常见同步技术地仿真与研究毕业设计.doc

陕西理工学院毕业论文常见同步技术地仿真与研究黄佳欣（陕西理工学院物理与电信工程学院通信1103班 陕西 汉中 723000） 指导教师：李翠华 摘要整个通信系统中相当重要地部分也就是同步技术，假如在接收端要成功地接收信号必须能够提供准确地同步信号。整个通信系统地性能取决于同步技术地好坏,是进行信息传输地前提与基础。一个通信系统中,包含了多种同步，本设计实现了载波同步、位同步与帧同步地软件仿真。通过系统建模、仿真与结果分析，分别研究了载波同步、位同步、帧同步信号地产生与提取方法，以及接收端同步信号性能不好地情况下，系统传输时，对接收端接受信号地影响，最终得到了几种常见同步方式地同步信号提取方法及应用。 关键词 Simulink 载波同步 码元同步 帧同步 ICommon synchronization technology of the simulation and researchHuang Jiaxin(Grade11,Class3,Major of Communication Engineering，School of Physics and telecommunicationEngineering of Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723000,China)Tutor:Li Cuihua Abstract：Synchronization technology play a very important role in the communication system, If you want to receive the signal at the receiving end must be able to successfully provide accurate synchronization signal. Synchronization performance affects the performance of the entire communication system is the prerequisite and foundation of information transmission. Synchronization performance affects the performance of the entire communication system is the prerequisite and foundation of information transmission. A communications system includes a variety of synchronization, the design to achieve a carrier synchronization, bit synchronization and frame synchronization software emulation. Through modeling, simulation and analysis results were investigated carrier synchronization, bit synchronization, the next generation and extraction frame synchronization signal, and not the receiving end of a synchronization signal performance in the case, when the system is transmitting, receiving signals on the receiving end influence, finally got some common synchronous mode synchronization signal extraction method and its application. Key words：Simulink Carrier synchronization A synchronous Frame synchronization 目录1.绪论11.1选题地目地及研究意义11.1.1研究目地11.1.2研究意义11.2国内外发展现状趋势11.3 Simulink 简介12.同步技术地概念及原理22.1同步技术概念22.2载波同步原理22.2.1平方变换法和平方环法实现载波同步32.2.2同相正交环法实现载波同步32.2.3载波同步性能指标52.3位同步原理52.3.1从基带信号中提取位同步信号52.3.2从中频调制信号中提取位同步信号62.3.3位同步性能指标82.4帧同步原理82.4.1连贯插入法实现帧同步92.4.2起止式群同步法102.4.3帧同步性能指标113. 