[學(xué)習(xí)]通信原理第10章同步原理

1、10.1 同步的概念及分類10.2 載波同步10.3 碼元同步10.4 群同步10.5* 網(wǎng)同步,第10章 同 步 原 理,返回主目錄,通 信 原 理,10.1 同步的概念及分類,主要內(nèi)容★ 同 步 的 概 念★ 同 步 的 分 類★ 同 步 的 意 義,一、同步的概念 所謂同步是指收發(fā)雙方在時間上步調(diào)一致，故又稱定時。 同步是數(shù)字通信系統(tǒng)以及某些采用相干解調(diào)的模擬通信系統(tǒng)中一個

2、重要的實際問題。由于收、發(fā)雙方不在一地，要使它們能步調(diào)一致地協(xié)調(diào)工作，必須要有同步系統(tǒng)來保證。 二、同步的分類 1、在數(shù)字通信中，按照同步的功用分類，可分為：載波同步、碼元同步、群同步和網(wǎng)同步 ,（1） 載波同步：又稱載波恢復(fù)目的：在接收設(shè)備中產(chǎn)生一個和接收信號的載波同頻、同相的本地振蕩，用于相干解調(diào)。方法：接收信號中有載頻分量時：需要調(diào)整其相位。接收信號中無載頻分量時：需從信號中提取載波，或插入輔助同步信息

3、。,在模擬調(diào)制以及數(shù)字調(diào)制學(xué)習(xí)過程中，我們了解到要想實現(xiàn)相干解調(diào)，必須有相干載波。 因此，載波同步是實現(xiàn)相干解調(diào)的先決條件。（ 2 ）、 碼元同步 又稱時鐘同步或時鐘恢復(fù)。 對于二進制信號，又稱位同步。目的：得知每個接收碼元準確的起止時刻，以便決定積分和判決時刻。方法：從接收信號中獲取同步信息，由其產(chǎn)生一時鐘脈沖序列，使后者和接收碼元起止時刻保持正確關(guān)系?；虿迦胼o助同步信息。,最佳

4、接收機結(jié)構(gòu)中，需要對積分器或匹配濾波器的輸出進行抽樣判決，判決時刻應(yīng)對準每個接收碼元的終止時刻。這就要求接收端必須提供一個用作抽樣判決的定時脈沖序列，它和接收碼元的終止時刻應(yīng)對齊。 把接收端產(chǎn)生與接收碼元的重復(fù)頻率與碼元速率相同，相位與最佳取樣判決時刻一致的定時脈沖序列的過程稱為碼元同步或位同步。而稱這個定時脈沖序列為碼元同步脈沖或位同步脈沖。,（ 3）、 群同步 群同步包含字同步、句同步、分路同步

5、，它有時也稱幀同步（或字符同步）。目的：將接收碼元正確分組。方法：通常需要在發(fā)送信號中周期性地插入一個同 步碼元，標示出分組位置。 在數(shù)字通信中，信息流是用若干碼元組成一個“字”， 又用若干個“字”組成“句”。在接收這些數(shù)字信息時，必須知道這些“字”、“句”的起止時刻，否則接收端無法正確恢復(fù)信息。 在接收端產(chǎn)生與“字”、“句”及“幀”起止時刻相一致的定時脈沖序列的過程統(tǒng)稱為群同步。 ,（4）、

6、網(wǎng)同步 在獲得了載波同步、碼元同步、群同步之后，兩點間的數(shù)字通信就可以有序、準確、可靠地進行了。然而， 隨著數(shù)字通信的發(fā)展，尤其是計算機通信的發(fā)展，多個用戶之間的通信和數(shù)據(jù)交換，構(gòu)成了數(shù)字通信網(wǎng)。 為了保證通信網(wǎng)內(nèi)各用戶之間可靠地通信和數(shù)據(jù)交換，全網(wǎng)必須有一個統(tǒng)一的時間標準時鐘，這就是網(wǎng)同步的問題。2、同步也是一種信息，按照獲取和傳輸同步信息方式的不同，又可分為外同步法和自同步法 ,（ 1）、 外同步

7、法 由發(fā)送端發(fā)送專門的同步信息（常被稱為導(dǎo)頻），接收端把這個導(dǎo)頻提取出來作為同步信號的方法，稱為外同步法。 （ 2） 、自同步法 發(fā)送端不發(fā)送專門的同步信息，接收端設(shè)法從收到的信號中提取同步信息的方法，稱為自同步法。  自同步法是人們最希望的同步方法，因為可以把全部功率和帶寬分配給信號傳輸。 在載波同步和碼元同步中，兩種方法都有采用，但自同步法正得到越來越廣泛的應(yīng)用。

8、而群同步一般都采用外同步法。,三、同步的意義 同步本身雖然不包含所要傳送的信息，但只有收發(fā)設(shè)備之間建立了同步后才能開始傳送信息，所以同步是進行信息傳輸?shù)谋匾疤岷突A(chǔ)。 同步性能的好壞又將直接影響著通信系統(tǒng)的性能。如果出現(xiàn)同步誤差或失去同步就會導(dǎo)致通信系統(tǒng)性能下降或通信中斷。 因此，同步系統(tǒng)應(yīng)具有比信息傳輸系統(tǒng)更高的可靠性和更好的質(zhì)量指標，如同步誤差小、相位抖動小以及同步建立時間短，保持

