第7章 差錯(cuò)控制同步信道復(fù)用

2024/3/221第7章差錯(cuò)控制、同步及信道復(fù)用

差錯(cuò)控制同步信道復(fù)用2024/3/222差錯(cuò)控制的基本概念

差錯(cuò)控制在發(fā)送端被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息（信息碼）中增加一些多余的比特（監(jiān)督碼），并使信息碼與監(jiān)督碼間有某種確定關(guān)系。 接收端對信息碼與監(jiān)督碼之間的這種關(guān)系進(jìn)行校驗(yàn)。一旦傳輸發(fā)生差錯(cuò)，則信息碼與監(jiān)督碼的關(guān)系就可能受到破壞，從而使接收端可以檢測（發(fā)現(xiàn)）以至糾正傳輸中產(chǎn)生的錯(cuò)誤。通過犧牲系統(tǒng)有效性來提高信息傳輸?shù)目煽啃浴?024/3/223差錯(cuò)類型常見的錯(cuò)誤類型有以下三3種：（1）隨機(jī)錯(cuò)誤（2）突發(fā)錯(cuò)誤（3）混合錯(cuò)誤2024/3/224差錯(cuò)控制的方式

常用的差錯(cuò)控制方式主要有檢錯(cuò)重發(fā)、前向糾錯(cuò)和混合差錯(cuò)控制三種。檢錯(cuò)重發(fā)

在發(fā)送端，輸入的信息碼元在編碼器中被分組編碼（加入監(jiān)督碼）后，除了立即發(fā)送外，還暫存于緩沖存儲器中。 若接收端譯碼器檢出錯(cuò)碼，則由譯碼器控制產(chǎn)生一個(gè)重發(fā)指令，指令經(jīng)過反向信道送到發(fā)送端。這時(shí)，由發(fā)送端重發(fā)控制器控制緩沖存儲器重發(fā)一次。 接收端僅當(dāng)譯碼器認(rèn)為接收信息碼元正確時(shí)，才將信息碼元送給收信者，否則在輸出緩沖存儲器中刪除接收碼元。2024/3/225檢錯(cuò)重發(fā)

當(dāng)譯碼器未發(fā)現(xiàn)錯(cuò)碼時(shí)，經(jīng)過反向信道發(fā)出不需重發(fā)指令。發(fā)送端收到此指令后，即繼續(xù)發(fā)送后一碼組，發(fā)送端的緩沖存儲器中的內(nèi)容也隨之更新。圖8-1檢錯(cuò)重發(fā)差錯(cuò)控制系統(tǒng)的原理框圖2024/3/226前向糾錯(cuò)

接收端利用接收到的碼組中的監(jiān)督碼，判斷接收到的碼組有無錯(cuò)誤以及錯(cuò)誤的位置。 若有錯(cuò)誤并且錯(cuò)誤的數(shù)目在糾錯(cuò)能力之內(nèi)，則譯碼器對錯(cuò)誤進(jìn)行糾正后再將數(shù)字信息送給信宿。圖8-2前向糾錯(cuò)原理框圖2024/3/227混合差錯(cuò)控制

混合差錯(cuò)控制（HEC）是利用檢錯(cuò)重發(fā)與前向糾錯(cuò)兩種方式相結(jié)合的差錯(cuò)控制方式。 接收端收到碼組后，首先進(jìn)行錯(cuò)誤檢測，如果檢測出的錯(cuò)誤在該編碼的糾錯(cuò)能力之內(nèi)，則自動對錯(cuò)誤進(jìn)行糾正。如果檢測出的錯(cuò)誤超過了該編碼的糾錯(cuò)能力，則經(jīng)過反向信道請求發(fā)送端重新發(fā)送這組數(shù)據(jù)。2024/3/228檢錯(cuò)和糾錯(cuò)的基本概念差錯(cuò)控制編碼舉例

