通信原理之同步ppt课件.ppt

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第7章同步通信原理课程组1 目标要求一、基本要求1、掌握载波同步、位同步、群同步、网同步的概念；2、掌握载波同步的方法及载波同步的性能分析；3、掌握位同步方法及位同步误差对误码率的影响；4、掌握群同步方法及群同步的性能分析；5、掌握网同步方法。2 主要内容7.1概述7.2载波同步方法7.3位同步7.4群同步7.5网同步小结思考题、习题3 7.1概述信源发送端接收端信道编码调制信道压缩编码解调信宿保密解码信道解码压缩解码保密编码噪声同步信源编码信源解码数字通信系统模型4 7.1概述一、同步需要解决的问题要实现信号的正确传输，要求接收机产生的信号与发射机发送过来的信号具有相同的频率与相位关系，称具有相同频率和相位的时间关系的两信号为同步信号。载波同步数字信号同步位同步群同步（字同步）网同步返回5 7.2载波同步方法在发送端的发送信号中插入一个专门的导频用于载波同步；在接收端设法从有用信号中直接提取载波。6 7.2载波同步方法一、插入导频法例：2PSK信号1.在发送端：插入正交导频m(t)频谱中的最高频率为fmf0–fmf0+fm0f0f导频7 7.2载波同步方法－插入导频法2.在接收端：用窄带滤波器滤出导频分量，并将其移/2，变成sin0t，然后用它和接收信号相乘。设接收信号仍用s0(t)表示，则此乘积为滤除20频率分量，就可以恢复出原调制信号m(t)。若不用正交导频，接收端输出将增加直流分量。8 7.2载波同步方法－插入导频法3.原理方框图相乘电路带通滤波相加电路/2相移载波产生(a)发送端原理方框图带通滤波相乘电路低通滤波/2相移窄带滤波(b)接收端原理方框图9 7.2载波同步方法二、直接提取法1、平方法（1）原理对于没有载波分量的信号，例如2PSK信号，设接收信号为s(t)：式中，m(t)为调制信号，它无直流分量。将此接收信号平方后，得到10 用窄带滤波器将上式中2f0分量滤出，经过二分频，就得出载频f0的分量。原理方框图如下：S(t)S2(t)窄带滤波二分频平方f02f07.2载波同步方法－直接提取法11 存在问题：二分频电路的初始状态是随机的，使分频输出的初始相位有两种可能状态：0和,即相位是模糊的。用锁相环代替窄带滤波器的方案原理方框图优点：输出信号具有更好的稳定性，并且不必须有连续的输入信号。平方二分频压控振荡相乘环路滤波2f0S(t)S2(t)f0锁相环7.2载波同步方法－直接提取法12 7.2载波同步方法－直接提取法（2）科斯塔斯环法－同相正交环法原理方框图bes(t)c/2移相相乘压控振荡环路滤波低通相乘低通相乘adfg解调输出13 原理设：接收信号仍为抑制载波的双边带信号s(t)，本地载波电压为式中，为信号和本地载波的相位差。7.2载波同步方法－直接提取法14 7.2载波同步方法－直接提取法输入信号s(t)和本地载波相乘后得到15 7.2载波同步方法－直接提取法经过低通滤波后，它们分别为：和上面这两个电压再相乘后得到上式中，是本地载波相位与接收信号载波相位之差。vg经过环路滤波器后加到压控振荡器上，控制其振荡频率。16 7.2载波同步方法三、载波同步性能1.载波同步精确度：两种相位误差：1.由电路参量引起的恒定误差；2.由噪声引起的随机误差。17 7.2载波同步方法－载波同步性能2.同步建立时间和保持时间同步建立时间－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－越短越好。同步保持时间－从开始失去信号到失去载频同步的时间－越长越好。两者是矛盾的。18 7.2载波同步方法－载波同步性能3.载波同步误差对2PSK信号误码率的影响相位误差包括两部分：＝＋式中，－恒定误差－随机误差∵解调输出为式中cos引起信号电压下降，∴信号噪声功率比r下降为cos2倍。因此，误码率下降为式中，r为信号噪声功率比。返回19 7.3位同步码元同步相干载波cos0t相乘电路带通滤波低通滤波抽样判决定时脉冲s(t)A(t)载波同步与位同步的区别：2ASK非相干解调：2ASK相干解调：包络检波器全波整流带通滤波低通滤波抽样判决定时脉冲s(t)A(t)20 7.3位同步码元同步外同步法：在发送端的发送信号中外加包含位定时信息的导频或数据序列；自同步法：在接收端设法从信息码元序列本身中提取位定时信息。21 7.3位同步码元同步一、外同步法辅助信息同步法1.原理：在发送端信号中插入频率为码元速率（1/T）或码元速率的倍数的位同步信号。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。2.插入位同步信号的方法：时域：连续插入、不连续插入（“位同步头”）频域：信号频带外插入、信号频带内“空隙”处插入。