第5章同步原理5.1

概述5.2

數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的載波同步原理5.3數(shù)字基帶系統(tǒng)的位同步原理5.4幀同步原理5.5網(wǎng)同步方式習(xí)題5.1概述數(shù)字通信的一個(gè)重要特點(diǎn)是通過時(shí)間分割來實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用,即時(shí)分多路復(fù)用。在通信過程中,信號(hào)的處理和傳輸都是在規(guī)定的時(shí)隙內(nèi)進(jìn)行的。為了使整個(gè)通信系統(tǒng)有序、準(zhǔn)確、可靠地工作,收、發(fā)雙方必須有一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。所謂同步,就是使收、發(fā)兩端的信號(hào)在時(shí)間上步調(diào)一致。同步系統(tǒng)性能的好壞將直接影響通信質(zhì)量的好壞,甚至?xí)绊懲ㄐ拍芊裾＿M(jìn)行。

1.同步的分類按照同步的功能來分類,有載波同步、位同步(碼元同步)、群同步(幀同步)和網(wǎng)同步(通信網(wǎng)絡(luò)中使用)等四種。

1)載波同步數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能是由解調(diào)方式?jīng)Q定的。相干解調(diào)中,首先要在接收端恢復(fù)出相干載波,這個(gè)相干載波應(yīng)與發(fā)送端的載波在頻率上同頻,在相位上保持某種同步關(guān)系。在接收端恢復(fù)這一相干載波的過程稱為載波跟蹤、載波提取或載波同步。載波同步是實(shí)現(xiàn)相干解調(diào)的先決條件。

2)位同步(碼元同步)位同步又稱碼元同步。不管是基帶傳輸,還是頻帶傳輸(相干或非相干解調(diào)),都需要位同步。因?yàn)樵跀?shù)字通信系統(tǒng)中,消息是由一連串碼元傳遞的,這些碼元通常都具有相同的持續(xù)時(shí)間。由于傳輸信道的不理想,以一定速率傳輸?shù)浇邮斩说幕鶐?shù)字信號(hào),必然是混有噪聲和干擾的失真了的波形。為了從該波形中恢復(fù)出原始的基帶數(shù)字信號(hào),就要對(duì)它進(jìn)行取樣判決。因此,要在接收端產(chǎn)生一個(gè)“碼元定時(shí)脈沖序列”,這個(gè)碼元定時(shí)脈沖序列的重復(fù)頻率和相位(位置)要與接收碼元一致,以保證兩點(diǎn):①接收端的定時(shí)脈沖重復(fù)頻率和發(fā)送端的碼元速率相同;②取樣判決時(shí)刻對(duì)準(zhǔn)最佳取樣判決位置。這個(gè)碼元定時(shí)脈沖序列稱為“碼元同步脈沖”或“位同步脈沖”。我們把位同步脈沖與接收碼元的重復(fù)頻率和相位的一致稱為碼元同步或位同步,而把位同步脈沖的取得稱為位同步提取。

3)幀同步(群同步)幀同步也叫群同步。對(duì)于數(shù)字信號(hào)傳輸來說,數(shù)字信號(hào)是按照一定數(shù)據(jù)格式傳送的,一定數(shù)目的信息碼元組成一個(gè)“字”,若干個(gè)“字”組成一“句”,若干“句”構(gòu)成一幀,從而形成群的數(shù)字信號(hào)序列。在接收端要正確地恢復(fù)消息,就必須識(shí)別句或幀的起始時(shí)刻。在數(shù)字時(shí)分多路通信系統(tǒng)中,各路信碼都安排在指定的時(shí)隙內(nèi)傳送,形成一定的幀結(jié)構(gòu)。在接收端,為了正確地分離各路信號(hào),先要識(shí)別出每幀的起始時(shí)刻,從而找出各路時(shí)隙的位置。也就是說,接收端必須產(chǎn)生與字、句和幀起止時(shí)間相一致的定時(shí)信號(hào)。我們稱獲得這些定時(shí)序列為幀(字、句、群)同步。

4)網(wǎng)同步當(dāng)通信在兩點(diǎn)之間進(jìn)行,且完成了載波同步、位同步和群同步之后,接收端不僅獲得了相干載波,而且通信雙方的時(shí)標(biāo)關(guān)系也解決了。這時(shí),接收端就能以較低的錯(cuò)誤概率恢復(fù)出數(shù)字信息。然而,隨著數(shù)字通信的發(fā)展,特別是計(jì)算機(jī)通信的發(fā)展,多個(gè)用戶相互通信而組成了數(shù)字通信網(wǎng)。顯然,為了保證通信網(wǎng)內(nèi)各用戶之間可靠地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,還必須實(shí)現(xiàn)網(wǎng)同步,使得在整個(gè)通信網(wǎng)內(nèi)有一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)間節(jié)拍標(biāo)準(zhǔn)。

2.同步信號(hào)的獲取方式同步也是一種信息,按照傳輸同步信息方式的不同,可分為外同步法和自同步法。

1)外同步法外同步法由發(fā)送端發(fā)送專門的同步信息,接收端把這個(gè)專門的同步信息檢測出來作為同步信號(hào)的方法。

2)自同步法自同步法是發(fā)送端不發(fā)送專門的同步信息,接收端設(shè)法從收到的信號(hào)中提取同步信息的方法。由于外同步法需要傳輸獨(dú)立的同步信號(hào),因此要付出額外的功率和頻帶。在實(shí)際應(yīng)用中,外同步和內(nèi)同步兩種方法都會(huì)采用。在載波同步和位同步中,大多采用自同步法;在群同步中,一般都采用外同步法。

3.同步的技術(shù)指標(biāo)同步系統(tǒng)性能的降低,會(huì)直接導(dǎo)致通信質(zhì)量的降低,甚至使通信系統(tǒng)不能工作?？梢哉f,在同步通信系統(tǒng)中,“同步”是進(jìn)行信息傳輸?shù)那疤帷Ｍ郊夹g(shù)的優(yōu)劣,主要由四項(xiàng)指標(biāo)來衡量,即同步誤差、相位抖動(dòng)、同步建立時(shí)間和同步保持時(shí)間。好的同步技術(shù)必須達(dá)到同步誤差小、相位抖動(dòng)小、同步建立時(shí)間短及同步保持時(shí)間長這四項(xiàng)指標(biāo)。顯然,在數(shù)字通信同步系統(tǒng)中,要求同步信息傳輸?shù)目煽啃愿哂谛盘?hào)傳輸?shù)目煽啃浴?.2數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的載波同步原理在常用的數(shù)字已調(diào)信號(hào)中,單極性MASK信號(hào)及MFSK信號(hào)的頻譜中有載頻離散譜成分,因而可以用窄帶帶通濾波或載波跟蹤鎖相環(huán)提取相干載波,其原理與模擬傳輸系統(tǒng)的載波同步器相同。2PSK、4PSK、MQAM信號(hào)及MQPR信號(hào)中都沒有載頻離散譜，對(duì)于這些信號(hào),可采用非線性變換法提取相干載波,也可以用插入導(dǎo)頻法解決載波同頻問題。5.2.1非線性變換法(直接法)非線性變換法直接對(duì)不含有載頻離散譜的信號(hào)進(jìn)行非線性變換，從而得到與載頻有關(guān)的離散譜,進(jìn)而提取相干載波。下面以2PSK、4PSK信號(hào)為例,說明此方法的基本原理。

1.2PSK載波同步器將2PSK進(jìn)行平方運(yùn)算,得(5.1)由于m(t)為雙極性碼,故式(5.1)中含有2fc離散譜,可以用窄帶帶通濾波器或載波跟蹤鎖相環(huán)得到cos2ωct信號(hào),再進(jìn)行二分頻處理就可以得到相干載波。通常稱這種方法為平方變換法或平方環(huán)法。圖5.1(a)、(b)分別為這兩種方法的原理方框圖。在平方環(huán)法中的鎖相環(huán)一般為模擬環(huán),它鎖定時(shí)的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間存在90°的相位誤差,因而必須對(duì)二分頻器的輸出信號(hào)進(jìn)行移相處理才能得到相干載波。圖5.1

