通信原理教学课件PPT同步原理 51页

'通信原理第13章同步原理 13.1概述同步问题发生在收方。通信系统中的同步种类：载波同步、码元同步、群同步和网同步。1、载波同步（又称载波恢复）（1）目的：在接收设备中产生一个和接收信号的载波同频、同相的本地振荡，用于相干解调。（2）方法：接收信号中有载频分量时：需要调整其相位。接收信号中无载频分量时：需从信号中提取载波，或插入辅助同步信息。——模拟、数字通信系统都有 2、码元同步（又称位同步或时钟恢复）——数字通信系统（1）目的：得知每个接收码元准确的起止时刻，以便决定积分和判决时刻。（2）方法：从接收信号中获取同步信息，或插入辅助同步信息，由其产生一时钟脉冲序列，使其和接收码元重复频率和相位一致。如基带传输系统：位同步是基础同步，如果位失步，则所有位都无意义。 3、群同步（又称帧同步）（1）目的：将接收码元正确分组。（2）方法：通常需要在发送信号中周期性地插入一个同步码元，标示出分组位置。——数字通信系统数字通信中，消息数字流通常是用若干码元组成一个“字”，又用若干个“字”组成“句”，即是以若干码元组合作为一个单元或群来传送消息的。在接收端接收这些数字流时，同样也必须知道这些“字”、“句”的起止时刻，在接收端产生与“字”、“句”起止时刻同步一致的脉冲序列，称为“字同步”或“句同步”，统称“群同步”或“帧同步”。4、网同步：使通信网中各站点时钟之间保持同步。 13.2载波同步13.2.1有辅助导频时的载频提取（插入导频法）在发送有用信号的同时，在适当的频率位置上插入一个（或多个）称为“导频”的正弦波，接收端就由此导频提取出载波，这类方法称为“插入导频法”。用于不包含载频分量或很难分离载波的信号1、适用对象DSB、SSBVSBPSK（P=1/2）2、缺点：由于在发方插入导频，占用了宝贵功率。 3、多采用锁相环（PLL）提取载波锁相环原理方框图：环路滤波器压控振荡器输出导频输入信号鉴相器对环路滤波器的要求：通带越窄，能够通过的噪声越少，但是对导频相位漂移的限制越大。数字化接收机中锁相环的实现方法：窄带（环路）滤波器：改用数字滤波器压控振荡器：用只读存储器代替鉴相器：可以是一组匹配滤波器 例如：DSB/SC（抑制载波的双边带调制）调制信号：m(t)无直流频域无冲激无载频分量设调制载频：插入导频：并非是调制载频，而是调制载频相移π/2后的正交载频。 框图：（1）插入导频：发送端接收端分析：（2）发送端输出信号：（3）接收端输入信号：插入导频 发送端接收端（4）窄带滤波器NBPF：NBPF输出：（5）后输出：中心频率为fc，一般用锁相环代替，用来提取导频。 （6）发送端接收端（7）LPF输出（G=2）： 注意：为了提取同步信号而插入的导频，必须是调制载频的正交载波。若插入的导频直接是载波时： LPF输出（G=2）：直流信号“1”对信号将产生影响。插入的导频必须是调制载频的正交载波。 13.2.2无辅助导频时的载波提取（直接法/自同步）不专门发送导频，而在接收端直接从发送信号中提取载波。优点：不占发射功率缺点：收发设备复杂例如：DSB信号，虽然不含有载波分量，但对该已调信号进行某种非线性变换后，就可以直接从其中提取出载波。1、平方变化法和平方环法（1）适用对象：DSB、2PSK、2DPSK（SSB不能） （2）分析：基带信号m(t)：无直流分量，即发送信号：收发：将接收的已调信号进行平方变换：由于：则在2ωc上有载频冲激。思路：先用窄带滤波器滤取高频部分再经过二分频，获取载波。 （3）产生框图①平方变换法平方环法：锁相环代替窄带滤波器载频输出带通滤波平方压控振荡环路滤波锁相环s(t)二分频窄带滤波 分析：1）对于DSB：则在2ωc上有载频冲激。所以可以先用窄带滤波器滤取高频部分2ωc，再经二分频，可得载波分量cosωct2）对于PSK：则在2ωc上有载频冲激。所以可以先用窄带滤波器滤取高频部分2ωc，再经二分频，可得载波分量cosωctm(t)双极性3）证明：SSB不能采用平方法。 （4）此方案的缺点：①相位含糊性：二分频器的输出电压有相差180的两种可能相位，即其输出电压的相位决定于分频器的随机初始状态。②错误锁定：平方后的接收电压中有可能存在其他的离散频率分量，使锁相环锁定在错误的频率上。克服方法：信息不直接加载在相位上，而加载在前后码元相位差上，即采用差分编码，如2DPSK。克服方法：降低环路滤波器的带宽。 2、M次方环法（1）适用对象：只能用于多进制数字调制系统，如MPSK（2）产生框图：①M次方变换法M次方环法：锁相环代替窄带滤波器载频输出带通滤波（）M压控振荡环路滤波锁相环s(t)M分频窄带滤波 13.2.3载波同步的性能相位误差当实现相干解调时，载波同步系统所提取的载波存在相位误差。（1）相位误差的种类恒定误差：由电路参量引起的随机误差：由噪声引起的（2）影响：减小接收的功率SNR↓产生失真（模拟）产生误码（数字） 例如：①DSB：接收信号：本地载波：相位误差：相干解调：经过LPF因为：对信号有随机波动性的衰减，属于减小功率的影响。 ②SSB：接收信号：本地载波：设基带信号为：（上边带）相位误差： 相干解调：经过LPF： 是m(t)的正交项，使基带信号产生畸变，即产生失真。对于a：所以有衰减。对于b：因为：既有衰减，又有失真。因为：③2PSK：无相差时：有相差时： 13.3码元同步（位同步）（1）目的：在准确的时刻对接收码元进行判决，以及对接收码元能量正确积分。（2）方法：从接收码元的起止时刻产生一个码元同步脉冲序列，或称定时脉冲序列。（3）码元同步方法分类：外同步法：它是一种利用辅助信息同步的方法，需要在信号中另外加入包含码元定时信息的导频或数据序列。自同步法：它不需要辅助同步信息，直接从信息码元中提取出码元定时信息。显然，这种方法要求在信息码元序列中含有码元定时信息。 13.3.1外同步法（插入导频法）于发送信号中插入频率为码元速率（1/T）或码元速率倍数的同步信号。在接收端利用一个窄带滤波器，将其分离出来，并形成码元定时脉冲。优点——设备较简单；缺点——需要占用一定的频带宽带和发送功率。时域：连续插入；增加“同步头”频域：在信息码元频谱之外占用一段频谱用于传输同步信息；利用信息码元频谱中的“空隙”处，插入同步信息。外同步法目前采用不多。 例如：在基带信号频谱的零点插入所需的导频信号。如果信号的速率（传码率）为：1/T（B），不归零。其功率谱为：发方时钟周期为T。在收方也应重建一个周期为T的时钟。 频谱：导频在基带信号的频谱的第一个零点插入导频：f=1/T即插入一个频率为f=1/T的正弦波。该导频在接收端可由中心频率为f=1/T的窄带滤波器（NBPF）提取出来，NBPF输出为一正弦波。恢复过程如下所示。 发方时钟：导频：频率为1/T的正弦波半波整流：放大：限幅： 13.3.2自同步法（直接法）自同步法分类：（1）开环同步法：由于二进制先验概率相等的不归零码元序列中没有离散的码元速率频谱分量，故需要在接收时对其进行某种非线性变换，才能使其频谱中含有离散的码元速率频谱分量，并从中提取码元定时信息。