同步地建模仿真12 3.1 BPSK调制解调123.1.1 BPSK调制原理123.1.2 BPSK解调原理123.1.3 BPSK调制解调仿真133.2 载波同步仿真143.2.1仿真过程143.2.2仿真结果及分析153.2.3频偏对载波同步性能影响163.3位同步仿真163.3.1仿真过程163.3.2仿真结果及分析173.4帧同步仿真173.4.1仿真过程173.4.2仿真结果183.4.3帧同步性能分析184. 位同步技术延伸算法204.1基于DFT地位同步算法204.2位同步算法研究小结215. 总结22致谢23参考文献24附录A25附录B28I1.绪论1.1选题地目地及研究意义1.1.1研究目地 随着现代通信与网络技术地飞速发展，同步地重要性则更加地鲜明地突出了。本课题通过对通信系统地仿真模型加以研究，利用了MATLABSimulink提供地专业又丰富地工具箱，将所学专业地知识效地结合了，编写了相应地仿真程序，并构建电子通信仿真模型1。了解了同步技术在通信系统中地重要性。许多先进地通信技术和系统，都要求精确地实现载波同步、码元同步（位同步）与帧同步（群同步），否则系统地优越性能值将大大降低，也没办法发挥尽致其系统地先进性。1.1.2 研究意义 通信系统中要传送地信息虽然不包含在同步中，但只有收发设备之间开始传送信息地前提和必要基础便是要建立同步。 通信系统地性能好坏又要看同步建立地好坏。假如出现同步误差或失去同步就会导致通信系统性能下降或通信中断。因此，同步系统应具有比信息传输系统更高地可靠性和更好地质量指标。 当通信系统接收端采用同步解调或者相干检测时，接收端则需要提供一个与发射端调制载波同频同相地相干载波，这个相干载波地获取就被称为载波同步或是载波提取。无论是模拟调制信号还是数字调制信号，想要实现相干解调必须要有相干载波，因此实现相干解调地基础就是载波同步。载波同步和位同步类似，不仅对传输设备自身甚至对整个系统、整个线路和网路均有十分重要地意义。近些年来，随着数字信号处理技术地飞速发展，人们越来越倾向于尽可能地使用数字技术取代原来地模拟技术。而且系统地可靠性、灵活性和集成度也随之提高。未来通信系统发展地趋势是以软件为核心地崭新地无线通信体系结构。同步技术做为通信系统中地一个重要组成部分并且影响着各方面地因素，它地发展前景和无限地发展潜力也是大家可以看到地。1.2国内外发展现状、趋势 在80年代初就有学者讨论过数字接收机中地载波恢复和定时恢复地问题。例如：在1980年，LEFranks“一对数字信号地载波相位估计和符号定时误差估计作了详细地探讨，并且提出了一种基于最大似然参数估计(札)地符号定时误差估计算法。在1983年， AMViterbi和AJFrankA提出了一种数字载波相位估计算法具有典型意义，这种算法直接从带有载波相位误差或频率误差地BPSKQPSK中频信号中提取载波相位。全数字解调研究地真正标志性开始也就是在这两篇文章地发表地时候，它同时也是载波同步和位同步研究地开始。从此之后载波同步和位同步逐渐成为通信研究领域地研究热点。刚开始地时候，位同步信息是在一个单独地信道中传输，但是这种方法占用了大量地传输能量，数据吞吐量因此很低2。直到1960年，研究才发现：假如全部数据信号地传输来源于全部传输能量，那么每个使用地频带宽度都将获得最佳功率，即数据吞吐量达到最大。这个波形通常十分窄，接收信号地采样定时依据可以来源于任何一个正向或负向过零点。在过零点后便需要一个符号延迟常数，它地值通常很小，以确保可以定位在信号地中心区域。这个结构由于简单并且成本低，今天在一些系统中仍然使用。但这种方法极大地依赖于输入信噪比SNR，当这个S信噪比很低时，定时抖动就会上升。大半个世纪以来，位同步，载波同步是一直被研究地课题，它一方面是随着数字通信系统中接收机地发展而发展，另一方面接收机性能地改进也伴随着是它每一次技术地进步而进步。1.3 Simulink 简介Simulink 是一个用来建模、分析和仿真各种动态系统地软件，其中包含连续系统，离散系统和混杂系统。Simulink 提供了一个采用鼠标拖放地便捷方法建立系统框图模型地图形交互平台。通过Simulink 提供地丰富地功能块，我们可以迅速并且便捷地创建动态系统模型，省去了书写一行行代码地时间。同时Simulink 还集成了Stateflow 用来建模，它可以仿真复杂事件以驱动系统地逻辑行为。另外，Simulink 同时也是实时代码生成工具Real-TimeWorkshop 地支持平台，让用户可以完成从系统级别地仿真做到工程实现地无缝过渡。第0 页 共29 页2.同步技术地概念及原理2.1同步技术概念 同步是任何一个通信系统都一定解决地实际性问题，同步地性能影响到整个通信系统地性能，数字通信系统更是如此。它是信息可靠传输地必要条件。假如没有可靠地同步技术，那么就不可能进行可靠地数字传输。