通信原理第13章-同步原理課件

1、通 信 原 理 電 子 教 案第13章 同步原理西 北 工 業(yè) 大 學(xué) （2008.6）10/1/2022113.1 概述同步：是指收發(fā)雙方在時(shí)間上保持步調(diào)一致。 同步的分類(lèi)： 載波同步同頻同相相干載波；位（碼元）同步節(jié)拍一致、相位可調(diào)；群同步 幀同步；點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)同步（通信網(wǎng)中用）。 同步信號(hào)來(lái)自于接收信號(hào)；在通信系統(tǒng)中，通常都是要求同步信息傳輸?shù)目煽啃愿哂谛盘?hào)傳輸?shù)目煽啃浴１菊乱螅赫莆蛰d波、位、群同步的工作原理和獲取方法。 性能及影響作一般了解。10/1/20222研究的問(wèn)題：13.1 引言 13.2 載波同步13.3 碼元同步13.4 群同步13.5 網(wǎng)同步10/1/2022313.2 載

2、波同步獲取方法 插入導(dǎo)頻法（外同步法）：在發(fā)送有用信號(hào)的同時(shí)，在適當(dāng)?shù)念l率位置上插入一個(gè)或多個(gè)稱(chēng)作載頻的正弦波，接收端由導(dǎo)頻提取載波； 直接法（自同步法）：不專(zhuān)門(mén)發(fā)送導(dǎo)頻，在接收端直接從發(fā)送信號(hào)中提取載波。10/1/2022413.2.1 有輔助導(dǎo)頻時(shí)的載頻提取插入導(dǎo)頻法 適用：不包含載頻分量的信號(hào)：DSB、SSB、2DSP、2DPSK。原理：注：插入導(dǎo)頻為“正交載波”與加在調(diào)制器的那個(gè)載波移相90。模型：10/1/20225在VSB信號(hào)中插入導(dǎo)頻（不討論）： 注：二進(jìn)制數(shù)字調(diào)相信號(hào)就是抑制載波的雙邊帶信號(hào)。故上述插入導(dǎo)頻法完全適用于2DPSK； SSB導(dǎo)頻插入原理與上討論一樣； 在VSB中插

3、入不討論，自學(xué)。10/1/2022713.2.2 無(wú)輔助導(dǎo)頻時(shí)的載波提取 直接法（自同步法）思路：DSB信號(hào)雖不含載波分量，但對(duì)該信號(hào)進(jìn)行某種非線(xiàn)性變換（如：平方）后派生新的頻率分量，就可從中提取同步信息。10/1/20228好處：窄帶、跟蹤、記憶、維持。討論：平方環(huán)適于DSB，2PSK、2DPSKm2(t) k；問(wèn)題：二分頻電路提取出的載波存在相位模糊問(wèn)題。解決？ 問(wèn)題：窄帶濾波器不易實(shí)現(xiàn)。改進(jìn)：用PLL（鎖相環(huán)）代替。載波跟蹤環(huán)10/1/202210（2）同相-正交環(huán)法（科斯塔斯環(huán)） 經(jīng)低通后：目標(biāo)：只需證得v7(載波相位差)。同相載波正交載波雙PLL環(huán)模型：10/1/202211經(jīng)低通后

4、的輸出分別為 ：乘法器的輸出為：上式可以近似地表示為：好處：載波提取、相干解調(diào)一次完成！v5; 工作頻率為fc，不是2fc，當(dāng)載波頻率很高時(shí)易于實(shí)現(xiàn)； 無(wú)相位模糊問(wèn)題。10/1/202212（2）隨機(jī)相位誤差 從物理概念上講，正弦波加上隨機(jī)噪聲以后，相位變化是隨機(jī)的，它與噪聲的性質(zhì)和信噪功率比有關(guān)。經(jīng)過(guò)分析當(dāng)噪聲為窄帶高斯噪聲時(shí)，隨機(jī)相位差與信噪功率比之間的關(guān)系式為其中：f0回路的中心頻率，A接收信號(hào)幅度?？梢?jiàn)：濾波器的Q值越高，隨機(jī)相位誤差越小。 10/1/2022142、同步建立時(shí)間和保持時(shí)間 建立時(shí)間 保持時(shí)間可見(jiàn)：要使建立時(shí)間變短，Q值需要減?。灰娱L(zhǎng)保持時(shí)間，Q值要求增大，因此這兩個(gè)

