北邮通信原理课件 (7).pdf

第七章第七章 同同 步步 技技 术术 7 1引引 言言 7 2载波同步技术载波同步技术 7 3位同步技术位同步技术 7 4群同步群同步 帧同步帧同步 技术技术 7 5网同步技术网同步技术 7 1 引引 言言 1 按照同步的功用来区分按照同步的功用来区分 有有 载波同步载波同步 位同步位同步 码元同步码元同步 群同步群同步 帧同步帧同步 和网同步和网同步 通信通信 网络中使用网络中使用 等四种等四种 1 载波同步载波同步 数字调制系统的性能是由解调方式决定的数字调制系统的性能是由解调方式决定的 相干解调中相干解调中 首先要在接收端恢复出相干载波首先要在接收端恢复出相干载波 这个相干载波应与发送端的载波在频率上同频这个相干载波应与发送端的载波在频率上同频 在相位上保持某种同步关系在相位上保持某种同步关系 2 位同步 码元同步 位同步 码元同步 位同步又称码元同步位同步又称码元同步 不管是基带传输不管是基带传输 还是频带传输还是频带传输 相干或非相干解调相干或非相干解调 都需要位都需要位 同步同步 3 群同步也叫帧同步群同步也叫帧同步 对于数字信号传输来对于数字信号传输来 说说 数字信号是按照一定数据格式传送的数字信号是按照一定数据格式传送的 一定一定 数目的信息码元组成一个数目的信息码元组成一个 字字 若干个若干个 字字 组成一组成一 句句 若干若干 句句 构成一帧构成一帧 从而形成从而形成 群的数字信号序列群的数字信号序列 4 当通信是在两点之间进行时当通信是在两点之间进行时 完成了载波完成了载波 同步同步 位同步和群同步之后位同步和群同步之后 接收端不仅获得了接收端不仅获得了 相干载波相干载波 而且通信双方的时标关系也解决了而且通信双方的时标关系也解决了 2 同步也是一种信息同步也是一种信息 按照传输同步信按照传输同步信 息方式的不同息方式的不同 可分为外同步法和自同步可分为外同步法和自同步 法法 1 由发送端发送专门的同步信息由发送端发送专门的同步信息 接收接收 端把这个专门的同步信息检测出来作为同端把这个专门的同步信息检测出来作为同 步信号的方法步信号的方法 称为外同步法称为外同步法 2 自同步法自同步法 发送端不发送专门的同步信息发送端不发送专门的同步信息 接收端设法从收到的信号中提取同接收端设法从收到的信号中提取同 步信息的方法步信息的方法 称为自同步法称为自同步法 3 同步系统性能的降低同步系统性能的降低 会直接会直接 导致通信质量的降低导致通信质量的降低 甚至使通信甚至使通信 系统不能工作系统不能工作 7 2 载波同步技术载波同步技术 1 直接法 自同步法 直接法 自同步法 直接法又可分为非线性变换直接法又可分为非线性变换 滤波法和特殊锁相环法滤波法和特殊锁相环法 1 非线性变换非线性变换 滤波法滤波法 有些信号不含有载波分量有些信号不含有载波分量 但如果采但如果采 用非线性变换用非线性变换 滤波法滤波法 首先对接收到的首先对接收到的 已调信号进行非线性处理已调信号进行非线性处理 就可得到相应就可得到相应 的载频分量的载频分量 然后然后 再用窄带滤波器或锁再用窄带滤波器或锁 相环进行滤波相环进行滤波 滤除调制谱与噪声引入的滤除调制谱与噪声引入的 干扰干扰 提取载频分量提取载频分量 2 同相正交环同相正交环 用直接法提取载波分量的另一途径是用直接法提取载波分量的另一途径是 采用特殊的锁相环采用特殊的锁相环 这种特殊锁相环具有这种特殊锁相环具有 从已调信号中消除调制和滤除噪声的功能从已调信号中消除调制和滤除噪声的功能 所以能鉴别接收已调信号中被抑制了的载所以能鉴别接收已调信号中被抑制了的载 波分量与本地波分量与本地VCO输出信号之间的相位误输出信号之间的相位误 差差 从而恢复出相应的相干载波从而恢复出相应的相干载波 科斯塔斯科斯塔斯 