通信原理韩庆文第六章同步原理.ppt

CCEE第六章 同步原理数字通信原理可编辑2024/5/21 周二主要内容主要内容6.1 引言引言 6.2 载波同步载波同步 6.3 位同步位同步 6.4 群同步群同步 2可编辑2024/5/21 周二6.1 引言引言“同步”是数字通信中的重要问题，是进行正常通信的必要保证。分为：载波同步位同步群同步网同步3可编辑2024/5/21 周二载波同步载波同步数字通信中的重要问题，是进行正常通信的必要保证。相干解调系统框图相干解调系统框图带通带通滤波器滤波器相乘器相乘器低通低通滤波器滤波器抽样抽样判决器判决器定时脉冲定时脉冲输入输入c(t)输出输出4可编辑2024/5/21 周二6.1 引言引言“同步”是数字通信中的重要问题，是进行正常通信的必要保证。分为：载波同步位同步群同步网同步5可编辑2024/5/21 周二位同步位同步又称“码元同步”。这种在接收端从接收信号中提取位同步信息的过程称为位同步。相干解调系统框图相干解调系统框图带通带通滤波器滤波器相乘器相乘器低通低通滤波器滤波器抽样抽样判决器判决器定时脉冲定时脉冲输入输入c(t)输出输出6可编辑2024/5/21 周二6.1 引言引言“同步”是数字通信中的重要问题，是进行正常通信的必要保证。分为：载波同步位同步群同步网同步7可编辑2024/5/21 周二群同步群同步接收端要正确恢复消息，就必须识别句或帧的起止时刻。帧的识别帧的识别0115163031标志时隙标志时隙同步时隙同步时隙01110101111111偶帧偶帧奇帧奇帧3.93.9s s125125s s8可编辑2024/5/21 周二10.1 引言引言“同步”是数字通信中的重要问题，是进行正常通信的必要保证。分为：载波同步位同步群同步网同步9可编辑2024/5/21 周二网同步网同步为了保证通信网内各用户之间的可靠通信，需要实现网同步。点对点的通信点对点的通信10可编辑2024/5/21 周二主要内容主要内容6.1 引言 6.2 载波同步 6.3 位同步 6.4 群同步 11可编辑2024/5/21 周二6.2 载波同步“载波恢复”的两种方法：插入导频法：在发端发送有用信号的同时，在适当的频率位置上，插入载波或与之有关的导频信号，接收端通过窄带滤波取出。直接提取法：从接收的已调信号中直接提取相干载波。12可编辑2024/5/21 周二6.2 载波同步 插入导频法1直接法2 载波同步系统的性能3载波相位误差对解调性能影响载波相位误差对解调性能影响413可编辑2024/5/21 周二插入导频法插入导频法用于已调制的数字信号中没有载波分量以及虽有载波分量但难以实现载波分离的情况。如：单边带信号、抑止载波的双边带信号、残留边带信号、P=1/2的二相数字相位调制信号。插入导频的方法包括频域插入导频法时域插入导频法14可编辑2024/5/21 周二频域插入导频法抑制载波的双边带信号已调信号的频谱中已不包含载频成分，载频附近的分量也很小。15可编辑2024/5/21 周二频域插入导频法频域插入导频法以抑制载波的双边带信号为例：插入与边带信号成正交的“正交载波”，即调制载波移相/2。16可编辑2024/5/21 周二频域插入导频法发端输出信号：载波信号发生器带通加法器90相移平衡调制器17可编辑2024/5/21 周二频域插入导频法收端输入信号：乘法器fc窄带滤波器90相移接收带通滤波器低通滤波器基带输出相干载波18可编辑2024/5/21 周二频域插入导频法乘法器的输出信号m(t)为：乘法器fc窄带滤波器90相移接收带通滤波器低通滤波器基带输出相干载波19可编辑2024/5/21 周二频域插入导频法若发送端导频不是正交插入，而是同相插入，发送端的输出信号则变为：收端乘法器的输出：采用正交导频的原因20可编辑2024/5/21 周二插入导频法频域插入导频法时域插入导频法21可编辑2024/5/21 周二时域插入导频法时域插入导频法卫星通信TDMA系统帧结构22可编辑2024/5/21 周二时域插入导频法锁相环提取相干载波：接收带通滤波器接收信号线性门门控信号解调鉴相器环路滤波器压控振荡器23可编辑2024/5/21 周二时域插入导频法注意：锁相环压控振荡器的自由振荡频率应尽量和载波导频标准频率相等，而且要有足够的频率稳定度；由于时域插入的导频是一帧一帧插入的，所以锁相环需要每隔一帧时间进行一次相位比较和调节；当载波恢复信号消失后，压控振荡器具有足够的同步保持时间，直到下一帧载波恢复信号出现再进行相位比较和调整，只要适当设计锁相环，就能恢复出符合要求的相干载波。