第9章同步原理与技术1

1、1数字通信原理(Principle of Digital Communications)华南理工大学电子与信息学院余翔宇信息工程2010级 3&42012.112第九章 同步原理与技术本章的基本内容本章的基本内容：n锁相环的工作原理；n载波同步；n符号同步；n帧同步。9.1 9.1 引言引言 n 同步的基本概念同步的基本概念 同步是通信系统的接收端恢复发送信息所需的关键技术之一。 同步可以使得在通信系统中，信号的发送与接收的节奏保持一致，保证信息的正确接收。 在数字通信系统中，信号的同步主要包括：载波同步载波同步、符号符号同步同步和帧同步帧同步。 载波同步载波同步：实现发送与接收有相同

2、的载波频率和固定的相位关系，保证相干或相关解调的实现； 符号同步符号同步：实现符号接收的定位，避免符号间的串扰，保证符号的正确接收和解码； 帧同步帧同步：实现帧的定位，保证符号与信息间一一对应的映射关系，保证信息码组的正确划分和最终信息的获取。第7章 传输信道课本P4259.2 9.2 锁相环锁相环n 锁相环的基本概念锁相环的基本概念 锁相的概念：锁相的概念：当我们说两个信号相位锁定时，通常指这两个信号有固定的频率比值和稳定的相位固定的频率比值和稳定的相位关系。 当用示波器同时观测两个相位锁定的信号时，可以看到两个稳定的、相互间没有移动的信号波形。 第7章 传输信道第7章 传输信道n 锁相环的

3、组成锁相环的组成 锁相环的基本结构 鉴相器鉴相器：鉴别两个信号间的相差，将其转变成相应的电压值。 环路滤波器环路滤波器：某种低通滤波器，用于鉴相器输出电压中的噪声和高频的成份。 压控振荡器压控振荡器：振荡频率可由电压控制的振荡器； 频率变换器频率变换器：完成振荡频率到基准频率间的变换： 两者间的倍数通常必须是一个有理数。 0Bmffn课本P425-426n 锁相环的工作原理锁相环的工作原理 假定 输入的基准信号基准信号： 压控振荡器输出信号输出信号： 鉴相器(采用乘法器实现时)输出第7章 传输信道1mn cos 2BBBBstAf tt 0000sin 2sin 2VCOBstAftAf tt

4、 000cos 2sin 211 sinsin 422PDPDBBBPDBPDBButKf ttf ttKttKf ttt课本P426n 锁相环的工作原理(续) 环路(低通)滤波器输出 其变化特性 设计压控振荡器的工作特性压控振荡器的工作特性 环路滤波器的输出 信号波形第7章 传输信道 0sinsinddBdutKttKt2222 0,cos 222120,ddkkduKkkd 00dVCOdVCOuftuft课本P426n 锁相环的工作原理(续) 锁相环的工作区域及特性 在 工作区域 形成负反馈： 在 工作区域 形成正反馈： 图中 稳定平衡点稳定平衡点 非稳定平衡点非稳定平衡点 锁相环最终工

5、作在稳定平衡点上。第7章 传输信道 0ddutd , 2222dVCOufkk 0ddutd , 22212dVCOufkk 0 课本P426n 锁相环的基本性能分析锁相环的基本性能分析 锁相环在趋于相位锁定时， 一般较小，经环路滤波后有 如果鉴相器不是乘法器，而是一个理想的鉴相器理想的鉴相器，则直接有 工程上对反馈控制系统，采用拉普拉斯变换，很容易分析其稳态时的情形，对上两式取拉氏变换，均可得第7章 传输信道 t 11sin22PDPDPDPDutKtKtKt 0PDPDPDButKtKtt 0PDPDBUSKSS课本P427第7章 传输信道n 锁相环的基本性能分析(续) 环路滤波器的结构和

6、特性环路滤波器的结构和特性 无源的环路滤波器 有源的环路滤波器 记： 。无源环路滤波器的传递函数 有源环路滤波器的传递函数 2221212121111dPDUSSSF SUSSS 1222111111dPDUSA SSF SUSSA SS 11RC22R C课本P427第7章 传输信道n 锁相环的基本性能分析(续) 压控振荡器控制电压压控振荡器控制电压 频率变化频率变化 特性特性 相位变化特性 相位变化特性的拉氏变换 02dfK ut dutf 002ttdtfdtK ut dt 00dK USSS课本P427第7章 传输信道n 锁相环的基本性能分析(续) 锁相环的相位变化跟踪性能锁相环的相位

