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1,通信原理,第13章 同步原理(13.3-13.4),2,复习-同步的分类与功能,点_点数字通信系统,位同步,字同步,网络通信,时分多路复用系统,帧同步,群同步,网同步,通信线路,用户终端,用户终端,通信线路,路同步,位同步,载波同步,3,复习-有辅助导频时的载频提取,插入导频的位置应该在信号频谱为零 的位置，而且是所谓“正交载波”。,锁相环鉴相特性,4,复习-平方环法,2PSK信号的载波提取,5,复习-科斯塔斯环法,6,复习-载波同步的性能指标,载波同步系统的性能指标主要有效率、精度、 同步建立时间和同步保持时间。载波同步追求 的是高效率、高精度、同步建立时间快，保持 时间长。,恒定误差,窄带滤波器：,锁相环,随机误差：,载波同步误差对解调信号的影响,7,第13章 同步原理,13.1 概述13.2 载波同步13.3 码元同步13.4 群同步13.5 网同步,主要内容,8,13.3 码元同步,码元同步目的： 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。码元同步方法： 从接收码元的起止时刻产生一个码元同步脉冲序列，或称定时脉冲序列。码元同步方法分类：外同步法自同步法,9,13.3 码元同步,13.3.1 外同步法 插入导频法,实现的关键在于减小码元同步信号和数字信号之间的相互干扰问题；通常选取导频信号位于信号谱零点位置。,10,13.3 码元同步,位定时导频接收,11,13.3 码元同步,优缺点：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。 插入码元同步信号的方法 时域：连续插入；增加“同步头” 频域：在信息码元频谱之外占用一段频谱用于传输同步信息利用信息码元频谱中的“空隙”处，插入同步信息,12,独立通道键控法,13.3 码元同步,13,多路并发系统中的接收端,13.3 码元同步,14,为保证同步信号的可靠性，在功率和频带的 分配上给予优先的照顾。 应用实例 在IS-95 CDMA移动通信系统中，基站向移动台发射的下行链路的64个信道中，除了安排其中一个信道发送导频载波信号之外，还专门安排一个信道为移动台提供码元同步导频信号，供接收端进行码元同步之用。,13.3 码元同步,15,13.3 码元同步,13.3.2 自同步法自同步法分类：开环同步法：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，故需要在接收时对其进行某种非线性变换，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信息。 闭环同步法：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。,16,13.3 码元同步,开环码元同步法延迟相乘法原理方框图,17,13.3 码元同步,相乘器输入和输出的波形： 延迟相乘后码元波形的后一半永远是正值；而前一半则当输入状态有改变时为负。因此，变换后的码元序列的频谱中就产生了码元速率的分量。延迟时间等于码元时间一半时，码元速率分量最强。,18,13.3 码元同步,19,13.3 码元同步,同步误差 若窄带滤波器的带宽等于1/KT，其中K为一个常数，则提取同步的时间误差比例为：只要接收信噪比大，上述方案能保证足够准确的码元同步。,式中， 同步误差时间的均值；,20,13.3 码元同步,闭环码元同步法基本原理：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点保持同步。这种方法类似载频同步中的锁相环法。,21,13.3 码元同步,“超前/滞后门”同步器原理框图,22,13.3 码元同步,工作原理,23,13.3 码元同步,存在的问题和解决办法上面讨论中已经假定接收信号中的码元波形有突跳边沿。若它没有突跳边沿，则无论有无同步时间误差，超前门和滞后门的积分结果总是相等，这样就没有误差信号去控制压控振荡器，故不能使用此法取得同步。这个问题在所有自同步法的码元同步器中都存在，在设计时必须加以考虑。,24,13.3 码元同步,由于两个支路积分器的性能不可能做得完全一样。这样将使本来应该等于零的误差值产生偏差；当接收码元序列中较长时间没有突跳边沿时，此误差值偏差持续地加在压控振荡器上，使振荡频率持续偏移，从而会使系统失去同步。为了使接收码元序列中不会长时间地没有突跳边沿，可以在发送时对基带码元的传输码型作某种变换，例如改用HDB3码，或用扰码技术，使发送码元序列不会长时间地没有突跳边沿。,25,13.3 码元同步,位同步锁相环采用稳定频率的振荡器（信号钟），从鉴相器所获得的与同步误差成正比的误差电压，通过控制器在输出的脉冲序列中附加或扣除一个脉冲，从而调整加到鉴相器上的位同步脉冲序列的相位达到同步的目的。,26,13.3 码元同步,信号钟高稳定度的振荡器和晶振，振荡器的频率设 计为码元速率的N倍。控制器和分频器控制器根据滤波器输出的控制脉冲对信号钟 输出实施“加或减” 脉冲；分频器每输入N个脉冲，则分频输出一个脉 冲；若准确同步，则控制器无加减脉冲输出，环 路锁定。,27,13.3 码元同步,若位同步信号超前，则控制器输出一个“减脉冲”；若位同步信号滞后，则控制器输出一个“加脉冲”；最小相移控制量：,28,13.3 码元同步,29,13.3 码元同步,鉴相器将输入信码与位同步信号进行相位比较相位比较形式：微分型和积分型数字滤波器信道中噪声的影响使得码元转换时刻产生随机的抖动甚至产生虚假的码元转换，数字滤波器可以去除噪声的影响。,30,13.3 码元同步,相位误差码元同步信号的平均相位与最佳相位之间的偏差。为减小码元同步相位误差的影响，分频次数N应越大越好，但N越大，建立同步所需的时间越长。,同步建立时间ts丢失同步后重建同步所需要的时间。,码元同步的主要性能指标,31,同步保持时间从接收信号消失或接收信号中的码元同步信号消失开始，到码元同步电路输出的码元同步信号中断为止这段时间，称为码元同步的保持时间。,同步门限信噪比在保证一定码元同步质量的前提下，接收机输入端所允许的最小信噪比。,13.3 码元同步,32,对码元同步的要求：同步误差小；抖动小；同步建立时间短；同步保持时间长；专为传送码元同步信息所占用的功率小、频带窄。