第13章通信原理

1、1 通信原理 第第13 同步原理同步原理 2 第第13章章 同步原理同步原理 l13.1 概述概述 數(shù)字通信系統(tǒng)中的同步種類(lèi)：載波同步、 碼元同步、群同步和網(wǎng)同步。 載波同步：又稱(chēng)載波恢復(fù)。 u目的：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，用于相干解調(diào)。 u方法： 接收信號(hào)中有載頻分量時(shí)：需要調(diào)整其相位。 接收信號(hào)中無(wú)載頻分量時(shí)：需從信號(hào)中提取載波， 或插入輔助同步信息。 3 第第13章章 同步原理同步原理 碼元同步：又稱(chēng)時(shí)鐘同步或時(shí)鐘恢復(fù)。 對(duì)于二進(jìn)制信號(hào)，又稱(chēng)位同步。 u目的：得知每個(gè)接收碼元準(zhǔn)確的起止時(shí)刻，以便決 定積分和判決時(shí)刻。 u方法：從接收信號(hào)中獲取同步信息，

2、由其產(chǎn)生一時(shí) 鐘脈沖序列，使后者和接收碼元起止時(shí)刻保持正確 關(guān)系。或插入輔助同步信息。 群同步：又稱(chēng)幀同步。 u目的：將接收碼元正確分組。 u方法：通常需要在發(fā)送信號(hào)中周期性地插入一個(gè)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(diǎn)時(shí)鐘之間保持同步。 4 第第13章章 同步原理同步原理 n13.2 載波同步 u 13.2.1 有輔助導(dǎo)頻時(shí)的載頻提取 p用于不包含載頻分量的信號(hào)。 p在發(fā)送信號(hào)中另外加入一個(gè)或幾個(gè)導(dǎo)頻信號(hào)。 p多采用鎖相環(huán)（PLL）提取載波。 p鎖相環(huán)原理方框圖： 環(huán)路濾波器 壓控振蕩器 輸出導(dǎo)頻 輸入信號(hào) 圖13-1 鎖相環(huán)原理方框圖 鑒相器 5 第第13章章 同步原理同

3、步原理 p對(duì)環(huán)路濾波器的要求：通帶越窄，能夠通過(guò)的噪聲越少， 但是對(duì)導(dǎo)頻相位漂移的限制越大。 p數(shù)字化接收機(jī)中鎖相環(huán)的實(shí)現(xiàn)方法： 窄帶濾波器：改用數(shù)字濾波器 壓控振蕩器：用只讀存儲(chǔ)器代替 鑒相器：可以是一組匹配濾波器 6 第第13章章 同步原理同步原理 u13.2.2 無(wú)輔助導(dǎo)頻時(shí)的載波提取 p平方環(huán)：以2PSK信號(hào)為例進(jìn)行討論。設(shè)信號(hào) 式中，m(t) = 1 當(dāng)m(t)取+1和-1的概率相等時(shí)，此信號(hào)的頻譜中無(wú)角頻率c的離散 分量？。將上式平方，得到 由上式可見(jiàn)，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： )cos()()(ttm

4、ts c )(2cos1 2 1 )(cos)()( 222 tttmts cc 圖13-2 平方環(huán)原理方框圖 載頻 輸出 帶通濾波平 方 壓控振蕩 環(huán)路濾波 鎖相環(huán) s(t) 2分頻窄帶濾波 7 第第13章章 同步原理同步原理 此方案的缺點(diǎn)： 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(diǎn)的影響。 2、錯(cuò)誤鎖定：平方后的接收電壓中有可能存在其他的離 散頻率分量，使鎖相環(huán)鎖定在錯(cuò)誤的頻率上。解決這個(gè)問(wèn) 題的辦法是降低環(huán)路濾波器的帶寬。 8 第第13章章 同步原理同步原理 p科斯塔斯環(huán)法：又稱(chēng)同相正

5、交環(huán)法或邊環(huán)法。 原理方框圖： 圖13-3 科斯塔斯環(huán)法原理方框圖 90相移 環(huán)路濾波壓控振蕩 s(t) 載頻 輸出 低 通 低 通 解調(diào) 輸出 a b c d e f g 9 第第13章章 同步原理同步原理 工作原理 a點(diǎn)的壓控振蕩電壓為： b點(diǎn)的壓控振蕩電壓為： c點(diǎn)的電壓： d點(diǎn)的電壓： e點(diǎn)的電壓： f點(diǎn)的電壓： g點(diǎn)的電壓： 上式中的( - )是壓控振蕩電壓和接收載波相位之差。 )cos(tv ca )sin(tv cb )2cos()cos()( 2 1 )cos()cos()(ttmtttmv cccc )2sin()sin()( 2 1 )sin()cos()(ttmtttmv

