《數(shù)字通信原理》第9章同步原理與技術(shù)

1、數(shù)字通信原理數(shù)字通信原理(9)(9)馮穗力等編著馮穗力等編著電子工業(yè)出版社電子工業(yè)出版社20122012年年8 8月月第第 9 章章 同步原理與技術(shù)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，信號的同步主要包括：載波同步載波同步、符號符號同步同步和幀同步幀同步。 載波同步載波同步：實現(xiàn)發(fā)送與接收有相同的載波頻率和固定的相位關(guān)系，保

2、證相干或相關(guān)解調(diào)的實現(xiàn)； 符號同步符號同步：實現(xiàn)符號接收的定位，避免符號間的串?dāng)_，保證符號的正確接收和解碼； 幀同步幀同步：實現(xiàn)幀的定位，保證符號與信息間一一對應(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9.2 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)我們說兩個信號相位鎖定時，通常指這兩個信號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)用示波器同時觀測兩個相位鎖定的信號時，可以看到兩個穩(wěn)定的、相互間沒有移動的信號波形。 第7章 傳輸信道第7章 傳輸信道n 鎖相環(huán)的組成鎖相環(huán)的組成 鎖相環(huán)的基本結(jié)構(gòu) 鑒相器

3、鑒相器：鑒別兩個信號間的相差，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)通常必須是一個有理數(shù)。 0Bmffnn 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)信號基準(zhǔn)信號： 壓控振蕩器輸出信號輸出信號： 鑒相器(采用乘法器實現(xiàn)時)輸出第7章 傳輸信道1mn cos 2BBBBstAf tt 0000sin 2sin 2VCOBstAftAf tt 000cos 2sin 211 sinsin 422PDPD

4、BBBPDBPDBButKf ttf ttKttKf tttn 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 信號波形第7章 傳輸信道 0sinsinddBdutKttKt 2222 0,cos 222120,ddkkduKkkd 00dVCOdVCOuftuftn 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 形成負反饋： 在 工作區(qū)域 形成正反饋： 圖中 穩(wěn)定平衡點穩(wěn)定平衡點 非穩(wěn)定平衡點非穩(wěn)定平衡點 鎖相環(huán)最終工作在穩(wěn)定平衡點上。第7章 傳輸信道 0ddutd , 2222dVCOufkk 0d

5、dutd , 22212dVCOufkk 0 9.3 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)載波信號中恢復(fù)載波信號的問題。 直接提取法直接提取法：利于鎖相環(huán)電路，直接從已調(diào)載波信號中提取載波信號的方法。 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基本的特點是： (1)利于非線性電路，去除調(diào)制載波的信息對提取載波信號的影響,得到含有噪聲的基準(zhǔn)信號； (2)采用鎖相環(huán)電路完成相當(dāng)于較理想窄帶濾波器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)送載波信號相位鎖定的本地載波信號。第7章 傳輸信道n 直接提取法(續(xù)) 1

6、1、平方環(huán)法、平方環(huán)法 平方環(huán)法是一種恢復(fù)2PSK信號中載波信號的方法。 平方環(huán)法載波恢復(fù)電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 主要包括：平方運算平方運算、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波器得 本地的壓控振蕩器輸出壓控振蕩器輸出為 2222222()cos()cos111 ()1 cos2cos2222nTscnTscnnTsc

7、cnsta gtnTta gtnTta gtnTtaat2c 221cos22ccstat sin 22VCOcutAtt 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 二分頻后輸出本地恢復(fù)的載波信號本地恢復(fù)的載波信號 221( )( )( )cos2sin 222 sin 2sin 42cPDVCOccPDcutst utat AttKttt cos 22VCOcutAtt ( )sin 2ddu tKtk0, 1, 2, 3,.k cosLLcutAt21cos(1 cos2)2ccttsin2ct1

8、(1 cos2()2ct(sin2sin2cos2()1(2sin2sin2sin(42 )4cccccttttt(sin2sin2cos2)1(2sin2sin0sin4)4cccccttttt1sin24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 中，對 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信號中隨機的二進制序列的影響。 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)制載波的序列先進行差分編碼行差分編碼，然后在進行2PSK調(diào)制)； 發(fā)送訓(xùn)練序列

