)構(gòu)中,需要對(duì)積分器或匹配濾波器的輸出進(jìn)行抽樣判決,判決時(shí)刻應(yīng)對(duì)準(zhǔn)每個(gè)接收碼元的終止時(shí)刻。這就要求接收端必須提供一個(gè)位定時(shí)脈沖序列,該序列的重復(fù)頻率與碼元速率相同,相位與最佳取樣判決時(shí)刻一致。我們把提取這種定時(shí)脈沖序列的過程稱為位同步。

(3)群同步。群同步包含字同步、句同步、分路同步,它有時(shí)也稱幀同步。在數(shù)字通信中,信息流是用若干碼元組成一個(gè)“字”,又用若干個(gè)“字”組成“句”。在接收這些數(shù)字信息時(shí),必須知道這些“字”“句”的起止時(shí)刻,否則接收端無法正確恢復(fù)信息。對(duì)于數(shù)字時(shí)分多路通信系統(tǒng),如PCM30/32電話系統(tǒng),各路信碼都安排在指定的時(shí)隙內(nèi)傳送,形成一定的幀結(jié)構(gòu)。為了使接收端能正確分離各路信號(hào),在發(fā)送端必須提供每幀的起止標(biāo)記,在接收端檢測并獲取(這一過程稱為幀同步)。因此,在接收端產(chǎn)生與“字”“句”“幀”起止時(shí)刻相一致的定時(shí)脈沖序列的過程統(tǒng)稱為群同步。

(4)網(wǎng)同步。在獲得了以上討論的載波同步、位同步、群同步之后,兩點(diǎn)間的數(shù)字通信就可以有序、準(zhǔn)確、可靠地進(jìn)行了。然而,隨著數(shù)字通信的發(fā)展,尤其是計(jì)算機(jī)通信的發(fā)展,多個(gè)用戶之間的通信和數(shù)據(jù)交換構(gòu)成了數(shù)字通信網(wǎng)。顯然,為了保證通信網(wǎng)內(nèi)各用戶之間可靠地進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換,全網(wǎng)必須有一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘,這就是網(wǎng)同步的問題。

同步也是一種信息,按照獲取和傳輸同步信息方式的不同,同步方法可分為外同步法和自同步法。

(1)外同步法。由發(fā)送端發(fā)送專門的同步信息(常被稱為導(dǎo)頻),接收端把這個(gè)導(dǎo)頻提取出來作為同步信號(hào)的方法,稱為外同步法。

(2)自同步法。發(fā)送端不發(fā)送專門的同步信息,接收端設(shè)法從收到的信號(hào)中提取同步信息的方法,稱為自同步法(也稱直接法)。

自同步法是人們最希望的同步方法,因?yàn)榭梢园讶抗β屎蛶挿峙浣o信號(hào)傳輸。在載波同步和位同步中,兩種方法都有采用,但自同步法正得到越來越廣泛的應(yīng)用。而群同步一般都采用外同步法。

11.2載波同步

11.2.1直接法直接法也稱自同步法。這種方法是設(shè)法從接收信號(hào)中提取同步載波。有些信號(hào),如DSBSC、PSK等,雖然本身不直接含有載波分量,但經(jīng)過某種非線性變換后,將具有載波的諧波分量,因而可從中提取出載波分量來。

1.平方變換法和平方環(huán)法

平方變換法廣泛用于建立抑制載波的雙邊帶信號(hào)的載波同步。設(shè)調(diào)制信號(hào)m(t)無直流分量,則抑制載波的雙邊帶信號(hào)為

接收端將該信號(hào)經(jīng)過非線性變換———平方律器件后得到

上式的第二項(xiàng)包含有載波的倍頻2ωc

的分量。若用一窄帶濾波器將2ωc頻率分量濾出,再進(jìn)行二分頻,就可獲得所需的相干載波。基于這種構(gòu)思的平方變換法提取載波的方框圖如圖11-1所示。圖11-1平方變換法提取載波的方框圖

若m(t)=±1,則抑制載波的雙邊帶信號(hào)就成為二相移相信號(hào)(2PSK),這時(shí)

同樣可以通過圖11-1所示的方法提取載波。

在實(shí)際中,伴隨信號(hào)一起進(jìn)入接收機(jī)的還有加性高斯白噪聲,為了改善平方變換法的性能,使恢復(fù)的相干載波更為純凈,常用鎖相環(huán)(PLL)代替圖11-1中的窄帶濾波器,構(gòu)成如圖11-2所示的方框圖,稱為平方環(huán)法提取載波。由于鎖相環(huán)具有良好的跟蹤、窄帶濾波和記憶功能,所以平方環(huán)法比一般的平方變換法具有更好的性能。因此,平方環(huán)法提取載波得到了較廣泛的應(yīng)用。圖11-2平方環(huán)法提取載波的方框圖

