通信原理韩庆文第六章同步原理PPT课件.ppt

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 1引言 同步 是数字通信中的重要问题 是进行正常通信的必要保证 分为 载波同步位同步群同步网同步 3 可编辑 2020 3 18 载波同步 载波同步数字通信中的重要问题 是进行正常通信的必要保证 4 可编辑 2020 3 18 6 1引言 同步 是数字通信中的重要问题 是进行正常通信的必要保证 分为 载波同步位同步群同步网同步 5 可编辑 2020 3 18 位同步 位同步又称 码元同步 这种在接收端从接收信号中提取位同步信息的过程称为位同步 6 可编辑 2020 3 18 6 1引言 同步 是数字通信中的重要问题 是进行正常通信的必要保证 分为 载波同步位同步群同步网同步 7 可编辑 2020 3 18 群同步 群同步接收端要正确恢复消息 就必须识别句或帧的起止时刻 8 可编辑 2020 3 18 10 1引言 同步 是数字通信中的重要问题 是进行正常通信的必要保证 分为 载波同步位同步群同步网同步 9 可编辑 2020 3 18 网同步 网同步为了保证通信网内各用户之间的可靠通信 需要实现网同步 10 可编辑 2020 3 18 主要内容 11 可编辑 2020 3 18 6 2载波同步 载波恢复 的两种方法 插入导频法 在发端发送有用信号的同时 在适当的频率位置上 插入载波或与之有关的导频信号 接收端通过窄带滤波取出 直接提取法 从接收的已调信号中直接提取相干载波 12 可编辑 2020 3 18 6 2载波同步 13 可编辑 2020 3 18 插入导频法 插入导频法用于已调制的数字信号中没有载波分量以及虽有载波分量但难以实现载波分离的情况 如 单边带信号 抑止载波的双边带信号 残留边带信号 P 1 2的二相数字相位调制信号 插入导频的方法包括频域插入导频法时域插入导频法 14 可编辑 2020 3 18 频域插入导频法 抑制载波的双边带信号 15 可编辑 2020 3 18 频域插入导频法 频域插入导频法以抑制载波的双边带信号为例 16 可编辑 2020 3 18 频域插入导频法 发端输出信号 载波信号发生器 17 可编辑 2020 3 18 频域插入导频法 收端输入信号 相干载波 18 可编辑 2020 3 18 频域插入导频法 乘法器的输出信号m t 为 19 可编辑 2020 3 18 频域插入导频法 若发送端导频不是正交插入 而是同相插入 发送端的输出信号则变为 收端乘法器的输出 20 可编辑 2020 3 18 插入导频法 频域插入导频法时域插入导频法 21 可编辑 2020 3 18 时域插入导频法 时域插入导频法卫星通信TDMA系统帧结构 22 可编辑 2020 3 18 时域插入导频法 锁相环提取相干载波 23 可编辑 2020 3 18 时域插入导频法 注意 锁相环压控振荡器的自由振荡频率应尽量和载波导频标准频率相等 而且要有足够的频率稳定度 由于时域插入的导频是一帧一帧插入的 所以锁相环需要每隔一帧时间进行一次相位比较和调节 当载波恢复信号消失后 压控振荡器具有足够的同步保持时间 直到下一帧载波恢复信号出现再进行相位比较和调整 只要适当设计锁相环 就能恢复出符合要求的相干载波 24 可编辑 2020 3 18 6 2载波同步 25 可编辑 2020 3 18 直接法 直接从接收信号中提取同步载波的方法非线性变换一滤波法同相正交环法从多相移相键控信号中提取同步载波 26 可编辑 2020 3 18 非线性变换一滤波法 适用于无载频分量的信号和抑制载频的双边带信号 经过非线性变换后可以得到载频的倍频分量 再用窄带滤波器或等效锁相环提取 经过分频可得相干载波 两种常见方法 平方变换法平方环法 27 可编辑 2020 3 18 平方变换法 抑止载波的双边带信号 对e t 进行平方变换 讨论 28 可编辑 2020 3 18 讨论 模拟通信中 s t 为话音信号 无直流成分 但s2 t 2变化时总是正的 因此 其中必有一个很大的直流成分 除此之外都是与零频率点有一定的间隔的 