Costas 环的原理图如图环的原理图如图 7 3所示所示 图图7 3 同相正交环法 科斯塔斯环 同相正交环法 科斯塔斯环 3 从多相移相信号中从多相移相信号中 提取载波提取载波 数字通信中经常使用多相移相信号数字通信中经常使用多相移相信号 下面介绍两种从多相移相信号中提取载波下面介绍两种从多相移相信号中提取载波 的方法的方法 另一种方法类似于同相正交法另一种方法类似于同相正交法 称为称为 多相科斯塔斯环法多相科斯塔斯环法 也以四相移相信号为也以四相移相信号为 例例 这种方法的方框图如图这种方法的方框图如图7 5所示所示 压控压控 振荡器的输出就是所需的载波信号振荡器的输出就是所需的载波信号 图图7 5 四相科斯塔斯环法提取载波四相科斯塔斯环法提取载波 2 插入导频法 外同步法 插入导频法 外同步法 1 在在DSB信号中插入导频信号中插入导频 插入导频的位置应该在信号频谱为零插入导频的位置应该在信号频谱为零 的位置的位置 否则导频与信号频谱成分重叠在否则导频与信号频谱成分重叠在 一起一起 接收时不易取出接收时不易取出 从图从图7 6所示的频谱图可以看出所示的频谱图可以看出 在载在载 频处频处 已调信号的频谱分量为零已调信号的频谱分量为零 载频附载频附 近的频谱分量也很小且没有离散谱近的频谱分量也很小且没有离散谱 这样这样 就便于插入导频以及解调时易于滤出它就便于插入导频以及解调时易于滤出它 图图7 6 几种信号的正频域频谱图几种信号的正频域频谱图 2 在残留边带信号中插入在残留边带信号中插入 导频导频 残留边带频谱的特点残留边带频谱的特点 以下边带为以下边带为 例例 残留边带滤波器应具有如图残留边带滤波器应具有如图7 9所示的所示的 传输特性传输特性 插入导频插入导频f1 f2的选择的选择 可以在残可以在残 留边带频谱的两侧插入留边带频谱的两侧插入f1和和f2 f1和和f2不能不能 与与 fc fm 和和 fc fr 靠得太近靠得太近 太近不太近不 易滤出易滤出f1和和f2 但也不能太远但也不能太远 太远占用过太远占用过 多频带多频带 图图7 9 残留边带频谱及插入导频残留边带频谱及插入导频 载波信号的提取载波信号的提取 在插入导频的在插入导频的 VSB信号中提取载波的方框图如图信号中提取载波的方框图如图7 10所所 示示 接收的信号中包含有接收的信号中包含有VSB信号和信号和f1 f2 两个导频两个导频 假设接收信号中两个导频是假设接收信号中两个导频是 cos 1t 1 1为第一个导频的初相为第一个导频的初相 cos 2t 2 2为第二个导频的初相为第二个导频的初相 发送端的载波为发送端的载波为cos ct c 则收则收 端提取的同步载波也应该是端提取的同步载波也应该是cos ct c 图7 10 插入导频的VSB信号的载波提取 3 除了在频域插入导频的方法以外除了在频域插入导频的方法以外 还有一种还有一种 在时域插入导频以传送和提取同步载波的方法在时域插入导频以传送和提取同步载波的方法 时域插入法中对被传输数据信号和导频信号在时时域插入法中对被传输数据信号和导频信号在时 间上加以区别间上加以区别 例如按图例如按图7 11 a 那样分配那样分配 把一定数目的数字信号分作一组把一定数目的数字信号分作一组 称为一帧称为一帧 在在 每一帧中每一帧中 除有一定数目的数字信号外除有一定数目的数字信号外 在在t0 t1 的时隙中传送位同步信号的时隙中传送位同步信号 在在t1 t2的时隙内传送的时隙内传送 帧同步信号帧同步信号 在在t2 t3的时隙内传送载波同步信号的时隙内传送载波同步信号 而在而在t3 t4时间内才传送数字信息 以后各帧都如时间内才传送数字信息 以后各帧都如 此此 3 载波同步系统的性能指标载波同步系统的性能指标 相位误差通常由稳态相差和随机相差相位误差通常由稳态相差和随机相差 