通信第十一PPT课件

.,1,载波同步：在相干接收中，在接收端必须具有一个与发端同频同相的参考载波，这种参考载波的产生技术就是载波同步问题。位同步：为了对接收的码元进行整形，需有一个与发端同频同相的码元时钟，这种码元时钟的产生就是位同步问题，又称码元同步。群同步：在数字通信中一般都要对信号进行分组，如每组组成一帧或每组组成一个字符等。在收端必须知道每个分组的起止时刻，这样才能区分出相邻的各组，这就是群同步的问题。,.,2,11.1载波同步的方法,一、插入导频法要求：为了避免信号与导频的相互干扰，要在信号载波分量为零的位置插入导频；还应避免插入的导频对信号解调有影响，常常采用正交插入导频方式。,插入导频位置示意图,插入正交导频示意图,.,3,1、频域正交插入导频在模拟调制中的DSB、SSB信号在附近信号频谱为0，所以可以直接插入作导频。设调制信号为,且中无直流分量，被调载波为，调制器假设为一相乘器，插入导频是被调载波移相900形成的，为，其中是插入导频的振幅，于是输出信号为,.,4,设收端收到的信号与发端输出信号相同，则收端用一个中心频率为的窄带滤波器就可取得导频，再将它移相/2，就可得到与调制载波同频同相的信号。插入的导频应为正交载波的原因：收端相乘器的输出为框图中低通滤波器的截止频率为fm，v(t)经低通滤波器后，就可以恢复出调制信号m(t)。然而，如果发端加入的导频不是正交载波，而是调制载波，则从收端相乘器的输出可以发现，除了有调制信号外，还有直流分量，这个直流分量将通过低通滤波器对数字信号产生影响。,.,5,2插入双导频上图画出了残留边带信号形成滤波器的传输函数。它使下边带信号绝大部分通过，而使上边带信号小部分残留。由于附近有信号分量，如果直接在处插入导频，该导频必然会受到附近信号的干扰。可以在信号频谱之外插入两个导频和，使它们在接收端经过某些变换后产生所需要的。设两导频与信号频谱两端的间隔分别为和，则，是残留边带形成滤波器传输函数中滚降部分所占带宽的一半；是调制信号的宽。,.,6,设两导频分别为和，其中和是两导频信号的初始相位。如果经信道传输后，使两个导频和已调信号中的载波都产生了频偏和相偏，那么提取出的载波也应该有相同的频偏和相偏，才能达到真正的相干解调。由此可见，两导频信号经相乘器相乘后的输出应为,.,7,滤波器输出差频信号为令，则上式可写为经q次分频后，得式中为分频输出的初始相位，是一个常数。将它与相乘，取差频，再通过中心频率为的窄带滤波器，就可得将上式通过移相电路，消除固定相移，就可获得所需的相干载波。,.,8,由分频次数q的表示式看出，可以通过调整和得到整数的q。增大或,有利于减小信号频谱对导频的干扰，然而，所需信道的频带却要加宽。因此，应根据实际情况正确选择和。插入导频法提取载波要使用窄带滤波器。这个窄带滤波器也可以用锁相环来代替，这是因为锁相环本身就是一个性能良好的窄带滤波器，因而使用锁相环后，载波提取的性能将有改善。,.,9,二、直接法直接法主要研究的是信号中不直接包含载频成分的情况，例如DSB信号、SSB信号，以及“0”、“1”等概率的PSK信号。这些信号虽然本身不包含载波，但对这些信号进行非线性变换后，可以从中设法提取出载波。1平方变换法和平方环法设调制信号中无直流分量，则抑制载波的双边带信号可表示为，对其进行平方变换后得到前面提到中无直流分量，但中却含有直流分量，而表达式第二项中包含频率分量。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载频。,.,10,平方变换法提取载波的方框图若为双极性数字信号，该抑制载波的双边带信号就成为二相移相信号，利用上图同样可提取载波，只不过为解决1800相位含糊问题，通常采用相对移相。,.,11,如果用锁相环代替上中的窄带滤波器，如下图所示，就称为平方环法。