第章 同步与数字复接ppt课件

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1) 外同步 为了实现同步, 发送端专门发送同步信息, 该同 步信息常常被称为导频或领示频率, 接收端根据接收 到的导频提取出同步信息, 这种方法称为外同步。 2) 自同步 发送端不发送专门的同步导频, 同步信息是接收 端从接收信息中设法提取的, 这种方法称为自同步。 这种方法效率高, 干扰小, 但有时收端设备较复杂。
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2. 位同步 位同步又称码元同步, 它是数字通信系统特有的 一种同步。 在数字通信系统中, 被传送的信号是由一 系列的码元组成的, 发端每发送一个码元, 收端就应 该相应地接收一个码元, 两者步调一致。
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3. 群同步 群同步包括字同步、 句同步及分路同步等。 在数 字通信中, 信息流是由若干个码元组成一个“字”, 又由若干个“字”组成一个“句”。 在接收信息流时, 必须知道这些“字”、 “句”的开始与结束, 否则接 收端无法正确恢复信息。 对于时分多路信号, 在接收 端要正确区分出各路信号, 并根据发送端合路的规律 进行正确分路。
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1. 滤波法 在数据通信和无线信道传输的数字通信系统中, 基带信号通常是不归零脉冲信号。这种不归零脉冲序 列的频谱中并不包含有位定时频率分量, 因此不能直 接用滤波器从中提取位同步信号。 但由于这种脉冲序 列遵循码元的变化规律, 并按位定时的节拍而变化, 因此, 只要将其转化为归零二进制脉冲系列, 则变化 后的信号就会出现码元信号的频率分量了, 从而能够 从中提取出位定时信号。 图6.4就是用这种方法提取位 定时信号的原理框图及波形图。
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超前脉冲 ÷N
置“0”


M
置“1”
滞后脉冲
÷N (a)
超前脉冲
超前脉冲

超前脉冲 加计数
2N 2N


滞后脉冲 减计数
可逆计数器

复位
0 置N
滞后脉冲 注:N<M<2N
滞后脉冲 (b)
图6.9 两种数字式滤波方案 (a) N进制M滤波器; (b) 随机徘徊滤波器
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第6章 同步与数字复接
在图6.1(a)中, 由于判决时刻没有选在码元中 央(即信噪比最大的时刻), 因此在收端出现了判决 错误; 而在图6.1(b)中, 因为判决时刻的正确选取, 所以获得了良好的传输效果。 可见, 位同步使收端在 最佳判决时刻对接收码元进行抽样判决, 从而尽可能 地减少误判。
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由于图6.9的电路插在相位比较器后面, 因此相位 比较器输出的超前或滞后脉冲不能直接加到扣除门和 附加门上, 从而不能马上进行相位调整。 例如图6.9 (a)中, N<M<2N, 设N=3, M=4, 若图6.7中n次分 频器输出的位同步信号的确超前(或滞后)了, 则相 位比较器会连续输出超前(或滞后)脉冲。
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u(t) 过零 数字基带检 信测

