第13同步原理

1、1通信原理第第13 同步原理同步原理2第第13章章 同步原理同步原理l13.1 概述概述 數(shù)字通信系統(tǒng)中的同步種類：載波同步、碼元同步、群同步和網(wǎng)同步。 載波同步：又稱載波恢復(fù)。u目的：在接收設(shè)備中產(chǎn)生一個(gè)和接收信號(hào)的載波同頻、同相的本地振蕩，用于相干解調(diào)。u方法：接收信號(hào)中有載頻分量時(shí)：需要調(diào)整其相位。接收信號(hào)中無載頻分量時(shí)：需從信號(hào)中提取載波，或插入輔助同步信息。3第第13章章 同步原理同步原理碼元同步：又稱時(shí)鐘同步或時(shí)鐘恢復(fù)。 對(duì)于二進(jìn)制信號(hào)，又稱位同步。u目的：得知每個(gè)接收碼元準(zhǔn)確的起止時(shí)刻，以便決定積分和判決時(shí)刻。u方法：從接收信號(hào)中獲取同步信息，由其產(chǎn)生一時(shí)鐘脈沖序列，使后者和接收

2、碼元起止時(shí)刻保持正確關(guān)系。或插入輔助同步信息。群同步：又稱幀同步。u目的：將接收碼元正確分組。u方法：通常需要在發(fā)送信號(hào)中周期性地插入一個(gè)同 步碼元，標(biāo)示出分組位置。網(wǎng)同步：使通信網(wǎng)中各站點(diǎn)時(shí)鐘之間保持同步。 4第第13章章 同步原理同步原理n13.2 載波同步u 13.2.1 有輔助導(dǎo)頻時(shí)的載頻提取p用于不包含載頻分量的信號(hào)。p在發(fā)送信號(hào)中另外加入一個(gè)或幾個(gè)導(dǎo)頻信號(hào)。 p多采用鎖相環(huán)（PLL）提取載波。p鎖相環(huán)原理方框圖：環(huán)路濾波器壓控振蕩器輸出導(dǎo)頻輸入信號(hào)圖13-1 鎖相環(huán)原理方框圖鑒相器5第第13章章 同步原理同步原理p對(duì)環(huán)路濾波器的要求：通帶越窄，能夠通過的噪聲越少，但是對(duì)導(dǎo)頻相位漂移

3、的限制越大。 p數(shù)字化接收機(jī)中鎖相環(huán)的實(shí)現(xiàn)方法：窄帶濾波器：改用數(shù)字濾波器壓控振蕩器：用只讀存儲(chǔ)器代替 鑒相器：可以是一組匹配濾波器 6第第13章章 同步原理同步原理u13.2.2 無輔助導(dǎo)頻時(shí)的載波提取p平方環(huán)：以2PSK信號(hào)為例進(jìn)行討論。設(shè)信號(hào) 式中，m(t) = 1 當(dāng)m(t)取+1和-1的概率相等時(shí)，此信號(hào)的頻譜中無角頻率c的離散分量。將上式平方，得到由上式可見，其中包含2倍載頻的頻率分量。將此2倍頻分量用窄帶濾波器濾出后再作2分頻，即可得出所需載頻。方框圖如下： )cos()()(ttmtsc)(2cos1 21)(cos)()(222tttmtscc圖13-2 平方環(huán)原理方框圖載頻

4、輸出帶通濾波平 方壓控振蕩環(huán)路濾波鎖相環(huán)s(t)2分頻窄帶濾波7第第13章章 同步原理同步原理此方案的缺點(diǎn)：1、相位含糊性：2分頻器的輸出電壓有相差180的兩種可能相位，即其輸出電壓的相位決定于分頻器的隨機(jī)初始狀態(tài)。采用2DPSK體制可以避免此缺點(diǎn)的影響。2、錯(cuò)誤鎖定：平方后的接收電壓中有可能存在其他的離散頻率分量，使鎖相環(huán)鎖定在錯(cuò)誤的頻率上。解決這個(gè)問題的辦法是降低環(huán)路濾波器的帶寬。8第第13章章 同步原理同步原理p科斯塔斯環(huán)法：又稱同相正交環(huán)法或邊環(huán)法。原理方框圖： 圖13-3 科斯塔斯環(huán)法原理方框圖90相移環(huán)路濾波壓控振蕩s(t)載頻輸出低 通低 通解調(diào)輸出abcdefg9第第13章章

5、同步原理同步原理工作原理a點(diǎn)的壓控振蕩電壓為：b點(diǎn)的壓控振蕩電壓為：c點(diǎn)的電壓：d點(diǎn)的電壓：e點(diǎn)的電壓：f點(diǎn)的電壓：g點(diǎn)的電壓：上式中的( - )是壓控振蕩電壓和接收載波相位之差。 )cos(tvca)sin(tvcb)2cos()cos()(21)cos()cos()(ttmtttmvcccc)2sin()sin()(21)sin()cos()(ttmtttmvcccd)cos()(21tmve)sin()(21tmvf)(2sin)(812tmvvvfeg10第第13章章 同步原理同步原理將m(t) = 1代入上式，并考慮到當(dāng)( - )很小時(shí)，sin( - ) ( - )，則上式變?yōu)殡妷簐

