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1、第十三章 同步原理1第十三章第十三章 同步原理同步原理第十三章 同步原理n13.1 引言n13.2 载波同步n13.3 位同步n13.4 群同步2第十三章第十三章 同步原理同步原理13.1 引言n同步是数字通信中一个重要的实际问题.通信系统如果出现同步误差或失去同步,就会使通信系统性能降低或通信失效.n同步是指收发两端的载波、码元速率及各种定时标志都应步调一致地进行工作n通信系统的同步包括：载波同步、位（码元）同步、群（帧）同步及网同步。n实现同步的方法有：外同步法、自同步法。3第十三章第十三章 同步原理同步原理13.2 载波同步n抑制载波的双边带信号，单边带信号，2PSK，2ASK等信号中都
2、不含载波分量。为了在接收端能够获得载波，在发送端有时插入导频载波。n抑制载波的双边带信号的导频插入导频4第十三章第十三章 同步原理同步原理相乘调制带通相加90相移输出插入导频法发端方框图相乘器带通低通90相移输出插入导频法收端方框图 窄带 滤波5第十三章第十三章 同步原理同步原理调制信号m(t),无直流分量,载波插入导频 输出信号为n收端相乘器的输出v(t)低通滤波取出6第十三章第十三章 同步原理同步原理直接提取载波法 平方变换法和平方环法n抑制载波的双边带信号 经过平方变换(平方律部件)m(t)无直流分量,m2(t)却有直流分量7第十三章第十三章 同步原理同步原理令表示m2(t)中的直流分量
3、 表示m2(t)中的交流分量则e(t)经窄带滤波后,滤出2c 再经2分频,获所需载波,同时还有一部分调制噪声及加性噪声,造成输出载波的随机抖动.直流低频2 c c调制自噪声8第十三章第十三章 同步原理同步原理为减少干扰影响,希望带通滤波器频带越窄越好,但频带越窄,滤波器的相移特性越陡,当滤波器的中心频率偏离了载波频率时,则产生了静态相差9第十三章第十三章 同步原理同步原理将平方变换法中窄带滤波器用锁相环代替,称为平方环法.锁相环具有良好的跟踪,窄带滤波和记忆的性能.n同相正交环法(Costas环)LPFLPF90相移环路滤波器VCO输入输出V1V3V2V5V4V6V710第十三章第十三章 同步
4、原理同步原理设 输入的抑制载波双边带信号为则经低通后的输出分别为:11第十三章第十三章 同步原理同步原理 是VCO输出信号与输入已调信号载波之间的相位误差当较小时,V7的大小与相位误差成正比,用V7去调整VCO输出信号的相位,最后使稳态相位误差减小到很小的数值.这样VCO的输出就是所需提取的载波.12第十三章第十三章 同步原理同步原理载波相位误差对解调性能的影响 主要体现在所提取载波与接收信号中的载波的相位误差.n相位误差为稳态相差与相位抖动之和n提取的相干载波为 则解调时,相乘器的输出经低通滤波后为13第十三章第十三章 同步原理同步原理有相位误差,导致信噪比将下降 倍对2PSK,则导致误码率
5、增加对残留边带信号,单边带信号,相位误差不仅引起信噪比下降,还引起信号畸变.14第十三章第十三章 同步原理同步原理设基带信号为单边带信号取上边带解调取出低频分量15第十三章第十三章 同步原理同步原理13.3 位同步n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。n码元同步：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。n码元同步方法分类：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。
6、16第十三章第十三章 同步原理同步原理自同步法自同步法n自同步法分类：n开环同步法：由于二进制等先验概率的不归零码元序列中没有离散的码元速率频谱分量，故需要在接收时对其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。n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，将本地时钟锁定在输入信号上。17第十三章第十三章 同步原理同步原理n开环码元同步法开环码元同步法延迟相乘法原理方框图延迟相乘法原理方框图相乘器输入和输出的波形：相乘器输入和输出的波形：延迟相乘后码元波形的后一延迟相乘后码元波形的后一半永远是正值；而前一半则半永远是正值；而前一半则当输入状
7、态有改变时为负值。当输入状态有改变时为负值。因此，变换后的码元序列的因此，变换后的码元序列的频谱中就产生了码元速率的频谱中就产生了码元速率的分量。分量。延迟时间等于码元时间一半延迟时间等于码元时间一半时，码元速率分量最强。时，码元速率分量最强。c延迟延迟T/2ab放大限幅放大限幅窄带滤波窄带滤波(c)(b)(a)18第十三章第十三章 同步原理同步原理n闭环码元同步法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
