通信原理第9章同步原理課件

1、1 概概 述述信信 源源發(fā)送端發(fā)送端接收端接收端信道編碼信道編碼調(diào)調(diào) 制制信信 道道壓縮編碼壓縮編碼解解 調(diào)調(diào)信信 宿宿保密解碼保密解碼信道解碼信道解碼壓縮解碼壓縮解碼保密編碼保密編碼噪聲噪聲同步同步信源編碼信源編碼信源解碼信源解碼數(shù)字通信系統(tǒng)模型數(shù)字通信系統(tǒng)模型2 同步需要解決的問題同步需要解決的問題 要實現(xiàn)信號的正確傳輸，要求接收機(jī)產(chǎn)生的要實現(xiàn)信號的正確傳輸，要求接收機(jī)產(chǎn)生的信號與發(fā)射機(jī)發(fā)送過來的信號具有相同的頻率與信號與發(fā)射機(jī)發(fā)送過來的信號具有相同的頻率與相位關(guān)系，稱具有相同頻率和相位的時間關(guān)系的相位關(guān)系，稱具有相同頻率和相位的時間關(guān)系的兩信號為同步信號。兩信號為同步信號。 載波同步載波

2、同步數(shù)字信號同步數(shù)字信號同步位同步位同步群同步（字同步）群同步（字同步）網(wǎng)同步網(wǎng)同步39.1 同步的分類同步的分類 9.1.1 按同步的功能分類按同步的功能分類 功用來分：同步可以分為載波同步、位功用來分：同步可以分為載波同步、位同步（碼元同步）、幀同步（群同步）和網(wǎng)同步（碼元同步）、幀同步（群同步）和網(wǎng)同步（通信網(wǎng)中用）。同步（通信網(wǎng)中用）。 1、載波同步、載波同步BPFBPFLPF tm 11costtct 11costtm 22costtcr tm tz4接收端作相干解調(diào)，得接收端作相干解調(diào)，得低通濾波器后輸出差頻，得低通濾波器后輸出差頻，得因此，要求收發(fā)端同頻同相。因此，要求收發(fā)端同頻

3、同相。 2211coscostttmtz 2121cos21ttmtm5 2、位同步、位同步 位同步：要求在接受端產(chǎn)生于發(fā)送端相位同步：要求在接受端產(chǎn)生于發(fā)送端相同碼元重復(fù)頻率，并且具有合適的相位位置。同碼元重復(fù)頻率，并且具有合適的相位位置。 3、幀同步、幀同步 建立在位同步基礎(chǔ)之上，通常由位同步建立在位同步基礎(chǔ)之上，通常由位同步分頻產(chǎn)生，關(guān)注的是為同步產(chǎn)生的位置。分頻產(chǎn)生，關(guān)注的是為同步產(chǎn)生的位置。4、網(wǎng)同步、網(wǎng)同步69.1.2 按同步的實現(xiàn)方法分類按同步的實現(xiàn)方法分類 外同步法：在適當(dāng)?shù)奈恢?，專門發(fā)送同外同步法：在適當(dāng)?shù)奈恢?，專門發(fā)送同步信息。步信息。 自同步法：同步信息可以從信號中直接自

4、同步法：同步信息可以從信號中直接提取出來。提取出來。 在通信系統(tǒng)中，通常都是要求同步信息傳在通信系統(tǒng)中，通常都是要求同步信息傳輸?shù)目煽啃愿哂谛盘杺鬏數(shù)目煽啃?。輸?shù)目煽啃愿哂谛盘杺鬏數(shù)目煽啃浴?9.2 載波同步載波同步9.2.1 直接法（自同步法）直接法（自同步法） 1. 平方變換法平方變換法 設(shè)調(diào)制信號中無直流分量，則抑制載設(shè)調(diào)制信號中無直流分量，則抑制載波的雙邊帶信號為：波的雙邊帶信號為： 經(jīng)過一個平方律部件后就得到經(jīng)過一個平方律部件后就得到 ttmtsccos ttmtmttmtecc2cos212cos22228平方律部件2fc 窄帶濾波器二分頻輸入已調(diào)信號e(t)載波輸出平方律部件二分