6、g 通過環(huán)路濾波器，控制壓控振蕩器的振蕩頻率。這個(gè)電壓控制壓控振蕩器的輸出電壓相位，使( - )盡可能地小。當(dāng) 時(shí)，vg = 0 。 壓控振蕩器的輸出電壓va 就是科斯塔斯環(huán)提取出的載波。 )(2sin)(812tmvvvfeg)(41gv11第第13章章 同步原理同步原理由上式可見，當(dāng)( - )很小時(shí)，除了差一個(gè)常數(shù)因子外，電壓ve 就近似等于解調(diào)輸出電壓m(t)。所以科斯塔斯環(huán)本身就同時(shí)兼有提取相干載波和相干解調(diào)的功能。優(yōu)缺點(diǎn)：1、不需要對(duì)接收信號(hào)作平方運(yùn)算，工作頻率較低。2、為了得到科斯塔斯環(huán)法在理論上給出的性能，要求兩路低通濾波器的性能完全相同。3、由鎖相環(huán)原理可知，鎖相環(huán)在( - )

7、值接近0的穩(wěn)定點(diǎn)有兩個(gè)，在( - )等于0和 處。所以，科斯塔斯環(huán)法提取出的載頻也存在相位含糊性。)cos()(21tmve12第第13章章 同步原理同步原理p再調(diào)制器 第3種提取相干載波的方法 原理方框圖載頻輸出90相移環(huán)路濾波壓控振蕩低 通s(t)abcdefg13第第13章章 同步原理同步原理工作原理接收信號(hào)和a點(diǎn)振蕩電壓相乘后得到的c點(diǎn)電壓它經(jīng)過低通濾波后，在d 點(diǎn)的電壓為 vd 實(shí)際上就是解調(diào)電壓，它受b點(diǎn)的振蕩電壓在相乘器中再調(diào)制后，得出的e 點(diǎn)電壓等于上式的ve 和信號(hào)s(t)再次相乘，得到在f點(diǎn)的電壓 )2cos()cos()(21)cos()cos()(ttmtttmvccc

8、c)cos()(21tmvd)2sin()sin()(41)sin()cos()(21tttmttmvccce14第第13章章 同步原理同步原理vf 經(jīng)過窄帶低通濾波后，得到壓控振蕩器的控制電壓將上式的控制電壓和科斯塔斯環(huán)的控制電壓式比較可見，這兩個(gè)方案中的壓控振蕩器的控制電壓相同。)(2sin)(2sin)(2sin)(81)2sin()cos()sin()cos()(41)2sin()sin()cos()(41222tttmtttttmttttmvcccccccccf)(2sin)(812tmvg15第第13章章 同步原理同步原理p多進(jìn)制信號(hào)的載頻恢復(fù) 例：QPSK信號(hào)提取載頻的科斯塔斯環(huán)

9、法原理方框圖 s(t)45移相低通壓控振蕩環(huán)路濾波低通解調(diào)輸出90移相135移相低通低通16第第13章章 同步原理同步原理n13.2.3* 載波同步的性能載波同步的性能u相位誤差p相位誤差的種類恒定誤差：由電路參量引起的隨機(jī)誤差：由噪聲引起的p恒定誤差分析：當(dāng)提取載波電路中存在窄帶濾波器時(shí)，若其中心頻率fq和載波頻率f0不相等，存在頻率偏差f，則載波通過它時(shí)會(huì)有附加相移。設(shè)此窄帶濾波器由一個(gè)單諧振電路組成，則由其引起的附加相移等于由上式可見，電路的Q值越大，附加相移也成比例地增大。 qffQ217第第13章章 同步原理同步原理當(dāng)提取載頻的電路中采用鎖相環(huán)時(shí)，若鎖相環(huán)工作在穩(wěn)態(tài)，壓控振蕩電壓的頻

10、率f0應(yīng)當(dāng)和信號(hào)載頻fc相同，并且其相位誤差應(yīng)當(dāng)很小。設(shè)鎖相環(huán)壓控振蕩電壓的穩(wěn)態(tài)相位誤差為，則有式中，f 是fc和 f0之差，而Kd為鎖相環(huán)路直流增益。為了減小誤差，由上式可見，應(yīng)當(dāng)盡量增大環(huán)路的增益Kd。dKf18第第13章章 同步原理同步原理p隨機(jī)誤差分析設(shè)這種相位誤差為n，它是由窄帶高斯噪聲引起的，所以是一個(gè)隨機(jī)量。當(dāng)大信噪比時(shí)，此隨機(jī)相位誤差n的概率密度函數(shù)近似為所以，在n = 0附近，對(duì)于大的r，f (n)可以寫為我們知道，均值為0的正態(tài)分布的概率密度函數(shù)表示式為rerfnrnnn5 . 2cos1,cos)(2sin1cos5 . 2, 0)(nnrf2)(nrnerf19第第13

11、章章 同步原理同步原理參照上式正態(tài)分布概率密度的形式， f (n)的公式可以改寫為故此隨機(jī)相位誤差n的方差與信號(hào)噪聲功率比r的關(guān)系為所以，當(dāng)大信噪比時(shí)，由窄帶高斯噪聲引起的隨機(jī)相位誤差的方差大小直接和信噪比成反比。我們常將此隨機(jī)相位誤差n的標(biāo)準(zhǔn)偏差稱為相位抖動(dòng)，并記為。22221)(xexfrnnerf21222121)(rn21220第第13章章 同步原理同步原理p在提取載頻電路中的窄帶濾波器對(duì)于信噪比有直接的影響。對(duì)于給定的噪聲功率譜密度，窄帶濾波器的通頻帶越窄，使通過的噪聲功率越小，信噪比就越大，這樣隨機(jī)相位誤差越小。另一方面，通頻帶越窄，要求濾波器的Q值越大，則恒定相位誤差越大。所以，

