通信原理第13_同步原理

通信原理第13 同步原理1第13章 同步原理l13.1 概述数字通信系统中的同步种类：载波同步、 码元同步、群同步和网同步。载波同步：又称载波恢复。u目的：在接收设备中产生一个和接收信号的载波同 频、同相的本地振荡，用于相干解调。u方法：接收信号中有载频分量时：需要调整其相位。接收信号中无载频分量时：需从信号中提取载波， 或插入辅助同步信息。2第13章 同步原理码元同步：又称时钟同步或时钟恢复。对于二进制信号，又称位同步。u目的：得知每个接收码元准确的起止时刻，以便决 定积分和判决时刻。u方法：从接收信号中获取同步信息，由其产生一时 钟脉冲序列，使后者和接收码元起止时刻保持正确 关系。或插入辅助同步信息。 群同步：又称帧同步。u目的：将接收码元正确分组。u方法：通常需要在发送信号中周期性地插入一个同步码元，标示出分组位置。 网同步：使通信网中各站点时钟之间保持同步。 3第13章 同步原理n13.2 载波同步u 13.2.1 有辅助导频时的载频提取p用于不包含载频分量的信号。p在发送信号中另外加入一个或几个导频信号。 p多采用锁相环（PLL）提取载波。p锁相环原理方框图：环路滤波器压控振荡器输出导频输入信号图13-1 锁相环原理方框图鉴相器4第13章 同步原理p对环路滤波器的要求：通带越窄，能够通过的噪声越少，但是对导频相位漂移的限制越大。 p数字化接收机中锁相环的实现方法：窄带滤波器：改用数字滤波器压控振荡器：用只读存储器代替 鉴相器：可以是一组匹配滤波器 5第13章 同步原理u13.2.2 无辅助导频时的载波提取p平方环：以2PSK信号为例进行讨论。设信号 式中，m(t) = 1 当m(t)取+1和-1的概率相等时，此信号的频谱中无角频率c的离 散分量。将上式平方，得到由上式可见，其中包含2倍载频的频率分量。将此2倍频分量用窄 带滤波器滤出后再作2分频，即可得出所需载频。方框图如下： 图13-2 平方环原理方框图载频 输出带通滤波平 方压控振荡环路滤波锁相环s(t)2分频窄带滤波6第13章 同步原理此方案的缺点：1、相位含糊性：2分频器的输出电压有相差180的两种可能相位，即其输出电压的相位决定于分频器的随机初始状 态。采用2DPSK体制可以避免此缺点的影响。2、错误锁定：平方后的接收电压中有可能存在其他的离散频率分量，使锁相环锁定在错误的频率上。解决这个问题的办法是降低环路滤波器的带宽。7第13章 同步原理p科斯塔斯环法：又称同相正交环法或边环法。Ø原理方框图： 图13-3 科斯塔斯环法原理方框图90相移环路滤波压控振荡 s(t)载频 输出低 通低 通解调 输出abcdefg8第13章 同步原理Ø工作原理 a点的压控振荡电压为：b点的压控振荡电压为： c点的电压：d点的电压：e点的电压：f点的电压：g点的电压：上式中的( - )是压控振荡电压和接收载波相位之差。 9第13章 同步原理将m(t) = 1代入上式，并考虑到当( - )很小时， sin( - ) ( - )，则上式变为电压vg 通过环路滤波器，控制压控振荡器的振荡频率。这个电压控制压控振荡器的输出电压相位，使( - )尽可能地小。当 时，vg = 0 。 压控振荡器的输出电压va 就是科斯塔斯环提取出的载波。 10第13章 同步原理由上式可见，当( - )很小时，除了差一个常数因子外，电压ve 就近似等于解调输出电压m(t)。所以科斯塔斯环本身就同时兼有提取相干载波和相干解调的功能。Ø优缺点： 1、不需要对接收信号作平方运算，工作频率较低。2、为了得到科斯塔斯环法在理论上给出的性能，要求两路低通滤波器的性能完全相同。3、由锁相环原理可知，锁相环在( - )值接近0的稳定点有两个，在( - )等于0和 处。所以，科斯塔斯环法提取出的载频也存在相位含糊性。11第13章 同步原理p再调制器 第3种提取相干载波的方法 Ø原理方框图载频 输出90相移环路滤波压控振荡低 通s(t)abcdefg12第13章 同步原理Ø工作原理 接收信号和a点振荡电压相乘后得到的c点电压它经过低通滤波后，在d 点的电压为 vd 实际上就是解调电压，它受b点的振荡电压在相乘 器中再调制后，得出的e 点电压等于上式的ve 和信号s(t)再次相乘，得到在f点的电压 13第13章 同步原理vf 经过窄带低通滤波后，得到压控振荡器的控制电压将上式的控制电压和科斯塔斯环的控制电压式比较可见，这两个方案中的压控振荡器的控制电压相同。14第13章 同步原理p多进制信号的载频恢复例：QPSK信号提取载频的科斯塔斯环法原理方框图 s(t)45移相低通压控振荡环路滤波低通解调输出90移相135移相低通低通15第13章 同步原理n13.2.3 载波同步的性能u相位误差p相位误差的种类Ø恒定误差：由电路参量引起的Ø随机误差：由噪声引起的p恒定误差分析：Ø当提取载波电路中存在窄带滤波器时，若其中心频率 fq和载波频率f0不相等，存在频率偏差f，则载波通过它时会有附加相移。设此窄带滤波器由一个单谐振电路组成，则由其引起的附加相移等于由上式可见，电路的Q值越大，附加相移也成比例地 增大。 16第13章 同步原理Ø当提取载频的电路中采用锁相环时，若锁相环工作在稳 态，压控振荡电压的频率f0应当和信号载频fc相同，并且其相位误差应当很小。设锁相环压控振荡电压的稳态相 位误差为，则有式中，f 是fc和 f0之差，而Kd为锁相环路直流增益。 为了减小误差，由上式可见，应当尽量增大环路的增 益Kd。17第13章 同步原理p随机误差分析 设这种相位误差为n，它是由窄带高斯噪声引起的，所以是 一个随机量。