2PSK載波同步器圖5.1中的二分頻器可能有兩個(gè)起始狀態(tài),故其輸出的相干載波存在兩種可能的相位,稱此現(xiàn)象為載波相位模糊。若2PSK信號(hào)的載波頻率比較高,則平方器輸出信號(hào)頻率更高,這不利于窄帶帶通濾波器及鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)和調(diào)試。圖5.2所示的同相正交環(huán)(又稱Costas環(huán))可以解決這個(gè)問題。圖5.2同相正交環(huán)載波同步器同相正交環(huán)的工作原理如下。設(shè)載波同步器的輸入信號(hào)無失真且無噪聲,則(5.2)式中,θi(t)=(ωc－ω0)t=Δω0t,ω0為VCO的固有振蕩頻率。設(shè)在控制電壓uc(t)的作用下,VCO的相位變化為θo(t),則可將VCO的輸出信號(hào)表示為(5.3)移相90°后得(5.4)設(shè)相乘系數(shù)為Km,則正交支路和同相支路LPF的輸出信號(hào)分別為uo(t)=sin［ω0t+θo(t)］u′o(t)=－cos［ω0t+θot］(5.5)(5.6)將u1(t)和u2(t)相乘,得鑒相器輸出信號(hào)為ud(t)=Udsin［2θe(t)］(5.7)式中,Ud＝K2mm2(t)。同相正交環(huán)的數(shù)學(xué)模型如圖5.3所示。圖中F(p)為環(huán)路濾波器的傳輸算子,K0為壓控振蕩器的壓控靈敏度。圖5.3同相正交環(huán)的數(shù)學(xué)模型令F(p)=1,可得一階同相正交環(huán)的微分方程為(5.8)式中,K=K0Ud。令=dθe(t)/dt,得相軌跡方程為=Δω0－Ksin［2θe］(5.9)由式(5.9)得一階同相正交環(huán)的相圖,如圖5.4所示。圖5.4一階同相正交環(huán)的相圖由圖5.4可見,一階同相正交環(huán)有兩個(gè)鎖定狀態(tài),對(duì)應(yīng)的相位誤差為或在高增益環(huán)中可滿足Δω0<<K,此時(shí)環(huán)路鎖定后的相位誤差為0°或180°。即同相正交環(huán)提取的相干載波為uo(t)=cosωct或uo(t)=－cosωct(5.11)同相支路LPF的輸出信號(hào)為(5.12)由于噪聲等因素的影響,u2(t)并不是所需要的數(shù)字基帶信號(hào),必須從u2(t)中提取位同步信號(hào),再對(duì)u2(t)進(jìn)行抽樣判決處理,才能得到所需要的數(shù)字基帶信號(hào)。上述分析結(jié)論也適用于F(p)≠1的同相正交環(huán),但這種環(huán)路的分析過程比較復(fù)雜,這里不再詳細(xì)介紹。還可以采用如圖5.5所示的判決反饋環(huán)從2PSK信號(hào)中提取相干載波。圖中,sgn［·］為符號(hào)函數(shù)。用分析同相正交環(huán)相同的方法,且令Km/2=1,可得將u2(t)進(jìn)行符號(hào)運(yùn)算再與u1(t)相乘,得鑒相器輸出信號(hào)為(5.13)根據(jù)符號(hào)函數(shù)運(yùn)算性質(zhì)sgn(A·B)=sgnA·sgnB,得設(shè)ud(t)的振幅為Ud,則環(huán)路的鑒相特性為(5.14)環(huán)路的數(shù)學(xué)模型仍可用圖5.3表示,但圖中ud(t)與θe(t)的關(guān)系為式(5.14)?？梢宰C明,此環(huán)路的鎖定狀態(tài)與同相正交環(huán)的相同。圖5.5判決反饋環(huán)原理框圖

2.QPSK(載波同步器)四次方變換法及四次方環(huán)法載波同步器的原理方框圖分別如圖5.6(a)、(b)所示。不難證明,將4PSK信號(hào)進(jìn)行四次方運(yùn)算,可以得到4fc離散譜成分,所以用中心頻率為4fc的窄帶帶通濾波器或載波跟蹤鎖相環(huán)對(duì)四次方器的輸出信號(hào)進(jìn)行濾波處理,就可以得到cos4ωct,再對(duì)cos4ωct進(jìn)行四分頻處理即可得到相干載波。四分頻器有四個(gè)初始狀態(tài),故輸出相干載波也有四個(gè)狀態(tài)。圖5.6

4PSK載波同步器原理框圖當(dāng)載頻比較高時(shí),不宜采用四次方變換法及四次方環(huán)法,而應(yīng)采用四相同相正交環(huán)或四相判決反饋環(huán)。四相同相正交環(huán)及四相判決反饋環(huán)的原理方框圖分別如圖5.7及圖5.8所示。圖5.7四相同相正交環(huán)原理框圖圖5.8四相判決反饋環(huán)原理框圖由圖5.7可求得四相同相正交環(huán)的鑒相特性為ud(t)=Udsin［4θe(t)］(5.15)當(dāng)環(huán)路圖頻差Δω0遠(yuǎn)小于環(huán)路增益時(shí),同相正交環(huán)鎖定狀態(tài)下的相位誤差為0°、90°、180°或270°,即從4PSK或4DPSK信號(hào)中提取的相干載波有四種可能的相位。四相判決反饋環(huán)的工作原理如下。設(shè)VCO的固有振蕩頻率為ω0,可將4DPSK信號(hào)ui(t)表示為式中,I(t)、Q(t)的值為1或－1,θi(t)=Δωit,Δωi=ωi－ω0。環(huán)路閉合后,有uo(t)=sin［ω0t+θo(t)］u′o(t)=－cos［ω0t+θot］令θe(t)=θi(t)－θo(t),對(duì)ui(t)、uo(t)、uo′(t)作圖5.8所示的有關(guān)處理,可得在作上述運(yùn)算時(shí),已作了歸一化處理。雖然I(t)與Q(t)互不相關(guān),但只有Q(t)=I(t)或Q(t)=－I(t)兩種關(guān)系,將其代入上式,所得結(jié)果相同,即(5.16)將θe分成(－45°,45°)、(45°,135°)、(135°,225°)、(225°,315°)四個(gè)區(qū)域,對(duì)式(5.16)作進(jìn)一步化簡,并設(shè)ud(t)的最大值為Ud,可得(5.17)由式(5.17)可得鑒相特性曲線,如圖5.9所示。此鑒相特性的周期為90°,線性化范圍為±π/6,鑒相曲線接近于鋸齒形,線性化鑒相增益Kd=

Ud(V/rad)。圖5.9四相判決反饋環(huán)鑒相特性對(duì)于高增益環(huán),環(huán)路鎖定后的相位誤差θe有四個(gè)可能值,即0°、90°、180°或270°。圖5.8中的有關(guān)信號(hào)為(5.18)考慮到噪聲等因素的影響,應(yīng)從u3(t)或u4(t)中提取同步信號(hào),再對(duì)u3(t)或u4(t)進(jìn)行抽樣判決處理,從而得到并行碼輸出。5.2.2插入導(dǎo)頻法