檢錯(cuò)或糾錯(cuò)能力與發(fā)送編碼中冗余碼的位數(shù)有關(guān)。監(jiān)督碼元越多，檢（糾）錯(cuò)能力越強(qiáng)。舉例差錯(cuò)控制編碼的基本概念差錯(cuò)控制編碼按照編碼構(gòu)成方式的不同分為分組碼和卷積碼分組碼通常用符號(n,k)表示，其中n是碼組的總位數(shù)，又稱為碼組長度；k表示碼組中信息碼元的數(shù)目。令r=n-k，表示監(jiān)督碼元個(gè)數(shù)。在二進(jìn)制編碼中，通常分組碼都是k個(gè)信息碼元在前，r個(gè)監(jiān)督碼元附加在k個(gè)信息碼元之后，其結(jié)構(gòu)如圖8-4所示。2024/3/229檢錯(cuò)和糾錯(cuò)的基本概念（續(xù)）圖8-4分組碼結(jié)構(gòu)圖2024/3/2210檢錯(cuò)和糾錯(cuò)的基本概念（續(xù)）在分組碼中，我們把碼組中“1”的數(shù)目稱為碼組的重量（簡稱碼重）兩個(gè)碼組之間對應(yīng)位上數(shù)字不同的位數(shù)稱為碼距，又稱漢明距離。最小碼距是指一種編碼中各個(gè)碼組間漢明距離的最小值，也叫做最小碼距d0。一種編碼的最小碼距d0的大小直接關(guān)系著這種編碼的檢錯(cuò)和糾錯(cuò)能力，具體關(guān)系如圖8-5所示。2024/3/2211檢錯(cuò)和糾錯(cuò)的基本概念（續(xù)）圖8-5碼距與檢錯(cuò)和糾錯(cuò)能力的關(guān)系2024/3/2212檢錯(cuò)和糾錯(cuò)的基本概念（續(xù)）

（1）為檢測e個(gè)錯(cuò)誤，要求最小碼距（2）為糾正t個(gè)錯(cuò)誤，要求最小碼距（3）為糾正t個(gè)錯(cuò)誤，同時(shí)檢測e個(gè)錯(cuò)誤，要求最小碼距2024/3/2213檢錯(cuò)和糾錯(cuò)的基本概念（續(xù)）

編碼效率是指一個(gè)碼組中信息位所占的比例，用R表示。R越大，編碼效率越高，但檢糾錯(cuò)能力越差。2024/3/2214同步

在數(shù)字通信系統(tǒng)中，同步是指收發(fā)雙方在時(shí)間和頻率上步調(diào)一致。 接收端在進(jìn)行信號檢測之前，需要建立各種同步，包括載波同步、位同步和群同步等。2024/3/2215載波同步

相干解調(diào)必須有載波同步。載波同步的方法可以分為兩大類。第一類是在發(fā)送端的發(fā)送信號中插入一個(gè)專門用于載波同步的導(dǎo)頻。導(dǎo)頻通常是一個(gè)或幾個(gè)特定頻率的未經(jīng)調(diào)制的正弦波。在接收端提取出導(dǎo)頻，利用此導(dǎo)頻的頻率和相位來決定本地產(chǎn)生的載波頻率和相位。第二類是在接收端設(shè)法從有用信號中直接提取出載波，而不用發(fā)送專門的導(dǎo)頻。2024/3/2216插入導(dǎo)頻法

