通信原理讲义第4部份

第八章同步原理引言载波同步位同步84帧同步8.5网同步引言以点一点两路PCM/2DPSK数字电话系统为例来讲明载波同步、位同步和帧同步的作用O|oiiiooio| I01110010SLi|oiiiooio| I01110010SLiSL2PCMPCMF(t)PCM设CLK频率为192KHz、SLrSL2的频率为8KHz,则SL】、SL2>PCM］、PCM2、F(t)、及PCM信号的波形如下lomooio；Dll~~loiliooio；~~D12;~~

两个PCM编码器用同一个时钟CLK,SLi、SL2两个信导的频率也相等，故PCMHPCM2的码速度完全相同。复接器实际上是一个或门电路。此种复接器输入的支路信号速度完全相同，称为同步复接器。CLK、SLhSL?、及cossJ是由发端同步器提供的，在电路上比较容易实现。收端的载波同步器提供相干载波，与发载波同频同相（或反相）。位同步器输出位同步信号CP（t）,信号频率为192KHz0帧同步器从收端PCM码流中提取帧同步信导Fs⑴，进而产生路同步信号R⑴和F2（t）,Fs⑴的脉冲前沿与帧同步码1110010的最后一名起时刻对齐（也能够与第一名数据起时刻对齐）。B⑴、F?⑴的脉冲前沿与各自数据的第一名起始时刻或最后一名的结束时刻对齐（由具体电路决定）。若复接器输入的各支路信号的速度标称值相同但实际值有必然不同，则不能进行同步复接，采取网同步方式才能复接不同速度的支路。此问题于网同步范围。载波同步对模拟已调信号和数字已调信号进行相干解调时，需要从接收信号中提取相干载波。一、载波同步方式当己调信号频谱中有载频离散谱成份时可用窄带带通滤波器或锁相环来提取相干载波,若载频周围的持续谱比较强则提取的相干载波中有较大的相信抖动。下面介绍当已调信号中不含有载波离散谱时，如何提取相干载波。1、插入导频法可在抑制载波双边带信号中插入导频，也能够在单边带信导中插入导频。当基带信号是模拟话音信号时，由于话音最低频率为300Hz、故DSB信号频谱图中，在载频L周围无持续谱，有利于插入导频。当基带信号是数字信号时，必需进行相关编码变换（如第IV类、第V类部份响应）再进行DSB调制（如PSK）。插入导频法的发端方框图、收端方框图及插入导频后DSB信号频谱如下图所示m(t)sincoct-coscoctm(t)收方框图V(t)=uu(t)sin(Oct频谱

