《现代通信理论》课件第5章.ppt

1、第5章同步原理 第第5 5章同章同 步步 原原 理理5.1概述概述5.2数字调制系统的载波同步原理数字调制系统的载波同步原理5.3数字基带系统的位同步原理数字基带系统的位同步原理5.4帧同步原理帧同步原理5.5网同步方式网同步方式习题习题第5章同步原理 5.1概述概述数字通信的一个重要特点是通过时间分割来实现多路复用,即时分多路复用。在通信过程中,信号的处理和传输都是在规定的时隙内进行的。为了使整个通信系统有序、准确、可靠地工作,收、发双方必须有一个统一的时间标准。所谓同步,就是使收、发两端的信号在时间上步调一致。同步系统性能的好坏将直接影响通信质量的好坏,甚至会影响通信能否正常进行。第5章同

2、步原理 1.同步的分类同步的分类按照同步的功能来分类,有载波同步、位同步(码元同步)、群同步(帧同步)和网同步(通信网络中使用)等四种。1)载波同步数字调制系统的性能是由解调方式决定的。相干解调中,首先要在接收端恢复出相干载波,这个相干载波应与发送端的载波在频率上同频,在相位上保持某种同步关系。在接收端恢复这一相干载波的过程称为载波跟踪、载波提取或载波同步。载波同步是实现相干解调的先决条件。第5章同步原理 2)位同步(码元同步)位同步又称码元同步。不管是基带传输,还是频带传输(相干或非相干解调),都需要位同步。因为在数字通信系统中,消息是由一连串码元传递的,这些码元通常都具有相同的持续时间。由

3、于传输信道的不理想,以一定速率传输到接收端的基带数字信号,必然是混有噪声和干扰的失真了的波形。为了从该波形中恢复出原始的基带数字信号,就要对它进行取样判决。因此,要在接收端产生一个“码元定时脉冲序列”,这个码元定时脉冲序列的重复频率和相位(位置)要与接收码元一致,以保证两点:第5章同步原理 接收端的定时脉冲重复频率和发送端的码元速率相同;取样判决时刻对准最佳取样判决位置。这个码元定时脉冲序列称为“码元同步脉冲”或“位同步脉冲”。我们把位同步脉冲与接收码元的重复频率和相位的一致称为码元同步或位同步,而把位同步脉冲的取得称为位同步提取。第5章同步原理 3)帧同步(群同步)帧同步也叫群同步。对于数字

4、信号传输来说,数字信号是按照一定数据格式传送的,一定数目的信息码元组成一个“字”,若干个“字”组成一“句”,若干“句”构成一帧,从而形成群的数字信号序列。在接收端要正确地恢复消息,就必须识别句或帧的起始时刻。在数字时分多路通信系统中,各路信码都安排在指定的时隙内传送,形成一定的帧结构。在接收端,为了正确地分离各路信号,先要识别出每帧的起始时刻,从而找出各路时隙的位置。也就是说,接收端必须产生与字、句和帧起止时间相一致的定时信号。我们称获得这些定时序列为帧(字、句、群)同步。第5章同步原理 4)网同步当通信在两点之间进行,且完成了载波同步、位同步和群同步之后,接收端不仅获得了相干载波,而且通信双

5、方的时标关系也解决了。这时,接收端就能以较低的错误概率恢复出数字信息。然而,随着数字通信的发展,特别是计算机通信的发展,多个用户相互通信而组成了数字通信网。显然,为了保证通信网内各用户之间可靠地进行数据交换,还必须实现网同步,使得在整个通信网内有一个统一的时间节拍标准。第5章同步原理 2.同步信号的获取方式同步信号的获取方式同步也是一种信息,按照传输同步信息方式的不同,可分为外同步法和自同步法。1)外同步法外同步法由发送端发送专门的同步信息,接收端把这个专门的同步信息检测出来作为同步信号的方法。第5章同步原理 2)自同步法自同步法是发送端不发送专门的同步信息,接收端设法从收到的信号中提取同步信

