第9章 同步原理及技術(shù)1

1、1數(shù)字通信原理(Principle of Digital Communications)華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院余翔宇信息工程2010級 3&42012.112第九章 同步原理與技術(shù)3 3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。4 49.1 9.1 引言引言 5 5n 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

2、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 傳輸信道課本P4256 69.2 9.2 鎖相環(huán)鎖相環(huán)7 7n 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

3、道8 8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)。 0Bmffn課本P425-4269 9n 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

4、 2sin 2VCOBstAftAf tt 000cos 2sin 211 sinsin 422PDPDBBBPDBPDBButKf ttf ttKttKf ttt課本P4261010n 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 0sinsinddBdutKttKt2222 0,cos 222120,ddkkduKkkd 00dVCOdVCOuftuft課本P42611 11n 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(fù)反饋： 在 工作區(qū)域 形成正反饋： 圖中

5、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 0ddutd , 22212dVCOufkk 0 課本P4261212n 鎖相環(huán)的基本性能分析鎖相環(huán)的基本性能分析 鎖相環(huán)在趨于相位鎖定時， 一般較小，經(jīng)環(huán)路濾波后有 如果鑒相器不是乘法器，而是一個理想的鑒相器理想的鑒相器，則直接有 工程上對反饋控制系統(tǒng)，采用拉普拉斯變換，很容易分析其穩(wěn)態(tài)時的情形，對上兩式取拉氏變換，均可得第7章 傳輸信道 t 11sin22PDPDPDPDutKtKtKt 0PDPDPDButKtKtt 0PDPDBUSKSS課本P42

6、71313第7章 傳輸信道n 鎖相環(huán)的基本性能分析(續(xù)) 環(huán)路濾波器的結(jié)構(gòu)和特性環(huán)路濾波器的結(jié)構(gòu)和特性 無源的環(huán)路濾波器 有源的環(huán)路濾波器 記： 。無源環(huán)路濾波器的傳遞函數(shù) 有源環(huán)路濾波器的傳遞函數(shù) 2221212121111dPDUSSSF SUSSS 1222111111dPDUSA SSF SUSSA SS 11RC22R C課本P4271414第7章 傳輸信道n 鎖相環(huán)的基本性能分析(續(xù)) 壓控振蕩器控制電壓壓控振蕩器控制電壓 頻率變化頻率變化 特性特性 相位變化特性 相位變化特性的拉氏變換 02dfK ut dutf 002ttdtfdtK ut dt 00dK USSS課本P427

7、1515第7章 傳輸信道n 鎖相環(huán)的基本性能分析(續(xù)) 鎖相環(huán)的相位變化跟蹤性能鎖相環(huán)的相位變化跟蹤性能 記 輸入相位函數(shù) ；輸出相位函數(shù) 定義環(huán)路傳遞函數(shù)環(huán)路傳遞函數(shù) 整理可得 定義相位誤差相位誤差 可導(dǎo)出相位誤差傳遞函數(shù)相位誤差傳遞函數(shù) BS 0S 0BSH SS 00PDPDKK F SKF SH SSKK F SSKF S 0BSSS 01BBBSSSHSH SSS 課本P4281616第7章 傳輸信道n 鎖相環(huán)的基本性能分析(續(xù)) 相位誤差(拉氏變換)可表示為 由拉氏變換終值定理，可得穩(wěn)態(tài)的相差 由此可確定當(dāng)輸入信號的相位發(fā)生變化時壓控振蕩器輸出相位的變化情況。 1BBBSSHSSH

8、 SSSSKF S 200limlimlimBtSSStSSSSKF S課本P4281717第7章 傳輸信道n 鎖相環(huán)的基本性能分析(續(xù)) 示例：示例：鎖相環(huán)的相位跟蹤特性 設(shè)輸入基準(zhǔn)信號相位相位有一確定幅度 的階躍變化 壓控振蕩器穩(wěn)態(tài)的輸出相位為 即 穩(wěn)態(tài)時的相差為零，頻率鎖定自然不言而喻。 注注：對于非理想的鑒相器(如有乘法器構(gòu)建的鑒相器)，穩(wěn)態(tài)的輸出可能有一固定的相位差。 BBtu tSS 200limlimlim0tSSStSSSKF SS 00 BVCOBtttff課本P4281818第7章 傳輸信道n 鎖相環(huán)的基本性能分析(續(xù)) 鎖相環(huán)的頻率同步范圍鎖相環(huán)的頻率同步范圍 同步范圍同

