通信原理教程7

1第七章同步7.1概述同步需要解决的问题：载波同步位同步群同步网同步解决同步问题的代价:27.2载波同步方法7.2.1插入导频法例：2PSK信号。在发送端：插入正交导频m(t)频谱中的最高频率为fmf0–fmf0+fm0f0f导频tAttAmts000cossin)()(3在接收端：用窄带滤波器滤出导频分量，并将其移相/2，变成sin0t，然后用它和接收信号相乘。设接收信号仍用s0(t)表示，则此乘积为滤除20频率分量，就可以恢复出原调制信号m(t)。若不用正交导频，接收端输出将增加直流分量。tAttmAtmAttAttAmtts000002002sin22cos)(2)(2sincossin)(sin)(4原理方框图相乘电路带通滤波相加电路/2相移载波产生(a)发送端原理方框图带通滤波相乘电路低通滤波/2相移窄带滤波(b)接收端原理方框图图7.2.2插入导频法原理方框图57.2.2直接提取法平方法原理对于没有载波分量的信号，例如2PSK信号，设接收信号为s(t)：式中，m(t)为调制信号，它无直流分量。将此接收信号平方后，得到用窄带滤波器将上式中2f0分量滤出，经过二分频，就得出载频f0的分量。原理方框图如下：ttmts0cos)()(ttmtmttmts02202222cos)(21)(21cos)()(S(t)S2(t)窄带滤波二分频平方f02f06存在问题：二分频电路的初始状态是随机的，使分频输出的初始相位有两种可能状态：0和,即相位是模糊的用锁相环代替窄带滤波器的方案原理方框图优点：输出信号具有更好的稳定性，并且不必须有连续的输入信号。平方二分频压控振荡相乘环路滤波2f0S(t)S2(t)f0锁相环7科斯塔斯环法－同相正交环法原理方框图原理设：接收信号仍为抑制载波的双边带信号s(t)，本地载波电压为式中，为信号和本地载波的相位差。bes(t)c/2移相相乘压控振荡环路滤波低通相乘低通相乘adfg解调输出)cos(0tva)sin(0tvb8输入信号s(t)和本地载波相乘后得到经过低通滤波后，它们分别为：和上面这两个电压再相乘后得到上式中，是本地载波相位与接收信号载波相位之差。vg经过环路滤波器后加到压控振荡器上，控制其振荡频率。当=0时，vg=0，这时振荡器的控制电压也等于0。)]2cos()[cos(21)cos(cos)(000ttmtttmvc)]2sin()[sin(21)sin(cos)(000ttmtttmvdcos)(21tmvesin)(21tmvf2sin)(812tmvvvfeg9结论：此压控振荡器的输出电压va就是从接收信号中提取的载波，可以用来进行相干接收。e点电压ve就是解调输出电压，因为它近似等于m(t)/2。优缺点：不需要用平方电路，它在频率很高时较难实现。若要求得到最佳性能，则需要两路低通滤波器的性能完全一致，这对于模拟电路来说较难做到，但是若用数字电路则不难做到。仍存在相位模糊问题。10从多进制信号中提取载频以QPSK信号为例，说明平方法的原理。设：一个QPSK信号的表示式为式中，对其平方后，得到对于先验等概率的QPSK信号，上式中的“”号表示其中的20分量的平均功率等于零，即其频谱中没有20的分量。因此，需要滤除其中的直流分量后，再次平方，得到上式中含有4f0的分量。将它滤出并4分频，即可得到载频f0分量。ttmttmts0201sin)(cos)()(1)(;1)(21tmtmtts022sin1)(ttts00244cos2121)2(sin)(11QPSK信号提取载频的科斯塔斯环原理方框图s(t)相乘/4移相低通相乘相乘压控振荡环路滤波低通解调输出相乘/2移相相乘3/4移相低通低通127.2.3载波同步性能载波同步精确度：两种相位误差：1.由电路参量引起的恒定误差；2.由噪声引起的随机误差。恒定误差由滤波器引起的误差设：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由锁相环引起的误差设锁相环的稳态相位误差为，则有式中，f－fq和f0之差，Kq－锁相环路直流增益。qffQ2qKf13随机误差：噪声引起的相位误差n是随机量在加性高斯噪声信道中，n的方差与信噪比r的关系为：式中，－相位抖动；r－信号噪声功率比。恒定误差和随机误差对于Q值的要求是矛盾的。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－越短越好。同步保持时间－从开始失去信号到失去载频同步的时间－越长越好。两者是矛盾的。rn212214载波同步误差对2PSK信号误码率的影响相位误差包括两部分：＝＋式中，－恒定误差－随机误差∵解调输出为式中cos引起信号电压下降，∴信号噪声功率比r下降为cos2倍。因此，误码率下降为式中，r为信号噪声功率比。cos)(21tmvecos21rerfcPe15载波同步误差引起的信号波形失真例如，会使单边带信号产生失真。设有一单频基带信号：用它对载波cos0t进行单边带调制后，取出上边带信号：若接收端的本地载波有相位误差，则两者相乘后得到经过低通滤波器滤出的低频分量为上式中，第1项的因子cos使原调制基带信号受到衰减；第2项和第1项正交，它使接收信号产生失真，产生码间串扰。ttmcos)(tts)cos(21)(0)]cos()2[cos(41)cos()cos(21000tttttsinsin41coscos41)cos(41ttt167.3位同步－码元同步7.3.1外同步法－辅助信息同步法原理：于发送端信号中插入频率为码元速率（1/T）或码元速率的倍数的位同步信号。