组成组成 稳态相差主要是指载波信号通过同稳态相差主要是指载波信号通过同 步信号提取电路以后步信号提取电路以后 在稳态下所引起的在稳态下所引起的 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引起同步信号的相位误差 载波同步系统的性能除了高效率载波同步系统的性能除了高效率 高高 精度外精度外 还要求同步建立时间快还要求同步建立时间快 保持时保持时 间长等间长等 1 用窄带滤波器提取载波用窄带滤波器提取载波 假假 设所用的窄带滤波器为一个简单的设所用的窄带滤波器为一个简单的 单调谐回路单调谐回路 其品质因素其品质因素Q值一定值一定 2 由于随机的高斯噪声叠加在由于随机的高斯噪声叠加在 载波信号上载波信号上 会使载波同步信号产会使载波同步信号产 生随机的相位误差生随机的相位误差 3 建立时间和保持时间建立时间和保持时间 载波同步系统的建立时间载波同步系统的建立时间ts和保持时和保持时 间间tc 也以窄带滤波器提取载波为例来作讨也以窄带滤波器提取载波为例来作讨 论论 4 载波相位误差对解调性能载波相位误差对解调性能 的影响的影响 同步系统的稳态相差和随机相差表示同步系统的稳态相差和随机相差表示 式已在上面给出式已在上面给出 总的相位误差总的相位误差 应是这两应是这两 部分相位误差的代数和部分相位误差的代数和 即即 1 相位误差对双边带调制信号相位误差对双边带调制信号 的影响的影响 设已收到的双边带信号为设已收到的双边带信号为 s t m t cos ct sc t cos ct 则解调时则解调时 相乘器的输出经低通滤波器相乘器的输出经低通滤波器 后为后为 x t 1 2m t cos 2 相位误差对单边带信号的影响相位误差对单边带信号的影响 设基带信号设基带信号m t cos t 单边带信号取单边带信号取 上边带为上边带为1 2cos c t 当解调相干载当解调相干载 波有相位误差波有相位误差 时时 相干载波与已调信号相相干载波与已调信号相 乘乘 1 2cos c tcos ct 1 4 cos 2 ct t cos t 7 3 位同步技术位同步技术 位同步是数字通信中非常重要的一个同位同步是数字通信中非常重要的一个同 步技术步技术 位同步与载波同步是截然不同的两位同步与载波同步是截然不同的两 种同步方式种同步方式 在模拟通信中在模拟通信中 没有位同步的没有位同步的 问题问题 只有载波同步的问题只有载波同步的问题 而且只有接收而且只有接收 机采用同步解调时才有载波同步的问题机采用同步解调时才有载波同步的问题 但但 在数字通信中在数字通信中 一般都有位同步的问题一般都有位同步的问题 对位同步信号的要求有两点 一是使收对位同步信号的要求有两点 一是使收 信端的位同步脉冲频率和发送端的码元速率信端的位同步脉冲频率和发送端的码元速率 相同 二是使收信端在最佳接收时刻对接收相同 二是使收信端在最佳接收时刻对接收 码元进行抽样判决码元进行抽样判决 1 插入导频法 外同步法 插入导频法 外同步法 1 在基带信号频谱的零点在基带信号频谱的零点 插入导频插入导频 在无线通信中在无线通信中 数字基带信号一般都数字基带信号一般都 采用不归零的矩形脉冲采用不归零的矩形脉冲 并以此对高频载并以此对高频载 波作各种调制波作各种调制 解调后得到的也是不归零解调后得到的也是不归零 的矩形脉冲的矩形脉冲 码元速率为码元速率为fs 码元宽度为码元宽度为Ts 这种信号的功率谱在这种信号的功率谱在fs处为零处为零 例如双极性例如双极性 码的功率谱密度如图码的功率谱密度如图7 13 a 所示所示 图图7 13 基带信号的功率谱密度特性基带信号的功率谱密度特性 2 插入导频法的另一种形式是使数字信插入导频法的另一种形式是使数字信 