6、息的方法。由于外同步法需要传输独立的同步信号,因此要付出额外的功率和频带。在实际应用中,外同步和内同步两种方法都会采用。在载波同步和位同步中,大多采用自同步法;在群同步中,一般都采用外同步法。第5章同步原理 3.同步的技术指标同步的技术指标同步系统性能的降低,会直接导致通信质量的降低,甚至使通信系统不能工作。可以说,在同步通信系统中,“同步”是进行信息传输的前提。同步技术的优劣,主要由四项指标来衡量,即同步误差、相位抖动、同步建立时间和同步保持时间。好的同步技术必须达到同步误差小、相位抖动小、同步建立时间短及同步保持时间长这四项指标。显然,在数字通信同步系统中,要求同步信息传输的可靠性高于信号

7、传输的可靠性。第5章同步原理 5.2数字调制系统的载波同步原理数字调制系统的载波同步原理在常用的数字已调信号中,单极性MASK信号及MFSK信号的频谱中有载频离散谱成分,因而可以用窄带带通滤波或载波跟踪锁相环提取相干载波,其原理与模拟传输系统的载波同步器相同。2PSK、4PSK、MQAM信号及MQPR信号中都没有载频离散谱，对于这些信号,可采用非线性变换法提取相干载波,也可以用插入导频法解决载波同频问题。第5章同步原理 5.2.1非线性变换法非线性变换法(直接法直接法)非线性变换法直接对不含有载频离散谱的信号进行非线性变换，从而得到与载频有关的离散谱,进而提取相干载波。下面以2PSK、4PSK

8、信号为例,说明此方法的基本原理。1.2PSK载波同步器载波同步器将2PSK进行平方运算,得2222211()()cos()()cos222PSKccetm ttm tm tt(5.1)第5章同步原理 由于m(t)为双极性码,故式(5.1)中含有2fc离散谱,可以用窄带带通滤波器或载波跟踪锁相环得到cos2ct信号,再进行二分频处理就可以得到相干载波。通常称这种方法为平方变换法或平方环法。图5.1(a)、(b)分别为这两种方法的原理方框图。在平方环法中的锁相环一般为模拟环,它锁定时的输出信号与输入信号之间存在90的相位误差,因而必须对二分频器的输出信号进行移相处理才能得到相干载波。第5章同步原理

9、 图 5.12PSK载波同步器第5章同步原理 图5.1中的二分频器可能有两个起始状态,故其输出的相干载波存在两种可能的相位,称此现象为载波相位模糊。若2PSK信号的载波频率比较高,则平方器输出信号频率更高,这不利于窄带带通滤波器及锁相环的设计和调试。图5.2所示的同相正交环(又称Costas环)可以解决这个问题。第5章同步原理 图 5.2同相正交环载波同步器第5章同步原理 同相正交环的工作原理如下。设载波同步器的输入信号无失真且无噪声,则0()()cos()cos()iciu tm ttm ttt(5.2)式中,i(t)=(c0)t=0t,0为VCO的固有振荡频率。设在控制电压uc(t)的作用

10、下,VCO的相位变化为o(t),则可将VCO的输出信号表示为第5章同步原理(5.3)移相90后得(5.4)设相乘系数为Km,则正交支路和同相支路LPF的输出信号分别为uo(t)=sin0t+o(t)uo(t)=cos0t+ot11()()sin()2meu tK m tt(5.5)第5章同步原理(5.6)21()()cos()2meu tK m tt 将u1(t)和u2(t)相乘,得鉴相器输出信号为ud(t)=Ud sin2e(t)(5.7)式中,UdK2mm2(t)。同相正交环的数学模型如图5.3所示。图中F(p)为环路滤波器的传输算子,K0为压控振荡器的压控灵敏度。81第5章同步原理 图

11、5.3同相正交环的数学模型第5章同步原理 令F(p)=1,可得一阶同相正交环的微分方程为ptKtt)(2sin)()(eie(5.8)式中,K=K0Ud。令=de(t)/dt,得相轨迹方程为=0K sin2e(5.9)由式(5.9)得一阶同相正交环的相图,如图5.4所示。ee第5章同步原理 图 5.4一阶同相正交环的相图第5章同步原理 由图5.4可见,一阶同相正交环有两个锁定状态,对应的相位误差为Koearcsin或Koearcsin在高增益环中可满足0n时,Nn个信息码元可以构成的n位信息码组数为N。一个n位信息码组对应的假识别概率为P2,则N个n位信息码组对应的假识别概率为NP2。由此可得