（2）闭环同步法：用比较本地时钟周期和输入信号码元周期的方法，将本地时钟锁定在输入信号上。发送端不发送导频信号，而直接从数字信号中提取“位同步信息”的方法。 1、开环码元同步法（1）延迟相乘法原理方框图c延迟T/2ab放大限幅窄带滤波相乘器输入和输出的波形：延迟相乘后码元波形的后一半永远是正值；而前一半则当输入状态有改变时为负值。因此，变换后的码元序列的频谱中就产生了码元速率的分量。延迟时间等于码元时间一半时，码元速率分量最强。 (c)(b)(a)c延迟T/2ab放大限幅窄带滤波 （2）微分整流法原理低通微分整流窄带滤波放大限幅基带信号：微分：全波整流：窄带滤波：放大限幅： 2、闭环码元同步法（锁相法）基本原理：将接收信号和本地产生的码元定时信号相比较，使本地产生的定时信号和接收码元波形的转变点保持同步。这种方法类似载频同步中的锁相环法。“超前/滞后门”同步器（1）原理方框图超前门滞后门环路滤波||||+压控振荡+－u1u2|u1||u2|e=|u2|-|u1|m(t)门波形产生 （2）工作原理d+1-1超前门滞后门(a)同步状态Td(b)超前状态d++1-1超前门滞后门T2积分时间超前门滞后门环路滤波||||+压控振荡+－u1u2|u1||u2|e=|u2|-|u1|m(t)门波形产生 13.4群同步13.4.1概述数字通信中，一般总是以一定数目的码元组成一个个的“字”或“句”，即组成一个个的“群”来进行传输。如果已知了“位同步信号”，如何如来确定“群同步信号”呢？“群”是由多个（m位）二进制码元组成的一个序列，如果已知位同步信号的频率为fb，则群同步信号的频率fq可由位同步信号的频率经过分频而得到。再达到“同相”的要求，即可实现群同步信号与接收信号在起、止时刻上严格一致，即实现严格的“同步”。 1、实现方法：（1）外同步法——在数字信息流中插入一些特殊码组（帧同步信号）作为每群的头、尾，接收端根据这些特殊码组的位置就可以实现群同步，类似于插入导频法。（2）自同步法——不需要加特殊码组，类似于载波同步和位同步的直接法，利用数据码组本身之间彼此不同的特性来实现同步。主要种类：连贯式插入/集中插入间隔式插入/分散插入 （1）捕捉态：在捕捉态时，确认搜索到群同步码的条件必须规定得很高，以防发生假同步。（2）保持态：一旦确认达到同步状态后，系统转入保持态。在保持态下，仍须不断监视同步码的位置是否正确。但是，这时为了防止因为噪声引起的个别错误导致认为失去同步，应该降低判断同步的条件，以使系统稳定工作。2、同步电路的状态 151.53、帧同步方法（1）起止同步法：在电传机中广泛使用电传报：一帧（字）有7.5个码元组成，结构如下：起止10010起始脉冲（负）信息止脉冲（正）原理：根据“1.5码元止脉冲正电平第一次转为负电平”这一特殊规律，确定一个字的起止位置，从而实现同步。缺点：（1）止脉冲宽度（1.5）与码元宽度不一致，给同步数字传输带来不便；（2）7.5个码元中只有5个码元用来传输信息，效率低。止 （2）连贯式插入/集中插入在每群的开头集中插入“群同步码组”的方法。1）要求：①对作“群同步码组”用的特殊码组，应具有尖锐单峰特性的局部自相关函数R(j)；②识别器应尽量简单。信息码组同步码组信息码组信息码组信息码组同步码组同步码组适用于要求快速建立同步的地方，或间断传输信息并且每次传输时间很短的场合。 