6、 cccd )cos()( 2 1 tmve )sin()( 2 1 tmv f )(2sin)( 8 1 2 tmvvv feg 10 第第13章章 同步原理同步原理 將m(t) = 1代入上式，并考慮到當(dāng)( - )很小時(shí)， sin( - ) ( - )，則上式變?yōu)?電壓vg 通過(guò)環(huán)路濾波器，控制壓控振蕩器的振蕩頻率。 這個(gè)電壓控制壓控振蕩器的輸出電壓相位，使( - )盡可能 地小。當(dāng) 時(shí)，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。 )(2sin)( 8 1 2 tmvvv feg )( 4 1 g v 11 第第13章章 同步原理同步原理 由上式可見(jiàn)，當(dāng)( -

7、 )很小時(shí)，除了差一個(gè)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(shí)兼有提取相干載波和相干解調(diào)的功能。 優(yōu)缺點(diǎn)： 1、不需要對(duì)接收信號(hào)作平方運(yùn)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(diǎn)有兩個(gè)，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。 )cos()( 2 1 tmve 12 第第13章章 同步原理同步原理 p再調(diào)制器 第3種提取相干載波的方法 原理方框圖 載頻 輸出 90相移 環(huán)路濾波 壓控振蕩 低 通 s(

8、t) ab cde f g 13 第第13章章 同步原理同步原理 工作原理 接收信號(hào)和a點(diǎn)振蕩電壓相乘后得到的c點(diǎn)電壓 它經(jīng)過(guò)低通濾波后，在d 點(diǎn)的電壓為 vd 實(shí)際上就是解調(diào)電壓，它受b點(diǎn)的振蕩電壓在相乘 器中再調(diào)制后，得出的e 點(diǎn)電壓等于 上式的ve 和信號(hào)s(t)再次相乘，得到在f點(diǎn)的電壓 )2cos()cos()( 2 1 )cos()cos()(ttmtttmv cccc )cos()( 2 1 tmv d )2sin()sin()( 4 1 )sin()cos()( 2 1 tttmttmv ccce 14 第第13章章 同步原理同步原理 vf 經(jīng)過(guò)窄帶低通濾波后，得到壓控振蕩器的

9、控制電壓 將上式的控制電壓和科斯塔斯環(huán)的控制電壓式比較可見(jiàn)，這 兩個(gè)方案中的壓控振蕩器的控制電壓相同。 )(2sin)(2sin)(2sin)( 8 1 )2sin()cos()sin()cos()( 4 1 )2sin()sin()cos()( 4 1 2 2 2 tttm tttttm ttttmv cc cccc cccf )(2sin)( 8 1 2 tmvg 15 第第13章章 同步原理同步原理 p多進(jìn)制信號(hào)的載頻恢復(fù) 例：QPSK信號(hào)提取載頻的科斯塔斯環(huán)法原理方框圖 s(t) 45 移相 低通 壓控 振蕩 環(huán)路 濾波 低通 解調(diào)輸出 90 移相 135 移相 低通 低通 16 第第

10、13章章 同步原理同步原理 n13.2.3 載波同步的性能載波同步的性能 u相位誤差 p相位誤差的種類(lèi) 恒定誤差：由電路參量引起的 隨機(jī)誤差：由噪聲引起的 p恒定誤差分析： 當(dāng)提取載波電路中存在窄帶濾波器時(shí)，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(guò)它時(shí)會(huì)有附加相移。設(shè)此窄帶濾波器由一個(gè)單諧振 電路組成，則由其引起的附加相移等于 由上式可見(jiàn)，電路的Q值越大，附加相移也成比例地 增大。 q f f Q 2 17 第第13章章 同步原理同步原理 當(dāng)提取載頻的電路中采用鎖相環(huán)時(shí)，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(hào)載頻fc相同，并且 其相位誤差應(yīng)當(dāng)很小。設(shè)