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。插入位同步信号的方法：时域：连续插入、不连续插入（“位同步头”）频域：信号频带外插入、信号频带内“空隙”处插入。优缺点：设备较简单；但占用一定的带宽和发送功率。7.3.2自同步法开环码元同步法－同步电路直接从输入码流中提取发送码流的时钟。下面给出3个具体方案。17波形变换法18延迟相乘法19微分整流法时间误差：若窄带滤波器的带宽等于1/KT，则当式中，－同步误差时间；T－码元持续时间；Eb－码元能量；n0－单边噪声功率谱密度。因此，只要接收信噪比大，上述方案能保证足够准确的码元同步。开环法主要缺点：存在非零平均同步跟踪误差。0/33.0nKETb18,50KnEb20闭环码元同步法－“超前/滞后门”同步器Tddt相乘门波形产生超前门滞后门m(t)相乘压控振荡u1u2环路滤波||||++-|u1||u2|e=|u2|-|u1|TddtdTdt0Tdd+1-1超前门滞后门(a)同步状态(b)超前状态d++1-1超前门滞后门T2积分时间217.3.3位同步误差对于误码率的影响若位同步时间误差为，则积分时间将损失2，积分得到的码元能量将减小为Eb(1-2/T)；在相邻码元没有突变边沿时，则积分时间没有损失。∴对于等概率随机码元信号，有突变的边沿和无突变的边沿各占1/2。例：2PSK信号的最佳误码率等于故在有相位误差时的平均误码率为021nEerfcPbeTnEerfcnEerfcPbbe21414100227.4群同步7.4.1概述群同步信息的传递1.码组本身自带分组信息2.插入群同步码分散插入集中插入(a)分散插入法……群同步序列群同步码元群同步码元群同步码元信号码元群信号码元群群同步码元信号码元群(a)集中插入法群同步码组群同步码组群同步码组群同步码组信号码元群信号码元群信号码元群………23集中插入：适用于要求快速建立同步的地方，或间断传输信息并且每次传输时间很短的场合分散插入：需要较长的同步建立时间。故适用于连续传输信号之处，例如数字电话系统中同步电路的两种状态：捕捉态和保持态。起止式同步法：主要适用于低速的手工操作的电传打字机中。起止式同步通信有时也称为异步式通信，因为其码元间隔不等。起止止12345247.4.2集中插入法原理设有一个码组，它包含N个码元{x1,x2,…,xN}，则其局部自相关函数（下面简称自相关函数）等于：式中，N－码组中的码元数目；xi－码元的取值，可以取+1或-1。当j=0时，上式在运算中，已假定当1i和iN时，xi=0。若一个码组仅在R(0)处出现峰值，其他处的R(j)均很小，则可以用求自相关函数的方法对于接收码元序列运算，寻找峰值，从而确定此码组的位置。jNijiixxjR1)()1(Ni整数）j(NxxxRNiiNiii121)0(25巴克码定义：巴克码尚未找到一般构造方法NjNjjNxxjRjNijii,00,00,)(11或N巴克码1＋2＋＋或＋－3＋＋－4＋＋＋－或＋＋－＋5＋＋＋－＋7＋＋＋――＋－11＋＋＋―――＋――＋－13＋＋＋＋＋――＋＋－＋－＋26自相关函数值：以N=5的巴克码为例R(0)=5xixixi2xi+1xixi+1xiR(1)=0xi+2xixixi+2R(2)=1xi+3xixixi+3R(3)=0xi+4xixixi+4R(4)=10-153214123-4-1-3-2jR(j)27威拉德(Willard)码：对于随机相邻码元能给出最小错误同步概率。N威拉德码1＋2＋－3＋＋－4＋＋－－5＋＋－＋－7＋＋＋―＋――11＋＋＋―＋＋―＋―――13＋＋＋＋＋――＋－＋―――28集中插入法的实现一旦发现自相关值等于同步码组的长度N时，就认为捕捉到了同步，并将系统从捕捉态转换为保持态。继续考察同步位置上的接收码组是否仍然具有等于N的自相关值。当系统失去同步时，自相关值立即下降。因为噪声也可能引起自相关值下降。所以为了保护同步状态不易被噪声等干扰打断，在保持状态时要降低对自相关值的要求。判定系统失步后，系统转入捕捉态，从新捕捉同步码组。297.4.3分散插入法－间隔式插入法例：在数字电话系统中常采用的“1/0”交替码……群同步序列…..1010101010…群同步码元群同步码元群同步码元信号码元群信号码元群群同步码元信号码元群PPP30同步码搜索方法移位搜索法Y初始化开始同步状态移一位是同步码？记数器A记到n？记数器A加1N状态转换YYN置0是同步码？记数器B加1记数器B记到m？N记数器C加1Y记数器C记到n？置0保持态捕捉态将同步状态设为捕捉态将各记数器置031存储检测法0102030405060708xxxxxxx00910111213141516xxxxxxx11718192021222324xxxxxxx02526272829303132xxxxxxx13334353637383940xxxxxxx0新码元进入老码元输出检验是否“1/0”交替327.4.4群同步性能漏同步概率Pl：将正确同步位置漏过的概率。设：接收码元错误概率为p，需检验的同步码元数为n，检验时容许错误的最大码元数为m，则未漏判定为同步码的概率等于所以，漏同步概率等于当不允许有错误时，即设定m=0时，则上式变为mrrnrrnppC0)1(mrrnrrnlppCP0)1(1nlpP)1(133假同步概率Pf：将错误同步位置当作正确同步位置捕捉到的概率。设：信息码元“1”和“0”出现的先验概率相等，假同步是由某个信息码组被误认为同步码组造成的，同步码组长度为n，