通信原理

信息科学与工程学院电子教研室梁俊花E-mail:[e-mail]同步原理通信原理（第7版）第13章樊昌信曹丽娜编著本章内容:第13章同步原理同步的意义和分类载波同步码元同步群/帧同步网同步的基本概念作用方法性能概述§13.1数字相干解调时，提供同频同相的本地载波（相干载波）。同步的类型、作用和获取方法同步的类型和作用载波同步：码元同步：使通信网中各站点时钟之间保持同步。帧/群同步：网同步：载波同步、位同步、群同步的实现方法和性能。同步获取方法外同步法：自同步法：本章重点载波同步§13.2作用：提供本地载波c(t)，用于相干解调方法：插入导频法和直接法要求：c(t)应与接收信号的载波同频同相导频：含有载波信息的单频信号，伴随发送信号一并被发送。13.2.1有辅助导频时的载波提取提取：常用锁相环（PLL）来提取载波。原理框图如下：注：可用数字锁相环替代。载波同步问题：DSB-SC、2PSK等信号本身不含有载波分量，怎么办？载波同步——自同步法。设法从接收信号中直接提取同步载波。()()cosmcstmtt22()2211())cos22(2cmtmtt载波同步信号13.2.2无辅助导频时的载波提取211()cos2222cstt1.平方变换法和平方环法设2PSK信号当m(t)取+1和-1的概率相等时滤波器提取载频的2次谐波后，再作2分频，即可得到所需的载波。()()coscstmtt解决方法：采用2DPSK方式。存在问题：提取的载波存在180o相位模糊，可能导致2PSK相干解调后出现反相工作。载波同步()()coscstmtt（Costas环）当环路锁定时，VCO输出：2.同相正交环——所需的同步载波cos()cavt原理框图载波同步()()coscstmtt工作过程sin()bcvtcos()cavt)2cos()cos()(21)cos()cos()(ttmtttmvcccc)2sin()sin()(21)sin()cos()(ttmtttmvcccd)cos()(21tmve)sin()(21tmvf)(sin)(2812tmvvvfegve与vf相乘产生误差信号:经环路滤波器（低通，只让m2(t)中的直流分量通过）：svg正是所需要的控制电压，它控制调整压控振荡器（VCO)的相位和振荡频率，最终使相位误差(-)尽可能地小。sin2()gdvK是压控振荡器输出电压与接收载波之间的相位误差即有≈。因此，VCO的输出va就是Costas环提取出的载波：ve就是解调输出：载波同步①②比较：3.再调制器工作原理()()coscstmttcos()cavtsin()cbvts()()cos()cos()1()cos()cos(2)2acccctvmmvtttttvd受b点的振荡电压再调制后，得出的e点的电压:)cos()(dtmv21vc经过低通滤波后，得到解调输出：1()cos()sin()21()sin()sin(2)4ccecmttvmttt——该控制电压与科斯塔斯环的控制电压公式相同。)(sin)(sin)(sin)(tttmcc222812vf经过窄带低通滤波后，得到压控振荡器的控制电压：21()sin2(si())=8n2gdvKmtve与信号s(t)再次相乘，得到f点的电压：21()cos()sin()sin(2)4cfccmttttv21()cos()sin()cos()sin(2)4ccccmtttttsin4ddvK4.MPSK信号的载频恢复(1)M方环法——一种基于平方环法的推广解调输出(2)基于科斯塔斯环的推广指标：效率精度同步建立时间tS同步保持时间tC---少消耗发送功率（如直接法）---小的相位误差---开机或失步到同步所需时间---同步建立后，若同步信号消失，系统还能维持同步的时间13.2.3载波同步的性能追求：高—高—快—长—指标&追求()()cosmcstmttcos()ctcoo()scsccttmt对于DSB信号：提取的相干载波相乘器输出：-1[coscos(2()])2cttm——载波相位误差——信噪功率比下降将使误码率增加。0若，)/(210nEerfcPe0若，0cos1(/)2ePerfcEn对于2PSK信号：1()o(cs2)mtmt0若，cos1则，2cos导致解调后信号幅度下降，——使信噪功率比下降倍。经LPF后，解调输出：码元同步§13.3对二进制信号而言应满足：重复频率与接收码元速率相同相位与最佳抽判时刻一致1/2TfSPf频域插入13.3.1外同步法(插入导频法）位同步1/TfSPf导频导频(a)双极性不归零基带信号功率谱(b)某种相关变换后基带信号功率谱在发送信号中插入频率为码元速率1/T或1/T倍数的同步信号；在接收端利用窄带滤波器将其分离出来，并形成码元定时脉冲。对(a)，接收端用中心频率为1/T的窄带滤波器提取导频；对(b)，中心频率1/2T，提取的导频倍频所需的位同步脉冲。优点：设备较简单；缺点：需要占用一定的频带宽带和发送功率。时域插入连续插入增加“同步头”13.3.2自同步法位同步1.开环码元同步法延迟相乘法微分整流法思路方案“异曲同工”延迟相乘法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态有改变时为负值。因此，变换后的码元序列的频谱中就产生了码元速率的分量。延迟时间等于码元时间一半时，码元速率分量最强。cbac延迟时间等于码元时间一半时，码元速率分量最强。