7、变化跟踪性能 记 输入相位函数 ；输出相位函数 定义环路传递函数环路传递函数 整理可得 定义相位误差相位误差 可导出相位误差传递函数相位误差传递函数 BS 0S 0BSH SS 00PDPDKK F SKF SH SSKK F SSKF S 0BSSS 01BBBSSSHSH SSS 课本P428第7章 传输信道n 锁相环的基本性能分析(续) 相位误差(拉氏变换)可表示为 由拉氏变换终值定理，可得稳态的相差 由此可确定当输入信号的相位发生变化时压控振荡器输出相位的变化情况。 1BBBSSHSSH SSSSKF S 200limlimlimBtSSStSSSSKF S课本P428第7章 传输信道

8、n 锁相环的基本性能分析(续) 示例：示例：锁相环的相位跟踪特性 设输入基准信号相位相位有一确定幅度 的阶跃变化 压控振荡器稳态的输出相位为 即 稳态时的相差为零，频率锁定自然不言而喻。 注注：对于非理想的鉴相器(如有乘法器构建的鉴相器)，稳态的输出可能有一固定的相位差。 BBtu tSS 200limlimlim0tSSStSSSKF SS 00 BVCOBtttff课本P428第7章 传输信道n 锁相环的基本性能分析(续) 锁相环的频率同步范围锁相环的频率同步范围 同步范围同步范围(同步带宽)：锁相环可跟踪输入基准信号频率变化的最大范围。在此范围内，有 。 假定输入基准信号的频率频率发生幅

9、度为 的阶跃变化 相应地有 稳态后的相位差 可见有一固定的相差，其大小与锁相环的参数有关。 相位差是一个固定值意味着可实现频率的同步，即BVCOffBf 222 BBBBftf tSS 222BBBffSSSSSKF SSKF SSS SKF S 0022limlimlim0BBtSSfftSSSKF SKFBVCOff课本P428第7章 传输信道n 锁相环的基本性能分析(续) 采用非理想鉴相器锁相环的同步范围采用非理想鉴相器锁相环的同步范围 基于乘法器实现的鉴相器，鉴相输出具有正弦变化特性 因此 可得 增大环路的直流增益有利于扩大锁相环的同步范围。 sinPDPDutKt sin1 PDPD

10、tutK 022maxsinmaxsin1max0024BBBKFfffKFKF 04BKFf课本P429第7章 传输信道n 锁相环的基本性能分析(续) 捕捉时间捕捉时间 锁相环从压控振荡器自由振荡到同步到基准频率所需的时间。 捕捉时间可由下式决定 式中 称为环路的自然频率环路的自然频率； 称为环路的阻尼系数环路的阻尼系数。232Pnt121nKK212nK课本P429第7章 传输信道n 锁相环的基本性能分析(续) 同步保持时间同步保持时间 原来已经锁定工作的锁相环，从失去同步基准信号到能够维持压控振荡器输出相位变化 小于某一预定值 的时间。 假定失去基准信号后，鉴相器输出电压指数衰减 由 可

11、得同步保持时间00 tddutE e 00000000 cccct ttcddt tt tt tttdddtttttK ut dtK ut dtK EK ut dtK E edtee001lndcdK EtK E课本P429第7章 传输信道n 锁相环的基本性能分析(续) 具有较长的保持时间，是间歇同步系统需要具备的基本要求。 广播电视信号中，模拟的彩色全电视信号需要色副载波色副载波作为色度信号的基准信号。 电视信号中的色副载波信号间歇地对电视接收机的色副载波信号进行同步调整。 在 的行信号周期内，有 处于同步时段，其余时段依赖同步保持性能足够好来保证色副载波信号的稳定性。64Hts2.25 s

12、课本P429n 锁相环的基本性能分析(续) 输入噪声信号对锁相环性能的影响输入噪声信号对锁相环性能的影响 含有噪声的基准信号可以表示为 不妨假定 ，则有 其中 设环路滤波器为 定义环路噪声带宽为 第7章 传输信道 ( )cos 2( )cos2( )sin2BBBBCBSBstAf ttntf tn tf t 0Bt ( )cos 2BBnstR tf tt arctanSnBCnttAnt H S 220022LSjfBH SdfHjfdfLB课本P429-430n 锁相环的基本性能分析(续) 对于无源环路滤波器，可得 对于有源环路滤波器，可得 小的环路滤波器有利于抑制噪声对锁相环的影响；

