2023/7/281通信原理電子教案

第13章同步原理2023/7/282數(shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng)

信源編碼與譯碼目的：提高信息傳輸?shù)挠行酝瓿赡?數(shù)轉(zhuǎn)換信道編碼與譯碼目的：增強(qiáng)抗干擾能力加密與解密目的：保證所傳信息的安全數(shù)字調(diào)制與解調(diào)目的：形成適合在信道中傳輸?shù)膸ㄐ盘?hào)同步目的：使收發(fā)兩端的信號(hào)在時(shí)間上保持步調(diào)一致

2023/7/28313.1

引言同步：是指收發(fā)雙方在時(shí)間上保持步調(diào)一致。

同步的分類： 載波同步－－同頻同相相干載波； 位（碼元）同步－－節(jié)拍一致、相位可調(diào)； 群同步－－幀同步； 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)

網(wǎng)同步（通信網(wǎng)中用）。同步信號(hào)來自于接收信號(hào)；在通信系統(tǒng)中，通常都是要求同步信息傳輸?shù)目煽啃愿哂谛盘?hào)傳輸?shù)目煽啃浴１菊乱螅赫莆蛰d波、位、群同步的工作原理和獲取方法。 性能及影響作一般了解。2023/7/284研究的問題：13.1概述13.2載波同步13.3碼元同步13.4群同步13.5網(wǎng)同步2023/7/28513.2載波同步獲取方法●插入導(dǎo)頻法（外同步法）：在發(fā)送有用信號(hào)的同時(shí)，在適當(dāng)?shù)念l率位置上插入一個(gè)或多個(gè)稱作載頻的正弦波，接收端由導(dǎo)頻提取載波；●直接法（自同步法）：不專門發(fā)送導(dǎo)頻，在接收端直接從發(fā)送信號(hào)中提取載波。2023/7/28613.2.1.有輔助導(dǎo)頻時(shí)的載波提取（插入導(dǎo)頻法）

適用：DSB、SSB、2DSP、2DPSK－－信號(hào)頻譜中皆不含載波成分.原理：注：插入導(dǎo)頻為“正交載波”－－與加在調(diào)制器的那個(gè)載波移相90°。模型：2023/7/287數(shù)學(xué)分析：發(fā)端：

收端：LPF輸出：2023/7/288在VSB信號(hào)中插入導(dǎo)頻（不討論）：

注：●二進(jìn)制數(shù)字調(diào)相信號(hào)就是抑制載波的雙邊帶信號(hào)。故上述插入導(dǎo)頻法完全適用于2DPSK；

●

SSB導(dǎo)頻插入原理與上討論一樣；

●在VSB中插入不討論，自學(xué)。2023/7/289鎖相環(huán)（PLL）提取載波鎖相環(huán)原理方框圖環(huán)路濾波器壓控振蕩器輸出導(dǎo)頻輸入信號(hào)鑒相器對(duì)環(huán)路濾波器的要求：通帶越窄，能夠通過的噪聲越少，但是對(duì)導(dǎo)頻相位漂移的限制越大。

數(shù)字化接收機(jī)中鎖相環(huán)的實(shí)現(xiàn)方法： 窄帶濾波器：改用數(shù)字濾波器 壓控振蕩器：用只讀存儲(chǔ)器代替 鑒相器：可以是一組匹配濾波器

2023/7/281013.2.2.無輔助導(dǎo)頻時(shí)的載波提取（自同步法）思路：DSB信號(hào)雖不含載波分量，但對(duì)該信號(hào)進(jìn)行某種非線性變換（如：平方）后－－派生新的頻率分量，就可從中提取同步信息。2023/7/2811（1）平方變換法和平方環(huán)法

發(fā)端：設(shè)調(diào)制信號(hào)中無直流分量，則DSB信號(hào)為：收端：平方變換法模型：經(jīng)平方律部件后:注：雖m(t)中無直流分量，但m2(t)卻有直流分量，故e(t)中第二項(xiàng)包含有2ωc頻率分量，經(jīng)窄帶濾波器可獲成分：二分頻，得:2023/7/2812好處：窄帶、跟蹤、記憶、維持。討論：平方環(huán)適于DSB，2PSK、2DPSK[m2(t)