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态有改变时为负值。因此，变换后的码元序列的频谱中就产生了码元速率的分量。延迟时间等于码元时间一半时，码元速率分量最强。微分整流法cba微分电路完成非线性变换c序列的频谱中含有码元速率的分量。——“超前/滞后门同步器2.闭环码元同步法思路方案原理框图工作原理存在问题解决方法当发送码元序列长时间地没有突跳边沿时，此法不适用。对发送序列的传输码型作某种变换，如改用HDB3码，或用扰乱技术，使发送码元序列有突跳边沿。13.3.3码元同步误差对误码率的影响∆Pe观察位同步位同步34(~)(2)ttT)2(1TE积分能量∝有效区间则最佳接收2PSK信号的误码率为当P=1/2时答：码元同步是正确取样判决的基础，只有数字通信才需要。答：通常不能。因为。。。思考群同步§13.413.4.1概述同步种类同步状态保持态捕获态应防止假同步应防止漏同步群同步信息码组同步码组信息码组信息码组信息码组同步码组同步码组原理：13.4.2集中插入法（连贯式插入法）要求：在每群的开头集中插入群同步码组，作为帧标记。1()njiijiRjxx设有一个n位的码组{x1,x2,…,xn}，其局部自相关函数定义为群同步当j0时，R(j)的值都很小若当j=0时，其中，j表示错开的位数。1()njiijiRjxx21(0)niiRnxxi=+1或-1(当1in)xi=0(当1i和in)——峰值下面介绍一种常用的帧同步码组——巴克码则可用求自相关函数的方法寻找峰值发现同步码组的位置。设一个n位的巴克码组{x1,x2,x3,…,xn}，则其局部相关函数满足：10()0100njiijinjRjxxjnjn或1in巴克码：巴克码列表：群同步解例521()1511011iiRx41()111110iiiRxx1当j=0时,当j=1时,当j=3时,R（3）=0当j=4时,R（4）=131()11211iiiRxx2当j=2时,自相关函数是偶函数！自相关函数在j=0时具有尖锐的单峰特性——这一特性正是集中插入群同步码组的主要要求之一；也是接收端寻找同步头的线索。集中插入法群同步码检测流程：群同步群同步插入原理：13.4.3分散插入法（间隔式插入法）将某种具有短周期性的同步码组间隔插入。信息码组信息码组信息码组同步码元同步码元同步码组同步码元同步码元在PCM24路基群中间隔插入10交替同步码组：1100举例搜索若干个周期。若在同步码的位置上，都满足“1”和“0”交替出现规律时才确认同步。识别方法：移位搜索法存储检测法目前，多采用软件的方法实现搜索，如：移位搜索法流程图存储检测法示意图x——码元取值1或0——码元编号先入先出指标：漏同步概率、假同步概率、同步建立时间。设n——同步码组的长度，P——接收码元错误概率m——识别器允许同步码组出现错码的最多个数01(1)mrrnrnlrCppP13.4.4群同步性能漏同步概率Pl指没有捕捉到同步码组的位置。当m=0（不允许出错）时1(1)lnPprnC——n中取r的组合数则漏概率为01nC1nCn假同步概率Pf指信息码元中出现与同步码组一样的码组，而被识别器错当成同步码。02mnrnfrCP0mrnrC2n设n——同步码组的长度，则所有可能出现的信息码组数：被错当成同步码组的组合数与m有关：Pf=被错当成同步码组的组合数/所有可能出现的信息码组数当m=0时01122nnnfnCnPC当m=1(最多错一位）时1/2fnP群同步性能01(1)mrrnrlnrPCpp02mnrfnrPC当m=0时1(1)nlPp1/2nfP比较漏同步假同步可见：Pl和Pf对m和n的要求都是矛盾的，设计时需折中考虑。对于集中插入法:其中，N为每群的码元数目（含n位群同步码）；T为每个码元持续时间；NT为帧时间。——从开始捕捉保持态所需的时间。平均建立时间tsteNT(1/2+Pf+Pl)用途：主要用于电传打字机中。属于“异步通信”异步通信的好处是通信设备简单、便宜，但传输效率较低（因为开始位和停止位的开销所占比例较大）。优点：设备简单、便宜缺点：传输效率较低（因为起、止位的开销所占比例较大）13.4.5起止式同步法晴云阴雨010111011113.4.6自群同步——本身具有分群能力的一类特殊的信息编码。唯一可译码——在编码中任何一个码字都不能是其他码字的前缀。注意：唯一可译码的唯一可译性是有条件的，即必须正确接收到开头的第一个或前几个码元。举例当接收到的数字序列为“1110110110”时，它将唯一地可以译为“雨晴阴阴”。当发送序列仍是“1110110110”时，若接收时丢失了第一个符号，则接收序列变成“110110110”。这时，它将被译为“阴阴阴”。晴云阴雨0101110111上例“雨晴阴阴”可见：为了能正确接收丢失开头码元的信息序列，要求该编码不仅应该是唯一可译的，而且是可同步的。若第一个码元丢失，则收到的序列为“00110110101”由于前两个码元“00”无法译出，故得知同步有误，译码器将从第二个码元开始译码，即对“0110110101”译码，并译为晴云阴雨011001011101可同步编码——若丢失了开头的一个或几个码元，则变成不可译的或对开头几个码元错译后，能自动获得正确同步及正确译码。举例可见，前两个码字错译了，但从第三个码字开始已自动恢复正确的同步。若前两个码元都丢失了，则收到的序列将是“01101