9、來進行相位的判定。 cosLLcutAt0,2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，接收信號為 cos()coscnTscns tx tta g tnTt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為 本地載波與輸入信號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 22ccc

10、utx ttttx tttt 51cos2utx tt 61sin2utx tt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。 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 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)法通過平方運算電路去除2PSK信號中調(diào)制載波的信息對載波提取的影響； 一般地，在MPSK信號的載波

11、恢復(fù)過程中，可用M次方運算電路去除MPSK信號中調(diào)制信息對載波提取的影響。 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。 cMn 直接提取法(續(xù)) MPSK信號的一般形式為 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cM 0002cos1 cos1 2cosBMcMcMcstKMtmMKMtmMKMtMn 直接提取法(續(xù)) 壓控

12、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 sinddutKMtn 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個穩(wěn)定的相位平衡點將落在如下的位置 本地恢復(fù)的載波信號 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 cosLLcutAtn 直接提取法(續(xù)) 2PSK解調(diào)時相位模糊可能使得星座點位置180o旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致解調(diào)時“0”與“1”倒置； MPSK解調(diào)時相位模糊則可能使星座點位置出現(xiàn)M種不同的偏移，導(dǎo)致解調(diào)出錯。 相位模糊對相位

13、模糊對MPSK信號解調(diào)影響分析信號解調(diào)影響分析 已知接收信號 本地載波信號第7章 傳輸信道 2cos, 1,1,2,.,MPSKcmmstAtmmMM cosLLcutAtn 直接提取法(續(xù)) 相位模糊對MPSK信號解調(diào)影響分析 (1) 若 ，可得 此時可正確解調(diào)；第7章 傳輸信道 coscoscoscossinsin2MPSKLcmcmmst utAttA 低通濾波 cos1 sincossinsincos2MPSKLcmcmmst utAttA 低通濾波0cos, sin22mmAAIQ第7章 傳輸信道n 直接提取法(續(xù)) 相位模糊對MPSK信號解調(diào)影響分析 (2) 若 ，可得 此時星座點

14、將發(fā)生 度的旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致錯誤判決。 示例示例 時星 座點的旋轉(zhuǎn)變化。0coscossinsin2cossinsincos2mmmmAIAQ 45on 直接提取法(續(xù)) 避免相位模糊對解調(diào)影響的方法避免相位模糊對解調(diào)影響的方法： 對相位采用差分編碼，使得解調(diào)時當(dāng)前的解碼輸出與當(dāng)前符號解碼輸出與當(dāng)前符號的絕對相位無關(guān)，只與前后符號的相位差有關(guān)的絕對相位無關(guān)，只與前后符號的相位差有關(guān)。第7章 傳輸信道n 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)的載波信號時，同時發(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)頻法的實現(xiàn)方法插入導(dǎo)頻法的實現(xiàn)方法 發(fā)送信號 其中導(dǎo)頻信號為 采用與信號載波

15、正交的導(dǎo)頻信號有利于信號解調(diào)過程的實現(xiàn)。第7章 傳輸信道 coscossinccgcs tx ttg tx ttat singcg tat n 插入導(dǎo)頻法(續(xù)) 采用插入導(dǎo)頻法時基帶調(diào)制信號的波形設(shè)計應(yīng)使得導(dǎo)頻位置調(diào)制信號的成份較少，使有利于導(dǎo)頻的提??； 直接導(dǎo)頻法沒有相位模糊問題； 因為鎖相環(huán)等效為一個比較理想的帶通濾波器，從接收信號中提取的導(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)的載波信號具有更高的質(zhì)量。第7章 傳輸信道9.4 9.4 符號同步符號同步n 直接提取法直接提取法 與載波同步的直接提取法類似，符號同步的直接提取法通常也是先對接收的符號序列先進行某種非線性變換非線性變換，

