通信原理教程同步

通信原理教程同步演示文稿1目前一頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于五點(diǎn)（優(yōu)選）通信原理教程同步.2目前二頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于五點(diǎn)7.2載波同步方法 7.2.1插入導(dǎo)頻法 例：2PSK信號(hào)。在發(fā)送端：插入正交導(dǎo)頻

m(t)頻譜中的最高頻率為fm

f0

–fmf0

+fm0f0f導(dǎo)頻3目前三頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于五點(diǎn)在接收端： 用窄帶濾波器濾出導(dǎo)頻分量，并將其移相/2，變成sin0t，然后用它和接收信號(hào)相乘。 設(shè)接收信號(hào)仍用s0(t)表示，則此乘積為 濾除20頻率分量，就可以恢復(fù)出原調(diào)制信號(hào)m(t)。若不用正交導(dǎo)頻，接收端輸出將增加直流分量。4目前四頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于五點(diǎn)原理方框圖相乘電路帶通濾波相加電路/2相移載波產(chǎn)生(a)發(fā)送端原理方框圖帶通濾波相乘電路低通濾波/2相移窄帶濾波(b)接收端原理方框圖圖7.2.2插入導(dǎo)頻法原理方框圖5目前五頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于五點(diǎn)7.2.2直接提取法平方法原理 對(duì)于沒有載波分量的信號(hào)，例如2PSK信號(hào)， 設(shè)接收信號(hào)為s(t)： 式中，m(t)為調(diào)制信號(hào)，它無(wú)直流分量。 將此接收信號(hào)平方后，得到 用窄帶濾波器將上式中2f0分量濾出，經(jīng)過二分頻，就得出載頻f0的分量。原理方框圖如下：S(t)S2(t)窄帶濾波二分頻平方f02f06目前六頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于五點(diǎn)存在問題：二分頻電路的初始狀態(tài)是隨機(jī)的，使分頻輸出的初始相位有兩種可能狀態(tài)：0和,即相位是模糊的用鎖相環(huán)代替窄帶濾波器的方案原理方框圖優(yōu)點(diǎn)：輸出信號(hào)具有更好的穩(wěn)定性，并且不必須有連續(xù)的輸入信號(hào)。平方二分頻壓控振蕩相乘環(huán)路濾波2f0S(t)S2(t)f0鎖相環(huán)7目前七頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于五點(diǎn)科斯塔斯環(huán)法－同相正交環(huán)法原理方框圖原理 設(shè)：接收信號(hào)仍為抑制載波的雙邊帶信號(hào)s(t)，本地載波電壓為 式中，為信號(hào)和本地載波的相位差。bes(t)c/2移相相乘壓控振蕩環(huán)路濾波低通相乘低通相乘adfg解調(diào)輸出8目前八頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于五點(diǎn) 輸入信號(hào)s(t)和本地載波相乘后得到 經(jīng)過低通濾波后，它們分別為： 和 上面這兩個(gè)電壓再相乘后得到 上式中，是本地載波相位與接收信號(hào)載波相位之差。