24可编辑2024/5/21 周二6.2 载波同步 插入导频法1直接法2 载波同步系统的性能3载波相位误差对解调性能影响载波相位误差对解调性能影响425可编辑2024/5/21 周二直接法直接法直接从接收信号中提取同步载波的方法非线性变换一滤波法同相正交环法从多相移相键控信号中提取同步载波26可编辑2024/5/21 周二非线性变换一滤波法适用于无载频分量的信号和抑制载频的双边带信号。经过非线性变换后可以得到载频的倍频分量，再用窄带滤波器或等效锁相环提取，经过分频可得相干载波。两种常见方法：平方变换法平方环法27可编辑2024/5/21 周二平方变换法无直流分量的基带信号 能否通过2c窄带滤波器，滤出同步载波？抑止载波的双边带信号对e(t)进行平方变换讨论28可编辑2024/5/21 周二讨论1.模拟通信中，s(t)为话音信号，无直流成分，但s2(t)/2变化时总是正的，因此，其中必有一个很大的直流成分，除此之外都是与零频率点有一定的间隔的，很小的一段的连续谱。2.在数字通信中，基带信号为2PSK信号，再经过二次调制为DSB信号：s(t)为双极性矩形脉冲，设平方29可编辑2024/5/21 周二平方变换法载波必然存在180的相位模糊，可以采用“相对移相法”解决。平方律部件输入已调信号2fc窄带滤波器二分频带来相位模糊30可编辑2024/5/21 周二非线性变换一滤波法平方变换法平方环法31可编辑2024/5/21 周二平方环法在平方变换的基础上，用锁相环替代窄带滤波器。性能优于前者平方律部件输入已调信号鉴相器环路滤波器压控振荡器二分频锁相环平方环法提取载波32可编辑2024/5/21 周二平方环法vd仅与相位差有关，通过环路滤波器去控制VCO的相位和频率。环路锁定后，很小。压控振荡器的输出输入2PSK信号当g(t)为矩形时，有：压控振荡器的输出鉴相器的误差输出鉴相灵敏度常数 二分频可得载波33可编辑2024/5/21 周二直接法直接法直接从接收信号中提取同步载波的方法非线性变换一滤波法同相正交环法从多相移相键控信号中提取同步载波34可编辑2024/5/21 周二同相正交法同相正交法又叫科斯塔斯(Costas)环。在此环路中，压控振荡器(VCO)提供两路互为正交的载波，与输入接收信号分别在同相和正交两个鉴相器中进行鉴相，经低通滤波之后的输出均含调制信号，两者相乘后可以消除调制信号的影响，经环路滤波器得到仅与相位差有关的误差电压，利用该电压控制压控振荡器。35可编辑2024/5/21 周二同相正交环法输入已调信号输出90相移低通环路滤波器压控振荡器低通36可编辑2024/5/21 周二同相正交环法经90相移后得到正交信号输入信号为抑止载波的双边带信号，则：压控振荡器的输出37可编辑2024/5/21 周二同相正交环法压控振荡器输出信号与输入已调信号载波之间的相位误差 由于锁相环作为载波提取环时，其LF的带宽设计很窄，只有s(t)的直流分量可以通过。低通滤波器后的输出38可编辑2024/5/21 周二同相正交环法存在相位模糊问题 039可编辑2024/5/21 周二同相正交环法科斯塔环与平方环都是利用锁相环（PLL）提取载波的常用方法。与平方环相比，科斯塔环虽然电路复杂一些，但它的工作频率即为载波频率，而平方环的工作频率是载波频率的两倍，当载波频率很高时，工作频率较低的科斯塔环易于实现当环路正常锁定后，科斯塔环可直接获得解调输出，而平方环则没有这种功能。