9、時間長等。 ,10.2 載 波 同 步,主要內(nèi)容? 載波同步的方法? 載波同步系統(tǒng)的性能? 載波相位誤差對解調(diào)性能的影響,1、插入導(dǎo)頻法（有輔助導(dǎo)頻時的載波提取）  所謂插入導(dǎo)頻法，就是在發(fā)送有用信號的同時，在適當(dāng)?shù)念l率位置上，插入一個（或多個）稱為導(dǎo)頻的正弦波，接收端就由該導(dǎo)頻提取出載波的方法。 抑制載波的雙邊帶信號（如DSB、等概的2PSK）本身不含有載波， 殘留邊帶（VSB）信號

10、雖含有載波分量，但很難從已調(diào)信號的頻譜中把它分離出來。對這些信號的載波提取， 可以用插入導(dǎo)頻法（外同步法）。尤其是單邊帶（SSB）信號， 它既沒有載波分量又不能用直接法提取載波，只能用插入導(dǎo)頻法。 ,一、載波同步的方法 提取載波的方法一般分為兩類：插入導(dǎo)頻法和直接法。,（1）頻域插入導(dǎo)頻 頻域插入導(dǎo)頻的特點：插入的導(dǎo)頻在時間上是連續(xù)的，即信道中自始至終都有導(dǎo)頻信號傳送。 采用插入導(dǎo)

11、頻法應(yīng)注意： ①導(dǎo)頻的頻率：應(yīng)當(dāng)是與載頻有關(guān)的或者是載頻的頻率； ②插入導(dǎo)頻的位置:與已調(diào)信號的頻譜結(jié)構(gòu)有關(guān)。 總的原則是在已調(diào)信號頻譜中的零點插入導(dǎo)頻，且要求其附近的信號頻譜分量盡量小，這樣便于插入導(dǎo)頻以及解調(diào)時易于濾除它。,對于模擬調(diào)制中的DSB或SSB信號，在載頻fc附近信號頻譜為0，但對于數(shù)字調(diào)制中的2PSK或2DPSK信號，在fc附近的頻譜不但有，而且比較大，因此對

12、這樣的信號，可參考數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)一章中介紹的第Ⅳ類部分響應(yīng)，在調(diào)制以前先對基帶信號進行相關(guān)編碼。 相關(guān)編碼的作用是把如圖 10.2-1（a）所示的基帶信號頻譜函數(shù)變換成如圖 10.2-1(b)所示的頻譜函數(shù)， 這樣經(jīng)過雙邊帶調(diào)制以后可以得到如圖 10.2-2所示的頻譜函數(shù)。由圖可見，在fc附近的頻譜函數(shù)很小，且沒有離散譜，這樣可以在fc處插入頻率為fc的導(dǎo)頻（這里僅畫出正頻域）。 注意，在圖 10.2

13、-2中插入的導(dǎo)頻并不是加于調(diào)制器的那個載波，而是將該載波移相90°后的所謂“正交載波”。,圖 10.2-1 相關(guān)編碼進行頻譜變換,圖 10 .2-2 抑制載波雙邊帶信號的導(dǎo)頻插入,插入導(dǎo)頻的發(fā)端方框圖如圖10.2-3所示。,圖 10.2-3 插入導(dǎo)頻法發(fā)端框圖,設(shè)調(diào)制信號m(t)中無直流分量，被調(diào)載波為a sinωct，將它經(jīng)90°移相形成插入導(dǎo)頻（正交載波）-acosωct，其中a是插入導(dǎo)

14、頻的振幅。于是輸出信號為 uo(t)=am(t)sinωct-a cosωct (10.2 - 1),圖 10.2-4 插入導(dǎo)頻法收端框圖,設(shè)收到的信號就是發(fā)端輸出uo(t)，則收端用一個中心頻率為fc的窄帶濾波器提取導(dǎo)頻-acosωct，再將它經(jīng)90°移相后得到與調(diào)制載波同頻同相的相干載波 sinωct，收端的解調(diào)方框圖如圖 10.2-4 所示。,發(fā)端是以正交載波作為導(dǎo)頻，

15、 由圖 10.2-4 可知，解調(diào)輸出: v(t)=uo(t)·sinωct=am(t)sin2ωct-acosωctsinωct,經(jīng)過低通濾除高頻部分后，就可恢復(fù)調(diào)制信號m(t)。 如果發(fā)端加入的導(dǎo)頻不是正交載波，而是調(diào)制載波，則收端v(t)中還有一個不需要的直流成分，這個直流成分通過低通濾波器對數(shù)字信號產(chǎn)生影響， 這就是發(fā)端正交插入導(dǎo)頻的原因。  2PSK和DSB信號都屬于抑制載波的雙邊帶信