9、步范圍(同步帶寬)：鎖相環(huán)可跟蹤輸入基準(zhǔn)信號頻率變化的最大范圍。在此范圍內(nèi)，有 。 假定輸入基準(zhǔn)信號的頻率頻率發(fā)生幅度為 的階躍變化 相應(yīng)地有 穩(wěn)態(tài)后的相位差 可見有一固定的相差，其大小與鎖相環(huán)的參數(shù)有關(guān)。 相位差是一個固定值意味著可實現(xiàn)頻率的同步，即BVCOffBf 222 BBBBftf tSS 222BBBffSSSSSKF SSKF SSS SKF S 0022limlimlim0BBtSSfftSSSKF SKFBVCOff課本P4281919第7章 傳輸信道n 鎖相環(huán)的基本性能分析(續(xù)) 采用非理想鑒相器鎖相環(huán)的同步范圍采用非理想鑒相器鎖相環(huán)的同步范圍 基于乘法器實現(xiàn)的鑒相器，鑒相

10、輸出具有正弦變化特性 因此 可得 增大環(huán)路的直流增益有利于擴(kuò)大鎖相環(huán)的同步范圍。 sinPDPDutKt sin1 PDPDtutK 022maxsinmaxsin1max0024BBBKFfffKFKF 04BKFf課本P4292020第7章 傳輸信道n 鎖相環(huán)的基本性能分析(續(xù)) 捕捉時間捕捉時間 鎖相環(huán)從壓控振蕩器自由振蕩到同步到基準(zhǔn)頻率所需的時間。 捕捉時間可由下式?jīng)Q定 式中 稱為環(huán)路的自然頻率環(huán)路的自然頻率； 稱為環(huán)路的阻尼系數(shù)環(huán)路的阻尼系數(shù)。232Pnt121nKK212nK課本P4292121第7章 傳輸信道n 鎖相環(huán)的基本性能分析(續(xù)) 同步保持時間同步保持時間 原來已經(jīng)鎖定工

11、作的鎖相環(huán)，從失去同步基準(zhǔn)信號到能夠維持壓控振蕩器輸出相位變化 小于某一預(yù)定值 的時間。 假定失去基準(zhǔn)信號后，鑒相器輸出電壓指數(shù)衰減 由 可得同步保持時間00 tddutE e 00000000 cccct ttcddt tt tt tttdddtttttK ut dtK ut dtK EK ut dtK E edtee001lndcdK EtK E課本P4292222第7章 傳輸信道n 鎖相環(huán)的基本性能分析(續(xù)) 具有較長的保持時間，是間歇同步系統(tǒng)需要具備的基本要求。 廣播電視信號中，模擬的彩色全電視信號需要色副載波色副載波作為色度信號的基準(zhǔn)信號。 電視信號中的色副載波信號間歇地對電視接收機(jī)

12、的色副載波信號進(jìn)行同步調(diào)整。 在 的行信號周期內(nèi)，有 處于同步時段，其余時段依賴同步保持性能足夠好來保證色副載波信號的穩(wěn)定性。64Hts2.25 s課本P4292323n 鎖相環(huán)的基本性能分析(續(xù)) 輸入噪聲信號對鎖相環(huán)性能的影響輸入噪聲信號對鎖相環(huán)性能的影響 含有噪聲的基準(zhǔn)信號可以表示為 不妨假定 ，則有 其中 設(shè)環(huán)路濾波器為 定義環(huán)路噪聲帶寬為 第7章 傳輸信道 ( )cos 2( )cos2( )sin2BBBBCBSBstAf ttntf tn tf t 0Bt ( )cos 2BBnstR tf tt arctanSnBCnttAnt H S 220022LSjfBH SdfHjfd