,13.3 码元同步,33,13.3 码元同步,13.3.3 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，其积分器的积分时间长短直接和信噪比Eb/n0有关。若积分区间比码元持续时间短，则积分的码元能量Eb显然下降，而噪声功率谱密度n0却不受影响。,34,13.3 码元同步,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1/2。以等概率2PSK信号为例，其最佳误码率为：故在有相位误差时的平均误码率为,35,第13章 同步原理,13.1 概述13.2 载波同步13.3 码元同步13.4 群同步13.5 网同步,主要内容,36,13.4 群同步,13.4.1 概述群同步是使接收端的时隙脉冲排列规律与发送的时隙脉冲排列规律一致。群同步法的种类：外同步法-发送的数字序列中插入群同步脉冲或群同步码作为帧的起始标志；（只介绍该方法）自同步法-利用数字信号序列本身的特性来恢复群同步信号。,37,13.4 群同步,对群同步的要求：建立正确同步的概率大，错误同步的 概率小；捕捉时间短，电话系统要求重新建立 同步的时间小于100ms；同步信息应尽可能短，提高信息传输的效率。,38,13.4 群同步,群同步码的插入方式： 集中插入方式同步码以集中的方式插入信息码流中；可快速建立同步，也称连贯式插入方式；实例：PCM30/32路，偶帧TS0:X0011011,39,13.4 群同步,PCM30/32路基群信号的帧同步,40,13.4 群同步,分散插入方式 同步码以分散的方式插入信息码流中；若发生了帧失步，则需要逐位进行比较，直到收到新的帧同步码，建立同步时间长；,41,13.4 群同步,分散插入方式应用实例： PCM24路基群设备中使用。,42,13.4 群同步,同步电路的状态：捕捉态：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。保持态：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。,43,13.4 群同步,群同步系统的前后方保护时间： 前方保护时间 随机误码引起漏同步，此时希望同步系统不要开始重新捕捉同步；而在突发性干扰或信号质量恶化，造成大量数据丢失甚至通信中断时才需要重新捕捉同步；因此引入前方保护时间使系统具有识别漏同步的能力。系指从第一个同步码丢失到同步系统进入捕捉状态为止的这段时间。,44,13.4 群同步,后方保护时间 同步过程中存在假同步问题； 为避免假同步，引入后方保护时间，系指捕捉到第一个同步码到进入同步状态之间的这段时间。,45,13.4 群同步,PCM30/32对前后方保护时间的规定,46,13.4 群同步,PCM30/32前方保护时间：500700ms;后方保护时间：250 ms。PCM24分散插入；前后方保护时间35ms。,47,13.4 群同步,13.4.2 集中插入法：又称连贯式插入法原理：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。群同步码要求：快速准确识别；假同步和漏同步的概率小；群同步码长应尽可能短。,群同步码的选择码型码长良好的相位辨别能力，尖锐的自相关特性,48,13.4 群同步,巴克码：定义：设一个N位码组为x1, x2, , xN，其自相关函数满足： 则称为巴克码。,49,13.4 群同步,巴克码组列表： 表中各码组的反码（即正负号相反的码）和反序码也是巴克码。,50,13.4 群同步,例：N = 5的巴克码在j = 0至4的范围内，求其自相关函数值：,51,13.4 群同步,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上图所示。将j = 0时的R(j)值称为主瓣，其它处的值称为旁瓣。,52,13.4 群同步,实际通信中，在巴克码前后有其它码元存在。若假设信号码元的出现是等概率的，则相当于在巴克码前后的码元取值平均为0。,53,13.4 群同步,循环移位相关计算二进制循环相关计算 两个码组对应位相同的个数减去不同的个数 捕获尖锐相关峰，识别巴克码,54,13.4 群同步,巴克码的应用扩频通信提高抗干扰性能IEEE 802.11b使用11位巴克码,巴克码作为群同步码型时的问题假同步问题通过设计合适的数据帧结构解决数据链路层的工作,55,13.4 群同步,集中插入法群同步码检测流程,56,13.4 群同步,13.4.3 分散插入法：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“10”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“1”和“0”。,57,13.4 群同步,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期内，在同步码的位置上，都满足“1”和“0”交替出现的规律，则认为该位置就是群同步码元的位置。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。,58,13.4 群同步,软件搜索方法移位搜索法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；,59,13.4 群同步,在等待一个周期后，再考察下一个预期位置 上的码元是否还符合要求。若连续n个周期都 符合要求，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n个周期内出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元并保持连续n个周期都符合为止；这时捕捉态转为保持态。,60,13.4 群同步,在保持态，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错误而导致错认为失去同步，一般可以规定在连续n个周期内发生m次(m n)考察错误才认为是失去同步。这种措施称为同步保护。,61,13.4 群同步,62,小结,思考题： 群同步的主要性能指标有哪些？,码元同步的基本原理； 群同步的基本方法和分类； 巴克码的定义； 群同步码的选择准则。,作业： 13-3，13-4，13-5,