16、號，所以上述插入導(dǎo)頻方法對兩者均適用。 對于SSB信號，導(dǎo)頻插入的原理也與上述相同。,(10.2 - 2),（ 2）. 時域插入導(dǎo)頻 時域插入導(dǎo)頻法在時分多址通信衛(wèi)星中應(yīng)用較多。 時域插入導(dǎo)頻方法：是按照一定的時間順序，在指定的時間內(nèi)發(fā)送載波標準， 即把載波標準插到每幀的數(shù)字序列中，如圖 10.2-5（a）所示。,圖中, t2~t3就是插入導(dǎo)頻的時間，它一般插入在群同步脈沖之后。這種插入的結(jié)果只是在每幀的

17、一小段時間內(nèi)才出現(xiàn)載波標準，在接收端應(yīng)用控制信號將載波標準取出。,從理論上講可以用窄帶濾波器直接取出這個載波，但實際上是困難的，這是因為導(dǎo)頻在時間上是斷續(xù)傳送的，并且只在很小一部分時間存在， 用窄帶濾波器取出這個間斷的載波是不能應(yīng)用的。 時域插入導(dǎo)頻法常用鎖相環(huán)來提取同步載波， 方框圖如圖 10.2-5（b）所示。 ,圖 10.2-5 時域插入導(dǎo)頻法,2、直接法（無輔助導(dǎo)頻時的載波提?。┆?直接法也

18、稱自同步法：是不專門發(fā)送導(dǎo)頻，設(shè)法從接收信號中提取同步載波方法。 有些信號，如DSB-SC、PSK等，它們雖然本身不直接含有載波分量，但經(jīng)過某種非線性變換后，將具有載波的諧波分量，因而可從中提取出載波分量來。 （1）. 平方變換法和平方環(huán)法 此方法廣泛用于建立抑制載波的雙邊帶信號的載波同步。 設(shè)調(diào)制信號m(t)無直流分量，則抑制載波的雙邊帶信號為

19、 sm(t)=m(t) cosωct (10.2 - 3),接收端將該信號經(jīng)過非線性變換——平方律器件后得到 e(t)=［m(t) cosωct]2= m2(t)+ m2(t)cos2ωct 上式的第二項包含有載波的倍頻2ωc的分量。若用一窄帶濾波器將2ωc頻率分量濾出，再進行二分頻，就可獲得所需的相干載波。 基于這種構(gòu)思

20、的平方變換法提取載波的方框圖如圖 10.2-6 所示。 ,(10.2 - 4),圖 10.2-6 平方變換法提取載波,因而， 同樣可以通過圖 10.2-6 所示的方法提取載波。,若m(t)=±1，則抑制載波的雙邊帶信號就成為二相移相信號（2PSK），這時 e(t)=［m(t)cosωct]2=  cos2ωct,(10.2 - 5),在實際中，伴隨信號一起進入接收機的還

21、有加性高斯白噪聲，為了改善平方變換法的性能，使恢復(fù)的相干載波更為純凈，圖 10.2-6 中的窄帶濾波器常用鎖相環(huán)代替，構(gòu)成如圖 10.2-7 所示的方框圖，稱為平方環(huán)法提取載波。 由于鎖相環(huán)具有良好的跟蹤、窄帶濾波和記憶功能，平方環(huán)法比一般的平方變換法具有更好的性能。因此，平方環(huán)法提取載波得到了較廣泛的應(yīng)用。, 我們以2PSK信號為例，來分析采用平方環(huán)的情況。  2PSK信號平方后得到,(10.2 - 4),圖1

22、0.2-7 平方環(huán)法提取載波,當(dāng)g(t)為矩形脈沖時，有 e(t)= cos2ωct (10.2 - 5)假設(shè)環(huán)路鎖定，VCO的頻率鎖定在2ωc頻率上，其輸出信號為 v0(t)=Asin(2ωct+2θ) (1

23、0.2 - 6)這里，θ為相位差。經(jīng)鑒相器（由相乘器和低通濾波器組成）后輸出的誤差電壓為 vd=Kd sin2θ (10.2 - 7)式中，Kd為鑒相靈敏度，是一個常數(shù)。vd僅與相位差有關(guān)， 它通過環(huán)路濾波器去控制壓控振蕩器的相位和頻率，環(huán)路鎖定之后，θ是一個很小的量。因此，VCO的輸出經(jīng)過二分

24、頻后，就是所需的相干載波。 ,注意，載波提取的方框圖中用了一個二分頻電路， 由于分頻起點的不確定性，使其輸出的載波相對于接收信號相位有180°的相位模糊。 相位模糊對模擬通信關(guān)系不大， 因為人耳聽不出相位的變化。但對數(shù)字通信的影響就不同了， 它有可能使2PSK相干解調(diào)后出現(xiàn)“反相工作”的問題。 克服相位模糊度對相干解調(diào)影響的最常用而又有效的方法是對調(diào)制器輸入的信息序列進行差分編碼，即采用相對移

