第9章 同步原理及技術(shù)1

數(shù)字通信原理

(PrincipleofDigitalCommunications)華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院余翔宇yuxy@信息工程2010級(jí)3&42012.111第九章同步原理與技術(shù)2本章的基本內(nèi)容：鎖相環(huán)的工作原理；載波同步；符號(hào)同步；幀同步。2010Copyright3SCUTDT&PLabs9.1引言2010Copyright4SCUTDT&PLabs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(hào)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(hào)的同步主要包括：載波同步、符號(hào)同步和幀同步。

載波同步：實(shí)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(shí)現(xiàn)；

符號(hào)同步：實(shí)現(xiàn)符號(hào)接收的定位，避免符號(hào)間的串?dāng)_，保證符號(hào)的正確接收和解碼；

幀同步：實(shí)現(xiàn)幀的定位，保證符號(hào)與信息間一一對(duì)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P4252010Copyright5SCUTDT&PLabs9.2鎖相環(huán)2010Copyright6SCUTDT&PLabs鎖相環(huán)的基本概念鎖相的概念：當(dāng)我們說(shuō)兩個(gè)信號(hào)相位鎖定時(shí)，通常指這兩個(gè)信號(hào)有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(shí)觀測(cè)兩個(gè)相位鎖定的信號(hào)時(shí)，可以看到兩個(gè)穩(wěn)定的、相互間沒有移動(dòng)的信號(hào)波形。

第7章傳輸信道2010Copyright7SCUTDT&PLabs第7章傳輸信道鎖相環(huán)的組成鎖相環(huán)的基本結(jié)構(gòu)

鑒相器：鑒別兩個(gè)信號(hào)間的相差，將其轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的電壓值。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：振蕩頻率可由電壓控制的振蕩器；

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(gè)有理數(shù)。課本P425-4262010Copyright8SCUTDT&PLabs鎖相環(huán)的工作原理

假定

輸入的基準(zhǔn)信號(hào)：壓控振蕩器輸出信號(hào)：鑒相器(采用乘法器實(shí)現(xiàn)時(shí))輸出第7章傳輸信道課本P4262010Copyright9SCUTDT&PLabs

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(jì)壓控振蕩器的工作特性

環(huán)路濾波器的輸出信號(hào)波形第7章傳輸信道課本P4262010Copyright10SCUTDT&PLabs

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

穩(wěn)定平衡點(diǎn)非穩(wěn)定平衡點(diǎn)

鎖相環(huán)最終工作在穩(wěn)定平衡點(diǎn)上。第7章傳輸信道課本P4262010Copyright11SCUTDT&PLabs鎖相環(huán)的基本性能分析

鎖相環(huán)在趨于相位鎖定時(shí)，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(gè)理想的鑒相器，則直接有

工程上對(duì)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(shí)的情形，對(duì)上兩式取拉氏變換，均可得第7章傳輸信道課本P4272010Copyright12SCUTDT&PLabs第7章傳輸信道

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

無(wú)源的環(huán)路濾波器有源的環(huán)路濾波器記：。無(wú)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)課本P4272010Copyright13SCUTDT&PLabs第7章傳輸信道

鎖相環(huán)的基本性能分析(續(xù))壓控振蕩器控制電壓－頻率變化特性

相位變化特性相位變化特性的拉氏變換課本P4272010Copyright14SCUTDT&PLabs第7章傳輸信道

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

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)

整理可得

定義相位誤差

可導(dǎo)出相位誤差傳遞函數(shù)課本P4282010Copyright15SCUTDT&PLabs第7章傳輸信道

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(hào)的相位發(fā)生變化時(shí)壓控振蕩器輸出相位的變化情況。課本P4282010Copyright16SCUTDT&PLabs第7章傳輸信道

鎖相環(huán)的基本性能分析(續(xù))示例：鎖相環(huán)的相位跟蹤特性

設(shè)輸入基準(zhǔn)信號(hào)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(shí)的相差為零，頻率鎖定自然不言而喻。

注：對(duì)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。課本P4282010Copyright17SCUTDT&PLabs第7章傳輸信道

鎖相環(huán)的基本性能分析(續(xù))鎖相環(huán)的頻率同步范圍

同步范圍(同步帶寬)：鎖相環(huán)可跟蹤輸入基準(zhǔn)信號(hào)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(hào)的頻率發(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(gè)固定值意味著可實(shí)現(xiàn)頻率的同步，即課本P4282010Copyright18SCUTDT&PLabs第7章傳輸信道

