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第六章同步原理 数字通信原理 可编辑 2020 3 18 主要内容 2 可编辑 2020 3 18 6 4群同步 数字信号总是分成一组一组来传输的 用一定数目的码元组成一个 字 由若干 字 组成一句 再由若干 句 组成一 群 为了在接收端区分出数字信号中的 字 句 群 的起始位置 必须在接收端提供字 句 群同步脉冲 这几种同步脉冲的周期都是位同步脉冲的整数倍 要使这些脉冲的相位 即起始位置也与发端相同 则必须用群同步信号对分频器置零 这时位同步信号经分频器分频才能得到与发端同步同相的 字 句 和 群 同步脉冲 字 句 群 同步统称群同步 群同步的方法主要可分为两种 自同步法外同步法 3 可编辑 2020 3 18 自同步法 利用数字序列本身的特性来提取群同步脉冲 有纠错能力的抗干扰编码 为了能纠正接收数字序列中的错码 加入一些监督码 在接收端有可能根据这些监督码的位置恢复出群同步信号 从而不再需要发送另外的群同步信号 4 可编辑 2020 3 18 6 4群同步 自同步法外同步法 5 可编辑 2020 3 18 外同步法 在发送的数字序列中插人专门的群同步脉冲或群同步码组 这种方法称为外同步法本节介绍外同步法实现外同步方法有很多 常用的几种方法 起止式同步法加高或加宽式同步法插入特殊码组实现群同步法 分为连贯插入法和间隔式插入法 6 可编辑 2020 3 18 6 4群同步 7 可编辑 2020 3 18 起止式同步法 在每一组信号码元的前面和末尾都加一个同步码元 即可构成起止式同步码组 这种方式的典型例子之一是印字电传机 一个字由7 5个码元组成每个字的开头 先发一个码元的起脉冲 负值 中间五个码元是消息字的末尾是1 5个码元宽度的止脉冲 正值 收端根据正电平第一次转到负电平这一特殊规律 确定一个字的起始位置 以此实现群同步 8 可编辑 2020 3 18 起止式同步法 这种同步方式的止脉冲宽度与码元宽度不一致 给同步传输带来不便在这种同步方式中 每7 5个码元中只有5个码元用于传输消息 效率较低 解决脉冲宽度不一致的常用方法是把终止脉冲的宽度从改为或 但要对目前大量使用的印字电报机作这种改动是很不方便的在实际应用中常常是通过增加一个专用的码元变换装置来解决脉冲宽度不一致问题 起 9 可编辑 2020 3 18 6 4群同步 10 可编辑 2020 3 18 加高式或加宽式同步法 在二进制数字序列中 如果在每组信码前增加一个幅度或宽度特别大的群同步脉冲 在接收端就很容易识别信码组的起始点 加高式或加宽式同步法 加高式加宽式 11 可编辑 2020 3 18 加高式 同步脉冲的幅度一般选择为信息码元幅度的1 2 1 7倍 在接收端 只要用一个限幅器 就可以把群同步脉冲提取出来 优点 容易产生和提取缺点 抗干扰性差 在起伏噪声的影响下 容易出现误选或漏选 被数字序列所调制的调制器的功能也不能被充分利用 12 可编辑 2020 3 18 加高式或加宽式同步法 加高式加宽式 13 可编辑 2020 3 18 加宽式 在发送端插人宽度约为信息码元宽度的1 5倍的脉冲作群同步信号在接收端用一个脉冲鉴宽器把这个同步脉冲分离出来 可以采用限幅器除掉起伏噪声的影响 比加高式具有更好的抗干扰性能由于同步脉冲至少要占用2个码元的宽度 因此导致传输效率下降 14 可编辑 2020 3 18 6 4群同步 15 可编辑 2020 3 18 连贯式插入法 所谓连贯式插入法就是在每群的开头集中插人群同步码组的方法 这种群同步码组 应该是一种特殊的序列 接收端能够很方便的识别这些序列 将其与信息码区别开来 插入的同步码序列可采用的具体码组有很多 如全 1 码 全 0 码 0 1 交替码等 目前应用最广泛的是巴克 