＝k]；問題：二分頻電路提取出的載波存在π相位模糊問題。

解決？

問題：窄帶濾波器不易實(shí)現(xiàn)。改進(jìn)：用PLL（鎖相環(huán)）代替。載頻輸出帶通濾波平方壓控振蕩環(huán)路濾波鎖相環(huán)s(t)2分頻窄帶濾波2023/7/2813此方案的缺點(diǎn)：

1、相位含糊性：2分頻器的輸出電壓有相差180的兩種可能相位，即其輸出電壓的相位決定于分頻器的隨機(jī)初始狀態(tài)。采用2DPSK體制可以避免此缺點(diǎn)的影響。

2、錯(cuò)誤鎖定：平方后的接收電壓中有可能存在其他的離散頻率分量，使鎖相環(huán)鎖定在錯(cuò)誤的頻率上。解決這個(gè)問題的辦法是降低環(huán)路濾波器的帶寬。2023/7/2814（2）同相-正交環(huán)法（科斯塔斯環(huán)）同相載波正交載波雙PLL環(huán)模型：工作原理a點(diǎn)的壓控振蕩電壓為：b點(diǎn)的壓控振蕩電壓為：c點(diǎn)的電壓：2023/7/2815d點(diǎn)的電壓：e點(diǎn)的電壓：f點(diǎn)的電壓：g點(diǎn)的電壓：上式中的(-)是壓控振蕩電壓和接收載波相位之差。2023/7/2816將m(t)=1代入上式，并考慮到當(dāng)(-)很小時(shí)， sin(-)(-)，則上式變?yōu)殡妷簐g通過環(huán)路濾波器，控制壓控振蕩器的振蕩頻率。這個(gè)電壓控制壓控振蕩器的輸出電壓相位，使(-)盡可能地小。當(dāng)＝

時(shí)，vg

=0。壓控振蕩器的輸出電壓va就是科斯塔斯環(huán)提取出的載波。

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由上式可見，當(dāng)(-)很小時(shí)，除了差一個(gè)常數(shù)因子外，電壓ve就近似等于解調(diào)輸出電壓m(t)。所以科斯塔斯環(huán)本身就同時(shí)兼有提取相干載波和相干解調(diào)的功能。優(yōu)缺點(diǎn)：

1、不需要對(duì)接收信號(hào)作平方運(yùn)算，工作頻率較低。

2、為了得到科斯塔斯環(huán)法在理論上給出的性能，要求兩路低通濾波器的性能完全相同。

3、由鎖相環(huán)原理可知，鎖相環(huán)在(-)值接近0的穩(wěn)定點(diǎn)有兩個(gè)，在(-)等于0和處。所以，科斯塔斯環(huán)法提取出的載頻也存在相位含糊性。2023/7/2818再調(diào)制器法原理方框圖載頻輸出90相移環(huán)路濾波壓控振蕩低通s(t)abcdefg2023/7/2819工作原理 接收信號(hào)和a點(diǎn)振蕩電壓相乘后得到的c點(diǎn)電壓 它經(jīng)過低通濾波后，在d點(diǎn)的電壓為vd實(shí)際上就是解調(diào)電壓，它受b點(diǎn)的振蕩電壓在相乘器中再調(diào)制后，得出的e點(diǎn)電壓等于

上式的ve和信號(hào)s(t)再次相乘，得到在f點(diǎn)的電壓

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vf經(jīng)過窄帶低通濾波后，得到壓控振蕩器的控制電壓 將上式的控制電壓和科斯塔斯環(huán)的控制電壓式比較可見，這兩個(gè)方案中的壓控振蕩器的控制電壓相同。2023/7/282113.2.3載波同步系統(tǒng)的性能指標(biāo)

載波同步系統(tǒng)的主要性能包括：效率、精度、同步建立時(shí)間和同步保持時(shí)間。1、精度

精度是指提取的同步載波與載波標(biāo)準(zhǔn)比較，它們之間的相位誤差大小。（1）穩(wěn)態(tài)相位誤差當(dāng)利用窄帶濾波器提取載波時(shí)，假設(shè)所用的窄帶濾波器為一簡(jiǎn)單單調(diào)諧回路，其Q值一定。那么，當(dāng)回路的中心頻率ω0與載波頻率ωc不相等時(shí)，就會(huì)使輸出的載波同步信號(hào)引起一穩(wěn)態(tài)相差Δφ。若ω0與ωc之差為Δω，且Δω較小時(shí)，可得可見：Q值越高，所引起的穩(wěn)態(tài)相差越大。2023/7/2822（2）隨機(jī)相位誤差

