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位 同 步 在數字通信系統中，發端按照確定的時間順序，逐個傳輸數碼脈沖序列中 的每個碼元。而在接收端必須有準確的抽樣判決時刻才能正確判決所發送的碼元， 因此，接收端必須提供一個確定抽樣判決時刻的定時脈沖序列。這個定時脈沖序 列的重復頻率必須與發送的數碼脈沖序列一致，同時在最佳判決時刻（或稱為最 佳相位時刻）對接收碼元進行抽樣判決。可以把在接收端產生這樣的定時脈沖序 列稱為碼元同步，或稱位同步。 實現位同步的方法和載波同步類似，也有直接法（自同步法）和插入導頻 法（外同步法）兩種，而在直接法中也分為濾波法和鎖相法。 1、插入導頻法 為了得到碼元同步的定時信號，首先要確定接收到的信息數據流中是否包含 有位定時的頻率分量。如果存在此分量，就可以利用濾波器從信息數據流中把位 定時信息提取出來。 若基帶信號為隨機的二進制不歸零碼序列，這種信號本身不包含位同步信號， 為了獲得位同步信號需在基帶信號中插入位同步的導頻信號，或者對該基帶信號 進行某種碼型變換以得到位同步信息。 與載波同步時的插入導頻法類似，它也是在基帶信號頻譜的零點插入所需的 導頻信號，如圖1（a）所示。若經某種相關編碼處理后的基帶信號，其頻譜的 第一個零點在 處時，插入導頻信號就應在 處，如圖1（b）所示： 圖1 插入導頻法頻譜圖 在接收端，對圖1（a）所示的情況，經中心頻率為 的窄帶濾波器， 就可從解調后的基帶信號中提取出位同步所需的信號。這時，位同步脈沖的周期 與插入導頻的周期是一致的；對圖1（b）所示的情況，窄帶濾波器的中心頻率 應為 ，因為這時位同步脈沖的周期為插入導頻周期的1/2，故需將插入 導頻2 倍頻，才獲得所需的位同步脈沖。圖2 給出了位同步插入導頻法方框圖。 在圖2（a）中基帶信號經相關編碼器處理，使其信號頻譜在 位置為 零，這樣就可以在 插入位定時導頻。收端的結構如圖2（b）所示，從圖中 可以看到，由窄帶濾波器取出的導頻（ /2）經過移相和倒相后，再經過相加 器把基帶數字信號中的導頻成分抵消。由窄帶濾波器取出導頻的另一路經過移相 和放大限幅、微分全波整流、整形等電路，產生位定時脈沖，微分全波整流電路 起到倍頻器的作用，因此雖然導頻是 /2，但定時脈沖的重復頻率變為與碼元速 率相同的 。圖中兩個移相器都是用來消除由窄帶濾波器等引起的相移，這兩個 移相器可以合用。 圖2 位同步插入導頻法方框圖 插入導頻法的另一種形式是使數字信號的包絡按位同步信號的某種波形變 化。例如PSK 信號和FSK 信號都是包絡不變的等幅波，因此，可將位導頻信號 調制在它們的包絡上，而接收端只要用普通的包絡檢波器就可恢復位同步信號。 當然，事實上，同步信號也可以在時域內插入，這時載波同步信號、位同 步信號和數據信號等信息分別被配置在不同的時間段內傳送。接收端用鎖相環路 提取出同步信號并保持它，就可以對繼之而來的數據信息進行解調。 當系統的位同步采用自同步方法時，發端不專門發送導頻信號，而直接從 數字信號中提取位同步信號，這種方法在數字通信中經常采用，而自同步法具體 又可分為濾波法和鎖相法。 根據基帶信號的譜分析可以知道，對于不歸零的隨機二進制序列，不能直 接從其中濾出位同步信號。但是，若對該信號進行某種變換，例如，變成單極性 歸零脈沖后，則該序列中就有 的位同步信號分量，經一個窄帶濾波器， 可濾出此信號分量，再將它通過一移相器調整相位后，就可以形成位同步脈沖。 這種方法的方框圖如圖3 所示。它的特點是先形成含有位同步信息的信號，再用 濾波器將其濾出。而單極性歸零脈沖序列，由于其包含 的位同步信號分量， 一般作為提取位同步信號的中間變換過程。 圖3 濾波法原理框圖 圖3 中的波形變換，在實際應用中由微分、整流電路構成，經微分、整流后 的基帶信號波形如圖4 所示。圖4（c）為單極性歸零信號，它包含有位同步信 號分量，可以通過濾波器進行提取。 另一種常用的波形變換方法是對帶限信號進行包絡檢波。在某些數字微波中 繼通信系統中，經常在中頻上用對頻帶受限的2PSK 信號進行包絡檢波，用這種 方法來提取位同步信號。