12、恒定相位誤差和隨機(jī)相位誤差對(duì)于Q值的要求是矛盾的。21第第13章章 同步原理同步原理u同步建立時(shí)間和保持時(shí)間p同步建立時(shí)間：從開始接收到信號(hào)（或從系統(tǒng)失步狀態(tài)）到提取出穩(wěn)定的載頻所需要的時(shí)間。顯然我們要求此時(shí)間越短越好。在同步建立時(shí)間內(nèi)，由于相干載頻的相位還沒有調(diào)整穩(wěn)定，所以不能正確接收碼元。p同步保持時(shí)間：從開始失去信號(hào)到失去載頻同步的時(shí)間。顯然希望此時(shí)間越長越好。長的同步保持時(shí)間有可能使信號(hào)短暫丟失時(shí)，或接收斷續(xù)信號(hào)時(shí)，不需要重新建立同步，保持連續(xù)提供穩(wěn)定的本地載頻。22第第13章章 同步原理同步原理p同步建立時(shí)間和保持時(shí)間的關(guān)系在同步電路中的低通濾波器和環(huán)路濾波器都是通頻帶很窄的電路。一

13、個(gè)濾波器的通頻帶越窄，其惰性越大。當(dāng)在其輸入端加入一個(gè)正弦振蕩時(shí)，它輸出端振蕩的建立時(shí)間越長；當(dāng)輸入振蕩截止時(shí)，輸出端振蕩的保持時(shí)間也越長。顯然，這個(gè)特性和我們對(duì)于同步性能的要求是相左的，即建立時(shí)間短和保持時(shí)間長是互相矛盾的要求。在設(shè)計(jì)同步系統(tǒng)時(shí)只能折中處理。23第第13章章 同步原理同步原理u載波同步誤差對(duì)解調(diào)信號(hào)的影響p載波同步的相位誤差：包括兩部分恒定誤差和隨機(jī)誤差（相位抖動(dòng)） ，現(xiàn)在將其寫為： p相位誤差對(duì)于2PSK信號(hào)誤碼率的影響：由科斯塔斯環(huán)的輸出電壓可知，其中( - )為相位誤差，ve即解調(diào)輸出電壓，而cos( - )就是由于相位誤差引起的解調(diào)信號(hào)電壓下降。因此信號(hào)噪聲功率比r下

14、降至cos2( - )倍。將它代入誤碼率公式，得到相位誤差為( - )時(shí)的誤碼率等于式中，r為信號(hào)噪聲功率比。)cos()(21tmve)cos(21rerfcPe24第第13章章 同步原理同步原理p相位誤差對(duì)于單邊帶信號(hào)的影響設(shè)有一單頻基帶信號(hào) 它對(duì)載波cosct進(jìn)行單邊帶調(diào)制后，取出上邊帶信號(hào)傳輸?shù)浇邮斩恕Ｈ艚邮斩说谋镜叵喔奢d波有相位誤差，則兩者相乘后得到經(jīng)過低通濾波器濾出的低頻分量為其中第1項(xiàng)是原調(diào)制基帶信號(hào)，但是受到因子cos的衰減；第2項(xiàng)是和第1項(xiàng)正交的項(xiàng)，它使接收信號(hào)產(chǎn)生失真。 ttm cos)(ttsc)cos(21)()cos()2cos(41)cos()cos(21ttttt

15、cccsinsin41coscos41)cos(41ttt25第第13章章 同步原理同步原理l13.3 碼元同步碼元同步u碼元同步目的：準(zhǔn)確的時(shí)刻對(duì)接收碼元進(jìn)行判決，以及對(duì)接收碼元能量正確積分。u碼元同步方法：從接收碼元的起止時(shí)刻產(chǎn)生一個(gè)碼元同步脈沖序列，或稱定時(shí)脈沖序列。u碼元同步方法分類：p外同步法：它是一種利用輔助信息同步的方法，需要在信號(hào)中另外加入包含碼元定時(shí)信息的導(dǎo)頻或數(shù)據(jù)序列。p自同步法，它不需要輔助同步信息，直接從信息碼元中提取出碼元定時(shí)信息。顯然，這種方法要求在信息碼元序列中含有碼元定時(shí)信息。 26第第13章章 同步原理同步原理n 13.3.1 外同步法u常用的外同步法：于發(fā)送

16、信號(hào)中插入頻率為碼元速率（1/T）或碼元速率的倍數(shù)的同步信號(hào)。在接收端利用一個(gè)窄帶濾波器，將其分離出來，并形成碼元定時(shí)脈沖。 u優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備較簡單；缺點(diǎn)是需要占用一定的頻帶寬帶和發(fā)送功率。 u插入碼元同步信號(hào)的方法p時(shí)域：連續(xù)插入增加“同步頭” p頻域：在信息碼元頻譜之外占用一段頻譜用于傳輸同步信息利用信息碼元頻譜中的“空隙”處，插入同步信息u外同步法目前采用不多。27第第13章章 同步原理同步原理n 13.3.2 自同步法自同步法u自同步法分類：p開環(huán)同步法：由于二進(jìn)制等先驗(yàn)概率的不歸零碼元序列中沒有離散的碼元速率頻譜分量，故需要在接收時(shí)對(duì)其進(jìn)行某種非線性變換，才能使其頻譜中含有離散的

17、碼元速率頻譜分量，并從中提取碼元定時(shí)信息。 p閉環(huán)同步法：用比較本地時(shí)鐘周期和輸入信號(hào)碼元周期的方法，將本地時(shí)鐘鎖定在輸入信號(hào)上。 28第第13章章 同步原理同步原理u開環(huán)碼元同步法p延遲相乘法原理方框圖p相乘器輸入和輸出的波形：延遲相乘后碼元波形的后一半永遠(yuǎn)是正值；而前一半則當(dāng)輸入狀態(tài)有改變時(shí)為負(fù)值。因此，變換后的碼元序列的頻譜中就產(chǎn)生了碼元速率的分量。p延遲時(shí)間等于碼元時(shí)間一半時(shí)，碼元速率分量最強(qiáng)。c延遲T/2ab放大限幅窄帶濾波(c)(b)(a)29第第13章章 同步原理同步原理p微分整流法原理p同步誤差若窄帶濾波器的帶寬等于1/KT，其中K為一個(gè)常數(shù)，則提取同步的時(shí)間誤差比例為： T

