同步和多路复用.docx
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同步和多路复用
第7章 同步和多路复用
同步就是要使收发双方在时间上步调一致，是通信中的一个重要技术问题。
常有：
载波同步、位（码元）同步、组同步、帧同步和包同步等，组同步、帧同步和包同步也统称为群同步。
同步是保证信息有序、准确传输的必要和前提，而同步系统性能的好坏又将直接影响到整个通信系统的性能。
多路复用是指多对通信设备共享一条物理链路且互不干扰，如高速电话干线、地面微波设备、卫星通信等设备均采用多路复用技术来同时传输大量数据和声音等信号。
7.1载波同步方法
在频带传输系统中，当采用同步检测（相干解调）时，接收端需要恢复一个与发射端的调制载波同频、同相的相干载波，而获取这个载波的过程就称为载波同步。
接收端恢复相干载波的方法一般分为两类：
一类是发送端发送数字信息的同时发送载波信号或者与数字信息有关的导频信号，这种方法叫做插入导频法；另一类是从接收的已调信号中提取出载波信号，这种方法叫直接法。
7.1.1插入导频法
为了使接收端能够恢复载波，发送端除了发送信号之外，还会插入一个导频供接收端使用。
导频的插入又分为频域插入导频和时域插入导频两种。
1.频域插入导频
频域插入导频就是在发送端的已调信号频谱中额外插入一个称作导频的正弦波，以便接收端作为载波同步信号加以恢复。
此方法适用于抑制载波的双边带残留边带信号、单边带信号等。
导频是含有载波信号的单频信号，导频的频率应该是与载频有关的或者就是载频的频率。
插入导频的位置与已调信号的频谱结构有关，如图7-1所示，通常在已调信号频谱中的零点插入导频，且要求其附近的信号频谱分量尽量小，这样便于插入导频，解调时易于滤出它。
导频的权值比较小，使其占用功率不大，以提高信号的功率利用率。
这种方法的具体做法是：
在发送端把导频插入到已调信号中一起发送，在接收端先取出导频，产生相干载波，然后用它进行相干解调。
图7-1频域插入导频示意图
如图7-2所示，Sd（t）为数字信号，由于基带信号中存在直流成分和低频成分，经调制后频谱将非常靠近载波，这样在载波处再加入载波导频将会受到干扰，使接收端提取纯净的载波有困难。
为了在载频位置插入导频，对数字信号Sd（t）要先进行变换，将其频谱中的直流和相邻的低频信号滤掉或衰减，然后经低通滤波器加给环形调制器，由带通滤波器取出上、下边带送给加法器，同时送给加法器的还有载波移相
后所得到的
。
发送端必须正交插入导频，不能加入
导频信号，否则接收端解调后会出现直流分量，这个直流分量无法用低通滤波器滤除，将对基带信号的提取产生影响。
图7-3为接收端提取载波信号的电路示意图。
图7-2插入导频法发送端电路示意图
图7-3插入导频法接收端电路示意图
接收端实际上收到的是经过信道失真和噪声干扰后的信号，但是为了重点考虑滤波提取问题，假设接收端收到的信号与发送端发送的信号完全相同，即：
（7-1）
接收信号中包含有导频信号fc，用一窄带滤波器取出并移相
，得到
，再用它去解调输入信号得到：
（7-2）
通过式7-2得到的信号通过一个截止频率与Sc（t）相适应的低通滤波器就可以提取
，将其余两个高频项滤除得到Sc（t），Sc（t）再经过相应的处理就得到原来的基带信号。
2.时域插入导频
频域插入导频的特点是插入的导频在时间上是连续的，即信道中自始自终都有导频信号传送。
而时域插入导频方法则是按照一定的时间顺序，在指定的时间内发送载波同步信号，即把载波同步信号插到每帧的数据序列中。
图7-4中t2~t3就是插入导频的时间，一般将它插入到帧同步脉冲之后。
这种插入方法使得只是在每帧的一小段时间内才出现载波同步信号。
接收端可以通过使用控制信号将载波标准取出。
图7-4 时域插入导频示意图
7.1.2直接法
直接法也称自同步法，就是设法从接收到的已调信号中提取载波同步信息。
