通信原理教程12-同步

通信系統(tǒng)原理教程同步

通信教研室楊春萍2023/2/51第22講同步本講內(nèi)容概述載波同步方法位同步群同步網(wǎng)同步2023/2/52第22講同步概述同步需要解決的問題載波同步位同步群同步網(wǎng)同步解決同步問題的代價(jià)增加相應(yīng)的硬件和軟件以及增加傳輸同步信息，相應(yīng)地增加傳輸同步信息所需的傳輸時(shí)間和傳輸能量。返回2023/2/53第22講同步插入導(dǎo)頻法直接提取法載波同步性能載波同步方法返回2023/2/54第22講同步

7.2.1插入導(dǎo)頻法 例：2PSK信號。在發(fā)送端：插入正交導(dǎo)頻

m(t)頻譜中的最高頻率為fm

f0

–fmf0

+fm0f0f導(dǎo)頻2023/2/55第22講同步在接收端： 用窄帶濾波器濾出導(dǎo)頻分量，并將其移相/2，變成sin0t，然后用它和接收信號相乘。 設(shè)接收信號仍用s0(t)表示，則此乘積為 濾除20頻率分量，就可以恢復(fù)出原調(diào)制信號m(t)。若不用正交導(dǎo)頻，接收端輸出將增加直流分量。2023/2/56第22講同步原理方框圖相乘電路帶通濾波相加電路/2相移載波產(chǎn)生(a)發(fā)送端原理方框圖帶通濾波相乘電路低通濾波/2相移窄帶濾波(b)接收端原理方框圖圖7.2.2插入導(dǎo)頻法原理方框圖2023/2/57第22講同步7.2.2直接提取法平方法原理 對于沒有載波分量的信號，例如2PSK信號， 設(shè)接收信號為s(t)： 式中，m(t)為調(diào)制信號，它無直流分量。 將此接收信號平方后，得到 用窄帶濾波器將上式中2f0分量濾出，經(jīng)過二分頻，就得出載頻f0的分量。原理方框圖如下：S(t)S2(t)窄帶濾波二分頻平方f02f02023/2/58第22講同步存在問題：二分頻電路的初始狀態(tài)是隨機(jī)的，使分頻輸出的初始相位有兩種可能狀態(tài)：0和,即相位是模糊的用鎖相環(huán)代替窄帶濾波器的方案原理方框圖優(yōu)點(diǎn)：輸出信號具有更好的穩(wěn)定性，并且不必須有連續(xù)的輸入信號。平方二分頻壓控振蕩相乘環(huán)路濾波2f0S(t)S2(t)f0鎖相環(huán)2023/2/59第22講同步科斯塔斯環(huán)法－同相正交環(huán)法原理方框圖原理 設(shè)：接收信號仍為抑制載波的雙邊帶信號s(t)，本地載波電壓為 式中，為信號和本地載波的相位差。bes(t)c/2移相相乘壓控振蕩環(huán)路濾波低通相乘低通相乘adfg解調(diào)輸出2023/2/510第22講同步

輸入信號s(t)和本地載波相乘后得到 經(jīng)過低通濾波后，它們分別為： 和 上面這兩個(gè)電壓再相乘后得到 上式中，是本地載波相位與接收信號載波相位之差。

vg經(jīng)過環(huán)路濾波器后加到壓控振蕩器上，控制其振蕩頻率。 當(dāng)

