微机原理第11章

1、1 通通 信信 原原 理理 第第11章章 同步原理同步原理 2 第第11 11章章 同步原理同步原理 l11.1 概述概述 同步同步是通信系统，特别是数字通信系统中是通信系统，特别是数字通信系统中 的关键技术和先决条件。同步的目的是使接收的关键技术和先决条件。同步的目的是使接收 信号与发射信号保持正确节拍，以保证接收系信号与发射信号保持正确节拍，以保证接收系 统能正确地接收信息。统能正确地接收信息。 数字通信系统中的同步种类：数字通信系统中的同步种类：载波同步载波同步、 码元同步码元同步、群同步群同步和和网同步网同步。 同步是进行信息传输的必要和前提，同步同步是进行信息传输的必要和前提，同步

2、性能的好坏将直接影响通信系统的性能。性能的好坏将直接影响通信系统的性能。 本章重点研究载波同步、码元同步、群同本章重点研究载波同步、码元同步、群同 步步的概念、实现方法的概念、实现方法和和性能。性能。 3 11.1 11.1 概述概述 载波同步载波同步：又称载波恢复或载波提取。：又称载波恢复或载波提取。 u目的：在接收设备中产生一个和接收信号的载目的：在接收设备中产生一个和接收信号的载 波波同频同频、同相同相的本地振荡（相干的本地振荡（相干载波载波），用于），用于 相干解调。相干解调。 u方法：方法： 接收信号中有载频分量时：需要调整其相位。接收信号中有载频分量时：需要调整其相位。 接收信号中

3、无载频分量时：需从信号中提取载接收信号中无载频分量时：需从信号中提取载 波，波， 或插入辅助同步信息。或插入辅助同步信息。 4 11.1 11.1 概述概述 码元同步码元同步：又称时钟同步或时钟恢复。：又称时钟同步或时钟恢复。 对于二进制信号，又称对于二进制信号，又称位同步位同步。 u目的：得知每个接收码元准确的起止时刻，以便目的：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。决定积分和判决时刻。 为同步就是在接收端产生与接收码元重复频率和为同步就是在接收端产生与接收码元重复频率和 相位（位置）的时钟脉冲序列。相位（位置）的时钟脉冲序列。 u方法：从接收信号中获取同步信息，由其产生

4、一方法：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。正确关系。或插入辅助同步信息。 5 11.1 11.1 概述概述 群同步群同步：又称帧同步（字符同步）。：又称帧同步（字符同步）。 u目的：在接收端产生与每目的：在接收端产生与每“组组”、每、每“帧帧”起起 止时刻相一致的同步脉冲序列，以便对接收码止时刻相一致的同步脉冲序列，以便对接收码 元正确分组。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。个同步码元

5、，标示出分组位置。 网同步网同步：使通信网中各站点时钟之间保持同步。：使通信网中各站点时钟之间保持同步。 6 11.1 11.1 概述概述 同步方法同步方法 同步也是一种信息，按照获取和传输同步信息方式的同步也是一种信息，按照获取和传输同步信息方式的 不同，又可分为外同步法和自同步法。不同，又可分为外同步法和自同步法。 u外同步法外同步法 由发送端发送专门的同步信息（常被称为导频），由发送端发送专门的同步信息（常被称为导频）， 接收端把这个导频提取出来作为同步信号的方法。接收端把这个导频提取出来作为同步信号的方法。 特点特点：设备简单，建立同步的时间快，但需要占：设备简单，建立同步的时间快，但

6、需要占 用一定的频率资源和功率资源。用一定的频率资源和功率资源。 7 11.1 11.1 概述概述 u自同步法自同步法 发送端不发送专门的同步信息，接收端设法从收到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息的方法，称为自同步法。的信号中提取同步信息的方法，称为自同步法。 特点特点：同步建立的时间较长，但可以把全部功率和：同步建立的时间较长，但可以把全部功率和 带宽分配给信号传输。自同步法是人们最希望的同带宽分配给信号传输。自同步法是人们最希望的同 步方法。步方法。 在载波同步和位同步中，两种方法都有采用，但自在载波同步和位同步中，两种方法都有采用，但自 同步法正得到越来

7、越广泛的应用。而群同步一般都同步法正得到越来越广泛的应用。而群同步一般都 采用外同步法。采用外同步法。 8 第第11 11章章 同步原理同步原理 n11.2 载波同步载波同步 u 10.2.1 有辅助导频时的载频提取（插入导频法）有辅助导频时的载频提取（插入导频法） p适用范围：不包含载频分量的信号（如适用范围：不包含载频分量的信号（如2PSK信号）。信号）。 p方法：在发送信号中另外加入一个或几个导频信号方法：在发送信号中另外加入一个或几个导频信号 （发端专门在发送信号中导入的含有载波信息的单频（发端专门在发送信号中导入的含有载波信息的单频 信号）。信号）。 p多采用锁相环（多采用锁相环（P