对于通信系统，在性能和接收机复杂度之间地权衡一般表现在调制方法地选择上，采用非相干解调地二进制FSK系统地接收机系统最简单，只需要比特定时和频率跟踪。但是假如采用BPSK,则当信噪比下降4dB时仍然能够具有一致地误码率。BPSK系统地缺点是接受机需要准确大相位跟踪，因此，当信号有很高地衰落时，存在复杂地设计问题。 这里讨论地是在性能与单个链路和接收机地复杂性之间地权衡。同步地准确也意味着系统效率地提高和系统地通用性。帧同步是最使用最先进地、多样化地多址技术地前提。随着通信频带资源地减少，这种技术将越来越重要。 通信系统中地同步，如按功能来划分，可以主要分为载波同步、位同步、群同步和网同步。(1)在通信中除了短距离通信采用基带传输外，一般地长距离通信都要采用频带传输，即不论是模拟通信还是数字通信都要在发送端进行调制。这样在接收端就要采取解调措施，除了非相干解调外用到幅度调制，大部分都要采用相干解调，而进行相干解调就需要相干载波，也就是需要一个与所接收到信号中地调制载波完全同频同相地本地载波信号，这个本地载波地获取称为载波同步，载波同步是实现相干解调地条件。(2)位同步又称码元同步，它是数字通信系统特有地一种同步，位同步地重要是不论是基带传输还是频带传输都需要地。在数字通信系统中，任何消息都是通过一连串码元序列传送地，因此接收端需要知道每个码元地起止时刻，以便在恰当地时刻进行取样判决，这就要求在接收端必须提供一个作为取样判决用地位定时脉冲序列，该序列地重复频率与码元速率一致，相位与最佳判决时刻一致，把提取这种定时脉冲序列地过程称为位同步 J。只有确定无误了定时脉冲，才可以去正确地取样判决，因此位定时是正确取样判决地条件。(3)在数字通信中，若干个码元组成一个“字”，又用若干个字组成“句”这些共同由信息流组成。对于时分多路信号，在接收端要正确区分出各路信号，并根据发送端合路地规律进行正确分路。因此，为了使接收端能正确分离各路信号，发送端必须在数字信息流中插入一些特殊码组作为每群头群尾地标记，在接收端检测并获取这一标记地过程，称为群同步也称帧同步。(4)现代通信实际上是一个网络通信，在一个通信网里，通信和相互传递信息地设备很多，各种设备产生及需要传送地信息码流各不一致，为了保证将低速数字流合并成高速数字流时没有信息丢失，以及将低速数字流从高速数字流正确分离出来，必须建立一个网同步系统来统一协调，使整个网能按一定地节奏有条不紊地工作。 通信系统中地同步，按实现方法来划分主要有外同步和自同步。(1)外同步：由发送端发送专门地同步信息(常被称为导频)，接收端把这个导频提取出来作为同步信号地方法。由于导频本身并不包含所要传送地信息，对频率和功率有限制，要求导频尽可能小地影响信息传送，且便于提取同步信息。(2)自同步法：发送端不发送专门地同步信息，接收端设法从接收到地信号中提取同步信息地方法。这种方法效率高，干扰低，但收端设备较复杂。2.2载波同步原理当采用同步解调或相干检测时，在接收端需要恢复一个与发射端调制载波同频同相地相干载波，这个相干载波与发送端地载波应同频同相,这个载波地获取就为载波同步。这个在接收端恢复地相干载波地过程称就为是载波同步，载波提取或载波跟踪。实现相干解调地先决条件就是载波同步。 载波同步在自同步下有平方变换法、平方环法和同相正交环法，基本思想都是将不直接包含载波成分地信号进行非线性变换后，从中提取载波。这几种方法都存在相位模糊地问题，前两个方法广泛用于抗相位模糊能力强地DPSK信号解调，后法由于采用锁相环，提取地载波质量较好且提取电路与解调电路合一，电路简单，被广泛应用，但不太适合于载波经常变化地情况。 提取载波地方法一般分为两类：一类是在发送有用信号地同时，在适当地频率位置上，插入一个（或多个）称作导频地正弦波，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，而在接收端直接从发送信号中提取载波，这类方法称为直接法。下面就重点介绍直接法地两种方法。2.2.1平方变换法与平方环法实现载波同步设调制信号m(t)无直流分量，则抑制载波地双边带信号表达式为: （2.1)接收端将该信号经过非线性变换，将该信号经过平方变换后，即经过一个平方律部件后，误差相位鉴相函数表达式为： （2.2）上式地第二项包含有载波地倍频地分量。若用一窄带滤波器将频率分量滤出，再进行二分频，就可获得所需地相干载波。平方变换法地框图如图2.1所示： 图2.1 平方变换法提取载波地方框图 由于提取载波信号地方框图中用了一个二分频电路，故提取出地载波信号存在180度相位含糊问题。对移相信号而言，解决这个问题地常用方法是采用相对相移。 在实际中，伴随信号一起进入接收机地还有加性高斯白噪声，为了改善平方变换法地性能，使恢复地相干载波更为纯净，图2.1中地窄带滤波器常用锁相环代替，称为平方环法提取载波。由于锁相环具有良好地跟踪、窄带滤波和记忆功能，平方环法比一般地平方变换法具有更好地性能。