16、然后提取符號同步信息。 (1) (1) 線譜法線譜法 線譜法的實現(xiàn)方案如圖所示 其中的平方器完成非線性運算，由窄帶濾波器提取符號同步信息。窄帶濾波器可由鎖相環(huán)電路來實現(xiàn)窄帶濾波器可由鎖相環(huán)電路來實現(xiàn)。第7章 傳輸信道n 直接提取法(續(xù)) 接收信號可表示為 若其中攜帶信息的符號序列 是均值為零的獨立隨機序列 即 則平方運算電路的輸出為 顯然其均值 是周期函數(shù)周期函數(shù)。第7章 傳輸信道 nTns ta gtnT nna2,0, 0,annmnmE aE a anm 2 nTmTnmnmTTnmsta gtnTa gtmTa a gtmT gtnT 222aTnE stgtnT n 直接提取法(續(xù))

17、 對該周期函數(shù)，有 式中 如果要保證能夠直接獲得與符號同步的基波信號直接獲得與符號同步的基波信號，則應(yīng)有 此時從統(tǒng)計意義上說，信號中一定包含基波信號，通過窄帶濾波器即可從變換后的信號中獲得該信號。第7章 傳輸信道 2222jmtTaTmnnE stgtnTc e 2222220021 mmTTjtjtaTTmaTTnSacgtnT edtgt edtTTmG f GfdfTT TG fgt 2110acG f GfdfTT23102( )cos()assv tctTT022()/2( )( )()sjm tTammsmsE s tc eTmcX f Xf dfT 02/sT002()224ss

18、stKTTtKTn 直接提取法(續(xù)) (2) (2) 早遲門法早遲門法 早遲門法的實現(xiàn)方案如下圖所示 其中的取絕對值運算是一種非線性非線性運算。 主要到圖中的“早門”與“遲門”的積分時間長短一樣，但時間段不同，分別為 與 。第7章 傳輸信道0,Td,d Tn 直接提取法(續(xù)) 如上述的波形圖所示 (a)若本地時鐘的頻率與相位與發(fā)送信號的位時鐘信號鎖定 則有 此時不會對本地壓控振蕩器做調(diào)整； (b)若本地時鐘超前(本地時鐘滯后的情形可做類似的分析) 則有 此信號會調(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 dTd

19、yA dtAdtTdAyAdtTd A 122eyyA n 直接提取法(續(xù)) 要保證早遲門符號時鐘同步系統(tǒng)的正常工作，輸入信號中不能出現(xiàn)長串“0(低電平)”和長串“1(高電平)”的情況。 當(dāng)出現(xiàn)串“0(低電平)”和長串“1(高電平)”時，兩個積分器的兩個積分器的輸出相同，其絕對值的差值為零輸出相同，其絕對值的差值為零。壓控振蕩器會因長時間得不到調(diào)整和導(dǎo)致失步。第7章 傳輸信道n 插入導(dǎo)頻的符號同步法插入導(dǎo)頻的符號同步法 與載波同步的導(dǎo)頻插入法類似，在基帶信號中，也可用插入同步信號的方法來傳遞同步信息。 某些波形的基帶信號的中，本身就含有與符號周期同步的基波或諧波信號。 包含基波同步信息信號的頻

20、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，經(jīng)整形和移相的信號處理后獲得同步信號。 第7章 傳輸信道n 符號同步信息的包絡(luò)攜帶法符號同步信息的包絡(luò)攜帶法 在恒定包絡(luò)的調(diào)制方式(如MPSK)中，可通過包絡(luò)來攜帶符號符號同步同步的信號。 一般的相位調(diào)制信號可以表示為 調(diào)幅的符號同步信號可采用(時域)升余弦的形式 其中 ， 是符號周期， 。 合成后的信號可表示為 其中第7章 傳輸信道 1c cosPSKstAtt 21cossynsstAt2sTT01 1c2c( ) cos1cos cos1cossynPSKsss tststAttAtAttt12AA A第7章 傳輸信道

21、n 符號同步信息的包絡(luò)攜帶法(續(xù)) 信號波形 同步信息提取與解調(diào)方法9.5 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：語音信號的每個樣值編碼后得到一個8比特的碼字； 若采用4PSK調(diào)制方式傳輸，一個碼字需要通過4個4PSK符號來傳輸。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： 異步異步的各個數(shù)據(jù)幀獨立傳輸方式，如以太網(wǎng)中的報文等； 同步同步的各個數(shù)據(jù)幀首尾相接的連續(xù)傳輸