應(yīng)當(dāng)注意,載波提取的方框圖中用了一個(gè)二分頻電路,分頻起點(diǎn)的不確定性,使其輸出的載波相對(duì)于接收信號(hào)相位有180°的相位模糊。相位模糊對(duì)模擬通信影響不大,因?yàn)槿硕牪怀鱿辔坏淖兓?。但?duì)數(shù)字通信的影響就不同了,它有可能使2PSK相干解調(diào)后出現(xiàn)“反向工作”的問題,克服相位模糊度對(duì)相干解調(diào)影響的最常用而又有效的方法是對(duì)調(diào)制器

輸入的信息序列進(jìn)行差分編碼,即采用相對(duì)移相(2DPSK),并且在解調(diào)后進(jìn)行差分譯碼恢復(fù)信息。

2.同相正交環(huán)法

同相正交環(huán)法又叫科斯塔斯(Costas)環(huán)法,它的原理框圖如圖11-3所示。圖11-3Costas環(huán)法提取載波的原理框圖

設(shè)輸入的抑制載波雙邊帶信號(hào)為m(t)cosωct,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(hào)與輸入已調(diào)信號(hào)載波之間的相位誤差。

比較式(11.27)與式(11.215)可知,Costas環(huán)與平方環(huán)具有相同的鑒相特性(vd－θ曲線),如圖11-4所示。由圖可知,θ=nπ(n為任意整數(shù))為PLL的穩(wěn)定平衡點(diǎn)。PLL工作時(shí)可能鎖定在任何一個(gè)穩(wěn)定平衡點(diǎn)上,考慮到在周期π內(nèi)θ的取值可能為0或π,所以恢復(fù)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。這是用PLL從抑制載波的雙邊帶信號(hào)(2PSK或DSB)中提取載波時(shí)不可避免的共同問題。相位模糊度問題不但在上述兩種環(huán)路中存在,在其他類型的載波恢復(fù)環(huán)路,如逆調(diào)制環(huán)、判決反饋環(huán)、松尾環(huán)等性能更好的環(huán)路中也同樣存在;不但在2PSK信號(hào)中存在,在多相移相信號(hào)(MPSK)中也同樣存在。圖11-4平方環(huán)和Costas環(huán)的鑒相特性

Costas環(huán)與平方環(huán)都是利用鎖相環(huán)(PLL)提取載波的常用方法。Costas環(huán)與平方環(huán)相比具有如下優(yōu)勢:首先,雖然Costas環(huán)在電路上要復(fù)雜一些,但它的工作頻率即載波頻率,而平方環(huán)的工作頻率是載波頻率的兩倍,顯然當(dāng)載波頻率很高時(shí),工作頻率較低的Costas環(huán)易于實(shí)現(xiàn);其次,當(dāng)環(huán)路正常鎖定后,Costas環(huán)可直接獲得解調(diào)輸出,而平方環(huán)則沒有這種功能。

3.多相移相信號(hào)(MPSK)的載波提取

當(dāng)數(shù)字信息通過載波的M相調(diào)制發(fā)送時(shí),可將上述方法推廣,以獲取同步載波。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次方環(huán)法。M次方環(huán)法提取載波

的方框圖如圖11-5所示。例如從4PSK信號(hào)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

圖11-5M次方環(huán)法提取載波的方框圖

另一種方法基于Costas環(huán)的推廣,圖116示出了從4PSK信號(hào)中提取載波的Costas環(huán)?？梢郧蟮盟牡刃цb相特性與式(11.216)一樣,提取的載波也具有90°的相位模糊。這種方法實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜,在實(shí)際中一般不采用。圖11-6四相Costas環(huán)法提取載波

11.2.2插入導(dǎo)頻法

抑制載波的雙邊帶信號(hào)(如DSB、等概的2PSK)本身不含有載波,殘留邊帶(VSB)信號(hào)雖含有載波分量,但很難從已調(diào)信號(hào)的頻譜中把它分離出來。對(duì)這些信號(hào)的載波提取,可以用插入導(dǎo)頻法(外同步法)。尤其是單邊帶(SSB)信號(hào),它既沒有載波分量,又不能用直接法提取載波,只能用插入導(dǎo)頻法。

