通信原理第10章 同步原理课件.ppt

第十章同步原理 在数字通信系统中 为了使接收端能够正确地从所收到的信号中恢复出原始信息 就必须保证接收机能够从所收到数字序列中正确识别出一个码元的起止时刻 一个码组或码字起止码元 一帧的起止码字 能够保证接收机产生一个频率和相位与所收到的频带信号载波的频率和相位一致的本地载波 这种确保接收机与发送机能够协调一致工作的技术就统称为同步技术 本章将分别讨论载波同步 位同步 帧同步和网同步的原理和性能 第一节同步的基本内容和要求第二节载波同步第三节位同步第四节帧同步第五节网同步的基本概念 主要内容 同步是通信系统中一个非常重要问题 由于一般收 发双方有一定距离 要使它们能很好地发送和接收信息 同步系统是必不可少的 当接收端采用同步解调时 需要提供一个与发射端调制载波同频同相的相干载波 这个相干载波的获取就称为载波同步 第一节同步的基本内容和要求 因为数字通信中消息是一串相继的信号码元的序列 解调时常需知道每个码元的起止时刻 因此 接收端必须产生一个用作抽样判决的定时脉冲序列 它和接收码元的终止时刻应对齐 我们把在接收端产生与接收码元的频率和相位一致的定时脉冲序列的过程称为码元同步或位同步 称这个定时脉冲序列为码元同步脉冲或位同步脉冲 对数字信号传输来说 有了载波同步和位同步 发端的代码可以在收端解调出来 但代码是一连串的 1 0 码 数字代码总是用若干码元组成一个 字 又用若干 字 组成一 句 因此 在接收这些数字流时 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 起止时刻相一致的定时脉冲序列 称为 字 同步和 句 同步 统称为群同步或帧同步 随着数字通信的发展 多个用户需相互通信 从而组成了数字通信网 为了保证通信网内各用户之间可靠地进行数据交换 在整个通信网内必须有一个统一的时钟标准 这就是网同步 提取载波的方法分两种 一种是直接法 该方法不专门发送导频 而在接收端直接从发送信号中提取载波 第二种是插入导频法 即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 称作导频的正弦波 接收端就由导频提取出载波 第二节载波同步 一 直接法这种方法的思路是 有些信号虽然不包含载波分量 但对该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分量来 设调制信号为m t m t 中无直流分量 当它和载波相乘后 得到了抑制载波的双边带信号假定信号传输无失真 到接收端后 将该信号进行平方变换 得显然 上式中E s2 t 0 所以e t 表示式的第二项中包含有2fc频率的分量 若用一窄带滤波器将2fc频率分量滤出 再进行二分频 就获得所需的载波fc 1 平方变换法和平方环法 平方变换法提取载波 该方法采用二分频电路后 在相干PSK解调时 解调后的序列可能是正确的 也可能极性正好相反 即 反向工作 对移相信号而言 解决这个问题的常用方法是采用相对调相 为了改善平方变换法的性能 可以在平方变换法的基础上 把2fc窄带滤波器用锁相环代替 就称为平方环法提取载波 由于锁相环具有良好的跟踪 窄带滤波和记忆性能 因此 平方环法比一般的平方变换法具有更好的性能 应用更为广泛 平方环法提取载波 2 同相正交环法 同相正交环法提取载波 设输入的抑制载波双边带信号为m t cos2pfct 在压控振荡器锁定后输出信号为v1 cos 2pfct v1经过相移电路后得v2 sin 2pfct 由于这两个信号相位差p 2 因此通常称这种环路为同相正交环 得 经低通后的输出分别为将v5和v6加于相乘器得式中 是压控振荡器输出信号与输入已调信号载波之间的相位误差 当 较小时 v7的大小与相位误差 成正比 它就相当于一个鉴相器的输出 用v7去控制压控振荡器输出信号的相位 最后使稳态相位误差减小到很小 这时压控振荡器的输出v7就是所需提取的载波 这种方法初看没有二分频 似乎没有相位模糊问题 但通过分析同样存在这个问题 因为当v1 cos 2pfct 180 时 经过计算可得v7 