11、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(jiàn)，應(yīng)當(dāng)盡量增大環(huán)路的增 益Kd。 d K f 18 第第13章章 同步原理同步原理 p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(gè)隨機(jī)量。當(dāng)大信噪比時(shí)，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(duì)于大的r，f (n)可以寫(xiě)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 r e r f n r nn n 5 . 2 cos1,cos)( 2 sin 1cos 5 . 2 , 0)( nn r f 2 )( n r

12、n e r f 19 第第13章章 同步原理同步原理 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(xiě)為 故此隨機(jī)相位誤差n的方差與信號(hào)噪聲功率比r的關(guān)系為 所以，當(dāng)大信噪比時(shí)，由窄帶高斯噪聲引起的隨機(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(chēng)為相位抖動(dòng)，并記為。 2 2 2 2 1 )( x exf r n n e r f 2 1 2 2 2 1 2 1 )( r n 2 1 2 20 第第13章章 同步原理同步原理 p在提取載頻電路中的窄帶濾波器對(duì)于信噪比有直接的影響。 對(duì)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(guò)的噪聲功率越小，

13、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(duì) 于Q值的要求是矛盾的。 21 第第13章章 同步原理同步原理 u同步建立時(shí)間和保持時(shí)間 p同步建立時(shí)間：從開(kāi)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。 顯然我們要求此時(shí)間越短越好。在同步建立時(shí)間內(nèi)，由 于相干載頻的相位還沒(méi)有調(diào)整穩(wěn)定，所以不能正確接收 碼元。 p同步保持時(shí)間：從開(kāi)始失去信號(hào)到失去載頻同步的時(shí)間。 顯然希望此時(shí)間越長(zhǎng)越好。長(zhǎng)的同步保持時(shí)間有可能使 信號(hào)短暫丟失時(shí)，或接收斷續(xù)信號(hào)時(shí)，不需要重新建立 同步，保持連續(xù)提供穩(wěn)定

14、的本地載頻。 22 第第13章章 同步原理同步原理 p同步建立時(shí)間和保持時(shí)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(gè)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(gè)正弦振蕩時(shí)，它輸出端振蕩的建立時(shí)間越長(zhǎng)；當(dāng) 輸入振蕩截止時(shí)，輸出端振蕩的保持時(shí)間也越長(zhǎng)。顯然，這 個(gè)特性和我們對(duì)于同步性能的要求是相左的，即建立時(shí)間短 和保持時(shí)間長(zhǎng)是互相矛盾的要求。在設(shè)計(jì)同步系統(tǒng)時(shí)只能折 中處理。 23 第第13章章 同步原理同步原理 u載波同步誤差對(duì)解調(diào)信號(hào)的影響 p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(dòng)） ，現(xiàn)在將其寫(xiě)為： p相位誤差對(duì)于2PSK信號(hào)誤

15、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(hào)電壓下降。因 此信號(hào)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(shí)的誤碼率等于 式中，r為信號(hào)噪聲功率比。 )cos()( 2 1 tmve )cos( 2 1 rerfcP e 24 第第13章章 同步原理同步原理 p相位誤差對(duì)于單邊帶信號(hào)的影響 設(shè)有一單頻基帶信號(hào) 它對(duì)載波cosct進(jìn)行單邊帶調(diào)制后，取出上邊帶信號(hào) 傳輸?shù)浇邮斩?。若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(guò)低通濾波器濾出的低頻分量

16、為 其中第1項(xiàng)是原調(diào)制基帶信號(hào)，但是受到因子cos的衰減；第 2項(xiàng)是和第1項(xiàng)正交的項(xiàng)，它使接收信號(hào)產(chǎn)生失真。 ttm cos)( tts c )cos( 2 1 )( )cos()2cos( 4 1 )cos()cos( 2 1 ttttt ccc sinsin 4 1 coscos 4 1 )cos( 4 1 ttt 25 第第13章章 同步原理同步原理 l13.3 碼元同步碼元同步 u碼元同步目的：準(zhǔn)確的時(shí)刻對(duì)接收碼元進(jìn)行判決， 以及對(duì)接收碼元能量正確積分。 u碼元同步方法：從接收碼元的起止時(shí)刻產(chǎn)生一個(gè)碼 元同步脈沖序列，或稱(chēng)定時(shí)脈沖序列。 u碼元同步方法分類(lèi)： p外同步法：它是一種利用輔