1.在抑制載波的雙邊帶信號(hào)中插入導(dǎo)頻

所謂插入導(dǎo)頻,就是在已調(diào)信號(hào)頻譜中額外插入一個(gè)低功率的線譜,以便接收端作為載波同步信號(hào)加以恢復(fù),此線譜對(duì)應(yīng)的正弦波稱為導(dǎo)頻信號(hào)。采用插入導(dǎo)頻法應(yīng)注意:

①導(dǎo)頻的頻率應(yīng)當(dāng)是與載頻有關(guān)的或者就是載頻的頻率;

②插入導(dǎo)頻的位置與已調(diào)信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)有關(guān)。

總的原則是在已調(diào)信號(hào)頻譜中的零點(diǎn)插入導(dǎo)頻,且要求其附近的信號(hào)頻譜分量盡量小,這樣便于插入導(dǎo)頻以及解調(diào)時(shí)濾除它。

對(duì)于模擬調(diào)制中的DSB或SSB信號(hào),在載頻fc附近信號(hào)頻譜為0。但對(duì)于數(shù)字調(diào)制中的2PSK或2DPSK信號(hào),在fc附近的頻譜不但有,而且比較大,因此對(duì)這樣的信號(hào),可參考第5章介紹的第Ⅳ類部分響應(yīng),在調(diào)制以前先對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行相關(guān)編碼。相關(guān)編碼的作用是把如圖11-7(a)所示的基帶信號(hào)頻譜函數(shù)變換成如圖11-7(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118所示的頻譜函數(shù)。由圖可見,在fc附近的頻譜函數(shù)很小,且沒有離散譜,這樣可以在fc處插入頻率為fc的導(dǎo)頻(這里僅畫出正頻域)。但應(yīng)注意,在圖118中插入的導(dǎo)頻并不是加于調(diào)制器的那個(gè)載波,而是將該載波移相90°后的所謂“正交載波”。圖11-7相關(guān)編碼進(jìn)行頻譜變換圖11-8抑制載波雙邊帶信號(hào)的導(dǎo)頻插入

這樣,就可組成插入導(dǎo)頻的發(fā)端框圖,如圖119所示。設(shè)調(diào)制信號(hào)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(dǎo)頻(正交載波)-acosωct,其中a是插入導(dǎo)頻的振幅。于是輸出信號(hào)為

設(shè)收到的信號(hào)就是發(fā)端輸出uo(t),則收端用一個(gè)中心頻率為fc的窄帶濾波器提取導(dǎo)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)框圖如圖11-10所示。圖11-9插入導(dǎo)頻法發(fā)端框圖圖11-10插入導(dǎo)頻法收端框圖

前面提示,發(fā)端是以正交載波作為導(dǎo)頻,其原因解釋如下。

由圖11-10可知,解調(diào)輸出為

經(jīng)過低通濾除高頻部分后,就可恢復(fù)調(diào)制信號(hào)m(t)。如果發(fā)端加入的導(dǎo)頻不是正交載波,而是調(diào)制載波,則收端v(t)中還有一個(gè)不需要的直流成分,這個(gè)直流成分通過低通濾波器對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生影響,這就是發(fā)端正交插入導(dǎo)頻的原因。

2.時(shí)域插入導(dǎo)頻

時(shí)域插入導(dǎo)頻方法在時(shí)分多址通信衛(wèi)星中應(yīng)用較多。前面介紹的插入導(dǎo)頻都屬于頻域插入,它們的特點(diǎn)是插入的導(dǎo)頻在時(shí)間上是連續(xù)的,即信道中自始至終都有導(dǎo)頻信號(hào)傳送。時(shí)域插入導(dǎo)頻方法是按照一定的時(shí)間順序,在指定的時(shí)間內(nèi)發(fā)送載波標(biāo)準(zhǔn),即把載波標(biāo)準(zhǔn)插到每幀的數(shù)字序列中,如圖1111(a)所示。圖中,t2~t3就是插入導(dǎo)頻的時(shí)間,一般在群同步脈沖之后插入。

這種插入的結(jié)果是只在每幀的一小段時(shí)間內(nèi)才出現(xiàn)載波標(biāo)準(zhǔn),在接收端應(yīng)用控制信號(hào)將載波標(biāo)準(zhǔn)取出。從理論上講可以用窄帶濾波器直接取出這個(gè)載波,但實(shí)際上是困難的,這是因?yàn)閷?dǎo)頻在時(shí)間上是斷續(xù)傳送的,并且只在很小一部分時(shí)間存在,用窄帶濾波器取出這個(gè)間斷的載波是不能應(yīng)用的。所以,時(shí)域插入導(dǎo)頻法常用鎖相環(huán)來提取同步載波,如圖11-11(b)所示。圖11-11時(shí)域插入導(dǎo)頻法