13、小的环路滤波器不利于对快速变化的基准信号进行跟踪； (环路滤波器参数)的取值要根据锁相环的具体应用合理选择。第7章 传输信道2218nnLBK124nLBLBLBLB课本P4309.3 9.3 载波同步载波同步n 直接提取法直接提取法 载波同步通常需要解决在只含已调载波信号中恢复载波信号的问题。 直接提取法直接提取法：利于锁相环电路，直接从已调载波信号中提取载波信号的方法。 直接提取法通常包括平方环法，科斯塔环法和M次方环法等。这些方法基本的特点基本的特点是： (1)利于非线性电路，去除调制载波的信息对提取载波信号的影响,得到含有噪声的基准信号； (2)采用锁相环电路完成相当于较理想窄带滤波器

14、理想窄带滤波器的功能，获得可用于相干解调/相关解调的与发送载波信号相位锁定的本地载波信号。第7章 传输信道n 直接提取法(续) 1 1、平方环法、平方环法 平方环法是一种恢复2PSK信号中载波信号的方法。 平方环法载波恢复电路的系统结构 主要包括：平方运算平方运算、带通滤波带通滤波、锁相环锁相环和二分频二分频电路等。 接收的2PSK信号可以表示为 假定基带的波形函数 为门函数门函数。第7章 传输信道 cos()coscnTscns tx tta g tnTt,naa a ( )Tg t课本P430第7章 传输信道n 直接提取法(续) 经平方器电路平方器电路后得 经中心频率为 的带通滤波器带通滤

15、波器得 实际信号中含有造成成份，通常不能直接用以恢复载波。 本地的压控振荡器输出压控振荡器输出为 2222222()cos()cos111 ()1 cos2cos2222nTscnTscnnTsccnsta gtnTta gtnTta gtnTtaat2c 221cos22ccstat sin 22VCOcutAtt 课本P431第7章 传输信道n 直接提取法(续) 鉴相器输出鉴相器输出 环路滤波器输出环路滤波器输出 压控振荡器输出压控振荡器输出 其中稳定平衡点 二分频后输出本地恢复的载波信号本地恢复的载波信号 221( )( )( )cos2sin 222 sin 2sin 42cPDVCO

16、ccPDcutst utat AttKttt cos 22VCOcutAtt ( )sin 2ddu tKtk0, 1, 2, 3,.k cosLLcutAt课本P431第7章 传输信道第7章 传输信道n 直接提取法(续) 平方环法的相位模糊问题相位模糊问题 在本地恢复的载波信号 中，对 取模 后 ，其确切取值在接收端不能确定：相位模糊相位模糊。 相位模糊产生的原因，2PSK信号中随机的二进制序列的影响。 克服相位模糊影响的方法克服相位模糊影响的方法： 采用2DPSK调制方法(调制载波的序列先进行差分编码行差分编码，然后在进行2PSK调制)； 发送训练序列来进行相位的判定。 cosLLcutA

17、t0,2第7章 传输信道n 直接提取法(续) 2 2、科斯塔环法、科斯塔环法 科斯塔环法是另外一种提取2PSK载波信号的方法。 科斯塔环法载波恢复电路的系统结构 其中，接收信号为 cos()coscnTscns tx tta g tnTt课本P431-432第7章 传输信道n 直接提取法(续) 压控振荡器输出的两路本地载波正交信号为 本地载波与输入信号载波的频差和相差综合反映在 上。 上下两路乘法器输出 低通滤波输出 1coscu ttt 2sincuttt t 3coscos1 coscos 22cccutx ttttx tttt 4cossin1 sinsin 22cccutx ttttx

18、 tttt 51cos2utx tt 61sin2utx tt课本P432第7章 传输信道n 直接提取法(续) 相乘输出 可见可获得调整压控振荡器的相差信号。 由锁相环原理，压控振荡器将被锁定在输入的载波频率上。 科斯塔环法载波恢复电路产生的本地载波同样存在相位模糊问题。系统须采用克服相位模糊的措施。 56,utut 2272211cossin2211sin2sin288xtautx ttx ttxttat 课本P432第7章 传输信道n 直接提取法(续) 3 3、M次方环法次方环法 平方环法和科斯塔环法通过平方运算电路去除2PSK信号中调制载波的信息对载波提取的影响； 一般地，在MPSK信号

