13同步原理.

13.1概述13.2载波同步13.3码元同步13.4群同步13.5网同步13.6小结第13章同步原理一、载波同步是模拟通信和数字通信都有的同步方式。当采用同步解调或相干解调时，接收端需要提供一个与发射端调制载波同频同相的相干载波。二、数字通信中的码元同步13.1概述解调时常需要知道每个码元的起止时刻，接收端必须产生一个用作抽样判决的定时脉冲序列，它和接收码元的终止时刻应对齐。这个定时脉冲序列称为码元同步脉冲或位同步脉冲。三、群同步13.1概述也称帧同步，数字通信中的消息数字总是用若干码元组成一个“字”，又用若干“字”组成一“句”，因此在接收端产生与“字”“句”起止时刻相一致的定时脉冲序列，称“字”同步或“句”同步。四、数字通信网同步13.1概述三种同步系统在数字通信网中结合使用，可以以较低的错误概率恢复出数字信息，在整个通信网内必须有一个统一的时钟节拍。13.1概述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。锁相环原理方框图如下：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。13.2载波同步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13.2载波同步)cos()()(ttmtsc)](2cos1[21)(cos)()(222tttmtscc13.2载波同步13.2.2无辅助导频时的载波提取1、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ωc的离散分量。将上式平方，得到图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13.2载波同步由上式可见，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：为调制信号带宽。，为滚降部分带宽的一半其中设mrrcmcffffffffff221113.2载波同步此方案的缺点：◆相位含糊性：2分频器的输出电压有相差180º的两种可能相位，即相位决定于分频器的随机初始状态。采用2DPSK体制。◆错误锁定：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。解决这个问题办法是降低环路滤波器带宽。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abcdefg13.2载波同步2、科斯塔斯环法又称同相正交环法或边环法原理方框图工作原理:a点的压控振荡电压为：b点的压控振荡电压为：g点的电压：上式中的(-)是压控振荡电压和接收载波相位差)cos(tvca)sin(tvcb)(2sin)(812tmvvvfeg13.2载波同步将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。压控振荡器的输出电压va就是科斯塔斯环提取出的载波。)(41gv13.2载波同步优缺点：1、不需要对接收信号作平方运算，工作频率低。2、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。也存在相位含糊性13.2载波同步载频输出90相移环路滤波压控振荡低通s(t)abcdefg13.2载波同步3、再调制器第3种提取相干载波的方法原理方框图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13.2载波同步4、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13.2.3载波同步的性能1、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13.2载波同步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电路的Q值越大，附加相移也成比例地增大qffQ213.2载波同步dKf13.2载波同步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Δφ，则有1cos5.2,0)(nnrf2)(nrnerf13.2载波同步◆随机误差分析设这种相位误差为θn，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θn的概率密度函数近似为◆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。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矛盾13.2载波同步2、同步建立时间和保持时间(1)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。显然要求此时间越短越好。在同步建立时间内，因相干载频的相位还没有调整稳定，所以不能正确接收码元。13.2载波同步（2）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13.2载波同步13.2载波同步（3）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。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。LPF输出：理想情况：φ=0一般情况：能量（功率）为理想的cos2φ，因而误码率为3、载波同步误差对解调信号的影响总的相差＝稳态相差＋随机相差（1）对误码率的影响：以双边带信号为例cos21tmtxL13.2载波同步cos210nEerfcPe设基带信号：SSB上边带信号：第一项是原信号，幅度变为倍；第二项与原信号正交，使输出信号产生畸变。（2）信号畸变（以单边带信号为例）ttsttmccos21cos＝13.2载波同步sinsin41coscos41cos41ttttxLcos411、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。2、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。3、码元同步方法分类：概述：13.3码元同步◆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13.3码元同步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。13.3码元同步插入码元同步信号的方法时域：（1）连续插入；（2）增加“同步头”频域：（1）在信息码元频谱之外占用一段频谱用于传输同步信息；（2）利用信息码元频谱中的“空隙”处，插入同步信息13.3码元同步13.3.2自同步法自同步法分类：◆开环同步法：在接收时对信号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13.3码元同步1、开环码元同步法（1）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态有改变时为负值。因此变换后的码元序列的频谱中就c延迟T/2ab放大限幅窄带滤波13.3码元同步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。(c)(b)(a)13.3码元同步（2）微分整流法原理同步误差若窄带滤波器的带宽等于1/KT，其中K为一个常数，则提取同步的时间误差比例为：低通微分整流窄带滤波放大限幅0/33.0nKETb18,50KnEb13.3码元同步2、闭环码元同步法基本原理：将接收信号和本地产生的码元定时信号相比较，使本地产生的定时信号和接收码元波形的转变点保持同步。这种方法类似载频同步中的锁相环法。“超前/滞后门”同步器原理方框图：13.3码元同步超前门滞后门环路滤波||||+压控振荡+-u1u2|u1||u2|e=|u2|-|u1|m(t)门波形产生dTdt0Tddt13.3码元同步工作原理Tdd+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13.3码元同步13.3码元同步存在的问题和解决办法:接收信号中的码元波形若没有突跳边沿，则无论有无同步时间误差，故不能使用此法取得同步。此外，由于两个支路积分器的性能也不可能做得完全一样，从而使系统失去同步可以对基带码元作某种变换，例如改用HDB3码，或用扰乱技术。13.3.3码元同步误差对于误码率的影响用匹配滤波器或相关器接收码元时,若积分区间比码元持续时间短，码元能量Eb显然下降，而n0却不受影响。在相邻码元有突变边沿时，若码元同步时间误差为，则积分时间将损失2，码元13.3码元同步13.3.3码元同步误差对于误码率的影响能量将减小为Eb(1-2/T)；相邻码元无突变边沿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。以等概率2PSK信号为例，其最佳误码率为：TnEerfcnEerfcPbbe2141410013.3码元同步几乎所有的群同步都是外同步法，群同步的同步信号是在时域中插入的。有集中插入法和分散插入法；前者适用于快速建立同步的场合；后者在数字电话系统中应用较多。13.4.1概述13.4群同步同步电路的状态1、捕捉态：在捕捉态时，确认搜索到群同步码的条件必须规定得很高，以防发生假同步。2、保持态：一旦确认达到同步状态后，系统转入保持态。在保持态下，仍须不断监视同步码的位置是否正确。13.4群同步4、捕捉态－－维持态假同步码，校验一下是否真同步码，正确的话可转入维持态，前方保护计数的目的是克服假同步。3、维持态－－捕捉态连续该出现同步头而没有出现，，认为系统失步，进入捕捉态。13.4群同步二、集中式插入法（连贯式插入）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13.4群同步连贯式插入帧同步码不是随机选的，好的帧同步码应具备两个特点：（1）假同步应尽量少；（2）便于识别。13.4群同步100100njiijixxnjjnjnRjRj或局部自相关函数很尖锐，便于捕捉，便于与存储的同步码组进行比较。13.4群同步局部自相关函数：巴克码是常用的一种群同步码组，满足上述自相关定义的码组就是巴克码。13.4群同步例：N=5的巴克码。在j=0至4的范围内，求其自相关函数值：1)4(4011)3(31111)2(201111)1(1511111)0(0114213312411512iiiiiiiiiiiiiixxRjxxRjxxRjxxRjxRj时，当时，当时，当时，当时，当13.4群同步4123-4-1-3-2R