3.优缺点：设备较简单；但占用一定的带宽和发送功率。22 7.3位同步码元同步23 7.3位同步码元同步二、自同步法1.开环码元同步法-又称非线性滤波同步法。－同步电路直接从输入码流中提取发送码流的时钟。-将无fb、2fb等谱线的脉冲序列，变换成含有fb谱线的序列。下面给出3个具体方案。24 （1）波形变换法7.3位同步码元同步－自同步法25 （2）延迟相乘法7.3位同步码元同步－自同步法26 （3）微分整流法7.3位同步码元同步－自同步法27 7.3位同步码元同步－自同步法二、闭环码元同步法-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。－“超前/滞后门”同步器相乘门波形产生超前门滞后门m(t)相乘压控振荡u1u2环路滤波||||++-|u1||u2|e=|u2|-|u1|28 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7.3位同步码元同步－自同步法返回29 7.4群同步一、概述1.三种同步的区别载波同步：同步解调、把频带信号解调为基带信号位同步：确定码元的抽样判决时刻，区别各个码元群同步：若干个码元组成一个码组，把码组区分出来。通过分频可以产生群同步脉冲的频率。但每个群的“开头”和“结尾”时刻，即相位是不能直接从位同步脉冲中得到的。码组本身自带分组信息插入群同步码分散插入集中插入30 7.4群同步－概述(b)分散插入法……群同步序列群同步码元群同步码元群同步码元信号码元群信号码元群群同步码元信号码元群(a)集中插入法群同步码组群同步码组群同步码组群同步码组信号码元群信号码元群信号码元群………31 7.4群同步－概述集中插入：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分散插入：需要较长的同步建立时间。故适用于连续传输信号之处，例如数字电话系统中同步电路的两种状态：捕捉态和保持态。起止式同步法：主要适用于低速的手工操作的电传打字机中。起止式同步通信有时也称为异步式通信，因为其码元间隔不等。起止止1234532 若一个码组仅在R(0)处出现峰值，其他处的R(j)均很小，则可以用求自相关函数的方法对于接收码元序列运算，寻找峰值，从而确定此码组的位置。7.4群同步－集中插入法33 7.4群同步二、集中插入法（连贯式插入法）1.原理设有一个码组，它包含N个码元{x1,x2,…,xN}，则其局部自相关函数（下面简称自相关函数）等于：式中，N－码组中的码元数目；xi－码元的取值，可以取+1或-1。当j=0时，上式在运算中，已假定当i<1和i>N时，xi=0。34 7.4群同步－集中插入法2.巴克码若有一个包含N个码元的码组，其R(0)=N，在其他处R(j)的绝对值均不大于1，则称其为巴克（Barker）码。35 巴克码尚未找到一般构造方法N巴克码1＋2＋＋或＋－3＋＋－4＋＋＋－或＋＋－＋5＋＋＋－＋7＋＋＋――＋－11＋＋＋―――＋――＋－13＋＋＋＋＋――＋＋－＋－＋7.4群同步－集中插入法36 7.4群同步－集中插入法自相关函数值：以N=5的巴克码为例R(0)=5xixixi2xi+1xixi+1xiR(1)=0xi+2xixixi+2R(2)=1xi+3xixixi+3R(3)=0xi+4xixixi+4R(4)=10-153214123-4-1-3-2jR(j)37 N威拉德码1＋2＋－3＋＋－4＋＋－－5＋＋－＋－7＋＋＋―＋――11＋＋＋―＋＋―＋―――13＋＋＋＋＋――＋－＋―――3.威拉德(Willard)码：对于随机相邻码元能给出最小错误同步概率。7.4群同步－集中插入法38 三、分散插入法（间隔式插入法）1.原理例：在数字电话系统中常采用的“1/0”交替码。……群同步序列…..1010101010…群同步码元群同步码元群同步码元信号码元群信号码元群群同步码元信号码元群PPP7.4群同步39 2.同步码搜索方法（1）移位搜索法（2）存储检测法7.4群同步－分散插入法0102030405060708xxxxxxx00910111213141516xxxxxxx11718192021222324xxxxxxx02526272829303132xxxxxxx13334353637383940xxxxxxx0新码元进入老码元输出检验是否“1/0”交替40 7.4群同步四、群同步性能漏同步概率：将正确同步位置漏过的概率。由于噪声的影响，把正确的同步码元变成错误的码元。2.假同步概率：把错误的同步位置当作正确的同步位置捕捉到。把信息码元错当成同步码元。3.平均建立时间：越快越好。返回41 7.5网同步－7.5.1概述一、概述目的：解决网中各站的载波同步、位同步和群同步等问题单向通信：由接收机解决网同步问题。