由于锁相环具有良好的跟踪、窄带滤波等优点，因此平方环法提取载波应用更为广泛。,平方环法提取载波,.,12,2、同相正交环法同相正交环又称科斯塔斯（costas）环，也是利用锁相环来提取载波，加入两个相乘器的本地信号分别为压控振荡器（VCO）输出信号和它的正交信号。设输入的抑制载波双边带信号为则,.,13,经低通后输出分别为将加于相乘器，得到，式中是压控振荡器输出信号与输入已调信号载波之间的相位误差。当较小时，。上式中V7的大小与相位误差成正比，相当于鉴相器的输出，用V7去调整VCO输出信号的相位，最后使稳态相差减小到很小的数值。此时VCO的输出V1就是所需提取的载波。同相正交环法适用于载波频率较高的场合，但不适合载波经常变化的情况，因为对于任意载频均移相900是非常困难的，同时同相正交环也存在相位模糊问题。,.,14,3、从多相移相信号中提取载波对四相信号提取载波必须要用四次平方变换法和四相科斯塔斯环才能实现。四相信号的解调必须要用四次方变换法，即对接收到的信号四次方，然后滤出成分，再经四分频得到,.,15,另一类方法类似于同相正交法，称为四相科斯塔斯环法，VCO输出即为所需的载波信号。,.,16,11.2载波同步系统的性能,高效率是指获得载波信号而尽量少消耗发送功率。主要是针对外同步法而提出的，外同步需要单独发送导频信号，要占用功率、时间及频带资源，效率低；自同步法无需单独发送导频，效率高。高精度是指提取的载波与标准的载波同频同相，但实际上两者之间可能有误差。精度越高，相差越小。相位误差可分为稳态相差和随机相差两种。稳态相差与提取的电路密切相关，由窄带滤波器的特性决定。随机相差是由于随机噪声的影响而引起的同步信号的相位误差。同步建立时间ts是指从开机或失步到同步所需的时间，ts越小越好。同步保持时间tc是指同步建立后，如果导频信号突然消失，系统还能保持同步的时间，tc越大越好。,.,17,1、稳态相差若用单谐振电路窄带滤波器，则稳态相差和该谐振电路中心频率的准确度及回路的品质因数有关，根据单谐振电路知识，单谐振电路稳态相差为式中为回路中心频率，为与载频之差，可见Q值越高，所引起的稳态相差越大。若用锁相环提取载波时，当锁相环压控振荡器与输入载波信号之间有频率差时，也会引起一稳态相差，即式中为环路直流增益，只要足够大，就可以足够小,.,18,2、随机相差随机相差是由噪声引起的，它随着噪声的起伏不断地变化。把随相相差的均方根即随机相位方差的平方根，称为相位抖动，即式中为信噪比，它与信号功率、滤波器特性或环路等效噪声带宽及输入噪声功率谱密度有关。若已知某窄带滤波器的电压传输函数，噪声为高斯白噪声，其单边功率谱密度为n。，则可求出该滤波器的等效带宽。,.,19,例如，对于由LC元件组成的单回路，其等效噪声带宽为式中f0为窄带滤波器中心频率。经过窄带滤波器后的噪声功率为noBn，在高斯白噪声下，窄带滤波器输出信噪比为代入表达式即可求出随机相差。由上面分析可知，滤波器的Q值越高，随机相差越小，但Q值越高，稳态相差越大，可见用窄带滤波器提取载波时，稳态相差与随机相差对Q值的要求是互相矛盾的，所以在选择参数的时候要折衷考虑。,.,20,3、建立时间和保持时间载波的同步建立时间ts和保持时间tc与所采用的电路密切相关。若用单调谐电路作窄带滤波器提取载波时，根据单调谐电路特性，当时，频率为的高频振荡电流作用于单调谐电路，其输出电压表示式为，曲线如下图，图中起始部分，包络逐渐增大，当增加到KU时，认为同步电压已建立。此时对应的时间为建立时间,.,21,同理，如果在t0时将接入回路的信号断开，则表示回路输出信号保持过程的电压表示式为，此式见曲线图的末尾部分，其包络逐渐衰减，当幅度下降至KU时，认为同步信号已消失。