当大信噪比时，此随机相位误差n的概率密度 函数近似为所以，在n = 0附近，对于大的r，f (n)可以写为我们知道，均值为0的正态分布的概率密度函数表示式为18第13章 同步原理参照上式正态分布概率密度的形式， f (n)的公式可以改写 为故此随机相位误差n的方差与信号噪声功率比r的关系为所以，当大信噪比时，由窄带高斯噪声引起的随机相位误差的方差大小直接和信噪比成反比。我们常将此随机相位误差 n的标准偏差称为相位抖动，并记为。19第13章 同步原理p在提取载频电路中的窄带滤波器对于信噪比有直接的影响。对于给定的噪声功率谱密度，窄带滤波器的通频带越窄，使通过的噪声功率越小，信噪比就越大，这样随机相位误差越 小。另一方面，通频带越窄，要求滤波器的Q值越大，则恒定相位误差越大。所以，恒定相位误差和随机相位误差对于Q值的要求是矛盾的。20第13章 同步原理u同步建立时间和保持时间p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。 显然我们要求此时间越短越好。在同步建立时间内，由 于相干载频的相位还没有调整稳定，所以不能正确接收 码元。p同步保持时间：从开始失去信号到失去载频同步的时间 。 显然希望此时间越长越好。长的同步保持时间有可能使 信号短暂丢失时，或接收断续信号时，不需要重新建立 同步，保持连续提供稳定的本地载频。21第13章 同步原理p同步建立时间和保持时间的关系在同步电路中的低通滤波器和环路滤波器都是通频带很窄的电路。一个滤波器的通频带越窄，其惰性越大。当在其输入 端加入一个正弦振荡时，它输出端振荡的建立时间越长；当 输入振荡截止时，输出端振荡的保持时间也越长。显然，这 个特性和我们对于同步性能的要求是相左的，即建立时间短 和保持时间长是互相矛盾的要求。在设计同步系统时只能折 中处理。22第13章 同步原理u载波同步误差对解调信号的影响p载波同步的相位误差：包括两部分恒定误差和随机误差（相位抖动） ，现在将其写为： p相位误差对于2PSK信号误码率的影响：由科斯塔斯环的输出电压可知，其中( - )为相位误差，ve即解调输出电压，而 cos( - )就是由于相位误差引起的解调信号电压下降。因 此信号噪声功率比r下降至cos2( - )倍。将它代入误码率 公式，得到相位误差为( - )时的误码率等于式中，r为信号噪声功率比。23第13章 同步原理p相位误差对于单边带信号的影响 设有一单频基带信号 它对载波cosct进行单边带调制后，取出上边带信号传输到接收端。若接收端的本地相干载波有相位误差，则 两者相乘后得到经过低通滤波器滤出的低频分量为其中第1项是原调制基带信号，但是受到因子cos的衰减；第2项是和第1项正交的项，它使接收信号产生失真。 24第13章 同步原理l13.3 码元同步u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。u码元同步方法：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。u码元同步方法分类：p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。p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。 25第13章 同步原理n 13.3.1 外同步法u常用的外同步法：于发送信号中插入频率为码元速率（1/T ）或码元速率的倍数的同步信号。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。 u优缺点：优点是设备较简单；缺点是需要占用一定的频带宽 带和发送功率。 u插入码元同步信号的方法p时域：Ø连续插入Ø增加“同步头” p频域：Ø在信息码元频谱之外占用一段频谱用于传输同步信息Ø利用信息码元频谱中的“空隙”处，插入同步信息u外同步法目前采用不多。26第13章 同步原理n 13.3.2 自同步法u自同步法分类：p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。 p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。 27第13章 同步原理u开环码元同步法p延迟相乘法原理方框图p相乘器输入和输出的波形： 延迟相乘后码元波形的后一 半永远是正值；而前一半则 当输入状态有改变时为负值。 因此，变换后的码元序列的 频谱中就产生了码元速率的 分量。p延迟时间等于码元时间一半 时，码元速率分量最强。c延迟T/2ab放大限幅窄带滤波(c)(b)(a)28第13章 同步原理p微分整流法原理p同步误差 若窄带滤波器的带宽等于1/KT，其中K为一个常数，则提取 同步的时间误差比例为：T 码元持续时间；Eb 码元能量；n0 单边噪声功率谱密度。 只要接收信噪比大，上述方案能保证足够准确的码元同步。低 通微 分整 流窄带滤波放大限幅式中， 同步误差时间的均值；29第13章 同步原理u闭环码元同步法p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。这种方法类似载频同步中的锁相环法。p“超前/滞后门”同步器：Ø原理方框图超前门滞后门环路滤波| | |+压控振荡+-u1u2|u1|u2|e=|u2|-|u1|m(t) 门波形产生30第13章 同步原理Ø工作原理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31第13章 同步原理p存在的问题和解决办法Ø在上面讨论中已经假定接收信号中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；当接收码元序列中