11.2.3載波同步系統(tǒng)的性能及載波相位誤差對(duì)解調(diào)性能的影響

1.載波同步系統(tǒng)的性能

載波同步系統(tǒng)的性能指標(biāo)主要有效率、精度、同步建立時(shí)間和同步保持時(shí)間。載波同步追求的是高效率、高精度、同步建立時(shí)間快、同步保持時(shí)間長。

高效率指為了獲得載波信號(hào)而盡量少消耗發(fā)送功率。在這方面,直接法由于不需要專門發(fā)送導(dǎo)頻,因而效率高;而插入導(dǎo)頻法由于插入導(dǎo)頻要消耗一部分發(fā)送功率,因而效率要低一些。

高精度指接收端提取的載波與需要的載波標(biāo)準(zhǔn)比較,應(yīng)該有盡量小的相位誤差。如需要的同步載波為cosωct,提取的同步載波為cos(ωct+Δφ),Δφ就是載波相位誤差,則Δφ應(yīng)盡量小。通常Δφ分為穩(wěn)態(tài)相差θe和隨機(jī)相差σφ兩部分,即

穩(wěn)態(tài)相差與提取的電路密切相關(guān),而隨機(jī)相差則是由噪聲引起的。

同步建立時(shí)間ts

指從開機(jī)或失步到同步所需要的時(shí)間。顯然ts

越小越好。

同步保持時(shí)間tc指同步建立后,同步信號(hào)消失,系統(tǒng)還能維持同步的時(shí)間。tc越大越好。

2.載波相位誤差對(duì)解調(diào)性能的影響

11.3位同步

位同步是指在接收端的基帶信號(hào)中提取碼元定時(shí)的過程。它與載波同步有一定的相似之處和區(qū)別。載波同步是相干解調(diào)的基礎(chǔ),不論是模擬通信還是數(shù)字通信,只要采用相干解調(diào),就需要載波同步,并且在基帶傳輸時(shí)沒有載波同步問題;所提取的載波同步信息是載頻為fc

的正弦波,要求它與接收信號(hào)的載波同頻同相。實(shí)現(xiàn)方法有插入導(dǎo)頻法和直接法。

11.3.1插入導(dǎo)頻法

這種方法與載波同步時(shí)的插入導(dǎo)頻法類似,它是在基帶信號(hào)頻譜的零點(diǎn)處插入所需的位定時(shí)導(dǎo)頻信號(hào),如圖11-12所示。其中,圖(a)為常見的雙極性不歸零基帶信號(hào)的功率譜,插入導(dǎo)頻的位置是1/T;圖(b)表示經(jīng)某種相關(guān)變換的基帶信號(hào)的功率譜,它的第一個(gè)零點(diǎn)為1/(2T),插入導(dǎo)頻應(yīng)在1/(2T)處。圖11-12插入導(dǎo)頻法頻譜圖

圖11-13畫出了插入位定時(shí)導(dǎo)頻的系統(tǒng)框圖,它對(duì)應(yīng)于圖1112(b)所示譜的情況。發(fā)端插入的導(dǎo)頻為1/(2T),接收端在解調(diào)后設(shè)置了1/(2T)窄帶濾波器,其作用是取出位定時(shí)導(dǎo)頻。移相、倒相和相加電路是為了從信號(hào)中消去插入導(dǎo)頻,使進(jìn)入取樣判決器的基帶信號(hào)沒有插入導(dǎo)頻。這樣做是為了避免插入導(dǎo)頻對(duì)取樣判決的影響。圖11-13插入位定時(shí)導(dǎo)頻的系統(tǒng)框圖

11.3.2直接法

1.濾波法

1)波形變換濾波法

不歸零的隨機(jī)二進(jìn)制序列,不論是單極性的還是雙極性的,當(dāng)P(0)=P(1)=1/2時(shí),都沒有f=1/T,2/T等線譜,因而不能直接濾出f=1/T的位同步信號(hào)分量。但是,若對(duì)該信號(hào)進(jìn)行某種變換,例如,變成歸零的單極性脈沖,其譜中含有f=1/T的分量,然后用窄帶濾波器取出該分量,再經(jīng)移相調(diào)整后就可形成位定時(shí)脈沖。這種方法的原理框圖如圖1114所示。它的特點(diǎn)是先形成含有位同步信息的信號(hào),再用濾波器將其取出。圖11