40可编辑2024/5/21 周二直接法直接法直接从接收信号中提取同步载波的方法非线性变换一滤波法同相正交环法从多相移相键控信号中提取同步载波41可编辑2024/5/21 周二从多相移相键控信号中提取同步载波以QPSK为例常见的四种方法四次方环四相科斯塔环逆调制环判决反馈环42可编辑2024/5/21 周二四次方环鉴相器的误差输出四次方部件输入QPSK信号鉴相器环路滤波器压控振荡器四分频锁相环43可编辑2024/5/21 周二四次方环四重相位模糊度 0/2-/2-44可编辑2024/5/21 周二从多相移相键控信号中提取同步载波以QPSK为例常见的四种方法四次方环四相科斯塔环逆调制环判决反馈环45可编辑2024/5/21 周二四相科斯塔环输入已调信号低通低通低通低通90相移135相移45相移环路滤波器压控振荡器相干载波输出46可编辑2024/5/21 周二四相科斯塔环输入QPSK信号压控振荡器送给四个鉴相器的载波信号：代表所传送的信息，可取0、45、90、135四种相位 环路需要跟踪的载波相位 47可编辑2024/5/21 周二四相科斯塔环输入信号经四个鉴相器，再经过低通滤波器，输出电压48可编辑2024/5/21 周二四相科斯塔环v1和v3在相乘器中相乘v2和v4在相乘器中相乘v13和v24在相乘器中相乘，得到误差电压49可编辑2024/5/21 周二从多相移相键控信号中提取同步载波以QPSK为例常见的四种方法四次方环四相科斯塔环逆调制环判决反馈环50可编辑2024/5/21 周二逆调制环输入已调信号相位检波器相位检波器延时判决判决调相器调相器90相加90鉴相器环路滤波器压控振荡器载波输出51可编辑2024/5/21 周二逆调制环输入QPSK信号正交展开以参考载波sin(ct+2)相位检波以参考载波cos(ct+2)相位检波52可编辑2024/5/21 周二逆调制环v1v2做零判决，判决器输出讨论根据的取值不同，我们可以把在(0-2)的区间内分成八个区域 53可编辑2024/5/21 周二逆调制环123456780相位区间的划分，可得到在每个区域中v1和v2的取值 54可编辑2024/5/21 周二逆调制环v1对e(t)反调制，经90移相 v3与v4相加v2对e(t)反调制鉴相55可编辑2024/5/21 周二逆调制环四重相位模糊度 12345678056可编辑2024/5/21 周二从多相移相键控信号中提取同步载波以QPSK为例常见的四种方法四次方环四相科斯塔环逆调制环判决反馈环57可编辑2024/5/21 周二判决反馈环输入已调信号相位检波器相位检波器90环路滤波器压控振荡器判决判决延时延时相乘相乘相减载波输出58可编辑2024/5/21 周二判决反馈环判决反馈环两路相位检波器的输出 59可编辑2024/5/21 周二判决反馈环相减器的输出60可编辑2024/5/21 周二6.2 载波同步 插入导频法1直接法2 载波同步系统的性能3载波相位误差对解调性能影响载波相位误差对解调性能影响461可编辑2024/5/21 周二载波同步系统的性能通常是以效率和精度作为衡量系统性能主要指标。效率高是指为了获取载波信号所消耗的发送功率少。为获得同步载波信号，应尽量少消耗发射功率。精度高，指提取的载波应是相位尽量精确的相干载波，即相位误差应该尽量小62可编辑2024/5/21 周二载波同步系统的性能稳态相差随机相差同步的建立时间和保持时间63可编辑2024/5/21 周二稳态相差当Q值越大，所引起的稳态相差也就越大 很小用窄带滤波器提取载波时的稳态相差 用锁相环提取载波时的稳态相差环路的直流增益 64可编辑2024/5/21 周二载波同步系统的性能稳态相差随机相差同步的建立时间和保持时间65可编辑2024/5/21 周二随机相差随机相差由于载波信号上叠加了随机高斯噪声，所以当其通过窄带滤波器后，会使得到的载被同步信号产生随机相位误差。