8、LL）提取载波。）提取载波。 p锁相环原理方框图：锁相环原理方框图： 环路滤波器环路滤波器 压控振荡器压控振荡器 输出导频输出导频 输入信号输入信号 鉴相器鉴相器 9 10 10. .2 2 载波同步载波同步 p对环路滤波器的要求：通带越窄，能够通过的噪声越少，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。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：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鉴相器：可以是一

9、组匹配滤波器 10 11 11. .2 2 载波同步载波同步 u11.2.2 无辅助导频时的载波提取无辅助导频时的载波提取 p平方环法平方环法 p设设2PSK信号信号 式中，式中，m(t) = 1 当当m(t)取取+1和和-1的概率相等时，此信号的频谱中无角的概率相等时，此信号的频谱中无角 频率频率 c的离散分量。将上式平方，得到的离散分量。将上式平方，得到 由上式可见，其中包含由上式可见，其中包含2倍载频的频率分量。将此倍载频的频率分量。将此2 倍频分量用窄带滤波器滤出后再作倍频分量用窄带滤波器滤出后再作2分频，即可得出分频，即可得出 所需载频。所需载频。 )cos()()(ttmts c

10、)(2cos1 2 )( )(cos)()( 2 222 t tm ttmts cc 11 11 11. .2 2 载波同步载波同步 载频载频 输出输出 带通滤波带通滤波平平 方方 压控振荡压控振荡 环路滤波环路滤波 锁相环锁相环 s s( (t t) ) 2 2分频分频窄带滤波窄带滤波 平方环原理方框图平方环原理方框图 12 11 11. .2 2 载波同步载波同步 此方案的缺点：此方案的缺点： 1、相位含糊性相位含糊性：2分频器的输出电压有相差分频器的输出电压有相差180 的的 两种可能相位，即其输出电压的相位决定于分频器两种可能相位，即其输出电压的相位决定于分频器 的随机初始状态。采用的

11、随机初始状态。采用2DPSK体制可以避免此缺点体制可以避免此缺点 的影响。的影响。 2、错误锁定错误锁定：平方后的接收电压中有可能存在其他：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。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。解决这个问题的办法是降低环路滤波器的带宽。 13 11 11. .2 2 载波同步载波同步 p科斯塔斯环法科斯塔斯环法：又称：又称同相正交环同相正交环法或边环法。法或边环法。 科斯塔斯环法原理方框图科斯塔斯环法原理方框图： 9090 相移相移 环路滤波环路滤波压控振荡压控振荡 s s( (t

12、t) ) 载频载频 输出输出 低低 通通 低低 通通 解调解调 输出输出 a b c d e f g m(t)cos(ct +) 14 10 10. .2 2 载波同步载波同步 工作原理工作原理 a点的压控振荡电压：点的压控振荡电压： b点的压控振荡电压：点的压控振荡电压： c点的电压：点的电压： d点的电压：点的电压： e点的电压点的电压： f点的电压：点的电压： g点的电压：点的电压： 上式中的上式中的( - )是压控振荡电压和接收载波相位之差。是压控振荡电压和接收载波相位之差。 )cos( tv ca )sin( tv cb )2cos()cos()( 2 1 )cos()cos()(

13、ttmtttmv cccc )2sin()sin()( 2 1 )sin()cos()( ttmtttmv cccd )cos()( 2 1 tmve )sin()( 2 1 tmv f )(2sin)( 8 1 2 tmvvv feg 15 11 11. .2 2 载波同步载波同步 将将m(t) = 1代入上式，并考虑到当代入上式，并考虑到当( - )很小时，很小时， sin( - ) ( - )，则上式变为，则上式变为 电压电压vg 通过环路滤波器，控制压控振荡器的振荡频率。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，使这个电压控制压控振荡器的输出电压

14、相位，使( - ) 可能地小。当可能地小。当 时，时，vg = 0 。 压控振荡器的输出电压压控振荡器的输出电压va 就是科斯塔斯环提取出的载波。就是科斯塔斯环提取出的载波。 )(2sin)( 8 1 2 tmvvv feg )( 4 1 g v 16 11 11. .2 2 载波同步载波同步 当当( - )很小时，除了差一个常数因子外，电压很小时，除了差一个常数因子外，电压ve 就近似等就近似等 于解调输出电压于解调输出电压m(t)。科斯塔斯环本身就同时兼有提取相干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载波和相干解调的功能。 优缺点优缺点： 1、不需要对接收信号作平方运算，工

15、作频率较低。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。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、由锁相环原理可知，锁相环在( - )值接近值接近0的稳定的稳定 点有两个，在点有两个，在( - )等于等于0和和 处。所以，科斯塔斯环法处。所以，科斯塔斯环法 提取出的载频也存在相位含糊性。提取出的载频也存在相位含糊性。 )cos()( 2 1 tmve 17 10 10. .2 2 载波同步载波同步 p再调制器再调制器 第第3种提取相干载波的方法种提取