25、相（2DPSK），并且在解調(diào)后進行差分譯碼恢復(fù)信息。 ,（ 2 ）同相正交環(huán)法 同相正交環(huán)法又叫科斯塔斯（Costas）環(huán)， 它的原理框圖如圖 10.2-8 所示。,圖10.2-8 Costas 環(huán)法提取載波,在此環(huán)路中，壓控振蕩器（VCO）提供兩路互為正交的載波，與輸入接收信號分別在同相和正交兩個鑒相器中進行鑒相，經(jīng)低通濾波之后的輸出均含調(diào)制信號， 兩者相乘后可以消除調(diào)制信號的影響， 經(jīng)環(huán)路濾波器得到僅與相

26、位差有關(guān)的控制壓控，從而準確地對壓控振蕩器進行調(diào)整。 設(shè)輸入的抑制載波雙邊帶信號為m(t)cosωct，并假定環(huán)路鎖定，且不考慮噪聲的影響，則VCO輸出的兩路互為正交的本地載波分別為 v1= cos(ωct+θ) (10.2 - 8) v2= sin(ωct+θ),式中，θ為VCO輸出

27、信號與輸入已調(diào)信號載波之間的相位誤差。,信號m(t) cosωct分別與v1、 v2相乘后得 v3=m(t)cosωct·cos(ωct+θ)= m(t)［cosθ+ cos(2ωct+θ)］ v4=m(t)cosωct· sin(ωct+θ)= m(t)［sinθ+sin(2ωct+θ)］ 經(jīng)低通濾波后分別為v5= m(t)cosθ

28、v6= m(t) sinθ,低通濾波器應(yīng)該允許m(t)通過。v5、v6相乘產(chǎn)生誤差信號,當(dāng)m(t)為矩形脈沖的雙極性數(shù)字基帶信號時，m2(t)=1。 即使m(t)不為矩形脈沖序列，式中的m2(t)可以分解為直流和交流分量。 由于鎖相環(huán)作為載波提取環(huán)時， 其環(huán)路濾波器的帶寬設(shè)計的很窄，只有m(t)中的直流分量可以通過，因此vd可寫成 vd=Kd sin2θ

29、 (10.2 - 15)如果我們把圖 10.2-8 中除環(huán)路濾波器（LF）和壓控振蕩器（VCO）以外的部分看成一個等效鑒相器（PD），其輸出vd正是我們所需要的誤差電壓。,它通過環(huán)路濾波器濾波后去控制VCO的相位和頻率，最終使穩(wěn)態(tài)相位誤差減小到很小的數(shù)值，而沒有剩余頻差（即頻率與ωc同頻）。此時VCO的輸出v1=cos(ωct+θ)就是所需的同步載波，而 v5=

30、 m(t)cosθ≈ m(t) 就是解調(diào)輸出。 ,比較式（10.2 - 7）與式（10.2 - 15）可知，Costas環(huán)與平方環(huán)具有相同的鑒相特性（vd-θ曲線），如圖 10.2-9 所示。 由圖可知，θ=nπ（n為任意整數(shù)）為PLL的穩(wěn)定平衡點。,圖10.2-9 平方環(huán)和Costas 環(huán)的鑒相特性, PLL工作時可能鎖定在任何一個穩(wěn)定平衡點上，考慮到在周期π內(nèi)θ取值可能為0或π，這意味著恢復(fù)出的載

31、波可能與理想載波同相，也可能反相。這種相位關(guān)系的不確定性，稱為0，π的相位模糊度。,這是用PLL從抑制載波的雙邊帶信號（2PSK或DSB）中提取載波時不可避免的共同問題。不但在上述兩種環(huán)路中存在，在其他類型的載波恢復(fù)環(huán)路，如逆調(diào)制環(huán)、判決反饋環(huán)、 松尾環(huán)等性能更好的環(huán)路中，也同樣存在；不但在2PSK 時存在，在多相移相信號（MPSK）也同樣存在相位模糊度問題。,Costas環(huán)與平方環(huán)的異同點: Costas環(huán)與平方環(huán)都是利用鎖相

32、環(huán)（PLL）提取載波的常用方法。 Costas環(huán)與平方環(huán)相比，雖然在電路上要復(fù)雜一些， 但它的工作頻率即為載波頻率，而平方環(huán)的工作頻率是載波頻率的兩倍，顯然當(dāng)載波頻率很高時，工作頻率較低的Costas環(huán)易于實現(xiàn)； 其次，當(dāng)環(huán)路正常鎖定后，Costas環(huán)可直接獲得解調(diào)輸出，而平方環(huán)則沒有這種功能。,（3）、再調(diào)制器 －第3種提取相干載波的方法 原理方框圖,工作原理接收信號和a點振蕩電壓相乘后

33、得到的c點電壓它經(jīng)過低通濾波后，在d 點的電壓為 vd 實際上就是解調(diào)電壓，它受b點的振蕩電壓在相乘器中再調(diào)制后，得出的e 點電壓等于上式的ve 和信號s(t)再次相乘，得到在f點的電壓,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，這兩個方案中的壓控振蕩器的控制電壓相同。,vf 經(jīng)過窄帶低通濾波后，得到壓控振蕩器的控制電壓,*（ 4 ）. 多相移相信號（MPSK）的載波提取 當(dāng)數(shù)字信息通過載