14中的波形變換電路可以用微分、整流來實(shí)現(xiàn)。圖11-14波形變換濾波法原理框圖

2)包絡(luò)檢波濾波法

這是一種從頻帶受限的中頻PSK信號(hào)中提取位同步信息的方法,其波形圖如圖1115所示。當(dāng)接收端帶通濾波器的帶寬小于信號(hào)帶寬時(shí),頻帶受限的2PSK信號(hào)在相鄰碼元相位反轉(zhuǎn)點(diǎn)處形成幅度的“陷落”,見圖1115(a)。經(jīng)包絡(luò)檢波后得到圖1115(b)所示的波形,它可看成是一直流與圖1115(c)所示的波形相減,而圖1115(c)所示的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。圖11-15包絡(luò)檢波濾波法波形圖

2.鎖相法

位同步鎖相法的基本原理與載波同步的類似,在接收端利用鑒相器比較接收碼元和本地產(chǎn)生的位同步信號(hào)的相位,若兩者不一致(超前或滯后),鑒相器就產(chǎn)生誤差信號(hào)去調(diào)整位同步信號(hào)的相位,直至獲得準(zhǔn)確的位同步信號(hào)為止。前面介紹的濾波法中的窄帶濾波器可以是簡單的單調(diào)諧回路或晶體濾波器,也可以是鎖相環(huán)路。

用于位同步的全數(shù)字鎖相環(huán)的原理框圖如圖1116所示,它由信號(hào)鐘、控制器、分頻器、相位比較器等組成。其中:信號(hào)鐘包括一個(gè)高穩(wěn)定度的振蕩器(晶體)和整形電路。如

果接收碼元的速率為F=1/T,那么振蕩器頻率設(shè)定在nF,經(jīng)整形電路之后,輸出周期性脈沖序列,其周期T0=1/(nF)=T/n。圖11-16用于位同步的全數(shù)字鎖相環(huán)的原理框圖

控制器包括圖1116中的扣除門(常開)、附加門(常閉)和“或門”,它根據(jù)相位比較器輸出的控制脈沖(“超前脈沖”或“滯后脈沖”)對(duì)信號(hào)鐘輸出的序列實(shí)施扣除(或添加)脈沖。

分頻器是一個(gè)計(jì)數(shù)器,每當(dāng)控制器輸出

n個(gè)脈沖時(shí),它就輸出一個(gè)脈沖。控制器與分頻器共同作用的結(jié)果就是調(diào)整了加至相位比較器的位同步信號(hào)的相位。這種相位前、后移的調(diào)整量取決于信號(hào)鐘的周期,每次的時(shí)間階躍量為T0,相應(yīng)的相位最小調(diào)整量為Δ=2πT0/T=2π/n。

相位比較器將接收的脈沖序列與位同步信號(hào)進(jìn)行相位比較,以判別位同步信號(hào)究竟是超前還是滯后,若超前就輸出超前脈沖,若滯后就輸出滯后脈沖。

位同步數(shù)字環(huán)的工作過程簡述如下:由高穩(wěn)定晶體振蕩器產(chǎn)生的信號(hào),經(jīng)整形后得到周期為T0和相位差為T0/2的兩個(gè)脈沖序列,如圖1117(a)、(b)所示。圖1117(a)所示的脈沖序列通過常開門、或門并經(jīng)n次分頻后,輸出本地位同步信號(hào),如圖11-17(c)所示。為了與發(fā)端時(shí)鐘同步,分頻器輸出與接收到的碼元序列同時(shí)加到相位比較器進(jìn)行相位比較。如果兩者完全同步,那么相位比較器沒有誤差信號(hào),本地位同步信號(hào)作為同步時(shí)鐘。。經(jīng)過若干次調(diào)整后,

如果本地位同步信號(hào)相位超前于接收碼元序列相位,那么相位比較器輸出一個(gè)超前脈沖加到常開門(扣除門)的禁止端將其關(guān)閉,扣除一個(gè)a路脈沖(見圖1117(d)),使分頻器輸出脈沖的相位滯后1/n周期(360°/n),如圖11-17(e)所示。如果本地同步脈沖相位滯后于接收碼元脈沖相位,那么相位比較器輸出一個(gè)滯后脈沖去打開“常閉門(附加門)”,使圖1117(b)所示的脈沖序列中的一個(gè)脈沖能通過此門及或門。