vg經(jīng)過環(huán)路濾波器后加到壓控振蕩器上，控制其振蕩頻率。 當(dāng)=0時(shí)，vg=0，這時(shí)振蕩器的控制電壓也等于0。9目前九頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于五點(diǎn)結(jié)論：此壓控振蕩器的輸出電壓va就是從接收信號(hào)中提取的載波，可以用來(lái)進(jìn)行相干接收。e點(diǎn)電壓ve就是解調(diào)輸出電壓，因?yàn)樗频扔趍(t)/2。優(yōu)缺點(diǎn)：不需要用平方電路，它在頻率很高時(shí)較難實(shí)現(xiàn)。若要求得到最佳性能，則需要兩路低通濾波器的性能完全一致，這對(duì)于模擬電路來(lái)說(shuō)較難做到，但是若用數(shù)字電路則不難做到。仍存在相位模糊問題。10目前十頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于五點(diǎn)從多進(jìn)制信號(hào)中提取載頻以QPSK信號(hào)為例，說(shuō)明平方法的原理。 設(shè)：一個(gè)QPSK信號(hào)的表示式為 式中， 對(duì)其平方后，得到 對(duì)于先驗(yàn)等概率的QPSK信號(hào)，上式中的“”號(hào)表示其中的20分量的平均功率等于零，即其頻譜中沒有20的分量。因此，需要濾除其中的直流分量后，再次平方，得到 上式中含有4f0的分量。將它濾出并4分頻，即可得到載頻f0分量。11目前十一頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于五點(diǎn)QPSK信號(hào)提取載頻的科斯塔斯環(huán)原理方框圖s(t)相乘/4移相低通相乘相乘壓控振蕩環(huán)路濾波低通解調(diào)輸出相乘/2移相相乘3/4移相低通低通12目前十二頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于五點(diǎn)7.2.3載波同步性能載波同步精確度： 兩種相位誤差：1.由電路參量引起的恒定誤差； 2.由噪聲引起的隨機(jī)誤差。恒定誤差由濾波器引起的誤差 設(shè)：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鎖相環(huán)引起的誤差 設(shè)鎖相環(huán)的穩(wěn)態(tài)相位誤差為，則有 式中，f－fq和f0之差，

Kq－鎖相環(huán)路直流增益。13目前十三頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于五點(diǎn)隨機(jī)誤差：噪聲引起的相位誤差n是隨機(jī)量

在加性高斯噪聲信道中，n的方差與信噪比r的關(guān)系為： 式中，－相位抖動(dòng)； r－信號(hào)噪聲功率比。恒定誤差和隨機(jī)誤差對(duì)于Q值的要求是矛盾的。同步建立時(shí)間和保持時(shí)間同步建立時(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－越短越好。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－越長(zhǎng)越好。兩者是矛盾的。14目前十四頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于五點(diǎn)載波同步誤差對(duì)2PSK信號(hào)誤碼率的影響相位誤差包括兩部分：

＝

＋

式中，－恒定誤差

－隨機(jī)誤差∵解調(diào)輸出為 式中cos引起信號(hào)電壓下降，

∴信號(hào)噪聲功率比r下降為cos2倍。因此，誤碼率下降為 式中，r為信號(hào)噪聲功率比。15目前十五頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于五點(diǎn)載波同步誤差引起的信號(hào)波形失真 例如，會(huì)使單邊帶信號(hào)產(chǎn)生失真。 設(shè)有一單頻基帶信號(hào)： 用它對(duì)載波cos0t進(jìn)行單邊帶調(diào)制后，取出上邊帶信號(hào)： 若接收端的本地載波有相位誤差，則兩者相乘后得到 經(jīng)過低通濾波器濾出的低頻分量為 上式中，第1項(xiàng)的因子cos使原調(diào)制基帶信號(hào)受到衰減； 第2項(xiàng)和第1項(xiàng)正交，它使接收信號(hào)產(chǎn)生失真， 產(chǎn)生碼間串?dāng)_。16目前十六頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于五點(diǎn)7.3位同步－碼元同步 7.3.1外同步法－輔助信息同步法原理：于發(fā)送端信號(hào)中插入頻率為碼元速率（1/T）或碼元速率的倍數(shù)的位同步信號(hào)。 在接收端利用一個(gè)窄帶濾波器，將其分離出來(lái)，并形成碼元定時(shí)脈沖。插入位同步信號(hào)的方法：時(shí)域：連續(xù)插入、不連續(xù)插入（“位同步頭”）頻域：信號(hào)頻帶外插入、信號(hào)頻帶內(nèi)“空隙”處插入。優(yōu)缺點(diǎn)：設(shè)備較簡(jiǎn)單；但占用一定的帶寬和發(fā)送功率。 7.3.2自同步法開環(huán)碼元同步法－同步電路直接從輸入碼流中提取發(fā)送碼流的時(shí)鐘。 下面給出3個(gè)具體方案。17目前十七頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于五點(diǎn)波形變換法18目前十八頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于五點(diǎn)延遲相乘法19目前十九頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于五點(diǎn)微分整流法時(shí)間誤差：若窄帶濾波器的帶寬等于1/KT，則 當(dāng)式中，－同步誤差時(shí)間；