17、助信息同步的方法，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。 p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(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。 26 第第13章章 同步原理同步原理 n 13.3.1 外同步法 u常用的外同步法：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)。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。 u優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備較簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是需要占用一定的頻帶寬 帶和發(fā)送功率。 u插入碼元同步信號(hào)的方法 p時(shí)域： 連續(xù)插入 增加“同步頭” p頻域： 在信息碼元頻譜之外占用一段頻譜

18、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 u外同步法目前采用不多。 27 第第13章章 同步原理同步原理 n 13.3.2 自同步法自同步法 u自同步法分類(lèi)： p開(kāi)環(huán)同步法：由于二進(jìn)制等先驗(yàn)概率的不歸零碼元序列 中沒(méi)有離散的碼元速率頻譜分量，故需要在接收時(shí)對(duì)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(shí)信息。 p閉環(huán)同步法：用比較本地時(shí)鐘周期和輸入信號(hào)碼元周期 的方法，將本地時(shí)鐘鎖定在輸入信號(hào)上。 28 第第13章章 同步原理同步原理 u開(kāi)環(huán)碼元同步法 p延遲相乘法原理方框圖 p相乘器輸入和輸出的波形： 延遲相乘后碼元波形的后一 半

19、永遠(yuǎn)是正值；而前一半則 當(dāng)輸入狀態(tài)有改變時(shí)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。 p延遲時(shí)間等于碼元時(shí)間一半 時(shí)，碼元速率分量最強(qiáng)。 c 延遲T/2 a b 放大限幅窄帶濾波 (c) (b) (a) 29 第第13章章 同步原理同步原理 p微分整流法原理 p同步誤差 若窄帶濾波器的帶寬等于1/KT，其中K為一個(gè)常數(shù)，則提取 同步的時(shí)間誤差比例為： T 碼元持續(xù)時(shí)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。 低 通 微 分整 流 窄帶濾波放大限幅 0 / 33. 0 nKET b 18, 5 0 K n E

20、b 式中， 同步誤差時(shí)間的均值； 30 第第13章章 同步原理同步原理 u閉環(huán)碼元同步法 p基本原理：將接收信號(hào)和本地產(chǎn)生的碼元定時(shí)信號(hào)相比 較，使本地產(chǎn)生的定時(shí)信號(hào)和接收碼元波形的轉(zhuǎn)變點(diǎn)保 持同步。這種方法類(lèi)似載頻同步中的鎖相環(huán)法。 p“超前/滯后門(mén)”同步器： 原理方框圖 超前門(mén) 滯后門(mén) 環(huán)路濾波 | | | | + 壓控振蕩 + - u1 u2 |u1| |u2| e=|u2|-|u1| m(t) 門(mén)波形產(chǎn)生 dT dt 0 T d dt 31 第第13章章 同步原理同步原理 工作原理 T d d +1 -1 超前門(mén) 滯后門(mén) (a) 同步狀態(tài) (b) 超前狀態(tài) d+ +1 -1 超前門(mén) 滯

21、后門(mén) T 2 積分時(shí)間 32 第第13章章 同步原理同步原理 p存在的問(wèn)題和解決辦法 在上面討論中已經(jīng)假定接收信號(hào)中的碼元波形有突跳邊 沿。若它沒(méi)有突跳邊沿，則無(wú)論有無(wú)同步時(shí)間誤差，超 前門(mén)和滯后門(mén)的積分結(jié)果總是相等，這樣就沒(méi)有誤差信 號(hào)去控制壓控振蕩器，故不能使用此法取得同步。這個(gè) 問(wèn)題在所有自同步法的碼元同步器中都存在，在設(shè)計(jì)時(shí) 必須加以考慮。 此外，由于兩個(gè)支路積分器的性能也不可能做得完全一 樣。這樣將使本來(lái)應(yīng)該等于零的誤差值產(chǎn)生偏差；當(dāng)接 收碼元序列中較長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有突跳邊沿時(shí)，此誤差值偏差 持續(xù)地加在壓控振蕩器上，使振蕩頻率持續(xù)偏移，從而 會(huì)使系統(tǒng)失去同步。 為了使接收碼元序列中不會(huì)長(zhǎng)時(shí)

22、間地沒(méi)有突跳邊沿，可 以在發(fā)送時(shí)對(duì)基帶碼元的傳輸碼型作某種變換，例如改 用HDB3碼，或用擾亂技術(shù)，使發(fā)送碼元序列不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間 地沒(méi)有突跳邊沿。 33 第第13章章 同步原理同步原理 n13.3.3 碼元同步誤差對(duì)于誤碼率的影響 在用匹配濾波器或相關(guān)器接收碼元時(shí)，其積分器的積分時(shí) 間長(zhǎng)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(shí) 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(shí)，若碼元同步時(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(méi)有突變邊沿時(shí)，則積分時(shí)間 沒(méi)有損失。對(duì)于等概率隨機(jī)碼元信號(hào)，有突