Barker 码 16 可编辑 2020 3 18 巴克 Barker 码 巴克 Barker 码的定义和特点巴克码发生器巴克码的识别 17 可编辑 2020 3 18 巴克 Barker 码的定义和特点 巴克码是一种非周期序列 具有尖锐的局部自相关函数 因而在接收端很容易被识别 插入码组 自相关函数 n位巴克码的自相关函数 目前已经找到的巴克码组 18 可编辑 2020 3 18 目前已找到的巴克码组 采用n 7以上的巴克码组为群同步码组 19 可编辑 2020 3 18 巴克 Barker 码的定义和特点 7位巴克码的局部自相关函数 当 当 当 20 可编辑 2020 3 18 巴克 Barker 码的定义和特点 自相关函数在j 0时出现尖锐的单蜂 21 可编辑 2020 3 18 巴克 Barker 码 巴克 Barker 码的定义和特点巴克码发生器巴克码的识别 22 可编辑 2020 3 18 巴克码发生器 移位寄存器产生巴克码反馈式的巴克码发生器 23 可编辑 2020 3 18 巴克码发生器 输出 从右向左的预置为11100110 经七个移位脉冲后 预置的1110010全部从移位寄存器的最右端移出 七位巴克码输出后 移位寄存器各级单元均保持原预置状态这种结构看起来是很直观的 但由于移位存器的级数需要等于巴克码组的位数 所需移位寄存器级数较大 比较浪费 24 可编辑 2020 3 18 巴克码发生器 移位寄存器产生巴克码反馈式的巴克码发生器 25 可编辑 2020 3 18 反馈式的巴克码发生器 由三级移位寄存器单元组成 预置线把移位寄存器的初始状态预置为111 后两级移位寄存单元的输出反馈至输入端的模二加法器 经相加后的输出作第一级的输入 经过七个移位脉冲后 移位寄存器的输出也是1110010这种方法也叫逻缉综合法这种结构所需移位寄存器级数小 比较节省部件 26 可编辑 2020 3 18 巴克 Barker 码 巴克 Barker 码的定义和特点巴克码发生器巴克码的识别 27 可编辑 2020 3 18 巴克码的识别 巴克码具有尖锐的自相关特性 常被用作群同步的标志巴克码识别器就是对输入的巴克码进行自相关运算 接收端在识别群同步之前往往巳恢复出位同步信号 常采用移位寄存器构成识别器 28 可编辑 2020 3 18 巴克码的识别器 七位巴克码识别器由七级移位寄存器 电阻输入的相加器和判决器组成 当输入数据的 1 存入移位寄存器时 1 端的输出为高电平 设其为 1 而 0 端输出为低电平 设其为 1 或0电平 反之 存入数据 0 时 0端输出电平为 1 1 端的输出电平为 1 或输出0电平 各移位寄存器输出端的接法和巴克码的规律一致 这样 如果输入移位寄存器的数字有一位或多位与对应的巴克码位不同 则该位就输出 或0 此时再将寄存器输出的各位相加时 就一定会小于7只有输入为巴克码时 相加器才可能输出7 因此移位寄存器和相加器合起来构成了相关运算器 29 可编辑 2020 3 18 巴克码的识别器 七位巴克码识别器输入输出关系 30 可编辑 2020 3 18 特性曲线1 31 可编辑 2020 3 18 特性曲线2 32 可编辑 2020 3 18 说明 m 代表没有进入识别器的巴克码码元数 m 即识别器未输入的巴克码组的码元数 m表示识别器已输出的巴克码码元数UA表示相加器输出端的可能最大输出电压 P是可能最大输出电压的概率 当 m 0时 即巴克码码元全部进入识别器时 识别器的每个电阻都产生l伏的输出电压 相加器输出电压UA 7伏 发生概率为l 若 m 1时 即有一位巴克码元在移位寄存器外 其余六位已移入移位寄存器内 则有3个码元与巴克码相同 即在相加器输出端产生3伏电压 还有一个移位寄存器单元 输入巴克码组邻接的一位信息码元 若此码为 l 时 表示信息码元的符号与寄存器输出端符号一致 