通信原理——同步2.ppt

现代通信原理第十章同步原理 引言 同步是通信系统中一个重要的实际问题 当采用同步解调或相干解调时 接收端需要提供一个与发射端载波同频率的相干载波 这个相干载波的获取就称为载波同步 数字通信中 还有位同步问题 因为解调时需要知道每个码元的起止时刻 从而对积分器或匹配滤波器的输出进行抽样判决 我们把在接收端产生与接受码元的重复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 数字通信系统中 消息总是由若干 字 组成 又用若干 字 组成 句 接收时 同样要知道这些 字 句 的起止时刻 在接收端产生与其起止时刻相一致的定时脉冲序列 统称为帧同步 同步系统性能的降低 会直接导致通信系统的性能的降低 甚至不能工作 可以说 在同步通信系统中 同步 是进行信息传输的前提 正因为如此 为了保证信息的可靠传输 要求同步通信系统应有更高的可靠性 以下以点 点两路PCM 2DPSK数字电话系统为例来说明载波同步 位同步以及帧同步的作用 设CLK频率为192KHz SL1 SL2的频率为8KHz 则SL1 SL2 PCM1 PCM2 F t 及PCM信号的波形如下 两个PCM编码器用同一个时钟CLK SL1 SL2两个信导的频率也相等 故PCM1 PCM2的码速率完全相同 复接器实际上是一个或门电路 此种复接器输入的支路信号速率完全相同 称为同步复接器 CLK SL1 SL2 及cos ct是由发端同步器提供的 在电路上比较容易实现 收端的载波同步器提供相干载波 与发载波同频同相 或反相 位同步器输出位同步信号CP t 信号频率为192KHz 帧同步器从收端PCM码流中提取帧同步信导FS t 进而产生路同步信号F1 t 和F2 t FS t 的脉冲前沿与帧同步码1110010的最后一位起时间对齐 也可以与第一位数据起时间对齐 F1 t F2 t 的脉冲前沿与各自数据的第一位起始时间或最后一位的结束时刻对齐 由具体电路决定 若复接器输入的各支路信号的速率标称值相同但实际值有一定差异 则不能进行同步复接 采取网同步方法才能复接不同速率的支路 此问题于网同步范畴 载波同步方法 对模拟已调信号和数字已调信号进行相干解调时 需要从接收信号中提取相干载波 提取载波的方法一般分为两类 一类是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为导频的正弦波 接收端就由导频提取出载波 这类方法称为插入导频法 另一类是不专门发送导频 而在接受端直接从发送信号中提取载波 这类方法称为直接法 1 插入导频法 在抑制载波的双边带信号中插入导频 插入正交导频的目的 收端相乘器的输出V t 中无直流 也可以插入同相导频 低通滤波器中加入隔直电容即可 插入导频信号的功率应比较小 否则就成为AM信号了 2 直接法 例 从2PSK信号中直接提取相干载波 1 平方变换法 设调制信号为 中无直流分量 则抑制载波的双边带信号为接收端将该信号进行平方变换就得到 2 平方环法 平方法提取载波图中的2fc窄带滤波器若用锁相环代替 就构成平方环法 由于锁相环具有良好的跟踪 窄带滤波和记忆性能 故平方环法比一般的平方变换法具有更好的性能 3 同相正交环 此即为环路的鉴相特性 上式中 Um Ud为乘法器引起的信号幅度变化 当VCO的固有振荡频率与2PSK的载频非常接近且环路增益很高时 环路锁定后 可见用同相正交环提取的载波也存在相位模糊现象 环路锁定后 考虑到噪声等因素 应对u5 t 进行抽样判决以再生数字基带信号 从4PSK信号中提取相干载波的方法与2PSK相似 可用四次方变换 四次方环及四相Costas环 