通信系統原理教程同步

通信教研室楊春萍2023/2/51第22講同步本講內容概述載波同步方法位同步群同步網同步2023/2/52第22講同步概述同步需要解決的問題載波同步位同步群同步網同步解決同步問題的代價增加相應的硬件和軟件以及增加傳輸同步信息，相應地增加傳輸同步信息所需的傳輸時間和傳輸能量。返回2023/2/53第22講同步插入導頻法直接提取法載波同步性能載波同步方法返回2023/2/54第22講同步

7.2.1插入導頻法 例：2PSK信號。在發送端：插入正交導頻

m(t)頻譜中的最高頻率為fm

f0

–fmf0

+fm0f0f導頻2023/2/55第22講同步在接收端： 用窄帶濾波器濾出導頻分量，并將其移相/2，變成sin0t，然后用它和接收信號相乘。 設接收信號仍用s0(t)表示，則此乘積為 濾除20頻率分量，就可以恢復出原調制信號m(t)。若不用正交導頻，接收端輸出將增加直流分量。2023/2/56第22講同步原理方框圖相乘電路帶通濾波相加電路/2相移載波產生(a)發送端原理方框圖帶通濾波相乘電路低通濾波/2相移窄帶濾波(b)接收端原理方框圖圖7.2.2插入導頻法原理方框圖2023/2/57第22講同步7.2.2直接提取法平方法原理 對于沒有載波分量的信號，例如2PSK信號， 設接收信號為s(t)： 式中，m(t)為調制信號，它無直流分量。 將此接收信號平方后，得到 用窄帶濾波器將上式中2f0分量濾出，經過二分頻，就得出載頻f0的分量。原理方框圖如下：S(t)S2(t)窄帶濾波二分頻平方f02f02023/2/58第22講同步存在問題：二分頻電路的初始狀態是隨機的，使分頻輸出的初始相位有兩種可能狀態：0和,即相位是模糊的用鎖相環代替窄帶濾波器的方案原理方框圖優點：輸出信號具有更好的穩定性，并且不必須有連續的輸入信號。平方二分頻壓控振蕩相乘環路濾波2f0S(t)S2(t)f0鎖相環2023/2/59第22講同步科斯塔斯環法－同相正交環法原理方框圖原理 設：接收信號仍為抑制載波的雙邊帶信號s(t)，本地載波電壓為 式中，為信號和本地載波的相位差。bes(t)c/2移相相乘壓控振蕩環路濾波低通相乘低通相乘adfg解調輸出2023/2/510第22講同步

輸入信號s(t)和本地載波相乘后得到 經過低通濾波后，它們分別為： 和 上面這兩個電壓再相乘后得到 上式中，是本地載波相位與接收信號載波相位之差。

vg經過環路濾波器后加到壓控振蕩器上，控制其振蕩頻率。 當

=0時，vg=0，這時振蕩器的控制電壓也等于0。2023/2/511第22講同步結論：此壓控振蕩器的輸出電壓va就是從接收信號中提取的載波，可以用來進行相干接收。e點電壓ve就是解調輸出電壓，因為它近似等于m(t)/2。優缺點：不需要用平方電路，它在頻率很高時較難實現。若要求得到最佳性能，則需要兩路低通濾波器的性能完全一致，這對于模擬電路來說較難做到，但是若用數字電路則不難做到。仍存在相位模糊問題。2023/2/512第22講同步從多進制信號中提取載頻以QPSK信號為例，說明平方法的原理。 設：一個QPSK信號的表示式為 式中， 對其平方后，得到 對于先驗等概率的QPSK信號，上式中的“”號表示其中的20分量的平均功率等于零，即其頻譜中沒有20的分量。因此，需要濾除其中的直流分量后，再次平方，得到 上式中含有4f0的分量。將它濾出并4分頻，即可得到載頻f0分量。2023/2/513第22講同步QPSK信號提取載頻的科斯塔斯環原理方框圖s(t)相乘/4移相低通相乘相乘壓控振蕩環路濾波低通解調輸出相乘/2移相相乘3/4移相低通低通2023/2/514第22講同步7.2.3載波同步性能載波同步精確度： 兩種相位誤差：1.由電路參量引起的恒定誤差；