23、變的邊沿和無(wú) 突變的邊沿各占1/2。以等概率2PSK信號(hào)為例，其最佳誤碼 率為： 故在有相位誤差時(shí)的平均誤碼率為 0 2 1 n E erfcP b e Tn E erfc n E erfcP bb e 2 1 4 1 4 1 00 34 第第13章章 同步原理同步原理 l13.4 群同步群同步 n13.4.1 概述 u群同步碼的種類(lèi)： p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。 信息碼組 同步碼組 信息碼組信息碼組信息碼組 同步碼組同步碼組 35 第第13章章 同步原理同步原理 p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。 信息碼組信息

24、碼組信息碼組 同步碼元同步碼元 同步碼組 同步碼元同步碼元 36 第第13章章 同步原理同步原理 u同步電路的狀態(tài)： p捕捉態(tài)：在捕捉態(tài)時(shí)，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。 p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(shí)為了防止因?yàn)樵肼曇鸬膫€(gè)別錯(cuò)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。 37 第第13章章 同步原理同步原理 n13.4.2 集中插入法：又稱(chēng)連貫式插入法。 u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(shí)能夠容易地立即捕獲它。因此， 要求群同步

25、碼的自相關(guān)特性曲線具有尖銳的單峰自相關(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(shí)別出來(lái)。 u局部自相關(guān)函數(shù)定義：設(shè)有一個(gè)碼組，它包含N個(gè)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) i N。 jN i jiix xjR 1 )( )1 (Ni 整數(shù)）j ( 38 第第13章章 同步原理同步原理 顯然可見(jiàn)，當(dāng)j = 0時(shí)， 若一個(gè)碼組的自相關(guān)函數(shù)僅在R(0)處出現(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。 u巴克碼：常用的一種群同步碼。 p定義：設(shè)一個(gè)

26、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(duì)值均不大于1。這就是說(shuō)，凡是滿足上式的碼 組，就稱(chēng)為巴克碼。 NxxxR N i i N i ii 1 2 1 )0( Nj Nj jN xxjR jN i jii , 0 0,0 0, )( 1 1或 39 第第13章章 同步原理同步原理 p巴克碼組列表： 表中各碼組的反碼（即正負(fù)號(hào)相反的碼）和反序碼（即時(shí) 間順序相反的碼）也是巴克碼。 N巴克碼 1 2， 3 4， 5 7 11 13 40 第第13章章 同步原理同步原理 p例：N = 5的巴克

27、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(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，其自相關(guān)函數(shù)絕對(duì)值除R(0)外，均不 大于1。 1)4(4 011)3(3 1111)2(2 01111) 1 (1 511111)0(0 1 1 4 2 1 3 3 1 2 4 1 1 5 1 2 i ii i ii i ii i ii i i xxRj xxRj xxRj xxRj xRj 時(shí)，當(dāng) 時(shí)，當(dāng) 時(shí)，當(dāng) 時(shí)，當(dāng) 時(shí)，當(dāng) 41 4123-4-1-3-2 R(j) 1 -1 5 j 3 2 0 第第13章章 同步原理同步原理 p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(huà)成曲線 如上圖 所示

28、。將j = 0時(shí)的R(j)值稱(chēng)為主瓣，其他處的值稱(chēng)為旁瓣。 42 第第13章章 同步原理同步原理 u集中插入法群同步碼檢測(cè)流程 初始化 (將同步狀態(tài)設(shè)為捕捉態(tài)) 移1位 開(kāi)始 N 等待下一 同步碼組 Y 保持態(tài) 捕捉態(tài) N Y 計(jì)算 R(j)(N-2)? 計(jì)算 R(j) = N? 43 第第13章章 同步原理同步原理 n13.4.3 分散插入法： u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

29、步碼的位置 檢測(cè)出來(lái)。 信息碼組信息碼組信息碼組 同步碼元同步碼元 同步碼組 同步碼元同步碼元 44 第第13章章 同步原理同步原理 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(gè)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(jì)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(shí)現(xiàn)。 45 第第13章章 同步原理同步原理 u軟件搜索方法 p移位搜索法 系統(tǒng)開(kāi)始處于捕捉態(tài)。 對(duì)接收碼元逐個(gè)考察，若考察的第一個(gè)接收碼元就發(fā)現(xiàn) 它符合群同步碼元的要求，則暫時(shí)假定它就是群同