脉冲ud 形成
鉴相器u
环路 滤波器
压控 振荡器
脉冲 形成
uc 锁相环
uc
位定时 信号
图6.6 脉冲锁相法原理框图
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鉴相器、 环路滤波器、 压控振荡器和脉冲形成级 构成了一个简单的锁相环, 输出本地位定时脉冲uc。 具体工作过程是: 在鉴相器中, ud与uc进行比较, 产 生一个相位误差信号, 即同相时输出一个幅度为+1的 脉冲, 反相时输出幅度为-1的脉冲; 而基准脉冲ud 不存在时, 鉴相器无输出。
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s(t)
放大
v 1
基 带 数 字 信 号限 幅
微分
v 2
全 波整 流
窄带
v 3
滤波
移相
(a)
脉冲
v 4
形成 位定时脉冲
s(t) t
v1
t
v2
t
v3
t
v4
t
(b)
图6.4 用滤波法提取位定时信号
(a) 方框图; (b) 波形图
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2. 包络检波法
在数字微波的中继通信中, 常用包络检波的方法 从PSK信号中提取位同步信号。虽然PSK信号是包络不 变的等幅波, 具有极宽的频带, 但因为信道频带宽度 有限, 所以在信道中传输后会在相邻码元相位突变点 附近产生幅度凹陷的失真, 也称平滑陷落。 因此在解 调PSK信号时, 用包络检波器检出这种幅度“平滑陷 落”的包络a, 去掉其中的直流分量b后,即可得到归 零的脉冲序列c, 最后用窄带滤波器提取包含于其中的 位同步频谱分量, 经脉冲整形后即可得到位同步信号, 如图6.5所示。
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2. 数字锁相法 1) 锁相原理 数字锁相法在现代数字通信的位同步系统中得到 了越来越广泛的应用。 它的基本原理是: 接收端通过 一个高稳定度振荡器分频得到本地位定时脉冲序列, 然后输入数字信号与本地位定时脉冲在鉴相器中进行 相位比较。 若两者相位不一致, 则用鉴相器输出误差 信息去调整可变分频器的输出脉冲相位, 直到输出的 位定时脉冲和输入信号在频率和相位上都保持一致时, 才停止调整, 从而达到获得同步信号的目的。
发端
信道
收端
1 0 11 01
发端 1 0 11 01
(a) 信道
0 0 1 1 1 10
×
×
收端
10 11 0 10 (b)
图6.1 判决时刻的选取 (a) 判决时刻选取不合适; (b) 判决时刻选取合适
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1. 插入位定时导频法 在无线通信中, 数字基带信号一般都采用非归零 (NRZ码)的矩形脉冲, 并以此对高频载波作各种调 制, 解调后得到的也是非归零的矩形脉冲, 码元速率 为fB 。 其功率谱密度中都没有fB成分, 也没有2 fB成分, 此时可以在基带信号频谱的零点处, 即fB或2 fB处插入所 需要的导频信号, 如图6.2 所示。
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SPSK (t)= S(t) cos[(ω0t+φ(t)] (6.1 现在利用含有位同步信号的某种波形, 如升余弦
波m(t)=(1+cosΩt)/2, 对调相载波进行调幅, 则有
s ( t) m ( t) S P( S t) K 1 2 ( 1 co t) S ( s t)co 0 t s( t) []
(1) 收端需注意消除或减弱定时导频对原基带信 号的影响。
因为位定时导频分量不是原数字信号的成分, 故 在加入导频后, 收端解调得到的基带信号与原来的不 同。 所以必须设法消除导频分量, 恢复原始数字信息, 否则将引起判决错误。
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接收 信号
解调
数字基带信号
减法器
窄带滤波 限幅 锁相环 移相
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s(f ) 导频信号
s(f ) 导频信号
1/T
f
(a)
1 / (2T)
f
(b)
图6.2 导频插入频谱
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导频提取的原理如图6.3所示。 可以看出, 解调以 后的基带信号用中心频率为f=1/T(或1/(2T))的窄带滤 波器提取出导频信号, 然后经移相整形形成位定时脉 冲, 即位同步。 这一应用从原理上说非常简单, 但在 实际中还需解决两个问题。
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解调后的 波形 接收码元 变换
滞后脉冲 鉴