T－碼元持續(xù)時(shí)間；

Eb－碼元能量；

n0－單邊噪聲功率譜密度。因此，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。開環(huán)法主要缺點(diǎn)：存在非零平均同步跟蹤誤差。20目前二十頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于五點(diǎn)閉環(huán)碼元同步法－“超前/滯后門”同步器相乘門波形產(chǎn)生超前門滯后門m(t)相乘壓控振蕩u1u2環(huán)路濾波||||++-|u1||u2|e=|u2|-|u1|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21目前二十一頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于五點(diǎn)7.3.3位同步誤差對(duì)于誤碼率的影響 若位同步時(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。

∴對(duì)于等概率隨機(jī)碼元信號(hào)，有突變的邊沿和無(wú)突變的邊沿各占1/2。 例：2PSK信號(hào)的最佳誤碼率等于 故在有相位誤差時(shí)的平均誤碼率為22目前二十二頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于五點(diǎn)7.4群同步 7.4.1概述

群同步信息的傳遞1.碼組本身自帶分組信息

2.插入群同步碼

分散插入

集中插入

(a)分散插入法……群同步序列群同步碼元群同步碼元群同步碼元信號(hào)碼元群信號(hào)碼元群群同步碼元信號(hào)碼元群(a)集中插入法群同步碼組群同步碼組群同步碼組群同步碼組信號(hào)碼元群信號(hào)碼元群信號(hào)碼元群………23目前二十三頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于五點(diǎn)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(chǎng)合分散插入：需要較長(zhǎng)的同步建立時(shí)間。故適用于連續(xù)傳輸信號(hào)之處，例如數(shù)字電話系統(tǒng)中同步電路的兩種狀態(tài)：捕捉態(tài)和保持態(tài)。起止式同步法： 主要適用于低速的手工操作的電傳打字機(jī)中。 起止式同步通信有時(shí)也稱為異步式通信，因?yàn)槠浯a元間隔不等。起止止1234524目前二十四頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于五點(diǎn) 7.4.2集中插入法原理 設(shè)有一個(gè)碼組，它包含N個(gè)碼元{x1,x2,…,xN}，則其局部自相關(guān)函數(shù)（下面簡(jiǎn)稱自相關(guān)函數(shù)）等于： 式中，N－碼組中的碼元數(shù)目；

xi－碼元的取值，可以取+1或-1。 當(dāng)j=0時(shí)， 上式在運(yùn)算中，已假定當(dāng)1>i和i>N時(shí)，xi=0。

若一個(gè)碼組僅在R(0)處出現(xiàn)峰值，其他處的R(j)均很小，則可以用求自相關(guān)函數(shù)的方法對(duì)于接收碼元序列運(yùn)算，尋找峰值，從而確定此碼組的位置。25目前二十五頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于五點(diǎn)巴克碼定義： 巴克碼尚未找到一般構(gòu)造方法N巴克碼1＋2＋＋或＋－3＋＋－4＋＋＋－或＋＋－＋5＋＋＋－＋7＋＋＋――＋－11＋＋＋―――＋――＋－13＋＋＋＋＋――＋＋－＋－＋26目前二十六頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于五點(diǎn)自相關(guān)函數(shù)值：以N=5的巴克碼為例R(0)=5xixixi2xi+1xixi+1xiR(1)=0xi+2xixixi+2R(2)=1xi+3xixixi+3R(3)=0xi+4xixixi+4R(4)=10-1 53214123-4-1-3-2jR(j)27目前二十七頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于五點(diǎn)威拉德(Willard)碼： 對(duì)于隨機(jī)相鄰碼元能給出最小錯(cuò)誤同步概率。N威拉德碼1＋2＋－3＋＋－4＋＋－－5＋＋－＋－7＋＋＋―＋――11＋＋＋―＋＋―＋―――13＋＋＋＋＋――＋－＋―――28目前二十八頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于五點(diǎn)集中插入法的實(shí)現(xiàn)一旦發(fā)現(xiàn)自相關(guān)值等于同步碼組的長(zhǎng)度N時(shí)，就認(rèn)為捕捉到了同步，并將系統(tǒng)從捕捉態(tài)轉(zhuǎn)換為保持態(tài)。

