通信原理07章同步

通信原理第七章同步27.1概述同步需解决的问题载波同步位同步群同步网同步其他同步解决同步问题的代价经济代价资源代价synchronization37.2载波同步方法插入导频法：发送端已调信号导频与载波正交插入导频后的已调信号tA0costtAm0sin)(tAttAmts000cossin)()(carriersynchronization47.2载波同步方法插入导频后的已调信号频谱f0–fmf0+fm0f0f导频S0(f)guidingfrequency57.2载波同步方法插入导频后的已调信号频谱f0–fmf0+fm0f0f导频S0(f)orthogonal67.2载波同步方法插入导频法：接收端用窄带滤波器滤出导频分量，并将其移相/2，将cos(0t)变成sin(0t)，然后用将它作为本地载波。相干解调分析滤除20频率分量，就可恢复出原调制信号。若不用正交导频，接收端将增加直流分量。tAttmAtmAttAttAmtts000002002sin22cos)(2)(2sincossin)(sin)(directcurrentcomponent77.2载波同步方法插入导频法发送端原理方框图Asin(0t)带通滤波/2相移Acos(0t)s0(t)m(t)tAttAmts000cossin)()(phaseshifter87.2载波同步方法插入导频法接收端原理方框图带通滤波/2相移s0(t)m(t)窄带滤波低通滤波tAttAmts000cossin)()(bandpassfilter(BPF)97.2载波同步方法平方法的原理对于没有载波分量的信号，如2PSK信号，设接收信号为：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。ttmts0cos)()(ttmtmttmts02202222cos)(21)(21cos)()(squarelawcomponent107.2载波同步方法平方法载波提取原理框图存在问题：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，即相位是不确定的。平方s(t)窄带滤波二分频s2(t)2f0f0narrowbandfilter117.2载波同步方法平方法载波提取的时间波形s(t)s2(t)cos(20t)cos(0t)ttttcos(0t)tfrequencydividing127.2载波同步方法用锁相环代替窄带滤波器的方案优点：输出信号具有更好的稳定性，并且不必有连续的输入信号。锁相环平方s(t)环路滤波二分频s2(t)2f0f0压控振荡frequencydivider137.2载波同步方法科斯塔斯环法——同相正交环法s(t)环路滤波低通滤波压控振荡/2相移低通滤波解调输出abcdefgCostasphase-lockedloop147.2载波同步方法科斯塔斯环法的工作原理本地载波信号为已调信号载波和本地载波的相位差。输入信号s(t)和本地载波相乘后得到)sin()cos(0b0atvtv)]2sin()[sin(5.0)sin(cos)()]2cos()[cos(5.0)cos(cos)(000d000cttmtttmvttmtttmvvoltagecontrolledoscillator(VCO)157.2载波同步方法科斯塔斯环法的工作原理（续）经过低通滤波后，它们分别为上面这两个电压再相乘后得到vg经环路滤波器后加到压控振荡器上。当=0时，vg=0，振荡器的控制电压也等于0。ve=0.5m(t)cos()为解调输出电压。sin)(5.0cos)(5.0fetmvtmv2sin)(125.02fegtmvvvloopfilter167.2载波同步方法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。coherentreceiver177.2载波同步方法从多进制数字键控信号中提取载频以QPSK信号为例，设QPSK信号的表表达式为对s(t)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。1)(;1)(sin)(cos)()(210201tmtmttmttmtstts022sin1)(phaseambiguity187.2载波同步方法从多进制数字键控信号中提取载频（续）滤除直流分量后，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。ttts00244cos2121)2(sin)(197.2载波同步方法QPSK信号提取载频的科斯塔斯环原理方框图s(t)/4移相压控振荡环路滤波解调输出/2移相3/4移相低通低通低通低通207.2载波同步方法载波同步精度分析两种相位误差由电路参量引起的恒定误差；由噪声引起的随机误差。恒定误差由滤波器引起的附加相移误差由锁相环稳态相位误差引起的误差随机误差由信道中的噪声引起的相位误差217.2载波同步方法同步的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。同步检的时间越短越好。同步保持时间从开始失去信号到失去载频同步的时间。同步保持时间越长越好。以上两者是相互矛盾的。