正因?yàn)閳D1117(a)和(b)所示的脈沖序列相差半個(gè)周期,所以圖1117(b)所示的脈沖序列中的一個(gè)脈沖能插到“常開門”輸出圖1117(a)所示的脈沖序列(見圖1117(f)),使分頻器輸入端附加了一個(gè)脈沖,于是分頻器的輸出相位就提前1/n周期,如圖1117(g)所示。經(jīng)過若干次調(diào)整后,分頻器輸出的脈沖序列與接收碼元序列達(dá)到同步,即實(shí)現(xiàn)了位同步。圖11-17位同步脈沖的相位調(diào)整圖11-17位同步脈沖的相位調(diào)整

1)微分整流型鑒相器

微分整流型鑒相器如圖11-18(a)所示,假設(shè)接收信號(hào)為不歸零脈沖(波形a)。

位同步脈沖超前的情況如圖11-18(b)所示。同理,位同步脈沖滯后的情況如圖1118(c)所示。圖11-18微分整流型鑒相器及位同步脈沖超前、滯后的情況

2)同相正交積分型鑒相器

采用微分整流型鑒相器的數(shù)字鎖相環(huán)是從基帶信號(hào)的過零點(diǎn)中提取位同步信息的。當(dāng)信噪比較低時(shí),過零點(diǎn)位置受干擾很大,不太可靠。如果應(yīng)用匹配濾波的原理,先對(duì)輸入的基帶信號(hào)進(jìn)行最佳接收,然后提取同步信號(hào),可減少噪聲干擾的影響,使位同步性能有所改善。這種方案就是采用同相正交積分型鑒相器的數(shù)字鎖相環(huán)。

圖1119(a)示出了同相正交積分型鑒相器的原理框圖。設(shè)接收的雙極性不歸零碼元如圖中波形a所示,送入兩個(gè)并聯(lián)的積分器。積分器的積分時(shí)間都為碼元周期T,但加入這兩個(gè)積分器作猝息用的定時(shí)脈沖的相位相差T/2。這樣,同相積分器的積分區(qū)間與位同步脈沖的區(qū)間重合,而正交積分器的積分區(qū)間正好跨在兩相鄰位同步脈沖的中點(diǎn)之間(這里的正交就是指兩積分器的積分起止時(shí)刻相差半個(gè)碼元寬度)。在考慮了猝息作用后,兩個(gè)積分器的輸出如波形b和c所示。圖11-19同相正交積分型鑒相器及位同步信號(hào)超前、滯后的情況圖11-19同相正交積分型鑒相器及位同步信號(hào)超前、滯后的情況

3)數(shù)字鎖相環(huán)抗干擾性能的改善

在前面的數(shù)字鎖相法電路中,噪聲的干擾使接收到的碼元轉(zhuǎn)換時(shí)間產(chǎn)生隨機(jī)抖動(dòng)甚至產(chǎn)生虛假的轉(zhuǎn)換,相應(yīng)在鑒相器輸出端就有隨機(jī)的超前或滯后脈沖,這導(dǎo)致鎖相環(huán)進(jìn)行不

必要的來回調(diào)整,引起位同步信號(hào)的相位抖動(dòng)。仿照模擬鎖相環(huán)鑒相器后加環(huán)路濾波器的方法,在數(shù)字鎖相環(huán)鑒相器后加入一個(gè)數(shù)字濾波器。插入數(shù)字濾波器的作用就是濾除這些

隨機(jī)的超前、滯后脈沖,提高環(huán)路的抗干擾能力。這類環(huán)路常用的數(shù)字濾波器有N先于M濾波器和隨機(jī)徘徊濾波器兩種。

N先于M濾波器如圖11-20(a)所示,它包括一個(gè)計(jì)超前脈沖數(shù)和一個(gè)計(jì)滯后脈沖數(shù)的N計(jì)數(shù)器,超前脈沖或滯后脈沖還通過或門加于一個(gè)M計(jì)數(shù)器(所謂N或M計(jì)數(shù)器,就是當(dāng)計(jì)數(shù)器置“0”后,輸入N或M個(gè)脈沖,該計(jì)數(shù)器輸出一個(gè)脈沖)。選擇N<M<2N,無論哪個(gè)計(jì)數(shù)器計(jì)滿,都會(huì)使所有計(jì)數(shù)器重新置“0”。圖11-20兩種數(shù)字濾波器

隨機(jī)徘徊濾波器如圖11-20(b)所示,它是一個(gè)既能進(jìn)行加法計(jì)數(shù)又能進(jìn)行減法計(jì)數(shù)的可逆計(jì)數(shù)器。

