通信原理第9章同步原理课件.ppt

概概 述述信信 源源发送端发送端接收端接收端信信道道编编码码调调 制制信信 道道压压缩缩编编码码解解 调调信信 宿宿保保密密解解码码信信道道解解码码压压缩缩解解码码保保密密编编码码噪声噪声同步同步信源编码信源编码信源解码信源解码数字通信系统模型数字通信系统模型1 同步需要解决的问题同步需要解决的问题 要实现信号的正确传输，要求接收机产生的要实现信号的正确传输，要求接收机产生的信号与发射机发送过来的信号具有相同的频率与信号与发射机发送过来的信号具有相同的频率与相位关系，称具有相同频率和相位的时间关系的相位关系，称具有相同频率和相位的时间关系的两信号为同步信号。两信号为同步信号。载波同步载波同步数字信号同步数字信号同步位同步位同步群同步（字同步）群同步（字同步）网同步网同步29.1 同步的分类同步的分类 9.1.1 按同步的功能分类按同步的功能分类 功用来分：同步可以分为载波同步、位同功用来分：同步可以分为载波同步、位同步（码元同步）、帧同步（群同步）和网同步（码元同步）、帧同步（群同步）和网同步（通信网中用）。步（通信网中用）。1、载波同步、载波同步3接收端作相干解调，得接收端作相干解调，得低通滤波器后输出差频，得低通滤波器后输出差频，得因此，要求收发端同频同相。因此，要求收发端同频同相。4 2、位同步、位同步 位同步：要求在接受端产生于发送端相位同步：要求在接受端产生于发送端相同码元重复频率，并且具有合适的相位位置。同码元重复频率，并且具有合适的相位位置。3、帧同步、帧同步 建立在位同步基础之上，通常由位同步建立在位同步基础之上，通常由位同步分频产生，关注的是为同步产生的位置。分频产生，关注的是为同步产生的位置。4、网同步、网同步59.1.2 按同步的实现方法分类按同步的实现方法分类 外同步法：在适当的位置，专门发送同外同步法：在适当的位置，专门发送同步信息。步信息。自同步法：同步信息可以从信号中直接自同步法：同步信息可以从信号中直接提取出来。提取出来。在通信系统中，通常都是要求同步信息传在通信系统中，通常都是要求同步信息传输的可靠性高于信号传输的可靠性。输的可靠性高于信号传输的可靠性。69.2 载波同步载波同步9.2.1 直接法（自同步法）直接法（自同步法）1.平方变换法平方变换法 设调制信号中无直流分量，则抑制载设调制信号中无直流分量，则抑制载波的双边带信号为：波的双边带信号为：经过一个平方律部件后就得到经过一个平方律部件后就得到7 二分频电路提取出的载波存在二分频电路提取出的载波存在相位模糊相位模糊问题。问题。2.平方环法平方环法83.科斯塔斯环科斯塔斯环 9经低通后的输出分别为经低通后的输出分别为：乘法器的输出为：乘法器的输出为：上式可以近似地表示为：上式可以近似地表示为：4.多相移相信号中提取同步信息多相移相信号中提取同步信息 数字通信中经常使用多相移相信号，这数字通信中经常使用多相移相信号，这类信号同样可以利用多次方变换法从已调信类信号同样可以利用多次方变换法从已调信号中提取载波信息。号中提取载波信息。10 9.2.2 插入导频法插入导频法 1、双边带信号中插入导频、双边带信号中插入导频 插入的位置应在频谱位零处，导频与加插入的位置应在频谱位零处，导频与加在调制器的那个载波移相在调制器的那个载波移相90后的所谓后的所谓“正交正交载波载波”。其输出信号可表示为：其输出信号可表示为：11收端乘法器输出为：收端乘法器输出为：2、残留边带信号中插入导频、残留边带信号中插入导频 12 3、直接法和插入导频法的比较、直接法和插入导频法的比较 （1）不占用导频功率不占用导频功率;（2）防止导频和信号间的互相干扰；防止导频和信号间的互相干扰；（3）防止信道不理想引起导频相位误差防止信道不理想引起导频相位误差。插入导频法的优缺点主要表现在；插入导频法的优缺点主要表现在；（1）可以利用它作为自动增益控制；可以利用它作为自动增益控制；（2）多消耗一部分不带信息的功率。多消耗一部分不带信息的功率。13 9.2.3 载波同步系统的性能指标载波同步系统的性能指标 载波同步系统的主要性能包括：效率、载波同步系统的主要性能包括：效率、精度、同步建立时间和同步保持时间。