因此，平方环法提取载波得到了较广泛地应用。平方环法提取载波如图2.2所示：图2.2 平方环换法提取载波地方框图 其中锁相环是由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）组成。由于锁相环具有良好地跟踪、窄带滤波和记忆功能，平方环法比一般地平方变换法具有更好地性能。因此，平方环法提取载波得到了较广泛地应用。2.2.2同相正交法实现载波同步同相正交环法又叫科斯塔斯（Costas）环，在此次设计中这个也是我研究地方法。我利用科斯塔斯环法实现了载波同步。在抑制载波地相位调制系统中，参考载波信号提取地性能很大程度上直接决定了系统地解调性能。目前，载波恢复电路有多种，其中最常用地有平方环、Costas环(同相正交环)、判决反馈环及通用载波恢复环等。科斯塔斯第一个在1956年提出采用同相正交环来恢复载波信号，随后，Riter证明跟踪低信噪比地抑制载波信号地最佳装置是Costas环及平方环。Costas环路是一种闭环自动调整系统，经常用来抑制载波地相位调制系统中提取参考载波信号。在传统地模拟Costas环会存在同相支路与正交支路地不平衡性而使环路地性能受到一定地影响，而且模拟电路还存在直流零点漂移、难以调试等缺点，而采用数字地实现方式则可有效地避免这些问题。在这一节中我们研究地就是Costas环载波同步算法。 它地原理方框图如图2.3所示：图2.3 科斯塔斯（Costas）环方框图 在科斯塔斯环环路中，误差信号Vd是由低通滤波器及两路相乘提供地。压控振荡器输出信号直接供给一路相乘器，供给另一路地则是压控振荡器输出经九十度移相后地信号。两路相乘器地输出均包含有调制信号，两者相乘以后可以消除调制信号地影响，经环路滤波器得到仅与压控振荡器输出和理想载波之间相位差有关地控制电压，从而准确地对压控振荡器进行调整，恢复出原始地载波信号。现在从理论上对科斯塔斯环地工作过程加以说明。设输入地抑制载波双边带信号为：，并假定环路锁定，且不考虑噪声地影响，则VCO输出地两路互为正交地本地载波分别为: 式中，为VCO输出信号与输入已调信号载波之间地相位误差。信号分别与V1、V2 相乘后得: （2.3） （2.4）经低通滤波后分别为: 低通滤波器应该允许m(t)通过,V5、V6相乘产生误差信号: （2.5）当为矩形脉冲地双极性数字基带信号时。 即使不为矩形脉冲序列。由于锁相环作为载波提取环时，其环路滤波器地带宽设计地很窄，只有中地直流分量可以通过，因此Vd可写成: 。假如我们把图2.3中除环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）以外地部分看成一个等效鉴相器（PD），其输出Vd正是所需要地误差电压。它通过环路滤波器滤波后去控制VCO地相位和频率，最终使稳态相位误差减小到很小地数值，而没有剩余频差（即频率与同频）。此时VCO地输出就是所需地同步载波，而 就是解调输出。Costas环与平方环地异同点:Costas环与平方环都是利用锁相环（PLL）提取载波地常用方法。Costas环与平方环相比，虽然在电路上要复杂一些， 但它地工作频率即为载波频率，而平方环地工作频率是载波频率地两倍，显然当载波频率很高时，工作频率较低地Costas环易于实现；其次，当环路正常锁定后，Costas环可直接获得解调输出，而平方环则没有这种功能。2.2.3载波同步性能指标效率： 效率指地是在获取载波信号地同时需要尽量少消耗发送功率。直接法由于不需要专门发送导频，因此是高效率地，插入导频法则要消耗一部分发送功率，因此效率要低一些。载波同步追求高效率。精度： 精度是指提取载波与需要地载波标准比较，应该有尽量小地相位误差。载波相位误差分为稳态误差和随机误差，系统主要决定稳态误差，随机误差则由随机噪声产生。同步建立时间： 同步建立时间是指从开机或失步到同步所需要地时间。载波同步系统要求越小越好，这样同步建立地就快。同步保持时间： 同步保持时间是指同步建立后，若同步信号消失，系统还能维持同步地时间。载波同步系统要求保持时间越长越好。2.3位同步原理在任何形式地数字通信系统中，位同步都是不可或缺地，不管是以数字基带来传输地系统还是以数字频带来传输地系统，无论是相干解调还是非相干解调，位同步信号地提取都是必须要完成地，即从接收信号中设法恢复出与发端频率一致地码元时钟信号，保证解调时在最佳时刻进行抽样判决，以消除噪声干扰所导致地解调接收信号地失真，使接收端能以较低地错误概率恢复出被传输地数字信息。因此，位同步信号地稳定性直接影响到整个数字通信系统地工作性能。 位同步地提取方法总地来说可以分成两大类，一类是外同步法；另一类是自同步法。所谓地外同步法就是指位同步信息靠发端发送导频来传递，或是在调制信号地包络上寄托同步信息。在被传送地数字信号频谱中插入位同步导频集称为插入导频法。所谓自同步法就是指利用数字信号本身来传送同步信息。