=0時(shí)，vg=0，這時(shí)振蕩器的控制電壓也等于0。2023/2/511第22講同步結(jié)論：此壓控振蕩器的輸出電壓va就是從接收信號中提取的載波，可以用來進(jìn)行相干接收。e點(diǎn)電壓ve就是解調(diào)輸出電壓，因?yàn)樗频扔趍(t)/2。優(yōu)缺點(diǎn)：不需要用平方電路，它在頻率很高時(shí)較難實(shí)現(xiàn)。若要求得到最佳性能，則需要兩路低通濾波器的性能完全一致，這對于模擬電路來說較難做到，但是若用數(shù)字電路則不難做到。仍存在相位模糊問題。2023/2/512第22講同步從多進(jìn)制信號中提取載頻以QPSK信號為例，說明平方法的原理。 設(shè)：一個(gè)QPSK信號的表示式為 式中， 對其平方后，得到 對于先驗(yàn)等概率的QPSK信號，上式中的“”號表示其中的20分量的平均功率等于零，即其頻譜中沒有20的分量。因此，需要濾除其中的直流分量后，再次平方，得到 上式中含有4f0的分量。將它濾出并4分頻，即可得到載頻f0分量。2023/2/513第22講同步QPSK信號提取載頻的科斯塔斯環(huán)原理方框圖s(t)相乘/4移相低通相乘相乘壓控振蕩環(huán)路濾波低通解調(diào)輸出相乘/2移相相乘3/4移相低通低通2023/2/514第22講同步7.2.3載波同步性能載波同步精確度： 兩種相位誤差：1.由電路參量引起的恒定誤差；

2.由噪聲引起的隨機(jī)誤差。恒定誤差由濾波器引起的誤差 設(shè)：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鎖相環(huán)引起的誤差 設(shè)鎖相環(huán)的穩(wěn)態(tài)相位誤差為，則有 式中，f－fq和

f0之差，

Kq

－鎖相環(huán)路直流增益。2023/2/515第22講同步隨機(jī)誤差：噪聲引起的相位誤差n是隨機(jī)量

在加性高斯噪聲信道中，n的方差與信噪比r的關(guān)系為： 式中，－相位抖動；

r－信號噪聲功率比。恒定誤差和隨機(jī)誤差對于Q值的要求是矛盾的。同步建立時(shí)間和保持時(shí)間同步建立時(shí)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(shí)間－越短越好。同步保持時(shí)間－從開始失去信號到失去載頻同步的時(shí)間－越長越好。兩者是矛盾的。2023/2/516第22講同步載波同步誤差對2PSK信號誤碼率的影響相位誤差包括兩部分：

＝

＋

式中，－恒定誤差

－隨機(jī)誤差∵解調(diào)輸出為 式中cos引起信號電壓下降，

∴信號噪聲功率比r下降為cos2倍。因此，誤碼率下降為 式中，r為信號噪聲功率比。2023/2/517第22講同步載波同步誤差引起的信號波形失真 例如，會使單邊帶信號產(chǎn)生失真。 設(shè)有一單頻基帶信號： 用它對載波cos0t進(jìn)行單邊帶調(diào)制后，取出上邊帶信號： 若接收端的本地載波有相位誤差，則兩者相乘后得到 經(jīng)過低通濾波器濾出的低頻分量為 上式中，第1項(xiàng)的因子cos使原調(diào)制基帶信號受到衰減；第2項(xiàng)和第1項(xiàng)正交，它使接收信號產(chǎn)生失真，產(chǎn)生碼間串?dāng)_。返回2023/2/518第22講同步位同步外同步－碼元同步自同步位同步誤差對誤差率的影響返回2023/2/519第22講同步

7.3.1外同步法－輔助信息同步法原理：于發(fā)送端信號中插入頻率為碼元速率（1/T）或碼元速率的倍數(shù)的位同步信號。 在接收端利用一個(gè)窄帶濾波器，將其分離出來，并形成碼元定時(shí)脈沖。插入位同步信號的方法：時(shí)域：連續(xù)插入、不連續(xù)插入（“位同步頭”）頻域：信號頻帶外插入、信號頻帶內(nèi)“空隙”處插入。優(yōu)缺點(diǎn)：設(shè)備較簡單；但占用一定的帶寬和發(fā)送功率。