插入導(dǎo)頻法主要用于接收信號頻譜中沒有離散載頻分量，且在載頻附近頻譜幅度很小的情況。

以2PSK信號為例，“0”和“1”等概發(fā)送時(shí)，2PSK可以看作是抑制載波的雙邊帶調(diào)幅。 在此方案中插入導(dǎo)頻的相位與原調(diào)制載波的相位正交，如圖9-1所示。2024/3/2217插入導(dǎo)頻法（續(xù)）圖9-1抑制載波雙邊帶信號的導(dǎo)頻插入2024/3/2218插入導(dǎo)頻法（續(xù)）圖9-2插入導(dǎo)頻法發(fā)端框圖2024/3/2219圖9-2中a點(diǎn)的波形2024/3/2220圖9-2中b點(diǎn)的波形2024/3/2221圖9-2中c點(diǎn)的波形2024/3/2222插入導(dǎo)頻法收端方框圖2024/3/2223各點(diǎn)波形圖9-7收端a點(diǎn)的波形圖9-8收端b點(diǎn)的波形2024/3/2224各點(diǎn)波形（續(xù)）圖9-9收端c點(diǎn)的波形圖9-10收端d點(diǎn)的波形2024/3/2225直接法

對于沒有載波分量的信號，可以用非線性變換或其他處理方法得到包含與載波分量相關(guān)的離散頻率分量，再通過濾波，頻率分解與合成等處理后，可以獲得載波分量，這種方法稱為直接法，也稱為自同步法。

2PSK等信號最常用的直接法有平方變換法和平方環(huán)法。2024/3/2226平方變換法

在平方變換法中，接收到的2PSK信號可以表示為

s(t)為雙極性數(shù)字基帶信號，將此接收信號首先進(jìn)行平方運(yùn)算

平方運(yùn)算后的信號中包含載波二倍頻的離散分量和基帶信號的平方項(xiàng)，因而采用窄帶濾波器可提取出載波二倍頻的離散分量，再經(jīng)過二分頻，就得出載頻fc。2024/3/2227平方變換法提取載波原理框圖2024/3/2228各點(diǎn)波形圖9-12平方變換法中a點(diǎn)波形圖9-13平方變換法中b點(diǎn)波形2024/3/2229各點(diǎn)波形（續(xù)）圖9-14平方變換法中c點(diǎn)波形圖9-15平方變換法中d點(diǎn)波形2024/3/2230載波同步系統(tǒng)的性能

載波同步系統(tǒng)主要包括4個(gè)方面的性能指標(biāo)，分別是效率、精度、同步建立時(shí)間和同步保持時(shí)間。

效率是指系統(tǒng)的功率利用率，即系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)載波同步要盡量少消耗發(fā)送功率。

精度是指接收端提取的本地載波與接收信號中所含有的標(biāo)準(zhǔn)載波間的相位誤差，相位誤差越小，精度越高。

同步建立時(shí)間是指從開機(jī)或載波失步到載波同步所消耗的時(shí)間。

同步保持時(shí)間是指載波同步建立后，若同步信號消失，系統(tǒng)還能維持載波同步的時(shí)間。

2024/3/2231本地載波相位誤差對解調(diào)性能的影響

對解調(diào)性能的影響主要體現(xiàn)為所提取的本地載波與接收信號中的載波間有相位誤差一般情況下，相位誤差不僅引起信噪比下降，而且還引起輸出波形失真。在數(shù)字通信中，波形失真會產(chǎn)生碼間干擾，使誤碼率大大增加，因此，應(yīng)盡可能使減小。2024/3/2232位同步

位同步也稱為碼元同步，是數(shù)字通信中接收端對收到的信號碼元進(jìn)行抽樣判決的時(shí)間基準(zhǔn)，位同步的精度對系統(tǒng)性能具有重要的影響。同載波同步類似，位同步的方法也有兩種：插入導(dǎo)頻法和直接法。2024/3/2233插入導(dǎo)頻法

插入導(dǎo)頻法在此基帶信號（不歸零矩形脈沖）的頻率處插入導(dǎo)頻，如圖所示2024/3/2234插入導(dǎo)頻法（續(xù)）

在采用雙極性波形的基帶系統(tǒng)中，位同步的插入導(dǎo)頻法在發(fā)端的框圖如圖所示圖9-18插入導(dǎo)頻發(fā)端框圖2024/3/2235插入導(dǎo)頻法（續(xù)）圖9-22接收端位同步信號提取框圖2024/3/2236位同步誤差對誤碼率的影響