34、波的M相調(diào)制發(fā)送時，可將上述方法推廣，以獲取同步載波。 一種基于平方變換法或平方環(huán)法的推廣，是M次方變換法或M方環(huán)法，如圖 10.2-10所示。 例如從4PSK信號中提取同步載波的四次方環(huán)，其鑒相器輸出的誤差電壓為 vd=Kd sin4θ (10.2 - 16) 因此，θ=nπ/2 （n為任意整

35、數(shù)）為四次方環(huán)的穩(wěn)定平衡點， 即有0、π/2、π、3π/2的穩(wěn)定工作點。這種現(xiàn)象稱為四重相位模糊度，或稱90°的相位模糊。 同理，M次方環(huán)具有M重相位模糊度，即所提取的載波具有360°/M的相位模糊。解決的方法是采用MDPSK。,圖 10.2-10 (b) M 方環(huán)提取載波,圖10.2-10(a) 四相移相信號提取載波,另一種方法基于Costas環(huán)的推廣，圖10.2-11 示出了從4P

36、SK信號中提取載波的Costas環(huán)。 可以求得它的等效鑒相特性與式（10.2 - 16）一樣。 提取的載波也具有90°的相位模糊。 這種方法實現(xiàn)起來比較復(fù)雜，在實際中一般不采用。 ,圖 10.2-11 四相Costas環(huán)法的載波提取,二、載波同步系統(tǒng)的性能  載波同步系統(tǒng)的性能指標主要有效率、精度、同步建立時間和同步保持時間。 載波同步追求的是高效率、高

37、精度、同步建立時間快，保持時間長。  1、高效率：指為了獲得載波信號而盡量少消耗發(fā)送功率。 在這方面，直接法由于不需要專門發(fā)送導(dǎo)頻，因而效率高，而插入導(dǎo)頻法由于插入導(dǎo)頻要消耗一部分發(fā)送功率，因而效率要低一些。 ,2、高精度 指接收端提取的載波與需要的載波標準比較，應(yīng)該有盡量小的相位誤差。 如需要的同步載波為cosωct，提取的同步載波為cos(ωct+Δφ)，Δφ就是載波相位誤差，

38、Δφ應(yīng)盡量小。 通常Δφ分為穩(wěn)態(tài)相差θe和隨機相差σφ兩部分，即  Δφ=θe+σφ (10.2 - 19) 穩(wěn)態(tài)相差與提取的電路密切相關(guān)，而隨機相差則是由噪聲引起。,3、同步建立時間ts 指從開機或失步到同步所需要的時間。 顯然ts越小越好。 4、 同步保持時間tc 指同步建立后，若同步信號小時，系統(tǒng)還能維持同步的時

39、間。tc越大越好。 這些指標與提取的電路、信號及噪聲的情況有關(guān)。 當(dāng)采用性能優(yōu)越的鎖相環(huán)提取載波時 這些指標主要取決于鎖相環(huán)的性能。 ,如：穩(wěn)態(tài)相差就是鎖相環(huán)的剩余相差，即θe= ， 其中Δω為壓控振蕩角頻率與輸入載波角頻率之差，KV是環(huán)路直流總增益； 隨機相差σφ實際是由噪聲引起的輸出相位抖動，它與環(huán)路等效噪聲帶寬BL及輸入噪聲功率譜密度等有關(guān)，BL的大小反映了環(huán)路

40、對輸入噪聲的濾除能力，BL越小，σφ越??； 同步建立時間ts 具體表現(xiàn)為鎖相環(huán)的捕捉時間； 同步保持時間tc 具體表現(xiàn)為鎖相環(huán)的同步保持時間。 有關(guān)這方面的詳細討論，請參閱鎖相環(huán)教材。 ,三. 載波相位誤差對解調(diào)性能的影響?yīng)?對解調(diào)性能的影響主要體現(xiàn)為所提取的載波與接收信號中的載波的相位誤差Δφ。 相位誤差Δφ對不同信號的

41、解調(diào)所帶來的影響是不同的。我們首先研究DSB和PSK的解調(diào)情況。 DSB和2PSK信號都屬于雙邊帶信號，具有相似的表示形式。設(shè)DSB信號為m(t) cosωct，所提取的相干載波為cos(ωct+Δφ)，這時解調(diào)輸出m′(t)為,m′(t)= m(t) cosΔφ (9.2 - 20)若沒有相位差，即Δφ=0，cosΔφ=1，則解調(diào)輸出m′(t)= m(t)，這時信號有最大

42、幅度； 若存在相位差，即Δφ≠0 時，cosΔφ＜1，解調(diào)后信號幅度下降，使功率和信噪功率比下降 cos2 Δφ倍。 ,對于2PSK信號，信噪功率比下降將使誤碼率增加。若Δφ=0時  則Δφ≠0 時,以上說明， 載波相位誤差Δφ引起雙邊帶解調(diào)系統(tǒng)的信噪比下降，誤碼率增加。當(dāng)Δφ近似為常數(shù)時，不會引起波形失真。然而，對單邊帶和殘留邊帶解調(diào)而言，相位誤差Δφ不僅引起信噪比下降，