随机相差的概率密度函数用窄带滤波器提取载波的相位抖动用平方环法提取载波的相位抖动66可编辑2024/5/21 周二随机相差的概率密度函数随机相差的概率密度函数载波同步系统输出的信号 叠加了高斯噪声的载波信号通过窄带系统后的输出信号 窄带高斯过程 正交展开代入67可编辑2024/5/21 周二随机相差的概率密度函数随机相差的概率密度函数相互独立的高斯随机变量 相互独立的高斯随机变量 概率密度函数联合概率密度函数68可编辑2024/5/21 周二随机相差的概率密度函数随机相差的概率密度函数变成包络r和相位的函数随机变量随机变量包络r的一维概率密度函数广义瑞利分布，或莱斯分布 69可编辑2024/5/21 周二随机相差的概率密度函数随机相差的概率密度函数相位的一维概率密度函数概率积分函数 信号信噪比70可编辑2024/5/21 周二随机相差的概率密度函数随机相差的概率密度函数高信噪比条件下 随机相差的方差与信噪比之间的关系：结论 71可编辑2024/5/21 周二结论对于一个载波同步系统来说，不仅仅可以用信噪比来衡量随机相差的大小，也可以用随机相差的方差来衡量。在后面讨论同步系统性能时，将用随机相差的均方根值来衡量随机相差，并称之为相位抖动，即有：72可编辑2024/5/21 周二随机相差随机相差由于载波信号上叠加了随机高斯噪声，所以当其通过窄带滤波器后，会使得到的载被同步信号产生随机相位误差。随机相差的概率密度函数用窄带滤波器提取载波的相位抖动用平方环法提取载波的相位抖动73可编辑2024/5/21 周二用窄带滤波器提取载波的相位抖动已知窄带滤波器的电压传递函数 噪声为高斯白噪声 滤波器的等效噪声带宽 LC元件组成的单回路 品质因素窄带滤波器中心频率窄带滤波器输出的噪声功率 输出信号功率 输出信噪比 74可编辑2024/5/21 周二用窄带滤波器提取载波的相位抖动相位抖动 Q值越高，越小。增加Q值却会导致稳态相差增加当使用窄带滤被器提取载波时，稳态相差和随机相差对Q值的要求是相互矛盾的在实际应用中，必须兼顾二者，切忌顾此失彼。75可编辑2024/5/21 周二随机相差随机相差由于载波信号上叠加了随机高斯噪声，所以当其通过窄带滤波器后，会使得到的载被同步信号产生随机相位误差。随机相差的概率密度函数用窄带滤波器提取载波的相位抖动用平方环法提取载波的相位抖动76可编辑2024/5/21 周二用平方环法提取载波的相位抖动平方环的平方律部件之前为一带宽为Bi的带通滤波器 滤波器的输出为已调信号和带限高斯噪声之和 平方律部件的输出噪声n(t)功率双边功率谱密度环路输入端的单边噪声功率谱密度 77可编辑2024/5/21 周二用平方环法提取载波的相位抖动环路的等效单边噪声带宽 进入环路的噪声功率 进入环路的有用信号 平均功率法求得该信号的平均功率 环路信噪比 锁相环输出的相位抖动 78可编辑2024/5/21 周二用平方环法提取载波的相位抖动此时锁相环输出信号的频率是2c，还需经过二分频才能得到所需的频率c。整个载波信号提取电路的随机相差 锁相环的随机相差 同步系统的相位抖动 79可编辑2024/5/21 周二用平方环法提取载波的相位抖动利用平方环法提取相干载波情况下的相位抖动值：要使相位抖动足够小，就必须使得环路的噪声带宽足够窄。环路噪声带宽BL与环路的自然谐振频率n有着密切的关系，n大,BL就宽，要使n大，则必须增加环路增益K，所以，要使BL足够窄，K就不能太大，稳态相差对K的要求与随机相差对的要求也是矛盾的。可以通过合理的选择环路的其它参数，弥合这种矛盾，使之不像利用窄带滤波器提取载波时那样突出。80可编辑2024/5/21 周二载波同步系统的性能稳态相差随机相差同步的建立时间和保持时间81可编辑2024/5/21 周二同步的建立时间和保持时间同步建立时间 同步保持时间 分析窄带滤波器提取载波和以锁相环提取载波的同步建立时间和保持时间 窄带滤波器提取载波锁相环提取载波82可编辑2024/5/21 周二窄带滤波器提取载波情况窄带滤波器为一简单的单调谐回路给定回路的谐振频率0和品质因素Q t=0时，信号接入回路 输出电压的建立过程83可编辑2024/5/21 周二同步的建立时间和保持时间输出电压 包络为 同步建立 t=0时，信号断开 输出电压 包络为 同步消失 84可编辑2024/5/21 周二同步的建立时间和保持时间同步建立时间包含的载波周期数 同步保持时间包含的载波周期数 结论：要同时满足建立时间短和保持时间长两项要求，是有困难的 85可编辑2024/5/21 周二同步的建立时间和保持时间窄带滤波器提取载波锁相环提取载波86可编辑2024/5/21 周二锁相环提取载波用锁相环提取载波时，同步建立时间和保持时间由锁相环的特性决定，显然，同步建立时间就是锁相环的捕捉时间。