13、fLB課本P429-4302424n 鎖相環(huán)的基本性能分析(續(xù)) 對于無源環(huán)路濾波器，可得 對于有源環(huán)路濾波器，可得 小的環(huán)路濾波器有利于抑制噪聲對鎖相環(huán)的影響； 小的環(huán)路濾波器不利于對快速變化的基準(zhǔn)信號進(jìn)行跟蹤； (環(huán)路濾波器參數(shù))的取值要根據(jù)鎖相環(huán)的具體應(yīng)用合理選擇。第7章 傳輸信道2218nnLBK124nLBLBLBLB課本P43025259.3 9.3 載波同步載波同步2626n 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

14、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2727n 直接提取法(續(xù)) 1 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(

15、)coscnTscns tx tta gtnTt,naa a ( )Tg t課本P4302828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 實際信號中含有造成成份，通常不能直接用以恢復(fù)載波。 本地的壓控振蕩器輸出壓控振蕩器輸出為 2222222()cos()cos111 ()1 cos2cos2222nTscnTscnnTsccnsta gtnTta gtnTta gtnTtaat2c 221cos22ccstat sin 22VCOcutAtt 課本P4312929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

16、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 cosLLcutAt課本P4313030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(jī)的

17、二進(jìn)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(jìn)行差分編碼行差分編碼，然后在進(jìn)行2PSK調(diào)制)； 發(fā)送訓(xùn)練序列來進(jìn)行相位的判定。 cosLLcutAt0,23131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課本P431-4323232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

18、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 22cccutx ttttx tttt 51cos2utx tt 61sin2utx tt課本P4323333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 2272211cossin2211sin2si

19、n288xtautx ttx ttxttat 課本P4323434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。 cM課本P4323535n 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

20、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 2cosBMcMcMcstKMtmMKMtmMKMtM課本P4333636n 直接提取法(續(xù)) 壓控振蕩器輸出 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 sinddutKMt課本P4333737n 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

21、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 cosLLcutAt課本P4333838n 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 cosLLcutAt課本P4333939n 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

22、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課本P433-4344040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 45o課本P4344141n 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

23、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 傳輸信道課本P4344242n 直接提取法(續(xù)) MQAM信號的載波恢復(fù)信號的載波恢復(fù) MQAM信號的特點：載波的幅度和相位具有受到調(diào)制。 對MQAM信號無法采用M次方環(huán)發(fā)消除信息對載波提取的影響。 MQAM信號的載波恢復(fù)方法 (1) 矢量點扣除法矢量點扣除法 MQAM信號中滿足 的星座點，對應(yīng)4個均勻分布的相位。 矢量點扣除法的基本思想基本思想： 設(shè)法扣除接收符號中 的符號，由此將接收信號改造為類似4PSK(Q

24、PSK)的信號； 對改造后的信號采用MPSK信號的載波提取方法恢復(fù)載波。第7章 傳輸信道kkIQkkIQ課本P4344343n 直接提取法(續(xù)) 示例示例：采用矢量點扣除法的16QAM信號的載波恢復(fù)電路及解調(diào)電路。第7章 傳輸信道課本P4344444第7章 傳輸信道n 直接提取法(續(xù)) MQAM信號的載波恢復(fù) (2) 通用載波恢復(fù)環(huán)法通用載波恢復(fù)環(huán)法 通用載波恢復(fù)環(huán)法的基本思想基本思想： 若MQAM信號中M種不同的發(fā)送符號先驗等概，則MQAM信號從統(tǒng)計上來說信號相位的統(tǒng)計平均值指向4個均勻分布的相位； 可設(shè)法提取信號相位的4個統(tǒng)計平均值，使MQAM信號的相位變化從統(tǒng)計上來成為某種4PSK信號，

25、在此基礎(chǔ)上恢復(fù)出MQAM信號的載波。課本P4354545n 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 課本P4354646n 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)等效與一個比較理想的帶通