5、參數(shù)對(duì)Q值的要求是矛盾的。 10/1/20221513.2.4 載波同步誤差對(duì)解調(diào)信號(hào)的影響設(shè)則10/1/202217討論：希望：解調(diào)出m(t)，最好：cos = 1，即 = 0。若 = 0，x(t) = m(t)/2 -正是可希望的 0，x(t)將衰減 cos 倍 對(duì)模擬信號(hào)，相當(dāng)于功率下降cos2倍：S/N; 對(duì)數(shù)字信號(hào)，相當(dāng)于能量下降cos2倍:10/1/20221813.3 位同步的方法要求：與發(fā)端節(jié)拍一致、相位可調(diào)。獲取方法：插入導(dǎo)頻法（外同步法）、直接法（自同步法）。 13.3.1 插入導(dǎo)頻法（外同步法） 原理：同于載波同步時(shí)導(dǎo)頻插入法。單/雙極性NRZ部分響應(yīng)系統(tǒng)10/1/202

6、219部分響應(yīng)系統(tǒng)：10/1/20222013.3.2 自同步法 當(dāng)系統(tǒng)的位同步采用自同步方法時(shí)，發(fā)端不專(zhuān)門(mén)發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)，而直接從數(shù)字信號(hào)中提取位同步信號(hào)。 自同步法具體又可分為濾波法和鎖相法。（1）波形變換濾波法波形變換：由微分、整流電路構(gòu)成 。移相：正弦波，好實(shí)現(xiàn)。10/1/202221（2）鎖相法本地：同相常態(tài) 超前扣除 滯后添加接收碼元頻率：F晶振頻率nF a、b兩路脈沖相位相差180度相位比較器：完成本地脈沖與接收碼元比相10/1/2022221. 位同步系統(tǒng)的性能指標(biāo) 位同步系統(tǒng)的性能指標(biāo)除了效率以外，主要有以下幾個(gè)：（1）相位誤差（精度）,（2）同步建立時(shí)間,（3）同步保持時(shí)間,

7、（4）同步帶寬。（1）相位誤差e 由上圖可見(jiàn)一個(gè)碼元周期內(nèi)由晶振及整形電路來(lái)的脈沖數(shù)為n個(gè)，因此，最大調(diào)整相位為： 可以看到，隨著n的增加，相位誤差e將減小。 13.3.3 碼元同步誤差對(duì)于誤碼率的影響10/1/202224（2）同步建立時(shí)間ts定義：失去同步后重建同步最所需的長(zhǎng)時(shí)間。故同步建立時(shí)間為：（3）同步保持時(shí)間tc 系統(tǒng)因?yàn)闆](méi)有輸入，使得收端位同步信號(hào)的相位就會(huì)逐漸發(fā)生漂移，時(shí)間越長(zhǎng)，相位漂移量越大，直至漂移量達(dá)到某一準(zhǔn)許的最大值，就算失步了。為了使同步建立時(shí)間ts減小，要求選用較小的n，這就和相位誤差e對(duì)n的要求相矛盾 。10/1/202225（2）位同步相位誤差對(duì)性能的影響假設(shè)：

8、 位同步相位誤差c可用時(shí)間差Te來(lái)表示； 解調(diào)器已解調(diào)出基帶數(shù)字信號(hào)，并假定采用MF法檢測(cè)：即對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行積分、取樣和判決； 設(shè)位同步超前接收碼元Te 。10/1/202227接收碼元:位同步:積分、清洗(最佳接收)E 可充滿(mǎn)，達(dá)最大值，獲最大能量；E不能充滿(mǎn)，能量損失可見(jiàn)： 相鄰碼元無(wú)數(shù)據(jù)變化時(shí)，位同步誤差不影響取樣點(diǎn)的積分能量，獲最大能量E； 相鄰碼元有數(shù)據(jù)變化時(shí)，能量損失。 E= (1 - 2Te / T )E10/1/202228設(shè)：相鄰碼元無(wú)數(shù)據(jù)變化的概率為P，取樣點(diǎn)積分能量達(dá)E； 相鄰碼元有數(shù)據(jù)變化的概率為(1-P),取樣點(diǎn)積分能量E。2PSK最佳接收時(shí)：等概時(shí)：其中：所以：可見(jiàn)