18、碼元持續(xù)時(shí)間； Eb 碼元能量； n0 單邊噪聲功率譜密度。只要接收信噪比大，上述方案能保證足夠準(zhǔn)確的碼元同步。低 通微 分整 流窄帶濾波放大限幅0/33. 0nKETb18, 50KnEb式中， 同步誤差時(shí)間的均值；30第第13章章 同步原理同步原理u閉環(huán)碼元同步法p基本原理：將接收信號(hào)和本地產(chǎn)生的碼元定時(shí)信號(hào)相比較，使本地產(chǎn)生的定時(shí)信號(hào)和接收碼元波形的轉(zhuǎn)變點(diǎn)保持同步。這種方法類似載頻同步中的鎖相環(huán)法。p“超前/滯后門”同步器：原理方框圖超前門滯后門環(huán)路濾波| | | +壓控振蕩+-u1u2|u1|u2|e=|u2|-|u1|m(t)門波形產(chǎn)生dTdt0Tddt31第第13章章 同步原理同步

19、原理工作原理Tdd+1-1超前門滯后門(a) 同步狀態(tài)(b) 超前狀態(tài)d+1-1超前門滯后門T2積分時(shí)間32第第13章章 同步原理同步原理p存在的問題和解決辦法在上面討論中已經(jīng)假定接收信號(hào)中的碼元波形有突跳邊沿。若它沒有突跳邊沿，則無論有無同步時(shí)間誤差，超前門和滯后門的積分結(jié)果總是相等，這樣就沒有誤差信號(hào)去控制壓控振蕩器，故不能使用此法取得同步。這個(gè)問題在所有自同步法的碼元同步器中都存在，在設(shè)計(jì)時(shí)必須加以考慮。此外，由于兩個(gè)支路積分器的性能也不可能做得完全一樣。這樣將使本來應(yīng)該等于零的誤差值產(chǎn)生偏差；當(dāng)接收碼元序列中較長時(shí)間沒有突跳邊沿時(shí)，此誤差值偏差持續(xù)地加在壓控振蕩器上，使振蕩頻率持續(xù)偏移

20、，從而會(huì)使系統(tǒng)失去同步。為了使接收碼元序列中不會(huì)長時(shí)間地沒有突跳邊沿，可以在發(fā)送時(shí)對(duì)基帶碼元的傳輸碼型作某種變換，例如改用HDB3碼，或用擾亂技術(shù)，使發(fā)送碼元序列不會(huì)長時(shí)間地沒有突跳邊沿。 33第第13章章 同步原理同步原理n13.3.3* 碼元同步誤差對(duì)于誤碼率的影響在用匹配濾波器或相關(guān)器接收碼元時(shí)，其積分器的積分時(shí)間長短直接和信噪比Eb/n0有關(guān)。若積分區(qū)間比碼元持續(xù)時(shí)間短，則積分的碼元能量Eb顯然下降，而噪聲功率譜密度n0卻不受影響。在相鄰碼元有突變邊沿時(shí)，若碼元同步時(shí)間誤差為，則積分時(shí)間將損失2，積分得到的碼元能量將減小為Eb(1-2/T)；在相鄰碼元沒有突變邊沿時(shí)，則積分時(shí)間沒有損失

21、。對(duì)于等概率隨機(jī)碼元信號(hào)，有突變的邊沿和無突變的邊沿各占1/2。以等概率2PSK信號(hào)為例，其最佳誤碼率為：故在有相位誤差時(shí)的平均誤碼率為021nEerfcPbeTnEerfcnEerfcPbbe2141410034第第13章章 同步原理同步原理l13.4 群同步群同步n13.4.1 概述u群同步碼的種類：p集中插入適用于要求快速建立同步的地方，或間斷傳輸信息并且每次傳輸時(shí)間很短的場合。 信息碼組同步碼組信息碼組信息碼組信息碼組同步碼組同步碼組35第第13章章 同步原理同步原理p分散插入適用于連續(xù)傳輸信息之處，例如數(shù)字電話系統(tǒng)中。信息碼組信息碼組信息碼組同步碼元同步碼元同步碼組同步碼元同步碼元3

22、6第第13章章 同步原理同步原理u同步電路的狀態(tài)：p捕捉態(tài)：在捕捉態(tài)時(shí)，確認(rèn)搜索到群同步碼的條件必須規(guī)定得很高，以防發(fā)生假同步。p保持態(tài)：一旦確認(rèn)達(dá)到同步狀態(tài)后，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入保持態(tài)。在保持態(tài)下，仍須不斷監(jiān)視同步碼的位置是否正確。但是，這時(shí)為了防止因?yàn)樵肼曇鸬膫€(gè)別錯(cuò)誤導(dǎo)致認(rèn)為失去同步，應(yīng)該降低判斷同步的條件，以使系統(tǒng)穩(wěn)定工作。37第第13章章 同步原理同步原理n13.4.2 集中插入法：又稱連貫式插入法。u原理：采用特殊的群同步碼組，集中插入在信息碼組的前頭，使得接收時(shí)能夠容易地立即捕獲它。因此，要求群同步碼的自相關(guān)特性曲線具有尖銳的單峰，以便容易地從接收碼元序列中識(shí)別出來。 u局部自相關(guān)函數(shù)定義