1 8m2 t sin2 因此v1的相位也是不确定的 二 插入导频法插入导频法就是在发送端插入一个或数个导频与信号一起传输 对于某些信号 比如单边带调制信号 只能用插入导频法提取载波 下面以在抑制载波的双边带信号中插入导频为例说明其原理 由于导频与信号一起传输 因此第一个要求是在载频处已调信号的频谱分量为零 这样可避免信号与导频的相互干扰 当采用某种相关编码信号去进行抑制载波的双边带调制 载频附近的频谱分量很小 易于插入导频以及解调时易于滤出它 第二个要求是插入的导频和加于调制器的那个载波是正交关系 目的是为了解调 抑制载波双边带信号的导频插入 插入导频法发端方框图 设调制信号为m t m t 中无直流分量 被调载波为acsin2pfct 调制器假设为一相乘器 插入导频是被调载波移相90 形成的 为 accos2pfct 其中 ac是插入导频的振幅 于是输出信号为 插入导频法收端方框图 设u0 t 无失真地传到收端 则收端用一个中心频率为fc的窄带滤波器就可取得导频 accos2pfct 再将它移相p 2 就可得到与调制载波同频同相的信号sin2pfct 插入导频法提取载波要使用窄带滤波器 这个窄带滤波器也可以用锁相环来代替 这是因为锁相环本身就是一个性能良好的窄带滤波器 因而使用锁相环后 载波提取的性能将有改善 三 载波同步系统的性能 载波同步系统的主要性能指标是效率和精度 效率高就是为了获得载波信号而尽量少消耗发送功率 用直接法提取载波时 发端不需发送导频 因而效率高 而用插入导频法时 由于插入导频要消耗一部分功率 显然系统的效率降低 精度高就是提取出的载波应和标准载波同频同相 但实际上很难实现 只能要求相位误差尽量小 另外的性能指标有同步建立时间和同步保持时间 相位误差通常由稳态相差和随机相差组成 稳态相差主要是指载波信号通过同步信号提取电路以后 在稳态下所引起的相差 随机相差是由于随机噪声的影响而引起同步信号的相位误差 实际的同步系统中 由于同步信号提取电路的不同 信号和噪声形式的不同 相位误差也就不同 1 相位误差 假设所用的窄带滤波器为一个简单的单调谐回路 其Q值一定 那么 当回路的中心频率f0与载波频率fc不相等时 就会使输出的载波同步信号引起一稳态相差 若f0与fc之差为 f 且 f较小时 可得因此 Q值越高 所引起的稳态相差越大 同步系统使用锁相环时 当锁相环压控振荡器与输入载波信号之间有频率差 f时 也会引起一稳态相差 该稳态相差为式中 Kv为环路直流增益 随机相差是由于随机的噪声叠加在载波信号上而引起的 假设载波信号的初始相位为零 则 n就是随机相差 经计算得相位误差的分布f n 随机相差 n的方差与信噪比r有如下关系所以随机相差 n的方差与信噪比r是反比关系 当用单调谐电路作为窄带滤波器时 设回路的谐振频率f0与Q值已经给定 如果在t 0时刻将信号接入电路 则输出电压为 2 建立时间和保持时间 载波同步的建立与保持 当t ts时 输出电压u ts 达到 此时认为已建立同步信号 将u ts 的表示式代入式中 可求得就是单调谐电路的载波建立时间 如果在t 0时将接入电路的信号断开 由于回路储能元件的作用 得回路电压表示式为上式示于曲线的末尾部分 其包络逐渐衰减 当输出电压u tc 下降到 时 认为同步信号已经消失 求得保持时间为 位同步又称码元 或比特 定时 实现位同步的方法基本上可以分为两大类 一类是外同步法 另一类是自同步法 外同步法就是在发送端除了发送有用的数字信息外 还专门传送位同步信号 到了接收端用窄带滤波器或锁相环把滤波出来的信号作为同步之用 自同步法是发送端不专门向接收端传送位同步信号 收端所需要的位同步信号是从解调后的数字基带信号中提取出来 第三节位同步 对于全占空的随机二进制序列 不论是单极性还是双极性的 当P 1 P 0 0 5时 都没有fB 2fB等线谱的 因而不能直接从其中滤出位同步信号 但是 若对该信号进行某种变换 例如 变成归零脉冲后 则该序列中就有fB 1 TB的位同步信号分量 一 自同步法 1 滤波法 上图中的波形变换 采用微分和全波整流电路 微分的作用是把不归零脉冲变为归零脉冲 