在2DPSK及4DPSK系統(tǒng)中,通過發(fā)送端的絕對(duì)碼/相對(duì)碼變換器和接收端的相對(duì)碼/絕對(duì)碼變換器的共同作用,可以消除相干載波的相位模糊對(duì)信息傳輸?shù)挠绊憽５鄬?duì)碼/絕對(duì)碼變換器存在誤碼擴(kuò)散現(xiàn)象,導(dǎo)致2DPSK及4DPSK系統(tǒng)的誤碼率高于2PSK及4PSK系統(tǒng)。2DPSK系統(tǒng)的誤碼率約為2PSK系統(tǒng)的兩倍;4DPSK系統(tǒng)的誤碼率高于4PSK系統(tǒng)的兩倍。當(dāng)MPSK與MDPSK系統(tǒng)的誤碼率相同時(shí),兩者的信噪比關(guān)系為(5.19)由此式可見,當(dāng)M≥8時(shí),MDPSK約比MPSK損失3dB功率。因此,當(dāng)M比較大時(shí),用插入導(dǎo)頻法更有利于節(jié)省信號(hào)功率。當(dāng)M≥16時(shí),一般用MQAM及MQPR傳輸信息。但MQAM及MQPR信號(hào)中無載波離散譜,若通過非線性變換方法從這兩個(gè)信號(hào)中提取相干載波,則也必然出現(xiàn)MPSK系統(tǒng)中相同的問題。所以在MQAM及MQPR系統(tǒng)中一般用插入導(dǎo)頻法獲取相干載波。在數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)中,一般用時(shí)域法插入導(dǎo)頻。圖5.10為時(shí)域法插入導(dǎo)頻后數(shù)字已調(diào)信號(hào)的一種幀結(jié)構(gòu)形式。此方法將某一長度的時(shí)間段(一幀)劃分為若干個(gè)小時(shí)間段(時(shí)隙),利用其中的某個(gè)時(shí)隙(通常為一幀的開始時(shí)隙)傳輸載波信號(hào)——導(dǎo)頻,其他時(shí)隙傳輸已調(diào)信號(hào)。圖5.10時(shí)域法插入導(dǎo)頻示意圖導(dǎo)頻信號(hào)占用的時(shí)間比較短,因而它僅占用比較小的發(fā)射功率。在接收端通常用載波跟蹤鎖相環(huán)提取相干載波。顯然,此環(huán)路的同步保持時(shí)間應(yīng)大于幀周期,而同步建立時(shí)間應(yīng)小于導(dǎo)頻時(shí)隙的時(shí)間長度。由于噪聲等因素的作用,數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的載波同步器提取的相干載波與已調(diào)信號(hào)的載波之間也存在一定的相位誤差。在模擬相干通信系統(tǒng)中,這種同步誤差使解調(diào)器輸出信號(hào)功率下降,而噪聲功率不變。在數(shù)字通信系統(tǒng)中,此同步誤差導(dǎo)致抽樣判決器的輸入信噪比下降,從而使誤碼率增大。數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的載波同步器,一般由鎖相環(huán)構(gòu)成,因而其同步建立時(shí)間、同步保持時(shí)間及同步誤差主要取決于環(huán)路的自然諧振頻率。5.3數(shù)字基帶系統(tǒng)的位同步原理在數(shù)字基帶系統(tǒng)中,用抽樣判決器再生數(shù)字基帶信號(hào)時(shí)需要一個(gè)位同步信號(hào)cp(t),位同步器的輸入信號(hào)就是抽樣判決器的輸入信號(hào)(最佳接收機(jī)例外)。本節(jié)介紹的位同步原理,不但適用于數(shù)字基帶系統(tǒng),也適用于數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)。5.3.1接收濾波器輸出信號(hào)的頻譜從數(shù)字基帶系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型中可見,接收機(jī)濾波器輸出信號(hào)r(t)的功率譜密度為Pr(f)=Pd(f)|H(f)|2

(5.20)式中,Pd(f)為系統(tǒng)輸入信號(hào)d(t)的功率譜密度,H(f)為系統(tǒng)的頻率特性?，F(xiàn)在關(guān)心的是Pr(f)中是否有離散譜fs(fs在數(shù)值上等于碼速率)。如果有離散譜fs,則可以用窄帶帶通濾波器直接從r(t)中得到位同步信號(hào),否則就需要采取其他措施。無碼間串?dāng)_的基帶系統(tǒng)的頻率特性H(f)一般為余弦滾降特性,故系統(tǒng)功率傳遞函數(shù)|H(f)|2

的頻率特性如圖5.11所示。由于α≤1,所以即使輸入信號(hào)d(t)中有離散譜fs,r(t)中也不可能有此離散譜。也就是說,不可能用窄帶帶通濾波器直接從r(t)中得到位同步信號(hào)。圖5.11余弦系統(tǒng)的功率傳遞函數(shù)通常用兩種辦法提取位同步信號(hào)。一是將r(t)進(jìn)行波形變換,變換后的信號(hào)含有離散譜fs,再用窄帶帶通濾波器從變換后的信號(hào)中提取位同步信號(hào),這種方法稱為濾波法。另一種是鎖相環(huán)法,將r(t)變換為一個(gè)矩形脈沖信號(hào),再將此信號(hào)經(jīng)數(shù)字鎖相環(huán)處理后得到位同步信號(hào)。這兩種方法都是直接從接收的數(shù)字信號(hào)中提取位同步信號(hào),屬于直接法。理論上也可以在發(fā)送端插入位同步導(dǎo)頻信號(hào),在接收端用濾波器由導(dǎo)頻得到位同步信號(hào),但實(shí)際工程中很少使用。5.3.2濾波法濾波法位同步器原理方框圖如圖5.12所示。圖中,r(t)為數(shù)字基帶通信系統(tǒng)接收濾波器的輸出信號(hào),也可以是數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)相干接收機(jī)或非相干接收機(jī)的低通濾波器輸出信號(hào)。圖5.12濾波法位同步器原理方框圖若波形變換器的輸出信號(hào)ui(t)是單極性歸零碼,則這個(gè)信號(hào)中就含有頻率等于碼速率的離散譜,可用窄帶帶通濾波器將這個(gè)離散譜提取出來,得到正弦信號(hào)uo(t)的脈沖形成電路,再將uo(t)變?yōu)槊}沖序列,經(jīng)移相處理后就可以得到位同步信號(hào)cp(t)。波形變換器可以由比較器、微分器及整流器構(gòu)成?？紤]到噪聲的影響,波形變換器各單元輸出波形示意圖如圖5.13所示。圖5.13波形變換器波形示意圖若無噪聲,且無碼間串?dāng)_,則ui(t)脈沖的上升沿與碼元的起始時(shí)間對(duì)齊,是一個(gè)理想的單極性歸零碼信號(hào)。圖5.13中的ui(t)可等效為理想單極性歸零碼與噪聲產(chǎn)生的隨機(jī)序列疊加產(chǎn)生的隨機(jī)信號(hào),單極性歸零碼的連續(xù)譜以及噪聲隨機(jī)序列都會(huì)使濾波器輸出的正弦信號(hào)產(chǎn)生相位抖動(dòng),因而使位同步信號(hào)的相位產(chǎn)生抖動(dòng)。5.3.3鎖相環(huán)法常用數(shù)字鎖相環(huán)提取位同步信號(hào)。如圖5.14所示,數(shù)字鎖相環(huán)由數(shù)字鑒相器(DPD)、數(shù)字環(huán)路濾波器(DLF)及數(shù)控振蕩器(DCO)構(gòu)成。DCO實(shí)際上是一個(gè)分頻器,它的分頻比受其輸入信號(hào)的控制。當(dāng)DCO的分頻比增大時(shí),uo(t)的相位向后移;反之,uo(t)的相位向前移。與模擬鎖相環(huán)一樣,DLF用來濾除噪聲,DPD用來比較ui(t)及uo(t)的相位。DLF可以用硬件實(shí)現(xiàn),也可以用軟件實(shí)現(xiàn),整個(gè)數(shù)字鎖相環(huán)可以用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)。圖5.14數(shù)字鎖相環(huán)方框圖在數(shù)字環(huán)中,不要求輸入信號(hào)ui(t)包含有頻率等于碼速率的離散譜,ui(t)為單極性矩形脈沖信號(hào)即可。下面介紹兩種用于提取位同步信號(hào)的數(shù)字鎖相環(huán):超前-滯后型和觸發(fā)器型。