16、相干载波的方法 再调制器再调制器原理方框图原理方框图 载频载频 输出输出 90 相移相移 环路滤波环路滤波 压控振荡压控振荡 低低 通通 s(t) ab cde f g 18 11 11. .2 2 载波同步载波同步 工作原理工作原理 接收信号和接收信号和a点振荡电压相乘后得到的点振荡电压相乘后得到的c点电压点电压 它经过低通滤波后，在它经过低通滤波后，在d 点的电压为点的电压为 vd 实际上就是解调电压，它受实际上就是解调电压，它受b点的振荡电压在相乘器点的振荡电压在相乘器 中再调制后，得出的中再调制后，得出的e 点电压等于点电压等于 上式的上式的ve 和信号和信号s(t)再次相乘，得到在再

17、次相乘，得到在f点的电压。点的电压。 )2cos()cos()( 2 1 )cos()cos()( ttmtttmv cccc )cos()( 2 1 tmv d )2sin()sin()( 4 1 )sin()cos()( 2 1 tttmttmv ccce 19 11 11. .2 2 载波同步载波同步 vf 经过窄带低通滤波后，得到压控振荡器的控制电压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，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。这两个方案中的压控振荡器的控制电压相同。 )(2si

18、n)(2sin)(2sin)( 8 1 )2sin()cos()sin()cos()( 4 1 )2sin()sin()cos()( 4 1 2 2 2 tttm tttttm ttttmv cc cccc cccf )(2sin)( 8 1 2 tmvg 20 11 11. .2 2 载波同步载波同步 p多进制信号的载频恢复多进制信号的载频恢复 例：例：QPSK信号提取载频的科斯塔斯环法原理方框图信号提取载频的科斯塔斯环法原理方框图 s(t) 45 移相移相 低通低通 压控压控 振荡振荡 环路环路 滤波滤波 低通低通 解调输出解调输出 90 移相移相 135 移相移相 低通低通 低通低通 2

19、1 11 11. .2 2 载波同步载波同步 n11.2.3 载波同步的性能载波同步的性能 u相位误差相位误差 p相位误差的种类相位误差的种类 恒定误差：由电路参量引起的恒定误差：由电路参量引起的 随机误差：由噪声引起的随机误差：由噪声引起的 p恒定误差分析恒定误差分析 当提取载波电路中存在窄带滤波器时，若其中心频当提取载波电路中存在窄带滤波器时，若其中心频 率率fq和载波频率和载波频率f0不相等，存在频率偏差不相等，存在频率偏差 f，则载波，则载波 通过它时会有附加相移。设此窄带滤波器由一个单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谐振电路组成，则

20、由其引起的附加相移等于 q f f Q 2 22 11 11. .2 2 载波同步载波同步 当提取载频的电路中采用锁相环时，若锁相环工作在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稳态，压控振荡电压的频率f0应当和信号载频应当和信号载频fc相同，相同， 并且其相位误差应当很小。设锁相环压控振荡电压的并且其相位误差应当很小。设锁相环压控振荡电压的 稳态相位误差为稳态相位误差为，则有，则有 式中，式中， f 是是fc和和 f0之差，而之差，而Kd为锁相环路直流增益。为锁相环路直流增益。 为了减小误差为了减小误差，由上式可见，应当尽量增大环路，由上式可见，应当尽量增大环

21、路 的增益的增益Kd。 d K f 23 11 11. .2 2 载波同步载波同步 p随机误差分析随机误差分析 设这种相位误差为设这种相位误差为 n，它是由窄带高斯噪声引起的，所，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，此随机相位误差以是一个随机量。当大信噪比时，此随机相位误差 n的的 方差与信号噪声功率比方差与信号噪声功率比r的关系为的关系为 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 相位误差相位误差 n的标准偏差称为相

22、位抖动，并记为的标准偏差称为相位抖动，并记为 。 r n 2 1 2 24 第第11 11章章 同步原理同步原理 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，要求滤波器机相位误差越小。另一方面，通频带越窄，要求滤波器 的的Q值越大，则恒定相位误差值越大，则恒定相位误差越大。所以，恒定相位越大。所以，恒定相位

23、误差和随机相位误差对于误差和随机相位误差对于Q值的要求是矛盾的。值的要求是矛盾的。 25 11 11. .2 2 载波同步载波同步 u同步建立时间和保持时间同步建立时间和保持时间 p同步建立时间同步建立时间：从开始接收到信号（或从系统失步：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。状态）到提取出稳定的载频所需要的时间。 此时间越短越好。在同步建立时间内，由于相干载此时间越短越好。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。频的相位还没有调整稳定，所以不能正确接收码元。 p同步保持时间同步保持时间：同步建立后，从开始失去信号到失：同步建

24、立后，从开始失去信号到失 去载频同步的时间。去载频同步的时间。 此时间越长越好。长的同步保持时间有可能使信号此时间越长越好。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。同步，保持连续提供稳定的本地载频。 26 11 11. .2 2 载波同步载波同步 u载波同步误差对解调信号的影响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：恒定误差载波同步的相位误差：包括两部分：恒定误差和和随机误随机误 差（相位抖动）差（相位抖动） ，现在将其写为：现在将其写为： p相位误差对于相