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

基于乘法器實(shí)現(xiàn)的鑒相器，鑒相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。課本P4292010Copyright19SCUTDT&PLabs第7章傳輸信道

鎖相環(huán)的基本性能分析(續(xù))捕捉時(shí)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(shí)間。

捕捉時(shí)間可由下式?jīng)Q定式中稱為環(huán)路的自然頻率；稱為環(huán)路的阻尼系數(shù)。課本P4292010Copyright20SCUTDT&PLabs第7章傳輸信道

鎖相環(huán)的基本性能分析(續(xù))同步保持時(shí)間

原來(lái)已經(jīng)鎖定工作的鎖相環(huán)，從失去同步基準(zhǔn)信號(hào)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(shí)間。

假定失去基準(zhǔn)信號(hào)后，鑒相器輸出電壓指數(shù)衰減由

可得同步保持時(shí)間課本P4292010Copyright21SCUTDT&PLabs第7章傳輸信道

鎖相環(huán)的基本性能分析(續(xù))

具有較長(zhǎng)的保持時(shí)間，是間歇同步系統(tǒng)需要具備的基本要求。

廣播電視信號(hào)中，模擬的彩色全電視信號(hào)需要色副載波作為色度信號(hào)的基準(zhǔn)信號(hào)。電視信號(hào)中的色副載波信號(hào)間歇地對(duì)電視接收機(jī)的色副載波信號(hào)進(jìn)行同步調(diào)整。在的行信號(hào)周期內(nèi)，有處于同步時(shí)段，其余時(shí)段依賴同步保持性能足夠好來(lái)保證色副載波信號(hào)的穩(wěn)定性。課本P4292010Copyright22SCUTDT&PLabs鎖相環(huán)的基本性能分析(續(xù))

輸入噪聲信號(hào)對(duì)鎖相環(huán)性能的影響含有噪聲的基準(zhǔn)信號(hào)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章傳輸信道課本P429-4302010Copyright23SCUTDT&PLabs鎖相環(huán)的基本性能分析(續(xù))對(duì)于無(wú)源環(huán)路濾波器，可得對(duì)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(duì)鎖相環(huán)的影響；小的環(huán)路濾波器不利于對(duì)快速變化的基準(zhǔn)信號(hào)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章傳輸信道課本P4302010Copyright24SCUTDT&PLabs9.3載波同步2010Copyright25SCUTDT&PLabs

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(hào)中恢復(fù)載波信號(hào)的問題。

直接提取法：利于鎖相環(huán)電路，直接從已調(diào)載波信號(hào)中提取載波信號(hào)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(diǎn)是：

(1)利于非線性電路，去除調(diào)制載波的信息對(duì)提取載波信號(hào)的影響,得到含有噪聲的基準(zhǔn)信號(hào)；(2)采用鎖相環(huán)電路完成相當(dāng)于較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(hào)相位鎖定的本地載波信號(hào)。第7章傳輸信道2010Copyright26SCUTDT&PLabs直接提取法(續(xù))

1、平方環(huán)法

平方環(huán)法是一種恢復(fù)2PSK信號(hào)中載波信號(hào)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(yùn)算、帶通濾波、鎖相環(huán)和二分頻電路等。接收的2PSK信號(hào)可以表示為假定基帶的波形函數(shù)為門函數(shù)。第7章傳輸信道課本P4302010Copyright27SCUTDT&PLabs第7章傳輸信道直接提取法(續(xù))經(jīng)平方器電路后得經(jīng)中心頻率為的帶通濾波器得實(shí)際信號(hào)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為課本P4312010Copyright28SCUTDT&PLabs第7章傳輸信道直接提取法(續(xù))

鑒相器輸出環(huán)路濾波器輸出壓控振蕩器輸出其中穩(wěn)定平衡點(diǎn)二分頻后輸出本地恢復(fù)的載波信號(hào)

課本P4312010Copyright29SCUTDT&PLabs第7章傳輸信道第7章傳輸信道直接提取法(續(xù))平方環(huán)法的相位模糊問題在本地恢復(fù)的載波信號(hào)中，對(duì)取模后，其確切取值在接收端不能確定：相位模糊。相位模糊產(chǎn)生的原因，2PSK信號(hào)中隨機(jī)的二進(jìn)制序列的影響。