1.超前-滯后型數(shù)字鎖相環(huán)位同步器超前-滯后型數(shù)字鎖相環(huán)位同步器的工作原理可用圖5.15來說明。圖中,N0次分頻器、或門、扣除門和附加門一起構(gòu)成數(shù)控振蕩器(DCO)。圖5.15超前-滯后型數(shù)字鎖相環(huán)方框圖超前-滯后型鑒相器的波形如圖5.16所示。設(shè)環(huán)路鎖定時(shí)信號(hào)uo(t)的上升沿對(duì)準(zhǔn)碼元中間,若uo(t)的上升沿位于碼元前半個(gè)周期,則稱uo(t)超前于ui(t),否則稱uo(t)滯后于ui(t)。當(dāng)uo(t)超前于ui(t),且ui(t)為高電平時(shí),鑒相器輸出一個(gè)超前脈沖;當(dāng)uo(t)滯后于ui(t),且ui(t)為高電平時(shí),鑒相器輸出一個(gè)滯后脈沖。通常稱這種鑒相器為超前-滯后型鑒相器,它構(gòu)成的數(shù)字鎖相環(huán)即為超前-滯后型數(shù)字鎖相環(huán)。圖5.16超前-滯后型鑒相器波形一個(gè)超前脈沖使常開門關(guān)閉一次,扣除一個(gè)送往N0次分頻器的a路時(shí)鐘脈沖,從而使信號(hào)uo(t)的相位后移2π/N0。一個(gè)滯后脈沖使常閉門打開一次,并輸出一個(gè)a路時(shí)鐘脈沖,此脈沖位于常開門輸出的兩個(gè)脈沖之間,或門將常閉門輸出的這個(gè)脈沖與常開門輸出的脈沖一起送給分頻器,使uo(t)的相位前移2π/N0。經(jīng)過反復(fù)調(diào)整,就可使uo(t)的上升沿對(duì)準(zhǔn)碼元中間。可見,此種環(huán)路的DCO的分頻比只有N0－1、N0及N0+1三種可能,相位的一次調(diào)整量僅為2π/N0,故同步建立時(shí)間比較長。在超前-滯后型數(shù)字環(huán)中常使用兩種環(huán)路濾波器(圖5.15中不包括DLF),即N先于M濾波器和隨機(jī)徘徊序列濾波器,它們的原理方框圖分別如圖5.17(a)、(b)所示。圖5.17兩種常用的數(shù)字環(huán)路濾波器在N先于M濾波器中,超前、滯后脈沖分別輸入到上、下兩個(gè)N寄存器。而超前、滯后脈沖之和則輸入到M寄存器,而且N＜M＜2N。設(shè)開始計(jì)數(shù)前三個(gè)寄存器都已復(fù)位,隨著二元隨機(jī)序列不斷輸入,三個(gè)寄存器分別計(jì)數(shù)儲(chǔ)存,直到下列兩個(gè)條件之一得到滿足時(shí)為止:①若某一路N寄存器在M寄存器存滿之前存滿了數(shù),則在此N寄存器的輸出端產(chǎn)生一個(gè)提前或推后脈沖,并使三個(gè)寄存器同時(shí)復(fù)位;②若M寄存器先于任何一個(gè)N寄存器存滿,則使所有寄存器復(fù)位,不產(chǎn)生提前或推后脈沖。后一種情況在環(huán)路已處于鎖定狀態(tài)時(shí)出現(xiàn)。在噪聲的作用下,鑒相器輸出的超前脈沖和滯后脈沖是隨機(jī)的,且出現(xiàn)的概率基本相等,所以在噪聲作用下濾波器輸出提前脈沖或推后脈沖的概率很小，使環(huán)路保持鎖定狀態(tài)。環(huán)路鎖定前,鑒相器連續(xù)出現(xiàn)超前脈沖或滯后脈沖,N寄存器先計(jì)滿,輸出一個(gè)提前脈沖或滯后脈沖,同時(shí)使寄存器復(fù)位,再重新開始計(jì)數(shù)。在提前或推后脈沖的作用下,環(huán)路逐步進(jìn)入鎖定狀態(tài)。隨機(jī)徘徊序列濾波器的主體是一個(gè)可逆計(jì)數(shù)器。當(dāng)有超前脈沖輸入到UP端時(shí),計(jì)數(shù)器上行計(jì)數(shù)；當(dāng)有滯后脈沖輸入到DN端時(shí),計(jì)數(shù)器下行計(jì)數(shù)。如果超前脈沖超過滯后的數(shù)目到達(dá)計(jì)數(shù)容量N時(shí),就在+N端輸出一個(gè)提前脈沖,同時(shí)使計(jì)數(shù)器復(fù)位;反之,則在－N端輸出一個(gè)推后脈沖,同時(shí)計(jì)數(shù)器復(fù)位。當(dāng)環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)后,由噪聲引起的超前或滯后脈沖是隨機(jī)的,而且出現(xiàn)的概率基本相等,不會(huì)有連續(xù)很多個(gè)超前或滯后脈沖,因而它們的差值達(dá)到計(jì)數(shù)容量N的可能性極小。這樣就可以減小噪聲對(duì)環(huán)路的干擾作用。環(huán)路鎖定前,鑒相器連續(xù)輸出超前或滯后脈沖,上行計(jì)數(shù)器或下行計(jì)數(shù)器到達(dá)滿狀態(tài)后輸出提前脈沖或推后脈沖,在這兩個(gè)脈沖作用下環(huán)路逐步進(jìn)入鎖定狀態(tài)。

2.觸發(fā)器型數(shù)字鎖相環(huán)位同步器當(dāng)要求同步建立時(shí)間很短時(shí),可以使用圖5.18所示的觸發(fā)型數(shù)字鎖相環(huán)。圖中ui(t)與超前-滯后型鎖相環(huán)一樣,為矩形脈沖信號(hào)。圖5.18觸發(fā)器型鎖相環(huán)方框圖鑒相器(PD)可由D觸發(fā)器構(gòu)成,其原理圖及波形如圖5.19所示。由圖可見,ui(t)的上升沿使uo(t)由低電平變?yōu)楦唠娖?uo(t)的上升沿使ud(t)由高電平變?yōu)榈碗娖?所以u(píng)d(t)的脈沖寬度反映了ui(t)與uo(t)的相位誤差。通常稱這種鑒相器為觸發(fā)器型鑒相器,由這種鑒相器構(gòu)成的數(shù)字鎖相環(huán)即為觸發(fā)器型數(shù)字鎖相環(huán)。圖5.19觸發(fā)器型鑒相器觸發(fā)器型鑒相器與量化器一起構(gòu)成數(shù)字鑒相器。PD的輸出脈沖寬度可在0~Ts間連續(xù)變化,Ts為碼元寬度。量化器對(duì)ud的脈沖寬度進(jìn)行量化,輸出Nd可為1~N0間的任意整數(shù)。數(shù)字環(huán)路濾波器對(duì)Nd進(jìn)行處理,以減小信道噪聲的影響。分頻器的分頻比等于Nc,Nc可為1~N0之間的任意整數(shù)。設(shè)環(huán)路鎖定時(shí),uo(t)的上升沿對(duì)準(zhǔn)碼元中間,則可用圖5.20來說明無DLF時(shí)環(huán)路的鎖定過程。當(dāng)DPD輸出數(shù)據(jù)Nd≠0.5N0時(shí),說明環(huán)路失鎖,則將DCO的下一個(gè)分頻比改變?yōu)镹c=1.5N0－Nd,就可以將uo(t)的上升沿調(diào)整到碼元中間,使環(huán)路鎖定。此后,Nd=0.5N0,Nc=N0,環(huán)路保持鎖定狀態(tài)不變。圖5.20環(huán)路鎖定過程觸發(fā)器型數(shù)字鎖相環(huán)路的DLF一般用軟件實(shí)現(xiàn),最簡單的算法是將Nd作算術(shù)平均處理。設(shè)DPD工作m次后DLF輸出一個(gè)控制信號(hào),則(5.21)顯然,m越大,環(huán)路同步建立時(shí)間越長,噪聲對(duì)同步抖動(dòng)的影響越小,收發(fā)時(shí)鐘頻差對(duì)同步抖動(dòng)的影響越大。所以,選擇合適的濾波器算法是減小同步抖動(dòng)和縮短同步建立時(shí)間的關(guān)鍵。總之,觸發(fā)器型數(shù)字鎖相環(huán)僅需對(duì)DCO的相位進(jìn)行一次調(diào)整,就可以使環(huán)路鎖定,它的同步建立時(shí)間可以遠(yuǎn)小于超前-滯后型數(shù)字鎖相環(huán)。5.3.4位同步器的性能指標(biāo)位同步器的性能指標(biāo)與載波同步器類似,包括同步建立時(shí)間、同步保持時(shí)間及同步誤差等。下面重點(diǎn)討論數(shù)字鎖相環(huán)位同步器的性能指標(biāo)。