此时对应的保持时间为由表达式可看出，都与k有关，通常取如果用建立时间和保持时间内的载波周期数表示建立时间和保持时间，则有得出结论，Q值增大，ts与tc都增大，但我们希望ts小而tc大，相互矛盾，因此在选择时，Q值只能折衷选取。,.,22,11.3载波相位误差对解调性能的影响,载波提取系统总的相位误差为稳态相差和随机相差两部分相位误差之和，即。DSB和PSK解调情况由于DSB信号和PSK信号形式相似，可采用同一表达式表示收到信号为，提取出的相干载波为，解调时，相乘器的输出经低通滤波器后为，显然，当时，解调幅度最大为，因而当时，信号幅值下降，信噪比将下降倍，以2PSK信号为例，将值代入误码率公式可得误码率为,.,23,然而相位误差对VSB信号和SSB信号不仅引起信噪比下降而且还会引起信号畸变，下面以SSB信号为例，说明畸变是如何产生的。设基带信号，单边带信号取上边带为，则解调后经低通滤波器后，信号为由此可得出结论，上式中的存在，使的幅度下降了，以至于信噪比下降，而第二项是与基带信号正交的项，它使基带信号产生畸变，且值越大，畸变越大。,.,24,11.4位同步方法,实现位同步的方法与载波同步相类似，也分为插入导频法和直接法两类。假设基带信号为随机的二进制不归零码，此信号本身不包含位同步信号，因此为了获得位同步信号就必须在其中插入位同步信号或对其进行某种变换而获取位同步信号。,.,25,一、插入导频法位定时导频必须在基带信号频谱的零点插入，以保证接收端提取导频的纯度，如下图（a）所示。经某种相关编码的基带信号，其频谱第一个零点在处，插入导频就应在处，如下图（b）所示。,.,26,对应于图（b）所示频谱的情况，发送端插入位定时导频为，接收端在解调后设置了窄带滤波器，其作用是提取出位定时导频。位定时导频是在基带加入，它没有相干解调器，故不能采用正交插入。为了避免插入导频对信号取样判决的影响，就必须从信号中消去插入的导频，使进入取样判决器的信号没有插入导频。图中移相、倒相及信号相加电路是采用的位同步反相相消法，这种方法的电路简单方便。需要指出的是框图中插入导频为，图中微分全波整流起到倍频作用，因此提取的位同步信号为。,.,27,插入位定时导频方框图,.,28,插入导频的另一种形式是包络调制法，即让数字信号的包络按位同步信号的某种波形变化。此法主要用于2PSK和2FSK等恒定包络数字调制方式，对已调信号进行附加的幅度调制后，接收端只要进行包络检波，就可以生成位同步信号。,包络调制法原理图,.,29,设2PSK信号表达式为现在用某种波形的位同步信号对进行幅度调制如框图（a）所示，若这种波形为升余弦波形，表达为式中，T为码元宽度，幅度调制后的信号为由接收端对进行包络检波如框图（b）所示。然后滤去直流分量后可得到位同步信号为。位同步也可采用时域插入法，即在基带信号中断续传送同步信息，在接收端用锁相环提取同步信号并保持它，实现位同步。,.,30,二、直接法为了提高发送信号功率效率，一般不专门发送导频，而直接从数字信号中获取位同步信号。其基本方法有滤波法，包络陷落法和锁相提取法等。1、滤波法对于不归零的随机二进制序列，不能直接从其中滤出位同步信号。但若对该信号进行某种变换，例如，变成归零脉冲后，则该序列中就有的位同步信号分量，经一个窄带滤波器，可滤出此信号分量，再将它通过一移相器调整相位后，就可以形成位同步脉冲。,.,31,滤波法原理图上图中的波形变换是由微分、全波整流两个过程组成的，缺一不可。其输出波形如下图所示，微分的作用是将不归零信号变换为归零信号，全波整流作用是将双极性随机序列变为单极性随机序列。若不进行整流则正、负脉冲相等，在处谱线为零，无法获取同步信息。,.,32,2、包络陷落法包络陷落法用于PSK等信号的接收。因为PSK信号带宽为当接收端带通滤波器带宽时，在相邻码元信号相位有突变点附近将会产生幅度平滑的“陷落”。频带受限的PSK信号如下图（a）所示，经包络检波后，可得图（b）所示波形，可以看出，它是一直流和图（c）所示波形相减而成。