19、的载波恢复过程中，可用M次方运算电路去除MPSK信号中调制信息对载波提取的影响。 M次方环法载波恢复电路的系统结构： 其中与平方环法电路的区别是：非线性运算单元为M次方电路； 带通滤波器的中心频率设定在 ；压控振荡器的输出需做M分频。 cM课本P432n 直接提取法(续) MPSK信号的一般形式为 根据三角函数的基本关系式，上式经M次方运算后可得 经中心频率为 的带通滤波器后，得到第7章 传输信道 02cos1, 1,2,.,MPSKcstAtmmMM 02cos1MMPSKMcstKMtmM其他项cM 0002cos1 cos1 2cosBMcMcMcstKMtmMKMtmMKMtM课本P4

20、33n 直接提取法(续) 压控振荡器输出 鉴相器(乘法器)输出 环路滤波器输出 第7章 传输信道 00sinVCOcstKMtMMt 0sinsin 22PDPDcutKMtMtMMt sinddutKMt课本P433n 直接提取法(续) M次方环的鉴相特性如下图所示 其中M个稳定的相位平衡点将落在如下的位置 本地恢复的载波信号 存在M重的相位模糊重的相位模糊问题。第7章 传输信道22220,2,.,.,1kMMMMM cosLLcutAt课本P433n 直接提取法(续) 2PSK解调时相位模糊可能使得星座点位置180o旋转，导致解调时“0”与“1”倒置； MPSK解调时相位模糊则可能使星座点

21、位置出现M种不同的偏移，导致解调出错。 相位模糊对相位模糊对MPSK信号解调影响分析信号解调影响分析 已知接收信号 本地载波信号第7章 传输信道 2cos, 1,1,2,.,MPSKcmmstAtmmMM cosLLcutAt课本P433n 直接提取法(续) 相位模糊对MPSK信号解调影响分析 (1) 若 ，可得 此时可正确解调；第7章 传输信道 coscoscoscossinsin2MPSKLcmcmmst utAttA 低通滤波 cos1 sincossinsincos2MPSKLcmcmmst utAttA 低通滤波0cos, sin22mmAAIQ课本P433-434第7章 传输信道n

22、 直接提取法(续) 相位模糊对MPSK信号解调影响分析 (2) 若 ，可得 此时星座点将发生 度的旋转，导致错误判决。 示例示例 时星 座点的旋转变化。0coscossinsin2cossinsincos2mmmmAIAQ 45o课本P434n 直接提取法(续) 避免相位模糊对解调影响的方法避免相位模糊对解调影响的方法： 对相位采用差分编码，使得解调时当前的解码输出与当前符号解码输出与当前符号的绝对相位无关，只与前后符号的相位差有关的绝对相位无关，只与前后符号的相位差有关。第7章 传输信道课本P434n 直接提取法(续) MQAM信号的载波恢复信号的载波恢复 MQAM信号的特点：载波的幅度和相

23、位具有受到调制。 对MQAM信号无法采用M次方环发消除信息对载波提取的影响。 MQAM信号的载波恢复方法 (1) 矢量点扣除法矢量点扣除法 MQAM信号中满足 的星座点，对应4个均匀分布的相位。 矢量点扣除法的基本思想基本思想： 设法扣除接收符号中 的符号，由此将接收信号改造为类似4PSK(QPSK)的信号； 对改造后的信号采用MPSK信号的载波提取方法恢复载波。第7章 传输信道kkIQkkIQ课本P434n 直接提取法(续) 示例示例：采用矢量点扣除法的16QAM信号的载波恢复电路及解调电路。第7章 传输信道课本P434第7章 传输信道n 直接提取法(续) MQAM信号的载波恢复 (2) 通

24、用载波恢复环法通用载波恢复环法 通用载波恢复环法的基本思想基本思想： 若MQAM信号中M种不同的发送符号先验等概，则MQAM信号从统计上来说信号相位的统计平均值指向4个均匀分布的相位； 可设法提取信号相位的4个统计平均值，使MQAM信号的相位变化从统计上来成为某种4PSK信号，在此基础上恢复出MQAM信号的载波。课本P435n 插入导频法插入导频法 采用插入导频法的系统，在发送已调的载波信号时，同时发送载波信息，使得接收端可直接提出发送载波。 插入导频法的实现方法插入导频法的实现方法 发送信号 其中导频信号为 采用与信号载波正交的导频信号有利于信号解调过程的实现。第7章 传输信道 coscos