12、帧同步码的平均识别时间为ts=NTb(1+P1+NP2)(5.35)分析表明,分散插入式帧同步码的平均识别时间为ts=N2Tb(5.36)第5章同步原理 2.同步保护原理同步保护原理若将帧同步码识别器的输出信号直接作为帧同步信号使用,则漏识别概率和假识别概率就是漏同步概率和假同步概率,它们很难同时满足通信系统的要求。为此,必须采取同步保护措施。将帧同步器的工作状态划分为两种,即捕捉态和维持态。帧同步器处于捕捉态时,无帧同步信号输出,处于维持态时输出帧同步信号。可以采取以下措施减小漏同步概率和假同步概率。第5章同步原理(1)变门限。当同步器处于捕捉态时,提高判决器的判决,以减小假同步概率;当同步

13、器处于维持态时,降低判决门限,以减小漏同步概率。(2)前方保护与后方保护。在捕捉态下,识别器连续个同步帧检测到帧同步码时,同步器转变为维持态,此为后方保护;在维持态下,识别器连续个同步帧检测不到帧同步码时,同步器转变为捕捉态,此为前方保护。第5章同步原理 3.帧同步系统帧同步系统图5.24所示为一种集中插入式帧同步器的原理框图。1)时标脉冲的产生本方案的帧同步系统共有三种时标脉冲,即读出时标脉冲Pr、比较时标脉冲Pc以及监视码时标脉冲Pm。(1)读出时标脉冲Pr。在帧同步系统中,首先要解决帧同步码的检出,其检出是在规定的时间进行的。第5章同步原理 图 5.24集中插入式帧同步器原理框图第5章同

14、步原理 当系统为帧同步状态时,Pr=TS0 D8,即每帧检查一次,检出时间是TS0时隙的D8位。当系统为帧失步状态时,Pr=1,即:系统判为帧失步,进入捕捉(逐比特检出识别)状态;在捕捉状态中,识别出一个帧同步码后,即对奇帧监视码进行检出,如果此时未检出监视码,则重新进入逐位检查识别状态。第5章同步原理(2)比较时标Pc。帧同步时,Pc=偶帧 TS0 D8 cp;帧失步时,Pc=cp,因为此时系统处于逐位检查识别帧同步码组的期间,所以Pc=cp,以便达到逐位识别的目的。(3)监视码时标Pm。监视码的出现时间与比较时标Pc不同,Pm出现在收端定时系统的奇帧TS0 D8位时隙,脉宽为0.5比特。2

15、)帧同步码组的检出PCM 30/32路制式中,帧同步码组0011011共7位码出现在PCM信码中的偶帧TS0时隙。帧同步码组的检出电路如图5.25所示。检出电路由8级移存器与检出门组成。第5章同步原理 图 5.25帧同步码组的检出电路第5章同步原理 由检出门的逻辑关系可得2345678Ps=Q Q Q Q Q Q QPr由上式可知,只有帧同步码组0011011由再生时钟cp逐位移入移存器,同时只能在读出脉冲Pr正脉冲出现时刻才有负脉冲的同步时标Ps检出。在其他任何码组进入移存器时,检出门的输出均为正电平的Ps。第5章同步原理 当帧同步系统为帧同步状态时,帧同步时标Ps标志着接收PCM信码流中的

16、偶帧TS0 D8 位时标的出现时刻。读出脉冲Pr=TS0 D8在收端定时系统的TS0时隙的D8位时隙出现,因此每隔250 s(一个同步帧)将在TS0 D8时隙出现负脉冲的Ps,从而表明了收端定时系统与接收的PCM码流是保持帧同步的关系。第5章同步原理 3)前、后方保护与捕捉要确认系统是否同步,可采用比较时标Pc与帧同步时标Ps在时间上进行比较的方法。如果Pc正脉冲的出现时间与Ps负脉冲的出现时间正好一致,则表示帧同步;否则就是帧失步。时间比较任务是由D型触发器A来完成的。比较时标Pc作为A触发器的时钟cp,在Pc正脉冲的出现时间,如果对准Ps的负脉冲,则触发器A=0,表示同步;如果未对准Ps的