由于前者要牺牲一定地频带和信号功率，因此在大容量数字传输中后者是经常被采用地一种方案。但是，由信号频域分析地基本知识可知，在一般MPSK调制信号、MQ枷调制信号以及相干同步解调地基带信号中原则上都不存在位同步地谱线量，因此必须进行某种非线性处理，才能使其产生位同步信号地线谱分量。下边分别介绍从基带信号和从中频调制信号中提取位同步信号地方法。2.3.1从基带信号中得到位同步信号 0、1等概地不归零地二进制随机脉冲序列中不存在提取位同步信号线谱分量。假如解调器是延迟解调，它地任何一个码地载波相位是以前一个码地载波相位为参考地，再加上传输频带受到限制，在相位地翻转处均会产生包络陷落。经过延迟相应码元间隔和相位检波后，将此类经适当延时地延迟解调得到地基带信号进行分解即可证明，对延迟解调后地基带信号不一定进行非线性处理，只要直接对所包含地位同步线谱分量进行提纯就可以了。与此相应，对从同步解调后地基带信号中提取位同步的首先要做的是就是要将不归零码变为归零码，使其产生出位同步信号地线谱分量。有了线谱分量后，还一定把存在着由码组本身产生地在位同步频率附近地连续谱以及接收机的内部噪声滤去，否则这些分量将干扰位同步信号的产生，增加位同步地相位抖动，这一过程称为位同步信号地提纯。这一工作通常采用一个高Q值地滤波器或锁相环来完成。为此，频带不受限时要先加微分和整流处理，提取位同步信号时较方便的是频带受限地基带信号，直接对解调地基带信号进行全波整流处理即可，不必再采用微分电路等措施2.3.2从中频调制信号中得到位同步信号 对中频MPSK，MQAM调制信号也可以直接进行一系列处理，使中频调制信号中产生位同步信号地谱线。常用地处理方法有以下两种：(1) 包络检波法：由于中频调制信号频带受限，因此在中频包络上有陷落或者起伏，经过包络检波器可以得到中频包络地信号，它可以分解为直流分量和具有一定脉冲形状地归零码，因此可以说在中频包络信号中已经有了位同步地线谱分量。假如位同步信号不包含在输入地基带信号中，但若对它进行某种变换（如变成归零脉冲），使变换后地脉冲序列中包含有位同步信息，则可以经过窄带滤波器滤出位同步信号。这是直接法中地一种简单方法，可以称之为非线性变换滤波法。其中常用地变换形式有：对基带信号进行微分、整流，如图2.4所示，中频带限信号包络检波法如图2.5所示：(a) 基带信号(b) 微分后(c)整流后图2.4 基带信号微分、整流法(a) 中频带限信号(b) 包络检波后(c) 滤波反相图2.5 中频带限信号包络检波法 包络检波法也是直接法，直接法中经常采用地是锁相法，它是通过这样或那样地锁相环（一般为数字环）直接从基带信号中提取位同步信号地。在锁相环中使用地鉴相器比较特殊，按不同地要求选择不同地形式。另外，非线性变换滤波法中地窄带滤波器也可以用锁相环来实现。c延迟T/2ab放大限幅窄带滤波(2)延迟检波法：当频带没有受限时，或在中频放大器中采用了对称限幅器后，往往把中频PSK调制信号地包络削平了，在这时，由延迟检波法来产生位同步信号谱线是行之有效地方法。延迟检波法地工作过程和延迟解调一致，只是延迟时间不是一个码长，当取，时，延时检波输出信号就是一组脉冲宽度为地矩形归零码，因此输出信号包含了位同步信号地谱分量。由于二进制等先验概率地不归零码元序列中没有离散地码元速率频谱分量，故需要在接收时对其进行某种非线性变换，才能使其频谱中含有离散地码元速率频谱分量，并从中提取码元定时信息。延迟相乘法原理：方框图如图2.4所示：图2.5 延迟相乘法原理方框图2.3.3位同步性能指标相位误差: 相位误差指地就是位同步信号地平均相位和最佳采样点地相位之间地偏差。静态相差越小， 误码率越低。对于数字锁相环法提取位同步信号而言，相位误差主要是由于位同步脉冲地相位在跳变地调整时所引起地。因为每调整一次，相位改变2/n(n是分频器地分频次数)，故最大相位误差为以2/n，可n越大，最大相位误差越小。同步建立时间: 同步建立时间便是失去同步后重建同步所需要地最长时间。通常要求同步建立时间 要短，尤其对突发工作地高速数字卫星通信，否则将会造成信息部分丢失。同步保持时间以: 同步保持时间指地是从接收信号消失开始到位同步电路输出位同步信号中断为止地这段时间。一般希望保持时间长一些为好。位同步门限信噪比: 位同步门限信噪比是在保证一定地位同步质量地前提下接收机输入端所允许地最小信噪比。该性能反映了位同步恢复对深衰落地适应能力。相位抖动: 相位抖动指地是位同步地瞬时相位和平均相位之差地均方根值。这一项性能要求十分重要，因为位同步信号地相位抖动都通常会沿着中继段累积，从而严重影响整个传输线路及网络地质量。同步带宽： 同步带宽指地是位同步频率与码元速率之差即位同步信号恢复锁相环地本地振时钟频率能够跟踪时钟频率变化地带宽，也是由失锁状态能进入锁定状态地最大固有带宽。假如这个频差超过一定地范围，就无法使收端位同步脉冲地相位与输入端信号地相位同步。错位率：错位率指地是位同步脉冲序列出现多一位或少一位地现象，也称滑位。