由于頻帶受限，在相鄰碼元的相位變換點附近會產生幅 度的平滑“陷落”。經包絡檢波后，可以得到位同步信號。 2、采用鎖相法提取位同步 與載波同步的提取類似，把采用鎖相環來提取位同步信號的方法稱為鎖相法。 在數字通信中，這種鎖相電路常采用數字鎖相環來實現。 采用鎖相法提取位同步原理方框圖如圖5 所示，它由高穩定度振蕩器（晶振）、 分頻器、相位比較器和控制電路組成。其中，控制電路包括圖中的扣除門、附加 門和“或門”。高穩定度振蕩器產生的信號經整形電路變成周期性脈沖，然后經控 制器再送入分頻器，輸出位同步脈沖序列。輸入相位基準與由高穩定振蕩器產生 的經過整形的n 次分頻后的相位脈沖進行比較，由兩者相位的超前或滯后，來確 定扣除或附加一個脈沖，以調整位同步脈沖的相位。 圖4 基帶信號的微分整流波形 圖7-5 利用數字鎖相環提取位同步信息 3、位同步系統的性能指標 位同步系統的性能指標除了效率以外，主要有以下幾個：（1）相位誤差（精 度）,（2）同步建立時間,（3）同步保持時間,（4）同步帶寬。下面將對數字鎖 相法位同步系統的性能指標進行分析。 1.相位誤差 利用數字鎖相法提取位同步信號時，相位比較器比較出誤差以后，立即加以 調整，在一個碼元周期 內（相當于360°相位內）加一個或扣除一個脈沖。而由 圖7-13 可見一個碼元周期內由晶振及整形電路來的脈沖數為n 個，因此，最大 調整相位為 （1） 從上式可以看到，隨著n 的增加，相位誤差θe 將減小。 2.同步建立時間 同步建立時間即為失去同步后重建同步最所需的長時間。為了求得這個可能 出現的最長時間，令位同步脈沖的相位與輸入信號碼元的相位相差為 秒，而 鎖相環每調整一步僅能調整 秒，故所需最大的調整次數為 （2） 由于數字信息是一個隨機的脈沖序列，可近似認為兩相鄰碼元中出現01、 10、11、00 的概率相等，其中有過零點的情況占一半。而數字鎖相法都是從數 據過零點中提取標準脈沖的，因此平均來說，每2Tb 秒可調整一次相位，故同 步建立時間為 （3） 為了使同步建立時間ts 減小，要求選用較小的n，這就和相位誤差對n 的要 求相矛盾。 3.同步保持時間 同步建立后，一旦輸入信號中斷，或者遇到長連0 碼、長連1 碼時，由于接 收的碼元沒有過零脈沖，鎖相系統就因為沒有輸入相位基準而不起作用，另外收 發雙方的固有位定時重復頻率之間總存在頻差 ，收端位同步信號的相位就會 逐漸發生漂移，時間越長，相位漂移量越大，直至漂移量達到某一準許的最大值， 就算失步了。 設收發兩端固有的碼元周期分別為 和 ，則 （4） 式中的F0 為收發兩端固有碼元重復頻率的幾何平均值，且有 ，這樣 由式（4）可得 （5） 式（5）說明，當收發兩端存在頻差 時，每經過 時間，收發兩端就會產 生 的時間漂移。反過來，若規定兩端容許的最大時間漂移為 秒（K 為一常數），需要經過多長時間才會達到此值呢？這樣求出的時間就是同步保持 時間 （6） 設收發兩端的頻率穩定度相同，每個振蕩器的頻率誤差均為 /2，則每個 振蕩器頻率穩定度為 （7） 式（7）說明，要想延長同步保持時間 ，需要提高收發兩端振蕩器的頻率 穩定度。 4.同步帶寬Δf 如果輸入信號碼元的重復頻率和收端固有位定時脈沖的重復頻率不相等時， 每經過 時間（近似地說，也就是每隔一個碼元周期），該頻差會引起 的 時間漂移。而根據數字鎖相環的工作原理，鎖相環每次所能調整的時間為 ，如果對隨機數字來說，平均每兩個碼元周期才能調整一次，那么 平均一個碼元周期內，鎖相環能調整的時間只有 。很顯然，如果輸入信號 碼元的周期與收端固有位定時脈沖的周期之差為 （8） 則鎖相環將無法使收端位同步脈沖的相位與輸入信號的相位同步，這時由頻 差所造成的相位差就會逐漸積累。這樣就可以得到 的最大值 （9） 結合式（4）和式（9）可以得到 （10） 式（10）就是求得的同步帶寬表示式，要增加同步帶寬 ，需要減小n。 |
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