《通信原理》第六版课件 第13章

1通信原理2通信原理第13同步原理3第13章同步原理13.1概述数字通信系统中的同步种类：载波同步、码元同步、群同步和网同步。载波同步：又称载波恢复。目的：在接收设备中产生一个和接收信号的载波同频、同相的本地振荡，用于相干解调。方法：接收信号中有载频分量时：需要调整其相位。接收信号中无载频分量时：需从信号中提取载波，或插入辅助同步信息。4第13章同步原理码元同步：又称时钟同步或时钟恢复。对于二进制信号，又称位同步。目的：得知每个接收码元准确的起止时刻，以便决定积分和判决时刻。方法：从接收信号中获取同步信息，由其产生一时钟脉冲序列，使后者和接收码元起止时刻保持正确关系。或插入辅助同步信息。群同步：又称帧同步。目的：将接收码元正确分组。方法：通常需要在发送信号中周期性地插入一个同步码元，标示出分组位置。网同步：使通信网中各站点时钟之间保持同步。5第13章同步原理13.2载波同步13.2.1有辅助导频时的载频提取用于不包含载频分量的信号。在发送信号中另外加入一个或几个导频信号。多采用锁相环（PLL）提取载波。锁相环原理方框图：环路滤波器压控振荡器输出导频输入信号图13-1锁相环原理方框图鉴相器6第13章同步原理对环路滤波器的要求：通带越窄，能够通过的噪声越少，但是对导频相位漂移的限制越大。数字化接收机中锁相环的实现方法：窄带滤波器：改用数字滤波器压控振荡器：用只读存储器代替鉴相器：可以是一组匹配滤波器7第13章同步原理13.2.2无辅助导频时的载波提取平方环：以2PSK信号为例进行讨论。设信号式中，m(t)=1当m(t)取+1和-1的概率相等时，此信号的频谱中无角频率c的离散分量。将上式平方，得到由上式可见，其中包含2倍载频的频率分量。将此2倍频分量用窄带滤波器滤出后再作2分频，即可得出所需载频。方框图如下：)cos()()(ttmtsc)](2cos1[21)(cos)()(222tttmtscc图13-2平方环原理方框图载频输出带通滤波平方压控振荡环路滤波锁相环s(t)2分频窄带滤波8第13章同步原理此方案的缺点：1、相位含糊性：2分频器的输出电压有相差180的两种可能相位，即其输出电压的相位决定于分频器的随机初始状态。采用2DPSK体制可以避免此缺点的影响。2、错误锁定：平方后的接收电压中有可能存在其他的离散频率分量，使锁相环锁定在错误的频率上。解决这个问题的办法是降低环路滤波器的带宽。9第13章同步原理科斯塔斯环法：又称同相正交环法或边环法。原理方框图：图13-3科斯塔斯环法原理方框图90相移环路滤波压控振荡s(t)载频输出低通低通解调输出abcdefg10第13章同步原理工作原理a点的压控振荡电压为：b点的压控振荡电压为：c点的电压：d点的电压：e点的电压：f点的电压：g点的电压：上式中的(-)是压控振荡电压和接收载波相位之差。)cos(tvca)sin(tvcb)2cos()cos()(21)cos()cos()(ttmtttmvcccc)2sin()sin()(21)sin()cos()(ttmtttmvcccd)cos()(21tmve)sin()(21tmvf)(2sin)(812tmvvvfeg11第13章同步原理将m(t)=1代入上式，并考虑到当(-)很小时，sin(-)(-)，则上式变为电压vg通过环路滤波器，控制压控振荡器的振荡频率。这个电压控制压控振荡器的输出电压相位，使(-)尽可能地小。当＝时，vg=0。压控振荡器的输出电压va就是科斯塔斯环提取出的载波。)(2sin)(812tmvvvfeg)(41gv12第13章同步原理由上式可见，当(-)很小时，除了差一个常数因子外，电压ve就近似等于解调输出电压m(t)。所以科斯塔斯环本身就同时兼有提取相干载波和相干解调的功能。优缺点：1、不需要对接收信号作平方运算，工作频率较低。2、为了得到科斯塔斯环法在理论上给出的性能，要求两路低通滤波器的性能完全相同。3、由锁相环原理可知，锁相环在(-)值接近0的稳定点有两个，在(-)等于0和处。所以，科斯塔斯环法提取出的载频也存在相位含糊性。)cos()(21tmve13第13章同步原理再调制器－第3种提取相干载波的方法原理方框图载频输出90相移环路滤波压控振荡低通s(t)abcdefg14第13章同步原理工作原理接收信号和a点振荡电压相乘后得到的c点电压它经过低通滤波后，在d点的电压为vd实际上就是解调电压，它受b点的振荡电压在相乘器中再调制后，得出的e点电压等于上式的ve和信号s(t)再次相乘，得到在f点的电压)2cos()cos()(21)cos()cos()(ttmtttmvcccc)cos()(21tmvd)2sin()sin()(41)sin()cos()(21tttmttmvccce15第13章同步原理vf经过窄带低通滤波后，得到压控振荡器的控制电压将上式的控制电压和科斯塔斯环的控制电压式比较可见，这两个方案中的压控振荡器的控制电压相同。)(2sin)(2sin)(2sin)(81)2sin()cos()sin()cos()(41)2sin()sin()cos()(41222tttmtttttmttttmvcccccccccf)(2sin)(812tmvg16第13章同步原理多进制信号的载频恢复例：QPSK信号提取载频的科斯塔斯环法原理方框图s(t)45移相低通压控振荡环路滤波低通解调输出90移相135移相低通低通17第13章同步原理13.2.3载波同步的性能相位误差相位误差的种类恒定误差：由电路参量引起的随机误差：由噪声引起的恒定误差分析：当提取载波电路中存在窄带滤波器时，若其中心频率fq和载波频率f0不相等，存在频率偏差f，则载波通过它时会有附加相移。