号的包络按位同步信号的某种波形变化号的包络按位同步信号的某种波形变化 在移相键控或移频键控的通信系统中在移相键控或移频键控的通信系统中 对对 已调信号进行附加的幅度调制后已调信号进行附加的幅度调制后 接收端接收端 只要进行包络检波只要进行包络检波 就可以形成位同步信就可以形成位同步信 号号 设移相信号的表示式为设移相信号的表示式为 s1 t cos ct t 现在用某种波形的位同步信号对现在用某种波形的位同步信号对s1 t 进行幅度调制进行幅度调制 若这种波形为升余弦波形若这种波形为升余弦波形 则其表示式为则其表示式为 m t 1 2 1 cos t 式中的式中的 2 Ts Ts为码元宽度为码元宽度 幅度调制幅度调制 后的信号为后的信号为 s2 t 1 2 1 cos t cos ct t s2 t 可称为调幅调相波可称为调幅调相波 接收端对接收端对s2 t 进行包络检波进行包络检波 包络包络 检波器的输出为检波器的输出为1 2 1 cos t 除去直除去直 流分量后流分量后 就可获得位同步信号就可获得位同步信号1 2cos t 3 事实上事实上 同步信号也可以在时域内插同步信号也可以在时域内插 入入 这时载波同步信号这时载波同步信号 位同步信号和数位同步信号和数 据信号分别被配置在不同的时间内传送据信号分别被配置在不同的时间内传送 2 自同步法的收端位同步提取电路自同步法的收端位同步提取电路 从从 功能上讲功能上讲 一般都由两部分组成 第一部一般都由两部分组成 第一部 分是非线性变换处理电路分是非线性变换处理电路 它的作用是使它的作用是使 接收信号或解调后的数字基带信号经过非接收信号或解调后的数字基带信号经过非 线性变换处理后含有位同步频率分量或位线性变换处理后含有位同步频率分量或位 同步信息 第二部分是窄带滤波器或锁相同步信息 第二部分是窄带滤波器或锁相 环路环路 它的作用是滤除噪声和其他频谱分它的作用是滤除噪声和其他频谱分 量量 提取纯净的位同步信号提取纯净的位同步信号 1 对于不归零的随机二进制序列对于不归零的随机二进制序列 不能不能 直接从其中滤出位同步信号直接从其中滤出位同步信号 微分 全波整流微分 全波整流 滤波法滤波法 图图7 15原理图中的波形变换原理图中的波形变换 在实际在实际 应用中可以是一微分应用中可以是一微分 整流电路整流电路 经微分经微分 整流后的基带信号波形如图整流后的基带信号波形如图7 16所示所示 图图7 15 滤波法原理图滤波法原理图 图图 7 16 基 带 信 号 微 分 整 流 波 形 基 带 信 号 微 分 整 流 波 形 包络检波包络检波 在某些数字微波中继通信系统在某些数字微波中继通信系统 中中 经常在中频上用对频带受限的经常在中频上用对频带受限的 二相移相信号进行包络检波的方法二相移相信号进行包络检波的方法 来提取位同步信号来提取位同步信号 2 位同步锁相法的基本原理和载波位同步锁相法的基本原理和载波 同步的类似同步的类似 在接收端利用鉴相器比在接收端利用鉴相器比 较接收码元和本地产生的位同步信号较接收码元和本地产生的位同步信号 的相位的相位 若两者相位不一致若两者相位不一致 超前或超前或 滞后滞后 鉴相器就产生误差信号去调鉴相器就产生误差信号去调 整位同步信号的相位整位同步信号的相位 直至获得准确直至获得准确 的位同步信号为止的位同步信号为止 3 位同步系统的性能指标位同步系统的性能指标 1 相位误差相位误差 e 数字锁相法提取位同步信号时数字锁相法提取位同步信号时 相位相位 误差主要是由位同步脉冲的相位在跳变地误差主要是由位同步脉冲的相位在跳变地 调整所引起的调整所引起的 2 同步建立时间同步建立时间ts 同步建立时间即为失去同步后重建同同步建立时间即为失去同步后重建同 步所需的最长时间步所需的最长时间 3 同步保持时间同步保持时间tc 当同步建立后当同步建立后 