2.由噪聲引起的隨機誤差。恒定誤差由濾波器引起的誤差 設：窄帶濾波器由一個單諧振電路組成，則由其引起的附加相移等于由鎖相環引起的誤差 設鎖相環的穩態相位誤差為，則有 式中，f－fq和

f0之差，

Kq

－鎖相環路直流增益。2023/2/515第22講同步隨機誤差：噪聲引起的相位誤差n是隨機量

在加性高斯噪聲信道中，n的方差與信噪比r的關系為： 式中，－相位抖動；

r－信號噪聲功率比。恒定誤差和隨機誤差對于Q值的要求是矛盾的。同步建立時間和保持時間同步建立時間－從開始接收到信號或從系統失步狀態到提取出穩定的載頻所需要的時間－越短越好。同步保持時間－從開始失去信號到失去載頻同步的時間－越長越好。兩者是矛盾的。2023/2/516第22講同步載波同步誤差對2PSK信號誤碼率的影響相位誤差包括兩部分：

＝

＋

式中，－恒定誤差

－隨機誤差∵解調輸出為 式中cos引起信號電壓下降，

∴信號噪聲功率比r下降為cos2倍。因此，誤碼率下降為 式中，r為信號噪聲功率比。2023/2/517第22講同步載波同步誤差引起的信號波形失真 例如，會使單邊帶信號產生失真。 設有一單頻基帶信號： 用它對載波cos0t進行單邊帶調制后，取出上邊帶信號： 若接收端的本地載波有相位誤差，則兩者相乘后得到 經過低通濾波器濾出的低頻分量為 上式中，第1項的因子cos使原調制基帶信號受到衰減；第2項和第1項正交，它使接收信號產生失真，產生碼間串擾。返回2023/2/518第22講同步位同步外同步－碼元同步自同步位同步誤差對誤差率的影響返回2023/2/519第22講同步

7.3.1外同步法－輔助信息同步法原理：于發送端信號中插入頻率為碼元速率（1/T）或碼元速率的倍數的位同步信號。 在接收端利用一個窄帶濾波器，將其分離出來，并形成碼元定時脈沖。插入位同步信號的方法：時域：連續插入、不連續插入（“位同步頭”）頻域：信號頻帶外插入、信號頻帶內“空隙”處插入。優缺點：設備較簡單；但占用一定的帶寬和發送功率。

7.3.2自同步法開環碼元同步法－同步電路直接從輸入碼流中提取發送碼流的時鐘。 下面給出3個具體方案。2023/2/520第22講同步波形變換法2023/2/521第22講同步延遲相乘法2023/2/522第22講同步微分整流法時間誤差：若窄帶濾波器的帶寬等于1/KT

，則 當式中，－同步誤差時間；

T

－碼元持續時間；

Eb

－碼元能量；

n0

－單邊噪聲功率譜密度。因此，只要接收信噪比大，上述方案能保證足夠準確的碼元同步。開環法主要缺點：存在非零平均同步跟蹤誤差。2023/2/523第22講同步閉環碼元同步法－“超前/滯后門”同步器相乘門波形產生超前門滯后門m(t)相乘壓控振蕩u1u2環路濾波

||

||

++-|u1||u2|e=|u2|-|u1|Tdd+1-1超前門滯后門(a)同步狀態(b)超前狀態d++1-1超前門滯后門T2積分時間2023/2/524第22講同步7.3.3位同步誤差對于誤碼率的影響

若位同步時間誤差為，則積分時間將損失2，積分得到的碼元能量將減小為Eb(1-2/T)；在相鄰碼元沒有突變邊沿時，則積分時間沒有損失。

∴對于等概率隨機碼元信號，有突變的邊沿和無突變的邊沿各占1/2。 例：2PSK信號的最佳誤碼率等于 故在有相位誤差時的平均誤碼率為返回2023/2/525第22講同步群同步概述集中插入法分散插入法群同步性能返回2023/2/526第22講同步