若接收到的已调信号中不包含载波分量，则对它进行某种非线性变换后，就可以产生载波的谐波分量，再经滤波、分频就可得到所需的载波同步信号。
1．平方法
平方法通常用来建立抑制载波的双边带信号的载波同步，图7-5为平方法提取载波示意图。
图7-5 平方法提取载波的示意图
设输入信号为2PSK信号，其已调信号为
，经过平方部件以后输出为：
（7-3）
由（7-3）式可见，平方后的接收信号中含有2倍载频的频率分量。
所以将此2倍频率分量用窄带滤波器滤出后再作二分频，即可以得出所需要的载频。
2．平方环法
在实际中，为了改善平方变换法的性能，使恢复的相干载波更为纯净，常用如图7-6所示的锁相环代替图7-5中的窄带滤波器。
在此方案中采用了二分频器，而二分频器的输出电压有相差180°的两种可能相位，即其输出电压的相位决定于分频器的随机初始状态，这就导致分频得出的载频存在相位含糊性，而这种相位含糊性是无法克服的。
所以，为了能够将其用于接收信号的解调，通常的办法使发送端采用2DPSK调制。
在采用此方案时，还可能发生错误锁定的情况。
这是由于在平方后的接收电压中有可能存在其他的离散频率分量，使得锁相环锁定在错误的频率上。
解决这个问题的办法是降低环路滤波器的带宽。
图7-6 平方环法示意图
由于平方环具有良好的跟踪、窄带滤波和记忆功能，平方环法比一般的平方变换法具有更好的性能。
7.2位同步
在数字通信系统中，接收端解调后的信号必然是受到信道失真并混有噪声的数字波形。
要将它还原成原始的基带信号，首先必须对它进行采样判决。
数字序列是按一定码率、一个码元接着一个码元地接收下来，这就要求收发双方的码元速率、码元的长短均相同，另外采样判决的时间应该对准最佳采样判决点。
所以位同步就是设法在接收端产生一个与发送端码元速率相同，且在时间上对准最佳判决点的定时脉冲序列。
位同步方法分为两种：
外同步方法和自同步方法。
7.2.1外同步法
外同步法的基本原理为：
发送端在信号中插入频率为码元速率或码元速率整倍数的位同步信号；接收端用一个窄带滤波器，将同步信号分离出来，从而形成码元位定时。
1．在基带信号的零点插入导频
如基带信号为二进制不归零序列，则这种信号本身不包含位同步信号。
为了获得位同步信号就应该在基带信号中插入位同步导频信号，如图7-7所示，在基带信号频谱的零点插入所需的导频信号；若基带信号为二进制归零序列，就需要先把基带信号转换成双极信号，这种信号频谱在零频和
处各有一个零点，将位同步导频信号插入在
处，零频处的零点可供插入载波导频，如图7-8所示。
图7-7 不归零信号频域插入同步导频图7-8 归零信号频域插入同步导频
对不归零信号，在接收端经过中心频率为
的窄带滤波器，就可以从解调后的基带信号中提取位同步所需的信号，这时同步脉冲的周期与插入导频的周期一致；对归零信号，窄带滤波器的中心频率为
，此时位同步脉冲的周期为插入导频周期的1/2，需要插入导频倍频，才能得到所需的同步脉冲。
图7-9为插入位定时导频接收方结构示意图，图中的移相、倒相和相加电路是为了从信号中消去插入导频，使进入取样判决器的基带信号没有插入导频。
这样做是为了消除导频对基带信号取样判决的影响。
与插入载波导频法相比，它们消除了插入导频影响的方法各不相同，载波同步中采用正交插入，而位同步中采用反向相消的办法。
这是因为载波同步在接收端进行相干解调时，相干解调器有很好地抑制正交载波的能力，它不需要另外加电路就能一直正交载波，从而避免解调输出的附加直流分量；而位定时导频是在基带加入和没有相干解调器，故不能采用正交插入。
为了消除导频对基带信号取样判决的影响，位同步采用了反向相消的办法。
图7-9 插入位定时导频接收示意图
2.包络调制法
插入导频法的另一种形式是使数字信号的包络按位同步信号的某种波形变化。
在移相键控或移位键控的通信系统中，对已调信号进行附加的幅度调制后，接收端只要进行包络检波，就可以形成位同步信号。