23、：設(shè)有一個(gè)碼組，它包含N個(gè)碼元，則其局部自相關(guān)函數(shù)等于式中，N為碼組中的碼元數(shù)目； xi = +1或 -1，當(dāng)1 i N； xi = 0， 當(dāng)1 i 和i N。jNijiixxjR1)()1 (Ni 整數(shù)）j (38第第13章章 同步原理同步原理顯然可見，當(dāng)j = 0時(shí)，若一個(gè)碼組的自相關(guān)函數(shù)僅在R(0)處出現(xiàn)峰值，其他處的R(j)值均很小，則可以用求自相關(guān)函數(shù)的方法尋找峰值，從而發(fā)現(xiàn)此碼組并確定其位置。u巴克碼：常用的一種群同步碼。p定義：設(shè)一個(gè)N位的巴克碼組為x1, x2, ,xN，則其自相關(guān)函數(shù)可以用下式表示：上式表明，巴克碼的R(0) = N，而在其他處的自相關(guān)函數(shù)R(j)的絕對(duì)值均不

24、大于1。這就是說，凡是滿足上式的碼組，就稱為巴克碼。 NxxxRNiiNiii121)0(NjNjjNxxjRjNijii, 00,00,)(11或39第第13章章 同步原理同步原理p巴克碼組列表： 表中各碼組的反碼（即正負(fù)號(hào)相反的碼）和反序碼（即時(shí)間順序相反的碼）也是巴克碼。 N巴克碼12， 34， 57111340第第13章章 同步原理同步原理p例：N = 5的巴克碼。在j = 0至4的范圍內(nèi)，求其自相關(guān)函數(shù)值：由以上計(jì)算結(jié)果可見，其自相關(guān)函數(shù)絕對(duì)值除R(0)外，均不大于1。 1)4(4011)3(31111)2(201111) 1 (1511111)0(0114213312411512i

25、iiiiiiiiiiiiixxRjxxRjxxRjxxRjxRj時(shí)，當(dāng)時(shí)，當(dāng)時(shí)，當(dāng)時(shí)，當(dāng)時(shí)，當(dāng)414123-4-1-3-2R(j)1-15j320第第13章章 同步原理同步原理p巴克碼的自相關(guān)函數(shù)值曲線 自相關(guān)函數(shù)是偶函數(shù)，所以其自相關(guān)函數(shù)值畫成曲線 如上圖所示。將j = 0時(shí)的R(j)值稱為主瓣，其他處的值稱為旁瓣。實(shí)際通信情況中，在巴克碼前后有其他碼元存在。但是，若假設(shè)信號(hào)碼元的出現(xiàn)是等概率的，則相當(dāng)于在巴克碼前后的碼元取值平均為0。所以平均而言，計(jì)算巴克碼的局部自相關(guān)函數(shù)的結(jié)果，近似地符合在實(shí)際通信情況中計(jì)算全部自相關(guān)函數(shù)的結(jié)果。42第第13章章 同步原理同步原理u集中插入法群同步碼檢測

26、流程 初始化 (將同步狀態(tài)設(shè)為捕捉態(tài))移1位開始N等待下一同步碼組Y保持態(tài)捕捉態(tài)NY計(jì)算R(j)(N-2)?計(jì)算R(j) = N?43第第13章章 同步原理同步原理n13.4.3 分散插入法：u原理：通常，分散插入法的群同步碼都很短。例如，在數(shù)字電話系統(tǒng)中常采用“10”交替碼，即在下圖所示的同步碼元位置上輪流發(fā)送二進(jìn)制數(shù)字“1”和“0”。這種有規(guī)律的周期性地出現(xiàn)的“10”交替碼，在信息碼元序列中極少可能出現(xiàn)。因此在接收端有可能將同步碼的位置檢測出來。信息碼組信息碼組信息碼組同步碼元同步碼元同步碼組同步碼元同步碼元44第第13章章 同步原理同步原理在接收端，為了找到群同步碼的位置，需要按照其出現(xiàn)

27、周期搜索若干個(gè)周期。若在規(guī)定數(shù)目的搜索周期內(nèi)，在同步碼的位置上，都滿足“1”和“0”交替出現(xiàn)的規(guī)律，則認(rèn)為該位置就是群同步碼元的位置。至于具體的搜索方法，由于計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，目前多采用軟件的方法，不再采用硬件邏輯電路實(shí)現(xiàn)。 45第第13章章 同步原理同步原理u軟件搜索方法p移位搜索法系統(tǒng)開始處于捕捉態(tài)。對(duì)接收碼元逐個(gè)考察，若考察的第一個(gè)接收碼元就發(fā)現(xiàn)它符合群同步碼元的要求，則暫時(shí)假定它就是群同步碼元；在等待一個(gè)周期后，再考察下一個(gè)預(yù)期位置上的碼元是否還符合要求。若連續(xù)n個(gè)周期都符合要求，就認(rèn)為捕捉到了群同步碼。若第一個(gè)接收碼元不符合要求或在n個(gè)周期內(nèi)出現(xiàn)一次被考察的碼元不符合要求，則推遲一位考

28、察下一個(gè)接收碼元。直至找到符合要求的碼元并保持連續(xù)n個(gè)周期都符合為止；這時(shí)捕捉態(tài)轉(zhuǎn)為保持態(tài)。 46第第13章章 同步原理同步原理在保持態(tài)，同步電路仍然要不斷考察同步碼是否正確，但是為了防止考察時(shí)因噪聲偶然發(fā)生一次錯(cuò)誤而導(dǎo)致錯(cuò)認(rèn)為失去同步，一般可以規(guī)定在連續(xù)n個(gè)周期內(nèi)發(fā)生m次(m 0，即接收偽碼相位超前，則控制電壓Vc為正值，使壓控振蕩器的振蕩頻率上升；若 0，即接收偽碼相位滯后，則控制電壓Vc為負(fù)值，使壓控振蕩器的振蕩頻率下降。這樣就使跟蹤環(huán)路鎖定在接收偽碼的相位上。 0Vc|R( - Tc/2)|-|R( +Tc/2)|R( +Tc/2) -R( - Tc/2)Tc/2第第13章章 同步原理