7.4.1概述

群同步信息的傳遞1.碼組本身自帶分組信息

2.插入群同步碼

分散插入

集中插入

(a)分散插入法……群同步序列群同步碼元群同步碼元群同步碼元信號碼元群信號碼元群群同步碼元信號碼元群(a)集中插入法群同步碼組群同步碼組群同步碼組群同步碼組信號碼元群信號碼元群信號碼元群………2023/2/527第22講同步集中插入：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間很短的場合分散插入：需要較長的同步建立時間。故適用于連續傳輸信號之處，例如數字電話系統中同步電路的兩種狀態：捕捉態和保持態。起止式同步法： 主要適用于低速的手工操作的電傳打字機中。 起止式同步通信有時也稱為異步式通信，因為其碼元間隔不等。起止止123452023/2/528第22講同步

7.4.2集中插入法原理

設有一個碼組，它包含N個碼元{x1,x2,…,xN}，則其局部自相關函數（下面簡稱自相關函數）等于： 式中，N

－碼組中的碼元數目；

xi

－碼元的取值，可以取+1或-1。 當j=0時，

上式在運算中，已假定當1>i

和i>N時，xi=0。 若一個碼組僅在R(0)處出現峰值，其他處的R(j)均很小，則可以用求自相關函數的方法對于接收碼元序列運算，尋找峰值，從而確定此碼組的位置。2023/2/529第22講同步巴克碼定義： 巴克碼尚未找到一般構造方法N巴克碼1＋2＋＋或＋－3＋＋－4＋＋＋－或＋＋－＋5＋＋＋－＋7＋＋＋――＋－11＋＋＋―――＋――＋－13＋＋＋＋＋――＋＋－＋－＋2023/2/530第22講同步自相關函數值：以N=5的巴克碼為例R(0)=5xixixi2xi+1xixi+1xiR(1)=0xi+2xixixi+2R(2)=1xi+3xixixi+3R(3)=0xi+4xixixi+4R(4)=10-1 53214123-4-1-3-2jR(j)2023/2/531第22講同步威拉德(Willard)碼： 對于隨機相鄰碼元能給出最小錯誤同步概率。N威拉德碼1＋2＋－3＋＋－4＋＋－－5＋＋－＋－7＋＋＋―＋――11＋＋＋―＋＋―＋―――13＋＋＋＋＋――＋－＋―――2023/2/532第22講同步集中插入法的實現一旦發現自相關值等于同步碼組的長度N時，就認為捕捉到了同步，并將系統從捕捉態轉換為保持態。繼續考察同步位置上的接收碼組是否仍然具有等于N的自相關值。當系統失去同步時，自相關值立即下降。因為噪聲也可能引起自相關值下降。所以為了保護同步狀態不易被噪聲等干擾打斷，在保持狀態時要降低對自相關值的要求。判定系統失步后，系統轉入捕捉態，從新捕捉同步碼組。2023/2/533第22講同步

7.4.3分散插入法－間隔式插入法例：在數字電話系統中常采用的“1/0”交替碼……群同步序列…..1010101010…群同步碼元群同步碼元群同步碼元信號碼元群信號碼元群群同步碼元信號碼元群PPP2023/2/534第22講同步同步碼搜索方法移位搜索法Y初始化開始同步狀態移一位是同步碼？記數器A記到n？記數器A加1N狀態轉換YYN置0是同步碼？記數器B加1記數器B記到m？N記數器C加1Y記數器C記到n？置0保持態捕捉態將同步狀態設為捕捉態將各記數器置02023/2/535第22講同步存儲檢測法0102030405060708xxxxxxx00910111213141516xxxxxxx

11718192021222324xxxxxxx

02526272829303132xxxxxxx

13334353637383940xxxxxxx0新碼元進入老碼元輸出檢驗是否“1/0”交替2023/2/536第22講同步

7.4.4群同步性能漏同步概率Pl

：將正確同步位置漏過的概率。 設：接收碼元錯誤概率為p， 需檢驗的同步碼元數為n， 檢驗時容許錯誤的最大碼元數為m， 則未漏判定為同步碼的概率等于 所以，漏同步概率等于 當不允許有錯誤時，即設定m=0時，則上式變為2023/2/537第22講同步假同步概率Pf