全波整流电路的作用是把双极性信号变为单极性信号 保证频谱中有fB分量 滤波法原理图 基带信号微分 整流波形 经微分 整流后的基带信号波形如图 另一种波形变换方法应用对象是频带受限的二相PSK信号 波形如下页图a 因频带受限 在相邻码元的相位突变点附近会产生幅度平滑的 陷落 经包络检波后 可以认为它是一直流和下页图b所示波形相减而组成的 因此包络检波后的波形中包含有如下页图c所示波形 而这个波形中已含有位同步信号分量 因此 将它经滤波器后就可提取出位同步信号 频带受限二相PSK信号的位同步信号提取a 带限2PSK信号b 包络检波后的波形c 含有位同步信号的波形 比如在时分多址数字卫星通信系统中 各地球站的信息都是按子帧传送的 每一子帧都有一报头 用作为载波恢复时间和位定时恢复时间等 通常地球站发射报头时功率大 发射信息部分时功率小 分帧结构及对应的调幅波形如下页图所示 由于报头的宽度是一个码元宽度的整数倍 故可以用包络检波一滤波法来提取位同步信号 为确保位同步恢复在报头内实现 并一直保持到分帧结束 在滤波之前加了一个冲激振荡器 采用包络检波法从报头中提取位同步a 帧结构及对应的调幅波形b 包络检波提取位同步信号的方框图 数字锁相环由数字电路构成 也可由软件构成或某些部件由软件完成 常见的数字锁相环位同步器原理方框图如下页图 不包括数字环路滤波器DLF 数字锁相环 2 锁相环法 数字锁相环位同步器原理方框图 图中 c次分频器 或门 扣除门和附加门一起构成数控振荡器 DCO 此环路的基本原理是 相位比较器 鉴相器 输出的两个信号通过控制常开门和常闭门的状态 改变N0次分频器输出信号的周期 一次改变2 N0 使环路逐步达到锁定状态 这种锁相环的同步建立时间比较长 当需要快速建立同步信号时 可用快速捕捉数字锁相环 为了衡量一个数字通信设备的位同步性能 通常提出以下几项指标 相位误差 e同步建立时间ts同步保持时间t0 二 位同步系统的性能 衡量数字锁相环的一个重要指标是相位误差 考虑到它对误码的影响 一般用时差来表示相位误差 显然 为了减小位同步相位误差的影响 分频次数N N 2n 1 应越大越好 但这与减小同步建立时间有矛盾 因为在同步建立过程中 本地位定时脉冲是每比较一次向输入信号过渡点靠近TB 2n 1秒 N越大 靠近的步子就越小 同步建立的速度就越慢 所以N值的选取要折中两者的要求 1 相位误差 e 数字锁相法提取位同步信号时 引起相位误差的主要原因是位同步脉冲相位的调整是跳变式的 因为每调整一步 相位改变2 N N是分频器的分频次数 故最大的相位误差为2 N 用 e表示若用时间差Te来表示相位误差 因每码元的周期为TB 故得 同步建立时间为失去同步后重建同步所需的最长时间 建立同步最不利的情况 是位同步脉冲与输入信号相位相差TB 2 锁相环每调整一步仅能移TB N秒 故需最大的调整次数为 2 同步建立时间ts 接收随机数字信号时 可近似认为两相邻码元中出现0l 10 11 00是等概率的 其中过零点的情况占一半 在数字锁相法中都是以数据过零点中提取标准脉冲用以比相的 因此 平均起来 相当于两个周期可调整一次相位 故同步建立时间为ts 2TBK NTB S 为使ts减少 故要求N减少 除相位误差外 同步保持时间也是同步系统的一个重要指标 从接收信号消失或接收信号中的位同步信息消失开始 到位同步电路输出的位同步信号中断为止这段时间 称为位同步的保持时间 在系统已经建立同步的情况下 由于某种原因 使信号中断 或出现长连 0 连 1 码时 因没有过渡点 也没有误差脉冲 如再考虑收 发两端的振荡器不可避免地存在小量的频率偏移 也会使收端定时脉冲的相位逐渐偏离同步位置 对此 为保证码元检测的精度 应要求系统的位定时脉冲的相位偏移限制在一定的范围内 也就是说 在允许的同步保持时间内 应保证定时脉冲的相位偏离不超过允许值 3 同步保持时间t0 设发射机 接收机的时钟稳定度为 则DCO输出信号频率与环路输入信号信息速率之间的最大误差为2 fBs 若允许位同步信号的最大相位误差为2 则4 fB tc 2 由此得tc应大于两次相位调整时间间隔 tc越大 