從物理概念上講，正弦波加上隨機(jī)噪聲以后，相位變化是隨機(jī)的，它與噪聲的性質(zhì)和信噪功率比有關(guān)。經(jīng)過分析當(dāng)噪聲為窄帶高斯噪聲時(shí)，隨機(jī)相位差與信噪功率比之間的關(guān)系式為其中：f0回路的中心頻率，A接收信號(hào)幅度。可見：濾波器的Q值越高，隨機(jī)相位誤差越小。2023/7/28232、同步建立時(shí)間和保持時(shí)間

建立時(shí)間

保持時(shí)間可見：要使建立時(shí)間變短，Q值需要減小；要延長(zhǎng)保持時(shí)間，Q值要求增大，因此這兩個(gè)參數(shù)對(duì)Q值的要求是矛盾的。2023/7/2824

3、兩種載波同步方法的比較

直接法的優(yōu)缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾方面：（1）不占用導(dǎo)頻功率，因此信噪功率比可以大一些；（2）防止導(dǎo)頻和信號(hào)間的互相干擾，也可以防止信道不理想引起導(dǎo)頻相位的誤差

;（3）但有的調(diào)制系統(tǒng)不能用直接法（如SSB系統(tǒng)）。插入導(dǎo)頻法的優(yōu)缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在；

（1）有單獨(dú)的導(dǎo)頻信號(hào)，一方面可以提取同步載波，另一方面可以利用它作為自動(dòng)增益控制；（2）有些不能用直接法提取同步載波的調(diào)制系統(tǒng)只能用插入導(dǎo)頻法；（2）與直接法比較，在總功率相同條件下實(shí)際信噪功率比要小一些。2023/7/2825討論：載波相位差對(duì)載波性能的影響設(shè)則2023/7/2826討論：希望：解調(diào)出m(t)，最好：cosθ=1，即θ=0。若

θ=0，x(t)=m(t)/2----正是可希望的

θ≠0，x(t)將衰減cosθ

倍對(duì)模擬信號(hào)，相當(dāng)于功率下降cos2θ倍：S/N↓;

對(duì)數(shù)字信號(hào)，相當(dāng)于能量下降cos2θ倍:2023/7/2827

13.3碼元同步

碼元同步目的：準(zhǔn)確的時(shí)刻對(duì)接收碼元進(jìn)行判決，以及對(duì)接收碼元能量正確積分。

要求：與發(fā)端節(jié)拍一致、相位可調(diào)。

獲取方法：插入導(dǎo)頻法（外同步法）、直接法（自同步法）。

13.3.1.插入導(dǎo)頻法

原理：同于載波同步時(shí)導(dǎo)頻插入法。單/雙極性NRZ部分響應(yīng)系統(tǒng)2023/7/2828部分響應(yīng)系統(tǒng)：2023/7/282913.3.2.自同步法

當(dāng)系統(tǒng)的位同步采用自同步方法時(shí)，發(fā)端不專門發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)，而直接從數(shù)字信號(hào)中提取位同步信號(hào)。自同步法具體又可分為濾波法和鎖相法。（1）波形變換濾波法波形變換：由微分、整流電路構(gòu)成。移相：正弦波，好實(shí)現(xiàn)。2023/7/2830（2）開環(huán)碼元同步法延遲相乘法原理方框圖相乘器輸入和輸出的波形：

延遲相乘后碼元波形的后一 半永遠(yuǎn)是正值；而前一半則 當(dāng)輸入狀態(tài)有改變時(shí)為負(fù)值。 因此，變換后的碼元序列的 頻譜中就產(chǎn)生了碼元速率的 分量。延遲時(shí)間等于碼元時(shí)間一半 時(shí)，碼元速率分量最強(qiáng)。c延遲T/2ab放大限幅窄帶濾波(c)(b)(a)2023/7/2831微分整流法原理同步誤差 若窄帶濾波器的帶寬等于1/KT，其中K為一個(gè)常數(shù)，則提取同步的時(shí)間誤差比例為：