9、：位同步相位差Pe10/1/202229 13.4 群同步-幀同步13.4.1 引言前提：已實(shí)現(xiàn)位同步。任務(wù)：識(shí)別出數(shù)字信息群的起止時(shí)刻，或者說(shuō)給出每個(gè)群的 “開(kāi)頭”和“末尾”時(shí)刻。實(shí)現(xiàn)方法： 自同步：利用數(shù)據(jù)碼組本身之間不同的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)。 外同步：在數(shù)字信息流中插入一些特殊碼字作為每個(gè)群的頭尾標(biāo)記，接收端據(jù)其位置實(shí)現(xiàn)群同步。連貫式插入法（集中插入法）間隔式插入法（分散插入法）重點(diǎn)：外同步。10/1/20223013.4.2 連貫式插入法（集中插入法） 連貫式插入法：在每群的開(kāi)頭集中插入群同步碼字的同步方法。例：PCM30/32同步碼字特殊碼字：局部自相關(guān)特性有尖銳的峰值；在信息碼元序列中不易

10、出現(xiàn)以便識(shí)別；識(shí)別器要簡(jiǎn)單。最常用的群同步碼字：“巴克碼”。 1、巴克碼 定義：一個(gè)長(zhǎng)為n的碼組x1, x2, x3, xn，其中xi 取值1，其局部自相關(guān)函數(shù)滿(mǎn)足則稱(chēng)該碼組為巴克碼。 信 息 碼標(biāo) 識(shí) 碼一幀10/1/202231表13-1 巴克碼 位數(shù)n巴克碼字2+ +；+3+ +4+ + +；+ +5+ + +7+ + + +11+ + + + +13+ + + + + + +表中+表示+1，表示1 例：7位巴克碼10/1/2022322、巴克碼識(shí)別器10/1/20223313.4.3 間歇式插入法（分散插入法） 定義：將群同步碼字分散地插入到信息之中，即每隔一定數(shù)量的信息碼元，插入一個(gè)

11、群同步碼字。例：PCM 24群同步則采用間歇式插入法。 收端要確定群同步碼位置的方法： （1）逐碼移位法； （2）RAM幀碼檢測(cè)法。 10/1/202234 逐碼移位法的基本原理：由位同步脈沖經(jīng)過(guò)n次分頻以后的本地群碼與接收到碼元中間歇式插入的群同步碼進(jìn)行逐碼移位比較，使本地群碼與發(fā)送來(lái)的群同步碼同步。 10/1/202235例：等間隔插入全“1”碼！a位同步碼；c收到的碼：信碼、同步碼；N同步位信息位=1+3=4;異或門(mén)不一致門(mén)經(jīng)過(guò)計(jì)算，群同步平均建立的時(shí)間近似為：10/1/20223613.4.4 群同步系統(tǒng)的性能要求：同步時(shí)間要短，即捕獲時(shí)間要短；同步性要可靠。影響同步性能的兩個(gè)錯(cuò)誤： 漏同步：如7位巴克碼錯(cuò)1位，輸出和將減為5；假同步：信息碼中有同與巴克碼的碼形。1.漏同步的概率P1和參數(shù)的關(guān)系設(shè)：巴克碼中每碼元出錯(cuò)的概率為Pe，則正確的概率為1- Pe ； n巴克碼的長(zhǎng)度； m識(shí)別器允許巴克碼出錯(cuò)的最大個(gè)數(shù)。10/1/202237 m = 0 ：未漏概率：(1-Pe)n漏概率: P1=1-(1-Pe)n m =1，m = 0 - 至多錯(cuò)一位 通式：n-巴克碼的長(zhǎng)度； m-識(shí)別器允許巴克碼出錯(cuò)的最大個(gè)數(shù)。結(jié)論：P1反比于m。10/1/2022382. 假