43、而且還引起輸出波形失真。  下面以單邊帶信號為例，說明這種失真是如何產(chǎn)生的。設(shè)單音基帶信號m(t)=cosΩt，且單邊帶信號取上邊帶,(10.2 - 21),(10.2 - 22),所提取的相干載波為cos(ωct+Δφ)，相干載波與已調(diào)信號相乘得 經(jīng)低通濾除高頻即得解調(diào)輸出,式（10.2 - 23）中的第一項與原基帶信號相比，由于cosΔφ的存在，使信噪比下降了；第二項是與原基帶信號正交的項，它使

44、恢復(fù)的基帶信號波形失真，推廣到多頻信號時也將引起波形的失真。若用來傳輸數(shù)字信號，波形失真會產(chǎn)生碼間干擾，使誤碼率大大增加，因此應(yīng)盡可能使Δφ減小。 ,(10.2 - 23),作 業(yè)思考題（自作）： P435 13-1、13-2 作 業(yè)：P435 *13-1 （自作）,10.3 碼 元 同 步,主要內(nèi)容◆ 碼元同步與載波同步的異同點◆ 碼元同步的目的與分類◆

45、 外同步法◆ 自同步法◆ 碼元同步誤差對于誤碼率的影響,一、碼元同步與載波同步的異同點 1、碼元同步：是指在接收端的基帶信號中提取碼元定時的過程。 2、碼元同步與載波同步有一定的相似和區(qū)別 載波同步是相干解調(diào)的基礎(chǔ)，不論模擬通信還是數(shù)字通信只要是采用相干解調(diào)都需要載波同步，并且在基帶傳輸時沒有載波同步問題； 所提取的載波同步信息是載頻為 fc的正弦波，要求它與接收信號的載波同頻同相。

46、實現(xiàn)方法有插入導(dǎo)頻法和直接法。 ,碼元同步是正確取樣判決的基礎(chǔ)，只有數(shù)字通信才需要， 并且不論基帶傳輸還是頻帶傳輸都需要碼元同步； 所提取的碼元同步信息是頻率等于碼速率的定時脈沖，相位則根據(jù)判決時信號波形決定，可能在碼元中間，也可能在碼元終止時刻或其他時刻。 實現(xiàn)方法也有插入導(dǎo)頻法和直接法。二、碼元同步的目的與分類,1、碼元同步目的：在準確的時刻對接收碼元進行判決，以及對接收碼元能量正確積分。2

47、、碼元同步方法：從接收碼元的起止時刻產(chǎn)生一個碼元同步脈沖序列，或稱定時脈沖序列。3、碼元同步方法分類：外同步法：它是一種利用輔助信息同步的方法，需要在信號中另外加入包含碼元定時信息的導(dǎo)頻或數(shù)據(jù)序列。自同步法，它不需要輔助同步信息，直接從信息碼元中提取出碼元定時信息。顯然，這種方法要求在信息碼元序列中含有碼元定時信息。,三、 外同步法常用的外同步法：在發(fā)送信號中插入頻率為碼元速率（1/T）或碼元速率的倍數(shù)的同步信號。在接收端利用一

48、個窄帶濾波器，將其分離出來，并形成碼元定時脈沖。 優(yōu)缺點：優(yōu)點是設(shè)備較簡單；缺點是需要占用一定的頻帶寬帶和發(fā)送功率。 插入碼元同步信號的方法時域：連續(xù)插入增加“同步頭” 頻域：在信息碼元頻譜之外占用一段頻譜用于傳輸同步信息利用信息碼元頻譜中的“空隙”處，插入同步信息外同步法目前采用不多。,*插入導(dǎo)頻法（外同步） 1、頻域插入導(dǎo)頻 這種方法與載波同步時的插入導(dǎo)頻法類似，也是在基帶信號頻譜的零點處

49、插入所需的位定時導(dǎo)頻信號，如圖 10.3-1 所示。,圖 10.3-1 插入導(dǎo)頻法頻譜圖,在接收端， 對圖 10.3-1（a）的情況，經(jīng)中心頻率為1/T的窄帶濾波器，就可從解調(diào)后的基帶信號中提取出位同步所需的信號，這時，位同步脈沖的周期與插入導(dǎo)頻的周期一致； 對圖 10.3-1（b）的情況, 窄帶濾波器的中心頻率應(yīng)為1/2T ， 所提取的導(dǎo)頻需經(jīng)倍頻后，才得所需的位同步脈沖。,其中，圖(a)為常見的雙極性不歸零基帶信號的功率譜，