设移相信号的表示式为：
（7-4）
其中
是载波频率，
是随数字信息变化的相位，现在某种波形的位同步对S1（t）进行幅度调制，若这种波形为余弦波形式，则可以表示为：
（7-5）
式中，
，T为码元宽度。
接收端对S2（t）进行包络检波，输出为
，除去直流分量后，就可以获得位同步信号
。
除了以上两种在频域内插入位同步的导频之外，还可以在时域内插入，其原理与载波时域插入方法（见图7-4）类似。
外同步法的优点是设备较简单，缺点是占用一定的带宽和发送功率。
其适用于多路传输系统。
7.2.2自同步法
自同步法的发送端不专门发送导频信号，而直接从接收的数字信号中提取位同步信号。
直接提取位同步的方法又可以分为滤波法和锁相环法。
其中滤波法简单，但是所提取的位定时信号不稳定、不可靠，因此很少采用，本书就不介绍了。
数字锁相法的基本原理是在接收端利用一个相位比较器比较接受码元与本地码元定时（位定时）脉冲的相位，若两者相位不一致（即超前或者滞后）就会产生一个误差信号，通过控制电路去调整定时脉冲的相位，直至获得精确的同步为止。
数字锁相法的基本结构即原理如图7-10所示，由晶体组成的高稳定度标准振荡器产生的信号，经形成网络整形获得周期为T但相位滞后了T/2的两列脉冲序列a和b。
这两列脉冲序列通过常开门和常闭门加到分频器，经过n次分频形成本地位同步脉冲序列。
为了与发端时钟同步，分频器输出与接收到的码元序列同时加到比相器进行比较。
如果两者完全同步，此时比相器没有误差信号，这时本地位同步信号作为同步时钟；如果本地位同步信号相位超前于码元序列，比相器输出一个超前脉冲去关闭常开门，扣除a中的一个脉冲，使分频器输出的位同步脉冲滞后1/n周期，如果本地位同步脉冲比码元脉冲相位滞后，比相器输出一个滞后脉冲去打开常开门，使b中的一个脉冲能通过常闭门和或门，由于a和b相差半个周期，所以由b中的一个脉冲插入到a中不产生重叠，正是由于在分频前插入一个脉冲，因此，分频器输出的同步脉冲提前1/n周期，这就实现了相位离散式的调整。
经过若干次后便可以达到本地同步脉冲与接收码元的同步。
图7-10（a） 数字锁相环位同步基本结构图
图7-10（b） 数字锁相环输出脉冲
位同步系统的性能通常用相位误差、同步建立时间、同步保持时间及同步带宽等指标来衡量。
对位同步信号的要求是相位误差尽量小，因为相位误差造成位定时脉冲的位移，使抽样判决时刻偏离最佳位置，导致误码率增大。
此外，要求同步建立时间短、同步保持时间长，并且到达一定得同步带宽等。
7.3群同步
在计算机数据通信系统中，接收端为了能正确恢复所传输的内容，必须知道每个码元序列的起始位置与结束位置。
由于数据的信号结构是遵照通信协议事先规定好的，因此在接收端很容易得到一帧信息。
为了实现群同步，要在数据序列中插入特殊的同步码或同步字符。
群同步一般是通过对数据格式的特殊设计来达到的，亦即通过在数据码元序列中插入特定的同步码元或同步码组来实现群同步。
实现方法有：
起止同步法和插入特殊码组方法，而插入特殊码组的方法又分为集中式插入法和分散式插入法。
7.3.1起止同步法
起止同步方法的原理如图7-11所示，收、发两端的时钟相互独立，以字符为单位（即数据位为5-8位），前再有一起始位（低），后有一校验位（也可不用）再加1-2位的停止位（高电平），平时（无字符传时）为高电平。
图7-11 起止同步法示意图
采用这种方法的优点是：
每隔一个字符的时间，对接收端定位时的相位做一次校正，因此，位定时的频率误差只能在一个字符范围内积累；对收发时钟的频率标准性要求不高；终止信号长度可变，能适应固定速率阐述字符序列，又能适应人工按键发报的情况。
缺点是：
字符间的间隔不定；额外开销过大（如若取8位，则至少是2／10=22％）；不适合传长位串，容易产生误差积累；常用于低速传输场合且效率较低。
7.3.2集中插入法