T－碼元持續(xù)時(shí)間；

Eb

－碼元能量；

n0

－單邊噪聲功率譜密度。 只要接收信噪比大，上述方案能保證足夠準(zhǔn)確的碼元同步。低通微分整流窄帶濾波放大限幅式中，－同步誤差時(shí)間的均值；2023/7/2832閉環(huán)碼元同步法基本原理：將接收信號(hào)和本地產(chǎn)生的碼元定時(shí)信號(hào)相比較，使本地產(chǎn)生的定時(shí)信號(hào)和接收碼元波形的轉(zhuǎn)變點(diǎn)保持同步。這種方法類似載頻同步中的鎖相環(huán)法。“超前/滯后門”同步器：原理方框圖超前門滯后門環(huán)路濾波||||+壓控振蕩+-u1u2|u1||u2|e=|u2|-|u1|m(t)門波形產(chǎn)生2023/7/2833Tdd+1-1超前門滯后門(a)同步狀態(tài)(b)超前狀態(tài)d++1-1超前門滯后門T2積分時(shí)間工作原理2023/7/2834存在的問題和解決辦法1、在上面討論中已經(jīng)假定接收信號(hào)中的碼元波形有突跳邊沿。若它沒有突跳邊沿，則無論有無同步時(shí)間誤差，超前門和滯后門的積分結(jié)果總是相等，這樣就沒有誤差信號(hào)去控制壓控振蕩器，故不能使用此法取得同步。這個(gè)問題在所有自同步法的碼元同步器中都存在，在設(shè)計(jì)時(shí)必須加以考慮。此外，由于兩個(gè)支路積分器的性能也不可能做得完全一樣。這樣將使本來應(yīng)該等于零的誤差值產(chǎn)生偏差；當(dāng)接收碼元序列中較長(zhǎng)時(shí)間沒有突跳邊沿時(shí)，此誤差值偏差持續(xù)地加在壓控振蕩器上，使振蕩頻率持續(xù)偏移，從而會(huì)使系統(tǒng)失去同步。2、為了使接收碼元序列中不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間地沒有突跳邊沿，可以在發(fā)送時(shí)對(duì)基帶碼元的傳輸碼型作某種變換，例如改用HDB3碼，或用擾亂技術(shù)，使發(fā)送碼元序列不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間地沒有突跳邊沿。

2023/7/28351、位同步系統(tǒng)的性能指標(biāo)

位同步系統(tǒng)的性能指標(biāo)除了效率以外，主要有以下幾個(gè)：（1）相位誤差（精度）,（2）同步建立時(shí)間,（3）同步保持時(shí)間,（4）同步帶寬。（1）相位誤差θe

由上圖可見一個(gè)碼元周期內(nèi)由晶振及整形電路來的脈沖數(shù)為n個(gè)，因此，最大調(diào)整相位為：

可以看到，隨著n的增加，相位誤差θe將減小。13.3.3位同步系統(tǒng)的性能及相位誤差對(duì)性能的影響2023/7/2836（2）同步建立時(shí)間ts定義：失去同步后重建同步最所需的長(zhǎng)時(shí)間。故同步建立時(shí)間為：（3）同步保持時(shí)間tc

系統(tǒng)因?yàn)闆]有輸入，使得收端位同步信號(hào)的相位就會(huì)逐漸發(fā)生漂移，時(shí)間越長(zhǎng)，相位漂移量越大，直至漂移量達(dá)到某一準(zhǔn)許的最大值，就算失步了。為了使同步建立時(shí)間ts減小，要求選用較小的n，這就和相位誤差θe對(duì)n的要求相矛盾。2023/7/2837式中：F0－－收發(fā)兩端固有碼元重復(fù)頻率的幾何平均值；ΔF－－收發(fā)兩端存在頻差。說明：要想延長(zhǎng)同步保持時(shí)間tc，需要提高收發(fā)兩端振蕩器的頻率穩(wěn)定度。2023/7/28382、位同步相位誤差對(duì)性能的影響假設(shè)：●位同步相位誤差θc－－可用時(shí)間差Te來表示；●解調(diào)器已解調(diào)出基帶數(shù)字信號(hào)，并假定采用MF法檢測(cè)：即對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行積分、取樣和判決；●設(shè)位同步超前接收碼元Te