25、sinccgcs tx ttg tx ttat singcg tat 课本P435n 插入导频法(续) 采用插入导频法时基带调制信号的波形设计应使得导频位置调制信号的成份较少，使有利于导频的提取； 直接导频法没有相位模糊问题； 因为锁相环等效与一个比较理想的带通滤波器，从接收信号中提取的导频也可通过锁相环滤除噪声等因素的影响，使得恢复的载波信号具有更高的质量。第7章 传输信道课本P435n 载波相位的似然估计法载波相位的似然估计法 载波相位的最大似然估计载波相位的最大似然估计 数字载波调制信号一般可表示为 其中 接收信号可表示为 其中 表示同步误差、噪声影响导致的综合相位差。 假定信号空间的标

26、准基函数为 则有第7章 传输信道 Recjts tx t e IQx txtjxt Re,ccjtjtcr tx t een ts ttn t ct Nktk,.,2 , 1, 1010, , ,TNckkkkkTNckckkckckr ts ttn trtrt r t dts ttstst s tt dt课本P436第7章 传输信道n 载波相位的似然估计法(续) 给定 ， 由矢量 决定 其中 由 因此得到 后， 的似然函数似然函数 如果发送端发送的是发收双方已知的测试信号测试信号，则 中只有相位 是未知的，因而有12, ,.,Nrr rr Nktk,.,2 , 1, r t 000, , 1

27、,2,.,TTTkkkckkckrt r t dtt s tt dtt n t dtsnkN , 1,2,., 1,2,., kkn tnkNrkN 高斯白噪声独立高斯随机变量kcs12, ,.,Nrr rr22111|exp22NNkckkcknnp r srskcscckcs课本P436第7章 传输信道n 载波相位的似然估计法(续) 因此关于关于 的最大似然估计的最大似然估计为 展开上式右式后可归结为 200max|max|1 maxexp,ccTcp rp r sr ts ttdtN 0max| max,Tccp rr t s ttdtc课本P436第7章 传输信道n 载波相位的似然估计

28、法(续) 示例示例：设发送载波的训练信号为 接收信号为 求关于 的最大似然估计 。 已知 的似然函数为 令 得 的最大似然估计值为 cosTccstAt cosccr tAtn tcMLc 00,cosTTccccr t s tdtr t Atdt 00cossin0TTcccccccr t Atdtr t Atdt 00sinsincoscosTccTccr ttdtr ttdt c 1100sinsintantancoscosTccMLcTccr ttdtr ttdt 课本P437第7章 传输信道n 载波相位的似然估计法(续) 寻找满足条件 的 的最大似然估计值 。在无法求解析解的情况下，

29、也可以通过数值计算的方法来获取。 0max,Tccr t s tdtMLc课本P437第7章 传输信道n 载波相位的似然估计法(续) 面向判决环的最大似然估计面向判决环的最大似然估计 所谓面向判决环的最大似然估计，是指似然估计是通过发送专门的训练序列训练序列来实现的。 设发收双方的约定的用于载波同步的训练序列为 相应的接收到的信号 相应的 的最大似然估计等效于寻找使得 达到最大值的 。 1Mkka 1,cosMckTcckr ts tn ta gtkTtn t 010, cosTccTMkTcckr t s ttdtr ta gtkTtdtcc课本P437第7章 传输信道n 载波相位的似然估计

30、法(续) 令 可导出 的最大似然估计值为 0cc 11010sintancosTMkTckMLTMkTckr ta gtkTtdtr ta gtkTtdt c课本P437第7章 传输信道n 载波相位的似然估计法(续) 最大似然估计亦可在等效的基带信号等效的基带信号中进行，等效基带信号 相应的似然函数为 其中 令 可得 1ccMjjLkTLLLkrta gtkT entst ent *00*11ReRe cosResinImccTTjjLcLLLLMMckkckkkkrtst edtrt st edta ya y *0TkLTyrt gtkT dt*11sinRecosIm0MMLcckkckk