1.同步建立時(shí)間ts

環(huán)路的最大起始相差為π或－π。對(duì)于超前-滯后型鎖相環(huán),DCO相位調(diào)整量為每次2π/N0,則最多調(diào)整N0/2次就可以使環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)。設(shè)鑒相器平均在兩個(gè)碼元內(nèi)工作一次,且工作m次后才對(duì)DCO進(jìn)行一次相位調(diào)整,則(5.22)對(duì)于觸發(fā)器型鎖相環(huán),對(duì)DCO進(jìn)行一次相位調(diào)整就可使環(huán)路鎖定,則ts=2mTs

(5.23)上兩式中,Ts為碼元周期。

2.同步保持時(shí)間tc

鎖相環(huán)鎖定后,若輸入序列出現(xiàn)連“1”碼或連“0”碼,則鑒相器停止工作,環(huán)路不受控制,收發(fā)時(shí)鐘的頻差使得DCO輸出位同步信號(hào)的相位逐步偏離期望值,同步誤差逐步增大。環(huán)路不受控制后,同步誤差能保持在允許范圍內(nèi)的最長時(shí)間為同步保持時(shí)間。設(shè)發(fā)射機(jī)、接收機(jī)的時(shí)鐘穩(wěn)定度為η,則DCO輸出信號(hào)頻率與環(huán)路輸入信號(hào)碼速率之間的最大誤差為2ηf,此頻差在tc內(nèi)產(chǎn)生的相位差為4πηfs。若允許由時(shí)鐘頻差產(chǎn)生位同步信號(hào)的最大相位誤差為2πε,則4πηfstc=2πε由此得(5.24)tc應(yīng)大于兩次相位調(diào)整的時(shí)間間隔,tc越大,允許連“1”碼或連“0”碼的個(gè)數(shù)越多。

3.同步誤差當(dāng)收發(fā)時(shí)鐘頻率相同時(shí),仍存在同步誤差,這種同步器由量化誤差和噪聲產(chǎn)生,分別稱為量化誤差和隨機(jī)誤差。量化誤差的最大值為(5.25)隨機(jī)誤差由噪聲產(chǎn)生,其大小與數(shù)字環(huán)路濾波器有關(guān)。當(dāng)位同步信號(hào)偏離了最佳抽樣判決時(shí)刻時(shí),抽樣得到的信號(hào)功率減小,而噪聲是平穩(wěn)隨機(jī)過程,其功率與抽樣時(shí)刻無關(guān),所以位同步誤差使抽樣時(shí)刻的信噪比下降,從而使誤碼率增大。位同步誤差對(duì)誤碼率的影響與接收機(jī)的形式有關(guān)。這里以相關(guān)接收機(jī)為例,說明位同步誤差對(duì)誤碼率的影響。圖5.21表示在雙極性二進(jìn)制相關(guān)接收機(jī)中位同步誤差對(duì)抽樣值的影響。圖中(a)為相關(guān)器的輸入信號(hào),(b)為位同步信號(hào),(c)為相關(guān)器的輸出信號(hào),Te為位同步誤差。由此圖不難看出,當(dāng)前后碼元相同時(shí),在后一個(gè)碼元內(nèi)的積分值仍可以達(dá)到最大值Eb;當(dāng)前后碼元不同時(shí),則在后一個(gè)碼元內(nèi)的積分值為(1－2Te/Ts)Eb。這兩種情況發(fā)生的概率一般是相同的,故考慮到位同步誤差時(shí)二進(jìn)制雙極性基帶系統(tǒng)的誤碼率為(5.26)圖5.21位同步誤差對(duì)信號(hào)抽樣值的影響

4.同步帶寬Δfs

由于收發(fā)時(shí)鐘存在頻差,所以環(huán)路輸入信號(hào)的碼速率與環(huán)路開環(huán)時(shí)輸出的位同步信號(hào)頻率之間有一定差值,此差值必須小于某一最大值環(huán)路才能鎖定。這個(gè)最大值就是環(huán)路的同步帶寬。在超前-滯后型數(shù)字環(huán)中,一次調(diào)整相位量為2π/N0。設(shè)鑒相器平均在兩個(gè)碼元內(nèi)工作一次,鑒相器工作m次對(duì)DCO調(diào)整一次相位,則環(huán)路在每個(gè)碼元內(nèi)平均調(diào)整的相位量為2π/(2mN0),在一個(gè)碼元內(nèi)由頻差Δfs引起的相位差為2πΔfs/fs,令得(5.27)式中,fs在數(shù)值上等于碼速率。觸發(fā)器型數(shù)字環(huán)只需調(diào)整一次相位就可以進(jìn)入鎖定狀態(tài),其同步帶寬為(5.28)同步帶寬應(yīng)大于2ηfs,環(huán)路才能鎖定。通過上述分析可以得到以下結(jié)論:收/發(fā)時(shí)鐘頻率穩(wěn)定度越高,則同步保持時(shí)間越長,同步誤差越小;接收時(shí)鐘頻率越高(N0越大),則同步誤差越小。

【例5.1】在數(shù)字鎖相環(huán)位同步器中,時(shí)鐘頻率穩(wěn)定度為10－5,碼速率為106Baud,設(shè)允許由于時(shí)鐘頻差產(chǎn)生的位同步誤差為2×10－2π。

(1)求同步保持時(shí)間;

(2)求位同步器輸入碼流中最多允許的連“0”碼或連“1”碼的個(gè)數(shù)。解(1)根據(jù)題意可知,

η=10－5,ε=10－2,fs=106所以同步保持時(shí)間為

(2)碼元寬度為允許輸入碼流中連“0”碼或連“1”碼的最大個(gè)數(shù)為5.4幀同步原理在TDM或TDMA通信系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)中,都包含有幀同步碼(又稱群同步碼)。幀同步碼的作用是為接收機(jī)提供幀同步信號(hào),并與位同步信號(hào)互相配合,對(duì)TDM或TDMA信號(hào)進(jìn)行分接處理。本節(jié)介紹幀同步碼的選擇原則、插入方法、幀同步信號(hào)的提取方法以及有關(guān)指標(biāo)。5.4.1幀同步碼插入方法

