《數(shù)字通信原理》課件 項(xiàng)目六-認(rèn)識(shí)定時(shí)與同步

數(shù)字通信原理01項(xiàng)目1：認(rèn)識(shí)通信系統(tǒng)02項(xiàng)目2：認(rèn)識(shí)通信信號(hào)CONTENTS03項(xiàng)目3：認(rèn)知數(shù)字基帶傳輸04項(xiàng)目4：理解調(diào)制解調(diào)05項(xiàng)目5：揭秘編碼06項(xiàng)目6：認(rèn)知定時(shí)與同步07項(xiàng)目7：仿真數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)08項(xiàng)目8：仿真移動(dòng)通信系統(tǒng)09項(xiàng)目9：探索通信新技術(shù)項(xiàng)目6認(rèn)知定時(shí)與同步認(rèn)知定時(shí)與同步項(xiàng)目6項(xiàng)目描述通過(guò)日常使用的定位、導(dǎo)航，引入通信系統(tǒng)的定時(shí)系統(tǒng)、同步系統(tǒng)和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，分析原子鐘的種類和應(yīng)用，學(xué)習(xí)同步載波同步、碼元同步、群同步和網(wǎng)同步的實(shí)現(xiàn)方法，理解我國(guó)同步網(wǎng)的等級(jí)結(jié)構(gòu)。學(xué)會(huì)用SystemView進(jìn)行同步的仿真。項(xiàng)目分析本項(xiàng)目中涉及的定時(shí)系統(tǒng)和同步系統(tǒng)是通信系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)，通過(guò)分析高精度時(shí)鐘源和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，更好地認(rèn)知理解定時(shí)與同步的作用，為鍛煉持續(xù)的學(xué)習(xí)能力和理論聯(lián)系實(shí)際的職業(yè)素養(yǎng)提供基礎(chǔ)。認(rèn)知定時(shí)與同步項(xiàng)目6學(xué)習(xí)目標(biāo)在理解定時(shí)系統(tǒng)作用的基礎(chǔ)上，結(jié)合原子鐘的應(yīng)用和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展歷程，理解載波同步、碼元同步、群同步和網(wǎng)同步的實(shí)現(xiàn)，并實(shí)現(xiàn)從理論學(xué)習(xí)到軟件仿真的設(shè)計(jì)與實(shí)施。課程思政課程思政：結(jié)合我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中的重大工程和關(guān)鍵人物，認(rèn)識(shí)我國(guó)衛(wèi)星通信發(fā)展過(guò)程的技術(shù)創(chuàng)新和工匠精神，通過(guò)典型事件，激發(fā)學(xué)生的愛(ài)國(guó)熱情和攻關(guān)精神。認(rèn)識(shí)定時(shí)系統(tǒng)任務(wù)6.1任務(wù)目標(biāo)理解通信系統(tǒng)中定時(shí)的作用，了解作為基準(zhǔn)時(shí)鐘的原子鐘的類型以及在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。任務(wù)分析通信系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜龐大的系統(tǒng)，組成數(shù)字信號(hào)的碼元序列需要在收發(fā)端保持相同的步驟，理解收發(fā)定時(shí)系統(tǒng)的作用，進(jìn)一步了解原子鐘的類型和應(yīng)用。

6.1.1認(rèn)識(shí)收發(fā)定時(shí)系統(tǒng)發(fā)定時(shí)系統(tǒng)就是產(chǎn)生各種定時(shí)脈沖的系統(tǒng)，一般采用高精度的時(shí)鐘脈沖發(fā)生器作為主時(shí)鐘，然后經(jīng)過(guò)分頻，得到相應(yīng)頻率的路脈沖、位脈沖等，如圖6-1所示。1.

