哈工程考研通信原理课件

1第七章同步原理引言载波同步的方法载波同步系统的性能载波相位误差对解调性能的影响位同步方法位同步系统的性能及其相位误差对性能的影响群同步本章小结思考题与作业2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。37.1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41、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cfcf)(tm)(tmsin()ccatsin()ccatca)cos()sin()()(tattmatucccco5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π/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。cfsin()ccat)sin(tc20()()sin()sinsincos()()cos2sin2222cccccccccccvtuttamttattaaamtmttt62．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。cfcf1f2fcf1f2f1122,cmcrffffffffrfmf7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)cos(11t)cos(22t12)(t)(t1122cos[()()]cos[()()]tttttt8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。212121211221211cos[()]cos[2()]221cos[2()(1)]2rmmrrtfffftfffftffqffrffm211212122111cos[()]cos[2()]22rtffqt2cos[2()]rqafftq)]()(cos[22ttttrf])()(cos[212qctttta)]([2qc)]()(cos[21ttttacc9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。1f2f1f2f1f2f10二、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。)(tm()()coscstmttttmtmttmtecco2cos)(212)(cos)()(2222)(tm2()mt)(teo2c2cc11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。)(tmttec2cos2121)(012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。2cf平方环法提取载波132、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tccostcsinttmccos)(341()coscos()coscos221()cossin()sinsin22ccccccVmtttmttVmtttmtt14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θ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。561()cos21()sin2VmtVmt65VV和7V2sin)(812657tmVVV)(4127tmV153、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4cfcf16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。177.3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。181、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02Q0c0vkvkvk192、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。212n20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。QfBon2nosnBnp213、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0t0teUtutQ0cos)1()(20kQts11ln2022同理，如果在t＝0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。tUetutQ0cos)(20kQtc1ln20cstt与10.318kecsNN与001ln0.1411ln0.318scQNtfQkQNtfQk237.4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ttmtsccos)()()cos()(ttscccos)(21)(tmtx01cos1/2()mt01cos2cos)cos(21oenEerfcp24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。ttmcos)(tc)cos(2111cos()cos()[cos(2)cos()24ccctttttsinsin41coscos41)cos(41)(ttttxcostcos257.5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