精度、同步建立时间和同步保持时间。1、载波同步精度、载波同步精度 精度是指提取的同步载波与载波标准比精度是指提取的同步载波与载波标准比较，它们之间的相位误差大小。较，它们之间的相位误差大小。（1 1）稳态相位误差）稳态相位误差 14 （2）随机相位误差）随机相位误差 从物理概念上讲，正弦波加上随机噪声从物理概念上讲，正弦波加上随机噪声以后，相位变化是随机的，它与噪声的性质以后，相位变化是随机的，它与噪声的性质和信噪功率比有关。和信噪功率比有关。2、载波同步的效率、载波同步的效率 3、同步建立时间和保持时间、同步建立时间和保持时间 建立时间建立时间 保持时间保持时间159.2.4 频率误差和相位误差对解调性能影响频率误差和相位误差对解调性能影响 1、既有频差又有相位差、既有频差又有相位差 解调后得到的信号是：解调后得到的信号是：2、只有相位差、只有相位差 对于对于2PSK信号而言，会使误码率增大。信号而言，会使误码率增大。169.3 位同步位同步9.3.1 位同步的作用与分类位同步的作用与分类 1、基本要求、基本要求 码元速率相同，码元相位对准。码元速率相同，码元相位对准。2、作用、作用 判决器的抽样脉冲；解码脉冲；判决器的抽样脉冲；解码脉冲；PCM系统；帧同步的基准；信表信号。系统；帧同步的基准；信表信号。3、分类、分类 自同步和插入导频法。自同步和插入导频法。179.3.1 插入导频法插入导频法 1、插入位定时导频法、插入位定时导频法 位置位置 18框图框图 2、波形变化法、波形变化法 插入导频法的另一种形式是使数字信号的插入导频法的另一种形式是使数字信号的包络按位同步信号的某种波形变化。包络按位同步信号的某种波形变化。199.3.3 直接法直接法 当系统的位同步采用自同步方法时，发当系统的位同步采用自同步方法时，发端不专门发送导频信号，而直接从数字信号端不专门发送导频信号，而直接从数字信号中提取位同步信号。中提取位同步信号。1、滤波法、滤波法 202、采用锁相法提取位同步、采用锁相法提取位同步 3、直接从频带信号中提取同步信号、直接从频带信号中提取同步信号 另一种常用的波形变换方法是对带限信另一种常用的波形变换方法是对带限信号进行包络检波。号进行包络检波。21 9.3.4 位同步系统的性能指标位同步系统的性能指标 位同步系统的性能指标除了效率以外，位同步系统的性能指标除了效率以外，主要有以下几方面主要有以下几方面1、相位误差、相位误差 由上图可见一个码元周期内由晶振来的由上图可见一个码元周期内由晶振来的脉冲数为脉冲数为n个，因此，最大调整相位为：个，因此，最大调整相位为：22 2、同步建立时间、同步建立时间ts 定义：失去同步后重建同步最所需的长定义：失去同步后重建同步最所需的长时间。时间。故同步建立时间为：故同步建立时间为：3、同步保持时间、同步保持时间tc 系统因为没有输入，使得收端位同步信系统因为没有输入，使得收端位同步信号的相位就会逐渐发生漂移，时间越长，相号的相位就会逐渐发生漂移，时间越长，相位漂移量越大，直至漂移量达到某一准许的位漂移量越大，直至漂移量达到某一准许的最大值，就算失步了。最大值，就算失步了。2324 4、同步带宽、同步带宽f 如果输入信号码元的重复频率和收端固如果输入信号码元的重复频率和收端固有位定时脉冲的重复频率不相等时，每经过有位定时脉冲的重复频率不相等时，每经过T0时间该频差会引起时间该频差会引起 的时间漂移。的时间漂移。锁相环每次所能调整的时间为锁相环每次所能调整的时间为Tb/n则：则：255、相位误差对性能的影响、相位误差对性能的影响 相位误差的大小将直接影响到抽样点的相位误差的大小将直接影响到抽样点的位置，误差越大，越偏离最佳抽样时刻。位置，误差越大，越偏离最佳抽样时刻。这时的误码率可以表示为这时的误码率可以表示为269.4 帧同步帧同步 帧帧同同步步的的任任务务就就是是在在位位同同步步信信息息的的基基础础上上，识识别别出出数数字字信信息息群群的的起起止止时时刻刻，或或者者说说给给出出每每个个群群的的“开开头头”和和“末末尾尾”时时刻。刻。10.4.1 帧同步的方法帧同步的方法 为为了了实实现现群群同同步步，可可在在数数字字信信息息流流中中插入一些特殊码字作为每个群的头尾标记。