接收端提取的位同步信號與實(shí)際接收碼元的位置之間存在的時(shí)間誤差，使接收端對接收信號進(jìn)行抽樣的時(shí)刻偏離最佳判決時(shí)刻，從而使抽樣中所包含的有用信號分量數(shù)值減小，并且還可能引入碼間干擾，使進(jìn)入判決器的信號的信噪比下降，導(dǎo)致系統(tǒng)誤碼率增大。2024/3/2237幀同步

幀同步又稱為群同步，其主要任務(wù)就是從接收碼元中識別數(shù)據(jù)幀的起始和結(jié)束位置。系統(tǒng)對幀同步的基本要求為：①正確同步概率大，假同步概率??；②初始同步時(shí)，捕獲時(shí)間要短；③捕捉后，同步保持時(shí)間要長；④在數(shù)據(jù)幀中專門用于同步的冗余度要小。實(shí)現(xiàn)幀同步的方法通常有兩類，一類是外同步法，即在數(shù)字信息流中插入一些特殊碼組作為每群的頭尾標(biāo)記，接收端根據(jù)這些特殊碼組的位置就可以實(shí)現(xiàn)幀同步；另一類方法是自同步法，類似于載波同步和位同步中的直接法，它不需要外加特殊碼組，利用數(shù)據(jù)本身所具有的特殊性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)幀同步。2024/3/2238連貫式插入法

連貫式插入法就是在一幀數(shù)據(jù)中的某一位置集中插入用于幀同步的特殊碼組，故又稱為集中插入法。 幀同步的特殊碼組一般插入到一幀數(shù)據(jù)的起始位置。 接收端通過檢測幀同步碼組，確定一幀數(shù)據(jù)的起止位置，從而實(shí)現(xiàn)幀同步。2024/3/2239對幀同步碼組的要求

為了達(dá)到系統(tǒng)對幀同步的基本要求，選擇幀同步碼組通?？紤]3個(gè)方面的原則：第一，幀同步碼組與信息碼元序列中同長度碼組相同的概率小，即將信息碼元誤認(rèn)為幀同步碼組的概率要??；第二，幀同步碼組的局部自相關(guān)函數(shù)應(yīng)該具有尖銳的單峰特性，即易于識別；第三，幀同步碼組的識別器應(yīng)該盡量簡單。最常用的幀同步碼組是巴克碼，是一種具有特殊規(guī)律的二進(jìn)制碼組，是一種非周期序列。2024/3/2240巴克碼2024/3/2241巴克碼（續(xù)）

以5位巴克碼組為例，其局部自相關(guān)函數(shù)R(

j

)在j

=

0,1,2，3，4，5時(shí)的R(

j

)值分別為5,0,?1，0，?1，0。 其圖形如圖所示。2024/3/2242巴克碼（續(xù)）

根據(jù)巴克碼組具有尖銳的局部自相關(guān)特性，在接收端通常采用數(shù)字序列相關(guān)的方法進(jìn)行碼組識別，以獲得幀同步信號。巴克碼組識別器是一個(gè)典型的數(shù)字序列相關(guān)器，它包括數(shù)字序列移位寄存器、加法器和判決器3個(gè)部分構(gòu)成。2024/3/2243巴克碼（續(xù)）2024/3/2244幀同步性能

幀同步性能指接收端從接收到的數(shù)據(jù)幀中利用幀同步碼組識別器正確檢測出幀同步的性能。 幀同步常用的性能指標(biāo)有3個(gè)：漏同步概率、假同步概率和同步建立時(shí)間。

2024/3/2245信道復(fù)用

復(fù)用是一種將若干個(gè)彼此獨(dú)立的信號，合并為一個(gè)可在同一信道上傳輸?shù)膹?fù)合信號的方法。接收端通過解復(fù)用將復(fù)合信號分離，傳送給不同的終端。