7.3.2自同步法開環(huán)碼元同步法－同步電路直接從輸入碼流中提取發(fā)送碼流的時(shí)鐘。 下面給出3個(gè)具體方案。2023/2/520第22講同步波形變換法2023/2/521第22講同步延遲相乘法2023/2/522第22講同步微分整流法時(shí)間誤差：若窄帶濾波器的帶寬等于1/KT

，則 當(dāng)式中，－同步誤差時(shí)間；

T

－碼元持續(xù)時(shí)間；

Eb

－碼元能量；

n0

－單邊噪聲功率譜密度。因此，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。開環(huán)法主要缺點(diǎn)：存在非零平均同步跟蹤誤差。2023/2/523第22講同步閉環(huán)碼元同步法－“超前/滯后門”同步器相乘門波形產(chǎn)生超前門滯后門m(t)相乘壓控振蕩u1u2環(huán)路濾波

||

||

++-|u1||u2|e=|u2|-|u1|Tdd+1-1超前門滯后門(a)同步狀態(tài)(b)超前狀態(tài)d++1-1超前門滯后門T2積分時(shí)間2023/2/524第22講同步7.3.3位同步誤差對于誤碼率的影響

若位同步時(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)；在相鄰碼元沒有突變邊沿時(shí)，則積分時(shí)間沒有損失。

∴對于等概率隨機(jī)碼元信號，有突變的邊沿和無突變的邊沿各占1/2。 例：2PSK信號的最佳誤碼率等于 故在有相位誤差時(shí)的平均誤碼率為返回2023/2/525第22講同步群同步概述集中插入法分散插入法群同步性能返回2023/2/526第22講同步

7.4.1概述

群同步信息的傳遞1.碼組本身自帶分組信息

2.插入群同步碼

分散插入

集中插入

(a)分散插入法……群同步序列群同步碼元群同步碼元群同步碼元信號碼元群信號碼元群群同步碼元信號碼元群(a)集中插入法群同步碼組群同步碼組群同步碼組群同步碼組信號碼元群信號碼元群信號碼元群………2023/2/527第22講同步集中插入：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)間很短的場合分散插入：需要較長的同步建立時(shí)間。故適用于連續(xù)傳輸信號之處，例如數(shù)字電話系統(tǒng)中同步電路的兩種狀態(tài)：捕捉態(tài)和保持態(tài)。起止式同步法： 主要適用于低速的手工操作的電傳打字機(jī)中。 起止式同步通信有時(shí)也稱為異步式通信，因?yàn)槠浯a元間隔不等。起止止123452023/2/528第22講同步

7.4.2集中插入法原理

設(shè)有一個(gè)碼組，它包含N個(gè)碼元{x1,x2,…,xN}，則其局部自相關(guān)函數(shù)（下面簡稱自相關(guān)函數(shù)）等于： 式中，N