假设二阶环路从进入快速捕捉到锁定所需要的时间为tL，则有：频偏到达快捕带的时间可近似为 要减少捕捉时间，需要增加n；增加n会导致环路噪声性能下降。建立时间短和噪声性能两种指标之间是有矛盾的87可编辑2024/5/21 周二锁相环提取载波同步保持时间 指锁相环原已锁定的情况下，由于信号中断，压控振荡器输出信号的相位变化不超过某一允许值0=2(为一常数)所得的时间。信号中断后，压控振荡器输出端信号中断时，压控振荡器的频偏环路滤波器电容放电支路的时间常数 88可编辑2024/5/21 周二锁相环提取载波n随时间常数的增大而减小，这将使得同步的建立时间增加；保持时间长和建立时间短又是矛盾的。为了部分地克服这个矛盾，同步系统在未进入锁定状态时，可合理选择元件参数，适当减小时间常数，以缩短捕捉时间；一旦系统进入锁定状态，则自动改变元件参数，增大时间常数，以此增加同步保持时间。89可编辑2024/5/21 周二6.2 载波同步 插入导频法1直接法2 载波同步系统的性能3载波相位误差对解调性能影响载波相位误差对解调性能影响490可编辑2024/5/21 周二载波相位误差对解调性能的影响实际的载波同步系统提取的载波可以同频，但却难以实现同相，总会有一定的相位误差存在，它是稳态相差和相位抖动共同作用的结果，即相位误差必然影响解调的性能对双边带调幅信号的影响对单边带信号及残余边带信号的影响对调相信号的影响91可编辑2024/5/21 周二对双边带调幅信号的影响接收到的双边带信号 载波同步电路提取的载波相干解调 低通滤波 分析92可编辑2024/5/21 周二载波相位误差对解调性能的影响分析：解调器输出最大 当在一、四象限内时，解调器的输出随着的增大而减小；当/4时，cos =0.707，相当于功率信噪比损失了3dB 当接近/2时，信噪比迅速下降，无法进行解调；当/2时，解调器输出为0 当在二、三象限内时，解调器的输出不但随的增大而减小；而且还会出现反相，这种情况是不允许出现的 93可编辑2024/5/21 周二载波相位误差对解调性能的影响对双边带调幅信号的影响对单边带信号及残余边带信号的影响对调相信号的影响94可编辑2024/5/21 周二对单边带信号及残余边带信号的影响相位误差对双边带信号而言，只会引起信噪比的下降对于残余边带信号和单边带信号而言，相位误差不仅会引起信噪比下降，还会造成信号畸变。以单边带信号为例，说明这种畸变的产生过程。95可编辑2024/5/21 周二对单边带信号及残余边带信号的影响基带信号 单边带信号取上边带相干载波与基带信号的相差低通滤波 有效项 畸变项 96可编辑2024/5/21 周二对单边带信号及残余边带信号的影响比较 第一项与原基带信号相比较，可以看出，由于增加了系数cos，导致信噪比下降；第二项是与原基带信号正交的项，是不需要的解调结果，这一项的存在，导致接收的基带信号产生畸变，而且畸变随着的增加而变大。有效项 畸变项 97可编辑2024/5/21 周二载波相位误差对解调性能的影响对双边带调幅信号的影响对单边带信号及残余边带信号的影响对调相信号的影响98可编辑2024/5/21 周二对调相信号的影响二进制数字调相信号的表示式与抑制载波的双边带信号相同载波同步系统提供的载波只要与要求的相干载波之间存在相位误差，解调结果就会受到与双边带信号一样的影响。信噪比同样要下降为原来的cos2倍得到系统误码率公式：99可编辑2024/5/21 周二对调相信号的影响四相移相信号的误码率可利用相量图求得 每个四相相量都可分解为两个相量 相量1(11)(振幅为)，当=0时，在x,y两轴上的投影均为cos/4分量 当0时在x,y两轴上的投影分别为：cos(/4),cos(/4-)1（11）2（01）3（00）4（10）xy100可编辑2024/5/21 周二对调相信号的影响一个四相移相信号正确解调的概率应等于两分量都正确的概率 由此得到信号的误码率：101