31、kkca ya y *111*1ImsintantancosReMkkkcMLMckkka ya y课本P437-438第7章 传输信道n 载波相位的似然估计法(续) 非面向判决环的最大似然估计非面向判决环的最大似然估计 非面向判决环的最大似然估计不依赖训练序列，可连续进行载波相位的估计。 假定信号为先验等概先验等概的2PSK信号，则 在每个符号周期内，似然函数相应地为 ,cosckTcckr ts tn ta gtkTtn t,kaaa12kkP aaP aa 00001exp,1 expcosTccTkTccr t s ttdtNr ta gttdtN课本P438n 载波相位的似然估计法(

32、续) 统计平均值 由此可通过 或数值计算数值计算的方法求 。 00000001expcos1 expcos11 expcos211 expcos2TckTccTkTccTTccTcEP aar tagttdtNP aar tagttdtNr tagttdtNr tagttN 0001 coshcosTcTTccdtr tagttdtNML0cMLcE课本P4389.4 9.4 符号同步符号同步n 直接提取法直接提取法 与载波同步的直接提取法类似，符号同步的直接提取法通常也是先对接收的符号序列先进行某种非线性变换非线性变换，然后提取符号同步信息。 (1) (1) 线谱法线谱法 线谱法的实现方案如

33、图所示 其中的平方器完成非线性运算，由窄带滤波器提取符号同步信息。窄带滤波器可由锁相环电路来实现窄带滤波器可由锁相环电路来实现。课本P439n 直接提取法(续) 接收信号可表示为 若其中携带信息的符号序列 是均值为零的独立随机序列 即 则平方运算电路的输出为 显然其均值 是周期函数周期函数。 nTns ta gtnT nna2,0, 0,annmnmE aE a anm 2 nTmTnmnmTTnmsta gtnTa gtmTa a gtmT gtnT 222aTnE stgtnT 课本P439n 直接提取法(续) 对该周期函数，有 式中 如果要保证能够直接获得与符号同步的基波信号直接获得与符

34、号同步的基波信号，则应有 此时从统计意义上说，信号中一定包含基波信号，通过窄带滤波器即可从变换后的信号中获得该信号。第7章 传输信道 2222jmtTaTmnnE stgtnTc e 2222220021 mmTTjtjtaTTmaTTnSacgtnT edtgt edtTTmG f GfdfTT TG fgt 2110acG f GfdfTT课本P439-440n 直接提取法(续) (2) (2) 早迟门法早迟门法 早迟门法的实现方案如下图所示 其中的取绝对值运算是一种非线性非线性运算。 主要到图中的“早门”与“迟门”的积分时间长短一样，但时间段不同，分别为 与 。第7章 传输信道0,Td,

35、d T课本P440n 直接提取法(续) 如上述的波形图所示 (a)若本地时钟的频率与相位与发送信号的位时钟信号锁定 则有 此时不会对本地压控振荡器做调整； (b)若本地时钟超前(本地时钟滞后的情形可做类似的分析) 则有 此信号会调整压控振荡器的相位，以消除本地超前的相位。第7章 传输信道120T dTdyAdtyAdtTd A120eyy1202, T dTdyA dtAdtTdAyAdtTd A 122eyyA 课本P440n 直接提取法(续) 要保证早迟门符号时钟同步系统的正常工作，输入信号中不能出现长串“0(低电平)”和长串“1(高电平)”的情况。 当出现串“0(低电平)”和长串“1(高

36、电平)”时，两个积分两个积分器的输出相同，其绝对值的差值为零器的输出相同，其绝对值的差值为零。压控振荡器会因长时间得不到调整和导致失步。第7章 传输信道n 插入导频的符号同步法插入导频的符号同步法 与载波同步的导频插入法类似，在基带信号中，也可用插入同步信号的方法来传递同步信息。 某些波形的基带信号的中，本身就含有与符号周期同步的基波或谐波信号。 包含基波同步信息信号的频谱示例 导频的提取方法导频的提取方法：先通过窄带滤波器提取出基波信号，经整形和移相的信号处理后获得同步信号。 第7章 传输信道课本P441n 符号同步信息的包络携带法符号同步信息的包络携带法 在恒定包络的调制方式(如MPSK)