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，然后在進(jìn)行2PSK調(diào)制)；發(fā)送訓(xùn)練序列來(lái)進(jìn)行相位的判定。2010Copyright30SCUTDT&PLabs第7章傳輸信道直接提取法(續(xù))

2、科斯塔環(huán)法科斯塔環(huán)法是另外一種提取2PSK載波信號(hào)的方法?？扑顾h(huán)法載波恢復(fù)電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)其中，接收信號(hào)為課本P431-4322010Copyright31SCUTDT&PLabs第7章傳輸信道直接提取法(續(xù))壓控振蕩器輸出的兩路本地載波正交信號(hào)為本地載波與輸入信號(hào)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課本P4322010Copyright32SCUTDT&PLabs第7章傳輸信道直接提取法(續(xù))相乘輸出可見可獲得調(diào)整壓控振蕩器的相差信號(hào)。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。課本P4322010Copyright33SCUTDT&PLabs第7章傳輸信道直接提取法(續(xù))

3、M次方環(huán)法平方環(huán)法和科斯塔環(huán)法通過(guò)平方運(yùn)算電路去除2PSK信號(hào)中調(diào)制載波的信息對(duì)載波提取的影響；

一般地，在MPSK信號(hào)的載波恢復(fù)過(guò)程中，可用M次方運(yùn)算電路去除MPSK信號(hào)中調(diào)制信息對(duì)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(yùn)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。課本P4322010Copyright34SCUTDT&PLabs直接提取法(續(xù))

MPSK信號(hào)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(yùn)算后可得經(jīng)中心頻率為的帶通濾波器后，得到第7章傳輸信道課本P4332010Copyright35SCUTDT&PLabs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章傳輸信道課本P4332010Copyright36SCUTDT&PLabs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(gè)穩(wěn)定的相位平衡點(diǎn)將落在如下的位置本地恢復(fù)的載波信號(hào)存在M重的相位模糊問題。第7章傳輸信道課本P4332010Copyright37SCUTDT&PLabs直接提取法(續(xù))

2PSK解調(diào)時(shí)相位模糊可能使得星座點(diǎn)位置180o旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致解調(diào)時(shí)“0”與“1”倒置；

MPSK解調(diào)時(shí)相位模糊則可能使星座點(diǎn)位置出現(xiàn)M種不同的偏移，導(dǎo)致解調(diào)出錯(cuò)。

相位模糊對(duì)MPSK信號(hào)解調(diào)影響分析已知接收信號(hào)本地載波信號(hào)第7章傳輸信道課本P4332010Copyright38SCUTDT&PLabs直接提取法(續(xù))

相位模糊對(duì)MPSK信號(hào)解調(diào)影響分析

(1)若，可得

此時(shí)可正確解調(diào)；第7章傳輸信道課本P433-4342010Copyright39SCUTDT&PLabs第7章傳輸信道直接提取法(續(xù))

相位模糊對(duì)MPSK信號(hào)解調(diào)影響分析

(2)若，可得

此時(shí)星座點(diǎn)將發(fā)生度的旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致錯(cuò)誤判決。

示例時(shí)星座點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)變化。課本P4342010Copyright40SCUTDT&PLabs直接提取法(續(xù))

避免相位模糊對(duì)解調(diào)影響的方法：對(duì)相位采用差分編碼，使得解調(diào)時(shí)當(dāng)前的解碼輸出與當(dāng)前符號(hào)的絕對(duì)相位無(wú)關(guān)，只與前后符號(hào)的相位差有關(guān)。第7章傳輸信道課本P4342010Copyright41SCUTDT&PLabs直接提取法(續(xù))

MQAM信號(hào)的載波恢復(fù)

MQAM信號(hào)的特點(diǎn)：載波的幅度和相位具有受到調(diào)制。對(duì)MQAM信號(hào)無(wú)法采用M次方環(huán)發(fā)消除信息對(duì)載波提取的影響。

MQAM信號(hào)的載波恢復(fù)方法

(1)矢量點(diǎn)扣除法

MQAM信號(hào)中滿足的星座點(diǎn)，對(duì)應(yīng)4個(gè)均勻分布的相位。矢量點(diǎn)扣除法的基本思想：設(shè)法扣除接收符號(hào)中的符號(hào)，由此將接收信號(hào)改造為類似4PSK(QPSK)的信號(hào)；

對(duì)改造后的信號(hào)采用MPSK信號(hào)的載波提取方法恢復(fù)載波。第7章傳輸信道課本P4342010Copyright42SCUTDT&PLabs直接提取法(續(xù))