17、负脉冲,则触发器A=1,表示失步。因此,根据A=0或A=1就可判断出是同步还是失步。第5章同步原理 D触发器A除了完成时间比较任务外,还完成保护时间计数的记忆作用。为了完成前方保护时间500 s的任务,需要对连续失步三次的情况进行记忆,因此设置了三个D型触发器A、B、C。当连续三次失步时,则A=B=C=1,与非门。这时预置指令S=0,发出置位等待指令,使收端定时系统暂时停止工作,而置位于一个特定的等待状态,例如停留在偶帧TS0时隙的D8码位的等待状态,这时系统就进入捕捉状态。1 1 10SA B C 第5章同步原理 S=0,进入捕捉状态后,虽然收端定时系统停留在一个特定的等待状态而停止工作,但

18、收端再生时钟cp仍然继续工作。这时,比较时标Pc改用时钟cp,由cp进行逐位比较,见图5.26。帧同步系统的时间如图中t2所示。当然,这时的帧同步码的检出也改为逐位检出。第5章同步原理 图 5.26帧同步系统 的时间图第5章同步原理 在逐位比较识别的过程中,一旦识别出帧同步码(这时A=0,),就立即解除收端定时系统的预置等待状态,启动收端定时系统,恢复正常工作,使收端定时系统的比较时标(收端偶帧TS0 D8时隙)与接收到的PCM信码流中的偶帧TS0 D8时隙对准,从而达到帧同步的目的。考虑到伪同步码的存在,采用后方保护,它是由奇帧监视码检出与偶帧同步码检出来完成的。0 1 11S 第5章同步原

19、理 监视码是利用对端告警码的第2位1码与帧同步码的第2位0码不同而检测出来的。一旦进入捕捉状态,在逐位检出过程中识别出一个帧同步码后,就进行奇帧监视码的检出。如果没有监视码出现,则说明前一个帧同步码是假的,监视脉冲M=0,由此负脉冲(窄脉冲)使触发器A、B、C均置位于“1”状态,从而使S=0,又重新逐位捕捉。第5章同步原理 只有当逐位捕捉过程中,第N帧识别出一个帧同步码,在第N+1帧(奇帧)检出监视码,此时M=1,对A、B、C触发器的状态不产生影响,在第N+2帧(偶帧)又识别出一个帧同步码时,才结束捕捉状态而进入同步状态,使解码器开始工作。如果在第N+3帧又发现失步,那么还要经过前方保护时间才

20、能进入捕捉状态。这样,在捕捉状态中,第N帧识别出帧同步码,第N+1帧识别出监视码,在第N+2帧又识别出帧同步码,才能进入帧同步状态,开始解码工作。第5章同步原理 图5.26中,在t2时刻,1 1 10SA B C 120 01,1;1RA BGG当G1=1,G2=0时,发出失步指令,进行告警,并将解码电路封锁,使其停止工作。S=0,发出预置指令,将定时系统预置在特定的等待状态而停止工作。这时系统处于逐位检出识别的捕捉状态,逐位检出与识别由再生时钟cp来完成。第5章同步原理 4)收端定时系统的预置位与启动收端定时系统的预置位与启动如图5.27所示。该电路是收端位脉冲发生器,其预置位处于什么状态,

21、与帧同步码的检出时刻有关。如果用TS0的D8码位检出该同步码,则位脉冲发生器应被强置位于D8位所对应的状态。如图所示,当S=0时,位脉冲发生器被强置位于Q1=Q2=Q3=Q4的状态。强置位后,收端定时系统就立即停止工作,处于等待状态。一旦S=1,收端定时系统就立即启动,进入收端定时系统的D1位时隙。这样就可使收端定时系统与接收到的PCM信码流的时序状态对准。第5章同步原理 图 5.27收端定时系统的预置位与启动第5章同步原理 5.4.3集中插入式帧同步器的性能指标集中插入式帧同步器的性能指标设一个同步帧中含有N个码元,其中有n个帧同步码元,同步帧周期为Tf,识别器判决门限与帧同步码组的码元数相

