第13章同步原理簡化.ppt

1、1,通信原理,2,通信原理,第13 同步原理,3,第13章 同步原理,13.1 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)。 目的：在接收設(shè)備中產(chǎn)生一個和接收信號的載波同頻、同相的本地振蕩，用于相干解調(diào)。 方法： 接收信號中有載頻分量時：需要調(diào)整其相位。 接收信號中無載頻分量時：需從信號中提取載波，或插入輔助同步信息。,4,第13章 同步原理,碼元同步：又稱時鐘同步或時鐘恢復(fù)。 對于二進(jìn)制信號，又稱位同步。 目的：得知每個接收碼元準(zhǔn)確的起止時刻，以便決定積分和判決時刻。 方法：從接收信號中獲取同步信息，由其產(chǎn)生一時鐘脈沖序列，使后者和接收碼元起

2、止時刻保持正確關(guān)系?；虿迦胼o助同步信息。 群同步：又稱幀同步。 目的：將接收碼元正確分組。 方法：通常需要在發(fā)送信號中周期性地插入一個同 步碼元，標(biāo)示出分組位置。 網(wǎng)同步：使通信網(wǎng)中各站點時鐘之間保持同步。,5,第13章 同步原理,13.2 載波同步 13.2.1 有輔助導(dǎo)頻時的載頻提取 用于不包含載頻分量的信號。 在發(fā)送信號中另外加入一個或幾個導(dǎo)頻信號。 多采用鎖相環(huán)（PLL）提取載波。 鎖相環(huán)原理方框圖：,6,第13章 同步原理,對環(huán)路濾波器的要求：通帶越窄，能夠通過的噪聲越少，但是對導(dǎo)頻相位漂移的限制越大。 數(shù)字化接收機(jī)中鎖相環(huán)的實現(xiàn)方法： 窄帶濾波器：改用數(shù)字濾波器 壓控振蕩器：用只讀

3、存儲器代替 鑒相器：可以是一組匹配濾波器,7,第13章 同步原理,13.2.2 無輔助導(dǎo)頻時的載波提取 平方環(huán)：以2PSK信號為例進(jìn)行討論。設(shè)信號 式中，m(t) = 1 當(dāng)m(t)取+1和-1的概率相等時，此信號的頻譜中無角頻率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：,8,第13章 同步原理,此方案的缺點： 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的影響。 2、錯誤鎖定：平方后的接收電壓中

4、有可能存在其他的離散頻率分量，使鎖相環(huán)鎖定在錯誤的頻率上。解決這個問題的辦法是降低環(huán)路濾波器的帶寬。,9,第13章 同步原理,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：,10,第13章 同步原理,工作原理 a點的壓控振蕩電壓為： b點的壓控振蕩電壓為： c點的電壓： d點的電壓： e點的電壓： f點的電壓： g點的電壓： 上式中的( - )是壓控振蕩電壓和接收載波相位之差。,11,第13章 同步原理,將m(t) = 1代入上式，并考慮到當(dāng)( - )很小時，sin( - ) ( - )，則上式變?yōu)?電壓vg 通過環(huán)路濾波器，控制壓控振蕩器的振蕩頻率。 這個電壓控制壓控振蕩器的輸出電壓

5、相位，使( - )盡可能地小。當(dāng) 時，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。,12,第13章 同步原理,由上式可見，當(dāng)( - )很小時，除了差一個常數(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)本身就同時兼有提取相干載波和相干解調(diào)的功能。 優(yōu)缺點： 1、不需要對接收信號作平方運算，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( - )值接近0的穩(wěn)定點有兩個，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。,13,第13章 同步原理,多