相加器输出电压UA为4伏 若此码元为 0 相加器输出电压UA为3伏 考虑m 1时 相加器输出电压UA的可能最大电压为4伏 而因 1 0 出现的概率相等 均为1 2 因此UA 4伏的出现概率为1 2 依此类推 当 m 7时 即进入识别器的全部是随机的信息码元 33 可编辑 2020 3 18 说明 假设图的判决器的判决电平为 6 5伏 当七位巴克码码元全部进入七级移位寄存器构成的识别时 输出电压为7伏 判决器有输出当只有部分巴克码码元进入时 其输出电压小于 6 5伏 判决器无输出 34 可编辑 2020 3 18 输出波形 识别器输入 识别器输出 35 可编辑 2020 3 18 6 4群同步 36 可编辑 2020 3 18 间隔式插入法 分散插入的方式 即每隔一定数量的信息码元 插入一个群同步码元选择群同步码码型的主要原则 便于收端识别 即要求群同步码具有特定的规律性 使群同步码的码型尽量能与信码区别开来 收端要确定群同步码的位置 必须对收码进行逐位搜索 这种检测方法称为逐码移位法 37 可编辑 2020 3 18 逐码移位法 各点波形 禁门 异或门 38 可编辑 2020 3 18 各点波形 39 可编辑 2020 3 18 波形说明 设接收信息码 波形 中的群同步码位于画斜线码元的位置 如果已实现群同步 则位同步码 波形a 经四次分频后所得本地群码的相位应与收信码中的群同步码相位一致 假设开始时如波形d所示 本地群码的位置与波形c收信码中的群码位置相差两位 设群码为全 l 码 其余的信息码均与群码不同 为 0 在第一码元时间 波形c与d不一致 异或门有输出 波形e 延迟一个码元时间后 得波形5加于禁门 是取反加于禁门 关闭常开禁门 扣掉位同步码的第2个码元 波形b的第2个码元位置用加一叉号表示 致使分频的状态在第2码元没有变化分频器本地群码的输出往后移一位 见波形d 在第2码元时间 c和d 进行比较 产生波形e 和f 又在第3码元位置扣掉一个位同步码 使本地群码的位置又往后移一位 波形d 至此以后 收信码中的群码与本地群码的位置就完全一致 从而实现群同步 40 可编辑 2020 3 18 6 4群同步 41 可编辑 2020 3 18 群同步系统的性能 从系统性能的角度来看 群同步的建立时间应尽可能短 并且在群同步建立后 系统应具有较强的抗干扰能力 群同步系统的性能由以下指标衡量 漏同步概率假同步概率群同步平均建立时间最佳同步码 42 可编辑 2020 3 18 漏同步概率 干扰可能导致同步码组中的码元发生误码 使识别器漏识别已发出的同步码组 漏识别现象的发生概率称为漏同步概率 单个码元误码率 同步码组长度 对码个数 错码个数 发生x个错误的概率 43 可编辑 2020 3 18 漏同步概率 群同步码组识别器所允许的错误范围内 识别器能正确识别同步码的概率为 若在接收过程中发生大于k个错误 即超过识别器所允许的错误范围 必然出现漏识别 此时漏识别概率 即漏同步概率 P1为 同步码组识别器所允许的码元错误个数的最大值 44 可编辑 2020 3 18 群同步系统的性能 漏同步概率假同步概率群同步平均建立时间最佳同步码 45 可编辑 2020 3 18 假同步概率 若巳知群同步码组没有被发送 但信息码中出现了与群同步码组一致的码 并进入了识别器 此时识别器有输出 即被误认为是同步码组 而判断进入同步 此时并非真正同步 而是假同步出现这种情况的概率定义为假同步概率P2 假同步概率P2定义为消息码元中能被判为同步码组的组合数与所有可能码组数之比 46 可编辑 2020 3 18 假同步概率 假设二进制消息码元 0 和 1 等概率出现k 0 只有一个码组能被识别 故这时的假同步概率为P2 2 n n位码组的假同步概率 47 可编辑 2020 3 18 假同步概率 单个码元误码率 