50、插入導(dǎo)頻的位置是1/T ； 圖(b)表示經(jīng)某種相關(guān)變換的基帶信號， 其譜的第一個零點為 1/2T ，插入導(dǎo)頻應(yīng)在1/2T 處。,圖 10.3-2 畫出了插入位定時導(dǎo)頻的系統(tǒng)框圖，它對應(yīng)于圖 10.3-1（b）所示譜的情況。 發(fā)端插入的導(dǎo)頻為1/2T ，接收端在解調(diào)后設(shè)置了1/2T窄帶濾波器，其作用是取出位定時導(dǎo)頻。 移相、倒相和相加電路是為了從信號中消去插入導(dǎo)頻，

51、使進入取樣判決器的基帶信號沒有插入導(dǎo)頻。這樣做是為了避免插入導(dǎo)頻對取樣判決的影響。,圖 10.3-2 插入位定時導(dǎo)頻系統(tǒng)框圖 (a) 發(fā)送端； (b) 接收端,與插入載波導(dǎo)頻法相比，它們消除插入導(dǎo)頻影響的方法各不相同，載波同步中采用正交插入，而碼元同步中采用反向相消的辦法。 這是因為載波同步在接收端進行相干解調(diào)時，相干解調(diào)器有很好的抑制正交載波的能力， 它不需另加電路就能抑制正交載波，因此載波同

52、步采用正交插入。 而位定時導(dǎo)頻是在基帶加入，它沒有相干解調(diào)器，故不能采用正交插入。 為了消除導(dǎo)頻對基帶信號取樣判決的影響， 碼元同步采用了反相相消。,此外， 由于窄帶濾波器取出的導(dǎo)頻為1/(2T) ，圖中微分全波整流起到了倍頻的作用，產(chǎn)生與碼元速率相同的位定時信號1/T。圖中兩個移相器都是用來消除窄帶濾波器等引起的相移， 這兩個移相器可以合用。  *2、包絡(luò)調(diào)制法：是另一種導(dǎo)頻插入的方法。

53、 這種方法是用碼元同步信號的某種波形對恒包絡(luò)數(shù)字已調(diào)信號（如移相鍵控或移頻鍵控信號）進行附加的幅度調(diào)制，使其包絡(luò)隨著位同步信號波形變化。在接收端只要進行包絡(luò)檢波，就可以形成碼元同步信號。  設(shè)移相鍵控的表達式為 s1(t)= cos［ωct+φ(t)］,利用含有碼元同步信號的某種波形對s1(t)進行幅度調(diào)制， 若這種波形為升余弦波形，則其表示式為 式中的Ω=2π/

54、T，T為碼元寬度。幅度調(diào)制后的信號為,接收端對s2(t)進行包絡(luò)檢波，包絡(luò)檢波器的輸出為 除去直流分量后，就可獲得碼元同步信號  。 除了以上兩種在頻域內(nèi)插入碼元同步導(dǎo)頻之外，還可以在時域內(nèi)插入，其原理與載波時域插入方法類似。,四、 自同步法1、自同步法分類：開環(huán)同步法：由于

55、二進制等先驗概率的不歸零碼元序列中沒有離散的碼元速率頻譜分量，故需要在接收時對其進行某種非線性變換，才能使其頻譜中含有離散的碼元速率頻譜分量，并從中提取碼元定時信息。 閉環(huán)同步法：用比較本地時鐘周期和輸入信號碼元周期的方法，將本地時鐘鎖定在輸入信號上。,（1）延遲相乘法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是正值；而前一半則當(dāng)輸入狀態(tài)有改變時為負值。因此，變換后的碼元序列的頻譜中就產(chǎn)生

56、了碼元速率的分量。延遲時間等于碼元時間一半時，碼元速率分量最強。,原理方框圖,2、開環(huán)碼元同步法(非線性變換同步法),*(2) 包絡(luò)檢波-濾波法 這是一種從頻帶受限的中頻PSK信號中提取碼元同步信息的方法，其波形圖如圖10.3-4所示。,圖 10.3-4 從2PSK信號中提取位同步信息,當(dāng)接收端帶通濾波器的帶寬小于信號帶寬時，使頻帶受限的2PSK信號在相鄰碼元相位反轉(zhuǎn)點處形成幅度的“陷落”。

57、 經(jīng)包絡(luò)檢波后得到圖 10.3-4(b)所示的波形，它可看成是一直流與圖 10.3-4(c)所示的波形相減， 而圖(c)波形是具有一定脈沖形狀的歸零脈沖序列，含有位同步的線譜分量， 可用窄帶濾波器取出。 ,（3）微分整流法原理,用微分整流電路去檢測矩形碼元脈沖的邊沿，微分電路的輸出是正負窄脈沖，它經(jīng)過整流后得到正脈沖序列。 得到正脈沖序列的頻譜中就包含有碼元速率的分量。 由于微分電路對于寬帶噪

58、聲很敏感，所以在輸入端用一個低通濾波器。 但是，加用低通濾波器后又會使碼元波形的邊沿變緩，使微分后的波形上升和下降也變慢，所以應(yīng)當(dāng)對低通濾波器的截止頻率作折中選取。,（4）同步誤差(由于隨機噪聲疊加在接收信號上,使所提取的碼元同步信息產(chǎn)生誤差,這個誤差是一個隨機量) 若窄帶濾波器的帶寬等于1/KT，其中K為一個常數(shù)，則提取同步的時間誤差比例為： T － 碼元持續(xù)時間；

