第11章同步原理

1、第第11章章 同步原理同步原理 同步是通信系統(tǒng)中的一個(gè)重要的實(shí)際問(wèn)題。同步是通信系統(tǒng)中的一個(gè)重要的實(shí)際問(wèn)題。 當(dāng)采用相干解調(diào)當(dāng)采用相干解調(diào)(同步檢測(cè)同步檢測(cè))、最佳接收時(shí)，接收端需要提供一、最佳接收時(shí)，接收端需要提供一 個(gè)與個(gè)與“發(fā)送端發(fā)送端”調(diào)制載波同頻同相的相干載波。這個(gè)調(diào)制載波同頻同相的相干載波。這個(gè)相干載波相干載波 的獲取就稱(chēng)為載波同步的獲取就稱(chēng)為載波同步。 t t 11.1 引言引言 在數(shù)字通信解調(diào)后判決時(shí)，常需要提供抽樣脈沖信號(hào)。這在數(shù)字通信解調(diào)后判決時(shí)，常需要提供抽樣脈沖信號(hào)。這 個(gè)抽樣脈沖信號(hào)的頻率要等于發(fā)送碼元的速率，這個(gè)抽樣個(gè)抽樣脈沖信號(hào)的頻率要等于發(fā)送碼元的速率，這個(gè)抽樣

2、 脈沖信號(hào)的前沿位置要滿(mǎn)足相應(yīng)的要求。脈沖信號(hào)的前沿位置要滿(mǎn)足相應(yīng)的要求。 普通接收，抽樣脈沖信號(hào)的前沿位置在碼元的中間。普通接收，抽樣脈沖信號(hào)的前沿位置在碼元的中間。 最佳接收，抽樣脈沖信號(hào)的前沿位置在碼元的結(jié)束時(shí)刻。最佳接收，抽樣脈沖信號(hào)的前沿位置在碼元的結(jié)束時(shí)刻。 接收端產(chǎn)生與接收碼元的頻率相同且滿(mǎn)足相位要求的定時(shí)接收端產(chǎn)生與接收碼元的頻率相同且滿(mǎn)足相位要求的定時(shí) 脈沖序列的過(guò)程稱(chēng)為位同步。脈沖序列的過(guò)程稱(chēng)為位同步。 t 幾乎所有的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流都具有一定的幀結(jié)構(gòu)或都有幾乎所有的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流都具有一定的幀結(jié)構(gòu)或都有TDM結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。 數(shù)字流總是用數(shù)字流總是用“字字”、“句句”、“分組分組”組成

3、。在接收這些數(shù)字組成。在接收這些數(shù)字 流時(shí)要知道它們的起止時(shí)刻流時(shí)要知道它們的起止時(shí)刻(起止標(biāo)記起止標(biāo)記)。這些信息都包含在。這些信息都包含在 幀結(jié)構(gòu)的規(guī)定中。幀結(jié)構(gòu)的規(guī)定中。 接收端正確識(shí)別數(shù)據(jù)流中的幀同步碼，建立與發(fā)端相一致的接收端正確識(shí)別數(shù)據(jù)流中的幀同步碼，建立與發(fā)端相一致的 幀定時(shí)序列幀定時(shí)序列(幀同步信號(hào)幀同步信號(hào))，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為幀，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為幀(群群)同步。同步。 所有同步都是使收端要與發(fā)端所有同步都是使收端要與發(fā)端“步調(diào)一致步調(diào)一致”。同步信號(hào)是一種。同步信號(hào)是一種 時(shí)間信息，可以由發(fā)端專(zhuān)門(mén)發(fā)送，也可以不專(zhuān)門(mén)發(fā)送從接收的時(shí)間信息，可以由發(fā)端專(zhuān)門(mén)發(fā)送，也可以不專(zhuān)門(mén)發(fā)送從接收的 信