22、方式，如電信網(wǎng)中的E1信號。第7章 傳輸信道n 幀同步標(biāo)識符的周期性插入法幀同步標(biāo)識符的周期性插入法 幀同步標(biāo)識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)識幀同步標(biāo)識：特點的比特組合圖樣。例如“0011011”。 幀同步標(biāo)識的設(shè)置 幀同步標(biāo)識符周期性插入法的特點：同步標(biāo)識符周期性出現(xiàn)同步標(biāo)識符周期性出現(xiàn)。 幀同步標(biāo)識符可以集中插入到數(shù)據(jù)流中； 幀同步標(biāo)識符也可以分散插入到數(shù)據(jù)流中。第7章 傳輸信道第7章 傳輸信道n 幀同步標(biāo)識符的周期性插入法(續(xù)) (1)(1) 幀同步標(biāo)識符的集中式插法幀同步標(biāo)識符的集中式插法 每個數(shù)字幀等長；在每幀的首部插入完整的標(biāo)識符。 幀同步標(biāo)識符的搜索

23、與幀同步的維護幀同步標(biāo)識符的搜索與幀同步的維護 具體過程包括下圖所示的三個階段 同步搜索同步搜索：獲取第一個 同步標(biāo)識符； 預(yù)同步預(yù)同步：消除虛假同步； 同步同步：消除干擾對同步 的影響。第7章 傳輸信道n 幀同步標(biāo)識符的周期性插入法(續(xù)) 示例：示例：幀同步標(biāo)識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)確認幀同步字重復(fù)出現(xiàn)實現(xiàn)。3JK第7章 傳輸信道n 幀同步標(biāo)識符的周期性插入法(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

24、輸模式異步轉(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。一個信元可看作一個數(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)識符，而是采用一種利用循環(huán)冗余校驗監(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)識符集中式插法幀同步標(biāo)識符集中式插法中搜索同步標(biāo)識符的方法基本一樣。 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)識符標(biāo)識符改為檢測是否監(jiān)督位監(jiān)督位。n 幀同步標(biāo)識周期性分散插入法幀同步標(biāo)識周期性分散插入法 在幀同步標(biāo)識周期性分散插入法中，由若干比特組成的標(biāo)識符

25、以比特為單位分別插入到每個幀(或每個偶數(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)識符的1個比特。 下圖為采用101010作為同步標(biāo)識符的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偶數(shù)幀的幀頭 圖中以“”標(biāo)識的是奇數(shù)幀其起始位置，放置其他信息。第7章 傳輸信道第7章 傳輸信道n 幀同步標(biāo)識符的相關(guān)搜索法幀同步標(biāo)識符的相關(guān)搜索法 在許多通信系統(tǒng)中，幀以突發(fā)方式傳輸，每個幀是一個獨立傳輸過程。 獨立的數(shù)據(jù)幀通常有如下的結(jié)構(gòu) 幀的前導(dǎo)序列幀的前導(dǎo)序列用于幀同步幀同步。前導(dǎo)序列通常由具有類似白噪聲特白噪聲特性性的偽隨機序列偽隨機序列構(gòu)成。第7章

26、 傳輸信道n 幀同步標(biāo)識符的相關(guān)搜索法(續(xù)) 前導(dǎo)序列及其自相關(guān)特性前導(dǎo)序列及其自相關(guān)特性 巴克序列巴克序列和威拉德序列威拉德序列具有類似白噪聲的特性，通常作為同步前導(dǎo)序列。 不同長度的巴克序列和威拉德序列示例長度長度巴克序列巴克序列威拉德序列威拉德序列1234571113+1+1+1 或 +1-1+1+1-1+1+1+1-1 或 +1+1-1+1+1+1+1-1+1+1+1+1-1-1+1-1+1+1+1-1-1-1+1-1-1+1-1+1+1+1+1+1-1-1+1+1-1+1-1+1+1+1-1+1+1-1+1+1-1-1+1+1-1+1-1+1+1+1-1+1-1-1+1+1+1-1+1+1-1+1-1-