允许连1码或连0码越长 数字通信的时分复用技术就是通过时间分割来实现多路复用 在此帧同步的作用是使在接收端的时隙脉冲排列规律和接收到的码流中时序排列规律一致 以保证正确无误地进行分路 帧同步有时也称为群同步 接收端实现帧同步的方法一般可以分为两类 第一类方法是在发送的数字信号序列中插入帧同步脉冲或帧同步码作为帧的起始标志 这类方法称为外同步法 另一类方法是利用数字信号序列本身的特性来恢复帧同步信号 例如某些具有纠错能力的抗于扰编码具有这种特性 这种方法称为自同步法 这一节只介绍数字通信中应用较多的外同步法 第四节帧同步 帧同步问题实质上是一个对帧同步标志进行检测的问题 对帧同步系统提出的基本要求是 1 正确建立同步的概率大 错误同步的概率小 2 捕捉时间要短 无论是初始捕捉还是失步后重新进入捕捉 都要求捕捉时间要短 因为在捕捉过程中系统处于失步状态 这样 对于数据传输系统将丢失数据信息 对于数字电话系统将出现话音中断现象 实践证明 人耳对于小于100ms的中断现象不易感觉 所以要求数字电话系统一旦帧失步后 重新建立同步的时间 又称捕捉时间 应小于100ms 对于数据传输系统则要求捕捉时间更短些 3 稳定地保持同步 接收端的帧同步系统一旦进人同步状态之后 应当稳定地保持同步 而不被信道干扰引起的误码破坏同步 信道中的干扰 根据统计来看 其时间宽度一般小于3ms 为了防止信道误码破坏同步状态 往往在收端帧同步系统中采取了相应的保护措施 同步后接收端收不到帧同步码有两种情况 真正失步了 在这种情况下 收不到帧同步时间都较长 总是大于3ms 由于信道误码而收不到帧同步 发生这种情况的时间比较短 一般小于3ms 根据两种情况的不同特点 对帧同步就可以采用相应的保护措施 只有在真失步的情况下 收端帧同步系统才转入捕捉态 4 在满足帧同步性能要求的条件下 为提高有效信息的传输效率 帧同步码的长度应尽可能短些 一 起止式同步法 这种方法主要应用于电传报中 在发送每一个字符代码的前面均加上一个 起 信号 其长度规定为一个码元 极性为负 后面均加一个 止 信号 止 信号长度为1 5个码元 极性为正 字符可以连续发送 也可以单独发送 不发送字符时 连续发送 止 信号 因此 每一字符的起始时刻可以是任意的 但在同一个字符内各码元长度相等 这样 接收端可根据字符之间的从 止 信号到 起 信号的跳变来检测识别一个新字符的 起 信号 从而正确地区分一个个字符 因此 这样的字符同步方法称起止式同步 其优点是 实现字符同步比较简单 收发双方的时钟信号不需要精确的同步 缺点是每个字符增加了2 3bit 降低了传输效率 起止式同步的信号波形 这种方法就是将帧同步码组在每帧的开头连续插入 在收端 只要检测出帧同步码组的位置 就可识别出帧的开头 从而可确定帧内信息码组 这种方法实现较容易 作为帧同步码组 在传输过程中不可避免地也会受到噪声的影响 从而导致帧同步码组中某些码元出错 以致接收端检测不出帧同步码组 造成漏同步 同时 由于信息码序列是随机的 有可能出现与帧同步码组完全相同的码型 这会使收端产生假同步 在实际中 总是希望漏同步和假同步概率越小越好 并且码组易于识别 传输效率要高 即帧同步码组的长度应尽量短 为了满足这些要求 通常选用巴克码作为帧同步码组 二 连贯式插入法 巴克码是一种具有特殊规律的二进制序列 其规律是 一个长度为n位的巴克码组 x1 x2 x3 xn xi取值为 1或 1 它的局部自相关函数为 目前所有的巴克码组如表 以n 7为例 根据上式求出它的自相关函数如下 当j 0时当j l时同理可求出j 2 3 4 5 6 7时的R j 值分别为 1 0 1 0 1 0 再求出j为负值时的自相关函数值 自相关函数波形如下页图所示 其自相关函数在j 0时出现尖锐的单峰 第六章同步原理 七位巴克码的自相关函数 三 帧同步系统的性能 帧同步系统的性能指标主要是 漏同步概率P1假同步概率P2帧同步平均建立时间ts 数字信号在传输过程中由于干扰的影响使同步码组产生误码 而使帧同步信息丢失 造成假失步现象 称为漏同步 出现这种情况的可能性称为漏同步概率P1 1 漏同步概率P1 设帧同步码组