5、頻輸入已調(diào)信號載波輸出鑒相器環(huán)路濾波器壓控振蕩器鎖相環(huán)鎖相環(huán) 二分頻電路提取出的載波存在二分頻電路提取出的載波存在相位模相位模糊問題。糊問題。 2. 平方環(huán)法平方環(huán)法93. 科斯塔斯環(huán)科斯塔斯環(huán) 輸入已調(diào)信號 相移低通壓控振蕩器環(huán)路濾波器2低通載波輸出1v2v3v4v5v6v7v ttmccos ttmtttmvttmtttmvcccccc2sinsin21sincos2coscos21coscos4310經(jīng)低通后的輸出分別為經(jīng)低通后的輸出分別為 ：乘法器的輸出為：乘法器的輸出為：上式可以近似地表示為：上式可以近似地表示為： 4.多相移相信號中提取同步信息多相移相信號中提取同步信息 數(shù)字通信中

6、經(jīng)常使用多相移相信號，這數(shù)字通信中經(jīng)常使用多相移相信號，這類信號同樣可以利用多次方變換法從已調(diào)信類信號同樣可以利用多次方變換法從已調(diào)信號中提取載波信息。號中提取載波信息。 sin21cos2165tmvtmv 2814122657sincossintmtmvvv tmv274111 9.2.2 插入導(dǎo)頻法插入導(dǎo)頻法 1、雙邊帶信號中插入導(dǎo)頻、雙邊帶信號中插入導(dǎo)頻 插入的位置應(yīng)在頻譜位零處，導(dǎo)頻與加插入的位置應(yīng)在頻譜位零處，導(dǎo)頻與加在調(diào)制器的那個載波移相在調(diào)制器的那個載波移相90后的所謂后的所謂“正正交載波交載波” 。其輸出信號可表示為：其輸出信號可表示為： 相乘調(diào)制帶通相加 相移2 tmtac

7、csin輸出 tu0帶通相乘器 相移2輸出 tm tu0fc 窄帶濾波器低通 tv tattmatucccccossin012 tattmatmatatattmatvccccccccccc22222222sincossincossin收端乘法器輸出為：收端乘法器輸出為： 2、殘留邊帶信號中插入導(dǎo)頻、殘留邊帶信號中插入導(dǎo)頻 1f2f1f2fcfrfmcff fH2211ffffffffrcmc13 3、直接法和插入導(dǎo)頻法的比較、直接法和插入導(dǎo)頻法的比較 （1）不占用導(dǎo)頻功率不占用導(dǎo)頻功率; （2）防止導(dǎo)頻和信號間的互相干擾；防止導(dǎo)頻和信號間的互相干擾； （3）防止信道不理想引起導(dǎo)頻相位誤差防止信

8、道不理想引起導(dǎo)頻相位誤差 。 插入導(dǎo)頻法的優(yōu)缺點主要表現(xiàn)在；插入導(dǎo)頻法的優(yōu)缺點主要表現(xiàn)在； （1）可以利用它作為自動增益控制；可以利用它作為自動增益控制； （2）多消耗一部分不帶信息的功率。多消耗一部分不帶信息的功率。 14 9.2.3 載波同步系統(tǒng)的性能指標(biāo)載波同步系統(tǒng)的性能指標(biāo) 載波同步系統(tǒng)的主要性能包括：效率、載波同步系統(tǒng)的主要性能包括：效率、精度、同步建立時間和同步保持時間。精度、同步建立時間和同步保持時間。 1、載波同步精度、載波同步精度 精度是指提取的同步載波與載波標(biāo)準(zhǔn)比精度是指提取的同步載波與載波標(biāo)準(zhǔn)比較，它們之間的相位誤差大小。較，它們之間的相位誤差大小。 （1 1）穩(wěn)態(tài)相位誤