上述兩種數(shù)字濾波器的加入的確提高了鎖相環(huán)抗干擾能力,但是由于它們應(yīng)用了累計(jì)計(jì)數(shù),輸入N個(gè)脈沖才能輸出一個(gè)加(或減)控制脈沖,必然使環(huán)路的同步建立過程加長?？梢?提高鎖相環(huán)抗干擾能力(希望N大)與加快相位調(diào)整速度(希望N小)是一對(duì)矛盾。為了緩和這一對(duì)矛盾,縮短相位調(diào)整時(shí)間,可附加如圖1121所示的閉鎖門電路。圖11-21縮短相位調(diào)整時(shí)間原理圖

11.3.3位同步系統(tǒng)的性能及位同步相位誤差對(duì)性能的影響

1.位同步系統(tǒng)的性能

1)相位誤差θe

位同步信號(hào)的平均相位和最佳相位之間的偏差稱為靜態(tài)相差。對(duì)于數(shù)字鎖相法提取位同步信號(hào)而言,相位誤差主要是由位同步脈沖的相位跳變地調(diào)整所引起的。

每調(diào)整一步,相位改變2π/n(對(duì)應(yīng)時(shí)間T/n),其中n是分頻器的分頻次數(shù),故最大的相位誤差為

若用時(shí)間差Te

來表示相位誤差,因每碼元的周期為T,故得

2)同步建立時(shí)間ts

3)同步保持時(shí)間tc

當(dāng)同步建立后,一旦輸入信號(hào)中斷,或出現(xiàn)長連“0”、連“1”碼時(shí),鎖相環(huán)就失去調(diào)整作用。由于收發(fā)雙方位定時(shí)脈沖的固有重復(fù)頻率之間總存在頻差ΔF,收端同步信號(hào)的相位會(huì)逐漸發(fā)生漂移,時(shí)間越長,相位漂移量越大,漂移量達(dá)到某一準(zhǔn)許的最大值,就算失去同步了。由同步到失步所需要的時(shí)間,稱為同步保持時(shí)間。

4)同步帶寬Δfs

同步帶寬是指能夠調(diào)整到同步狀態(tài)所允許的收、發(fā)振蕩器最大頻差。由于數(shù)字鎖相環(huán)平均每2周(2T)調(diào)整一次,每次所能調(diào)整的時(shí)間為T/n(T/n≈T0/n),所以在一個(gè)碼元周期內(nèi)平均最多可調(diào)整的時(shí)間為T0/2n。很顯然,如果輸入信號(hào)碼元的周期與收端固有位定時(shí)脈沖的周期之差為

2.位同步相位誤差對(duì)性能的影響

位同步的相位誤差θe

主要造成位定時(shí)脈沖的位移,使抽樣判決時(shí)刻偏離最佳位置。在第5、7章中推導(dǎo)的誤碼率公式,都是在最佳抽樣判決時(shí)刻得到的。當(dāng)位同步存在相位誤差

θe(或時(shí)間差Te)時(shí),誤碼率Pe

必然增大。

為了方便起見,可以用時(shí)差Te代替相差θe討論其對(duì)系統(tǒng)誤碼率的影響。設(shè)解調(diào)器輸出的基帶數(shù)字信號(hào)如圖11-22(a)所示,并假設(shè)采用匹配濾波器法檢測,即對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行積分、取樣和判決。若位同步脈沖有時(shí)差Te(見圖11-22(b)),則脈沖的取樣時(shí)刻就會(huì)偏離信號(hào)能量的最大點(diǎn)。從圖11-22(c)可以看到,相鄰碼元的極性無交變時(shí),位同步的時(shí)差不影響取樣點(diǎn)的積分輸出能量值,在該點(diǎn)的取樣值仍為整個(gè)碼元能量E,圖中的t4和t6時(shí)刻就是這種情況;而當(dāng)相鄰碼元的極性交變時(shí),位同步的時(shí)差使取樣點(diǎn)的積分能量減小,如圖中t3點(diǎn)的值只是(T-2Te)時(shí)間內(nèi)的積分值,由于積分能量與時(shí)間成正比,因此

積分能量減小為(1-2Te/T)E。圖11-22位同步相位誤差對(duì)性能的影響

通常,隨機(jī)二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)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(jì)算。相鄰碼元無變化時(shí),仍按原來相應(yīng)的誤碼率公式計(jì)算;相鄰碼元有變化時(shí),按信噪比(或能量)下降后計(jì)算。以2PSK信號(hào)最佳接收為例,考慮到相位誤差影響時(shí),其誤碼率為