很小的一段的连续谱 在数字通信中 基带信号为2PSK信号 再经过二次调制为DSB信号 s t 为双极性矩形脉冲 设 平方 29 可编辑 2020 3 18 平方变换法 载波必然存在180 的相位模糊 可以采用 相对移相法 解决 平方律部件 2fc窄带滤波器 二分频 带来相位模糊 30 可编辑 2020 3 18 非线性变换一滤波法 平方变换法平方环法 31 可编辑 2020 3 18 平方环法 在平方变换的基础上 用锁相环替代窄带滤波器 性能优于前者 锁相环 32 可编辑 2020 3 18 平方环法 vd仅与相位差 有关 通过环路滤波器去控制VCO的相位和频率 环路锁定后 很小 压控振荡器的输出 输入2PSK信号 当g t 为矩形时 有 压控振荡器的输出 鉴相器的误差输出 二分频可得载波 33 可编辑 2020 3 18 直接法 直接从接收信号中提取同步载波的方法非线性变换一滤波法同相正交环法从多相移相键控信号中提取同步载波 34 可编辑 2020 3 18 同相正交法 又叫科斯塔斯 Costas 环 在此环路中 压控振荡器 VCO 提供两路互为正交的载波 与输入接收信号分别在同相和正交两个鉴相器中进行鉴相 经低通滤波之后的输出均含调制信号 两者相乘后可以消除调制信号的影响 经环路滤波器得到仅与相位差有关的误差电压 利用该电压控制压控振荡器 35 可编辑 2020 3 18 同相正交环法 90 相移 36 可编辑 2020 3 18 同相正交环法 经90 相移后得到正交信号 输入信号为抑止载波的双边带信号 则 压控振荡器的输出 37 可编辑 2020 3 18 同相正交环法 由于锁相环作为载波提取环时 其LF的带宽设计很窄 只有s t 的直流分量可以通过 低通滤波器后的输出 38 可编辑 2020 3 18 同相正交环法 存在相位模糊问题 39 可编辑 2020 3 18 同相正交环法 科斯塔环与平方环都是利用锁相环 PLL 提取载波的常用方法 与平方环相比 科斯塔环虽然电路复杂一些 但它的工作频率即为载波频率 而平方环的工作频率是载波频率的两倍 当载波频率很高时 工作频率较低的科斯塔环易于实现当环路正常锁定后 科斯塔环可直接获得解调输出 而平方环则没有这种功能 40 可编辑 2020 3 18 直接法 直接从接收信号中提取同步载波的方法非线性变换一滤波法同相正交环法从多相移相键控信号中提取同步载波 41 可编辑 2020 3 18 从多相移相键控信号中提取同步载波 以QPSK为例常见的四种方法四次方环四相科斯塔环逆调制环判决反馈环 42 可编辑 2020 3 18 四次方环 鉴相器的误差输出 锁相环 43 可编辑 2020 3 18 四次方环 44 可编辑 2020 3 18 从多相移相键控信号中提取同步载波 以QPSK为例常见的四种方法四次方环四相科斯塔环逆调制环判决反馈环 45 可编辑 2020 3 18 四相科斯塔环 46 可编辑 2020 3 18 四相科斯塔环 输入QPSK信号 压控振荡器送给四个鉴相器的载波信号 代表所传送的信息 可取0 45 90 135 四种相位 环路需要跟踪的载波相位 47 可编辑 2020 3 18 四相科斯塔环 输入信号经四个鉴相器 再经过低通滤波器 输出电压 48 可编辑 2020 3 18 四相科斯塔环 v1和v3在相乘器中相乘 v2和v4在相乘器中相乘 v1 3和v2 4在相乘器中相乘 得到误差电压 令 49 可编辑 2020 3 18 从多相移相键控信号中提取同步载波 以QPSK为例常见的四种方法四次方环四相科斯塔环逆调制环判决反馈环 50 可编辑 2020 3 18 逆调制环 载波输出 51 可编辑 2020 3 18 逆调制环 输入QPSK信号正交展开 以参考载波sin ct 2 相位检波 以参考载波cos ct 2 相位检波 52 可编辑 2020 3 18 逆调制环 v1v2做零判决 判决器输出讨论 When When 根据 的取值不同 我们可以把 在 0 2 的区间内分成八个区域 53 可编辑 2020 3 18 逆调制环 相位区间的划分 可得到在每个区域中v 1和v 2的取值 54 