9、差）穩(wěn)態(tài)相位誤差 02QvK15 （2）隨機(jī)相位誤差）隨機(jī)相位誤差 從物理概念上講，正弦波加上隨機(jī)噪聲從物理概念上講，正弦波加上隨機(jī)噪聲以后，相位變化是隨機(jī)的，它與噪聲的性質(zhì)以后，相位變化是隨機(jī)的，它與噪聲的性質(zhì)和信噪功率比有關(guān)。和信噪功率比有關(guān)。 2、載波同步的效率、載波同步的效率 3、同步建立時間和保持時間、同步建立時間和保持時間 建立時間建立時間 保持時間保持時間rn212QAfn2002kQts1120lnkQtc120ln169.2.4 頻率誤差和相位誤差對解調(diào)性能影響頻率誤差和相位誤差對解調(diào)性能影響 1、既有頻差又有相位差、既有頻差又有相位差 解調(diào)后得到的信號是：解調(diào)后得到的信號是

10、： 2、只有相位差、只有相位差 對于對于2PSK信號而言，會使誤碼率增大。信號而言，會使誤碼率增大。 ttmtmcos21cos21erfcPe179.3 位同步位同步9.3.1 位同步的作用與分類位同步的作用與分類 1、基本要求、基本要求 碼元速率相同，碼元相位對準(zhǔn)。碼元速率相同，碼元相位對準(zhǔn)。2、作用、作用 判決器的抽樣脈沖；解碼脈沖；判決器的抽樣脈沖；解碼脈沖；PCM系統(tǒng)；幀同步的基準(zhǔn)；信表信號。系統(tǒng)；幀同步的基準(zhǔn)；信表信號。3、分類、分類 自同步和插入導(dǎo)頻法。自同步和插入導(dǎo)頻法。189.3.1 插入導(dǎo)頻法插入導(dǎo)頻法 1、插入位定時導(dǎo)頻法、插入位定時導(dǎo)頻法 位置位置 bT1bT2bT3b

11、T21ffP(f )P(f )(a)(b)bT119帶通相乘載波同步提取低通窄帶濾波相移相移倒相相加放大限幅微分全波整流波形反變換抽樣判決整形fc2bf2bffb輸入信號相關(guān)編碼器相加 位同步導(dǎo)頻調(diào)制2bf tm tmtccos(a)(b)框圖框圖 2、波形變化法、波形變化法 插入導(dǎo)頻法的另一種形式是使數(shù)字信號的插入導(dǎo)頻法的另一種形式是使數(shù)字信號的包絡(luò)按位同步信號的某種波形變化。包絡(luò)按位同步信號的某種波形變化。209.3.3 直接法直接法 當(dāng)系統(tǒng)的位同步采用自同步方法時，發(fā)當(dāng)系統(tǒng)的位同步采用自同步方法時，發(fā)端不專門發(fā)送導(dǎo)頻信號，而直接從數(shù)字信號端不專門發(fā)送導(dǎo)頻信號，而直接從數(shù)字信號中提取位同步

12、信號。中提取位同步信號。1、濾波法、濾波法 波形變換 窄帶濾波器移相脈沖形成全占空碼單極性歸零碼fb位同步212、采用鎖相法提取位同步、采用鎖相法提取位同步 3、直接從頻帶信號中提取同步信號、直接從頻帶信號中提取同步信號 另一種常用的波形變換方法是對帶限信另一種常用的波形變換方法是對帶限信號進(jìn)行包絡(luò)檢波。號進(jìn)行包絡(luò)檢波。22 9.3.4 位同步系統(tǒng)的性能指標(biāo)位同步系統(tǒng)的性能指標(biāo) 位同步系統(tǒng)的性能指標(biāo)除了效率以外，位同步系統(tǒng)的性能指標(biāo)除了效率以外，主要有以下幾方面主要有以下幾方面1、相位誤差、相位誤差 由上圖可見一個碼元周期內(nèi)由晶振來的由上圖可見一個碼元周期內(nèi)由晶振來的脈沖數(shù)為脈沖數(shù)為n個，因此