m(t)sincoct-coscoctm(t)收方框图V(t)=uu(t)sin(Oct频谱=—；H(r)--/77(r)cos2d>cr--sin2coct222插入正交导频的目的：收端相乘器的输出V⑴中无直流。也能够插入同相导频，低通滤波器中加入隔直电容即可。插入导频信号的功率应比较小，不然就成为AM信号了。VSB信号一般在电视中采用，常常利用包络检波法解调。2、直接法介绍如何从2PSK信号中直接提取相干载波。⑴平方变换法2PSK信号2PSK信号7 7 7 1e(t)=〃「(i)cos-coct=Cos-3cl=—(l+cos26;r/)二分频产生相模糊现象⑵平方环法一般采用模拟环，Uo(t)一般采用模拟环，Uo(t)超前于u1(t)中的2fc成份900,二分频、移相后取得COSCM或信-COSCDcto⑶同相正交环(Costas环)此=〃i(f)cosQi"1=cos(q/+0Q“2=sin(@/+0Q〃3=)[cos6e+cos(2&j+Q.)]〃4=Umm(t)[sin3e+sin(2@i+.)]cos0eI、=U刖)sin0e〃7=gsin2依此即为环路的鉴相特性上式中，Um、5为乘法器引发的信号幅度转变，当VCO的固有振荡频率与2PSK的载频超级接近且环路增益很高时，环路锁定后Q.=0或乃，〃i")=cos@j或-cos&j。可见用同相正交环提取的载波也存在相位模糊现象。环路锁定后，“5(。=〃?⑺或一〃也)，考虑到噪声等因素，应对〃5(〃进行抽样裁决以再生数字基带信号，从4PSK信号中提取相干载波的方式与2PSK相似，可用四次方变换，四次方环及四相Costas环。用Costas环提取相干载波时，环路的工频率等于信号载频，用其它方式时电路工作频率等于信号载频的二倍或四倍。二、载波同步系统的性能.同步误差理想相干载波COS3J与接收机输入信号载波同频同相。实际相干载波为cos[tyr/+^.(p+0n(r)]△O为稳态相差，由固有频差(锁相环VCO的固有频率或振荡回路中心频率与载频之差)产生的。仇⑴为随机相差、由噪声产生。减小带通滤波器带宽(增大Q值)，可减小随机相差、但增加稳态相差。减小环路自然谐振频率可减小随机相差，增大环路增益可减小稳态相差。.同步成立时刻b和同步维持时刻LL：载波同步器的输入信号丢失后，相干载波与输入信号载波之间的相位误差小于某一范围所需要的时刻。减小带通滤波器的Q值，可减小G但L也减小。增大锁相环的自然谐振频率，可减小ts但降也减小。三、载波相位误差对解调性能的影响1、模拟通信DSBm(t)coscottHbpfI|n(t)>(8)>|LPFI>'^COS((Dct+。)n(t)=〃式f)cos@j-〃$(1)sincoctuo(t)=L〃(1)cos8+L?c")cosg+L?$(f)sin0输出信号功率5o=l,n2(r)cos2^4输出噪声功率$="??f2(z)cos20+-zi/(r)sin20=-nc2(t)444可见载波相位误差使解调输出信号功率减小但不改变噪声功率即输出信噪比下降。同理可证明，在AM解调中，载波相位误差也使输出信噪比下降。SSB设,;/(/)=cosQ/,上边带信号为COS3+。/，则相干解调输出信号为=IcosQrcos^+1sinQzsin0,第一项与m⑴成正比，但相位误差使信号功率下降。第二项与原信号正交，使基带信号产生畸变且8越大畸变越大。与DSB系统一样，相位误差并非改变SSB解调器的输出噪声功率，因此载波相位误差使SSB解调器的输出信噪比下降且信号畸变。在VSB相干解调中也有上述现象发生。2、数字通信显然，抽样裁决器输入信噪比转变规律同模拟通信，故误码率增大。2PSK系统误码率为Pe=0(V2rcos0)相卜解调最佳相干接收机最佳相干接收机8.3位同步一、位同步方式1、滤波法r⑴来自相干解调器或非相干解调器的低通滤波器，在最佳接收机中则视具体情形肯定Kt）的来源°波形变换输出信号中必需含有频率等于码速度的高散谱。若信道中传输的是BNRZ码或2DPSK信号，则波形变换单元可由比较、微分、整流等三部份组成，波形示用意如下r（tr（t）比较器输出微分输出若无码间串扰且无噪声，则U⑴脉冲的上升沿都应与各码元的开始时刻对齐，它的频谱中包括有位同步信号重复频率的离散谱成份，滤波、脉冲形成及移相后可取得理想的位同步信号。码间串扰和噪声使位同步器输出的位同步信号在必然范围内抖动。信息码中的连“1”或连“0”码也会造成位同步信号相位抖的。连“1”或连“0”个数越多，滤波输出信号距⑴的周期和幅度转变越大，位同步输出信号的相位抖动也越大。因此在基带传输系统中常采用HDB3码，在数字调制传输中常将信号源输出的数字基带信号位进行扰码处置以减少连“1”和连“0”的个数。2、锁相环法⑴模拟锁相环模拟锁相环要求输入一个正弦信号或周期和幅度不恒定的准正弦信号。环路对此输入信号可等效为一个带通滤波器，其品质因数。=区，式中fs为环路工作频率即位同信号重复bl频率，Bl为环路带宽。Bl正比环路自然谐频率5。能够通过合理的环路设出，使环路的等效带通滤波器带宽小至几赫兹，从而使位同步信号相位抖动足够小。⑵模数混合锁相环（常常利用电荷泵锁相环）

环路中的PD是数字电路，LF是模拟也路，VCO的振荡频率可在控制电压的作用下持续转变，其电路能够是模拟式的也能够是数字式的。PD要求输入周期的或准周期的TTL信号。（3）数字环数字环由数字电路组成，也可由软件组成或某些部件由软件完成。介绍实验中利用的数字环工作原理称数字环中的鉴相为数字鉴相器（DPD）、环路滤波器为数字环路滤波器（DCF）、压控振荡器为数控振荡器（DCO）。5为单极性码，码速度为fs,环路锁按时u。脉冲位于码元中间、山脉冲宽度等于码元宽度的一半，Nd等于N/2。不考虑DLF即N,二Nd时环路的工作原理可用下图来讲明：开环状态NdWNJ2闭环开环状态NdWNJ2闭环NDCO是一个分频，其分频比受。控制（由软件完成），当M=熊+寸#乂时，将DCON分频比由N。变成刈+学，则下一个小脉冲就处于码元中间，知足锁定要求，DCO的分频比改变一次后当即恢复为No,于是对DCO相位调整一次就可使环路进入锁定状态。DLF可减小噪声对位同步相位抖动的影响。环路的时钟频率f。的标移值等于N°fs,但实际值有必然误差，故DCO输出频率与码速度也有必然误差，这种误差致使位同步信号的相位抖动。另外，连“1”或连“0”个数越多,位同步相位抖动也越大。这种抖动是由环路的工作特点决定的。在两次鉴相之间，DCO不受控制，因此上述频差必然造成DCO输出信号相位偏离码元中间。连“1”或连“0”个数越多，两次鉴相之间的时刻距离也越大，因此位同步信号相位偏移也越大。模拟锁相环的工作频率最高，抗噪声性能最好。数字锁相环的工作频率较低，因为它的时钟信号频率f°=N.fs，为使同步信号的相位误差足够小，N,必需足够大，但高稳固度晶体的工作频率f。的上限一般为几十MHz,所以位同步信号频率fs不可能很高。电荷泵锁相环位同步动工作频率低于模拟环，高于数字环，抗噪性能低于模拟环。二、位同步系统性能用窄带带通滤波、模拟锁器相环和电荷泵锁相环构造的位同步器的同步误差、同步成立