22、同,后方保护参数为,前方保护参数为。在这些条件下,分析集中插入式帧同步器的漏同步概率P1、假同步概率Pj和平均同步建立时间Tp。第5章同步原理 1.漏同步概率漏同步概率P1在维持态下,识别器连续帧检测不到帧同步码的概率为漏同步概率。识别器一次检测不到帧同步码的概率为P1=nPb,故漏同步概率为P1=(P1)=(nPb)(5.37)第5章同步原理 2.假同步概率假同步概率Pj在捕捉态下,若在个同步帧内,在各帧的相同位置有n位信息码元与帧同步码相同,则同步器输出一个假同步脉冲,这种事件发生的概率为(P2)=2n。当Nn时,在一个同步帧中可以构成的n位消息码元组数约为N,故假同步概率为nNP2j(5

23、.37)第5章同步原理 3.平均同步建立时间平均同步建立时间Tp(或称平均同步捕捉时间或称平均同步捕捉时间)若无漏同步和假同步,则同步建立时间为个同步帧周期Tf。在个同步帧内,帧同步识别器发生一次假识别的概率约为N/2n。若在第一帧内发生假识别,则同步建立时间增加一个同步帧;若在第帧内发生假识别,则同步建立时间增加个同步帧。所以在这个同步帧中若有一次假识别,则同步建立时间平均增加(1+)/2个同步帧,即同步建立时间平均增加量为第5章同步原理 111222ffnnNNTT在个同步帧内,帧同步识别器发生一次漏识别的概率为nPb。若发生一次漏识别,则同步建立时间平均增加(1+)/2个同步帧,故漏识别

24、使同步建立时间的平均增加量为第5章同步原理 bb1122ffnPnPTT由此可得帧同步平均建立时间为bp111122fnNnPTT(5.39)第5章同步原理 5.5网网 同同 步步 方方 式式移动通信、光纤通信、卫星通信以及微波通信等现代通信系统都是复杂的通信网,它们互相组合在一起构成一个更加庞大的通信网,以实现全球个人通信。在一个通信网中,必须实现网同步才能使各种信息进行正确的交换和传输。实现网同步的方法主要有两大类:一类是全网同步方式;另一类是独立时钟同步方式。全网同步方式主要有主从同步和相互同步两种,独立时钟同步方式也有码速调整法和水库法两种。第5章同步原理 5.5.1主从同步方式主从同

25、步方式主从同步方式是在通信网中设置一个高稳定度的主时钟源,通信网中各站的时钟通过锁相环与这个主时钟同步,如图5.28所示。主时钟可以由通信源中的某一个站点提供,也可以是GPS提供的标准时钟。主从同步方式的优点是时钟稳定度高,设备简单;缺点是可靠性差,因为一旦主时钟源出现故障,则全网通信即会中断。第5章同步原理 图 5.28主从同步方式第5章同步原理 5.5.2相互同步方式相互同步方式相互同步方式如图5.29所示。通信网中各站点都设有时钟源,但各站点时钟源的频率受该站点各个接收信号时钟的控制,从而使网内各站点的时钟频率锁定在网内各站点固有时钟频率的平均值上,从而实现网同步。这个平均频率称为网频。

26、第5章同步原理 图 5.29相互同步方式第5章同步原理 设某站点D接收A、B、C三个信号,其时钟源为晶体压控振荡器(VCXO),则可用如图5.30所示的网同步锁相环将VCXO的频率锁定在三个输入时钟的平均频率上。图中,时钟A、B、C可以分别从对应的数据流中提取。在主从同步方式中,各站点的网同步锁相环中只有一个鉴相器,且环路输入信号为主时钟。第5章同步原理 图 5.30相互同步方式中的网同步锁相环第5章同步原理 在相互同步方式中,由于多个频率源的变化有时可以互相抵消,所以网频的稳定度比各站点的稳定度高一些。相互同步方式克服了主从同步方式中网同步过于依赖主时钟的缺点。但在这种方式中,一旦固有时钟频