25、位误差对于2PSK信号误码率的影响信号误码率的影响： 由科斯塔斯环的输出电压由科斯塔斯环的输出电压 其中，其中，( - )为相位误差为相位误差，ve即解调输出电压，而即解调输出电压，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 噪声功率比噪声功率比r下降至下降至cos2( - )倍。将它代入误码率公式，倍。将它代入误码率公式， 得到相位误差为得到相位误差为( - )时的误码率等于时的误码率等于 )cos()( 2 1 tmve )cos( 2 1 rerfcPe 27 10 10. .2 2 载波同步载波同步 p相位误差对于

26、单边带信号的影响相位误差对于单边带信号的影响 设有一单频基带信号设有一单频基带信号 它对载波它对载波cos ct进行单边带调制后，取出上边带信号进行单边带调制后，取出上边带信号 若接收端的本地相干载波有相位误差若接收端的本地相干载波有相位误差 ，则两者相乘后得到，则两者相乘后得到 经过低通滤波器滤出的低频分量为经过低通滤波器滤出的低频分量为 其中第其中第1项是原调制基带信号，但是受到因子项是原调制基带信号，但是受到因子cos 的衰减；第的衰减；第2项项 是和第是和第1项正交的项，它使接收信号产生失真。项正交的项，它使接收信号产生失真。 ttmcos)( tts c )cos( 2 1 )( )

27、cos()2cos( 4 1 )cos()cos( 2 1 ttttt ccc sinsin 4 1 coscos 4 1 )cos( 4 1 ttt 28 第第11 11章章 同步原理同步原理 l11.3 码元同步码元同步 u码元同步目的：在准确的时刻对接收码元进行码元同步目的：在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。判决，以及对接收码元能量正确积分。 u码元同步方法：产生一个码元同步脉冲序列，码元同步方法：产生一个码元同步脉冲序列， 或称定时脉冲序列。或称定时脉冲序列。 u码元同步方法分类：码元同步方法分类： p外同步法外同步法：它是一种利用辅助信息同步的方法，：它是

28、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。频或数据序列。 p自同步法自同步法，它不需要辅助同步信息，直接从信，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。法要求在信息码元序列中含有码元定时信息。 29 11.3 11.3 码元同步码元同步 n 11.3.1 外同步法外同步法 u于发送信号中插入频率为码元速率（于发送信号中插入频率为码元速率（1/T）或码元速率）或码元速率 的倍数的同步信号。在接收端利用一

29、个窄带滤波器，将的倍数的同步信号。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。其分离出来，并形成码元定时脉冲。 u优点是设备较简单；缺点是需要占用一定的频带宽带和优点是设备较简单；缺点是需要占用一定的频带宽带和 发送功率。发送功率。 u插入码元同步信号的方法插入码元同步信号的方法 p时域：时域： 连续插入连续插入 增加增加“同步头同步头” p频域：频域： 在信息码元频谱之外占用一段频谱用于传输同步在信息码元频谱之外占用一段频谱用于传输同步 信息。信息。 利用信息码元频谱中的利用信息码元频谱中的“空隙空隙”处，插入同步信处，插入同步信 息息. 30 11.3 11.3 码元同

30、步码元同步 n 11.3.2 自同步法自同步法 u自同步法分类：自同步法分类： p开环同步法开环同步法：由于二进制等先验概率的不归零码元：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 收时对其进行某种收时对其进行某种非线性变换非线性变换，才能使其频谱中含，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有离散的码元速率频谱分量，并从中提取码元定时 信息。信息。 p闭环同步法闭环同步法：用比较本地时钟周期和输入信号码元：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。周期的方法，

31、将本地时钟锁定在输入信号上。 31 11.3 11.3 码元同步码元同步 u开环码元同步法开环码元同步法 p延迟相乘法延迟相乘法原理方框图原理方框图 p相乘器输入和输出的波形：相乘器输入和输出的波形： 变换后的码元序列的频谱变换后的码元序列的频谱 中就产生了码元速率的分量。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延迟时间等于码元时间一半 时，码元速率分量最强。时，码元速率分量最强。 c c 延迟延迟T/2T/2 a a b b 放大限幅放大限幅窄带滤波窄带滤波 (c) (b) (a) 32 11.3 11.3 码元同步码元同步 p微分整流法原理微分整流法原理 p同步误差同步误差

32、若窄带滤波器的带宽等于若窄带滤波器的带宽等于1/KT，其中，其中K为一个常数，则提取为一个常数，则提取 同步的时间误差比例为：同步的时间误差比例为： T 码元持续时间；码元持续时间； Eb 码元能量；码元能量； n0 单边噪声功率谱密度。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。只要接收信噪比大，上述方案能保证足够准确的码元同步。 低低 通通 微微 分分整整 流流 窄带滤波窄带滤波放大限幅放大限幅 b TKEn0 0.33 / 18, 5 0 K n Eb 式中，式中， 同步误差时间的均值；同步误差时间的均值； 33 11.3 11.3 码元同步码元同步 u闭环

33、码元同步法闭环码元同步法 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。点保持同步。这种方法类似载频同步中的锁相环法。 p“超前超前/滞后门滞后门”同步器：同步器： 原理方框图原理方框图 超前门超前门 滞后门滞后门 环路滤波环路滤波 | | | | + 压控振荡压控振荡 + - u1 u2 |u1| |u2| e=|u2|-|u1| m(t) 门波形产生门波形产生 dT dt 0 T d dt 34 11.