4、號(hào)中提取。信號(hào)中提取。 同步方式有同步方式有 插入法插入法 直接法直接法 專(zhuān)門(mén)發(fā)送同步信號(hào)專(zhuān)門(mén)發(fā)送同步信號(hào) 不專(zhuān)門(mén)發(fā)送同步信號(hào)不專(zhuān)門(mén)發(fā)送同步信號(hào) 一一.插入導(dǎo)頻法插入導(dǎo)頻法 單導(dǎo)頻插入單導(dǎo)頻插入在在DSB(SSB)這類(lèi)信號(hào)中均可采用這類(lèi)信號(hào)中均可采用 以以DSB為例。為例。 0 f DSBBPF /2 相移相移 BPFLPF /2 相移相移 窄帶窄帶 fc 在載頻位置插入導(dǎo)頻。在載頻位置插入導(dǎo)頻。 正交載波插入，解調(diào)輸出信號(hào)中無(wú)附加直流分量。正交載波插入，解調(diào)輸出信號(hào)中無(wú)附加直流分量?！皵?shù)數(shù)”。 同相載波插入，解調(diào)輸出信號(hào)中有附加直流分量。同相載波插入，解調(diào)輸出信號(hào)中有附加直流分量?！澳Ｄ！?。

5、 fc 11.2 載波同步的方法載波同步的方法 2. 雙導(dǎo)頻插入雙導(dǎo)頻插入 適應(yīng)于在載頻或者是它的附近，信號(hào)頻譜無(wú)顯著幅度的情況。適應(yīng)于在載頻或者是它的附近，信號(hào)頻譜無(wú)顯著幅度的情況。 以以VSB為例。為例。 fcf2f1fcfm f1f2fm 插入的雙導(dǎo)頻為插入的雙導(dǎo)頻為 f1、 、f2 f1 fcfm f1 f2 fc frf2 經(jīng)信道傳輸，到達(dá)接收端的導(dǎo)頻信號(hào)為經(jīng)信道傳輸，到達(dá)接收端的導(dǎo)頻信號(hào)為 P1(t) cos1t+1+t+(t) P2(t) cos2t+2+t+(t) fr P6(t) cosct+c+t+(t) BPF f1 BPF f2 LPF f2f1 BPF fc q分頻分

6、頻 移移 相相 P1(t)P2(t) P3(t) P4(t) P5(t) SVSB(t) +m(t)sinct+c+t+(t) SVSB(t)m(t)cosct+c+t+(t) 載波恢復(fù)電路載波恢復(fù)電路 a 2 殘留邊帶信號(hào)為：殘留邊帶信號(hào)為： P3(t)是是P1(t),P2(t) 兩個(gè)信號(hào)的差頻分量?jī)蓚€(gè)信號(hào)的差頻分量 P3(t) cos(21)t+ 21 1 2 cos2(fr + f2 + fm +f1 )t+ 21 cos2(fr + f2 ) t+ 21 fm +f1 fr + f2 (1+) 1 2 1 2 fm +f1 fr + f2 (1+)q=分頻器的分頻比分頻器的分頻比 P4

7、(t)Acos2(fr + f2 ) t+ q P5(t)是是P2(t),P4(t) 兩個(gè)信號(hào)的差頻分量，即兩個(gè)信號(hào)的差頻分量，即 P5(t) cosct+2+t(t)q a 2 移相器使移相器使P5(t)的相位移動(dòng)的相位移動(dòng)c 2 + q ， ， P6(t) cosct+c+t+(t) a 2 ：往往是通信收發(fā)系統(tǒng)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的多普勒往往是通信收發(fā)系統(tǒng)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的多普勒 頻移。頻移。 二二. 直接法直接法(不發(fā)導(dǎo)頻，發(fā)送效率高不發(fā)導(dǎo)頻，發(fā)送效率高) 1. 平方變換法平方變換法 平方器部件平方器部件 2fc窄帶濾波窄帶濾波 2分頻分頻 接收信號(hào)接收信號(hào)m(t)cos(ct+c