6、進(jìn)制信號的載頻恢復(fù) 例：QPSK信號提取載頻的科斯塔斯環(huán)法原理方框圖,14,第13章 同步原理,13.2.3 載波同步的性能 相位誤差 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 恒定誤差分析： 當(dāng)提取載波電路中存在窄帶濾波器時，若其中心頻率fq和載波頻率f0不相等，存在頻率偏差f，則載波通過它時會有附加相移。設(shè)此窄帶濾波器由一個單諧振電路組成，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。,15,第13章 同步原理,當(dāng)提取載頻的電路中采用鎖相環(huán)時，若鎖相環(huán)工作在穩(wěn)態(tài)，壓控振蕩電壓的頻率f0應(yīng)當(dāng)和信號載頻fc相同，并且其相位誤差應(yīng)當(dāng)很小。

7、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。,16,第13章 同步原理,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，所以是一個隨機(jī)量。當(dāng)大信噪比時，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,17,第13章 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的方差與信號噪聲功率比r的關(guān)系為 所以，當(dāng)大信噪比時，由窄帶高斯噪聲引起

8、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，并記為。,18,第13章 同步原理,在提取載頻電路中的窄帶濾波器對于信噪比有直接的影響。對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，恒定相位誤差和隨機(jī)相位誤差對于Q值的要求是矛盾的。,19,第13章 同步原理,同步建立時間和保持時間 同步建立時間：從開始接收到信號（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間。 顯然我們要求此時間越短越好。在同步建立時間內(nèi)，由于相干載

9、頻的相位還沒有調(diào)整穩(wěn)定，所以不能正確接收碼元。 同步保持時間：從開始失去信號到失去載頻同步的時間。 顯然希望此時間越長越好。長的同步保持時間有可能使信號短暫丟失時，或接收斷續(xù)信號時，不需要重新建立同步，保持連續(xù)提供穩(wěn)定的本地載頻。,20,第13章 同步原理,同步建立時間和保持時間的關(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。一個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正弦振蕩時，它輸出端振蕩的建立時間越長；當(dāng)輸入振蕩截止時，輸出端振蕩的保持時間也越長。顯然，這個特性和我們對于同步性能的要求是相左的，即建立時間短和保持時間長是互相矛盾的要求。在設(shè)計同步系統(tǒng)時只能折

10、中處理。,21,第13章 同步原理,載波同步誤差對解調(diào)信號的影響 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） ，現(xiàn)在將其寫為： 相位誤差對于2PSK信號誤碼率的影響： 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)信號電壓下降。因此信號噪聲功率比r下降至cos2( - )倍。將它代入誤碼率公式，得到相位誤差為( - )時的誤碼率等于 式中，r為信號噪聲功率比。,22,第13章 同步原理,相位誤差對于單邊帶信號的影響 設(shè)有一單頻基帶信號 它對載波cosct進(jìn)行單邊帶調(diào)制后，取出上邊帶信號 傳輸?shù)浇邮斩?。?/p>

11、接收端的本地相干載波有相位誤差，則兩者相乘后得到 經(jīng)過低通濾波器濾出的低頻分量為 其中第1項是原調(diào)制基帶信號，但是受到因子cos的衰減；第2項是和第1項正交的項，它使接收信號產(chǎn)生失真。,23,第13章 同步原理,13.3 碼元同步 碼元同步目的：準(zhǔn)確的時刻對接收碼元進(jìn)行判決，以及對接收碼元能量正確積分。 碼元同步方法：從接收碼元的起止時刻產(chǎn)生一個碼元同步脈沖序列，或稱定時脈沖序列。 碼元同步方法分類： 外同步法：它是一種利用輔助信息同步的方法，需要在信號中另外加入包含碼元定時信息的導(dǎo)頻或數(shù)據(jù)序列。 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信息。顯然，這種方法要求在信息碼元