26、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 傳輸信道課本P4354747n 載波相位的似然估計法載波相位的似然估計法 載波相位的最大似然估計載波相位的最大似然估計 數(shù)字載波調(diào)制信號一般可表示為 其中 接收信號可表示為 其中 表示同步誤差、噪聲影響導(dǎo)致的綜合相位差。 假定信號空間的標(biāo)準(zhǔn)基函數(shù)為 則有第7章 傳輸信道 Recjts tx t e IQx txtjxt Re,ccjtjtcr tx t een ts ttn t ct Nktk,.,2 , 1, 1010, , ,TNckkkkkTNckckkckckr ts ttn t

27、rtrt r t dts ttstst s tt dt課本P4364848第7章 傳輸信道n 載波相位的似然估計法(續(xù)) 給定 ， 由矢量 決定 其中 由 因此得到 后， 的似然函數(shù)似然函數(shù) 如果發(fā)送端發(fā)送的是發(fā)收雙方已知的測試信號測試信號，則 中只有相位 是未知的，因而有12, ,.,Nrr rr Nktk,.,2 , 1, r t 000, , 1,2,.,TTTkkkckkckrt r t dtt s tt dtt n t dtsnkN , 1,2,., 1,2,., kkn tnkNrkN 高斯白噪聲獨立高斯隨機(jī)變量kcs12, ,.,Nrr rr22111|exp22NNkckkck

28、nnp r srskcscckcs課本P4364949第7章 傳輸信道n 載波相位的似然估計法(續(xù)) 因此關(guān)于關(guān)于 的最大似然估計的最大似然估計為 展開上式右式后可歸結(jié)為 200max|max|1 maxexp,ccTcp rp r sr ts ttdtN 0max| max,Tccp rr t s ttdtc課本P4365050第7章 傳輸信道n 載波相位的似然估計法(續(xù)) 示例示例：設(shè)發(fā)送載波的訓(xùn)練信號為 接收信號為 求關(guān)于 的最大似然估計 。 已知 的似然函數(shù)為 令 得 的最大似然估計值為 cosTccstAt cosccr tAtn tcMLc 00,cosTTccccr t s td

29、tr t Atdt 00cossin0TTcccccccr t Atdtr t Atdt 00sinsincoscosTccTccr ttdtr ttdt c 1100sinsintantancoscosTccMLcTccr ttdtr ttdt 課本P4375151第7章 傳輸信道n 載波相位的似然估計法(續(xù)) 尋找滿足條件 的 的最大似然估計值 。在無法求解析解的情況下，也可以通過數(shù)值計算的方法來獲取。 0max,Tccr t s tdtMLc課本P4375252第7章 傳輸信道n 載波相位的似然估計法(續(xù)) 面向判決環(huán)的最大似然估計面向判決環(huán)的最大似然估計 所謂面向判決環(huán)的最大似然估計，

30、是指似然估計是通過發(fā)送專門的訓(xùn)練序列訓(xùn)練序列來實現(xiàn)的。 設(shè)發(fā)收雙方的約定的用于載波同步的訓(xùn)練序列為 相應(yīng)的接收到的信號 相應(yīng)的 的最大似然估計等效于尋找使得 達(dá)到最大值的 。 1Mkka 1,cosMckTcckr ts tn ta gtkTtn t 010, cosTccTMkTcckr t s ttdtr ta gtkTtdtcc課本P4375353第7章 傳輸信道n 載波相位的似然估計法(續(xù)) 令 可導(dǎo)出 的最大似然估計值為 0cc 11010sintancosTMkTckMLTMkTckr ta gtkTtdtr ta gtkTtdt c課本P4375454第7章 傳輸信道n 載波相位

31、的似然估計法(續(xù)) 最大似然估計亦可在等效的基帶信號等效的基帶信號中進(jìn)行，等效基帶信號 相應(yīng)的似然函數(shù)為 其中 令 可得 1ccMjjLkTLLLkrta gtkT entst ent *00*11ReRe cosResinImccTTjjLcLLLLMMckkckkkkrtst edtrt st edta ya y *0TkLTyrt gtkT dt*11sinRecosIm0MMLcckkckkkkca ya y *111*1ImsintantancosReMkkkcMLMckkka ya y課本P437-4385555第7章 傳輸信道n 載波相位的似然估計法(續(xù)) 非面向判決環(huán)的最大似然