用Costas环提取相干载波时 环路的工作频率等于信号载频 用其它方法时电路工作频率等于信号载频的二倍或四倍 载波同步系统的性能 同步误差理想相干载波与接收机输入信号载波同频同相 实际相干载波为cos wct n t 为稳态相差 由固有频差 锁相环VCO的固有频率或振荡回路中心频率与载频之差 产生的 为随机相差 由噪声产生 减小带通滤波器带宽 增大Q值 可减小随机相差 但增加稳态相差 减小环路自然谐振频率可减小随机相差 增大环路增益可减小稳态相差 性能指标 高效率 高精度 同步建立时间快 保持时间长 1 高效率 为了获得载波 尽量少消耗发送功率 直接法提取载波的效率高 插入导频法的效率低 2 高精度 提取的载波 其相位尽量精确 同步误差尽量小 同步建立时间ts和同步保持时间tctc 载波同步器的输入信号丢失后 相干载波与输入信号载波之间的相位误差小于某一范围所需要的时间 减小带通滤波器的Q值 可减小ts但tc也减小 增大锁相环的自然谐振频率 可减小ts但tc也减小 3 建立时间和保持时间 载波相位误差对解调性能的影响 1 模拟通信 1 DSB输出信号功率输出噪声功率 可见载波相位误差使解调输出信号功率减小但不改变噪声功率即输出信噪比下降 同理可证明 在AM解调中 载波相位误差也使输出信噪比下降 2 SSB设 上边带信号为 则相干解调输出信号为 第一项与m t 成正比 但相位误差使信号功率下降 第二项与原信号正交 使基带信号产生畸变且 越大畸变越大 与DSB系统一样 相位误差并不改变SSB解调器的输出噪声功率 因此载波相位误差使SSB解调器的输出信噪比下降且信号畸变 在VSB相干解调中也有上述现象发生 2 数字通信显然 抽样判决器输入信噪比变化规律同模拟通信 故误码率增大 2PSK系统误码率为相干解调最佳相干接收机 位同步 1 插入导频法适用于不包含位同步信号的码型 如二进制NRZ码在基带信号频谱的零点 如二进制NRZ码处 插入所需导频信号2PSK或2FSK系统中进行附加的幅度调制 接收端进行包络检波时域插入同步信号 载波同步 位同步 数据信号分别被配置在不同的时间内传送 2 滤波法现形成含位同步信息的信号 如NZ码 数字双相码等 再用窄带滤波器滤出r t 来自相干解调器或非相干解调器的低通滤波器 在最佳接收机中则视具体情况确定r t 的来源 波形变换输出信号中必须含有频率等于码速率的离散谱 若信道中传输的是BNRZ码或2DPSK信号 则波形变换单元可由比较 微分 整流等三部分构成 波形示意图如下 若无码间串扰且无噪声 则脉冲的上升沿都应与各码元的开始时间对齐 它的频谱中包含有位同步信号重复频率的离散谱成分 滤波 脉冲形成及移相后可得到理想的位同步信号 码间串扰和噪声使位同步器输出的位同步信号在一定范围内抖动 信息码中的连 1 或连 0 码也会造成位同步信号相位抖的 连 1 或连 0 个数越多 滤波输出信号的周期和幅度变化越大 位同步输出信号的相位抖动也越大 因此在基带传输系统中常采用HDB3码 在数字调制传输中常将信号源输出的数字基带信号位进行扰码处理以减少连 1 和连 0 的个数 从2PSK信号中提取位同步信息 包络检波 滤波法 3 锁相环法 1 晶振的频率为 4 经过反复调整相位 即实现了位同步 位同步系统的性能及其相位误差对性能的影响 1 位同步系统性能 指失去同步后重建同步所需的最长时间 相位最大相差秒 需要调整的次数 故同步建立时间 1 同步建立时间 2 同步保持时间tc 收发双方的固有位定时重复频率之间的频差为 当同步建立后 一旦输入信号中断 收端同步信号的相位会漂移 时间越长 相位漂移量越大 直至失步 3 同步误差稳态误差此为量化误差随机误差由输入噪声产生 