發(fā)定時(shí)系統(tǒng)2.收定時(shí)系統(tǒng)在點(diǎn)與點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)字傳輸時(shí)，接收端為了正確地再生所傳遞的信號(hào)，必須產(chǎn)生一個(gè)時(shí)間上與發(fā)送端信號(hào)同步的、位于最佳取樣判決位置的脈沖序列，這就是收定時(shí)系統(tǒng)

6.1.1認(rèn)識(shí)收發(fā)定時(shí)系統(tǒng)

6.1.2認(rèn)識(shí)原子鐘常用的原子鐘有銣鐘、氫鐘、銫鐘。銫鐘具有良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度，但體積、質(zhì)量和功耗，使用壽命短；銣鐘不需要真空系統(tǒng)和致偏磁鐵，具有較小的體積、質(zhì)量和功耗，短期穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度較好，但長(zhǎng)期穩(wěn)定性能不如銫鐘；氫鐘具有銫鐘和銣鐘所達(dá)不到的性能優(yōu)勢(shì)，但對(duì)溫控要求嚴(yán)格，體積、質(zhì)量和功耗也較大。1.原子鐘的類型2.原子鐘的應(yīng)用

6.1.2認(rèn)識(shí)原子鐘原子鐘的應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面：航海需要原子鐘；原子鐘與全球定位系統(tǒng)；原子鐘“登”上國(guó)際空間站；北斗上的原子鐘

任務(wù)6.1

認(rèn)識(shí)定時(shí)系統(tǒng)任務(wù)實(shí)施（1）根據(jù)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，理解生活中的定時(shí)應(yīng)用。（2）整理全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。認(rèn)知我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)任務(wù)6.2任務(wù)目標(biāo)了解我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展戰(zhàn)略，梳理發(fā)展階段，理解北斗一號(hào)、北斗二號(hào)和北斗三號(hào)的特征和功能區(qū)別。任務(wù)分析從宣布我國(guó)北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建成開(kāi)通的新聞入手，梳理其發(fā)展脈絡(luò)，從雙星定位的北斗一號(hào)，到三種軌道星座的區(qū)域?qū)Ш降谋倍范?hào)，直到發(fā)展到今天的世界范圍內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先的北斗三號(hào)，向全球提供定位、導(dǎo)航及授時(shí)服務(wù)，彰顯了中國(guó)力量。

6.2.1了解我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)北斗系統(tǒng)是由我國(guó)自主研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（BeiDouNavigationSatelliteSystem，BDS），建設(shè)與GPS相比起步較晚，但發(fā)展速度非?？?，其發(fā)展計(jì)劃成三步走戰(zhàn)略，如表6-1所示。

6.2.2

認(rèn)知北斗一號(hào)2000年，我國(guó)建成了由2顆北斗一號(hào)GEO軌道衛(wèi)星組成的國(guó)內(nèi)導(dǎo)航衛(wèi)星試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖6-2所示。2003年和2007年，我國(guó)又發(fā)射第3顆、第4顆北斗一號(hào)GEO軌道衛(wèi)星，進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)的性能。圖6-2由2顆北斗一號(hào)導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星組成的“雙星定位”系統(tǒng)示意圖

6.2.3

認(rèn)知北斗二號(hào)我國(guó)于2004年立項(xiàng)研制了北斗二號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗二號(hào)系統(tǒng)由運(yùn)行在3種軌道的衛(wèi)星組成2000年4月18日，國(guó)際電信聯(lián)盟批準(zhǔn)了我國(guó)申報(bào)的導(dǎo)航衛(wèi)星頻率和軌道，北斗二號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式取得了合法地位。2012年，我國(guó)建成了由14顆北斗二號(hào)衛(wèi)星（5顆GEO衛(wèi)星＋5顆IGSO衛(wèi)星＋4顆MEO衛(wèi)星）組成的區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星星座，如圖6-3所示。圖63北斗二號(hào)區(qū)域?qū)Ш叫亲?/p>

6.2.4

認(rèn)知北斗三號(hào)我國(guó)在2009年正式啟動(dòng)了北斗三號(hào)的建設(shè)。（1）3種軌道衛(wèi)星從2017年11月5日發(fā)射首批北斗三號(hào)MEO軌道衛(wèi)星起，我國(guó)正式開(kāi)始建造“北斗”全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。2020年6月23日，我國(guó)終于建成了由30顆北斗三號(hào)衛(wèi)星（3顆GEO衛(wèi)星＋3顆IGSO衛(wèi)星＋24顆MEO衛(wèi)星）組成的全球衛(wèi)星導(dǎo)航星座，如圖6-4所示。（2）性能明顯提高與北斗二號(hào)系統(tǒng)相比，北斗三號(hào)系統(tǒng)除了把服務(wù)區(qū)域由區(qū)域擴(kuò)大到全球覆蓋外，在定位精度和授時(shí)精度明顯提高，短信字?jǐn)?shù)、衛(wèi)星壽命大大增加。圖6-4北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航星座