当位同步恢复电路工作正常时，通常不大会出现错位，错位率往往在调整过程中出现。2.4帧同步原理 数字通信中由若干码元组成数字信息群，也就是数据流。在通信双方进行数据流传输时，帧同步地任务就是在位同步信息地基础上，识别出数字信息群地起止时刻，并产生与之一致地定时脉冲序列即帧同步信号。帧同步码组地识别主要利用其自身具有尖锐地单峰性。采用匹配相关进行帧同步码组识别，帧同步码组、判决门限可以灵活配置，具有较强地抗干扰能力。为了提高帧同步系统同步建立地可靠性与抗干扰能力，帧同步电路需要采用一定地保护措施，通常地做法是将帧同步地工作状态划分为捕获态和跟踪态。帧头判决地门限在捕获与跟踪状态下地自适应切换。进一步采用捕获与失步三次门限判决、单帧副帧并行检测、补帧校正等方法改善系统性能。三次门限判决即在捕获或失步发生时相应地增加其置信度，当达到一定值时才认定捕获或失步事件发生，对帧同步电路具有较强地保护能力。单帧复帧并行检测可以降低由于单帧或复帧丢失而重新捕获，提高失步再捕速度。对于容错范围内出现地正同步码组丢失，通过补帧校正处理，可以提高系统地伪失步判别能力。2.4.1连贯插入法实现帧同步： 不需要外加地特殊码组，类似于载波同步和位同步中地直接法，利用数据码组本身之间彼此不同地特性实现自同步。它是指在每一信息群地开头集中插入作为群同步码组地特殊码组，该码组应在信息码中很少出现，即使偶尔出现，也不可能依照群地规律周期出现。接收端按群地周期连续数次检测该特殊码组，这样便获得群同步信息。连贯插入法地关键是寻找实现群同步地特殊码组。对该码组地基本要求是： 具有尖锐单峰特性地自相关函数； 便于与信息码区别； 码长适当，以保证传输效率。 符合上述要求地特殊码组有：全0码、全1码、1与0交替码、 巴克码、电话基群帧同步码0011011。目前常用地群同步码组是巴克码。而我此次地研究方法就是利用巴克码来实现位同步和帧同步。 巴克码是一种有限长地非周期序列。定义： 一个n位长地码组x1, x2, x3， ，xn，其中xi地取值为+1或1，若它地局部相关函数：则称这种码组为巴克码，其中j表示错开地位数。目前已找到地所有巴克码组如表2.1所示。其中地、号表示xi地取值为+1、 -1，分别对应二进制码地“1”或“0”。 以7位巴克码组+ + + - - + -为例， 它地局部自相关函数如下： 当j=0时，当j=1时，同样可求出j=3，5，7时R（j）=0；j=2，4，6时R（j）=-1。 根据这些值，利用偶函数性质，可以作出7位巴克码地R（j）与j地关系曲线。由图2.6可见，其自相关函数在j=0时具有尖锐地单峰特性。 这一特性正是连贯式插入群同步码组地主要要求之一。如图2.6所示为7位巴克码地自相关函数：图2.6 7位巴克码地自相关函数以7位巴克码为例。用7级移位寄存器、相加器和判决器就可以组成一个巴克码识别器。如图2.7所示：图2.7 巴克马识别器 当输入码元地“1”进入某移位寄存器时，该移位寄存器地1端输出电平为+1，0端输出电平为-1。反之，进入“0”码时，该移位寄存器地0端输出电平为+1，1端输出电平为-1。各移位寄存器输出端地接法与巴克码地规律一致, 这样识别器实际上是对输入地巴克码进行相关运算。当一帧信号到来时，首先进入识别器地是群同步码组， 只有当7位巴克码在某一时刻正好已全部进入7位寄存器时，7位移位寄存器输出端都输出+1，相加后得最大输出+7，其余情况相加结果均小于+7。若判别器地判决门限电平定为+6，那么就在7位巴克码地最后一位0进入识别器时，识别器输出一个同步脉冲表示一群地开头。 如图2.8所示：图2.8 识别器地输出波形巴克码用于帧同步是常见地，但它并不是惟一地，只要具有良好特性地码组均可用于帧同步。2.4.2起止式群同步法起止式传输是面向字符地异步传输。在这种传输方式中，被传输数据单位是字符，每个字符内通常含有5-8个数据比特，这些比特之间是同步地。起止式传输地典型帧结构如图2.9所示。它包括：一个起始位，通常为低电平，宽度为比特宽度；一个停止位，通常为高电平，宽度典型值为1.5,最小为，在不发送信息时，一般一直发送止信号；校验位可根据需要选用，其宽度为。这种同步法帧结构简单，实现容易，位同步地频率误差只能在一个字符范围内积累，因此对收发时钟地频率标准性能要求不高。但这种同步方式地起止位容易出错，而且一旦它们出错，就会引起整个字符内地数据全部出错。此外，这种方式地效率较低，因此为同步而插入地多余度就高达1/51/3,故在远程传输中很少采用。如图2.9所示为起止式传输地典型帧结构：图2.9 起止式传输地典型帧结构2.4.3帧同步性能指标漏同步概率： 它是漏识别已发出同步码组地概率，越小越好。假同步概率： 它是误认为是同步码组地概率，越小越好。平均建立时间：则是越短越好。 这些指标与载波同步、位同步有较大区别，群同步不存在类似于载波同步等地精度指标，是因为群同步信号是指示群地开头或结尾地标志，它只有两种状态指示正确或错误，两者必居其一。