30、步碼 元； 在等待一個(gè)周期后，再考察下一個(gè)預(yù)期位置上的碼元是 否還符合要求。若連續(xù)n個(gè)周期都符合要求，就認(rèn)為捕捉 到了群同步碼。 若第一個(gè)接收碼元不符合要求或在n個(gè)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(gè)接收碼 元。直至找到符合要求的碼元并保持連續(xù)n個(gè)周期都符合 為止；這時(shí)捕捉態(tài)轉(zhuǎn)為保持態(tài)。 46 第第13章章 同步原理同步原理 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(shí)因噪聲偶然發(fā)生一次錯(cuò)誤而導(dǎo)致錯(cuò) 認(rèn)為失去同步，一般可以規(guī)定在連續(xù)n個(gè)周期內(nèi)發(fā)生m次 (m n)考察錯(cuò)誤才認(rèn)為是失去同步。這種措施稱(chēng)為同步 保護(hù)。 47 新碼元進(jìn)入 老碼元輸出 檢驗(yàn)

31、是否 “1”和“0”交 替 08 0 07 x 06 x 05 x 04 x 03 x 02 x 01 x 16 1 15 x 14 x 13 x 12 x 11 x 10 x 09 x 24 0 23 x 22 x 21 x 20 x 19 x 18 x 17 x 32 1 31 x 30 x 29 x 28 x 27 x 26 x 25 x 40 0 39 x 38 x 37 x 36 x 35 x 34 x 33 x 第第13章章 同步原理同步原理 p存儲(chǔ)檢測(cè)法。 先將接收碼元序列存在計(jì)算機(jī)的RAM中，再進(jìn)行檢驗(yàn)。 下圖畫(huà)出了一個(gè)RAM的示意圖，它按先進(jìn)先出(FIFO)的 原理工作： 4

32、8 第第13章章 同步原理同步原理 圖中畫(huà)出的存儲(chǔ)容量為40 b，相當(dāng)于5幀信息碼元長(zhǎng)度， 每幀長(zhǎng)8 b，其中包括1 b同步碼。 在每個(gè)方格中，上部陰影區(qū)內(nèi)的數(shù)字是碼元的編號(hào)，下 部的數(shù)字是碼元的取值“1”或“0”，而“x”代表任意值。 編號(hào)為“01”的碼元最先進(jìn)入RAM，編號(hào)“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(shí)，立即檢驗(yàn)最右列存儲(chǔ)位置中的碼元是 否符合同步序列的規(guī)律（例如，“10”交替）。按照?qǐng)D示， 相當(dāng)只連續(xù)檢驗(yàn)了5個(gè)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(shí)繼續(xù)檢驗(yàn)。 49 第第13章章 同步原理同步原理 實(shí)

33、際應(yīng)用的方案中，這種方案需要連續(xù)檢驗(yàn)的幀數(shù)和時(shí) 間可能較長(zhǎng)。例如在單路數(shù)字電話系統(tǒng)中，每幀長(zhǎng)度可 能有50多比特，而檢驗(yàn)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(lèi) 似。 50 第第13章章 同步原理同步原理 n13.4.4 群同步性能 u主要性能指標(biāo)： p假同步概率Pf ：當(dāng)捕捉時(shí)同步系統(tǒng)將錯(cuò)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(cuò)成同步碼元。 p漏同步概率Pl：同步系統(tǒng)將正確的同步位置漏過(guò)而沒(méi)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(cuò)誤的碼元。 51 第第13章章 同步原理同步原理

34、u計(jì)算漏同步概率：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 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(cuò)誤時(shí)，即設(shè)定m = 0時(shí)，則上式變?yōu)?上式就是不允許有錯(cuò)同步碼時(shí)漏同步的概率。 m r rnrr nu ppCP 0 )1 ( m r rnrr nl ppCP 0 )1 (1 n l pP)1 (1 52 第第13章章 同步原理同步原理 u計(jì)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(yàn)概率 相等；并且假設(shè)假同步完全是由于某個(gè)信息碼組被誤認(rèn) 為是同步碼組造成的。同步碼組長(zhǎng)度為n