29、同步原理71第第13章章 同步原理同步原理接收信號(hào)的解擴(kuò)：在原理方框圖中還示出，為了對(duì)接收信號(hào)解擴(kuò)，用早相關(guān)器的本地偽碼，加以延遲半個(gè)碼片時(shí)間Tc/2，使之和接收偽碼同相，然后送到第三個(gè)相乘器，和接收信號(hào)相乘，進(jìn)行解擴(kuò)。缺點(diǎn)：延遲鎖定跟蹤環(huán)的兩個(gè)支路特性必須精確相同，否則合成的控制電壓特性曲線可能偏移，使跟蹤誤差()為0時(shí)，控制電壓Vc不為0。此外，當(dāng)跟蹤準(zhǔn)確使控制電壓值長時(shí)間為0時(shí)，跟蹤環(huán)路有可能發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，特別是在有自動(dòng)調(diào)整環(huán)路增益的一些較復(fù)雜的跟蹤環(huán)路中。下面將介紹的抖動(dòng)跟蹤環(huán)克服了這些缺點(diǎn)。72帶通濾波包絡(luò)檢波解 調(diào)抖動(dòng)產(chǎn)生器偽碼產(chǎn)生器壓控振蕩環(huán)路濾波解調(diào)信號(hào)輸出接收擴(kuò)譜信號(hào)早支路

30、遲支路第第13章章 同步原理同步原理p抖動(dòng)跟蹤環(huán)原理方框圖 在這種方案中，只有一個(gè)跟蹤環(huán)路。它采用時(shí)分制的方法，使早相關(guān)和遲相關(guān)共用這個(gè)環(huán)路，從而避免了兩個(gè)支路的特性不一致的問題。 73第第13章章 同步原理同步原理此外，為了避免壓控振蕩器的控制電壓長時(shí)間為0，它在跟蹤過程中，由抖動(dòng)產(chǎn)生器使偽碼產(chǎn)生器的時(shí)鐘相位發(fā)生少許抖動(dòng)，因而故意地產(chǎn)生少許誤碼，使跟蹤誤差值和控制電壓Vc值在0附近抖動(dòng)，而不會(huì)長時(shí)間為0。由于抖動(dòng)很小，對(duì)跟蹤性能的影響可以忽略。 74第第13章章 同步原理同步原理l13.5 網(wǎng)同步網(wǎng)同步n13.5.1 概述u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。 u網(wǎng)同步方

31、法分類：p單向通信系統(tǒng)：一般由接收設(shè)備調(diào)整自已的時(shí)鐘，使之和發(fā)送設(shè)備的時(shí)鐘同步。p雙向通信系統(tǒng)：同步網(wǎng)：全網(wǎng)各站具有統(tǒng)一時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)異步網(wǎng)或準(zhǔn)同步網(wǎng)：容許各站的時(shí)鐘有誤差，但是通過調(diào)整碼元速率的辦法使全網(wǎng)能夠協(xié)調(diào)工作75第第13章章 同步原理同步原理u同步網(wǎng)的同步方法p可能由接收設(shè)備負(fù)責(zé)解決，也可能需要收發(fā)雙方共同解決。p例：一個(gè)衛(wèi)星通信網(wǎng)中有4個(gè)地球（終端）站，在衛(wèi)星（中心站）S1上接收地球站的TDMA信號(hào)，其時(shí)隙安排示于下圖中： 上行下行ABCDS1S2E-1E-1E-1E-1E-2A BCDA B t76第第13章章 同步原理同步原理因?yàn)槊總€(gè)地球站只允許在給定的一段時(shí)隙中發(fā)送信號(hào)，故地球站的

32、發(fā)射機(jī)必須保證其發(fā)送的上行信號(hào)到達(dá)衛(wèi)星上時(shí)，恰好是衛(wèi)星上中心站準(zhǔn)備接收其信號(hào)的時(shí)間。由于各個(gè)地球站和衛(wèi)星的距離不等，各個(gè)地球站的上行發(fā)送信號(hào)的時(shí)鐘也需要不同，所以不可能采用調(diào)整衛(wèi)星上中心站接收機(jī)時(shí)鐘的辦法達(dá)到和所有地球站上行信號(hào)同步的目的。這時(shí)，需要各地球站按照和衛(wèi)星的距離遠(yuǎn)近，將發(fā)射信號(hào)的時(shí)鐘調(diào)整到和衛(wèi)星上中心站接收機(jī)的時(shí)鐘一致；由于延遲時(shí)間不同，各個(gè)地球站發(fā)射信號(hào)的時(shí)鐘之間實(shí)際上是有誤差的。這稱為發(fā)射機(jī)同步方法。 77第第13章章 同步原理同步原理p發(fā)射機(jī)同步方法的分類：開環(huán)法：開環(huán)方法不需依靠中心站上接收信號(hào)到達(dá)時(shí)間的任何信息。終端站根據(jù)它所存儲(chǔ)的關(guān)于鏈路長度等信息可以預(yù)先校正其發(fā)送時(shí)間

33、。終端站所存儲(chǔ)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(hào)加以修正。開環(huán)方法依靠的是準(zhǔn)確預(yù)測的鏈路長度等參量信息。當(dāng)鏈路的路徑是確定的，這種方法很好。但是當(dāng)鏈路的路徑不是確定的，或終端站只是斷續(xù)地接入時(shí)，這種方法就難于有效地使用。開環(huán)法的主要優(yōu)點(diǎn)是捕捉快、不需要反向鏈路也能工作和實(shí)時(shí)運(yùn)算量小。其缺點(diǎn)是需要外部有關(guān)單位提供所需的鏈路參量數(shù)據(jù)，并且缺乏靈活性。 78第第13章章 同步原理同步原理閉環(huán)法：在閉環(huán)法中，中心站需要測量來自終端站的信號(hào)的同步準(zhǔn)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(dāng)調(diào)整其時(shí)鐘