判决门限对应 识别器不允许同步码组差错 漏同步概率 假同步概率 48 可编辑 2020 3 18 假同步概率 当判决门限值取定后 漏同步概率随着码组长度的增加而增加 假同步概率则是随着码组长度增加而减小 从减小假同步概率的角度来看 同步码组的长度越大越好 但是此时漏同步概率近似成正比增加假同步概率与漏同步概率是两个相互矛盾的指标 在实际应用中必须综合考虑 不能顾此失彼通常采用调整判决门限电平的方法来实现二者的兼顾 49 可编辑 2020 3 18 假同步概率 单个码元误码率 P1P2都在10 3量级满足要求 P1偏高 需要调整 取 50 可编辑 2020 3 18 假同步概率 经过判决门限调整后 漏同步概率P1大大下降 由10 2数量级变为了10 5数量级这是以牺牲假同步概率为代价换来的 此时P2增加到10 3数量级 虽然有所增加 但还是可以接受的 k值不可再取大了 否则会导致假同步概率过高 k 2 P1 2 86 10 8 P2 1 1 10 2 假同步概率达到10 2数量级 系统难以接受的 51 可编辑 2020 3 18 群同步系统的性能 漏同步概率假同步概率群同步平均建立时间最佳同步码 52 可编辑 2020 3 18 群同步平均建立时间 采用连贯插入法的群同步方案 当不发生漏同步和假同步时 在最不利的条件下 实现群同步最多需要经过一群的时间 即需要经过NTS才能实现群同步 每群码元数 n位为群同步码 每个码元时间 53 可编辑 2020 3 18 群同步平均建立时间 实际的消息码不可避免的会出现与群同步码相同的码 假设出现这种情况的概率为P 这时 识别器将信息码识别为群同步码 需要经过一群码的时间 NTS 后再在原位置上与信息码比较 导致群同步的建立时间的增长实际情况下 群同步的建立时间比在理想条件下所需的时间要长得多 只要算出本地群码后移一位所花的平均时间 ts 就可以算出在最不利条件下的群同步平均建立时间ts N 1 ts 连贯插入法群同步的平均建立时间大致为 54 可编辑 2020 3 18 群同步平均建立时间 逐码移位法的群同步平均建立时间 本地码与信息码不同的概率 本地码后移一位的时间 本地码与信息码相同 if 经过一群时间后使本地群码后移一位的概率为 所需时间 55 可编辑 2020 3 18 群同步平均建立时间 由于本地群码和信息码有K次相同而需要经过K群时间后才使本地群码后移一位的概率为 所需时间 群同步建立时间 连贯插入法群同步的平均建立时间比较短 在数据传输中被广泛采用 56 可编辑 2020 3 18 群同步系统的性能 漏同步概率假同步概率群同步平均建立时间最佳同步码 57 可编辑 2020 3 18 最佳同步码 长度为n的最佳同步码是在给定误码率Pe和同步码识别器允许的误码个数条件下 长度为n的各种码型在覆盖区内 假同步概率最小的码型 采用连贯插入群同步码的系统中 假同步码组可分为两种类型 假同步码组出现在信息码区 此时的假同步码组全部由信息码组成 假同步码组由部分信息码元和部分同步信号码元共同组成 这种类型的假同步码出现的区域称为覆盖区 也叫重叠区 58 可编辑 2020 3 18 最佳同步码 设群同步码长度为n 我们称群同步码本身及两侧n 1位为覆盖区 除覆盖区以外的其他信息位称为随机区 覆盖区的长度为 3n 2 位 在覆盖区内除同步码本身之外 没有假同步码组存在的码组结构 称为单极点码组 也称单临界点码组 PCM一次群覆盖区的定义 59 可编辑 2020 3 18 PCM一次群覆盖区的定义 同步码组 部分同步码位与信息码组合 6种组合 下半区略 60 可编辑 2020 3 18 最佳同步码 随机区的假同步概率与群同步码的码长直接相关覆盖区可以直接计算除各种码型可能形成的假同步概率 选择假同步概率最小的码型作为群同步码 群同步码的码型的选择对覆盖