设此窄带滤波器由一个单谐振电路组成，则由其引起的附加相移等于由上式可见，电路的Q值越大，附加相移也成比例地增大。qffQ218第13章同步原理当提取载频的电路中采用锁相环时，若锁相环工作在稳态，压控振荡电压的频率f0应当和信号载频fc相同，并且其相位误差应当很小。设锁相环压控振荡电压的稳态相位误差为，则有式中，f是fc和f0之差，而Kd为锁相环路直流增益。为了减小误差，由上式可见，应当尽量增大环路的增益Kd。dKf19第13章同步原理随机误差分析设这种相位误差为n，它是由窄带高斯噪声引起的，所以是一个随机量。当大信噪比时，此随机相位误差n的概率密度函数近似为所以，在n=0附近，对于大的r，f(n)可以写为我们知道，均值为0的正态分布的概率密度函数表示式为rerfnrnnn5.2cos1,cos)(2sin1cos5.2,0)(nnrf2)(nrnerf20第13章同步原理参照上式正态分布概率密度的形式，f(n)的公式可以改写为故此随机相位误差n的方差与信号噪声功率比r的关系为所以，当大信噪比时，由窄带高斯噪声引起的随机相位误差的方差大小直接和信噪比成反比。我们常将此随机相位误差n的标准偏差称为相位抖动，并记为。22221)(xexfrnnerf21222121)(rn21221第13章同步原理在提取载频电路中的窄带滤波器对于信噪比有直接的影响。对于给定的噪声功率谱密度，窄带滤波器的通频带越窄，使通过的噪声功率越小，信噪比就越大，这样随机相位误差越小。另一方面，通频带越窄，要求滤波器的Q值越大，则恒定相位误差越大。所以，恒定相位误差和随机相位误差对于Q值的要求是矛盾的。22第13章同步原理同步建立时间和保持时间同步建立时间：从开始接收到信号（或从系统失步状态）到提取出稳定的载频所需要的时间。显然我们要求此时间越短越好。在同步建立时间内，由于相干载频的相位还没有调整稳定，所以不能正确接收码元。同步保持时间：从开始失去信号到失去载频同步的时间。显然希望此时间越长越好。长的同步保持时间有可能使信号短暂丢失时，或接收断续信号时，不需要重新建立同步，保持连续提供稳定的本地载频。23第13章同步原理同步建立时间和保持时间的关系在同步电路中的低通滤波器和环路滤波器都是通频带很窄的电路。一个滤波器的通频带越窄，其惰性越大。当在其输入端加入一个正弦振荡时，它输出端振荡的建立时间越长；当输入振荡截止时，输出端振荡的保持时间也越长。显然，这个特性和我们对于同步性能的要求是相左的，即建立时间短和保持时间长是互相矛盾的要求。在设计同步系统时只能折中处理。24第13章同步原理载波同步误差对解调信号的影响载波同步的相位误差：包括两部分恒定误差和随机误差（相位抖动），现在将其写为：＝＋相位误差对于2PSK信号误码率的影响：由科斯塔斯环的输出电压可知，其中(-)为相位误差，ve即解调输出电压，而cos(-)就是由于相位误差引起的解调信号电压下降。因此信号噪声功率比r下降至cos2(-)倍。将它代入误码率公式，得到相位误差为(-)时的误码率等于式中，r为信号噪声功率比。)cos()(21tmve)cos(21rerfcPe25第13章同步原理相位误差对于单边带信号的影响设有一单频基带信号它对载波cosct进行单边带调制后，取出上边带信号传输到接收端。若接收端的本地相干载波有相位误差，则两者相乘后得到经过低通滤波器滤出的低频分量为其中第1项是原调制基带信号，但是受到因子cos的衰减；第2项是和第1项正交的项，它使接收信号产生失真。ttmcos)(ttsc)cos(21)()]cos()2[cos(41)cos()cos(21tttttcccsinsin41coscos41)cos(41ttt26第13章同步原理13.3码元同步码元同步目的：准确的时刻对接收码元进行判决，以及对接收码元能量正确积分。码元同步方法：从接收码元的起止时刻产生一个码元同步脉冲序列，或称定时脉冲序列。码元同步方法分类：外同步法：它是一种利用辅助信息同步的方法，需要在信号中另外加入包含码元定时信息的导频或数据序列。自同步法，它不需要辅助同步信息，直接从信息码元中提取出码元定时信息。显然，这种方法要求在信息码元序列中含有码元定时信息。27第13章同步原理13.3.1外同步法常用的外同步法：于发送信号中插入频率为码元速率（1/T）或码元速率的倍数的同步信号。在接收端利用一个窄带滤波器，将其分离出来，并形成码元定时脉冲。优缺点：优点是设备较简单；缺点是需要占用一定的频带宽带和发送功率。插入码元同步信号的方法时域：连续插入增加“同步头”频域：在信息码元频谱之外占用一段频谱用于传输同步信息利用信息码元频谱中的“空隙”处，插入同步信息外同步法目前采用不多。28第13章同步原理13.3.2自同步法自同步法分类：开环同步法：由于二进制等先验概率的不归零码元序列中没有离散的码元速率频谱分量，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的码元速率频谱分量，并从中提取码元定时信息。闭环同步法：用比较本地时钟周期和输入信号码元周期的方法，将本地时钟锁定在输入信号上。29第13章同步原理开环码元同步法延迟相乘法原理方框图相乘器输入和输出的波形：延迟相乘后码元波形的后一半永远是正值；而前一半则当输入状