时刻和同步维持时刻与滤波器Q值、环路自然潜振频率之间的关系同载波同步系统。下而介绍数字锁相环位同步系统的性能指标1、同步成立时刻is最大起始相差为开或-乃，若DCO相位调整量每次为2兀/。则最多需调整2次。设“0”，“1”等概、鉴相器工作m次后DLF对DCO调整一次相位，N则ts^-^x2mTs=mNJs若对DCO调整一次就可使环路锁定（如上述数字环），则P2mTs（不含软件执行时刻）。2、同步维持时刻L设发射机、接收机的时钟稳固度为〃，则DCO输出信号频率与环路输入信号码速之间的最大误差为2〃fs。若允许位同步信号的最大相位误差为2兀£,则4〃fs/k=2g由此得2成4应大于DCO两次调整之间的时刻距离。L越大，允许连“1”码或连“0”码越长。3、同步误差稳态误差^,max=—此为量化误差此随机误差由输入噪声产生，其大小与DLF有关。三.同步误差对误码率的影响同步误差使误码率增大，因同步信号偏离了被采样信号的最大值对应的时刻。2PSK最佳接收机gTgT带-齐/〃））式中Tc为历时刻表示的同步误差8.4帧同步一、帧同步码插入方式及码型.集中插入（连贯插入）在一帧开始的n位集中插入n比特帧同步码，PDH中的A律PCM基群、二次群、三次、四次群，口律PCM二次群、三次群、四次群和SDH中各个品级的同步传输模块都采用集中插入式。.分散插入式（距离插入式）n比特帧同步码分散地插入到n帧内，每帧插入1比持，u律PCM基群及系统采用分散插入式。分散插入式无国际标准，集中插入式有国际标准。帧同步码出现的周期为帧周期的整数信，即在每N帧（N21）的相同位置插入帧同步码。.帧同步码码型选择原则（1）假同步概率小（2）有尖锐的自相关特性，以减小漏同步概率如A律PCM基群的帧同步码为001101,设“1”对应正电平1,“0”码对应负电平-1,则此帧同步码的自相关特性如下图所示R（R（j）二、帧同步码识别介绍常常利用的集中插入帧同步码的识别方式。设帧同码为0011011,当帧同步码全数进入移位寄放器时它的7个输出端全为高电平，相加器3个输出端全为高电平，表示ui=l+2+4=7o门限L由3个输入电平决定，它们的权值别离为1,2,4o比较器的功能为〃•=;二”据此可得以下波形:PCM码流xOOUOll数据码xOOUOll数据码「此脉冲对齐第一位数据u（）npr三、识别器性能设误码率为Pc,n帧码位，L=n-m,（即允许帧同步码错m位），求漏识别概率Pi和假识别概率%和同步识别时刻1.漏识别概率m正确识别概率为Zc?勿。一幻"-‘，故Hlq=1-。—心）m=0时与丈nPey=0门限L越低，R越小，则漏识别概率越小。.假识别概率mn位信码产生一个假识别信号的概率为马=2-”ZQ/〃=。计P.=2-"7=0门限越高，帧码位数越多，则假识别概率越小。.同步识别时刻GPi=P2=0时，ts=NI;,N为一个同步帧中码元位数，Ts为码元宽度一个同步帧中产生一个假识别信号概率为(N-〃)巴士丝，故当RWO、P^WO时4=(1+勺+”瓯分散插入帧同步码的同步识别时刻为「N2T5可见集中插入式同步识别时刻远小于分散插入式的同步识别时刻。四、同步保护无同步保护时，同步系统的漏同步概率Pl等于识别器漏识别概率P”假同步概率Pj等于识别器的假识别概率平P2。由上述分析可见。当信道误码率一按时，增大帧码长度、降低门限可减少漏同步概率，同时使假同步概率也足够低，但帧码太长，将降低有效信息的传输速度，是不允许的。这一矛盾可用同步保护电路解决。.后方保护当帧同步系统处于捕捉态时，持续a个同步帧时刻内识别器有输出时，同步系统进入同步状态，输出帧同步信号。此办法可减小假同步概率。也能够在采取此办法的同时提高门限电平以进一步减小假同步概率。.前方保护当帧同步系统处于同步态时，持续B个同步帧时刻内识别器检测不到帧同步码，则系统回到捕捉态。此办法能够减小漏同步(假失步)概率。也能够在采取此办法的同时降低限电平，以进一步减小漏同步概率。.同步性能设门限等于帧码码元数n,同步帧长为N比持,同步周期为Tf秒,则PL=(nPe