任務(wù)6.2

認(rèn)識(shí)定時(shí)系統(tǒng)任務(wù)實(shí)施回顧我國(guó)北斗三號(hào)向全世界提供定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)的新聞事件。通過(guò)對(duì)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展闡述，強(qiáng)化北斗三號(hào)的強(qiáng)大功能和科技創(chuàng)新。分工協(xié)作，完成各種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)資料收集和學(xué)習(xí)，查找基于北斗的各種系統(tǒng)應(yīng)用。

認(rèn)知同步系統(tǒng)任務(wù)6.3任務(wù)目標(biāo)了解什么是同步，同步有哪些類型？理解載波同步、碼元同步、群同步和網(wǎng)同步的實(shí)現(xiàn)方法，了解我國(guó)數(shù)字同步網(wǎng)的等級(jí)結(jié)構(gòu)和各級(jí)時(shí)鐘源，并學(xué)會(huì)使用SystemView軟件進(jìn)行定時(shí)脈沖、導(dǎo)頻插入等仿真。任務(wù)分析從同步系統(tǒng)的重要性，引出同步的實(shí)現(xiàn)方式，解析每種同步方法的概念，有助于理解同步對(duì)于通信系統(tǒng)正常工作起的作用，通過(guò)SystemView軟件仿真，進(jìn)一步理解同步實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

6.3.1了解同步技術(shù)同步技術(shù)同步技術(shù)是整個(gè)通信系統(tǒng)有序、可靠、準(zhǔn)確的運(yùn)行支撐，因此同步的性能好壞直接影響到整個(gè)通信系統(tǒng)的性能好壞。（1）載波同步：在數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)中，采用相干解調(diào)時(shí)，接收端需要產(chǎn)生一個(gè)與接收信號(hào)中的調(diào)制載波同頻同相的相干載波。這個(gè)載波的獲取稱為載波提取或載波同步。；（2）碼元同步：碼元同步又稱時(shí)鐘同步或時(shí)鐘恢復(fù)。對(duì)于二進(jìn)制碼元而言，碼元同步又稱為位同步在數(shù)字通信系統(tǒng)中，不管采用基帶傳輸，還是頻帶傳輸，都需要碼元同步。

6.3.1了解同步技術(shù)同步技術(shù)（3）群同步：接收端必須產(chǎn)生與字、句和幀起止時(shí)間相一致的定時(shí)信號(hào)。我們稱獲得這些定時(shí)序列的過(guò)程為群（字、句、幀）同步；（4）網(wǎng)同步：載波同步、碼元同步、群同步技術(shù)可以保證兩點(diǎn)間的數(shù)字通信有序、準(zhǔn)確、可靠地進(jìn)行。為了保證通信網(wǎng)內(nèi)各用戶之間可靠的通信和交換數(shù)據(jù)，全網(wǎng)必須有一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘，這就是網(wǎng)同步的問(wèn)題。

6.3.2認(rèn)知載波同步載波同步又稱載波恢復(fù)，即在接收設(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，供給解調(diào)器作相干解調(diào)用。當(dāng)接收信號(hào)中包含離散的載頻分量時(shí)，在接收端需要從信號(hào)中分離出信號(hào)載波作為本地相干載波；這樣分離出的本地相干載波頻率必然和接收信號(hào)載波頻率相同，但是為了使相位也相同，可能需要對(duì)分離出的載波相位做適當(dāng)調(diào)整。

6.3.2認(rèn)知載波同步載波提取，可以用插入導(dǎo)頻法（外同步法）。所謂插入導(dǎo)頻，就是在已調(diào)信號(hào)頻譜中額外插入一個(gè)低功率的線譜，以便作為載波同步信號(hào)在接收端加以恢復(fù)，此線譜對(duì)應(yīng)的正弦波稱為導(dǎo)頻信號(hào)。頻域插入是插入的導(dǎo)頻在時(shí)間上是連續(xù)的，即信道中自始至終都有導(dǎo)頻信號(hào)傳送，如圖6-5（a）所示。時(shí)域插入導(dǎo)頻方法是按照一定的時(shí)間順序，在指定的時(shí)間內(nèi)發(fā)送載波標(biāo)準(zhǔn)，即把載波標(biāo)準(zhǔn)插到每幀的數(shù)字序列中，一般插入在幀同步脈沖之后，如圖6-5（b）所示。（a）頻域插入（b）時(shí)域插入圖6-5插入導(dǎo)頻示意圖