8、法类似载频同步中的锁相环法。方法类似载频同步中的锁相环法。“超前超前/滞后门滞后门”同步器：同步器：原理方框图原理方框图超前门超前门滞后门滞后门环路滤波环路滤波|+压控振荡压控振荡+-u1u2|u1|u2|e=|u2|-|u1|m(t)门波形产生门波形产生19第十三章第十三章 同步原理同步原理工作原理工作原理Tdd+1-1超前门超前门滞后门滞后门(a)同步状态同步状态(b)超前状态超前状态d+1-1超前门超前门滞后门滞后门T2 积分时间积分时间20第十三章第十三章 同步原理同步原理存在的问题和解决办法存在的问题和解决办法在上面讨论中已经假定接收信号中的码元波形有突在上面讨论中已经假定接收信号中
9、的码元波形有突跳边沿。若它没有突跳边沿，则无论有无同步时间跳边沿。若它没有突跳边沿，则无论有无同步时间误差，超前门和滞后门的积分结果总是相等，这样误差，超前门和滞后门的积分结果总是相等，这样就没有误差信号去控制压控振荡器，故不能使用此就没有误差信号去控制压控振荡器，故不能使用此法取得同步。这个问题在所有自同步法的码元同步法取得同步。这个问题在所有自同步法的码元同步器中都存在，在设计时必须加以考虑。此外，由于器中都存在，在设计时必须加以考虑。此外，由于两个支路积分器的性能也不可能做得完全一样。这两个支路积分器的性能也不可能做得完全一样。这样将使本来应该等于零的误差值产生偏差；当接收样将使本来应该
10、等于零的误差值产生偏差；当接收码元序列中较长时间没有突跳边沿时，此误差值偏码元序列中较长时间没有突跳边沿时，此误差值偏差持续地加在压控振荡器上，使振荡频率持续偏移，差持续地加在压控振荡器上，使振荡频率持续偏移，从而会使系统失去同步。从而会使系统失去同步。为了使接收码元序列中不会长时间地没有突跳边沿，为了使接收码元序列中不会长时间地没有突跳边沿，可以在发送时对基带码元的传输码型作某种变换，可以在发送时对基带码元的传输码型作某种变换，例如改用例如改用HDB3码，或用扰乱技术，使发送码元序码，或用扰乱技术，使发送码元序列不会长时间地没有突跳边沿。列不会长时间地没有突跳边沿。21第十三章第十三章 同步
11、原理同步原理13.4 群同步（帧同步）给出帧的开头和结尾的标记n起止式同步法 被传输的单位是字符，每个字符可由58位码元组成，每个字符前面加一位起始位，用“0”代表，在字符后加1.5位停止位，用“1”代表，不发信号时，一直发送停止位。止 起 止22第十三章第十三章 同步原理同步原理连贯式插入法 在每群的开头集中插入群同步码组的方法n群同步码应有特性 能很快地识别检出，位置准确 假同步和漏同步的概率越小越好n群同步码应有尖锐的自相关函数n巴克码是一种常用的群同步码 巴克码是一种非周期序列，一个n位的巴克码为 x1，x2，x3，xn x1的取值为123第十三章第十三章 同步原理同步原理j=0j=1
12、j=2，3，7 R(j)分别为-1,0,-1,0,-1,0 当j为负值时的自相关函数值,与正值对称,自相关函数在j=0 时出现尖锐单峰。24第十三章第十三章 同步原理同步原理7R（j）-1-7 -5 -3 -1 1 3 5 7j25第十三章第十三章 同步原理同步原理7位巴克码识别器判决 相 加 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1输入码元移位方向“1”存入移存器1端+10端-1“0”存入移存器1端-10端+126第十三章第十三章 同步原理同步原理当7位巴克码全部进入7级移位寄存器,7个移位寄存器都输出+1,相加后得最大输出+7,若判决器的判决门限电平定为6,在巴克码的最后一位
13、“0”进入识别器时,识别器输出一群同步脉冲表示一群的开头。27第十三章第十三章 同步原理同步原理群同步系统的性能 群同步系统应该建立时间短，并且在群同步建立后应有较强的抗干扰能力。通常用漏同步概率P1，假同步概率P2和群同步平均建立时间ts来衡量。n漏同步概率P1 同步码组中一些码元发生错误，使识别器漏识别已发出的同步码组。问题：若7位巴克码有一位错，当判决门限为+6时，情况如何？当判决门限为+4时，情况如何？28第十三章第十三章 同步原理同步原理设P为码元错误概率，n为同步码组的码元数，m为判决器容许码组中的错误码元最大数。则同步码组码元n中所有不超过m个错误码元的码组都能被识别器识别。未漏
14、概率为：漏同步概率29第十三章第十三章 同步原理同步原理假同步概率 消息码元中可能出现与同步码组相同的码组，被识别器作为同步码组检出n若二进制消息码元出现“0”，“1”的概率相等，则n位码组所有可能的码组数为2n个，其中能被判为同步码组的组合数为：nm=0 只有1个（）码组nm=1 有 码组n类推，可被判为同步码组的组合数为n假同步概率 30第十三章第十三章 同步原理同步原理平均建立时间tsn设漏同步和假同步都不发生，在最不利的情况下，实现群同步最多需要一群的时间。n设每群的码元数为N，每码元时间为T，则一群的时间为NT，出现一次漏同步或假同步大致要多花费NT的时间才能建立起群同步，故，平均建立时间为 ts=NT（1+P1+P2）31第十三章第十三章 同步原理同步原理某二进制数字传输系统采用13位巴克码作为连贯式插入法的帧同步码，要使假同步概率小于210-3，则帧同步码识别器的判决电平为多少？n解：假同步概率 210-3 210-3 213 m 1 允许错一位,错一位时,相加器输出11,判决电平为10。32