集中插入法又称连贯插入法（如图7-12所示），就是将群同步码以集中的形式插入信息码流中，一般将群同步码集中地插入到一帧的开始位置。
此方法的关键是要找出作为同步码组的特殊码组。
集中插入法适用于要求快速建立同步的地方，或间断传输信息并且每次传输时间很短的场合。
图7-12 集中插入法示意图
对作为群同步码组的特殊码组的基本要求是：
同步码组在信息码元序列中不易出现以便于识别，即将信息码元误认为同步码组的概率要小，同时当同步码组中有误码时，漏识别的概率也要小。
满足这一要求的特殊码应该具有良好的自相关特性，即要求自相关函数具有尖锐的单峰，便于与信息码区别；识别该特殊码组的识别器应该尽量简单；码长适当，以保证传输效率。
巴克码是一种常用的群同步码，它是一个n位长的码组{x1,x2,…,xn}，其中xi的取值是+1或者-1，其局部自相关函数为：
（7-6）
式中j表示错开的位数，在j=0处局部自相关函数出现峰值，在其他时刻函数的值为0或1。
凡是满足式（7-6）的码组，就称为巴克码。
目前尚未找到巴克码的一般构造方法，只搜索到10组巴克码，其码组最大长度为13，全部列在表7-1中。
需要注意的是，在用穷举法寻找巴克码时，表7-1中各码组的反码（即正负号相反的码）和反序码（即时间顺序相反的码）也是巴克码。
表7-1中“+”代表“+1”，“-”代表“-1”。
以5位巴克码组为例，其局部自相关函数如图7-13所示。
表7-1 巴克码组
N
巴克码
1
＋
2
＋＋或＋－
3
＋＋－
4
＋＋＋－或＋＋－＋
5
＋＋＋－＋
7
＋＋＋――＋－
11
＋＋＋－－－＋－－＋－
图7-13 5位巴克码的自相关函数
如图7-14所示，用移位寄存器、相加器和判决器就能组成一个7位巴克码识别器。
当输入码元的“1”进入某移位寄存器时，该移位寄存器的1端输出电平为+1，0端输出电平为-1；反之，进入“0”码时，该移位寄存器的0端输出+1，1端输出-1。
各移位寄存器输出端的接法与巴克码的规律一致，这样识别器实际上是对输入的巴克码进行相关运算。
当一帧信号到来时，首先进入识别器的是群同步码组，只有当7位巴克码在某一时刻（如图7-15（a）中的t1）正好已全部进入7位寄存器时，7位移位寄存器输出端都输出+1，相加后的最大输出+7，其余情况相加结果均小于+7。
若判别识别器的判决门限电平定为+6，那么就在7位巴克码的最后一位进入识别器时，识别器输出一个同步脉冲表示一群的开头，如图7-15（b）所示。
图7-14 7位巴克码的识别器
（a）
（b）
图7-15 识别器的输出波形
在实现集中插入法时，在接收端中可以按上述公式用数字处理技术计算接收码元序列的自相关函数。
在开始接收时，同步系统处于捕捉态。
若计算结果小于N，则等待接收到下一个码元后再计算，直到自相关函数值等于同步码组的长度N时，就认为捕捉到了同步，并将系统从捕捉态转换为保持态。
此后继续考察后面的同步位置上的接收码组是否仍然具有等于N的自相关值。
当系统失去同步时，自相关值立即下降。
但是自相关值下降并不等于一定是失步，因为噪声也可能引起自相关值下降。
图7-16 集中插入法群同步码检测流程
所以为了保护同步状态不易被噪声等干扰打断，在保持状态时要降低对自相关值的要求，即规定一个小于N的值（例如（N-2））,只有所考察的自相关值小于（N-2）时才判定系统失步。
于是系统转入捕捉态，重新捕捉同步码组。
按照这一原理计算流程如图7-16所示。
7.3.2分散插入法
分散插入法又称间隔式插入法（如图7-17），它是将群同步码以分散的形式均匀插入信息码流中。
由于需要较长的同步建立时间，这种方法适用于连续传输信号之处，例如数字电话系统中，采用同步码为1、0交替码，即一帧插入“1”码，下一帧插入“0”码，如此交替插入。
图7-17 分散式插入法示意图
分散式插入法的最大特点是：
群同步码不占用信息时隙，每帧的传输效率较高，但是同步建立时间较长。