35、，所以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)。 n m r r n f C P 2 0 53 第第13章章 同步原理同步原理 u比較 p比較漏同步和假同步公式可見(jiàn)，當(dāng)判定條件放寬時(shí)，即m 增大時(shí)，漏同步概率減小，但假同步概率增大。設(shè)計(jì)時(shí)需 折中考慮。 u平均建立時(shí)間： p從開(kāi)始捕捉轉(zhuǎn)變到保持態(tài)所需的時(shí)間。 p現(xiàn)以集中插入法為例進(jìn)行計(jì)算。 假

36、設(shè)漏同步和假同步都不發(fā)生，則由于在一個(gè)群同步周期 內(nèi)一定會(huì)有一次同步碼組出現(xiàn)。所以按照上流程圖捕捉同 步碼組時(shí)，最長(zhǎng)需要等待一個(gè)周期的時(shí)間，最短則不需等 待，立即捕到。平均而言，需要等待半個(gè)周期的時(shí)間。設(shè) N為每群的碼元數(shù)目，其中群同步碼元數(shù)目為n，T為碼元 持續(xù)時(shí)間，則一群的時(shí)間為NT，它就是捕捉到同步碼組需 要的最長(zhǎng)時(shí)間；而平均捕捉時(shí)間為NT / 2。若考慮到出現(xiàn) 一次漏同步或假同步大約需要多用NT的時(shí)間才能捕獲到同 步碼組，故這時(shí)的群同步平均建立時(shí)間約為 te NT(1/2 + Pf + Pl) 54 第第13章章 同步原理同步原理 l13.5 網(wǎng)同步網(wǎng)同步 n13.5.1 概述 u網(wǎng)同

37、步目的：使全網(wǎng)各站能夠互連互通，正確地接 收信息碼元。 u網(wǎng)同步方法分類(lèi)： p單向通信系統(tǒng)：一般由接收設(shè)備調(diào)整自已的時(shí)鐘，使 之和發(fā)送設(shè)備的時(shí)鐘同步。 p雙向通信系統(tǒng)雙向通信系統(tǒng)： 同步網(wǎng)：全網(wǎng)各站具有統(tǒng)一時(shí)間標(biāo)準(zhǔn) 異步網(wǎng)或準(zhǔn)同步網(wǎng)：容許各站的時(shí)鐘有誤差，但 是通過(guò)調(diào)整碼元速率的辦法使全網(wǎng)能夠協(xié)調(diào)工作 55 第第13章章 同步原理同步原理 u同步網(wǎng)的同步方法 p可能由接收設(shè)備負(fù)責(zé)解決，也可能需要收發(fā)雙方共同解決。 p例： 一個(gè)衛(wèi)星通信網(wǎng)中有4個(gè)地球（終端）站，在衛(wèi)星（中心 站）S1上接收地球站的TDMA信號(hào)，其時(shí)隙安排示于下圖 中： 上行 下行 ABCD S1S2 E-1E-1E-1 E-1

38、E-2 A B C DA B t 56 第第13章章 同步原理同步原理 因?yàn)槊總€(gè)地球站只允許在給定的一段時(shí)隙中發(fā)送信號(hào)，故地 球站的發(fā)射機(jī)必須保證其發(fā)送的上行信號(hào)到達(dá)衛(wèi)星上時(shí)，恰 好是衛(wèi)星上中心站準(zhǔn)備接收其信號(hào)的時(shí)間。由于各個(gè)地球站 和衛(wèi)星的距離不等，各個(gè)地球站的上行發(fā)送信號(hào)的時(shí)鐘也需 要不同，所以不可能采用調(diào)整衛(wèi)星上中心站接收機(jī)時(shí)鐘的辦 法達(dá)到和所有地球站上行信號(hào)同步的目的。這時(shí)，需要各地 球站按照和衛(wèi)星的距離遠(yuǎn)近，將發(fā)射信號(hào)的時(shí)鐘調(diào)整到和衛(wèi) 星上中心站接收機(jī)的時(shí)鐘一致；由于延遲時(shí)間不同，各個(gè)地 球站發(fā)射信號(hào)的時(shí)鐘之間實(shí)際上是有誤差的。這稱(chēng)為發(fā)射機(jī) 同步方法。 57 第第13章章 同步原理同