34、3 11.3 码元同步码元同步 工作原理工作原理 T T d d d d +1+1 -1-1 超前门超前门 滞后门滞后门 (a) (a) 同步状态同步状态 (b) (b) 超前状态超前状态 d+d+ +1+1 -1-1 超前门超前门 滞后门滞后门 T T 2 2 积分时间积分时间 35 11.3 11.3 码元同步码元同步 n11.3.3 码元同步误差对于误码率的影响码元同步误差对于误码率的影响 在用匹配滤波器或相关器接收码元时，其积分器的积分在用匹配滤波器或相关器接收码元时，其积分器的积分 时间长短直接和信噪比时间长短直接和信噪比Eb/n0有关。在相邻码元有突变边有关。在相邻码元有突变边 沿

35、时，若码元同步时间误差为沿时，若码元同步时间误差为 ，则积分时间将损失，则积分时间将损失2 ， 积分得到的码元能量将减小为积分得到的码元能量将减小为Eb(1-2 /T)；对于等概率；对于等概率 随机码元信号，有突变的边沿和无突变的边沿各占随机码元信号，有突变的边沿和无突变的边沿各占1/2。 以等概率以等概率2PSK信号为例，其最佳误码率为信号为例，其最佳误码率为： 故在故在有相位误差时的平均误码率有相位误差时的平均误码率为为 0 2 1 n E erfcP b e Tn E erfc n E erfcP bb e 2 1 4 1 4 1 00 36 第第11 11章章 同步原理同步原理 l11

36、.4 群同步群同步 n10.4.1 概述概述 群同步的任务是将接收码元序列正确分组。群同步的任务是将接收码元序列正确分组。 u群同步码的种类：群同步码的种类： p集中插入集中插入 适用于要求快速建立同步的地方，或间断传输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。信息并且每次传输时间很短的场合。 信息码组信息码组 同步码组同步码组 信息码组信息码组信息码组信息码组信息码组信息码组 同步码组同步码组同步码组同步码组 37 11.4 11.4 群同步群同步 p分散插入分散插入 适用于连续传输信息之处，例如数字电话系统中。适用于连续传输信息之处，例如数字电话系统中。 对

37、信息码元序列的连续性影响较小，同步建立的时间较长。对信息码元序列的连续性影响较小，同步建立的时间较长。 信息码组信息码组信息码组信息码组信息码组信息码组 同步码元同步码元同步码元同步码元 同步码组同步码组 同步码元同步码元同步码元同步码元 38 11.4 11.4 群同步群同步 u同步电路的状态：同步电路的状态： p捕捉态捕捉态：在捕捉态时，确认搜索到群同步码的条件：在捕捉态时，确认搜索到群同步码的条件 必须规定得很高，以防发生假同步。必须规定得很高，以防发生假同步。 p保持态保持态：一旦确认达到同步状态后，系统转入保持：一旦确认达到同步状态后，系统转入保持 态。在保持态下，仍须不断监视同步码

38、的位置是否态。在保持态下，仍须不断监视同步码的位置是否 正确。但是，这时为了防止因为噪声引起的个别错正确。但是，这时为了防止因为噪声引起的个别错 误导致认为失去同步，应该降低判断同步的条件，误导致认为失去同步，应该降低判断同步的条件， 以使系统稳定工作。以使系统稳定工作。 39 11.4 11.4 群同步群同步 n11.4.2 集中插入法：又称连贯式插入法集中插入法：又称连贯式插入法 u原理原理：采用特殊的群同步码组，集中插入在信息码组的：采用特殊的群同步码组，集中插入在信息码组的 前头，使得接收时能够容易地立即捕获它。因此，要求前头，使得接收时能够容易地立即捕获它。因此，要求 群同步码的群同

39、步码的自相关特性曲线具有尖锐的单峰自相关特性曲线具有尖锐的单峰，以便容易，以便容易 地从接收码元序列中识别出来。地从接收码元序列中识别出来。 u局部自相关函数定义局部自相关函数定义： u设有一个码组，它包含设有一个码组，它包含N个码元，则其局部自相关函数个码元，则其局部自相关函数 式中，式中，N为码组中的码元数目；为码组中的码元数目； xi = +1或或 -1，当，当1 i N； xi = 0， 当当 i N。 jN i jiix xjR 1 )()1 (Ni 整整数数） j ( 40 11.4 11.4 群同步群同步 当当j = 0时，时， 巴克码：常用的一种群同步码巴克码：常用的一种群同步

40、码。 p定义：设一个定义：设一个N位的巴克码组为位的巴克码组为x1, x2, ,xN，则其自，则其自 相关函数可以用下式表示：相关函数可以用下式表示： 上式表明，巴克码的上式表明，巴克码的R(0) = N，而在其他处的自相关，而在其他处的自相关 函数函数R(j)的绝对值均不大于的绝对值均不大于1。这就是说，凡是满足上。这就是说，凡是满足上 式的码组，就称为巴克码。式的码组，就称为巴克码。 NxxxR N i i N i ii 1 2 1 )0( 1 ,0 ( )01,0 0, Nj iij i Nj R jx xjN jN 或或 41 11.4 11.4 群同步群同步 p巴克码组列表巴克码组列