一旦输入信号中一旦输入信号中 断断 由于收发双方的固有位定时重复由于收发双方的固有位定时重复 频率之间总存在频差频率之间总存在频差 F 收端同步信收端同步信 号的相位就会逐渐发生漂移号的相位就会逐渐发生漂移 时间越时间越 长长 相位漂移量越大相位漂移量越大 直至漂移量达直至漂移量达 到某一准许的最到某一准许的最 大值大值 就算失步了就算失步了 4 同步带宽同步带宽 fs 同步带宽是指位同步频率同步带宽是指位同步频率 与码元速率之差与码元速率之差 如果这个频如果这个频 差超过一定范围差超过一定范围 就无法使收就无法使收 端位同步脉冲的相位与输入信端位同步脉冲的相位与输入信 号的相位同步号的相位同步 4 位同步相位误差对位同步相位误差对 性能的影响性能的影响 前面已经求得数字锁相法位同前面已经求得数字锁相法位同 步的相位误差步的相位误差 e 有时不用相位差有时不用相位差 而用时间差而用时间差Te来表示相位误差来表示相位误差 因因 每码元的周期为每码元的周期为T 故得故得 Te T n 通常通常 一随机二进制数字信一随机二进制数字信 号相邻码元有数据变化和无变化的号相邻码元有数据变化和无变化的 概率大约各占概率大约各占1 2 相邻码元无数相邻码元无数 据变化的那部分信号据变化的那部分信号 由于取样点由于取样点 的积分值没受影响的积分值没受影响 误码率仍可用误码率仍可用 原给出的公式进行计算 而对相邻原给出的公式进行计算 而对相邻 码元有数据变化的那部分信号码元有数据变化的那部分信号 则则 原公式中的码元能量原公式中的码元能量E应该用应该用 1 2Te T E代替代替 7 4 群同步 帧同步 技术群同步 帧同步 技术 1 外同步法 插入特殊码组 外同步法 插入特殊码组 1 起止式同步法起止式同步法 电传机中广泛使用这一方法电传机中广泛使用这一方法 它用它用5 个码元代表一个字母个码元代表一个字母 或符号等或符号等 在每在每 个字母开始时个字母开始时 先发送一个码元宽度的负先发送一个码元宽度的负 值脉冲值脉冲 再传输再传输5个单元编码信息个单元编码信息 接着再接着再 发送一个宽度为发送一个宽度为1 5个码元的正值脉冲个码元的正值脉冲 2 连贯式插入法又称为集中插连贯式插入法又称为集中插 入法入法 这种方式就是将帧同步码这种方式就是将帧同步码 以集中的形式插入信息码流中以集中的形式插入信息码流中 一般帧同步码集中插入到一帧的一般帧同步码集中插入到一帧的 开始位置开始位置 对群同步码组的要求对群同步码组的要求 对作为群同步码组的特殊码组有两个对作为群同步码组的特殊码组有两个 方面的要求 一方面要求同步码组在信息方面的要求 一方面要求同步码组在信息 码元序列中不易出现以便识别码元序列中不易出现以便识别 即将信息即将信息 码元误认为同步码组的概率要小码元误认为同步码组的概率要小 同时当同时当 同步码组中有误码时同步码组中有误码时 漏识别的概率也要漏识别的概率也要 小小 另一方面的要求是识别该特殊码组的另一方面的要求是识别该特殊码组的 识别器应该尽量简单识别器应该尽量简单 巴克码是一种非周期序列巴克码是一种非周期序列 3 间歇式插入法 分散插入法 间歇式插入法 分散插入法 群同步码组不是集中插入在信息码流群同步码组不是集中插入在信息码流 中中 而是将它分散地插入而是将它分散地插入 即每隔一定数即每隔一定数 量的信息码元量的信息码元 插入一个群同步码元插入一个群同步码元 群群 同步码码型选择的主要原则是 一方面要同步码码型选择的主要原则是 一方面要 便于收端识别便于收端识别 即要求群同步码具有特定即要求群同步码具有特定 的规律性的规律性 这种码型可以是全这种码型可以是全 1 码码 1 0 交替码等 另一方面交替码等 另一方面 要使群要使群 同步码的码型尽量和信息码相区别同步码的码型尽量和信息码相区别 