8、)輸入輸入 平方器輸出平方器輸出 m (t) cos (ct+c) m (t) m (t)cos(2ct+2c) 22 1 2 1 2 22 m (t)cos(ct+c) 1 2 2 2分頻器輸出分頻器輸出 2. 平方環(huán)法平方環(huán)法 (用鎖相環(huán)代替用鎖相環(huán)代替2fc窄帶濾波窄帶濾波，使恢復(fù)載波幅度更穩(wěn)定，使恢復(fù)載波幅度更穩(wěn)定)。 恢復(fù)載波輸出恢復(fù)載波輸出 3. 同相正交環(huán)法同相正交環(huán)法(科斯塔斯法科斯塔斯法) v (t)m(t)cos(ct+) v2(t)sin(ct+) v1(t)cos(ct+) v6(t) m(t)sin 1 2 v5(t) m(t)cos 1 2 v7(t) m(t) s

9、in2 m(t) 2 1 8 2 1 4 2 VCO LPF LPF LPF 2 - v (t) v1(t) v2(t) v5(t) v6(t) v7(t) v7(t) 11.3 載波同步系統(tǒng)的性能載波同步系統(tǒng)的性能 載波同步系統(tǒng)的性能要求是：載波同步系統(tǒng)的性能要求是： l 影響精度的兩個(gè)因素是影響精度的兩個(gè)因素是 l 插入法的效率肯定低于直接法。插入法的效率肯定低于直接法。 高效率高效率 高精度高精度 建立時(shí)間短建立時(shí)間短 保持時(shí)間長(zhǎng)保持時(shí)間長(zhǎng) 隨機(jī)相差隨機(jī)相差n。(隨機(jī)相位抖動(dòng)隨機(jī)相位抖動(dòng) 。) 穩(wěn)態(tài)相差穩(wěn)態(tài)相差。 當(dāng)濾波器為普通諧振回路時(shí)當(dāng)濾波器為普通諧振回路時(shí) 2Q/0 當(dāng)濾波器為鎖相

10、環(huán)時(shí)當(dāng)濾波器為鎖相環(huán)時(shí) /Kv n 2 1/2r, 隨機(jī)相差隨機(jī)相差n的方差為的方差為 隨機(jī)相位抖動(dòng)隨機(jī)相位抖動(dòng) n 2 1/2r l 影響建立時(shí)間和保持時(shí)間的是：濾波器的品質(zhì)因素影響建立時(shí)間和保持時(shí)間的是：濾波器的品質(zhì)因素Q。建立。建立 時(shí)間和保持時(shí)間都與時(shí)間和保持時(shí)間都與Q呈正比。一個(gè)時(shí)間要短，另一個(gè)時(shí)間呈正比。一個(gè)時(shí)間要短，另一個(gè)時(shí)間 要長(zhǎng)，要長(zhǎng)，Q的取值只能兼顧，不能太高，也不能太低。的取值只能兼顧，不能太高，也不能太低。 對(duì)于鎖相環(huán)，建立時(shí)間捕捉時(shí)間，保持時(shí)間同步時(shí)間。對(duì)于鎖相環(huán)，建立時(shí)間捕捉時(shí)間，保持時(shí)間同步時(shí)間。 11.4 載波相位誤差對(duì)解調(diào)性能的影響載波相位誤差對(duì)解調(diào)性能的影響