41、表： 表中各码组的反码（即正负号相反的码）和反序码表中各码组的反码（即正负号相反的码）和反序码 （即时间顺序相反的码）也是巴克码。（即时间顺序相反的码）也是巴克码。 N巴克码巴克码 1 2， 3 4， 5 7 11 13 42 11.4 11.4 群同步群同步 p例：例：N = 5的巴克码的巴克码 ( + + + + ) 在在j = 0至至4的范围内，求其自相关函数值：的范围内，求其自相关函数值： 由以上计算结果可见，其自相关函数绝对值除由以上计算结果可见，其自相关函数绝对值除R(0)外，外， 均不大于均不大于1。 1)4(4j 011)3(3j 1111)2(2j 01111)1(1j 51

42、1111)0(0j 1 1 4 2 1 3 3 1 2 4 1 1 5 1 2 i ii i ii i ii i ii i i xxR xxR xxR xxR xR 时，时，当当 时，时，当当 时，时，当当 时，时，当当 时，时，当当 43 4123-4-1-3-2 R(j) 1 -1 5 j 3 2 0 11.4 11.4 群同步群同步 p巴克码的自相关函数值曲线巴克码的自相关函数值曲线 自相关函数是偶函数，所以其自相关函数值画成曲线如自相关函数是偶函数，所以其自相关函数值画成曲线如 上图所示。将上图所示。将j = 0时的时的R(j)值称为主瓣，其他处的值称值称为主瓣，其他处的值称 为旁瓣。

43、为旁瓣。 44 10.4 10.4 群同步群同步 p 巴克码识别器巴克码识别器 01 (7) 01 (6) 01 (5) 01 (4) 01 (3) 01 (2) 01 (1) 相 加 判决 输入 码元 移位方向 p N = 7 的巴克码的巴克码 ( ( + + + + + + + + ) ) 45 11.4 11.4 群同步群同步 u集中插入法群同步码检测流程集中插入法群同步码检测流程 初始化初始化 ( (将同步状态设为捕捉态将同步状态设为捕捉态) ) 移移1 1位位 开始开始 N N 等待下一等待下一 同步码组同步码组 Y Y 保持态保持态 捕捉态捕捉态 N N Y Y 计算计算 R(j)

44、R(j) (N-2)?(N-2)? 计算计算 R(j) = N?R(j) = N? 46 11.4 11.4 群同步群同步 n11.4.3 分散插入法：分散插入法： u原理：通常分散插入法的群同步码都很短。例如，在原理：通常分散插入法的群同步码都很短。例如，在 数字电话系统中常采用数字电话系统中常采用“10”交替码，即在下图所示的交替码，即在下图所示的 同步码元位置上轮流发送二进制数字同步码元位置上轮流发送二进制数字“1”和和“0”。 这种有规律的周期性地出现的这种有规律的周期性地出现的“10”交替码，在信息码交替码，在信息码 元序列中极少可能出现。因此在接收端有可能将同步元序列中极少可能出现

45、。因此在接收端有可能将同步 码的位置检测出来。码的位置检测出来。 信息码组信息码组信息码组信息码组信息码组信息码组 同步码元同步码元同步码元同步码元 同步码组同步码组 同步码元同步码元同步码元同步码元 47 11.4 11.4 群同步群同步 在接收端，为了找到群同步码的位置，需要按照其在接收端，为了找到群同步码的位置，需要按照其 出现周期搜索若干个周期。若在规定数目的搜索周出现周期搜索若干个周期。若在规定数目的搜索周 期内，在同步码的位置上，都满足期内，在同步码的位置上，都满足“1”和和“0”交替交替 出现的规律，则认为该位置就是群同步码元的位置。出现的规律，则认为该位置就是群同步码元的位置。

46、 至于具体的搜索方法，由于计算技术的发展，目前至于具体的搜索方法，由于计算技术的发展，目前 多采用软件的方法，不再采用硬件逻辑电路实现。多采用软件的方法，不再采用硬件逻辑电路实现。 48 11.4 11.4 群同步群同步 u软件搜索方法软件搜索方法 p移位搜索法移位搜索法 系统开始处于捕捉态。系统开始处于捕捉态。 对接收码元逐个考察，若考察的第一个接收码对接收码元逐个考察，若考察的第一个接收码 元就发现它符合群同步码元的要求，则暂时假元就发现它符合群同步码元的要求，则暂时假 定它就是群同步码元；定它就是群同步码元； 在等待一个周期后，再考察下一个预期位置上在等待一个周期后，再考察下一个预期位置

47、上 的码元是否还符合要求。若连续的码元是否还符合要求。若连续n个周期都符合个周期都符合 要求，就认为捕捉到了群同步码。要求，就认为捕捉到了群同步码。 若第一个接收码元不符合要求或在若第一个接收码元不符合要求或在n个周期内出个周期内出 现一次被考察的码元不符合要求，则推迟一位现一次被考察的码元不符合要求，则推迟一位 考察下一个接收码元。直至找到符合要求的码考察下一个接收码元。直至找到符合要求的码 元并保持连续元并保持连续n个周期都符合为止；这时捕捉态个周期都符合为止；这时捕捉态 转为保持态。转为保持态。 49 11.4 11.4 群同步群同步 在保持态，同步电路仍然要不断考察同步码是否在保持态，