示例：采用矢量點(diǎn)扣除法的16QAM信號(hào)的載波恢復(fù)電路及解調(diào)電路。第7章傳輸信道課本P4342010Copyright43SCUTDT&PLabs第7章傳輸信道直接提取法(續(xù))

MQAM信號(hào)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)法的基本思想：若MQAM信號(hào)中M種不同的發(fā)送符號(hào)先驗(yàn)等概，則MQAM信號(hào)從統(tǒng)計(jì)上來(lái)說(shuō)信號(hào)相位的統(tǒng)計(jì)平均值指向4個(gè)均勻分布的相位；可設(shè)法提取信號(hào)相位的4個(gè)統(tǒng)計(jì)平均值，使MQAM信號(hào)的相位變化從統(tǒng)計(jì)上來(lái)成為某種4PSK信號(hào)，在此基礎(chǔ)上恢復(fù)出MQAM信號(hào)的載波。課本P4352010Copyright44SCUTDT&PLabs

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(hào)時(shí)，同時(shí)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(shí)現(xiàn)方法發(fā)送信號(hào)其中導(dǎo)頻信號(hào)為采用與信號(hào)載波正交的導(dǎo)頻信號(hào)有利于信號(hào)解調(diào)過(guò)程的實(shí)現(xiàn)。第7章傳輸信道課本P4352010Copyright45SCUTDT&PLabs插入導(dǎo)頻法(續(xù))采用插入導(dǎo)頻法時(shí)基帶調(diào)制信號(hào)的波形設(shè)計(jì)應(yīng)使得導(dǎo)頻位置調(diào)制信號(hào)的成份較少，使有利于導(dǎo)頻的提?。恢苯訉?dǎo)頻法沒有相位模糊問題；因?yàn)殒i相環(huán)等效與一個(gè)比較理想的帶通濾波器，從接收信號(hào)中提取的導(dǎo)頻也可通過(guò)鎖相環(huán)濾除噪聲等因素的影響，使得恢復(fù)的載波信號(hào)具有更高的質(zhì)量。第7章傳輸信道課本P4352010Copyright46SCUTDT&PLabs

載波相位的似然估計(jì)法

載波相位的最大似然估計(jì)數(shù)字載波調(diào)制信號(hào)一般可表示為其中接收信號(hào)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(hào)空間的標(biāo)準(zhǔn)基函數(shù)為則有第7章傳輸信道課本P4362010Copyright47SCUTDT&PLabs第7章傳輸信道載波相位的似然估計(jì)法(續(xù))給定，由矢量決定其中由因此得到后，的似然函數(shù)

如果發(fā)送端發(fā)送的是發(fā)收雙方已知的測(cè)試信號(hào)，則中只有相位是未知的，因而有課本P4362010Copyright48SCUTDT&PLabs第7章傳輸信道載波相位的似然估計(jì)法(續(xù))因此關(guān)于的最大似然估計(jì)為展開上式右式后可歸結(jié)為課本P4362010Copyright49SCUTDT&PLabs第7章傳輸信道載波相位的似然估計(jì)法(續(xù))

示例：設(shè)發(fā)送載波的訓(xùn)練信號(hào)為接收信號(hào)為求關(guān)于的最大似然估計(jì)。已知的似然函數(shù)為令得的最大似然估計(jì)值為課本P4372010Copyright50SCUTDT&PLabs第7章傳輸信道載波相位的似然估計(jì)法(續(xù))尋找滿足條件

的的最大似然估計(jì)值。在無(wú)法求解析解的情況下，也可以通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方法來(lái)獲取。課本P4372010Copyright51SCUTDT&PLabs第7章傳輸信道載波相位的似然估計(jì)法(續(xù))

面向判決環(huán)的最大似然估計(jì)

所謂面向判決環(huán)的最大似然估計(jì)，是指似然估計(jì)是通過(guò)發(fā)送專門的訓(xùn)練序列來(lái)實(shí)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(hào)相應(yīng)的的最大似然估計(jì)等效于尋找使得達(dá)到最大值的。課本P4372010Copyright52SCUTDT&PLabs第7章傳輸信道載波相位的似然估計(jì)法(續(xù))令可導(dǎo)出的最大似然估計(jì)值為