因此，包络检波后波形中含有图（c）所示波形，且这个波形含有位同步分量，经滤波器后可提取出位同步信号。,.,33,3、锁相法锁相法实现位同步的原理与其实现载波同步的原理相似，它用锁相环代替上述滤波法中的窄带滤波器，从而提取位同步信号。,数字锁相原理方框图,.,34,数字锁相由高稳定度振荡器(晶振)、分频器、相位比较器和控制器组成。其中，控制器包括图中的扣除门、附加门和“或”门。高稳定度振荡器产生的信号经整形电路变成周期性脉冲，然后经控制器再送入分频器，输出位同步脉冲序列。若接收码元的速率为F(波特)，则要求位同步脉冲的重复速率也为F(赫)。这里，晶振的振荡频率设计在nF(赫)，由晶振输出经整形得到重复频率为nF(赫)的窄脉冲，经扣除门、或门并n次分频后，可得重复频率为F(赫)的位同步信号。如果接收端晶振输出经n次分频后，不能准确地和收到的码元同频同相，这时就要根据相位比较器输出的误差信号，通过控制器对分频器进行调整。,.,35,调整的原理是当分频器输出的位同步脉冲超前于接收码元的相位时，相位比较器送出一超前脉冲，加到扣除门(常开)的禁止端，扣除一个a路脉冲，这样，分频器输出脉冲的相位就推后1/n周期(3600/n)；若分频器输出的位同步脉冲相位滞后于接收码元的相位，晶振的输出整形后除a路脉冲加于扣除门外，同时还有与路a相位相差1800的b路脉冲序列加于附加门。附加门在不调整时是封闭的，对分频器的工作不起作用。当位同步脉冲相位滞后时，相位比较器送出一滞后脉冲，加于附加门，使b路输出的一个脉冲通过“或门”，插入在原a路脉冲之间，使分频器的输入端添加了一个脉冲。于是，分频器的输出相位就提前1/n周期。经这样的反复调整相位，即实现了位同步。,.,36,位同步脉冲的相位调整,.,37,4、锁相法抗干扰性能的改善在锁相法电路中，如果由于干扰的影响，使鉴相器送出超前或滞后脉冲，根据以前进述的工作原理，锁相环立即进行调整。若干扰时常存在，则锁相环常常进行不必要的来回调整，这会使提取的位同步信号相位产生抖动。为了克服这个缺点，依照模拟锁相环中鉴相器后加有环路滤波器的方法，在数字锁相环的鉴相器后加一个数字式滤波器。,.,38,（a）N先于M滤波器,（b）随机徘徊式滤波器,.,39,由于以上两种电路插在相位比较器后面，则相位比较器输出的超前或滞后脉冲不能直接加到扣除门和附加门，从而不能马上进行相位调整，例如图（a）中NM2N，设N=3，M=4，若是数字锁相原理方框图中n次分频器输出的位同步信号的确是超前（或滞后）了，则相位比较器会连续输出超前（或滞后）脉冲，因为N设为3，相位比较器连续输出三个超前（或滞后）脉冲，使框图中的上面（或下面）的N计数器计满N，计数器则输出超前（或滞后）脉冲到扣除门（或附加）进行调节，使位同步相位趋于正常。如果是干扰影响相位比较器的工作，相位比较器作出错误判决，送出超前或滞后脉冲，由于干扰是随机的，它作用于相位比较器常常使相位比较器有时超前，有时滞后，很少出现连续三次超前或连续三次滞后情况。,.,40,在框图中M计数器输入接有或门，因此它对相位比较器输出的超前脉冲和滞后脉冲均计数，虽然M=4，但只要是超前和滞后脉冲有交替出现的情况，则M首先计满，M计满后使两个N计数器均复位，所以两个N计数器不会计满，因此它们不会有信号输出，这样同步调节电路不工作，保持原来的相位，从而克服了干扰的影响。图（b）的工作原理与（a）相似，当位同步信号相位正常时，使可逆计数器停在N，如N=3，只有当连续三个超前脉冲或连续三个滞后脉冲送入时可逆计数器才计为6或0，这时图（b）电路才有超前或滞后脉冲输出。如果干扰影响相位比较器，它输出的超前或滞后脉冲交替出现，因此可逆计数器围绕着3左右徘徊，它既不计满也不减到0，故没有脉冲输出，调节电路不会进行相位调节。