27、率发生变化，就会引起网频的变化,出现网频暂时不稳,引起误码。这是相互同步方式的一个缺点,其另一个缺点是设备复杂。第5章同步原理 5.5.3独立时钟同步方式独立时钟同步方式独立时钟同步方式又称为准同步方式或准同步复接方式。此方式中的码速调整法已在4.3节“数字复接技术”中介绍过了,此处只介绍水库法的基本原理。水库法在通信网的每个站点设置一个容量极大的存储器和稳定度极高的时钟源,使得存储器在较长时间内才会“溢出”或被“取空”,因而不需要进行码速调整。第5章同步原理 现在来计算存储器发生一次“取空”或“溢出”现象的时间间隔T。设存储器的存储量为2n,起始为半满状态,存储器写入和读出的速率之差为f,则

28、有nTf(5.40)设数据流速率为f,则时钟的频率稳定度为ff(5.41)第5章同步原理 将式(5.41)代入式(5.40)得nfT(5.42)式(5.42)是水库法的基本公式。若f=512 kb/s,=109,n=45,则T=24 h。显然,这样的存储器是不难实现的。若采用更高稳定度的原子钟,就可以在更高速率的数字通信网中采用水库法实现网同步。由于水库法每隔一个较长时间都会发生“取空”或“溢出”,所以每隔一定时间要对同步系统校准一次。第5章同步原理 习题习题5.1用单谐振电路作为滤波器提取同步载波,已知同步载波频率为1000 kHz,回路Q=100,把达到稳定值40%的时间作为同步建立时间(

29、或同步保持时间),求载波同步的建立时间ts和保持时间tc。5.2已知7位巴克码为(1 1 1 1 1 1 1),求其自相关函数。第5章同步原理 5.3已知5位巴克码组为1 1 1 0 1,其中“1”用+1表示,“0”用1表示。(1)试确定该巴克码的局部自相关函数,并用图表示;(2)若用该巴克码作为帧同步码,画出接收端识别器的原理框图。5.4若7位巴克码组的前后全为“1”序列,加入如题5.4图所示的码元输入端,且各移存器的初始状态均为零,试画出识别器的输出波形。第5章同步原理 题 5.4 图第5章同步原理 5.5设一个数字通信网采用水库法进行码速调整,已知数据数率为32 Mb/s,存储器的容量2

30、n=200 bit,时钟的频率稳定度为1010ff试计算每隔多少时间需对同步系统校正一次。第5章同步原理 5.6已知PCM 30/32终端机帧同步码周期Ts=250 s,每帧比特数N=512,帧同步码长度为7 bit,试计算平均捕捉时间。5.7已知题5.6 PCM终端机同步系统中,保护计数器有3级,在信道误比特率Pb=104 的情况下,计算误失步平均周期。5.8设计一个均匀量化线性PCM通信系统,此系统传输4路均匀分布的信号,抽样频率为8 kHz,最大量化信噪比不小于30 dB,采用集中方式插入帧同步码,且帧同步码位数等于语音编码位数。给出PCM信号的帧结构,并求码速率。第5章同步原理 5.9

31、传输速率为1 kb/s的一个通信系统,设误信率为104,群同步采用连贯式插入的方法,同步码组的位数n=7,每群中的信息位数为153。(1)若不采用同步保护措施,试计算m=0和m=1时漏同步概率P1、对7位信息码的假同步概率P2和同步建立时间ts;(2)若采用=3、=3的同步保护措施,试计算m=0时漏同步概率P1、假同步概率Pj和平均同步建立时间Tp。第5章同步原理 5.10已知A律PCM二次群的帧同步码为1111010000,信息速率为8448 kb/s,每帧848个码元,且第1第10个码元为帧同步码,后方保护参数=3,前方保护参数=4,设Pb=106,判决门限为10。(1)求帧同步器的假同步概率、漏同步概率和同步建立时间;(2)构造一个帧同步码识别器;(3)画出帧同步器的原理框图。5.11已知PCM30/32终端机帧同步码周期Ts=250 s,每帧比特数N=512,帧同步码长度为7 bit,试计算平均捕捉时间。