13、，最大調(diào)整相位為：個，因此，最大調(diào)整相位為： ne 36023 2、同步建立時間、同步建立時間ts 定義：失去同步后重建同步最所需的長定義：失去同步后重建同步最所需的長時間。時間。故同步建立時間為：故同步建立時間為： 3、同步保持時間、同步保持時間tc 系統(tǒng)因為沒有輸入，使得收端位同步信系統(tǒng)因為沒有輸入，使得收端位同步信號的相位就會逐漸發(fā)生漂移，時間越長，相號的相位就會逐漸發(fā)生漂移，時間越長，相位漂移量越大，直至漂移量達(dá)到某一準(zhǔn)許的位漂移量越大，直至漂移量達(dá)到某一準(zhǔn)許的最大值，就算失步了。最大值，就算失步了。 22nnTTNbbbbsnTNTt 224KtFKFtFFtKTccc1100或20

14、2112212111FFFFFFFFTT0210210TTTFFTTF000002212122FFKFttKFFFFFcc或25 4、同步帶寬、同步帶寬f 如果輸入信號碼元的重復(fù)頻率和收端固如果輸入信號碼元的重復(fù)頻率和收端固有位定時脈沖的重復(fù)頻率不相等時，每經(jīng)過有位定時脈沖的重復(fù)頻率不相等時，每經(jīng)過T0時間該頻差會引起時間該頻差會引起 的時間漂移。的時間漂移。 鎖相環(huán)每次所能調(diào)整的時間為鎖相環(huán)每次所能調(diào)整的時間為Tb/n則：則：21TT 0021212nFnTTTnFfnFFfTT221002021265、相位誤差對性能的影響、相位誤差對性能的影響 相位誤差的大小將直接影響到抽樣點的相位誤差的

15、大小將直接影響到抽樣點的位置，誤差越大，越偏離最佳抽樣時刻。位置，誤差越大，越偏離最佳抽樣時刻。 這時的誤碼率可以表示為這時的誤碼率可以表示為00214141nTTEerfcnEerfcPbee279.4 幀同步幀同步 幀同步的任務(wù)就是在位同步信息的基幀同步的任務(wù)就是在位同步信息的基礎(chǔ)上，識別出數(shù)字信息群的起止時刻，或礎(chǔ)上，識別出數(shù)字信息群的起止時刻，或者說給出每個群的者說給出每個群的 “開頭開頭”和和“末尾末尾”時時刻?？?。10.4.1 幀同步的方法幀同步的方法 為了實現(xiàn)群同步，可在數(shù)字信息流中為了實現(xiàn)群同步，可在數(shù)字信息流中插入一些特殊碼字作為每個群的頭尾標(biāo)記。插入一些特殊碼字作為每個群的

16、頭尾標(biāo)記。 實現(xiàn)方法：連貫式插入法和間隔式插實現(xiàn)方法：連貫式插入法和間隔式插入法。入法。281、起止同步法、起止同步法 2、連貫式插入法、連貫式插入法 連貫式插入法就是在每群的開頭集中插連貫式插入法就是在每群的開頭集中插入群同步碼字的同步方法。該方法的關(guān)鍵是入群同步碼字的同步方法。該方法的關(guān)鍵是需要找到一個特殊的幀同步碼組。需要找到一個特殊的幀同步碼組。巴克碼巴克碼 止 起5個碼元（信息）7.5個碼元止29 巴克碼巴克碼 它的特殊規(guī)律是：若一個它的特殊規(guī)律是：若一個n位的巴克碼位的巴克碼x1, x2, x3, xn，每個碼元，每個碼元xi 只可能取值只可能取值+1或或-1，則它必然滿足條件，則