,.,41,数字滤波电路的确提高了锁相环抗干扰能力，但是它增加了锁相环的惰性，使得锁相环调整的速率下降，例如N=3，则调整速度下降3倍。要提高抗干扰能力则希望N大，但要使调整速度快则希望N小，所以选择N时要两者兼顾。当然，还可设计性能更好的电路以缓和两者之间的矛盾。,.,42,11.5群同步,两类方法；一类是在数字信息流中插入一些特殊码组作为每群的头尾标记；另一类方法不需要外加的特殊码组，它类似于载波同步相位同步中的直接法，利用数据码组本身之间彼此不同特性来实现自同步。插入特殊码组实现群同步的方法有两种，即连贯式插入法和分散式插入法。在介绍这两种方法以前，先简单介绍一种起止式群同步法。,.,43,1、起止式同步法又称异步传输，数据通信中被传输的单位是字符，每个字符由58位码元组成，每个字符前面加一位起始位，用“0”代表，在字符后面加一位或15位或2位停止位用“1”代表。在不发信号时，一直发送停止位。例如，在电传机发送的电传报中一个字由7.5个码元组成，如下图所示。一个码元是起始位，中间5个码元是消息，末尾是1.5码元宽度的停止位。,.,44,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，就实现了群同步。由于这种同步方式中的止脉冲宽度与码元宽度不一致，会给同步数字传输带来不便。另外，在这种同步方式中，7.5个码元中只有5个码元用于传递消息，效率较低，所以一般用于低速传输方式中。2、连贯式插入法选择一些特殊的码组集中地插入到一帧的开头和结尾，以便收端很容易识别帧的开头和结尾，这种方法称连贯式插入法提取群同步信号。作群同步码组用的特殊码组首先应该具有尖锐单峰特性的局部自相关函数。对同步码组的另一个要求是识别器应该尽量简单。目前，一种常用的群同步码组是巴克码。,.,45,巴克码是一种非周期序列。一个n位的巴克码组为x1,x2,x3,xn，其中xi取值为+1或-1，它的局部相关函数为目前已找到的所有巴克码组如下表所列。,.,46,以七位巴克码组1,1,1,-1,-1,1,-1为例，求出它的自相关函数如下当j=0时，当j=1时，同理，可求出j=2,3,4,5,6,7时的R(j)值分别为-1,0,-1,0,-1,0；另外，再求出j为负值时的自相关函数值，两者一起画在下图中。可见，其自相关函数在j0时出现尖锐的单峰。,.,47,巴克码识别器是比较容易实现的，以七位巴克码为例，用7级移位寄存器、相加器和判决器就可以组成一识别器，如下图所示。当输入数据“1”存入移位寄存器时，“1”端的输出电平为+1，“0”端的输出电平为-1；反之，存入数据“0”时，“0”端的输出电平为+1，“1”端的电平为-1。各移位寄存器输出端的接法和巴克码的规律一致，识别器实际上是对输入的巴克码进行相关运算。,.,48,巴克码用于群同步是常见的，但群同步码并不是唯一的，只要是便于识别的码组均可用于群同步，例如，PCM30/32系统就是采用连贯插入隔帧传送群同步，同步码为0011011，其帧结构如下图所示。,PCM30/32群同步帧结构,.,49,3、分散式插入法（1）分散插入原理连贯插入法插入的同步码是一个码组，要使同步可靠，同步码组要有一定的长度，使传输效率低。分散插入则是每帧只插一位码作为同步码，例如，某PCM-24设备每帧有824=192个信息码元，在其后插一位群同步码。群同步码一帧插“1”码，下一个帧插“0”码，如此交替插入。由于每帧只插一位码，那么它与信码混淆的概率为1/2，这样似乎无法识别同步码，但是这种插入方式在同步捕获时不是检测一帧两帧，而是连续检测数十帧，每帧都符合“1”、“0”交替的规律才确认同步，如检测10帧都正确，误同步概率则为，误同步概率很小。分散插入每帧的传输效率较高，但是同步捕获时间较长，较适合于连续发送信号的通信系统，若是断续发送信号，每次捕获