12、序列中含有碼元定時信息。,24,第13章 同步原理,13.3.1 外同步法 常用的外同步法：于發(fā)送信號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。在接收端利用一個窄帶濾波器，將其分離出來，并形成碼元定時脈沖。 優(yōu)缺點：優(yōu)點是設(shè)備較簡單；缺點是需要占用一定的頻帶寬帶和發(fā)送功率。 插入碼元同步信號的方法 時域： 連續(xù)插入 增加“同步頭” 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 外同步法目前采用不多。,25,第13章 同步原理,13.3.2 自同步法 自同步法分類： 開環(huán)同步法：由于二進(jìn)制等先驗概率的不歸零碼元序列中沒有離散

13、的碼元速率頻譜分量，故需要在接收時對其進(jìn)行某種非線性變換，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信息。 閉環(huán)同步法：用比較本地時鐘周期和輸入信號碼元周期的方法，將本地時鐘鎖定在輸入信號上。,26,第13章 同步原理,開環(huán)碼元同步法 延遲相乘法原理方框圖 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。 延遲時間等于碼元時間一半 時，碼元速率分量最強(qiáng)。,27,第13章 同步原理,微分整流法原理 同步誤差 若窄帶濾波器的帶寬等于1/KT，其中K為一個常數(shù)，則提取

14、同步的時間誤差比例為： T 碼元持續(xù)時間； 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。,式中， 同步誤差時間的均值；,28,第13章 同步原理,13.3.3 碼元同步誤差對于誤碼率的影響 在用匹配濾波器或相關(guān)器接收碼元時，其積分器的積分時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，若碼元同步時間誤差為，則積分時間將損失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，則積分時間沒有損失。對于等概率隨機(jī)碼元信號，

15、有突變的邊沿和無突變的邊沿各占1/2。以等概率2PSK信號為例，其最佳誤碼率為： 故在有相位誤差時的平均誤碼率為,29,第13章 同步原理,13.4 群同步 13.4.1 概述 群同步碼的種類： 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間很短的場合。,30,第13章 同步原理,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。,31,第13章 同步原理,同步電路的狀態(tài)： 捕捉態(tài)：在捕捉態(tài)時，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。 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，這時為了防止因為

16、噪聲引起的個別錯誤導(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。,32,第13章 同步原理,13.4.2 集中插入法：又稱連貫式插入法。 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別出來。 局部自相關(guān)函數(shù)定義：設(shè)有一個碼組，它包含N個碼元，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。,33,第13章 同步原理,顯然可見，當(dāng)j = 0時， 若一個碼組的自相關(guān)函數(shù)僅在R(0)處

17、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。 巴克碼：常用的一種群同步碼。 定義：設(shè)一個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)的絕對值均不大于1。這就是說，凡是滿足上式的碼組，就稱為巴克碼。,34,第13章 同步原理,巴克碼組列表： 表中各碼組的反碼（即正負(fù)號相反的碼）和反序碼（即時間順序相反的碼）也是巴克碼。,35,第13章 同步原理,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： 由以上計算結(jié)果可見，其自相關(guān)函數(shù)

18、絕對值除R(0)外，均不大于1。,36,第13章 同步原理,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時的R(j)值稱為主瓣，其他處的值稱為旁瓣。 實際通信情況中，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，近似地符合在實際通信情況中計算全部自相關(guān)函數(shù)的結(jié)果。,37,第13章 同步原理,集中插入法群同步碼檢測流程,38,第13章 同步原理,13.4.3 分散插入法： 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

19、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。,39,第13章 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)周期搜索若干個周期。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現(xiàn)。,40,第13章 同步原理,軟件搜索方法 移位搜索法 系統(tǒng)開始處于捕捉態(tài)。 對接收碼元逐個考察，若考察的