1.分散插入法(間隔插入法)分散插入法將幀同步碼分散插入到信息碼流中。目前。在μ律PCM基群以及一些簡單的ΔM系統(tǒng)中,一般都采用0、1交替碼型作為幀同步碼,并分散地插入到信息碼流中,即在當(dāng)前一幀插入“1”碼,下一幀插入“0”碼。由于每幀只插入一位幀同步碼,所以它與信息碼相同的概率為0.5,因此必須連續(xù)檢測很多幀,當(dāng)每幀都符合“1”、“0”交替的規(guī)律才確認(rèn)同步。

2.集中插入法(連貫插入法)除μ律PCM基群及簡單的ΔM系統(tǒng)外,其他TDM及TDMA系統(tǒng)幾乎都采用集中插入法。這種方法將幀同步碼組集中插入到一幀開始的某一段時(shí)間內(nèi)。在A律PCM基群中,每兩幀集中插入一組幀同步碼0011011;在其他TDM及TDMA系統(tǒng)中,一般在每幀(或每一子幀)中都插入幀同步碼組。對(duì)幀同步碼組的基本要求是:具有尖銳單峰特性的局部自相關(guān)函數(shù),便于與信息碼區(qū)別,碼長適當(dāng)。符合上述某一要求的碼組有全“0”碼、全“1”碼、“1”與“0”交替碼、巴克碼等。這里以巴克碼為例,說明局部自相關(guān)函數(shù)的概念。幀同步碼組{x1,x2,…,xn}是一個(gè)非周期序列,在求它的自相關(guān)函數(shù)時(shí),當(dāng)時(shí)延為0時(shí),序列中全部元素都參加運(yùn)算,但當(dāng)時(shí)延不為0時(shí),序列中只有部分元素參加相關(guān)運(yùn)算,其自相關(guān)性函數(shù)表示式為(5.29)通常把這種非周期序列的自相關(guān)函數(shù)稱為局部自相關(guān)函數(shù)。巴克碼是一種非周期序列,設(shè)一個(gè)n位的巴克碼組的每一位的取值都為＋1或－1,則它的局部自相關(guān)函數(shù)為(5.30)目前已找到的所有巴克碼組如表5.1所示。5.4.2集中插入式幀同步器的工作原理

1.同步碼識(shí)別器的工作原理及性能指標(biāo)如圖5.22所示,同步碼識(shí)別器由移位寄存器、相加器及判決器構(gòu)成。當(dāng)輸入數(shù)據(jù)為“1”碼時(shí),D觸發(fā)器的Q端輸出電平為1;當(dāng)輸入數(shù)據(jù)為“0”碼時(shí),端輸出電平為1。因此,當(dāng)幀同步碼0011011進(jìn)入7位移位寄存器時(shí),它輸出7個(gè)1電平,相加器輸出電平為7。若判決器門限不大于7,則識(shí)別器輸出一個(gè)正脈沖。圖5.22幀同步碼識(shí)別器識(shí)別器輸入信號(hào)及輸出信號(hào)波形如圖5.23所示。圖中設(shè)幀同步信號(hào)脈沖寬度為Tb,脈沖上升沿與一幀內(nèi)第一個(gè)信息碼的起始時(shí)間對(duì)齊。通常稱識(shí)別器輸出信號(hào)為幀同步信號(hào),它的周期為一個(gè)同步幀周期。顯然,當(dāng)信息碼流中出現(xiàn)0011011碼組時(shí),識(shí)別器也輸出一個(gè)幀同步脈沖,稱信息碼對(duì)應(yīng)的脈沖為假識(shí)別信號(hào)。當(dāng)信道中存在誤碼時(shí),某些幀同步碼不能被識(shí)別器識(shí)別,稱為漏識(shí)別。由于存在漏識(shí)別和假識(shí)別,使得幀同步的平均識(shí)別時(shí)間大于一個(gè)同步幀周期。下面分析漏識(shí)別概率、假識(shí)別概率以及幀同步碼平均識(shí)別時(shí)間這三個(gè)指標(biāo)。圖5.23識(shí)別器輸入波形和輸出波形

1)漏識(shí)別概率P1

設(shè)Pb為誤比特率,n為幀同步碼組的碼元數(shù),m為判決器允許碼組中錯(cuò)誤碼元的最大個(gè)數(shù)(即判決門限為n－m),則接收到的幀同步碼組的n個(gè)碼元中只要錯(cuò)誤碼元個(gè)數(shù)不超過m,就能被識(shí)別器識(shí)別。因此,不發(fā)生漏識(shí)別的概率為故漏識(shí)別概率為(5.31)當(dāng)判決門限為n時(shí),n位幀同步碼中只要有錯(cuò)誤就會(huì)出現(xiàn)漏識(shí)別,而發(fā)生一位錯(cuò)誤的概率最大,故漏識(shí)別概率為

P1=nPb(5.32)

2)假識(shí)別概率P2

n位信息碼被識(shí)別器判為幀同步碼的概率為假識(shí)別概率。設(shè)二進(jìn)制消息碼元中出現(xiàn)“1”和“0”的概率相等,則由該二進(jìn)制碼元組成n位碼組的所有可能組數(shù)為2n個(gè)。這2n個(gè)碼組中能被判為幀同步碼組的組數(shù)量顯然也與m有關(guān)。若m=0,只有一個(gè)碼組能被識(shí)別;若m＝1,共有C1n個(gè)碼組能被識(shí)別。依此類推,可以求出n位消息碼元中可被判為同步碼組的組合數(shù)為,因而假同步概率為(5.33)當(dāng)判決門限為n時(shí),假識(shí)別概率為P2=2－n(5.34)由式(5.31)~式(5.34)可見,增大幀同步碼碼組的長度,可以減小假識(shí)別概率,但漏識(shí)別概率增大;降低判決門限,可以減小漏識(shí)別概率,但假識(shí)別概率增大。這一結(jié)論也可以由識(shí)別器的工作原理直接得到。

3)幀同步碼平均識(shí)別時(shí)間ts

若無漏識(shí)別和假識(shí)別,則最多在一個(gè)同步幀內(nèi)就可以識(shí)別到幀同步碼,漏識(shí)別和假識(shí)別使識(shí)別時(shí)間加長。求出一個(gè)同步幀內(nèi)發(fā)生漏識(shí)別的概率及假識(shí)別的概率,就可以得到幀同步碼的平均識(shí)別時(shí)間。一個(gè)同步幀內(nèi)發(fā)生漏識(shí)別的概率如式(5.31)和式(5.32)所示,但一個(gè)同步幀內(nèi)發(fā)生假識(shí)別的概率比式(5.33)和式(5.34)大,因?yàn)橐粋€(gè)同步幀內(nèi)不是只有一個(gè)n位信息碼組。設(shè)一個(gè)同步幀內(nèi)有N個(gè)碼元,其中有n個(gè)幀同步碼元,則當(dāng)N>>n時(shí),N－n個(gè)信息碼元可以構(gòu)成的n位信息碼組數(shù)為N。一個(gè)n位信息碼組對(duì)應(yīng)的假識(shí)別概率為P2,則N個(gè)n位信息碼組對(duì)應(yīng)的假識(shí)別概率為NP2。由此可得幀同步碼的平均識(shí)別時(shí)間為ts=NTb(1+P1+NP2)

(5.35)分析表明,分散插入式幀同步碼的平均識(shí)別時(shí)間為ts=N2Tb

(5.36)

2.同步保護(hù)原理若將幀同步碼識(shí)別器的輸出信號(hào)直接作為幀同步信號(hào)使用,則漏識(shí)別概率和假識(shí)別概率就是漏同步概率和假同步概率,它們很難同時(shí)滿足通信系統(tǒng)的要求。為此,必須采取同步保護(hù)措施。將幀同步器的工作狀態(tài)劃分為兩種,即捕捉態(tài)和維持態(tài)。幀同步器處于捕捉態(tài)時(shí),無幀同步信號(hào)輸出,處于維持態(tài)時(shí)輸出幀同步信號(hào)?？梢圆扇∫韵麓胧p小漏同步概率和假同步概率。