48、同步电路仍然要不断考察同步码是否 正确，但是为了防止考察时因噪声偶然发生一次正确，但是为了防止考察时因噪声偶然发生一次 错误而导致错认为失去同步，一般可以规定在连错误而导致错认为失去同步，一般可以规定在连 续续n个周期内发生个周期内发生m次次(m n)考察错误才认为是失考察错误才认为是失 去同步。这种措施称为同步保护。在下图中画出去同步。这种措施称为同步保护。在下图中画出 了上述方法的流程图。了上述方法的流程图。 50 11.4 11.4 群同步群同步 Y Y 初始化初始化 开始开始 同步状态同步状态 移一位移一位 是同步码？是同步码？ 记数器记数器A A记到记到n n？ 记数器记数器A A加

49、加1 1 N N 状态转换状态转换 Y Y Y Y N N 置置0 0 是同步码？是同步码？ 记数器记数器B B加加1 1 记数器记数器B B记到记到m m？ N N 记数器记数器C C加加1 1 Y Y 记数器记数器C C记到记到n n？ 置置0 0 保持态保持态 捕捉态捕捉态 将同步状态设为捕捉态将同步状态设为捕捉态 将各记数器置将各记数器置0 0 51 新码元进入新码元进入 老码元输出老码元输出 检验是否检验是否 “1”和和“0” 交替交替 08 0 07 x 06 x 05 x 04 x 03 x 02 x 01 x 16 1 15 x 14 x 13 x 12 x 11 x 10 x

50、 09 x 24 0 23 x 22 x 21 x 20 x 19 x 18 x 17 x 32 1 31 x 30 x 29 x 28 x 27 x 26 x 25 x 40 0 39 x 38 x 37 x 36 x 35 x 34 x 33 x 11.4 11.4 群同步群同步 p存储检测法存储检测法 先将接收码元序列存在计算机的先将接收码元序列存在计算机的RAM中，再进行中，再进行 检验。下图画出了一个检验。下图画出了一个RAM的示意图，它按先进的示意图，它按先进 先出先出(FIFO)的原理工作：的原理工作： 52 11.4 11.4 群同步群同步 图中画出的存储容量为图中画出的存储容

51、量为40 b，相当于，相当于5帧信息码元长帧信息码元长 度，每帧长度，每帧长8 b，其中包括，其中包括1 b同步码。同步码。 在每个方格中，上部阴影区内的数字是码元的编号，在每个方格中，上部阴影区内的数字是码元的编号， 下部的数字是码元的取值下部的数字是码元的取值“1”或或“0”，而，而“x”代表任代表任 意值。编号为意值。编号为“01”的码元最先进入的码元最先进入RAM，编号，编号“40” 的码元为当前进入的码元为当前进入RAM的码元。的码元。 每当进入每当进入1比特时，立即检验最右列存储位置中的码比特时，立即检验最右列存储位置中的码 元是否符合同步序列的规律（例如，元是否符合同步序列的规律

52、（例如，“10”交替）。交替）。 按照图示，相当只连续检验了按照图示，相当只连续检验了5个周期。个周期。 若它们都符合同步序列的规律，则判定新进入的码元若它们都符合同步序列的规律，则判定新进入的码元 为同步码元。若不完全符合，则在下为同步码元。若不完全符合，则在下1比特进入时继比特进入时继 续检验。续检验。 53 11.4 11.4 群同步群同步 n11.4.4 群同步性能群同步性能 u主要性能指标：主要性能指标： p假同步概率假同步概率Pf 当捕捉时同步系统将错误的同步位置当作正确的当捕捉时同步系统将错误的同步位置当作正确的 同步位置捕捉到。产生假同步的主要原因是由于同步位置捕捉到。产生假同

53、步的主要原因是由于 噪声的影响使信息码元错成同步码元。噪声的影响使信息码元错成同步码元。 p漏同步概率漏同步概率Pl 同步系统将正确的同步位置漏过而没有捕捉到。同步系统将正确的同步位置漏过而没有捕捉到。 漏同步的主要原因是噪声的影响，使正确的同步漏同步的主要原因是噪声的影响，使正确的同步 码元变成错误的码元。码元变成错误的码元。 54 11.4 11.4 群同步群同步 u计算漏同步概率计算漏同步概率 设接收码元错误概率为设接收码元错误概率为p，需检验的同步码元数为，需检验的同步码元数为n，检，检 验时容许同步码组中出现错码的最大数为验时容许同步码组中出现错码的最大数为m，则未漏判，则未漏判 定