2）群同步码组：如30/32路PCM群同步信号：0011011——最难出现伪同步——非周期序列或有限序列3）局部自相关函数：设有一个码组，它包含N个码元，则其局部自相关函数等于：当j=0时，序列中的全部元素都参加了相关运算；当j≠0时，序列中只有部分元素参加了相关运算。 4）巴克码：常用的一种群同步码①定义：设一个N位的巴克码组为{x1,x2,…,xN}，其中，xi∈{-1,+1}，则其局部自相关函数可以用下式表示：上式表明，巴克码的R(0)=N，而在其他处的自相关函数R(j)的绝对值均不大于1。这就是说，凡是满足上式的码组，就称为巴克码。尖锐单峰巴克码的局部自相关函数R(j)在j=0时出现尖锐单峰。 ②巴克码组列表N巴克码1＋2＋＋，＋－3＋＋－4＋＋＋－，＋＋－＋5＋＋＋－＋7＋＋＋――＋－11＋＋＋―――＋――＋－13＋＋＋＋＋――＋＋－＋－＋注意：表中各码组的反码（即正负号相反的码）和反序码（即时间顺序相反的码）也是巴克码。 例：N=5的巴克码：＋＋＋－＋在j=0至4的范围内，求其局部自相关函数值：其自相关函数绝对值除R(0)外，均不大于1，即出现尖锐单峰。在j=0时在j=1时在j=2时在j=3时在j=4时 类似地，也可以计算j<0时的情况，与j>0时对称，即自相关函数是偶函数，从而可以得到巴克码的自相关函数值曲线：4123-4-1-3-2R(j)1-15j320N=5时：将j=0时的R(j)值称为主瓣，其他处的值称为旁瓣。 集中插入法群同步码检测流程初始化(将同步状态设为捕捉态)移1位开始N等待下一同步码组Y保持态捕捉态NY计算R(j)(N-2)?计算R(j)=N? （3）间隔式插入/分散插入在某些情况下，群同步码组不是集中插入在信息码流中，而是将它们分散地插入，即在每隔一定数量的信息码元，插入一个同步码元。信息码组信息码组信息码组同步码元同步码元同步码组同步码元同步码元适用于连续传输信息之处，例如数字电话系统中。 原理：通常，分散插入法的群同步码都很短。例如，在数字电话系统中常采用“10”交替码，即在下图所示的同步码元位置上轮流发送二进制数字“1”和“0”这种有规律的周期性地出现的“10”交替码，在信息码元序列中极少可能出现。因此在接收端有可能将同步码的位置检测出来1010信息码组信息码组信息码组同步码元同步码元同步码组同步码元同步码元 4、群同步性能（1）主要性能指标：①假同步概率Pf：当捕捉时同步系统将错误的同步位置当作正确的同步位置捕捉到。产生假同步的主要原因是由于噪声的影响使信息码元错成同步码元。②漏同步概率Pl：同步系统将正确的同步位置漏过而没有捕捉到。漏同步的主要原因是噪声的影响，使正确的同步码元变成错误的码元。 （2）计算漏同步概率：设接收码元错误概率为p，需检验的同步码元数为n，检验时容许错误的最大码元数为m，则未漏判定为同步码的概率等于：式中，Cnr为n中取r的组合数。所以，漏同步概率等于当不允许有错误时，即设定m=0时，则上式变为即为不允许有错同步码时漏同步的概率。 （3）计算假同步概率假设：信息码元是等概率的；假同步完全是由于某个信息码组被误认为是同步码组造成的。同步码组长度为n，所以n位的信息码组有2n种排列。它被错当成同步码组的概率和容许错误码元数m有关。若不容许有错码，即m=0，则只有一种可能，即信息码组中的每个码元恰好都和同步码元相同。若m=1，则有Cn1种可能将信息码组误认为是同步码组。因此假同步的总概率为式中，分母2n是全部可能出现的信息码组数。 （4）比较比较漏同步和假同步公式可见，当判定条件放宽时，即m增大时，漏同步概率减小，但假同步概率增大。设计时需折中考虑。漏同步概率：假同步概率：'