(1)變門限。當(dāng)同步器處于捕捉態(tài)時(shí),提高判決器的判決,以減小假同步概率;當(dāng)同步器處于維持態(tài)時(shí),降低判決門限,以減小漏同步概率。

(2)前方保護(hù)與后方保護(hù)。在捕捉態(tài)下,識(shí)別器連續(xù)α個(gè)同步幀檢測到幀同步碼時(shí),同步器轉(zhuǎn)變?yōu)榫S持態(tài),此為后方保護(hù);在維持態(tài)下,識(shí)別器連續(xù)β個(gè)同步幀檢測不到幀同步碼時(shí),同步器轉(zhuǎn)變?yōu)椴蹲綉B(tài),此為前方保護(hù)。

3.幀同步系統(tǒng)圖5.24所示為一種集中插入式幀同步器的原理框圖。

1)時(shí)標(biāo)脈沖的產(chǎn)生本方案的幀同步系統(tǒng)共有三種時(shí)標(biāo)脈沖,即讀出時(shí)標(biāo)脈沖Pr、比較時(shí)標(biāo)脈沖Pc以及監(jiān)視碼時(shí)標(biāo)脈沖Pm。

(1)讀出時(shí)標(biāo)脈沖Pr。在幀同步系統(tǒng)中,首先要解決幀同步碼的檢出,其檢出是在規(guī)定的時(shí)間進(jìn)行的。圖5.24集中插入式幀同步器原理框圖當(dāng)系統(tǒng)為幀同步狀態(tài)時(shí),Pr=TS0·D8,即每幀檢查一次,檢出時(shí)間是TS0時(shí)隙的D8位。當(dāng)系統(tǒng)為幀失步狀態(tài)時(shí),Pr=1,即:①系統(tǒng)判為幀失步,進(jìn)入捕捉(逐比特檢出識(shí)別)狀態(tài);②在捕捉狀態(tài)中,識(shí)別出一個(gè)幀同步碼后,即對(duì)奇幀監(jiān)視碼進(jìn)行檢出,如果此時(shí)未檢出監(jiān)視碼,則重新進(jìn)入逐位檢查識(shí)別狀態(tài)。

(2)比較時(shí)標(biāo)Pc。幀同步時(shí),Pc=偶幀TS0·D8·cp;幀失步時(shí),Pc=cp,因?yàn)榇藭r(shí)系統(tǒng)處于逐位檢查識(shí)別幀同步碼組的期間,所以Pc=cp,以便達(dá)到逐位識(shí)別的目的。

(3)監(jiān)視碼時(shí)標(biāo)Pm。監(jiān)視碼的出現(xiàn)時(shí)間與比較時(shí)標(biāo)Pc不同,Pm出現(xiàn)在收端定時(shí)系統(tǒng)的奇幀TS0·D8位時(shí)隙,脈寬為0.5比特。

2)幀同步碼組的檢出

PCM30/32路制式中,幀同步碼組{0011011}共7位碼出現(xiàn)在PCM信碼中的偶幀TS0時(shí)隙。幀同步碼組的檢出電路如圖5.25所示。檢出電路由8級(jí)移存器與檢出門組成。圖5.25幀同步碼組的檢出電路由檢出門的邏輯關(guān)系可得由上式可知,只有幀同步碼組{0011011}由再生時(shí)鐘cp逐位移入移存器,同時(shí)只能在讀出脈沖Pr正脈沖出現(xiàn)時(shí)刻才有負(fù)脈沖的同步時(shí)標(biāo)Ps檢出。在其他任何碼組進(jìn)入移存器時(shí),檢出門的輸出均為正電平的Ps。當(dāng)幀同步系統(tǒng)為幀同步狀態(tài)時(shí),幀同步時(shí)標(biāo)Ps標(biāo)志著接收PCM信碼流中的偶幀TS0·D8

位時(shí)標(biāo)的出現(xiàn)時(shí)刻。讀出脈沖Pr=TS0·D8在收端定時(shí)系統(tǒng)的TS0時(shí)隙的D8位時(shí)隙出現(xiàn),因此每隔250μs(一個(gè)同步幀)將在TS0·D8時(shí)隙出現(xiàn)負(fù)脈沖的Ps,從而表明了收端定時(shí)系統(tǒng)與接收的PCM碼流是保持幀同步的關(guān)系。

3)前、后方保護(hù)與捕捉要確認(rèn)系統(tǒng)是否同步,可采用比較時(shí)標(biāo)Pc與幀同步時(shí)標(biāo)Ps在時(shí)間上進(jìn)行比較的方法。如果Pc正脈沖的出現(xiàn)時(shí)間與Ps負(fù)脈沖的出現(xiàn)時(shí)間正好一致,則表示幀同步;否則就是幀失步。時(shí)間比較任務(wù)是由D型觸發(fā)器A來完成的。比較時(shí)標(biāo)Pc作為A觸發(fā)器的時(shí)鐘cp,在Pc正脈沖的出現(xiàn)時(shí)間,如果對(duì)準(zhǔn)Ps的負(fù)脈沖,則觸發(fā)器A=0,表示同步;如果未對(duì)準(zhǔn)Ps的負(fù)脈沖,則觸發(fā)器A=1,表示失步。因此,根據(jù)A=0或A=1就可判斷出是同步還是失步。

D觸發(fā)器A除了完成時(shí)間比較任務(wù)外,還完成保護(hù)時(shí)間計(jì)數(shù)的記憶作用。為了完成前方保護(hù)時(shí)間500μs的任務(wù),需要對(duì)連續(xù)失步三次的情況進(jìn)行記憶,因此設(shè)置了三個(gè)D型觸發(fā)器A、B、C。當(dāng)連續(xù)三次失步時(shí),則A=B=C=1,與非門。這時(shí)預(yù)置指令S=0,發(fā)出置位等待指令,使收端定時(shí)系統(tǒng)暫時(shí)停止工作,而置位于一個(gè)特定的等待狀態(tài),例如停留在偶幀TS0時(shí)隙的D8碼位的等待狀態(tài),這時(shí)系統(tǒng)就進(jìn)入捕捉狀態(tài)。

S=0,進(jìn)入捕捉狀態(tài)后,雖然收端定時(shí)系統(tǒng)停留在一個(gè)特定的等待狀態(tài)而停止工作,但收端再生時(shí)鐘cp仍然繼續(xù)工作。這時(shí),比較時(shí)標(biāo)Pc改用時(shí)鐘cp,由cp進(jìn)行逐位比較,見圖5.26。幀同步系統(tǒng)的時(shí)間如圖中t2所示。當(dāng)然,這時(shí)的幀同步碼的檢出也改為逐位檢出。圖5.26幀同步系統(tǒng)的時(shí)間圖在逐位比較識(shí)別的過程中,一旦識(shí)別出幀同步碼(這時(shí)A=0,