課本P4372010Copyright53SCUTDT&PLabs第7章傳輸信道載波相位的似然估計(jì)法(續(xù))最大似然估計(jì)亦可在等效的基帶信號(hào)中進(jìn)行，等效基帶信號(hào)相應(yīng)的似然函數(shù)為其中令可得課本P437-4382010Copyright54SCUTDT&PLabs第7章傳輸信道載波相位的似然估計(jì)法(續(xù))

非面向判決環(huán)的最大似然估計(jì)非面向判決環(huán)的最大似然估計(jì)不依賴訓(xùn)練序列，可連續(xù)進(jìn)行載波相位的估計(jì)。假定信號(hào)為先驗(yàn)等概的2PSK信號(hào)，則在每個(gè)符號(hào)周期內(nèi)，似然函數(shù)相應(yīng)地為課本P4382010Copyright55SCUTDT&PLabs

載波相位的似然估計(jì)法(續(xù))

統(tǒng)計(jì)平均值

由此可通過(guò)或數(shù)值計(jì)算的方法求。課本P4382010Copyright56SCUTDT&PLabs9.4符號(hào)同步2010Copyright57SCUTDT&PLabs直接提取法

與載波同步的直接提取法類似，符號(hào)同步的直接提取法通常也是先對(duì)接收的符號(hào)序列先進(jìn)行某種非線性變換，然后提取符號(hào)同步信息。

(1)線譜法

線譜法的實(shí)現(xiàn)方案如圖所示其中的平方器完成非線性運(yùn)算，由窄帶濾波器提取符號(hào)同步信息。窄帶濾波器可由鎖相環(huán)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。課本P4392010Copyright58SCUTDT&PLabs直接提取法(續(xù))接收信號(hào)可表示為若其中攜帶信息的符號(hào)序列是均值為零的獨(dú)立隨機(jī)序列即則平方運(yùn)算電路的輸出為顯然其均值是周期函數(shù)。課本P4392010Copyright59SCUTDT&PLabs直接提取法(續(xù))對(duì)該周期函數(shù)，有式中如果要保證能夠直接獲得與符號(hào)同步的基波信號(hào)，則應(yīng)有此時(shí)從統(tǒng)計(jì)意義上說(shuō)，信號(hào)中一定包含基波信號(hào)，通過(guò)窄帶濾波器即可從變換后的信號(hào)中獲得該信號(hào)。第7章傳輸信道課本P439-4402010Copyright60SCUTDT&PLabs直接提取法(續(xù))

(2)早遲門法

早遲門法的實(shí)現(xiàn)方案如下圖所示其中的取絕對(duì)值運(yùn)算是一種非線性運(yùn)算。主要到圖中的“早門”與“遲門”的積分時(shí)間長(zhǎng)短一樣，但時(shí)間段不同，分別為與。第7章傳輸信道課本P4402010Copyright61SCUTDT&PLabs直接提取法(續(xù))如上述的波形圖所示

(a)若本地時(shí)鐘的頻率與相位與發(fā)送信號(hào)的位時(shí)鐘信號(hào)鎖定則有此時(shí)不會(huì)對(duì)本地壓控振蕩器做調(diào)整；

(b)若本地時(shí)鐘超前△(本地時(shí)鐘滯后的情形可做類似的分析)則有此信號(hào)會(huì)調(diào)整壓控振蕩器的相位，以消除本地超前的相位。第7章傳輸信道課本P4402010Copyright62SCUTDT&PLabs直接提取法(續(xù))要保證早遲門符號(hào)時(shí)鐘同步系統(tǒng)的正常工作，輸入信號(hào)中不能出現(xiàn)長(zhǎng)串“0(低電平)”和長(zhǎng)串“1(高電平)”的情況。當(dāng)出現(xiàn)串“0(低電平)”和長(zhǎng)串“1(高電平)”時(shí)，兩個(gè)積分器的輸出相同，其絕對(duì)值的差值為零。壓控振蕩器會(huì)因長(zhǎng)時(shí)間得不到調(diào)整和導(dǎo)致失步。第7章傳輸信道2010Copyright63SCUTDT&PLabs插入導(dǎo)頻的符號(hào)同步法與載波同步的導(dǎo)頻插入法類似，在基帶信號(hào)中，也可用插入同步信號(hào)的方法來(lái)傳遞同步信息。某些波形的基帶信號(hào)的中，本身就含有與符號(hào)周期同步的基波或諧波信號(hào)。包含基波同步信息信號(hào)的頻譜示例