37、中，可通过包络来携带符号符号同步同步的信号。 一般的相位调制信号可以表示为 调幅的符号同步信号可采用(时域)升余弦的形式 其中 ， 是符号周期， 。 合成后的信号可表示为 其中第7章 传输信道 1c cosPSKstAtt 21cossynsstAt2sTT01 1c2c( ) cos1cos cos1cossynPSKsss tststAttAtAttt12AA A课本P441第7章 传输信道n 符号同步信息的包络携带法(续) 信号波形 同步信息提取与解调方法课本P441n 符号同步的似然估计法符号同步的似然估计法 接收的符号序列信号可用表示为 式中的 是待确定的符号位置参数符号位置参数。

38、假定 是高斯白噪声，关于参数 的最大似然估计可表示为 即当 中的参数 相同时似然值达到最大。 (1)(1) 面向判决的最大似然估计面向判决的最大似然估计 所谓面向判决的最大似然估计是一种通过训练序列来获得符号同步信息的方法。 记用于同步的训练序列训练序列为 。训练序列是发送和接收双方均确知的序列。第7章 传输信道 ,nTnr ts tn ta gtnTn t 0max|max,Tp rr t s tdt n t , s tr t 1Mnna课本P441-442n 符号同步的似然估计法(续) 对于训练序列的似然估计值为 将相应的符号序列信号代入得 其中 在上式具有解析表达式条件下，可通过下式求解

39、 的最大似然估计值，令 第7章 传输信道 0, MTMMr t s tdtTM T 100110, MMMTTMMnTnTMMnTnnnnr t s tdtr ta gtnTdtar t gtnTdta y 0MTnTyr t gtnTdt 10 MMnnMLnddyadd课本P442第7章 传输信道n 符号同步的似然估计法(续) 在无法获得解析解的情况下可通过数值搜索计算的方法求解 (2) (2) 非面向判决的最大似然估计非面向判决的最大似然估计 非面向判决的最大似然估计直接利于信息符号序列 对 进行估计。 是接收端未知的序列。假定符号序列的先验概率已知，因此可求似然函数的统计平均值统计平均

40、值 argmaxMLMML 1Mnna 1Mnna 1 21210.MMTMMMnTna aaEP a aar ta gtnTdt课本P442第7章 传输信道n 符号同步的似然估计法(续) (2) 非面向判决的最大似然估计 若可获得上式的解析解，则可通过下式求解 的最大似然值 若无法得到解析解，可通过数值计算的方法求相应的数值解 0 MMLdEd argmaxMLME课本P442n 载波相位和符号同步的联合估计载波相位和符号同步的联合估计 对于数字载波调制信号的正确解调，需要实现载波同步载波同步与符符号同步号同步。即正确估计载波相位载波相位 和定时偏差定时偏差 。 上述两个参数的联合估计，有利

41、于避免其中一个参数的估计误差对另外一个参数的影响。 一般的数字载波调制信号可以表示为 相应的接收信号为第7章 传输信道c cossin RecnTcnTcnnjtnTnTns ta gtnTtb gtnTta gtnTjb gtnTe Re;,RecossincccrjjtnTrnTrnnTrccnTrccnnr ts tn ta gtnTjb gtnTeen ta gtnTtb gtnTtn t 课本P442-443第7章 传输信道n 载波相位和符号同步的联合估计(续) 其中 是待估计的参数。 接收信号中有用信号的等效低通信号有用信号的等效低通信号为 接收信号的等效低通信号接收信号的等效低通

42、信号为 若 是高斯噪声，可导出有关参数 的等效似然函数为 其中 记, cr;,cjLcrnTrnTrnstea gtnTjb gtnT ;,LLcrLrtstnt Lnt, cr *1,Re; ,RecMjLLLnnnnTrt stdteajb y *nLTTyrt gtnTdt 111MMMnnnnnnnnnnajb ya yjb yAjB第7章 传输信道n 载波相位和符号同步的联合估计(续) 可得 令 整理可得 由此得到 的最大似然值最大似然值 。 ,RecossinjLeAjBAB ,sincos0LAB ,cossin0LAB arctanMLMLBA 0 MLABAB, cr, ML

43、ML课本P4439.5 9.5 帧同步帧同步n 帧同步的概念帧同步的概念 帧同步是通信系统实现信息正确接收的必要条件之一必要条件之一。 载波同步和符号同步保证了可以正确定位比特信息，在此基础上还需要帧同步才能够提取出用户的信息。 例如例如：语音信号的每个样值编码后得到一个8比特的码字； 若采用4PSK调制方式传输，一个码字需要通过4个4PSK符号来传输。在接收端需要帧同步保证最后码字的正确组合，才能恢复样值信息。 数据帧的传输方式数据帧的传输方式： 异步异步的各个数据帧独立传输方式，如以太网中的报文等； 同步同步的各个数据帧首尾相接的连续传输方式，如电信网中的E1信号。第7章 传输信道课本P4

