《现代通信原理 教学课件 PPT 作者 樊昌信 第9章 同 步》由会员分享，可在线阅读，更多相关《现代通信原理 教学课件 PPT 作者 樊昌信 第9章 同 步（88页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第9章 同 步,在数字通信系统中，同步是指收发双方在时间和频率上步调一致。 接收端在进行信号检测之前，需要建立各种同步，包括载波同步、位同步和群同步等。,9.1 载 波 同 步,载波同步的方法可以分为两大类。第一类是在发送端的发送信号中插入一个专门用于载波同步的导频。 导频通常是一个或几个特定频率的未经调制的正弦波。,在接收端提取出导频，利用此导频的频率和相位来决定本地产生的载波频率和相位。 第二类是在接收端设法从有用信号中直接提取出载波，而不用发送专门的导频。,9.1.1 插入导频法 插入导频法主要用于接收信号频谱中没有离散载频分量，且在载频附近频谱幅度很小的情况。 下面以2PSK信号为例，
2、,“0”和“1”等概发送时，2PSK可以看作是抑制载波的双边带调幅。 在此方案中插入导频的相位与原调制载波的相位正交，如图9-1所示。,图9-1 抑制载波双边带信号的导频插入,插入导频法发端框图如图9-2所示。,图9-2 插入导频法发端框图,图9-2中a、b、c三点的波形分别如图9-3、图9-4、图9-5所示。,图9-3 发端a点的波形,图9-4 发端b点的波形,图9-5 发端 c点的波形,将图9-5中e(t)的波形加到图9-6中的输入端，则图9-6中a、b、c、d点的波形分别如图9-7、图9-8、图9-9和图9-10所示。,图9-6 插入导频法收端方框图,图9-7 收端a点的波形,图9-8
3、收端b点的波形,图9-9 收端c点的波形,图9-10 收端d点的波形,9.1.2 直接法 对于没有载波分量的信号，可以用非线性变换或其他处理方法得到包含与载波分量相关的离散频率分量，再通过滤波，频率分解与合成等处理后，可以获得载波分量，这种方法称为直接法，也称为自同步法。 2PSK等信号最常用的直接法有平方变换法和平方环法。,在平方变换法中，接收到的2PSK信号可以表示为 （9-3）,式（9-3）中，s(t)为双极性数字基带信号。 将此接收信号首先进行平方运算，有 （9-4）,由（9-4）式可见，平方运算后的信号中包含载波二倍频的离散分量和基带信号的平方项，因而采用窄带滤波器可提取出载波二倍频
4、的离散分量，再经过二分频，就得出载频fc。 平方变换法提取载频的原理框图如图9-11所示。,图9-11 平方变换法提取载波原理框图,下面通过图9-11中各点的波形来进一步了解平方变换法的工作原理。 如果s(t)为双极性不归零升余弦脉冲调制信号，则a、b、c、d点的波形分别如图9-12、图9-13、图9-14、图9-15所示，图中T为信号抽样周期。,图9-12 平方变换法中 a点波形,图9-13 平方变换法中b点波形,图9-14 平方变换法中c点波形,图9-15 平方变换法中d点波形,在平方变换法中用锁相环替代窄带滤波器，则构成平方环法，其原理框图如图9-16所示。,图9-16 平方环法提取载波
5、,9.1.3 载波同步系统的性能及相位误差对解调性能的影响 1载波同步系统的性能 载波同步系统主要包括4个方面的性能指标，分别是效率、精度、同步建立时间和同步保持时间。 效率是指系统的功率利用率，即系统实现载波同步要尽量少消耗发送功率。,精度是指接收端提取的本地载波与接收信号中所含有的标准载波间的相位误差，相位误差越小，精度越高。 同步建立时间是指从开机或载波失步到载波同步所消耗的时间。 同步保持时间是指载波同步建立后，若同步信号消失，系统还能维持载波同步的时间。,2本地载波相位误差对解调性能的影响 对解调性能的影响主要体现为所提取的本地载波与接收信号中的载波间有相位误差 。,一般情况下，相位
6、误差 不仅引起信噪比下降，而且还引起输出波形失真。 在数字通信中，波形失真会产生码间干扰，使误码率大大增加，因此，应尽可能使 减小。,9.2 位 同 步,位同步也称为码元同步，是数字通信中接收端对收到的信号码元进行抽样判决的时间基准，位同步的精度对系统性能具有重要的影响。 同载波同步类似，位同步的方法也有两种：插入导频法和直接法。,9.2.1 插入导频法 插入导频法在此基带信号的频率 处插入导频，如图9-17所示。,图9-17 插入导频法频谱图,在采用双极性波形的基带系统中，位同步的插入导频法在发端的框图如图9-18所示。,图9-18 插入导频发端框图,若基带信号采用升余弦波形，图9-18中a
7、、b、c点的波形分别如图9-19、图9-20和图9-21所示。,图9-19 发端框图中a点的波形,图9-20 发端框图中b点的波形,图9-21 发端框图中c点的波形,在接收端提取位同步的框图如图9-22所示。,图9-22 接收端位同步信号提取框图,图9-23 接收端框图中a点的波形,图9-24 接收端框图中b点的波形,图9-25 接收端框图中c点的波形,图9-26 接收端框图中d点的波形,9.2.2 直接法 直接法就是从接收到不含位同步离散分量的基带信号中直接提取位同步信号分量。,1非线性变换滤波法 为了使基带信号功率谱密度中包含与位同步相关的离散分量，可以对基带信号进行非线性变换，使变换后的