32、估計非面向判決環(huán)的最大似然估計 非面向判決環(huán)的最大似然估計不依賴訓(xùn)練序列，可連續(xù)進(jìn)行載波相位的估計。 假定信號為先驗等概先驗等概的2PSK信號，則 在每個符號周期內(nèi)，似然函數(shù)相應(yīng)地為 ,cosckTcckr ts tn ta gtkTtn t,kaaa12kkP aaP aa 00001exp,1 expcosTccTkTccr t s ttdtNr ta gttdtN課本P4385656n 載波相位的似然估計法(續(xù)) 統(tǒng)計平均值 由此可通過 或數(shù)值計算數(shù)值計算的方法求 。 00000001expcos1 expcos11 expcos211 expcos2TckTccTkTccTTccTcE

33、P aar tagttdtNP aar tagttdtNr tagttdtNr tagttN 0001 coshcosTcTTccdtr tagttdtNML0cMLcE課本P43857579.4 9.4 符號同步符號同步5858n 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(jìn)行某種非線性變換非線性變換，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)。課本P4395959n 直接提取法(續(xù)

34、) 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(jī)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)。 nTns ta gtnT nna2,0, 0,annmnmE aE a anm 2 nTmTnmnmTTnmsta gtnTa gtmTa a gtmT gtnT 222aTnE stgtnT 課本P4396060n 直接提取法(續(xù)) 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 2222jmtT

35、aTmnnE stgtnTc e 2222220021 mmTTjtjtaTTmaTTnSacgtnT edtgt edtTTmG f GfdfTT TG fgt 2110acG f GfdfTT課本P439-4406161n 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 T課本P4406262n 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

36、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 dTdyA dtAdtTdAyAdtTd A 122eyyA 課本P4406363n 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，兩個積分兩個積分器的輸出相同，其絕對值的差值為零器的輸出相同，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

37、導(dǎo)致失步。第7章 傳輸信道6464n 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 傳輸信道課本P4416565n 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

38、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課本P4416666第7章 傳輸信道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)方法課本P4416767n 符號同步的似然估計法符號同步的似然估計法 接收的符號序列信號可用表示為 式中的 是待確定的符號位置參數(shù)符號位置參數(shù)。 假定 是高斯白噪聲，關(guān)于參數(shù) 的最大似然估計可表示為 即當(dāng) 中的參數(shù) 相同時似然值達(dá)到最大。

39、(1)(1) 面向判決的最大似然估計面向判決的最大似然估計 所謂面向判決的最大似然估計是一種通過訓(xùn)練序列來獲得符號同步信息的方法。 記用于同步的訓(xùn)練序列訓(xùn)練序列為 。訓(xùn)練序列是發(fā)送和接收雙方均確知的序列。第7章 傳輸信道 ,nTnr ts tn ta gtnTn t 0max|max,Tp rr t s tdt n t , s tr t 1Mnna課本P441-4426868n 符號同步的似然估計法(續(xù)) 對于訓(xùn)練序列的似然估計值為 將相應(yīng)的符號序列信號代入得 其中 在上式具有解析表達(dá)式條件下，可通過下式求解 的最大似然估計值，令 第7章 傳輸信道 0, MTMMr t s tdtTM T 1

40、00110, MMMTTMMnTnTMMnTnnnnr t s tdtr ta gtnTdtar t gtnTdta y 0MTnTyr t gtnTdt 10 MMnnMLnddyadd課本P4426969第7章 傳輸信道n 符號同步的似然估計法(續(xù)) 在無法獲得解析解的情況下可通過數(shù)值搜索計算的方法求解 (2) (2) 非面向判決的最大似然估計非面向判決的最大似然估計 非面向判決的最大似然估計直接利于信息符號序列 對 進(jìn)行估計。 是接收端未知的序列。假定符號序列的先驗概率已知，因此可求似然函數(shù)的統(tǒng)計平均值統(tǒng)計平均值 argmaxMLMML 1Mnna 1Mnna 1 21210.MMTMM