44、44n 帧同步标识符的周期性插入法帧同步标识符的周期性插入法 帧同步标识符周期性插入法适合应用于同步的帧连续传输的系统。 帧同步标识帧同步标识：特点的比特组合图样。例如“0011011”。 帧同步标识的设置 帧同步标识符周期性插入法的特点：同步标识符周期性出现同步标识符周期性出现。 帧同步标识符可以集中插入到数据流中； 帧同步标识符也可以分散插入到数据流中。第7章 传输信道课本P444第7章 传输信道n 帧同步标识符的周期性插入法(续) (1)(1) 帧同步标识符的集中式插法帧同步标识符的集中式插法 每个数字帧等长；在每帧的首部插入完整的标识符。 帧同步标识符的搜索与帧同步的维护帧同步标识符的

45、搜索与帧同步的维护 具体过程包括下图所示的三个阶段 同步搜索同步搜索：获取第一个 同步标识符； 预同步预同步：消除虚假同步； 同步同步：消除干扰对同步 的影响。课本P444第7章 传输信道n 帧同步标识符的周期性插入法(续) 示例：示例：帧同步标识符的集中式插法工作过程 在系统中，假定取参数 同步搜索同步搜索过程通过逐比特的搜索实现； 预同步预同步与同步同步的过程通过逐帧(假定在每帧中设置帧同步字)确认帧同步字重复出现实现。3JK课本P445第7章 传输信道n 帧同步标识符的周期性插入法(续) (2) 辅助帧同步法辅助帧同步法 在综合业务数字网综合业务数字网(ISDN)系统中采用异步转移传输模

46、式异步转移传输模式(ATM)作为其网络层和数据链路层的技术标准。 ATM采用称为信元的小数据分组的工作方式。一个信元可看作一个数据帧。搜索帧同步位置相当于信元定界。 在ATM系统中，信元定界并没有专门的标识符，而是采用一种利用循环冗余校验监督位兼做兼做信元定界的辅助的帧同步法。 搜索监督位的过程与帧同步标识符集中式插法帧同步标识符集中式插法中搜索同步标识符的方法基本一样。 其区别在于，搜索过程的逐比特逐比特搜索改为逐字节逐字节搜索；检查是否为标识符标识符改为检测是否监督位监督位。课本P445n 帧同步标识周期性分散插入法帧同步标识周期性分散插入法 在帧同步标识周期性分散插入法中，由若干比特组成

47、的标识符以比特为单位分别插入到每个帧(或每个偶数帧的帧头)。 例如M调制编码系统中一帧数据由32比特组成，在偶数帧的帧头中插入同步标识符的1个比特。 下图为采用101010作为同步标识符的M调制编码系统的帧结构，交替出现的1和0被分散地插入到每个偶数帧的帧头 图中以“”标识的是奇数帧其起始位置，放置其他信息。第7章 传输信道课本P446n 同步标识符的周期性插入法性能分析同步标识符的周期性插入法性能分析 帧同步算法主要性能由从开始搜索到同步所需要的时间来衡量。 M调制编码系统帧同步算法性能分析调制编码系统帧同步算法性能分析 记：码元周期为 ；帧同步标识的间隔为 ； 同步标识的图样为“0000”

48、 假定从任意的第 i 位开始搜索 当前位不为同步图样“0”定义为事件X，概率为 此后搜索过程移动到下一位，在帧中相对移动一位时间为 当前位为同步图样“0”定义为事件Y，概率为 此后搜索过程移动到下一帧的当前位，在帧中是否相对移动取决于当前位是否为同步图样。第7章 传输信道T2 3264synN1PPT课本P446第7章 传输信道n 同步标识符的周期性插入法性能分析(续) 由此可得如下的关系 事件事件 概率概率 相对移动相对移动1位所需时间位所需时间 移动1位所需的平均时间为2 1 1 1 2. . . synsynkXPTYXPPNTTYYXPPNTTY X 1 . . .ksynPPkNTT100(1)(1)().(1)(). (1)(1)1KsynsynsynKKsynKKTP TPP NTTPP