多用户系统：由整个终端站（发射机和接收机）解决同步问题。终端站发射机同步方法：有开环和闭环两种。开环法：不需依靠对中心站上接收信号参量的测度，它依靠的是准确的可以预测的链路参量。优点：捕捉快、不需要反向链路也能工作和实时算量小。缺点：需要外部有关部门提供所需的链路参量数据，并且缺乏灵活性。42 7.5网同步闭环法：不需要预先得知链路参量的数据，中心站需要度量来自终端站的信号的同步准确度，并将度量结果通过反向信道送给终端站，使其作出调整。优点：不需要外部供给有关链路参量的数据，能及时适应路径和链路情况的变化。缺点：终端站需要有较高的实时处理能力，并且每个终端站和中心站之间要有双向链路。此外，捕捉同步也需要较长的时间。43 7.5网同步二、开环法两类开环法：1.不利用反向链路提供的信息，2.利用反向链路提供的信息。例：1.卫星通信系统－不利用反向链路提供的信息时预先校正时间：终端站发射机需要计算信号到达中心站的时间：式中，Tt－实际发送开始时间；d－传输距离；c－光速。预先校正发送频率：考虑多谱勒频移后，发送频率应该等于式中，V－相对速度（距离缩短时为正）；f0－标称发送频率。44 7.5网同步时间预测的误差式中，re－距离估值的误差；t－发射机处和接收机处参考时间之差。频率预测误差式中，Ve－发射机和接收机间相对速度的测量值误差或预测值的误差；f－发射机和接收机参考频率间的误差。45 7.5网同步频率偏移随时间线性增大值式中，f(T)－在时间T内增大的频率偏移；f(0)－初始（t=0时）频率偏移；T－时间（天）。参考频率最大容许误差(Hz/Hz/day)46 7.5网同步积累的时间偏差t(T)由上式可以看出，参考时间误差随时间按平方律增长。通常必须定期地更新终端站的接收机定时数据，或重新将接收机和发射机的参考时间设置到标称时间。47 7.5网同步2.卫星通信系统－利用反向链路提供的信息时对下行链路信号测量得到的t和f的误差，可以用于计算对上行传输的校正。若终点站有来自中心站的反向（下行）链路，并能够将本地参考和输入信号参量作比较，则两次校准的时间间隔可以更长些。终端站能够利用对反向链路信号测量进行同步的方法有时称为准闭环发射机同步法。若已知参考时间和参考频率是准确的，但是链路的路径有变动，则对下行链路的同样测量也可以用于解决距离或速度不确定的问题，从而预先校正上行信号的定时和频率。48 7.5网同步所得结果并在反向（下行）链路上反馈给终端站发射机。闭环法需要终端站发送特殊的同步信号，用以在中心站决定信号的时间和频率误差。三、闭环法49 若中心站具有足够的处理能力，则中心站可以进行实际的误差测量；并将误差送回给终端站发射机。优点：1.在反向链路上传送的误差测量结果很短。2.在中心站上的误差测量手段能够被所有终端共享。这大量节省了系统的处理能力。若中心站没有处理能力，则此特殊同步信号可以直接由反向链路送回终端站发射机；由发射机处理。优点：1.中心站不需要易于接入。2.中心站可以设计得较简单。3.响应更快，因为没有中心站处理带来的迟延。7.5网同步50 缺点：1.反向信道的使用效率不高。2.中心站对码元判决产生影响。例：设终端站采用2FSK向中心站发送信号，中心站采用非相干解调。中心站接收信号表示式为：式中，T－码元持续时间；0－2FSK信号1个码元的角频率；(0+s)－2FSK信号另1个码元的角频率；－中心站接收信号的角频率误差；t－中心站接收信号到达时间误差；－任意相角。7.5网同步51 7.5网同步若中心站解调器的两个正交分量输出为：则解调信号的能量为52 当时间误差t=0时，上式变为当频率偏离f=0时，上式变为从上三式看出，存在任何时间误差、频率偏离或者两者都存在，将造成正确信号积分器中得到的信号能量下降，误码率因而增大。7.5网同步53 7.5网同步2FSK系统预先校正频率的办法终端站发送一个连续的正弦波，其频率等于2FSK信号两个频率的平均值。它将在反向（自中心站向终端站）链路中产生一个随机二进制序列，若没有频率偏离，则序列中的两种符号概率相等。利用这种原理就能找到中心频率，从而在终端站上准确地预先校正频率。一旦找到正确的频率，终端站发射机再交替发送这两种符号，以寻找正确的定时。在半个码元区间内改变发送的定时，发射机就能找到给出最坏误码性能的时间。终端站发射机可以用这种原理计算正确的定时。这种方法比寻找误码性能最佳点更好。因为在任何设计良好的系统中，码元能量大得足够容许存在少许定时误差，所以即使定时不准，反向信号也可能没有误码。返回54 小结返回1.载波同步、位同步、群同步、网同步的概念;2.载波同步的方法及载波同步的性能分析;3.位同步方法及位同步误差对误码率的影响;4.群同步方法及群同步的性能分析;5.网同步方法。55 思考题、习题返回习题：7.1，7.2，7.356