2 1 漏同步概率漏同步概率P1 由于干扰的影响会引起同步码组中的一由于干扰的影响会引起同步码组中的一 码元发生错误码元发生错误 从而使识别器漏识别已发出从而使识别器漏识别已发出 的同步码组的同步码组 2 假同步概率假同步概率P2 在消息码元中在消息码元中 也可能出现与所要识别也可能出现与所要识别 的群同步码组相同的信息码组的群同步码组相同的信息码组 这时会被识这时会被识 别器误认为是同步码组而实现假同步别器误认为是同步码组而实现假同步 出现出现 这种情况的可能性就称为假同步概率这种情况的可能性就称为假同步概率P2 3 平均同步建立时间平均同步建立时间ts 对于连贯式插入法对于连贯式插入法 假设漏同步和假设漏同步和 假同步都不出现假同步都不出现 在最不利的情况下在最不利的情况下 实现帧同步最多需要一帧时间实现帧同步最多需要一帧时间 设每帧设每帧 的码元数为的码元数为N 每码元的时间宽度为每码元的时间宽度为Ts 则一帧的时间为则一帧的时间为NTs 在建立同步过程在建立同步过程 中中 如出现一次漏同步如出现一次漏同步 则建立时间要则建立时间要 增加增加NTs 如出现一次假同步如出现一次假同步 建立时间也要增建立时间也要增 加加NTs 因此因此 帧同步的平均建立时间为帧同步的平均建立时间为 ts 1 P1 P2 NTs 对于分散式插入法对于分散式插入法 其平均建立时间其平均建立时间 经过分析计算可得经过分析计算可得 ts N2Ts 3 捕捉态 捕捉态 判决门限提高判决门限提高 判决器容许群同步码判决器容许群同步码 组中最大错码数就会下降组中最大错码数就会下降 假同步概率假同步概率P2 就会下降就会下降 维持态 维持态 判决门限降低判决门限降低 判决器容许群同步码判决器容许群同步码 组中最大错码数就会上升组中最大错码数就会上升 但漏同步概率但漏同步概率 P1就会下降就会下降 4 PCM 30 32路帧同步系统路帧同步系统 帧同步是实现时分多路通信必不可少帧同步是实现时分多路通信必不可少 的条件之一的条件之一 它在很大程度上决定了时分它在很大程度上决定了时分 多路通信的有效性及可靠性多路通信的有效性及可靠性 同步系统是同步系统是 使收使收 发定时系统同步工作发定时系统同步工作 以保证在收以保证在收 端能正确地接收每一个码元端能正确地接收每一个码元 并正确分出并正确分出 每一路信息码和信令码每一路信息码和信令码 下面简单讨论下面简单讨论PCM帧同步系帧同步系 统的具体性能统的具体性能 1 帧同步建立时间帧同步建立时间 要求开机后整个系统要能很要求开机后整个系统要能很 快地进入帧同步快地进入帧同步 或一旦帧失步后或一旦帧失步后 能很快恢复帧同步能很快恢复帧同步 2 帧同步系统的稳定性帧同步系统的稳定性 信道误码可能使帧同步码误码信道误码可能使帧同步码误码 而产而产 生假失步生假失步 在正常帧同步情况下在正常帧同步情况下 如果根如果根 据假失步进行调整的话据假失步进行调整的话 就会使已经处于就会使已经处于 帧同步的状态变成帧失步状态帧同步的状态变成帧失步状态 即造成误即造成误 调整调整 误调整结果将使正常的通信中断误调整结果将使正常的通信中断 帧失步 如果帧同步系统连续帧失步 如果帧同步系统连续 3 4 个 同 步 帧个 同 步 帧 同 步 帧同 步 帧 2T 2 125 s 250 s 未收到帧同步未收到帧同步 码码 则判为系统已失步则判为系统已失步 此时帧同步此时帧同步 系统立即进入捕捉状态系统立即进入捕捉状态 帧同步 帧同步系统进入捕捉帧同步 帧同步系统进入捕捉 状态后状态后 在捕捉过程中在捕捉过程中 如果捕捉到如果捕捉到 的帧同步码组的帧同步码组 每帧时间长每帧时间长125 s具具 有以下规律有以下规律 a 第第N帧有帧同步码帧有帧同步码 1 0 011011 第第1位码暂固定为