39、步原理 p發(fā)射機(jī)同步方法的分類(lèi)： 開(kāi)環(huán)法：開(kāi)環(huán)方法不需依靠中心站上接收信號(hào)到達(dá)時(shí)間 的任何信息。終端站根據(jù)它所存儲(chǔ)的關(guān)于鏈路長(zhǎng)度等信 息可以預(yù)先校正其發(fā)送時(shí)間。終端站所存儲(chǔ)的這些信息 是從有關(guān)單位提供的，但是還可以按照從中心站送回的 信號(hào)加以修正。 開(kāi)環(huán)方法依靠的是準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的鏈路長(zhǎng)度等參量信息。當(dāng) 鏈路的路徑是確定的，這種方法很好。但是當(dāng)鏈路的路 徑不是確定的，或終端站只是斷續(xù)地接入時(shí)，這種方法 就難于有效地使用。 開(kāi)環(huán)法的主要優(yōu)點(diǎn)是捕捉快、不需要反向鏈路也能工作 和實(shí)時(shí)運(yùn)算量小。其缺點(diǎn)是需要外部有關(guān)單位提供所需 的鏈路參量數(shù)據(jù)，并且缺乏靈活性。 58 第第13章章 同步原理同步原理 閉環(huán)法：

40、在閉環(huán)法中，中心站需要測(cè)量來(lái)自終端站的信 號(hào)的同步準(zhǔn)確度，并將測(cè)量結(jié)果通過(guò)反向信道送給終端 站。因此，閉環(huán)法需要一條反向信道傳送此測(cè)量結(jié)果， 并且終端站需要有根據(jù)此反饋信息適當(dāng)調(diào)整其時(shí)鐘的能 力。 閉環(huán)法的優(yōu)點(diǎn)：不需要預(yù)先得知鏈路參量的數(shù)據(jù)。并且 可以很容易地利用反向鏈路來(lái)及時(shí)適應(yīng)路徑和鏈路情況 的變化。 閉環(huán)法的缺點(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。 59 第第13章章 同步原理同步原理 u異步網(wǎng)或準(zhǔn)同步網(wǎng)的同步方法： p典型例子是準(zhǔn)同步數(shù)字體系(PDH)中采用的碼速調(diào)整法。 p仍以上面的衛(wèi)星通信網(wǎng)為例：若這時(shí)4個(gè)地

41、球站的上行信 號(hào)都是一次群E-1信號(hào)，它們?cè)谛l(wèi)星S1上接收到后，合并 成二次群E-2信號(hào)，再發(fā)送給衛(wèi)星S2。這時(shí)由于4個(gè)地球站 的時(shí)鐘間存在誤差，雖然其碼元標(biāo)稱(chēng)速率都是2048 kb/s， 但是實(shí)際速率不同。在S1上合成的E-2群碼元速率為8448 kb/s，這個(gè)速率是以衛(wèi)星S1上的復(fù)接設(shè)備時(shí)鐘為準(zhǔn)的。將 8448 kb/s平均分配到每個(gè)E-1群的碼元速率為2112 kb/s， 它高于2048 kb/s。所以，盡管各地球站的時(shí)鐘有誤差，但 是在衛(wèi)星上的復(fù)接設(shè)備中合路時(shí)，平均將各路輸入信號(hào)的 碼元速率都提高到以地球站時(shí)鐘為準(zhǔn)的2112 kb/s上，而不 去管各路輸入信號(hào)的碼元速率存在誤差。 60 第第13章章 同步原理同步原理 n13.5.4 準(zhǔn)同步傳輸系統(tǒng)復(fù)接的碼速調(diào)整法 u碼速調(diào)整方案：正碼速調(diào)整法、負(fù)碼速調(diào)整法、正/負(fù) 碼速調(diào)整法、正/零/負(fù)碼速調(diào)整法等。下面將以二次群 的正碼速調(diào)整方案為例，介紹其基本原理。 uPDH系統(tǒng)二次群的正碼速調(diào)整法 p基本原理：復(fù)接設(shè)備對(duì)各支路輸入低次群碼元抽樣時(shí)采 用的抽樣速率比各路碼元速率略高。這樣，經(jīng)過(guò)一段時(shí) 間積累后，若不進(jìn)行調(diào)整，則必將發(fā)生錯(cuò)誤抽樣，即將 出現(xiàn)一個(gè)輸入碼元被抽樣兩次的情況，如下圖所示： (a) (b) (c) (a) 輸入碼元波形 (b) 無(wú)誤差抽樣時(shí)刻 (c) 速率略高的抽