。2023/7/2839接收碼元:位同步:積分、清洗(最佳接收)E－－可充滿，達(dá)最大值，獲最大能量；E’－－不能充滿，能量損失可見：?相鄰碼元無數(shù)據(jù)變化時(shí)，位同步誤差不影響取樣點(diǎn)的積分能量，獲最大能量E；

?相鄰碼元有數(shù)據(jù)變化時(shí)，能量損失。E’=(1-2Te/T

)E2023/7/2840設(shè)：●相鄰碼元無數(shù)據(jù)變化的概率為P，取樣點(diǎn)積分能量達(dá)E；

●相鄰碼元有數(shù)據(jù)變化的概率為(1-P),取樣點(diǎn)積分能量E’。2PSK最佳接收時(shí)：等概時(shí)：其中：所以：可見：位同步相位差→Pe↑2023/7/2841 13.4群同步---幀同步

13.4.1引言前提：已實(shí)現(xiàn)位同步。任務(wù)：識(shí)別出數(shù)字信息群的起止時(shí)刻，或者說給出每個(gè)群的“開頭”和“末尾”時(shí)刻。實(shí)現(xiàn)方法：自同步：利用數(shù)據(jù)碼組本身之間不同的特性來實(shí)現(xiàn)。外同步：在數(shù)字信息流中插入一些特殊碼字作為每個(gè)群的頭尾標(biāo)記，接收端據(jù)其位置實(shí)現(xiàn)群同步。 ●連貫式插入法 ●間隔式插入法重點(diǎn)：外同步。2023/7/2842●連貫式插入法

●間隔式插入法信息碼組同步碼組信息碼組信息碼組信息碼組同步碼組同步碼組適用于要求快速建立同步的地方，或間斷傳輸信息并且每次傳輸時(shí)間很短的場(chǎng)合。信息碼組信息碼組信息碼組同步碼元同步碼元同步碼組同步碼元同步碼元適用于連續(xù)傳輸信息之處，例如數(shù)字電話系統(tǒng)中。2023/7/2843同步電路的狀態(tài)：捕捉態(tài)：在捕捉態(tài)時(shí)，確認(rèn)搜索到群同步碼的條件必須規(guī)定得很高，以防發(fā)生假同步。保持態(tài)：一旦確認(rèn)達(dá)到同步狀態(tài)后，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入保持態(tài)。在保持態(tài)下，仍須不斷監(jiān)視同步碼的位置是否正確。但是，這時(shí)為了防止因?yàn)樵肼曇鸬膫€(gè)別錯(cuò)誤導(dǎo)致認(rèn)為失去同步，應(yīng)該降低判斷同步的條件，以使系統(tǒng)穩(wěn)定工作。2023/7/284413.4.2起止同步法結(jié)構(gòu)：缺點(diǎn)：止脈沖與碼元寬度不同，給同步數(shù)字傳輸帶來不便； 傳輸效率低：67%

。2023/7/284513.4.3連貫式插入法

連貫式插入法：在每群的開頭集中插入群同步碼字的同步方法。 例：PCM30/32同步碼字－－特殊碼字：●局部自相關(guān)特性有尖銳的峰值； ●在信息碼元序列中不易出現(xiàn)以便識(shí)別； ●識(shí)別器要簡(jiǎn)單。最常用的群同步碼字：“巴克碼”。

1、巴克碼

定義：一個(gè)長(zhǎng)為n的碼組{x1,x2,x3,…,xn}，其中xi

取值±1，其局部自相關(guān)函數(shù)滿足則稱該碼組為巴克碼。???信息碼標(biāo)識(shí)碼一幀2023/7/2846表13-1巴克碼字位數(shù)n巴克碼字2++；–+3++–4+++–；++–+5+++–+7+++–