－碼組中的碼元數(shù)目；

xi

－碼元的取值，可以取+1或-1。 當(dāng)j=0時(shí)，

上式在運(yùn)算中，已假定當(dāng)1>i

和i>N時(shí)，xi=0。 若一個(gè)碼組僅在R(0)處出現(xiàn)峰值，其他處的R(j)均很小，則可以用求自相關(guān)函數(shù)的方法對于接收碼元序列運(yùn)算，尋找峰值，從而確定此碼組的位置。2023/2/529第22講同步巴克碼定義： 巴克碼尚未找到一般構(gòu)造方法N巴克碼1＋2＋＋或＋－3＋＋－4＋＋＋－或＋＋－＋5＋＋＋－＋7＋＋＋――＋－11＋＋＋―――＋――＋－13＋＋＋＋＋――＋＋－＋－＋2023/2/530第22講同步自相關(guān)函數(shù)值：以N=5的巴克碼為例R(0)=5xixixi2xi+1xixi+1xiR(1)=0xi+2xixixi+2R(2)=1xi+3xixixi+3R(3)=0xi+4xixixi+4R(4)=10-1 53214123-4-1-3-2jR(j)2023/2/531第22講同步威拉德(Willard)碼： 對于隨機(jī)相鄰碼元能給出最小錯(cuò)誤同步概率。N威拉德碼1＋2＋－3＋＋－4＋＋－－5＋＋－＋－7＋＋＋―＋――11＋＋＋―＋＋―＋―――13＋＋＋＋＋――＋－＋―――2023/2/532第22講同步集中插入法的實(shí)現(xiàn)一旦發(fā)現(xiàn)自相關(guān)值等于同步碼組的長度N時(shí)，就認(rèn)為捕捉到了同步，并將系統(tǒng)從捕捉態(tài)轉(zhuǎn)換為保持態(tài)。繼續(xù)考察同步位置上的接收碼組是否仍然具有等于N的自相關(guān)值。當(dāng)系統(tǒng)失去同步時(shí)，自相關(guān)值立即下降。因?yàn)樵肼曇部赡芤鹱韵嚓P(guān)值下降。所以為了保護(hù)同步狀態(tài)不易被噪聲等干擾打斷，在保持狀態(tài)時(shí)要降低對自相關(guān)值的要求。判定系統(tǒng)失步后，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入捕捉態(tài)，從新捕捉同步碼組。2023/2/533第22講同步

7.4.3分散插入法－間隔式插入法例：在數(shù)字電話系統(tǒng)中常采用的“1/0”交替碼……群同步序列…..1010101010…群同步碼元群同步碼元群同步碼元信號碼元群信號碼元群群同步碼元信號碼元群PPP2023/2/534第22講同步同步碼搜索方法移位搜索法Y初始化開始同步狀態(tài)移一位是同步碼？記數(shù)器A記到n？記數(shù)器A加1N狀態(tài)轉(zhuǎn)換YYN置0是同步碼？記數(shù)器B加1記數(shù)器B記到m？N記數(shù)器C加1Y記數(shù)器C記到n？置0保持態(tài)捕捉態(tài)將同步狀態(tài)設(shè)為捕捉態(tài)將各記數(shù)器置02023/2/535第22講同步存儲檢測法0102030405060708xxxxxxx00910111213141516xxxxxxx

11718192021222324xxxxxxx

02526272829303132xxxxxxx

13334353637383940xxxxxxx0新碼元進(jìn)入老碼元輸出檢驗(yàn)是否“1/0”交替2023/2/536第22講同步

7.4.4群同步性能漏同步概率Pl

：將正確同步位置漏過的概率。 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 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)?023/2/537第22講同步假同步概率Pf

： 將錯(cuò)誤同步位置當(dāng)作正確同步位置捕捉到的概率。 設(shè)：信息碼元“1”和“0”出現(xiàn)的先驗(yàn)概率相等，假同步是由某個(gè)信息碼組被誤認(rèn)為同步碼組造成的，步碼組長度為n， 則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。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)。當(dāng)m增大時(shí)，漏同步概率減小，但假同步概率增大。所以，兩者是矛盾的。返回2023/2/538第22講同步網(wǎng)同步概述開環(huán)法閉環(huán)法返回2023/2/539第22講同步

7.5.1概述目的：解決網(wǎng)中各站的載波同步、位同步和群同步等問題單向通信：由接收機(jī)解決網(wǎng)同步問題。多用戶系統(tǒng)：由整個(gè)終端站（發(fā)射機(jī)和接收機(jī)）解決同步 問題。終端站發(fā)射機(jī)同步方法：有開環(huán)和閉環(huán)兩種。開環(huán)法：不需依靠對中心站上接收信號參量的測度， 它依靠的是準(zhǔn)確的可以預(yù)測的鏈路參量。優(yōu)點(diǎn)：捕捉快、不需要反向鏈路也能工作和實(shí)時(shí)算量小。缺點(diǎn)：需要外部有關(guān)部門提供所需的鏈路參量數(shù) 據(jù)，并且缺乏靈活性。2023/2/540第22講同步閉環(huán)法：不需要預(yù)先得知鏈路參量的數(shù)據(jù)，中心站需要度量來自終端站的信號的同步準(zhǔn)確度，并將度量結(jié)果通過反向信道送給終端站，使其作出調(diào)整。優(yōu)點(diǎn)：不需要外部供給有關(guān)鏈路參量的數(shù)據(jù)，能及時(shí)適應(yīng)路徑和鏈路情況的變化。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的時(shí)間。