17、它必然滿足條件 njjnxxjRjnijii001101當(dāng)當(dāng), 巴克碼識別器巴克碼識別器 識別器用識別器用10級移位寄存級移位寄存器、相加器和判決器就可以器、相加器和判決器就可以組成，具體結(jié)構(gòu)如圖所示。組成，具體結(jié)構(gòu)如圖所示。246-2-4-6246R(j)300 1(7)0 1(6)0 1(5)0 1(4)0 1(3)0 1(2)0 1(1)相 加判決輸入碼元移動方向10111001011100信息碼巴克碼巴克碼一群ttt1(a)(b)31 判決器輸出的兩個脈沖之間的數(shù)據(jù)，稱判決器輸出的兩個脈沖之間的數(shù)據(jù)，稱為一群數(shù)據(jù)或稱為一幀數(shù)據(jù)。為一群數(shù)據(jù)或稱為一幀數(shù)據(jù)。 對于信息而言，由于其具有的隨機(jī)

18、特性，對于信息而言，由于其具有的隨機(jī)特性，使得我們考察一種最不利的情況：使得我們考察一種最不利的情況： 22446681012a相加器輸出圖7-18 相加器輸出波形32 3、間歇式插入法、間歇式插入法 將群同步碼字分散地插入道信息之中，將群同步碼字分散地插入道信息之中，即每隔一定數(shù)量的信息碼元，插入一個群同即每隔一定數(shù)量的信息碼元，插入一個群同步碼字。這種群同步碼字的插入方式被稱為步碼字。這種群同步碼字的插入方式被稱為間歇式插入法。間歇式插入法。 24路路PCM系統(tǒng)中，群同步則系統(tǒng)中，群同步則采用間歇式插入法。采用間歇式插入法。 收端要確定群同步碼位置的方法：收端要確定群同步碼位置的方法： （

19、1 1）逐碼移位法；）逐碼移位法； （2 2）RAM幀碼檢測法。幀碼檢測法。 331 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 241 2 3 4 5 6 7 8第一幀第二幀第三幀共192824位插入的一個群同步碼元34延遲一位禁門異或門N本地群碼分路定時脈沖收碼位同步碼abcdef 逐碼移位法的基本原理：由位同步脈沖逐碼移位法的基本原理：由位同步脈沖經(jīng)過經(jīng)過n次分頻以后的本地群碼與接收到碼元中次分頻以后的本地群碼與接收到碼元中間歇式插入的群同步碼進(jìn)行遠(yuǎn)碼移位比較，間歇式插入的群同步碼進(jìn)行遠(yuǎn)碼移位比較，使本地群碼與發(fā)送來

20、的群同步碼同步。使本地群碼與發(fā)送來的群同步碼同步。 3512345678910111213141516123123123123123123abcdd1d2ee1ff1 經(jīng)過計算，群同步平均經(jīng)過計算，群同步平均建立的時間近似為：建立的時間近似為： bsTNt236 9.4.2 幀同步的性能幀同步的性能 對于群同步系統(tǒng)而言，我們希望其建立對于群同步系統(tǒng)而言，我們希望其建立的時間要短、建立同步以后應(yīng)該具有較強(qiáng)的的時間要短、建立同步以后應(yīng)該具有較強(qiáng)的抗干擾能力。因此，在通常情況下，用以下抗干擾能力。因此，在通常情況下，用以下三個性能指標(biāo)來表示。三個性能指標(biāo)來表示。 1、漏同步概率、漏同步概率P1 同步碼字中一些碼元發(fā)生錯誤，從而使同步碼字中一些碼元發(fā)生錯誤，從而使識別器漏識別已發(fā)出的群同步碼字，出現(xiàn)這識別器漏識別已發(fā)出的群同步碼字，出現(xiàn)這種情況的概率稱為漏識概率。種情況的概率稱為漏識概率。37這時漏同步概