超前脉冲 器
位同步 信号
n次

分频器 门
可变分频器
扣除 门 (常开)
附加 门 (常闭)
Q 整形 Q
nfB晶振
图6.7 锁相原理框图
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Q1
2
Q
1
2
图6.8 整形输出波形
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2) 锁相法抗干扰性能的改善 在锁相法电路中, 如果由于干扰的影响使比较器 送出超前或滞后脉冲, 则根据上面讲述的工作原理, 锁相环会立即进行调整。 实际上这种调整是没有必要 的, 当干扰消失后, 锁相环的状态又要调回来。 若干 扰时常存在, 则锁相环常常进行不必要的来回调整, 这使提取的位同步信号相位产生抖动。 为了克服这个 缺点, 仿照模拟锁相环中鉴相器后加有环路滤波器的 方法, 在数字锁相环的鉴相器后加一个数字式滤波器。 图6.9所示为这种方案的两个方框图, 它们插在图6.7相 位比较器输出之后, 起抗干扰作用。
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4. 网同步 在一个通信网里通信和相互传递消息的设备很多, 各种设备产生的及需要传送的信息码流各不相同。 当实 现这些信息的交换、 复接时, 必须要有网同步系统来 统一协调, 使整个网能按一定的节奏有条不紊地工作。
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同步系统如果按实现方法区分, 又可分为外同步 和自同步两种。
(6.2) 其中, Ω=2π/T =2πf , T为码元宽度, f为导频信号的 频率。
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6.2.2 自同步法 自同步法也称作直接提取位同步法, 是指发端不传
送专门的位同步信息, 而直接从接收信号或解调后的数 字基带信号中提取位同步信号。 这种方法在数字通信系 统中得到了广泛的应用。 具体实现直接提取位同步的方 法有三种: 滤波法、 脉冲锁相法和数字锁相法。
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6.1 同步技术概述 6.2 位同步 6.3 网同步 6.4 数字复接原理 习题与思考题
Байду номын сангаас
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6.1 同步技术概述
1. 载波同步 在相干解调时, 接收端需要有一个与所接收到的 信号中的调制载波同频同相的本地载波信号, 这个本 地载波的获取称为载波提取或称载波同步。 在《高频 电子线路》以及本书第5章数字调制中, 我们已学习过 无论是模拟调制信号还是数字调制信号, 都必须有相 干载波, 才能实现相干解调。
锁相环来代替滤波器, 这种方法称为锁相法。 它有脉 冲锁相法和数字锁相法两种。
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1. 脉冲锁相法 图6.6为脉冲锁相法的原理框图。 各部分的工作原 理是: 解调恢复出来的非归零基带信号u(t)通过过 零检测和脉冲形成级得到包含位定时频率分量的脉冲 信号ud。 这一信号反映了所接收的二进制脉冲序列的 相位基准。 这是因为这些脉冲的间隔虽然是随机的, 但过零点的间隔总是码元脉冲周期的整数倍, 这样利 用码元过零点时刻形成一个脉冲, 就可作为控制锁相 环的基准信号。 至于过零检测的方法, 可以采用放大、 限幅、 微分和整流等方式来实现, 也可以采用幅度鉴 别电路(如施密特电路)来实现。
第6章 同步与数字复接
锁相原理框图见图6.7。 这是一个典型的数字锁相 环电路, 扣除门是一个常开门。 频率为nfB的晶振产生 的正弦波经整形电路变成方波, 从Q端加到扣除门。 因扣除门为常开门, 则方波正脉冲经或门加到n次分频 器。 n次分频器有两路输出, 一路送到鉴相器(相位比 较器), 另一路则作为位同步信号输出。 相位比较器 把位同步信号相位与接收到的码元相位进行比较, 若 将这种既不超前也不落后的状态维持下去, 则该nfB的 晶振经n分频后, 频率为fB的信号即为位同步信息。
数字信号 位同步信号
图6.3 定时导频的提取
第6章 同步与数字复接
(2) 导频信号有可能反过来受到原数字信号的影响。 图6.3中锁相环所起的作用就是进一步利用其跟踪和窄
带的特性来提取信号, 而移相电路的作用是抵消提取出的 导频信号经窄带滤波器、 限幅器和锁相环引起的相移。
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2. 双重调制导频插入法 在频移键控、 相移键控的数字通信系统中, PSK 信号、 FSK信号都是包络不变的等幅波(也称恒包络 信号), 所以导频的传送也可以采取浅调幅的方法。 在发送端用位同步信号对已调信号再进行附加调幅, 实现双重调制; 在接收端进行包络检波, 也可以取出 位同步信号。
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P S K 包 络 检 波 a →c
窄带 滤波
s PSK (t )
0
位定 时脉冲 脉冲 形成
幅 度 的 “平 滑 陷 落 ” t
包 络a t
0 直 流 分 b量 t
0 归 零 的 脉 冲 c序 列
t 0
图6.5 包络检波法提取位定时信号
第6章 同步与数字复接
6.2.3 重要的位同步锁相环 为克服滤波法在提取位同步时存在的缺点, 可用
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6.2 位 同 步
位同步又称为码元同步, 它是数字通信中最基本 最重要的一种同步。 由于数字信号是一位码接一位码 地发送和接收的, 因此就要求传输系统的收、 发端应 具有相同的码速和码元长度。 由于任何传输信道都存 在干扰和损耗, 因此, 数字信号在通过信道传输后都 应当经过整形与判决。 在判决时, 仅仅满足收、 发定 时脉冲的频率相等是不够的。 为克服各种干扰的影响, 还要求判决时应选在信噪比最大的时刻, 并尽量靠近 码元中央。
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