11、 載波相位誤差載波相位誤差 將使解調(diào)輸出信號(hào)幅度下降將使解調(diào)輸出信號(hào)幅度下降 cos倍，信噪比下降倍，信噪比下降 cos 倍。倍。 2 誤碼率的計(jì)算為誤碼率的計(jì)算為 erfc ( cos ) 1 2 11.5.2 直接法直接法 1. 濾波法濾波法 方法一：從收端已獲得的數(shù)字基帶信號(hào)方法一：從收端已獲得的數(shù)字基帶信號(hào)(抽樣判決前抽樣判決前)中，中， 提取位同步信號(hào)。提取位同步信號(hào)。 方法二：從收端已獲得的方法二：從收端已獲得的2PSK信號(hào)中，提取位同步信號(hào)。信號(hào)中，提取位同步信號(hào)。 濾波法是利用濾波法是利用“數(shù)字基帶信號(hào)歸零波形的功率譜包含位同步數(shù)字基帶信號(hào)歸零波形的功率譜包含位同步 分量分量

12、(f fs )”這一特點(diǎn)。這一特點(diǎn)。 11.5 位同步的方法位同步的方法 單極性不歸零數(shù)字基帶信號(hào)，基本波形為單極性不歸零數(shù)字基帶信號(hào)，基本波形為g(t)。 如如g1(t)=g(t), g2(t) =0,且且P=1/2。它的功率譜密度函數(shù)為。它的功率譜密度函數(shù)為 1 4 2 1 4 Ps() = Ts Sa ( f Ts) (f) 22 Ps() = Ts Sa ( ) Sa ( ) (fm fs ) f Ts 2 m1 16 m = 2 單極性歸零數(shù)字基帶信號(hào)，基本波形為單極性歸零數(shù)字基帶信號(hào)，基本波形為g(t)。 如如g1(t)=g(t), g2(t) =0,且且P=1/2。它的功率譜密度

13、函數(shù)為。它的功率譜密度函數(shù)為 Tsfs2fs Ts fs2fs 既然歸零波形功率譜中存在既然歸零波形功率譜中存在 (f fs )分量，可以用濾波的分量，可以用濾波的 方法提取該分量。方法提取該分量。 微分整流微分整流 窄帶濾波窄帶濾波 相位調(diào)整相位調(diào)整 脈沖形成脈沖形成 從接收的基帶信號(hào)中用濾波法提取位同步信號(hào)示意。從接收的基帶信號(hào)中用濾波法提取位同步信號(hào)示意。 12 34 1 2 3 4 Ts 這種方法的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單。 缺點(diǎn)是輸出的位同步信號(hào)穩(wěn)定性差。缺點(diǎn)是輸出的位同步信號(hào)穩(wěn)定性差。 2. 鎖相法鎖相法 微分整流型數(shù)字鎖相法微分整流型數(shù)字鎖相法 同相正交積分型數(shù)字

14、鎖相法同相正交積分型數(shù)字鎖相法 利用數(shù)字鎖相環(huán)產(chǎn)生位同步信號(hào)的基本原理利用數(shù)字鎖相環(huán)產(chǎn)生位同步信號(hào)的基本原理 鑒相器鑒相器 n 次次 分分 頻頻 器器 或門(mén)或門(mén)晶振晶振 整形整形 a b 超超滯滯 p p p p p a b 濾波法提濾波法提 取的位同取的位同 步信號(hào)作步信號(hào)作 參考信號(hào)參考信號(hào) Ts/n c c 與（常關(guān)）與（常關(guān)） 與（常開(kāi)）與（常開(kāi)） 鑒相器鑒相器 n 次次 分分 頻頻 器器 或門(mén)或門(mén) 與與 晶振晶振 整形整形 與與 a b 超超滯滯 p p 濾波法提濾波法提 取的位同取的位同 步信號(hào)作步信號(hào)作 參考信號(hào)參考信號(hào) p p p p b a c c c 11.7 群群(幀幀)