20、第一個接收碼元就發(fā)現(xiàn)它符合群同步碼元的要求，則暫時假定它就是群同步碼元； 在等待一個周期后，再考察下一個預(yù)期位置上的碼元是否還符合要求。若連續(xù)n個周期都符合要求，就認(rèn)為捕捉到了群同步碼。 若第一個接收碼元不符合要求或在n個周期內(nèi)出現(xiàn)一次被考察的碼元不符合要求，則推遲一位考察下一個接收碼元。直至找到符合要求的碼元并保持連續(xù)n個周期都符合為止；這時捕捉態(tài)轉(zhuǎn)為保持態(tài)。,41,第13章 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因噪聲偶然發(fā)生一次錯誤而導(dǎo)致錯認(rèn)為失去同步，一般可以規(guī)定在連續(xù)n個周期內(nèi)發(fā)生m次(m n)考察錯誤才認(rèn)為是失去同步。這種措施稱為同步保護(hù)。在下

21、圖中畫出了上述方法的流程圖。,42,第13章 同步原理,43,第13章 同步原理,存儲檢測法。 先將接收碼元序列存在計算機(jī)的RAM中，再進(jìn)行檢驗。下圖畫出了一個RAM的示意圖，它按先進(jìn)先出(FIFO)的原理工作：,44,第13章 同步原理,圖中畫出的存儲容量為40 b，相當(dāng)于5幀信息碼元長度，每幀長8 b，其中包括1 b同步碼。 在每個方格中，上部陰影區(qū)內(nèi)的數(shù)字是碼元的編號，下部的數(shù)字是碼元的取值“1”或“0”，而“x”代表任意值。編號為“01”的碼元最先進(jìn)入RAM，編號“40”的碼元為當(dāng)前進(jìn)入RAM的碼元。 每當(dāng)進(jìn)入1比特時，立即檢驗最右列存儲位置中的碼元是否符合同步序列的規(guī)律（例如，“10

22、”交替）。按照圖示，相當(dāng)只連續(xù)檢驗了5個周期。 若它們都符合同步序列的規(guī)律，則判定新進(jìn)入的碼元為同步碼元。若不完全符合，則在下1比特進(jìn)入時繼續(xù)檢驗。,45,第13章 同步原理,實際應(yīng)用的方案中，這種方案需要連續(xù)檢驗的幀數(shù)和時間可能較長。例如在單路數(shù)字電話系統(tǒng)中，每幀長度可能有50多比特，而檢驗幀數(shù)可能有數(shù)十幀。這種方法也需要加用同步保護(hù)措施。它的原理與第一種方法中的類似。,46,第13章 同步原理,13.4.4 群同步性能 主要性能指標(biāo)： 假同步概率Pf ：當(dāng)捕捉時同步系統(tǒng)將錯誤的同步位置當(dāng)作正確的同步位置捕捉到。產(chǎn)生假同步的主要原因是由于噪聲的影響使信息碼元錯成同步碼元。 漏同步概率Pl：同

23、步系統(tǒng)將正確的同步位置漏過而沒有捕捉到。漏同步的主要原因是噪聲的影響，使正確的同步碼元變成錯誤的碼元。,47,第13章 同步原理,計算漏同步概率：設(shè)接收碼元錯誤概率為p，需檢驗的同步碼元數(shù)為n，檢驗時容許錯誤的最大碼元數(shù)為m，則未漏判定為同步碼的概率等于 式中，Cnr為n中取r的組合數(shù)。 所以，漏同步概率等于 當(dāng)不允許有錯誤時，即設(shè)定m = 0時，則上式變?yōu)?上式就是不允許有錯同步碼時漏同步的概率。,48,第13章 同步原理,計算假同步概率 假設(shè)信息碼元是等概率的，即其中“1”和“0”的先驗概率相等；并且假設(shè)假同步完全是由于某個信息碼組被誤認(rèn)為是同步碼組造成的。同步碼組長度為n，所以n位的信息碼組有2n種排列。它被錯當(dāng)成同步碼組的概率和容許錯誤碼元數(shù)m有關(guān)。若不容許有錯碼，即m = 0，則只有一種可能，即信息碼組中的每個碼元恰好都和同步碼元相同。若m = 1，則有Cn1種可能將信息碼組誤認(rèn)為是同步碼組。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)。,49,第13章 同步原理,比較 比較漏同步和假同步公式可