34、的能力。閉環(huán)法的優(yōu)點(diǎn)：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(shí)適應(yīng)路徑和鏈路情況的變化。 閉環(huán)法的缺點(diǎn)：終端站需要有較高的實(shí)時(shí)處理能力，并且每個(gè)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(shí)間。79第第13章章 同步原理同步原理u異步網(wǎng)或準(zhǔn)同步網(wǎng)的同步方法：p典型例子是準(zhǔn)同步數(shù)字體系(PDH)中采用的碼速調(diào)整法。p仍以上面的衛(wèi)星通信網(wǎng)為例：若這時(shí)4個(gè)地球站的上行信號(hào)都是一次群E-1信號(hào)，它們?cè)谛l(wèi)星S1上接收到后，合并成二次群E-2信號(hào)，再發(fā)送給衛(wèi)星S2。這時(shí)由于4個(gè)地球站的時(shí)鐘間存在誤差，雖然其碼元標(biāo)稱速率都是2048 kb/s，但是實(shí)際速率不同。在S1上

35、合成的E-2群碼元速率為8448 kb/s，這個(gè)速率是以衛(wèi)星S1上的復(fù)接設(shè)備時(shí)鐘為準(zhǔn)的。將8448 kb/s平均分配到每個(gè)E-1群的碼元速率為2112 kb/s，它高于2048 kb/s。所以，盡管各地球站的時(shí)鐘有誤差，但是在衛(wèi)星上的復(fù)接設(shè)備中合路時(shí)，平均將各路輸入信號(hào)的碼元速率都提高到以地球站時(shí)鐘為準(zhǔn)的2112 kb/s上，而不去管各路輸入信號(hào)的碼元速率存在誤差。80第第13章章 同步原理同步原理n 13.5.2 開環(huán)法u開環(huán)法分類：p需要利用反向鏈路提供的信息。p不需要利用反向鏈路提供的信息。它由于沒有反饋信息需要處理，所以對(duì)處理能力沒有要求，但是其通信性能顯然受鏈路特性穩(wěn)定性的影響。u開

36、環(huán)法舉例：一個(gè)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(jī)的同步系統(tǒng)都需要預(yù)先校正信號(hào)的定時(shí)和頻率，以求信號(hào)用預(yù)定的頻率在預(yù)定的時(shí)間到達(dá)衛(wèi)星接收機(jī)。81第第13章章 同步原理同步原理p預(yù)先校正時(shí)間：發(fā)射機(jī)需要計(jì)算信號(hào)的傳輸時(shí)間，即用電磁波的傳播速率去除發(fā)射機(jī)和接收機(jī)間的距離，并將發(fā)射時(shí)間按計(jì)算結(jié)果適當(dāng)提前。這樣，信號(hào)到達(dá)中心站的時(shí)間為式中，Tt 實(shí)際發(fā)送開始時(shí)間； d 傳輸距離； c 光速。p預(yù)先校正發(fā)送頻率：發(fā)射機(jī)需要考慮由于地面發(fā)射機(jī)和衛(wèi)星接收機(jī)間相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(duì)速度（距離縮短時(shí)為正）； f0 標(biāo)稱發(fā)射頻率。cdTTt

37、a01fcVf82第第13章章 同步原理同步原理p時(shí)間預(yù)測的誤差：式中，re 距離估值的誤差； t 發(fā)射機(jī)處和接收機(jī)處參考時(shí)間之差。p頻率預(yù)測誤差：式中，Ve 發(fā)射機(jī)和接收機(jī)間相對(duì)速度的測量值誤差或預(yù) 測值的誤差； f 發(fā)射機(jī)和接收機(jī)參考頻率間的誤差。 tcrTeefcfVfee083第第13章章 同步原理同步原理p參考時(shí)間和參考頻率的關(guān)系：預(yù)測時(shí)間誤差t 和預(yù)測頻率誤差f 通常是由于參考頻率的隨機(jī)起伏引起的。發(fā)射機(jī)或接收機(jī)的參考時(shí)間通常來自參考頻率的周期，故參考時(shí)間和參考頻率的準(zhǔn)確性有關(guān)。參考頻率的起伏很難用統(tǒng)計(jì)方法表述，通常規(guī)定一個(gè)每天最大容許誤差 值的典型范圍：廉價(jià)的晶體振蕩器 10-5

38、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)/(0dayHzHzff84第第13章章 同步原理同步原理在規(guī)定每天最大容許誤差的情況下，若無外界干預(yù)，則頻率偏移可能隨時(shí)間線性地增大：式中，f(T) 在時(shí)間T內(nèi)增大的頻率偏移 f(0) 初始（t = 0時(shí)）頻率偏移 T 時(shí)間（天）然而，若參考時(shí)間是按計(jì)算周期得到的，則積累的時(shí)間偏差t(T)和參考頻率的積累相位誤差有關(guān)：由上式可以看出，若沒有外界干預(yù)，參考時(shí)間誤差可以隨時(shí)間按平方律增長。 )()0()0()(000HzfTffdtfTfT)0()0(21)0()0()0()()(0200000tfTfT