54、为同步码的概率定为同步码的概率 式中，式中，Cnr为为n中取中取r的组合数。的组合数。 漏同步概率漏同步概率为为 当不允许有错误时，即当不允许有错误时，即m = 0时，有时，有 当允许有当允许有1位错码时，即位错码时，即m = 1时，有时，有 m rrn r un r PC pp 0 (1) m rrn r ln r PC pp 0 1(1) 1(1) n l Pp nn l Ppnpp 1 1(1)(1) 55 11.4 11.4 群同步群同步 u计算假同步概率计算假同步概率 设假同步完全是由于某个信息码组被误认为是同步设假同步完全是由于某个信息码组被误认为是同步 码组造成的。码组造成的。n

55、位的信息码组有位的信息码组有2n种排列，它被错当种排列，它被错当 成同步码组的概率和容许错误码元数成同步码组的概率和容许错误码元数m有关。若不容有关。若不容 许有错码，即许有错码，即m = 0，则只有一种可能，即信息码组，则只有一种可能，即信息码组 中的每个码元恰好都和同步码元相同。若中的每个码元恰好都和同步码元相同。若m = 1，则，则 有有Cn1种可能将信息码组误认为是同步码组。因此种可能将信息码组误认为是同步码组。因此 假同步的总概率假同步的总概率为为 当当m=0， 0 2 m r n r fn C P fn P 1 2 fn n P 1 2 m=1， 56 11.4 11.4 群同步群

56、同步 u平均建立时间平均建立时间 p从开始捕捉转变到保持态所需的时间。从开始捕捉转变到保持态所需的时间。 p现以集中插入法为例进行计算。现以集中插入法为例进行计算。 设设N为每群的码元数目，其中群同步码元数目为为每群的码元数目，其中群同步码元数目为n，T 为码元持续时间，则一群的时间为为码元持续时间，则一群的时间为NT，它就是捕捉，它就是捕捉 到同步码组需要的最长时间；而平均捕捉时间为到同步码组需要的最长时间；而平均捕捉时间为NT / 2。若考虑到出现一次漏同步或假同步大约需要多用。若考虑到出现一次漏同步或假同步大约需要多用 NT的时间才能捕获到同步码组，故这时的群同步平的时间才能捕获到同步码

57、组，故这时的群同步平 均建立时间约为均建立时间约为 te NT(1/2 + Pf + Pl) 57 11.4 11.4 群同步群同步 n 11.4.5 起止式同步起止式同步 u起止式同步法用途：它主要适用于电传打字机中。起止式同步法用途：它主要适用于电传打字机中。 u起止式同步法原理：起止式同步法原理： p一个字符由一个字符由5个二进制码元组成，每个码元的长度相等个二进制码元组成，每个码元的长度相等 p键盘输入的每个字符之间的时间间隔不等。键盘输入的每个字符之间的时间间隔不等。 p在无字符输入时，电传打字机的输出电压一直处于高在无字符输入时，电传打字机的输出电压一直处于高 电平状态。电平状态。

58、 p在输入一个字符时，于在输入一个字符时，于5个信息码元之前加入一个低电个信息码元之前加入一个低电 平的平的“起脉冲起脉冲”，其宽度为一个码元的宽度，其宽度为一个码元的宽度T，如下图，如下图 所示所示 起起止止止止 1234 5 1.5T T 58 11.4 11.4 群同步群同步 n 11.4.6 自群同步自群同步 u唯一可译码唯一可译码 p假设现共有假设现共有4种天气状态需要传输，将其用二进制编种天气状态需要传输，将其用二进制编 码表示，如下表所示：码表示，如下表所示： p当接收端收到的数字序列为当接收端收到的数字序列为“1110110110”时，它时，它 将唯一地可以译为将唯一地可以译为

59、“雨晴阴阴雨晴阴阴”。 p保证唯一可译的充分条件是在编码中任何一个码字保证唯一可译的充分条件是在编码中任何一个码字 都不能是其他码字的前缀。都不能是其他码字的前缀。 p满足这个条件的编码又称为满足这个条件的编码又称为瞬时可译码瞬时可译码。 晴云阴雨 0101 110111 59 11.4 11.4 群同步群同步 u瞬时可译码瞬时可译码 p其码字的边界可以由当前码字的末尾确定，而不必等其码字的边界可以由当前码字的末尾确定，而不必等 待下一个码字的开头。待下一个码字的开头。 p例如，下表中的编码是唯一可译码，但是不是瞬时可例如，下表中的编码是唯一可译码，但是不是瞬时可 译码：译码： p例如，在收到

60、例如，在收到“10”后，必须等待下一个符号是后，必须等待下一个符号是“0” 还是还是“1”，才能确定译为，才能确定译为“雨雨”还是还是“阴阴”。在这种。在这种 编码中，编码中，“晴晴(1)”是是“阴阴(10)”的词头，并且的词头，并且“阴阴(10)” 是是“雨雨(100)”的词头。的词头。 晴阴雨 110100 60 11.4 11.4 群同步群同步 u唯一可译码的唯一可译性是有条件的，即必须正确唯一可译码的唯一可译性是有条件的，即必须正确 接收到开头的第一个或前几个码元。接收到开头的第一个或前几个码元。 p例如，在下表的例子中例如，在下表的例子中 当发送序列是当发送序列是“111011011