它适用于连续发送信号的通信系统，若是断续发送信号，每次捕获同步需要较长的时间，反而降低了效率。
在接收端，为了找到群同步码的位置，需要按照群同步码的插入周期Ｔ进行若干帧的连续检测，若在间隔为Ｔ的位置上符合同步码的“1”、“0”交替规律，则认为该位置就是群同步码的位置。
滑动检测法也叫移位搜索法，是一种常用的同步检测方法。
滑动检测法的过程如图7-18，先假定某个码元为群同步码元；在一个周期即P个码元之后，判断下一个码元是否为群同步码元；若连续M帧均符合同步码规律，就认为捕捉到了群同步码，电路进入同步状态；若不是群同步码，则假定下一个码元为群同步码元，重新开始群同步码元的搜索。
图7-18 滑动检测流程图
7.4网同步
网同步就是指通信网中各站之间时钟的同步，其目的在于使全网各站能够互连互通，正确地接收信息码元。
网同步在时分制数字通信和时分多址通信网中是一个重要的问题。
对于广播一类的单向通信和一端对一端的单条链路通信，一般都是由接收设备负责解决和发送设备的时钟同步问题。
这就是说，接收设备以发送设备的时钟为准，调整自己的时钟，使之和发送设备的时钟同步。
对于网中有多站的双向通信系统，同步则有不同的解决办法。
这些办法可以分为两大类：
第一类是全网各站具有统一的时间标准，称为同步网；第二类是容许各站的时钟有误差，但是通过调整码元速率的办法使全网能协调工作，称为异步网或准同步网。
在网同步中，全网的同步可能是由接收设备负责解决，也可能需要收发双方共同解决。
这就是说，为了达到同步的目的，发射机的时钟也可能需要作调整。
在有一个中心站和多个终端站的（TDMA）通信网中，例如图7-19中的卫星通信网中有4个地球（终端）站，在卫星（中心站）S1上接收地球站的TDMA信号的时隙安排如图7-20所示。
因为每个地球站只允许在给定的一段时隙中发送信号，故地球站在发射机必须保证其发送的上行信号到达卫星上时，恰好是卫星上中心站准备接收其信号的时间。
由于各个地球站和卫星的距离不等，各个地球站上行发送信号的时钟也需要不同，所以不可能采用调整卫星上中心站接收机时钟的办法达到和所有地球站上行信号同步的目的。
这时，需要各地球站按照和卫星的距离远近，将发射信号的时钟调整到和卫星上中心站接收机的时钟一致。
由于延迟时间不同，各个地球站发射信号的时钟之间实际上是有误差的。
这就是发射机同步方法。
图7-19 卫星通信网
图7-20 TDMA接收时隙
发射机同步方法可以分为开环和闭环两种。
开环法不需要依靠中心站上接收信号到达时间的任何信息，终端站根据它所存储的关于链路长度等信息可以预先校正其发送时间。
终端站所存储的这些信息是从有关单位提供的，但是还可以按照从中心站送回的信号加以修正。
这种方法依靠的是准确预测的链路长度等参量信息。
当链路的路径是确定的且链路本身一旦建立后将连续工作较长时间时，该方法很好；但是当链路的路径不是确定的或终端站只是断续地接入时，该方法就难于有效地使用。
开环法的主要优点是捕捉快，不需要反向链路也能工作，实时运算量小；其缺点是需要外部有关单位提供所需的链路参量数据，并且缺乏灵活性。
闭环法则不需要预先得知链路参量的数据。
链路参量数据在减小捕捉同步时间上会有一定的作用，但是闭环法不需要像开环法要求的那样精确。
在闭环法中，中心站需要测量来自终端站的信号的同步准确度，并将测量结果通过反向信道送给终端站。
因此，闭环法需要已调反向信道传送这个结果，并且终端站需要有根据此反馈信息适当调整其时钟的能力。
这意味着，闭环法的缺点是终端站需要有较高的实时处理能力，并且每个终端站和中心站之间要有双向链路。
此外，捕捉同步也需要较长的时间。
但是闭环法的优点是不需要外界供给有关链路参量的数据，并且可以很容易地利用反向链路来及时适应路径和链路情况的变化。
7.5频分复用
频分复用（FrequencyDivisionMultiplexing，FDM）是一种模拟技术，在链路带宽大于要传输的所有信号带宽之和时采用。