41、MnTna aaEP a aar ta gtnTdt課本P4427070第7章 傳輸信道n 符號同步的似然估計法(續(xù)) (2) 非面向判決的最大似然估計 若可獲得上式的解析解，則可通過下式求解 的最大似然值 若無法得到解析解，可通過數(shù)值計算的方法求相應(yīng)的數(shù)值解 0 MMLdEd argmaxMLME課本P4427171n 載波相位和符號同步的聯(lián)合估計載波相位和符號同步的聯(lián)合估計 對于數(shù)字載波調(diào)制信號的正確解調(diào)，需要實現(xiàn)載波同步載波同步與符符號同步號同步。即正確估計載波相位載波相位 和定時偏差定時偏差 。 上述兩個參數(shù)的聯(lián)合估計，有利于避免其中一個參數(shù)的估計誤差對另外一個參數(shù)的影響。 一般的數(shù)字

42、載波調(diào)制信號可以表示為 相應(yīng)的接收信號為第7章 傳輸信道c cossin RecnTcnTcnnjtnTnTns ta gtnTtb gtnTta gtnTjb gtnT e Re;,RecossincccrjjtnTrnTrnnTrccnTrccnnr ts tn ta gtnTjb gtnTeen ta gtnTtb gtnTtn t 課本P442-4437272第7章 傳輸信道n 載波相位和符號同步的聯(lián)合估計(續(xù)) 其中 是待估計的參數(shù)。 接收信號中有用信號的等效低通信號有用信號的等效低通信號為 接收信號的等效低通信號接收信號的等效低通信號為 若 是高斯噪聲，可導(dǎo)出有關(guān)參數(shù) 的等效似然函

43、數(shù)為 其中 記, cr;,cjLcrnTrnTrnstea gtnTjb gtnT ;,LLcrLrtstnt Lnt, cr *1,Re; ,RecMjLLLnnnnTrt stdteajb y *nLTTyrt gtnTdt 111MMMnnnnnnnnnnajb ya yjb yAjB7373第7章 傳輸信道n 載波相位和符號同步的聯(lián)合估計(續(xù)) 可得 令 整理可得 由此得到 的最大似然值最大似然值 。 ,RecossinjLeAjBAB ,sincos0LAB ,cossin0LAB arctanMLMLBA 0 MLABAB, cr, MLML課本P44374749.5 9.5 幀同

44、步幀同步7575n 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)傳輸方式，如電信網(wǎng)中的E1信號。第7章 傳輸信道課本P4447676n 幀同步標(biāo)識符

45、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 傳輸信道課本P4447777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)識符的搜索與幀同步的維護(hù)幀同步標(biāo)識符的搜索與幀同步

46、的維護(hù) 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。課本P4447878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(rèn)幀同步字重復(fù)出現(xiàn)實現(xiàn)。3JK課本P4457979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

47、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。課本P4458080n 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

48、若干比特組成的標(biāo)識符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 傳輸信道課本P4468181n 同步標(biāo)識符的周期性插入法性能分析同步標(biāo)識符的周期性插入法性能分析 幀同步算法主要性能由從開始搜索到同步所需要的時間來衡量。 M調(diào)制編碼系統(tǒng)幀同步算法性能分析調(diào)制編碼系統(tǒng)幀同步算法性能分析 記：碼元周期為 ；幀同步標(biāo)識的間隔為 ； 同步標(biāo)識的圖樣為“0000” 假定從任意的第 i 位開始搜索 當(dāng)前位不為同步圖樣“0”定義為事件X，概率為 此后搜索過程移動到下一位，在幀中相對移動一位時間為 當(dāng)前位為同步圖樣“0”定義為事件Y，概率為 此后搜索過程移動到下一幀的當(dāng)前位，在幀中是否相對移動取決于當(dāng)前位是否為同步圖樣。第7章 傳輸信道T2 3264synN1PP