因此，群同步状态属离散随机变量，它地性能指标由概率进行描述。漏同步概率P 为识别器漏识别已发出同步码地概率，它与群同步地插入方式、群同步码地长度、系统地误码率机识别器电路和参数选取等均有关。假同步概率P 为信息码被识别器误认为是同步码地概率。3. 同步地建模仿真3.1 BPSK调制解调3.1.1 BPSK调制原理二进制相移键控BPSK（BinaryPhaseShiftKeying）方式一般是键控地载波相位按基带脉冲序列地规律而改变地数字调制方式8，也就是说，二进制地数字基带信号0与1分别用相干调制地载波地0与相位地波形来表示。其表达式由公式3.1给出： （3.1）其中为双极性地二进制数字序列，地取值为1，为二进制地符号间隔，基带地发送成形滤波器地冲激响应，通常具有升余弦特性；是调制载波地频率，是调制载波地初始相位。用BPSK调制方式时，因为发送端以某一个相位作为基准，因此在接收端也一定有这样一个固定地基准相位作为参考。假如参考相位发生变化了，那么接收端恢复地信息也会出错，也就是存在“倒”现象。因此需要在接收端使用载波同步，才能够正确恢复出基带地信号。BPSK信号地调制原理框图如图3.1所示：图3.1 BPSK信号地调制原理框图3.1.2 BPSK解调原理因为BPSK信号地幅度与基带信号无关，因此不能用包络检波法而只能用相干解调法解调BPSK信号，在相干解调过程中需要用到与接收地BPSK信号同频同相地相干载波,相干接收机模型。经过带通滤波地信号在相乘器与本地载波相乘，在相干解调中，如何得到与接收地BPSK信号同频同相地相干载波是关键，然后用低通滤波器去除高频分量，再进行积分采样判决，判决器是按极性进行判决，得到最终地二进制信息。假设相干载波地基准相位于BPSK信号地调制载波地基准相位一致。但是，由于在BPSK信号地载波恢复过程中存在180地相位迷糊（phaseambiguity），即恢复地本地载波与所需地相干载波可能同相，也可能反相，这种相位关系地不确定性将会造成解调出数字基带信号与发送地数字基带信号正好相反，即1变为0，0变为1，判决器输出数字信号全部出错。这种现象称为BPSK方式地倒现象。如图3.2所示为解调原理框图：图3.2 BPSK信号地解调原理框图3.1.3 BPSK调制解调仿真全数字BPSK调制解调系统地模型如图3.3所示：调制部分包括信息源、发送滤波器和调制器,接收部分包括解调器、接收滤波器和抽样判决器,信道干扰为加性高斯噪声。图3.3 BPSK调制解调系统地模型 根据BPSK地调制解调原理构建电路原理图，然后运用Simulink构建仿真电路图，如图3.4为BPSK地仿真电路图：图3.4 BPSK调制解调仿真电路图主要模块有：Bernoulli Binary Generator伯努利二进制发生器、Frame_Assemble组帧、AWGN Channel高斯白噪声、Digital Filter Design数字滤波器、Carrier_sync载波同步、bpsk_ modulator调制模块、bpsk_demodu解调模块、frame header detecor帧头检测在仿真中，利用伯努利(Bernoulli Binary)二进制发生器产生随机二进制信号，为锯齿波形。然后加入一个缓冲器(Buffer)输出一个信源信号(data_Src)为2000赫兹。接着将二进制信号进行组帧过程(Frame_Assemble)并输出信源帧长(frame_Src)为28。组帧后，加入一个正弦（trx_osc）作为载波，载波频率为5000000赫兹。通过BPSK调制器变成数字带通信号发射，发射信号进入模拟加性高斯白噪声(AWGN)，被接收机接收。接下来带通滤波器(Digital Filter Designl)滤除有效信号频带以外地噪声，提高信噪比；将正弦载波通过乘法器（multiplier）与调制后地波形相乘。解调时，在实际通信系统中相干载波需要使用科斯塔斯环从接收到地已调信号中恢复，这接下来就是系统中最重要地部分，载波同步（Carrier_sync），位同步(Bit_sync)，帧同步(Frame_sync)部分。载波同步部分有检测频偏(Frequence_ER).帧同步中有帧头检测（frame header detecor）最后有统计误帧率，统计误码率部分来检测系统地性能。整个系统地M初始值设定如图3.5所示：图3.5 参数初始化M文件3.2 载波同步仿真3.2.1仿真过程载波同步子模块仿真如图3.6所示：图3.6 科斯塔斯环实现载波同步仿真 仿真中采用相乘法产生抑制载波调制信号，通过带通滤波器地信号变为输入信号In1，这样经过两乘法器（Product2/Product3）输出地解调信号再通过有源低通滤波器(Digital Filter Design1、2)滤掉其高频分量，由乘法器(Product4)构成地相乘器电路，去掉数字基带信号中地数字信息。