11.4群同步

在數(shù)字通信中,一般總是以若干個(gè)碼元組成一個(gè)字,若干個(gè)字組成一個(gè)句,即組成一個(gè)個(gè)“群”進(jìn)行傳輸。群同步的任務(wù)就是在位同步的基礎(chǔ)上識(shí)別出這些數(shù)字信息群(字、句、幀)“開頭”和“結(jié)尾”的時(shí)刻,使接收設(shè)備的群定時(shí)與接收到的信號(hào)中的群定時(shí)處于同步狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)群同步,通常采用的方法是起止式同步法和插入特殊同步碼組的同步法。而插入特殊同步碼組的方法有兩種:一種為連貫式插入法,另一種為間隔式插入法。

11.4.1起止式同步法

數(shù)字電傳機(jī)中廣泛使用的是起止式同步法。在電傳機(jī)中,常用的是5單位碼。為標(biāo)志每個(gè)字的開頭和結(jié)尾,在5單位碼的前后分別加上1個(gè)單位的起碼(低電平)和1.5個(gè)單位的止碼(高電平),共7.5個(gè)碼元組成一個(gè)字,如圖1123所示。收端根據(jù)高電平第一次轉(zhuǎn)到低電平這一特殊標(biāo)志來確定一個(gè)字的起始位置,從而實(shí)現(xiàn)字同步。圖11-23起止式同步波形

11.4.2連貫式插入法

連貫式插入法,又稱集中插入法。它是指在每一信息群的開頭集中插入作為群同步碼組的特殊碼組,該碼組應(yīng)在信息碼中很少出現(xiàn),即使偶爾出現(xiàn),也不可能依照群的規(guī)律周期出現(xiàn)。接收端按群的周期連續(xù)數(shù)次檢測該特殊碼組,這樣便獲得群同步信息。

連貫式插入法的關(guān)鍵是尋找實(shí)現(xiàn)群同步的特殊碼組。對(duì)該碼組的基本要求是:具有尖銳單峰特性的自相關(guān)函數(shù);便于與信息碼區(qū)別;碼長適當(dāng),以保證傳輸效率。

1.巴克碼圖11-247位巴克碼的R(j)與j的關(guān)系曲線

2.巴克碼識(shí)別器

這里仍以7位巴克碼為例。用7級(jí)移位寄存器、相加器和判決器就可以組成一個(gè)巴克碼識(shí)別器,如圖11-25所示。圖11-25

當(dāng)輸入碼元的“1”碼進(jìn)入某移位寄存器時(shí),該移位寄存器的1端輸出電平為+1,0端輸出電平為-1;當(dāng)輸入碼元的“0”碼進(jìn)入某移位寄存器時(shí),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(shí)別器實(shí)際上是對(duì)輸入的巴克碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。當(dāng)一幀信號(hào)到來時(shí),首先進(jìn)入識(shí)別器的是群同步碼組,只有當(dāng)7位巴克碼在某一時(shí)刻(如圖11-26(a)中的t1)正好全部進(jìn)入7位寄存器時(shí),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,則在7位巴克碼的最后一位0進(jìn)入識(shí)別器時(shí),識(shí)別器輸出一個(gè)同步脈沖表示一群的開頭,如圖11-26(b)所示。圖11-26巴克碼識(shí)別器的輸出波形

11.4.3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。

間隔式插入法的最大特點(diǎn)是同步碼不占用信息時(shí)隙,每幀的傳輸效率較高,但是同步捕獲時(shí)間較長。它較適合于連續(xù)發(fā)送信號(hào)的通信系統(tǒng),若是斷續(xù)發(fā)送信號(hào),每次捕獲同步需要較長的時(shí)間,反而降低效率。

滑動(dòng)同步檢測可用軟件實(shí)現(xiàn),也可用硬件實(shí)現(xiàn)。用軟件實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)同步檢測的流程圖如圖1127所示。圖11-27用軟件實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)同步檢測的流程圖

用硬件實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)同步檢測的方框圖如圖11-28所示,假設(shè)群同步碼每幀均為“1”碼,N為每幀的碼元個(gè)數(shù),M為確認(rèn)同步時(shí)需檢測幀的個(gè)數(shù)。

圖11-28中的“1”碼檢測器是在本地群同步碼到來時(shí)檢測信碼,若信碼為“1”則輸出正脈沖,若信碼為“0”則輸出負(fù)脈沖。如果本地群碼與收信碼中群同步