8、基带信号中含有位同步信号的离散谱，经过中心频率 为 的窄带滤波器，滤出位同步信 号，再移相整形后，形成位同步脉冲，其原理框图如图9-27所示。,图9-27 非线性变换滤波法原理框图,图9-28所示是微分整流非线性处理过程和位同步信号提取过程的波形图。,图9-28 非线性变换滤波法原理波形,2锁相环法 锁相环法是利用本地位同步信号与接收信号中所含位同步信号之间的误差控制本地位同步信号振荡器，使其输出与接收码元同频同相的位同步信号。 常用的方法有迟早锁相环法和数字锁相法。 迟早锁相环法的原理框图如图9-29所示。,图9-29 迟早锁相环原理框图,图9-30所示给出了迟早锁相环法的工作波形。,图9-
9、30 迟早锁相环工作波形图,9.2.3 位同步误差对误码率的影响 接收端提取的位同步信号与实际接收码元的位置之间存在的时间误差，使接收端对接收信号进行抽样的时刻偏离最佳判决时刻，从而使抽样中所包含的有用信号分量数值减小，并且还可能引入码间干扰，使进入判决器的信号的信噪比下降，导致系统误码率增大。,9.3 帧 同 步,帧同步又称为群同步，其主要任务就是从接收码元中识别数据帧的起始和结束位置。 系统对帧同步的基本要求为： 正确同步概率大，假同步概率小； 初始同步时，捕获时间要短； 捕捉后，同步保持时间要长； 在数据帧中专门用于同步的冗余度要小。,实现帧同步的方法通常有两类，一类是外同步法，即在数字
10、信息流中插入一些特殊码组作为每群的头尾标记，接收端根据这些特殊码组的位置就可以实现帧同步；另一类方法是自同步法，类似于载波同步和位同步中的直接法，它不需要外加特殊码组，利用数据本身所具有的特殊性质来实现帧同步。,9.3.1 连贯式插入法 连贯式插入法就是在一帧数据中的某一位置集中插入用于帧同步的特殊码组，故又称为集中插入法。 帧同步的特殊码组一般插入到一帧数据的起始位置。 接收端通过检测帧同步码组，确定一帧数据的起止位置，从而实现帧同步。,1对帧同步码组的要求 为了达到系统对帧同步的基本要求，选择帧同步码组通常考虑3个方面的原则：第一，帧同步码组与信息码元序列中同长度码组相同的概率小，即将信息
11、码元误认为帧同步码组的概率要小；第二，帧同步码组的局部自相关函数应该具有尖锐的单峰特性，即易于识别；第三，帧同步码组的识别器应该尽量简单。,最常用的帧同步码组是巴克码,2巴克码 常用的巴克码组如表9-1所示。,以5位巴克码组 为例，其局部自相关函数R( j )在j = 0, 1, 2，3，4，5时的R( j )值分别为5, 0, 1，0，1，0。 其图形如图9-31所示。,图9-31 5位巴克码的自相关函数,根据巴克码组具有尖锐的局部自相关特性，在接收端通常采用数字序列相关的方法进行码组识别，以获得帧同步信号。,巴克码组识别器是一个典型的数字序列相关器，它包括数字序列移位寄存器、加法器和判决器
12、3个部分构成。,图9-32 5位巴克码识别器,9.3.2 间隔式插入法 间隔式插入法又称分散插入法。 它将用于帧同步的特殊码组分散地插入于信息码元序列中，如图9-33所示。 在图中，发送端将用于帧同步的特殊码组的各个代码分别插入到不同的数据帧中。,在接收端，为了找到帧同步码的位置，需要按照特殊码组码元插入数据帧中的周期P进行搜索；若在规定数目的所有搜索周期内，在间隔为P的位置上，得到与特殊码组相同的码组，则认为该位置就是帧同步码的位置。,至于具体的搜索方法，主要有两种，第一种是移位搜索法，第二种方法称为RAM帧码检测法。,图9-33 间隔插入法原理,移位搜索法又称为逐码移位法，,图9-34 移
13、位搜索法流程图,第二种方法是RAM帧码检测法又称为存储检测法。,9.3.3 帧同步性能 帧同步性能指接收端从接收到的数据帧中利用帧同步码组识别器正确检测出帧同步的性能。 帧同步常用的性能指标有3个：漏同步概率、假同步概率和同步建立时间。,1漏同步概率 漏同步概率是指用于帧同步的码组在传输过程中出现错误而没有被识别出的概率。,码元传输错误概率为p，需检测的帧同步码组的长度为N，检测时帧同步码组中允许出现的最大错误码元数为m，即帧同步码组中错误码元数不超过m时仍能正确识别出帧同步，则帧同步码组被识别出的概率为 （9-7）,为N中取r的组合数。 因而漏同步概率为 （9-8）,当不允许有错误，即设定m=0时，则上式变为 （9-9） 这就是不允许有错同步码元时漏同步的概率。,2假同步概率 假同步概率是指在信息序列中出现与帧同步码组相同的序列，并被帧同步码组识别器错误识别为帧同步的概率。,同步码组长度为N，长度为N位的信息码组有2N种。 因此假同步的概率为 （9-10）,3同步平均建立时间 若系统码元传输速率为RB，一帧数据包含L个信息码元，帧同步码组的长度为N，帧同步码组识别器的漏同步概率为P1，假同步概率为P2，则帧同步的平均建立时间为1 （9-11）,