： 將錯誤同步位置當作正確同步位置捕捉到的概率。 設：信息碼元“1”和“0”出現的先驗概率相等，假同步是由某個信息碼組被誤認為同步碼組造成的，步碼組長度為n， 則n位的信息碼組有2n種排列。它被錯當成同步碼組的概率和容許錯誤碼元數m有關。若不容許有錯碼，即m=0，則只有一種可能，即信息碼組中的每個碼元恰好都和同步碼元相同。若m=1，則有Cn1種可能。因此假同步的總概率為 式中，分母2n是全部可能出現的信息碼組數。當m增大時，漏同步概率減小，但假同步概率增大。所以，兩者是矛盾的。返回2023/2/538第22講同步網同步概述開環法閉環法返回2023/2/539第22講同步

7.5.1概述目的：解決網中各站的載波同步、位同步和群同步等問題單向通信：由接收機解決網同步問題。多用戶系統：由整個終端站（發射機和接收機）解決同步 問題。終端站發射機同步方法：有開環和閉環兩種。開環法：不需依靠對中心站上接收信號參量的測度， 它依靠的是準確的可以預測的鏈路參量。優點：捕捉快、不需要反向鏈路也能工作和實時算量小。缺點：需要外部有關部門提供所需的鏈路參量數 據，并且缺乏靈活性。2023/2/540第22講同步閉環法：不需要預先得知鏈路參量的數據，中心站需要度量來自終端站的信號的同步準確度，并將度量結果通過反向信道送給終端站，使其作出調整。優點：不需要外部供給有關鏈路參量的數據，能及時適應路徑和鏈路情況的變化。缺點：終端站需要有較高的實時處理能力，并且每個終端站和中心站之間要有雙向鏈路。此外，捕捉同步也需要較長的時間。

2023/2/541第22講同步

7.5.1開環法兩類開環法：1.不利用反向鏈路提供的信息，

2.利用反向鏈路提供的信息。例：

1.衛星通信系統－不利用反向鏈路提供的信息時預先校正時間：終端站發射機需要計算信號到達中心站的時間： 式中，Tt

－實際發送開始時間；

d－傳輸距離；c－光速。預先校正發送頻率：考慮多譜勒頻移后，發送頻率應該等于 式中， V

－相對速度（距離縮短時為正）；

f0

－標稱發送頻率。2023/2/542第22講同步時間預測的誤差 式中， re

－距離估值的誤差；

t

－發射機處和接收機處參考時間之差。頻率預測誤差 式中，Ve

－發射機和接收機間相對速度的測量值誤差 或預測值的誤差；

f

－發射機和接收機參考頻率間的誤差。參考頻率最大容許誤差(Hz/Hz/day)

2023/2/543第22講同步頻率偏移隨時間線性增大值 式中，f(T)－在時間T內增大的頻率偏移；

f(0)－初始（t=0時）頻率偏移；

T

－時間（天）。積累的時間偏差t(T)

由上式可以看出，參考時間誤差隨時間按平方律增長。通常必須定期地更新終端站的接收機定時數據，或重新將接收機和發射機的參考時間設置到標稱時間。

2023/2/544第22講同步

2.衛星通信系統－利用反向鏈路提供的信息時對下行鏈路信號測量得到的t和f的誤差，可以用于計算對上行傳輸的校正。若終點站有來自中心站的反向（下行）鏈路，并能夠將本地參考和輸入信號參量作比較，則兩次校準的時間間隔可以更長些。終端站能夠利用對反向鏈路信號測量進行同步的方法有時稱為準閉環發射機同步法。若已知參考時間和參考頻率是準確的，但是鏈路的路徑有變動，則對下行鏈路的同樣測量也可以用于解決距離或速度不確定的問題，從而預先校正上行信號的定時和頻率。2023/2/545第22講同步

7.5.2閉環法閉環法需要終端站發送特殊的同步信號，用以在中心站決定信號的時間和頻率誤差。所得結果并在反向（下行）鏈路上反饋給終端站發射機。若中心站具有足夠的處理能力，則中心站可以進行實際的誤差測量；并將誤差送回給終端站發射機。優點：1.在反向鏈路上傳送的誤差測量結果很短。

2.在中心站上的誤差測量手段能夠被所有終端共 享。這大量節省了系統的處理能力。若中心站沒有處理能力，則