它将具有一定带宽的线路划分成若干条占有较小带宽的信道，每条信道供一个用户使用，即：
将每一路信号调制到不同的载波频率上，而且载波频率彼此间的间隔足以使信号带宽不会交迭，则可同时传送多路信号，图7-21为频分复用系统原理图。
图7-21 频分复用系统原理图
频分复用的过程如图7-22所示。
在发送端（如图7-23所示），多个模拟或数字信号mi（t）（i=1，2…，ｎ）要混合进入同一传输媒介，每个信号m被调制到不同载频fi上，可以用任何类型的调制，产生的模拟调制信号再综合产生一个复合信号s（t），且在满足这一带宽的媒介上传输。
在接收端（如图7-24所示），复合信号经过n个带通滤波器，每个滤波器的中心频率为fi且具有带宽Bi。
这样，信号被分解，分别解调以恢复其原来的信号。
同时为了防止相邻信号之间相互干扰，应合理选择载波频率fi，以使各路已调信号频谱之间留有一定得防护频带。
图7-22 频分复用过程示意图
图7-23 频分复用系统发送装置
图7-24 频分复用系统接收装置
频分复用最典型的例子是在一条物理线路上传输多路语音信号的多路载波电话系统。
对于语音信号，频分复用一般都采用12v、4000Hz的通道。
这当中3000Hz分配给用户，通道两侧各有500Hz的保护频带。
基群（组）有12个4000Hz的通道复用，48KHz带宽。
超伏群有5个组，60个音频通道，240KHz带宽。
主群由若干个（5个或10个）超（大）群构成。
6个主群还可以组成一个巨群。
对12路语音、频率经迁移、复用后如图7-25所示，在接收端要将每路4KHz的信号分离出来（如图7-26所示），CCITT规定两个组用于电话，即12-60KHz和60-108KHz两个组。
图7-25 12路载波电话基群得频谱结构示意图
图7-26 电话语音信号接收端
对于频分复用，原始信号在接收端正常恢复需要满足的三个必要条件：
１，载波频率之间的频率差能够容纳调制信号的带宽；
２，信道之间由警戒频带分隔以防止信号交叉；
３，载波频率不会影响原来的数据频率。
频分复用的主要优点是实现相对简单，技术成熟；缺点是设备复杂，滤波器难以制作，并且在复用和传输过程中，调制、解调等会不同程度地引入非线性失真，而产生各路信号的相互干扰。
７.6时分复用
时分复用（Time-DivisionMultiplexing，TMD）是一个数字化的过程，它是一种以时间分片方式来实现在同一信道中传输多路信号的一种方法。
与频分复用将信号结合成一个单一复杂信号的作法不同，时分复用保持了信号在物理上的独立性，而从逻辑上把它们结合在一起，各路信号按照时间顺序依次占用信道。
7.6.1时分复用基本原理
时分复用分配给用户不是某段频带，而是一段时间即时隙。
在其占用的时间片内，该用户可使用信道的全部带宽，即用户周期性占用整个频带。
图7-27为时分复用的原理示意图。
图7-27 时分复用原理示意图
时分复用的发送装置和接收装置的基本机构如图7-28和图7-29所示。
发送端要发送多个信号mi（t），i=1，2，．．．，n，这些信号要被复制到同一传输媒介上，具体的过程是：
每个信息源发出数据，暂时缓存到缓冲器中，扫描开关以一定的顺序对各信息源缓冲器进行扫描，使数据以串行的形式发往线路，即交替地对多个终端数据进行采样，以同时传输多条数据。
图7-28 时分复用发送装置
图7-29 时分复用接收装置
时分复用中，以数据帧的形式复用多路信号，每一帧分成不同的时间片（或叫时隙），每个时隙分配给不同的信号。
具体如何分配信道资源，时分复用又可以分为同步时分复（ATDM）用和异步时分复用（STDM）。
7.6.2同步时分复用
同步时分复用是一种固定分配资源的方式，为每个信号分配完全一样的
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