在通信系統(tǒng)中，根據(jù)合成復(fù)合信號的方法不同，復(fù)用主要分為頻分復(fù)用（FDM）、時(shí)分復(fù)用（TDM）、碼分復(fù)用（CDM）等。2024/3/2246頻分復(fù)用頻分復(fù)用原理 頻分復(fù)用（FDM）是信道按照頻率區(qū)分信號，即將信道劃分成若干個(gè)相互不重疊的子頻帶，每個(gè)子頻帶占用不同的頻段，如圖10-1所示，然后將需要在同一信道上同時(shí)傳送的多個(gè)信號調(diào)制到不同的頻帶上2024/3/2247頻分復(fù)用（續(xù)）圖10-2頻分復(fù)用系統(tǒng)組成原理圖2024/3/2248頻分復(fù)用（續(xù)）圖10-1頻分復(fù)用的子頻帶的劃分2024/3/2249有線載波群路標(biāo)準(zhǔn)

在長途載波電話中所采取的FDM群路標(biāo)準(zhǔn)（國際電聯(lián)（ITU-T）建議）如表10-1所示。2024/3/2250時(shí)分復(fù)用時(shí)分復(fù)用原理時(shí)分復(fù)用（TDM）是按時(shí)間區(qū)分信號，即把時(shí)間劃分為若干時(shí)隙，各路信號占用各自的時(shí)隙，來實(shí)現(xiàn)在同一個(gè)信道上傳輸多路信號，如圖10-4所示。2024/3/2251時(shí)分復(fù)用（續(xù)）圖10-4TDM的時(shí)隙劃分示意圖2024/3/2252模擬時(shí)分復(fù)用

模擬時(shí)分復(fù)用是利用一路抽樣信號的間隔時(shí)間傳輸其他路的抽樣信號來實(shí)現(xiàn)的，其實(shí)現(xiàn)的原理示意圖如圖所示。2024/3/2253數(shù)字時(shí)分復(fù)用

數(shù)字時(shí)分復(fù)用是將多路數(shù)字信號采用時(shí)間劃分的方法合并在一個(gè)信道中傳輸。語音信號的采樣速率通常為8kHz，即抽樣間隔時(shí)間（幀長）為125。 若將每路抽樣值用8bit編碼，共有32路信號復(fù)用，則每秒的比特?cái)?shù)等于8

000

8

32=2

048kbit/s。 這個(gè)速率就是目前國際電聯(lián)（ITU-T）建議的PCM基群的一種標(biāo)準(zhǔn)速率，即PCM30/32路制式。2024/3/2254模擬時(shí)分復(fù)用（續(xù)）圖10-5時(shí)分多路復(fù)用的原理示意圖（續(xù)）2024/3/2255數(shù)字時(shí)分復(fù)用（續(xù)）

PCM30/32路制式實(shí)際上只能傳輸30路語音信號，其他兩路信號是所需的幀同步、控制和信令等內(nèi)容。即在一個(gè)的幀中劃分出32個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙中都放置一路抽樣值的8bit編碼，具體安排如圖10-6所示。

時(shí)隙0用作幀同步，時(shí)隙16用作傳輸控制信號和信令，其他30個(gè)時(shí)隙用作傳輸30路語音信號。每秒傳輸8

000幀，故總傳輸速率為2

048kbit/s。圖10-6PCM30/32路復(fù)用的幀結(jié)構(gòu)2024/3/2256數(shù)字時(shí)分復(fù)用（續(xù)）

與FDM方式相比，TDM方式主要有以下兩個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)：（1）多路信號的復(fù)接和分路都是采用數(shù)字處理方式實(shí)現(xiàn)，通用性和一致性好，比FDM的模擬濾波器分路簡單、可靠。（2）信道的非線性會在FDM系統(tǒng)中產(chǎn)生交調(diào)