39、tdtfftdttdtftfTtTTT85第第13章章 同步原理同步原理對(duì)于發(fā)射機(jī)開環(huán)同步系統(tǒng)：這個(gè)不斷增長的時(shí)間誤差限定了外部有關(guān)單位在多長時(shí)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(jī)的定時(shí)數(shù)據(jù)；或重新將中心站接收機(jī)和地球站發(fā)射機(jī)的參考時(shí)間設(shè)置到標(biāo)稱時(shí)間。 若發(fā)射機(jī)沒有來自反向鏈路的信息，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者能用Te和t(T)的公式作為模型得出的時(shí)間和頻率偏離，決定兩次校正之間的最大時(shí)間間隔。u準(zhǔn)閉環(huán)發(fā)射機(jī)同步法：終端站能夠利用對(duì)反向鏈路信號(hào)測量進(jìn)行同步的方法。準(zhǔn)閉環(huán)法顯然比純開環(huán)法更適應(yīng)通信系統(tǒng)的變動(dòng)性。 86第第13章章 同步原理同步原理n13.5.3 閉環(huán)法u原理：p閉環(huán)法需要終端

40、站發(fā)送特殊的同步信號(hào)，用以決定信號(hào)的時(shí)間和頻率誤差。u種類：p中心站有處理能力：中心站可以進(jìn)行實(shí)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(gè)信息用反向鏈路送回給終端站發(fā)射機(jī)。p中心站沒有處理能力：此時(shí)將特殊同步信號(hào)直接由反向鏈路送回終端站發(fā)射機(jī)。由終端站發(fā)射機(jī)自己解讀返回信號(hào)。87第第13章章 同步原理同步原理u優(yōu)缺點(diǎn)：p在中心站處理的優(yōu)點(diǎn)：在反向鏈路上傳送的誤差測量結(jié)果可以是一個(gè)短的數(shù)字序列。當(dāng)一條反向鏈路為大量終端站所時(shí)分復(fù)用時(shí)，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(dāng)于大量節(jié)省了系統(tǒng)的處理能力。p在終

41、端站處理的優(yōu)點(diǎn)：中心站不需要易于接入，并且中心站可以設(shè)計(jì)得較簡單以提高可靠性。 響應(yīng)更快，因?yàn)闆]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(diǎn)是很重要的。 88第第13章章 同步原理同步原理p在終端站處理的缺點(diǎn)：反向信道的使用效率不高返回信號(hào)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(hào)，而且還對(duì)碼元作判決，再在反向鏈路上發(fā)送此判決結(jié)果。因?yàn)樵诜聪蛐盘?hào)中含有時(shí)間和頻率偏離的影響，即由碼元判決產(chǎn)生的影響。 例：設(shè)一個(gè)終端站采用2FSK向中心站發(fā)送信號(hào)，中心站采用非相干解調(diào)。這時(shí)的判決將決定于信號(hào)的能量。中心站接收的信號(hào)可以用下式表示：式中 中心站接收信號(hào)的角頻率誤差；t 中心站接

42、收信號(hào)到達(dá)時(shí)間誤差；Ttttttttss)sin(0)sin()(0089第第13章章 同步原理同步原理現(xiàn)在，若中心站解調(diào)器的兩個(gè)正交分量輸出為：則解調(diào)信號(hào)的能量為對(duì)于時(shí)間誤差t為0的特殊情況，上式變?yōu)閷?duì)于頻率誤差為0的特殊情況，上式變?yōu)門tdttsTx00cos)(1TtdttsTy00sin)(1222222)(2)cos()cos()(cos)cos(2/ )(sin)(2/)sin(TtTtTtTtTTtyxzsssss22)2/sin(TTz222)2/sin(2TtTtTzss90第第13章章 同步原理同步原理從上述公式看出，存在任何時(shí)間誤差、頻率誤差或者兩者都存在，將使碼元的位置

43、偏離解調(diào)器正確積分的位置，造成在2FSK信號(hào)積分的兩個(gè)積分器中，正確信號(hào)積分器得到的信號(hào)能量下降，部分能量移到另一個(gè)積分器中，誤碼率因而增大p預(yù)先校正頻率法：在上面的2FSK系統(tǒng)例子中，由終端站發(fā)送一個(gè)連續(xù)的正弦波，其頻率等于2FSK信號(hào)兩個(gè)頻率的平均值；然后中心站將收到的這個(gè)信號(hào)檢測后轉(zhuǎn)發(fā)回終端站。由于這時(shí)在中心站接收機(jī)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(shí)，將在反向鏈路中產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)二進(jìn)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(hào)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(zhǔn)確地預(yù)先校正頻率。 91第第13章章 同步原理同步

44、原理一旦找到正確的頻率，終端站發(fā)射機(jī)再交替發(fā)送“1”和“0”，以尋找正確的定時(shí)。這時(shí)，在半個(gè)碼元時(shí)間內(nèi)改變發(fā)送的定時(shí)，發(fā)射機(jī)就能找到給出最壞誤碼性能的時(shí)間。因?yàn)樵谥行恼臼盏降拇a元位置和正確位置相差半個(gè)碼元時(shí)，中心站2FSK接收機(jī)的兩個(gè)檢波器給出相等的能量，判決結(jié)果是隨機(jī)的，故在反向鏈路上發(fā)回的二進(jìn)制序列也將是隨機(jī)的。終端站發(fā)射機(jī)可以用這種原理計(jì)算正確的定時(shí)。 這種方法比用尋找誤碼性能最佳點(diǎn)更好。因?yàn)樵谌魏卧O(shè)計(jì)良好的系統(tǒng)中，碼元能量大得足夠容許存在少許定時(shí)誤差，所以即使定時(shí)不準(zhǔn)，反向信號(hào)也可能沒有誤碼。92第第13章章 同步原理同步原理n13.5.4 準(zhǔn)同步傳輸系統(tǒng)復(fù)接的碼速調(diào)整法u碼速調(diào)整方案：正碼速調(diào)整法、負(fù)碼速調(diào)整法、正/負(fù)碼速調(diào)整法、正/零/負(fù)碼速