6.3.3認(rèn)知碼元同步在接收數(shù)字信號(hào)時(shí)，為了對(duì)每個(gè)接收碼元抽樣判決，必須知道每個(gè)接收碼元準(zhǔn)確的起止時(shí)刻。這就是說(shuō)，在接收端需要產(chǎn)生與接收碼元嚴(yán)格同步的時(shí)鐘脈沖序列，用它來(lái)確定每個(gè)碼元的抽樣判決時(shí)刻。碼元同步技術(shù)則是從接收信號(hào)中獲取同步信息，使此時(shí)鐘脈沖序列和接收碼元起止時(shí)刻保持正確關(guān)系的技術(shù)。時(shí)鐘脈沖序列是周期性的歸零脈沖序列，其周期與接收碼元周期相同，且相位和接收碼元的起止時(shí)刻對(duì)正。當(dāng)碼元同步時(shí)，此時(shí)鐘脈沖序列和接收碼元起止時(shí)刻保持著正確的時(shí)間關(guān)系。碼元同步技術(shù)則是從接收信號(hào)中獲取同步信息，使此時(shí)鐘脈沖序列和接收碼元起止時(shí)刻保持正確關(guān)系的技術(shù)。

6.3.3認(rèn)知碼元同步二進(jìn)制碼元傳輸系統(tǒng)的碼元同步可以分為兩大類。（1）外同步法。外同步法又稱輔助信息同步法。它在發(fā)送碼元序列中附加碼元同步用的輔助信息，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，以達(dá)到提取碼元同步信息的目的。常用的外同步法是于發(fā)送信號(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)。圖6-6插入碼元同步導(dǎo)頻法

6.3.3認(rèn)知碼元同步二進(jìn)制碼元傳輸系統(tǒng)的碼元同步可以分為兩大類。（2）自同步法。自同步法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，分為兩種，即開(kāi)環(huán)同步法和閉環(huán)同步法。由于二進(jìn)制等先驗(yàn)概率的不歸零（NRZ）碼元序列中沒(méi)有離散的碼速率頻譜分量，故需要在接收時(shí)對(duì)其進(jìn)行某種非線變換，才能使其頻譜中含有離散的碼元速率頻譜分量，并從中提取碼元定時(shí)信息，如圖6-7所示。圖6-7濾波法

6.3.4認(rèn)知群同步群同步又稱幀同步或字符同步，在載數(shù)字通信中，通常用若干個(gè)碼元表示一定的意義。在發(fā)送數(shù)字信號(hào)序列中周期性地插入標(biāo)示一個(gè)字符或一幀圖像碼元的起止位置的同步碼元，否則接收端將無(wú)法識(shí)別連續(xù)數(shù)字序列中每個(gè)字符或每幀的起始碼元位置，稱為起止式同步法。集中插入法，又稱連貫式插入法，將標(biāo)志媽組開(kāi)始位置的群同步碼插入于一個(gè)碼組的前面。一般來(lái)說(shuō)，接收端需要利用群同步碼去劃分接收碼元序列。群同步碼的插入有兩種方法：一種是集中插入，另一種是分散插入。圖6-8起止式同步法圖6-9群同步碼的插入方法

6.3.5認(rèn)知網(wǎng)同步同步網(wǎng)是由節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘設(shè)備和定時(shí)鏈路組成的一個(gè)實(shí)體網(wǎng)，負(fù)責(zé)為各種業(yè)務(wù)網(wǎng)提供定時(shí)，以實(shí)現(xiàn)各種業(yè)務(wù)網(wǎng)的同步，是電信網(wǎng)能夠正常運(yùn)行的支撐系統(tǒng)。同步網(wǎng)的基本功能是準(zhǔn)確地將同步信息從基準(zhǔn)時(shí)鐘向同步網(wǎng)的各下級(jí)或同級(jí)節(jié)點(diǎn)傳遞，從而建立并保持全網(wǎng)同步。我國(guó)同步網(wǎng)等級(jí)結(jié)構(gòu)，如圖6-10所示。圖6-10我國(guó)同步網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