繼續(xù)考察同步位置上的接收碼組是否仍然具有等于N的自相關(guān)值。

當(dāng)系統(tǒng)失去同步時(shí)，自相關(guān)值立即下降。因?yàn)樵肼曇部赡芤鹱韵嚓P(guān)值下降。所以為了保護(hù)同步狀態(tài)不易被噪聲等干擾打斷，在保持狀態(tài)時(shí)要降低對(duì)自相關(guān)值的要求。判定系統(tǒng)失步后，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入捕捉態(tài)，從新捕捉同步碼組。29目前二十九頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于五點(diǎn) 7.4.3分散插入法－間隔式插入法例：在數(shù)字電話系統(tǒng)中常采用的“1/0”交替碼……群同步序列…..1010101010…群同步碼元群同步碼元群同步碼元信號(hào)碼元群信號(hào)碼元群群同步碼元信號(hào)碼元群PPP30目前三十頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于五點(diǎn)同步碼搜索方法移位搜索法Y初始化開始同步狀態(tài)移一位是同步碼？記數(shù)器A記到n？記數(shù)器A加1N狀態(tài)轉(zhuǎn)換YYN置0是同步碼？記數(shù)器B加1記數(shù)器B記到m？N記數(shù)器C加1Y記數(shù)器C記到n？置0保持態(tài)捕捉態(tài)將同步狀態(tài)設(shè)為捕捉態(tài)將各記數(shù)器置031目前三十一頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于五點(diǎn)存儲(chǔ)檢測(cè)法0102030405060708xxxxxxx00910111213141516xxxxxxx

11718192021222324xxxxxxx

02526272829303132xxxxxxx

13334353637383940xxxxxxx0新碼元進(jìn)入老碼元輸出檢驗(yàn)是否“1/0”交替32目前三十二頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于五點(diǎn) 7.4.4群同步性能漏同步概率Pl：將正確同步位置漏過的概率。 設(shè)：接收碼元錯(cuò)誤概率為p， 需檢驗(yàn)的同步碼元數(shù)為n， 檢驗(yàn)時(shí)容許錯(cuò)誤的最大碼元數(shù)為m， 則未漏判定為同步碼的概率等于 所以，漏同步概率等于 當(dāng)不允許有錯(cuò)誤時(shí)，即設(shè)定m=0時(shí)，則上式變?yōu)?3目前三十三頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于五點(diǎn)假同步概率Pf

： 將錯(cuò)誤同步位置當(dāng)作正確同步位置捕捉到的概率。 設(shè)：信息碼元“1”和“0”出現(xiàn)的先驗(yàn)概率相等， 假同步是由某個(gè)信息碼組被誤認(rèn)為同步碼組造成的， 同步碼組長(zhǎng)度為n， 則 n位的信息碼組有2n種排列。它被錯(cuò)當(dāng)成同步碼組的 概率和容許錯(cuò)誤碼元數(shù)m有關(guān)。 若不容許有錯(cuò)碼，即m=0，則只有一種可能，即信息碼組中的每個(gè)碼元恰好都和同步碼元相同。 若m=1，則有Cn1種可能。 因此假同步的總概率為