導(dǎo)頻的提取方法：先通過(guò)窄帶濾波器提取出基波信號(hào)，經(jīng)整形和移相的信號(hào)處理后獲得同步信號(hào)。

第7章傳輸信道課本P4412010Copyright64SCUTDT&PLabs

符號(hào)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(guò)包絡(luò)來(lái)攜帶符號(hào)同步的信號(hào)。一般的相位調(diào)制信號(hào)可以表示為調(diào)幅的符號(hào)同步信號(hào)可采用(時(shí)域)升余弦的形式

其中，是符號(hào)周期，。合成后的信號(hào)可表示為

其中第7章傳輸信道課本P4412010Copyright65SCUTDT&PLabs第7章傳輸信道符號(hào)同步信息的包絡(luò)攜帶法(續(xù))信號(hào)波形同步信息提取與解調(diào)方法課本P4412010Copyright66SCUTDT&PLabs

符號(hào)同步的似然估計(jì)法接收的符號(hào)序列信號(hào)可用表示為式中的是待確定的符號(hào)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(jì)可表示為即當(dāng)中的參數(shù)相同時(shí)似然值達(dá)到最大。

(1)

面向判決的最大似然估計(jì)所謂面向判決的最大似然估計(jì)是一種通過(guò)訓(xùn)練序列來(lái)獲得符號(hào)同步信息的方法。

記用于同步的訓(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章傳輸信道課本P441-4422010Copyright67SCUTDT&PLabs符號(hào)同步的似然估計(jì)法(續(xù))對(duì)于訓(xùn)練序列的似然估計(jì)值為將相應(yīng)的符號(hào)序列信號(hào)代入得其中在上式具有解析表達(dá)式條件下，可通過(guò)下式求解的最大似然估計(jì)值，令

第7章傳輸信道課本P4422010Copyright68SCUTDT&PLabs第7章傳輸信道符號(hào)同步的似然估計(jì)法(續(xù))在無(wú)法獲得解析解的情況下可通過(guò)數(shù)值搜索計(jì)算的方法求解

(2)非面向判決的最大似然估計(jì)非面向判決的最大似然估計(jì)直接利于信息符號(hào)序列對(duì)進(jìn)行估計(jì)。是接收端未知的序列。假定符號(hào)序列的先驗(yàn)概率已知，因此可求似然函數(shù)的統(tǒng)計(jì)平均值課本P4422010Copyright69SCUTDT&PLabs第7章傳輸信道符號(hào)同步的似然估計(jì)法(續(xù))

(2)非面向判決的最大似然估計(jì)若可獲得上式的解析解，則可通過(guò)下式求解的最大似然值若無(wú)法得到解析解，可通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方法求相應(yīng)的數(shù)值解課本P4422010Copyright70SCUTDT&PLabs

載波相位和符號(hào)同步的聯(lián)合估計(jì)對(duì)于數(shù)字載波調(diào)制信號(hào)的正確解調(diào)，需要實(shí)現(xiàn)載波同步與符號(hào)同步。即正確估計(jì)載波相位和定時(shí)偏差。上述兩個(gè)參數(shù)的聯(lián)合估計(jì)，有利于避免其中一個(gè)參數(shù)的估計(jì)誤差對(duì)另外一個(gè)參數(shù)的影響。

一般的數(shù)字載波調(diào)制信號(hào)可以表示為相應(yīng)的接收信號(hào)為第7章傳輸信道課本P442-4432010Copyright71SCUTDT&PLabs第7章傳輸信道載波相位和符號(hào)同步的聯(lián)合估計(jì)(續(xù))其中是待估計(jì)的參數(shù)。接收信號(hào)中有用信號(hào)的等效低通信號(hào)為

接收信號(hào)的等效低通信號(hào)為若是高斯噪聲，可導(dǎo)出有關(guān)參數(shù)的等效似然函數(shù)為其中記2010Copyright72SCUTDT&PLabs第7章傳輸信道載波相位和符號(hào)同步的聯(lián)合估計(jì)(續(xù))可得令整理可得由此得到的最大似然值。課本P4432010Copyright73SCUTDT&PLabs9.5幀同步2010Copyright74SCUTDT&PLabs

幀同步的概念幀同步是通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息正確接收的必要條件之一。載波同步和符號(hào)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：語(yǔ)音信號(hào)的每個(gè)樣值編碼后得到一個(gè)8比特的碼字；若采用4PSK調(diào)制方式傳輸，一個(gè)碼字需要通過(guò)4個(gè)4PSK符號(hào)來(lái)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：