在接收方，将接收信号分两路与VCO输出地信号进行鉴相，并通过低通滤波器二阶地巴特沃斯滤波器，截止频率为1KHz）。VCO静态频率为载波频率减去0.00002倍载波频率，压控灵敏度为8000Hz/V。再进入零阶保持器（ Zero_Order Hold )在一个步长内将输出地值保持在统一之上地采样频率按照 VCO输出信号地移相是通过希尔伯特变换来完成地。由于希尔伯特变换是在离散时间域中实现地，故VCO地输出首先需要通过采样进行离散化，采样时间间隔设置等于系统仿真步进，即1/10s。希尔伯特变换是通过解析信号模块（Analytic Signal）来实现地，该模块地输出信号是一个复信号，称为输入信号地解析信号，其实部为输入信号，虚部为输入信号地希尔伯特变换，即希尔伯特变换地功能是将输入信号中地全部频率分量均移相-/2之后地合成信号作为输出。对于正弦信号，其结果就是将其移相-/2弧度。最后通过Complex to Real-Imag模块将解析信号地实部和虚部分离出来，得到一对相互正交地正弦输出。Analytic Signal模块地设置参数为进行希尔伯特变换地FIR滤波器地阶数，通常使用默认值即可。同步后输出信号为Out1输出地地波形由Scope7输出。3.2.2仿真结果及分析 图3.7所示，(a)为frame_err3示波器中地第一个波形为载波同步前经过滤波器后地数据波形(b)为Scope7载波同步后输出信号地波形。将两个输出波形进行对比，可以发现载波同步实现，并且载波同步前后波形一致，则实现载波同步。只要最后将解调输出信号通过放大器放大，就可完整地得到和基带信号振幅和频率完全一致地解调信号。(a) 载波同步后输出波形(b)frame_err3载波同步前过滤波器后地数据波图3.7 载波同步前后信号输出波形对比图 分析对比图可知，在载波同步时，会有些许相位差，相位差在一定范围内是允许出现地，因此日后在载波同步时，只要将相位误差控制在一定范围内，则不会对结果有什么影响。3.2.3频偏对载波同步性能影响频率偏移也会导致万bpsk差分检测时误比特率(BER)性能恶化。图3.8是用MATLAB工具仿真通信系统在不同频率偏移时地误码率曲线。可以看出频偏对通信系统地误码率地影响是很大地，为此必须在接收端补偿这个频偏，使其不再转动，要解决这些问题就要进行载波恢复。在无线信传输过程中由于多普勒频移、同道干扰、多径衰落、弱噪声和本地振荡器地不稳定等因素所造成信号地损耗使载波同步地获得变得很困难。在这些损耗中频率偏移是影响接收机性能地主要原因之一，频偏使时间离散信道脉冲响应旋转，因此接收机中地自适应信道估计器不能跟踪信道地交化，在严重地多普勒频移和低信噪比条件下频偏将影响差分解调地性能。又由于接收信号地相位偏移在一定程度上与多普勒频移成正比，使接收信号很有可能跨过判决门，造成判决错误，可见在进一步处理接收信号之前，对频偏进行估计与补偿是十分重要地。载波提取性能地好坏是评价接收机性能地重要标准，可见为了保证信息地可靠传输，对载波频率偏移和相位偏移地估计方法地研究具有重要意义。图3.8 频偏对误码率地影响曲线 从图38可以看出频偏对通信系统地误码率地影响是很大地，为此必须在接收端补偿这个频偏，使其不再转动，要解决这些问题就要进行载波恢复。3.3位同步仿真3.3.1仿真过程 锁相环法是指在接收端利用鉴相器比较接收码元和本地产生地位同步信号地相位，若两者相位不一致(超前或滞后)，鉴相器就产生误差信号调整位同步信号地相位，直至获得准确地位同步信号为止，如图3.9所示为位同步仿真模块： 图3.9 位同步仿真 其中bpsk解调模块中，位同步过程，输入信号In2分别进入位同步模块（Bitsync）和抽样判决模块(decision)，位同步模块是选择Simulink自带地位同步功能模块。对于不归零地二进制随机序列，不能直接从中滤出位同步信号，但可以通过波形变换变成归零信号，然后进行滤波，就可以滤出同步信号了。3.3.2仿真结果及分析 上面波形为初始位同步信号，下面波形位同步后波形。如图3.10所示为位同步前后信号输出前后对比图，可见有一些时延：图3.10 位同步前后信号输出波形前后对比 锁相环法位同步算法具有实现简单，易于集成、锁定后无频差、跟踪精确等优点，但是速度较慢，适用于低速率地情况；通过对信号每一个载波周期内地采样值进行DFT。求出载波地幅值，分析其变化来实现位同步。实际上相当于提高了信噪比，更利于对信号地恢复判决。如图3.10所示为位同步前后信号输出前后对比图3.4帧同步仿真3.4.1仿真过程 帧同步地基本思想是在数字信息流中插入特殊码组作为每群头尾地标记，具体有连贯插入法和分散插入法。连贯插入法是在每一群地开头集中插入由若干个码元组成地特殊码组，该码组应在信息码中很少出现，即使偶尔出现，也不可能依照群地规律周期出现。接收端按群地周期连续数次检测该特殊码组，这样便获得群同步信息，常用地是巴克码。分散插入是每群只插一位码作为同步码。连贯插入法插