可编辑 2020 3 18 逆调制环 v 1对e t 反调制 经90 移相 v3与v4相加 v 2对e t 反调制 鉴相 55 可编辑 2020 3 18 逆调制环 四重相位模糊度 56 可编辑 2020 3 18 从多相移相键控信号中提取同步载波 以QPSK为例常见的四种方法四次方环四相科斯塔环逆调制环判决反馈环 57 可编辑 2020 3 18 判决反馈环 90 载波输出 58 可编辑 2020 3 18 判决反馈环 判决反馈环两路相位检波器的输出 59 可编辑 2020 3 18 判决反馈环 相减器的输出 设 60 可编辑 2020 3 18 6 2载波同步 61 可编辑 2020 3 18 载波同步系统的性能 通常是以效率和精度作为衡量系统性能主要指标 效率高是指为了获取载波信号所消耗的发送功率少 为获得同步载波信号 应尽量少消耗发射功率 精度高 指提取的载波应是相位尽量精确的相干载波 即相位误差应该尽量小 62 可编辑 2020 3 18 载波同步系统的性能 稳态相差 随机相差同步的建立时间和保持时间 63 可编辑 2020 3 18 稳态相差 当 Q值越大 所引起的稳态相差也就越大 设 用窄带滤波器提取载波时的稳态相差 用锁相环提取载波时的稳态相差 64 可编辑 2020 3 18 载波同步系统的性能 稳态相差 随机相差同步的建立时间和保持时间 65 可编辑 2020 3 18 随机相差 由于载波信号上叠加了随机高斯噪声 所以当其通过窄带滤波器后 会使得到的载被同步信号产生随机相位误差 随机相差的概率密度函数用窄带滤波器提取载波的相位抖动用平方环法提取载波的相位抖动 66 可编辑 2020 3 18 随机相差的概率密度函数 载波同步系统输出的信号 叠加了高斯噪声的载波信号通过窄带系统后的输出信号 窄带高斯过程 正交展开 代入 令 67 可编辑 2020 3 18 随机相差的概率密度函数 相互独立的高斯随机变量 概率密度函数 联合概率密度函数 68 可编辑 2020 3 18 随机相差的概率密度函数 变成包络r和相位 的函数 包络r的一维概率密度函数 广义瑞利分布 或莱斯分布 69 可编辑 2020 3 18 随机相差的概率密度函数 相位 的一维概率密度函数 概率积分函数 令 信号信噪比 70 可编辑 2020 3 18 随机相差的概率密度函数 高信噪比条件下 假设 较小 随机相差的方差与信噪比之间的关系 结论 71 可编辑 2020 3 18 结论 对于一个载波同步系统来说 不仅仅可以用信噪比来衡量随机相差的大小 也可以用随机相差的方差来衡量 在后面讨论同步系统性能时 将用随机相差的均方根值来衡量随机相差 并称之为相位抖动 即有 72 可编辑 2020 3 18 随机相差 由于载波信号上叠加了随机高斯噪声 所以当其通过窄带滤波器后 会使得到的载被同步信号产生随机相位误差 随机相差的概率密度函数用窄带滤波器提取载波的相位抖动用平方环法提取载波的相位抖动 73 可编辑 2020 3 18 用窄带滤波器提取载波的相位抖动 已知窄带滤波器的电压传递函数 噪声为高斯白噪声 滤波器的等效噪声带宽 LC元件组成的单回路 品质因素 窄带滤波器中心频率 窄带滤波器输出的噪声功率 输出信号功率 输出信噪比 74 可编辑 2020 3 18 用窄带滤波器提取载波的相位抖动 相位抖动 Q值越高 越小 增加Q值却会导致稳态相差增加当使用窄带滤被器提取载波时 稳态相差和随机相差对Q值的要求是相互矛盾的在实际应用中 必须兼顾二者 切忌顾此失彼 75 可编辑 2020 3 18 随机相差 由于载波信号上叠加了随机高斯噪声 所以当其通过窄带滤波器后 会使得到的载被同步信号产生随机相位误差 随机相差的概率密度函数用窄带滤波器提取载波的相位抖动用平方环法提取载波的相位抖动 76 可编辑 2020 3 18 用平方环法提取载波的相位抖动 平方环的平方律部件之前为一带宽为Bi的带通滤波器 滤波器的输出为已调信号和带限高斯噪声之和 平方律部件的输出 噪声n t 设 功率 双边功率谱密度 环路输入端的单边噪声功率谱密度 77 可编辑 2020 3 18 用平方环法提取载波的相位抖动 