插入一些特殊码字作为每个群的头尾标记。实现方法：连贯式插入法和间隔式插实现方法：连贯式插入法和间隔式插入法。入法。271、起止同步法、起止同步法 2、连贯式插入法、连贯式插入法 连贯式插入法就是在每群的开头集中插连贯式插入法就是在每群的开头集中插入群同步码字的同步方法。该方法的关键是入群同步码字的同步方法。该方法的关键是需要找到一个特殊的帧同步码组。需要找到一个特殊的帧同步码组。巴克码巴克码 28 巴克码巴克码 它的特殊规律是：若一个它的特殊规律是：若一个n位的巴克码位的巴克码x1,x2,x3,xn，每个码元，每个码元xi 只可能取值只可能取值+1或或-1，则它必然满足条件，则它必然满足条件 巴克码识别器巴克码识别器 识别器用识别器用10级移位寄存级移位寄存器、相加器和判决器就可以器、相加器和判决器就可以组成，具体结构如图所示。组成，具体结构如图所示。2930 判判决决器器输输出出的的两两个个脉脉冲冲之之间间的的数数据据，称称为一群数据或称为一帧数据。为一群数据或称为一帧数据。对对于于信信息息而而言言，由由于于其其具具有有的的随随机机特特性性，使得我们考察一种最不利的情况：使得我们考察一种最不利的情况：31 3、间歇式插入法、间歇式插入法 将群同步码字分散地插入道信息之中，将群同步码字分散地插入道信息之中，即每隔一定数量的信息码元，插入一个群同即每隔一定数量的信息码元，插入一个群同步码字。这种群同步码字的插入方式被称为步码字。这种群同步码字的插入方式被称为间歇式插入法。间歇式插入法。24路路PCM系统中，群同步则系统中，群同步则采用间歇式插入法。采用间歇式插入法。收端要确定群同步码位置的方法：收端要确定群同步码位置的方法：（1 1）逐码移位法；）逐码移位法；（2 2）RAM帧码检测法。帧码检测法。3233 逐码移位法的基本原理：由位同步脉冲逐码移位法的基本原理：由位同步脉冲经过经过n次分频以后的本地群码与接收到码元中次分频以后的本地群码与接收到码元中间歇式插入的群同步码进行远码移位比较，间歇式插入的群同步码进行远码移位比较，使本地群码与发送来的群同步码同步。使本地群码与发送来的群同步码同步。34 经过计算，群同步平均建经过计算，群同步平均建立的时间近似为：立的时间近似为：35 9.4.2 帧同步的性能帧同步的性能 对于群同步系统而言，我们希望其建立对于群同步系统而言，我们希望其建立的时间要短、建立同步以后应该具有较强的的时间要短、建立同步以后应该具有较强的抗干扰能力。因此，在通常情况下，用以下抗干扰能力。因此，在通常情况下，用以下三个性能指标来表示。三个性能指标来表示。1、漏同步概率、漏同步概率P1 同步码字中一些码元发生错误，从而使同步码字中一些码元发生错误，从而使识别器漏识别已发出的群同步码字，出现这识别器漏识别已发出的群同步码字，出现这种情况的概率称为漏识概率。种情况的概率称为漏识概率。36这时漏同步概率的通式可以写为：这时漏同步概率的通式可以写为：2、假同步概率、假同步概率P2 在信息码中也可能出现与所要识别的群在信息码中也可能出现与所要识别的群同步码字相同的码字，这时识别器会把它误同步码字相同的码字，这时识别器会把它误认为群同步码字而出现假同步。认为群同步码字而出现假同步。假同步概率的表达式为：假同步概率的表达式为：37 3、群同步平均建立时间、群同步平均建立时间ts 连贯式群同步平均建立时间：连贯式群同步平均建立时间：间歇式插入法平均建立时间：间歇式插入法平均建立时间：389.4.3 帧同步的保护帧同步的保护 帧帧同同步步的的保保护护措措施施，通通常常将将帧帧同同步步的的工工作过程划分为两种状态，即捕捉态和维持态。作过程划分为两种状态，即捕捉态和维持态。（1）当当系系统统处处于于捕捕捉捉态态时时，需需要要减减小小假假同步概率同步概率P2，以提高判决门限；，以提高判决门限；（2）当当系系统统处处于于维维持持态态时时，需需要要减减小小漏漏同步概率同步概率P1，以降低判决门限。，以降低判决门限。39 1、连贯式插入法中的帧同步保护、连贯式插入法中的帧同步保护 40 2、间歇式插入法中群同步的保护、间歇式插入法中群同步的保护 41