227.2载波同步方法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，为恒定误差为随机误差解调输出信号无相位误差时有相位误差时cos)(21)(21eetmvtmv237.2载波同步方法载波同步误差对2PSK信号误码率的影响（续）信噪比解调信号的幅度下降cos倍解调信号的功率下降cos2倍信号噪声功率比下降cos2倍误码率相位误差使信噪比下降，因而误码率也下降coserfc21rPe247.2载波同步方法载波同步误差引起单边带信号的波形失真设一单频基带信号为m(t)=cos(t)它对载波cos(0t)进行单边带调制后的上边带信号为若接收端的本地载波有相位误差，则)]cos()2[cos(41)cos()cos(21000ttttttts)cos(21)(0257.2载波同步方法载波同步误差引起单边带信号的波形失真（续）经过低通滤波器滤出的解调信号为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。sinsin41coscos41)cos(41ttt267.3位同步（码元同步）外同步法——辅助信息同步法原理发送端，在信号中插入频率为码元速率或码元速率整倍数的位同步信号。接收端，用一个窄带滤波器，将同步信号分离出来，从而形成码元位定时。时域方法连续插入不连续插入（“位同步头”）频域方法信号频带外插入信号频带内“空隙”处插入。symbolsynchronization277.3位同步（码元同步）外同步法——辅助信息同步法（续）优点：设备较简单缺点：占用一定的带宽和发送功率。使用场合：多路传输系统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元的位定时信号。闭环码元同步法将接收信号和本地位定时信号相比较，使本地位定时信号与接收码元同步。287.3位同步（码元同步）开环码元同步法——波形变换法波形变换窄带滤波移相脉冲形成abcabcttt297.3位同步（码元同步）开环码元同步法——延迟相乘法延迟T/2相乘窄带滤波放大限幅abcabcttt307.3位同步（码元同步）开环码元同步法——微分整流法整流窄带滤波放大限幅bca微分低通abcttt317.3位同步（码元同步）开环码元同步法误差分析开环码元同步法都需要窄带滤波器假设窄带滤波器的带宽为提取同步的时间误差为18,5,33.000KnEnKETbbKT1327.3位同步（码元同步）闭环码元同步法——“超前/滞后门”同步器门波形产生超前门滞后门m(t)压控振荡u1环路滤波|·||u1|e=|u2|-|u1|u2|·|+|u2|TdtddTt0d337.3位同步（码元同步）闭环码元同步法——“超前/滞后门”同步器（续）T+1超前门滞后门1dd同步状态T+11超前门滞后门d+2超前状态347.4群同步概述群同步的概念群同步技术分类码组本身自带分组信息插入群同步码插入群同步技术又可进一步分为两种集中插入法分散插入法groupsynchronization357.4群同步集中插入法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。群同步码组信号码元群信号码元群信号码元群群同步码组群同步码组群同步码组367.4群同步分散插入法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。群同步序列群同步码元信号码元群信号码元群信号码元群群同步码元群同步码元群同步码元377.4群同步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。12345起止止387.4群同步集中插入法设一码组，包含N个码元{x1,x2,…,xN}，则其局部自相关函数为式中，N为码组中的码元数目；xi为码元的取值，可以取+1或1。当j=0时，为整数，jNjxxjRjNijii1)(1NxxxRNiiNiii121)0(397.4群同步巴克码巴克码的定义巴克码的特点在j=0处出现峰值在其他处的值为0或1NjNjjNxxjRjNijii,00,100,)(1或Barkercode407.4群同步巴克码N巴克码1＋2＋＋或＋－3＋＋－4＋＋＋－或＋＋－＋5＋＋＋－＋7＋＋＋――＋－11＋＋＋－－－＋－－＋－13＋＋＋＋＋－－＋＋－＋－＋417.4群同步巴克码的自相关函数曲线（N=5）j012344321R(j)427.4群同步威拉德码N威拉德码1＋2＋－3＋＋－4＋＋－－5＋＋－＋－7＋＋＋―＋――11＋＋＋―＋＋―＋―――13＋＋＋＋＋――＋－＋―――Willardcode437.4群同步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。447.4群同步分散插入法——间隔式插入法实例：在数字电话系统中常采用的“1/0”交替码群同步序列群同步码元信号码元群信号码元群信号码元群群同步码元群同步码元群同步码元10101010PPP457.4群同步移位搜索法先假定某个码元为群同步码元；在一个周期，即P个码元之后，判断下一个码元是否为群同步码元；若连续n个周期都是群同步码元，就认为捕捉到了群同步码；若不是群同步码，则假定下一个码元为群同步码元，重新开始群同步码元的搜索。参见教材P.175图7