2023/2/541第22講同步

7.5.1開環(huán)法兩類開環(huán)法：1.不利用反向鏈路提供的信息，

2.利用反向鏈路提供的信息。例：

1.衛(wèi)星通信系統(tǒng)－不利用反向鏈路提供的信息時(shí)預(yù)先校正時(shí)間：終端站發(fā)射機(jī)需要計(jì)算信號到達(dá)中心站的時(shí)間： 式中，Tt

－實(shí)際發(fā)送開始時(shí)間；

d－傳輸距離；c－光速。預(yù)先校正發(fā)送頻率：考慮多譜勒頻移后，發(fā)送頻率應(yīng)該等于 式中， V

－相對速度（距離縮短時(shí)為正）；

f0

－標(biāo)稱發(fā)送頻率。2023/2/542第22講同步時(shí)間預(yù)測的誤差 式中， re

－距離估值的誤差；

t

－發(fā)射機(jī)處和接收機(jī)處參考時(shí)間之差。頻率預(yù)測誤差 式中，Ve

－發(fā)射機(jī)和接收機(jī)間相對速度的測量值誤差 或預(yù)測值的誤差；

f

－發(fā)射機(jī)和接收機(jī)參考頻率間的誤差。參考頻率最大容許誤差(Hz/Hz/day)

2023/2/543第22講同步頻率偏移隨時(shí)間線性增大值 式中，f(T)－在時(shí)間T內(nèi)增大的頻率偏移；

f(0)－初始（t=0時(shí)）頻率偏移；

T

－時(shí)間（天）。積累的時(shí)間偏差t(T)

由上式可以看出，參考時(shí)間誤差隨時(shí)間按平方律增長。通常必須定期地更新終端站的接收機(jī)定時(shí)數(shù)據(jù)，或重新將接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的參考時(shí)間設(shè)置到標(biāo)稱時(shí)間。

2023/2/544第22講同步

2.衛(wèi)星通信系統(tǒng)－利用反向鏈路提供的信息時(shí)對下行鏈路信號測量得到的t和f的誤差，可以用于計(jì)算對上行傳輸?shù)男Ｕ?。若終點(diǎn)站有來自中心站的反向（下行）鏈路，并能夠?qū)⒈镜貐⒖己洼斎胄盘枀⒘孔鞅容^，則兩次校準(zhǔn)的時(shí)間間隔可以更長些。終端站能夠利用對反向鏈路信號測量進(jìn)行同步的方法有時(shí)稱為準(zhǔn)閉環(huán)發(fā)射機(jī)同步法。若已知參考時(shí)間和參考頻率是準(zhǔn)確的，但是鏈路的路徑有變動，則對下行鏈路的同樣測量也可以用于解決距離或速度不確定的問題，從而預(yù)先校正上行信號的定時(shí)和頻率。2023/2/545第22講同步

7.5.2閉環(huán)法閉環(huán)法需要終端站發(fā)送特殊的同步信號，用以在中心站決定信號的時(shí)間和頻率誤差。所得結(jié)果并在反向（下行）鏈路上反饋給終端站發(fā)射機(jī)。若中心站具有足夠的處理能力，則中心站可以進(jìn)行實(shí)際的誤差測量；并將誤差送回給終端站發(fā)射機(jī)。優(yōu)點(diǎn)：1.在反向鏈路上傳送的誤差測量結(jié)果很短。

2.在中心站上的誤差測量手段能夠被所有終端共 享。這大量節(jié)省了系統(tǒng)的處理能力。若中心站沒有處理能力，則