–+–11+++–

–

–+–

–+–13+++++–

–++–+–+表中+表示+1，–表示–1例：7位巴克碼2023/7/2847集中插入法群同步碼檢測(cè)流程

初始化(將同步狀態(tài)設(shè)為捕捉態(tài))移1位開始N等待下一同步碼組Y保持態(tài)捕捉態(tài)NY計(jì)算R(j)(N-2)?計(jì)算R(j)=N?2、巴克碼識(shí)別器2023/7/28482023/7/284913.4.4分散插入法：原理：通常，分散插入法的群同步碼都很短。例如，在數(shù)字電話系統(tǒng)中常采用“10”交替碼，即在下圖所示的同步碼元位置上輪流發(fā)送二進(jìn)制數(shù)字“1”和“0”。 這種有規(guī)律的周期性地出現(xiàn)的“10”交替碼，在信息碼元序列中極少可能出現(xiàn)。因此在接收端有可能將同步碼的位置檢測(cè)出來。信息碼組信息碼組信息碼組同步碼元同步碼元同步碼組同步碼元同步碼元2023/7/2850

在接收端，為了找到群同步碼的位置，需要按照其出現(xiàn)周期搜索若干個(gè)周期。若在規(guī)定數(shù)目的搜索周期內(nèi)，在同步碼的位置上，都滿足“1”和“0”交替出現(xiàn)的規(guī)律，則認(rèn)為該位置就是群同步碼元的位置。至于具體的搜索方法，由于計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，目前多采用軟件的方法，不再采用硬件邏輯電路實(shí)現(xiàn)。

2023/7/2851軟件搜索方法移位搜索法1、系統(tǒng)開始處于捕捉態(tài)。2、對(duì)接收碼元逐個(gè)考察，若考察的第一個(gè)接收碼元就發(fā)現(xiàn)它符合群同步碼元的要求，則暫時(shí)假定它就是群同步碼元；3、在等待一個(gè)周期后，再考察下一個(gè)預(yù)期位置上的碼元是否還符合要求。若連續(xù)n個(gè)周期都符合要求，就認(rèn)為捕捉到了群同步碼。4、若第一個(gè)接收碼元不符合要求或在n個(gè)周期內(nèi)出現(xiàn)一次被考察的碼元不符合要求，則推遲一位考察下一個(gè)接收碼元。直至找到符合要求的碼元并保持連續(xù)n個(gè)周期都符合為止；這時(shí)捕捉態(tài)轉(zhuǎn)為保持態(tài)。

5、在保持態(tài)，同步電路仍然要不斷考察同步碼是否正確，但是為了防止考察時(shí)因噪聲偶然發(fā)生一次錯(cuò)誤而導(dǎo)致錯(cuò)認(rèn)為失去同步，一般可以規(guī)定在連續(xù)n個(gè)周期內(nèi)發(fā)生m次(m<n)考察錯(cuò)誤才認(rèn)為是失去同步。這種措施稱為同步保護(hù)。在下圖中畫出了上述方法的流程圖。2023/7/2852Y初始化開始同步狀態(tài)移一位是同步碼？記數(shù)器A記到n？記數(shù)器A加1N狀態(tài)轉(zhuǎn)換YYN置0是同步碼？記數(shù)器B加1記數(shù)器B記到m？N記數(shù)器C加1Y記數(shù)器C記到n？置0保持態(tài)捕捉態(tài)將同步狀態(tài)設(shè)為捕捉態(tài)將各記數(shù)器置02023/7/2853新碼元進(jìn)入老碼元輸出檢驗(yàn)是否“1”和“0”交替08007x06x05x04x03x02x01x16115x14x13x12x11x10x09x24023x22x21x20x19x18x17x32131x30x29x28x27x26x25x40039x38x37x36x35x34x33x存儲(chǔ)檢測(cè)法：

1、先將接收碼元序列存在計(jì)算機(jī)的RAM中，再進(jìn)行檢驗(yàn)。下圖畫出了一個(gè)RAM的示意圖，它按先進(jìn)先出(FIFO)的原理工作：2023/7/28542、圖中畫出的存儲(chǔ)容量為40b，相當(dāng)于5幀信息碼元長(zhǎng)度，每幀長(zhǎng)8b，其中包括1b同步碼。3、在每個(gè)方格中，上部陰影區(qū)內(nèi)的數(shù)字是碼元的編號(hào)，下部的數(shù)字是碼元的取值“