59、 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確的碼元同步。,式中， － 同步誤差時間的均值；,(5)開環(huán)碼元同步的主要缺點： 同步跟蹤誤差的平均值不等于零。 使信噪比增大可以降低此跟蹤誤差，但是因為是直接從接收信號波形中提取同步，所以跟蹤誤差永遠不可能為零。 解決的辦法： 采用閉環(huán)碼元

60、同步，將接收信號和本地產(chǎn)生的碼元定時信號相比較，使本地的定時信號和接收碼元波形的轉(zhuǎn)變點保持同步，該方法類似載波同步中的鎖相環(huán)法。,3、閉環(huán)碼元同步法“超前/滯后門”同步器：原理方框圖,,,工作原理,存在的問題和解決辦法在上面討論中已經(jīng)假定接收信號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去控制壓控振蕩器，故不能使用此法取得同步。這個問題在所有自同步法的

61、碼元同步器中都存在，在設(shè)計時必須加以考慮。此外，由于兩個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時間沒有突跳邊沿時，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，從而會使系統(tǒng)失去同步。為了使接收碼元序列中不會長時間地沒有突跳邊沿，可以在發(fā)送時對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)送碼元序列不會長時間地沒有突跳邊沿。,五、 碼元同步誤差

62、對于誤碼率的影響 在用匹配濾波器或相關(guān)器接收碼元時，其積分器的積分時間長短直接和信噪比Eb/n0有關(guān)。 若積分區(qū)間比碼元持續(xù)時間短，則積分的碼元能量Eb顯然下降，而噪聲功率譜密度n0卻不受影響。 在相鄰碼元有突變邊沿時，若碼元同步時間誤差為?，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

63、的邊沿和無突變的邊沿各占1/2。,故在有相位誤差時的平均誤碼率為,以等概率2PSK信號為例，其最佳誤碼率為：,作 業(yè)思考題（自作）： P435 13-9，13-13 作 業(yè)：P435 *13-3,10.4 群 同 步,主要任務(wù)? 群同步的任務(wù)及分類? 集中插入法? 分散插入法? 群同步性能? 起止式同步法? 自群同步?*擴頻通信系統(tǒng)的同步法,

64、一、群同步的任務(wù)及分類 數(shù)字通信時，一般總是以若干個碼元組成一個字，若干個字組成一個句，即組成一個個的“群”進行傳輸。 1、群同步的任務(wù) 就是在碼元同步的基礎(chǔ)上識別出數(shù)字信息群（字、句、幀）“開頭”和“結(jié)尾”的時刻，使接收設(shè)備的群定時與接收到的信號中的群定時處于同步狀態(tài)。,2、實現(xiàn)群同步方法 （1）外同步法：是在發(fā)送的數(shù)字信號序列中插入群同步脈沖或群同步碼作為群（字、句、幀）的起始標志，

65、接收端根據(jù)這些特殊碼組的位置可以實現(xiàn)群同步。 采用的方法是起止式同步法和插入特殊同步碼組的同步法。而插入特殊同步碼組的方法有兩種：一種為連貫式插入法（集中插入），另一種為間隔式插入法（分散插入）。 （2）自同步法：不需要外加的特殊碼組，類似于載波同步和位同步中的直接法，利用數(shù)據(jù)碼組本身之間彼此不同的特性實現(xiàn)自同步。,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

66、入適用于連續(xù)傳輸信息之處，例如數(shù)字電話系統(tǒng)中。,3、同步電路的狀態(tài)：捕捉態(tài)：在捕捉態(tài)時，確認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)：一旦確認達到同步狀態(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，這時為了防止因為噪聲引起的個別錯誤導(dǎo)致認為失去同步，應(yīng)該降低判斷同步的條件，以使系統(tǒng)穩(wěn)定工作。,二、集中插入法 1、集中插入法的定義及碼組

67、 集中插入法，又稱連貫插入法。 它是指在每一信息群的開頭集中插入作為群同步碼組的特殊碼組，該碼組應(yīng)在信息碼中很少出現(xiàn)，即使偶爾出現(xiàn)，也不可能依照群的規(guī)律周期出現(xiàn)。 接收端按群的周期連續(xù)數(shù)次檢測該特殊碼組，這樣便獲得群同步信息。 ,連貫插入法的關(guān)鍵是尋找實現(xiàn)群同步的特殊碼組。對該碼組的基本要求是： ① 具有尖銳單峰特性的自相關(guān)函數(shù)； ② 便于

68、與信息碼區(qū)別； ③ 碼長適當(dāng)，以保證傳輸效率。  符合上述要求的特殊碼組有：全0碼、全1碼、1與0交替碼、 巴克碼、電話基群幀同步碼0011011。 目前常用的群同步碼組是巴克碼。,2. 巴克碼 巴克碼是一種有限長的非周期序列。 定義： 一個n位長的碼組{x1, x2, x3， …，xn}，其中xi的取值為+1或－1， 若它的局部相關(guān)函數(shù),則稱這