2 同步误差对误码率的影响 同步误差使误码率增大 因同步信号偏离了被采样信号的最大值对应的时间 2PSK最佳接收机式中Te为用时间表示的同步误差 帧同步 1 帧同步码插入方式及码型 1 集中插入 连贯插入 在一帧开始的n位集中插入n比特帧同步码 PDH中的A律PCM基群 二次群 三次 四次群 律PCM二次群 三次群 四次群以及SDH中各个等级的同步传输模块都采用集中插入式 2 分散插入式 间隔插入式 n比特帧同步码分散地插入到n帧内 每帧插入1比持 律PCM基群及 M系统采用分散插入式 分散插入式无国际标准 集中插入式有国际标准 帧同步码出现的周期为帧周期的整数信 即在每N帧 N 1 的相同位置插入帧同步码 3 帧同步码码型选择原则 a 假同步概率小 b 有尖锐的自相关特性 以减小漏同步概率如A律PCM基群的帧同步码为001101 设 1 对应正电平1 0 码对应负电平 1 则此帧同步码的自相关特性如下图所示 2 帧同步码识别介绍常用的集中插入帧同步码的识别方法 设帧同步码为0011011 当帧同步码全部进入移位寄存器时它的7个输出端全为高电平 相加器3个输出端全为高电平 表示ui 1 2 4 7 门限L由3个输入电平决定 它们的权值分别为1 2 4 比较器的功能为据此可得以下波形 3 识别器性能设误码率为Pe n帧码位 L n m 即允许帧同步码错m位 求漏识别概率P1和假识别概率P2以及同步识别时间ts 1 漏识别概率正确识别概率为 故 m 0时门限L越低 Pe越小 则漏识别概率越小 2 假识别概率n位信码产生一个假识别信号的概率为门限越高 帧码位数越多 则假识别概率越小 3 同步识别时间tsP1 P2 0时 ts NTs N为一个同步帧中码元位数 Ts为码元宽度一个同步帧中产生一个假识别信号概率为故当P1 0 P2 0时分散插入帧同步码的同步识别时间为可见集中插入式同步识别时间远小于分散插入式的同步识别时间 同步原理 4 同步保护无同步保护时 同步系统的漏同步概率PL等于识别器漏识别概率P1 假同步概率Pj等于识别器的假识别概率平P2 由上述分析可见 当信道误码率一定时 增大帧码长度 降低门限可减少漏同步概率 同时使假同步概率也足够低 但帧码太长 将降低有效信息的传输速度 是不允许的 这一矛盾可用同步保护电路解决 1 后方保护当帧同步系统处于捕捉态时 连续 个同步帧时间内识别器有输出时 同步系统进入同步状态 输出帧同步信号 此措施可减小假同步概率 也可以在采取此措施的同时提高门限电平以进一步减小假同步概率 2 前方保护当帧同步系统处于同步态时 连续 个同步帧时间内识别器检测不到帧同步码 则系统回到捕捉态 此措施可以减小漏同步 假失步 概率 也可以在采取此措施的同时降低限电平 以进一步减小漏同步概率 3 同步性能设门限等于帧码码元数n 同步帧长为N比持 同步周期为TF秒 则同步建立时间 网同步的基本概念 1 必要性通信网中需对信息进行复接 分接和交换 以复接系统为例来说明网同步的必要性 同步复接 各低速率支路的数据的速率完全相等 则通信网需对各支路用户提供同步时钟即建立一个同步网 准同步复接 各支路数据速率的标称值相等但实际值存在一定误差 复接时对各支路数据速率进行调整或其它处理 码速调整及其它处理方法也属于网同步技术范畴 2 网同步方法简介 1 主从同步法通信网中某一站 主站 设置一个高稳定的主时钟 其它各站 从站 的时钟频率和相位同步于主时钟的频率和相位 各站时钟的频率和相位也可以同步于GPS提供的标准时钟 2 相互同步法网内各站设有独立时钟 它们的固有频率存在一定偏差 各站所使用的时钟频率锁定在网内各站固有频率的平均值上 此平均值将称