異步的各個(gè)數(shù)據(jù)幀獨(dú)立傳輸方式，如以太網(wǎng)中的報(bào)文等；

同步的各個(gè)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(hào)。第7章傳輸信道課本P4442010Copyright75SCUTDT&PLabs幀同步標(biāo)識(shí)符的周期性插入法幀同步標(biāo)識(shí)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(shí)：特點(diǎn)的比特組合圖樣。例如“0011011”。幀同步標(biāo)識(shí)的設(shè)置幀同步標(biāo)識(shí)符周期性插入法的特點(diǎn)：同步標(biāo)識(shí)符周期性出現(xiàn)。幀同步標(biāo)識(shí)符可以集中插入到數(shù)據(jù)流中；幀同步標(biāo)識(shí)符也可以分散插入到數(shù)據(jù)流中。第7章傳輸信道課本P4442010Copyright76SCUTDT&PLabs第7章傳輸信道

幀同步標(biāo)識(shí)符的周期性插入法(續(xù))

(1)幀同步標(biāo)識(shí)符的集中式插法每個(gè)數(shù)字幀等長(zhǎng)；在每幀的首部插入完整的標(biāo)識(shí)符。

幀同步標(biāo)識(shí)符的搜索與幀同步的維護(hù)具體過(guò)程包括下圖所示的三個(gè)階段

同步搜索：獲取第一個(gè)

同步標(biāo)識(shí)符；

預(yù)同步：消除虛假同步；

同步：消除干擾對(duì)同步的影響。課本P4442010Copyright77SCUTDT&PLabs第7章傳輸信道

幀同步標(biāo)識(shí)符的周期性插入法(續(xù))示例：幀同步標(biāo)識(shí)符的集中式插法工作過(guò)程在系統(tǒng)中，假定取參數(shù)

同步搜索過(guò)程通過(guò)逐比特的搜索實(shí)現(xiàn)；

預(yù)同步與同步的過(guò)程通過(guò)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(shí)現(xiàn)。課本P4452010Copyright78SCUTDT&PLabs第7章傳輸信道

幀同步標(biāo)識(shí)符的周期性插入法(續(xù))

(2)輔助幀同步法在綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(ISDN)系統(tǒng)中采用異步轉(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(gè)信元可看作一個(gè)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(shí)符，而是采用一種利用循環(huán)冗余校驗(yàn)監(jiān)督位兼做信元定界的輔助的幀同步法。搜索監(jiān)督位的過(guò)程與幀同步標(biāo)識(shí)符集中式插法中搜索同步標(biāo)識(shí)符的方法基本一樣。其區(qū)別在于，搜索過(guò)程的逐比特搜索改為逐字節(jié)搜索；檢查是否為標(biāo)識(shí)符改為檢測(cè)是否監(jiān)督位。課本P4452010Copyright79SCUTDT&PLabs

幀同步標(biāo)識(shí)周期性分散插入法在幀同步標(biāo)識(shí)周期性分散插入法中，由若干比特組成的標(biāo)識(shí)符以比特為單位分別插入到每個(gè)幀(或每個(gè)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(shí)符的1個(gè)比特。下圖為采用101010…作為同步標(biāo)識(shí)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(gè)偶數(shù)幀的幀頭圖中以“×”標(biāo)識(shí)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P4462010Copyright80SCUTDT&PLabs同步標(biāo)識(shí)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(shí)間來(lái)衡量。

△M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(shí)的間隔為；

同步標(biāo)識(shí)的圖樣為“…0…0…0…0…”

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(guò)程移動(dòng)到下一位，在幀中相對(duì)移動(dòng)一位時(shí)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(guò)程移動(dòng)到下一幀的當(dāng)前位，在幀中是否相對(duì)移動(dòng)取決于當(dāng)前位是否為同步圖樣。第7章傳輸信道課本P4462010Copyright81SCUTDT&PLabs第7章傳輸信道同步標(biāo)識(shí)符的周期性插入法性能分析(續(xù))由此可得如下的關(guān)系

事件概率相對(duì)移動(dòng)1位所需時(shí)間

移動(dòng)1位所需的平均時(shí)間為課本P4462010Copyright82SCUTDT&PLabs第7章傳輸信道同步標(biāo)識(shí)符的周期性插入法性能分析(續(xù))在最不利的情況下