设 环路的等效单边噪声带宽 进入环路的噪声功率 进入环路的有用信号 平均功率法求得该信号的平均功率 环路信噪比 锁相环输出的相位抖动 78 可编辑 2020 3 18 用平方环法提取载波的相位抖动 此时锁相环输出信号的频率是2 c 还需经过二分频才能得到所需的频率 c 设 整个载波信号提取电路的随机相差 锁相环的随机相差 同步系统的相位抖动 79 可编辑 2020 3 18 用平方环法提取载波的相位抖动 利用平方环法提取相干载波情况下的相位抖动值 要使相位抖动足够小 就必须使得环路的噪声带宽足够窄 环路噪声带宽BL与环路的自然谐振频率 n有着密切的关系 n大 BL就宽 要使 n大 则必须增加环路增益K 所以 要使BL足够窄 K就不能太大 稳态相差对K的要求与随机相差对的要求也是矛盾的 可以通过合理的选择环路的其它参数 弥合这种矛盾 使之不像利用窄带滤波器提取载波时那样突出 80 可编辑 2020 3 18 载波同步系统的性能 稳态相差 随机相差同步的建立时间和保持时间 81 可编辑 2020 3 18 同步的建立时间和保持时间 同步建立时间 同步保持时间 分析窄带滤波器提取载波和以锁相环提取载波的同步建立时间和保持时间窄带滤波器提取载波锁相环提取载波 82 可编辑 2020 3 18 窄带滤波器提取载波情况 设 窄带滤波器为一简单的单调谐回路给定回路的谐振频率 0和品质因素Q t 0时 信号接入回路 输出电压的建立过程 1 83 可编辑 2020 3 18 同步的建立时间和保持时间 当 输出电压 包络为 同步建立 由于 t 0时 信号断开 2 当 输出电压 包络为 同步消失 由于 84 可编辑 2020 3 18 同步的建立时间和保持时间 同步建立时间包含的载波周期数 同步保持时间包含的载波周期数 令 结论 要同时满足建立时间短和保持时间长两项要求 是有困难的 85 可编辑 2020 3 18 同步的建立时间和保持时间 窄带滤波器提取载波锁相环提取载波 86 可编辑 2020 3 18 锁相环提取载波 用锁相环提取载波时 同步建立时间和保持时间由锁相环的特性决定 显然 同步建立时间就是锁相环的捕捉时间 假设二阶环路从进入快速捕捉到锁定所需要的时间为tL 则有 频偏 到达快捕带的时间可近似为 要减少捕捉时间 需要增加 n 增加 n会导致环路噪声性能下降 建立时间短和噪声性能两种指标之间是有矛盾的 87 可编辑 2020 3 18 锁相环提取载波 同步保持时间 指锁相环原已锁定的情况下 由于信号中断 压控振荡器输出信号的相位变化不超过某一允许值 0 2 为一常数 所得的时间 信号中断后 压控振荡器输出端 信号中断时 压控振荡器的频偏 环路滤波器电容放电支路的时间常数 88 可编辑 2020 3 18 锁相环提取载波 n随时间常数的增大而减小 这将使得同步的建立时间增加 保持时间长和建立时间短又是矛盾的 为了部分地克服这个矛盾 同步系统在未进入锁定状态时 可合理选择元件参数 适当减小时间常数 以缩短捕捉时间 一旦系统进入锁定状态 则自动改变元件参数 增大时间常数 以此增加同步保持时间 89 可编辑 2020 3 18 6 2载波同步 90 可编辑 2020 3 18 载波相位误差对解调性能的影响 实际的载波同步系统提取的载波可以同频 但却难以实现同相 总会有一定的相位误差存在 它是稳态相差和相位抖动共同作用的结果 即 相位误差必然影响解调的性能对双边带调幅信号的影响对单边带信号及残余边带信号的影响对调相信号的影响 91 可编辑 2020 3 18 对双边带调幅信号的影响 接收到的双边带信号 载波同步电路提取的载波 相干解调 低通滤波 分析 92 可编辑 2020 3 18 载波相位误差对解调性能的影响 分析 1 解调器输出最大 2 当 在一 四象限内时 解调器的输出随着 的增大而减小 当 4时 cos 0 707 相当于功率信噪比损失了3dB 3 当 接近 2时 信噪比迅速下降 无法进行解调 当 2时 解调器输出为0 4 当 在二 三象限内时 解调器的输出不但随 的增大而减小 而且还会出现反相 这种情况是不允许出现的 93 可编辑 2020 3 18 载