式中，分母2n是全部可能出現(xiàn)的信息碼組數(shù)。當(dāng)m增大時(shí)，漏同步概率減小，但假同步概率增大。所以，兩者是矛盾的。34目前三十四頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于五點(diǎn)7.5網(wǎng)同步 7.5.1概述目的：解決網(wǎng)中各站的載波同步、位同步和群同步等問題單向通信：由接收機(jī)解決網(wǎng)同步問題。多用戶系統(tǒng)：由整個(gè)終端站（發(fā)射機(jī)和接收機(jī)）解決同步 問題。終端站發(fā)射機(jī)同步方法：有開環(huán)和閉環(huán)兩種。開環(huán)法：不需依靠對(duì)中心站上接收信號(hào)參量的測(cè)度， 它依靠的是準(zhǔn)確的可以預(yù)測(cè)的鏈路參量。優(yōu)點(diǎn)：捕捉快、不需要反向鏈路也能工作和實(shí)時(shí)算 量小。缺點(diǎn)：需要外部有關(guān)部門提供所需的鏈路參量數(shù) 據(jù)，并且缺乏靈活性。35目前三十五頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于五點(diǎn)閉環(huán)法：不需要預(yù)先得知鏈路參量的數(shù)據(jù)，中心站需要度量來(lái)自終端站的信號(hào)的同步準(zhǔn)確度，并將度量結(jié)果通過反向信道送給終端站，使其作出調(diào)整。優(yōu)點(diǎn)：不需要外部供給有關(guān)鏈路參量的數(shù)據(jù)，能及時(shí)適應(yīng)路徑和鏈路情況的變化。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(zhǎng)的時(shí)間。36目前三十六頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于五點(diǎn) 7.5.1開環(huán)法兩類開環(huán)法：1.不利用反向鏈路提供的信息， 2.利用反向鏈路提供的信息。例： 1.衛(wèi)星通信系統(tǒng)－不利用反向鏈路提供的信息時(shí)預(yù)先校正時(shí)間：終端站發(fā)射機(jī)需要計(jì)算信號(hào)到達(dá)中心站的時(shí)間： 式中，Tt－實(shí)際發(fā)送開始時(shí)間； d－傳輸距離；c－光速。預(yù)先校正發(fā)送頻率：考慮多譜勒頻移后，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)送頻率。37目前三十七頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于五點(diǎn)時(shí)間預(yù)測(cè)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。頻率預(yù)測(cè)誤差 式中，Ve－發(fā)射機(jī)和接收機(jī)間相對(duì)速度的測(cè)量值誤差 或預(yù)測(cè)值的誤差；

f－發(fā)射機(jī)和接收機(jī)參考頻率間的誤差。參考頻率最大容許誤差(Hz/Hz/day)

38目前三十八頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于五點(diǎn)頻率偏移隨時(shí)間線性增大值 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）。積累的時(shí)間偏差t(T) 由上式可以看出，參考時(shí)間誤差隨時(shí)間按平方律增長(zhǎng)。 通常必須定期地更新終端站的接收機(jī)定時(shí)數(shù)據(jù)，或重新將接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的參考時(shí)間設(shè)置到標(biāo)稱時(shí)間。39目前三十九頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于五點(diǎn) 2.衛(wèi)星通信系統(tǒng)－利用反向鏈路提供的信息時(shí)對(duì)下行鏈路信號(hào)測(cè)量得到的t和f的誤差，可以用于計(jì)算對(duì)上行傳輸?shù)男Ｕ?。若終點(diǎn)站有來(lái)自中心站的反向（下行）鏈路，并能夠?qū)⒈镜貐⒖己洼斎胄盘?hào)參量作比較，則兩次校準(zhǔn)的時(shí)間間隔可以更長(zhǎng)些。終端站能夠利用對(duì)反向鏈路信號(hào)測(cè)量進(jìn)行同步的方法有時(shí)稱為準(zhǔn)閉環(huán)發(fā)射機(jī)同步法。若已知參考時(shí)間和參考頻率是準(zhǔn)確的，但是鏈路的路徑有變動(dòng)，則對(duì)下行鏈路的同樣測(cè)量也