),就立即解除收端定時(shí)系統(tǒng)的預(yù)置等待狀態(tài),啟動(dòng)收端定時(shí)系統(tǒng),恢復(fù)正常工作,使收端定時(shí)系統(tǒng)的比較時(shí)標(biāo)(收端偶幀TS0·D8時(shí)隙)與接收到的PCM信碼流中的偶幀TS0·D8時(shí)隙對(duì)準(zhǔn),從而達(dá)到幀同步的目的?？紤]到偽同步碼的存在,采用后方保護(hù),它是由奇幀監(jiān)視碼檢出與偶幀同步碼檢出來完成的。監(jiān)視碼是利用對(duì)端告警碼的第2位1碼與幀同步碼的第2位0碼不同而檢測出來的。一旦進(jìn)入捕捉狀態(tài),在逐位檢出過程中識(shí)別出一個(gè)幀同步碼后,就進(jìn)行奇幀監(jiān)視碼的檢出。如果沒有監(jiān)視碼出現(xiàn),則說明前一個(gè)幀同步碼是假的,監(jiān)視脈沖M=0,由此負(fù)脈沖(窄脈沖)使觸發(fā)器A、B、C均置位于“1”狀態(tài),從而使S=0,又重新逐位捕捉。只有當(dāng)逐位捕捉過程中,第N幀識(shí)別出一個(gè)幀同步碼,在第N+1幀(奇幀)檢出監(jiān)視碼,此時(shí)M=1,對(duì)A、B、C觸發(fā)器的狀態(tài)不產(chǎn)生影響,在第N+2幀(偶幀)又識(shí)別出一個(gè)幀同步碼時(shí),才結(jié)束捕捉狀態(tài)而進(jìn)入同步狀態(tài),使解碼器開始工作。如果在第N+3幀又發(fā)現(xiàn)失步,那么還要經(jīng)過前方保護(hù)時(shí)間才能進(jìn)入捕捉狀態(tài)。這樣,在捕捉狀態(tài)中,第N幀識(shí)別出幀同步碼,第N+1幀識(shí)別出監(jiān)視碼,在第N+2幀又識(shí)別出幀同步碼,才能進(jìn)入幀同步狀態(tài),開始解碼工作。圖5.26中,在t2時(shí)刻,當(dāng)G1=1,G2=0時(shí),發(fā)出失步指令,進(jìn)行告警,并將解碼電路封鎖,使其停止工作。

S=0,發(fā)出預(yù)置指令,將定時(shí)系統(tǒng)預(yù)置在特定的等待狀態(tài)而停止工作。這時(shí)系統(tǒng)處于逐位檢出識(shí)別的捕捉狀態(tài),逐位檢出與識(shí)別由再生時(shí)鐘cp來完成。

4)收端定時(shí)系統(tǒng)的預(yù)置位與啟動(dòng)收端定時(shí)系統(tǒng)的預(yù)置位與啟動(dòng)如圖5.27所示。該電路是收端位脈沖發(fā)生器,其預(yù)置位處于什么狀態(tài),與幀同步碼的檢出時(shí)刻有關(guān)。如果用TS0的D8碼位檢出該同步碼,則位脈沖發(fā)生器應(yīng)被強(qiáng)置位于D8位所對(duì)應(yīng)的狀態(tài)。如圖所示,當(dāng)S=0時(shí),位脈沖發(fā)生器被強(qiáng)置位于Q1=Q2=Q3=Q4的狀態(tài)。強(qiáng)置位后,收端定時(shí)系統(tǒng)就立即停止工作,處于等待狀態(tài)。一旦S=1,收端定時(shí)系統(tǒng)就立即啟動(dòng),進(jìn)入收端定時(shí)系統(tǒng)的D1位時(shí)隙。這樣就可使收端定時(shí)系統(tǒng)與接收到的PCM信碼流的時(shí)序狀態(tài)對(duì)準(zhǔn)。圖5.27收端定時(shí)系統(tǒng)的預(yù)置位與啟動(dòng)5.4.3集中插入式幀同步器的性能指標(biāo)設(shè)一個(gè)同步幀中含有N個(gè)碼元,其中有n個(gè)幀同步碼元,同步幀周期為Tf,識(shí)別器判決門限與幀同步碼組的碼元數(shù)相同,后方保護(hù)參數(shù)為α,前方保護(hù)參數(shù)為β。在這些條件下,分析集中插入式幀同步器的漏同步概率P1、假同步概率Pj和平均同步建立時(shí)間Tp。

1.漏同步概率P1

在維持態(tài)下,識(shí)別器連續(xù)β幀檢測不到幀同步碼的概率為漏同步概率。識(shí)別器一次檢測不到幀同步碼的概率為P1=nPb,故漏同步概率為P1=(P1)β=(nPb)β

(5.37)

2.假同步概率Pj

在捕捉態(tài)下,若在α個(gè)同步幀內(nèi),在各幀的相同位置有n位信息碼元與幀同步碼相同,則同步器輸出一個(gè)假同步脈沖,這種事件發(fā)生的概率為(P2)α=2－nα。當(dāng)N>>n時(shí),在一個(gè)同步幀中可以構(gòu)成的n位消息碼元組數(shù)約為N,故假同步概率為(5.37)

3.平均同步建立時(shí)間Tp(或稱平均同步捕捉時(shí)間)若無漏同步和假同步,則同步建立時(shí)間為α個(gè)同步幀周期αTf。在α個(gè)同步幀內(nèi),幀同步識(shí)別器發(fā)生一次假識(shí)別的概率約為αN/2n。若在第一幀內(nèi)發(fā)生假識(shí)別,則同步建立時(shí)間增加一個(gè)同步幀;若在第α幀內(nèi)發(fā)生假識(shí)別,則同步建立時(shí)間增加α個(gè)同步幀。所以在這α個(gè)同步幀中若有一次假識(shí)別,則同步建立時(shí)間平均增加(1+α)/2個(gè)同步幀,即同步建立時(shí)間平均增加量為在α個(gè)同步幀內(nèi),幀同步識(shí)別器發(fā)生一次漏識(shí)別的概率為αnPb。若發(fā)生一次漏識(shí)別,則同步建立時(shí)間平均增加(1+α)/2個(gè)同步幀,故漏識(shí)別使同步建立時(shí)間的平均增加量為由此可得幀同步平均建立時(shí)間為(5.39)5.5網(wǎng)同步方式移動(dòng)通信、光纖通信、衛(wèi)星通信以及微波通信等現(xiàn)代通信系統(tǒng)都是復(fù)雜的通信網(wǎng),它們互相組合在一起構(gòu)成一個(gè)更加龐大的通信網(wǎng),以實(shí)現(xiàn)全球個(gè)人通信。在一個(gè)通信網(wǎng)中,必須實(shí)現(xiàn)網(wǎng)同步才能使各種信息進(jìn)行正確的交換和傳輸。實(shí)現(xiàn)網(wǎng)同步的方法主要有兩大類:一類是全網(wǎng)同步方式;另一類是獨(dú)立時(shí)鐘同步方式。全網(wǎng)同步方式主要有主從同步和相互同步兩種,獨(dú)立時(shí)鐘同步方式也有碼速調(diào)整法和水庫法兩種。5.5.1主從同步方式主從同步方式是在通信網(wǎng)中設(shè)置一個(gè)高穩(wěn)定度的主時(shí)鐘源,通信網(wǎng)中各站的時(shí)鐘通過鎖相環(huán)與這個(gè)主時(shí)鐘同步,如圖5.28所示。主時(shí)鐘可以由通信源中的某一個(gè)站點(diǎn)提供,也可以是GPS提供的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘。主從同步方式的優(yōu)點(diǎn)是時(shí)鐘穩(wěn)定度高,設(shè)備簡單;缺點(diǎn)是可靠性差,因?yàn)橐坏┲鲿r(shí)鐘源出現(xiàn)故障,則全網(wǎng)通信即會(huì)中斷。圖5.28主從同步方式5.5.2相互同步方式相互同步方式如圖5.29所示。通信網(wǎng)中各站點(diǎn)都設(shè)有時(shí)鐘源,但各站點(diǎn)時(shí)鐘源的頻率受該站點(diǎn)各個(gè)接收信號(hào)時(shí)鐘的控制,從而使網(wǎng)內(nèi)各站點(diǎn)的時(shí)鐘頻率鎖定在網(wǎng)內(nèi)各站點(diǎn)固有時(shí)鐘頻率的平均