15、同步同步 幀同步信號(hào)的頻率是位同步信號(hào)頻率的幀同步信號(hào)的頻率是位同步信號(hào)頻率的1/N倍。倍。 幀同步信號(hào)的起止時(shí)刻幀同步信號(hào)的起止時(shí)刻(幀標(biāo)記幀標(biāo)記)是幀同步的關(guān)鍵信息。是幀同步的關(guān)鍵信息。 幀同步的方式有幀同步的方式有 插入法插入法 起止式同步法起止式同步法 連貫式插入法連貫式插入法 間隔式插入法間隔式插入法 直接法直接法 起止式：起止式：9.6kb/s， 4.8kb/s， 2.4kb/s64kb/s FDDDDDDS 數(shù)據(jù)封裝格式：數(shù)據(jù)封裝格式： 幀標(biāo)記位幀標(biāo)記位狀態(tài)位狀態(tài)位 連貫式：連貫式：PCM30/32, 偶幀偶幀ST0插入插入*0011011。 間隔式：間隔式：PCM24， 125

16、 s 193bit=2481 F 偶數(shù)幀偶數(shù)幀F(xiàn)0 奇數(shù)幀奇數(shù)幀F(xiàn)1 一、連貫式插入法一、連貫式插入法 在每幀的開(kāi)頭集中插入幀同步碼組。優(yōu)點(diǎn)是同步建立時(shí)間短。在每幀的開(kāi)頭集中插入幀同步碼組。優(yōu)點(diǎn)是同步建立時(shí)間短。 1.幀同步碼組特征幀同步碼組特征 “具有尖銳單峰特性的局部自相關(guān)函數(shù)具有尖銳單峰特性的局部自相關(guān)函數(shù)”。 i =1 nj xi xijR( j ) 最大值最大值 j0 最小值最小值 0j0左移，左移，j0右移。右移。 xi 碼組中第碼組中第 i 位碼元，取值為位碼元，取值為1或或1。 n為碼組中碼元的位數(shù)。為碼組中碼元的位數(shù)。 常見(jiàn)的具有這種特征的碼組有常見(jiàn)的具有這種特征的碼組有巴克

17、巴克(Barker)碼組碼組見(jiàn)見(jiàn)P371。 威拉德威拉德(Willard)碼組。碼組。 巴克碼，一種非周期序列巴克碼，一種非周期序列x1 x2 xn），），xi 1 “1” 1 “0” 它的局部自相關(guān)函數(shù)為它的局部自相關(guān)函數(shù)為 i =1 nj xi xijR( j ) n j0 0或或1 0j門(mén)限值時(shí)輸出幀同步信號(hào)門(mén)限值時(shí)輸出幀同步信號(hào) 相加器輸出相加器輸出b R( j )j j01234567 bmax71133557 P(bmax)01/21/41/81/161/321/641/128 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 幀同步信號(hào)幀同步信號(hào) 發(fā)送比特流發(fā)送比特流 3. 幀同步系統(tǒng)的性能幀同步系統(tǒng)的性能 漏同步概率

18、漏同步概率P1假同步概率假同步概率P2平均建立時(shí)間平均建立時(shí)間 噪聲使幀同步碼組的碼元出錯(cuò)，識(shí)別器漏識(shí)別，這一事件的噪聲使幀同步碼組的碼元出錯(cuò)，識(shí)別器漏識(shí)別，這一事件的 概率稱(chēng)為概率稱(chēng)為漏同步概率漏同步概率P1。 若允許最大出錯(cuò)數(shù)為若允許最大出錯(cuò)數(shù)為m位位,未漏概率為未漏概率為 r = 0 m C n r Pr (1-P) n-r 漏同步概率漏同步概率P1為為 P11 r = 0 m C n r Pr (1-P) n-r m越大越大(門(mén)限值低門(mén)限值低)漏識(shí)別越少，漏識(shí)別越少，P1越小。越小。 假同步概率假同步概率P2 P2 r = 0 m C n r 2n m0，n7， P21/128 m1，n7， P28/128 m越小越小(門(mén)限值高門(mén)限值高)假識(shí)別越少，假識(shí)別越少，P2越小。越小。 m的選取是矛盾的。此問(wèn)題通過(guò)幀同步保護(hù)解決。的選取是矛盾的。此問(wèn)題通過(guò)幀同步保護(hù)