位同步,位同步是什么意思

在數(shù)字通信系統(tǒng)中，發(fā)端按照確定的時(shí)間順序，逐個(gè)傳輸數(shù)碼脈沖序列中的每個(gè)碼元。而在接收端必須有準(zhǔn)確的抽樣判決時(shí)刻才能正確判決所發(fā)送的碼元，因此，接收端必須提供一個(gè)確定抽樣判決時(shí)刻的定時(shí)脈沖序列。這個(gè)定時(shí)脈沖序列的重復(fù)頻率必須與發(fā)送的數(shù)碼脈沖序列一致，同時(shí)在最佳判決時(shí)刻（或稱(chēng)為最佳相位時(shí)刻）對(duì)接收碼元進(jìn)行抽樣判決。可以把在接收端產(chǎn)生這樣的定時(shí)脈沖序列稱(chēng)為碼元同步，或稱(chēng)位同步。

實(shí)現(xiàn)位同步的方法和載波同步類(lèi)似，也有直接法（自同步法）和插入導(dǎo)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(dǎo)頻法

為了得到碼元同步的定時(shí)信號(hào)，首先要確定接收到的信息數(shù)據(jù)流中是否包含有位定時(shí)的頻率分量。如果存在此分量，就可以利用濾波器從信息數(shù)據(jù)流中把位定時(shí)信息提取出來(lái)。

若基帶信號(hào)為隨機(jī)的二進(jìn)制不歸零碼序列，這種信號(hào)本身不包含位同步信號(hào)，為了獲得位同步信號(hào)需在基帶信號(hào)中插入位同步的導(dǎo)頻信號(hào)，或者對(duì)該基帶信號(hào)進(jìn)行某種碼型變換以得到位同步信息。

與載波同步時(shí)的插入導(dǎo)頻法類(lèi)似，它也是在基帶信號(hào)頻譜的零點(diǎn)插入所需的導(dǎo)頻信號(hào)，如圖1（a）所示。若經(jīng)某種相關(guān)編碼處理后的基帶信號(hào)，其頻譜的第一個(gè)零點(diǎn)在處時(shí)，插入導(dǎo)頻信號(hào)就應(yīng)在處，如圖1（b）所示：

圖1 插入導(dǎo)頻法頻譜圖

在接收端，對(duì)圖1（a）所示的情況，經(jīng)中心頻率為的窄帶濾波器，就可從解調(diào)后的基帶信號(hào)中提取出位同步所需的信號(hào)。這時(shí)，位同步脈沖的周期與插入導(dǎo)頻的周期是一致的；對(duì)圖1（b）所示的情況，窄帶濾波器的中心頻率應(yīng)為，因?yàn)檫@時(shí)位同步脈沖的周期為插入導(dǎo)頻周期的1/2，故需將插入導(dǎo)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(dǎo)頻法方框圖。

在圖2（a）中基帶信號(hào)經(jīng)相關(guān)編碼器處理，使其信號(hào)頻譜在位置為零，這樣就可以在插入位定時(shí)導(dǎo)頻。收端的結(jié)構(gòu)如圖2（b）所示，從圖中可以看到，由窄帶濾波器取出的導(dǎo)頻（ /2）經(jīng)過(guò)移相和倒相后，再經(jīng)過(guò)相加器把基帶數(shù)字信號(hào)中的導(dǎo)頻成分抵消。由窄帶濾波器取出導(dǎo)頻的另一路經(jīng)過(guò)移相和放大限幅、微分全波整流、整形等電路，產(chǎn)生位定時(shí)脈沖，微分全波整流電路起到倍頻器的作用，因此雖然導(dǎo)頻是/2，但定時(shí)脈沖的重復(fù)頻率變?yōu)榕c碼元速率相同的。圖中兩個(gè)移相器都是用來(lái)消除由窄帶濾波器等引起的相移，這兩個(gè)移相器可以合用。

圖2 位同步插入導(dǎo)頻法方框圖

插入導(dǎo)頻法的另一種形式是使數(shù)字信號(hào)的包絡(luò)按位同步信號(hào)的某種波形變化。例如PSK信號(hào)和FSK信號(hào)都是包絡(luò)不變的等幅波，因此，可將位導(dǎo)頻信號(hào)調(diào)制在它們的包絡(luò)上，而接收端只要用普通的包絡(luò)檢波器就可恢復(fù)位同步信號(hào)。

當(dāng)然，事實(shí)上，同步信號(hào)也可以在時(shí)域內(nèi)插入，這時(shí)載波同步信號(hào)、位同步信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)等信息分別被配置在不同的時(shí)間段內(nèi)傳送。接收端用鎖相環(huán)路提取出同步信號(hào)并保持它，就可以對(duì)繼之而來(lái)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行解調(diào)。

當(dāng)系統(tǒng)的位同步采用自同步方法時(shí)，發(fā)端不專(zhuān)門(mén)發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)，而直接從數(shù)字信號(hào)中提取位同步信號(hào)，這種方法在數(shù)字通信中經(jīng)常采用，而自同步法具體又可分為濾波法和鎖相法。

根據(jù)基帶信號(hào)的譜分析可以知道，對(duì)于不歸零的隨機(jī)二進(jìn)制序列，不能直接從其中濾出位同步信號(hào)。但是，若對(duì)該信號(hào)進(jìn)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(hào)分量，經(jīng)一個(gè)窄帶濾波器，可濾出此信號(hào)分量，再將它通過(guò)一移相器調(diào)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(diǎn)是先形成含有位同步信息的信號(hào)，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(hào)分量，一般作為提取位同步信號(hào)的中間變換過(guò)程。

圖3濾波法原理框圖

圖3中的波形變換，在實(shí)際應(yīng)用中由微分、整流電路構(gòu)成，經(jīng)微分、整流后的基帶信號(hào)波形如圖4所示。圖4（c）為單極性歸零信號(hào)，它包含有位同步信號(hào)分量，可以通過(guò)濾波器進(jìn)行提取。

另一種常用的波形變換方法是對(duì)帶限信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)檢波。在某些數(shù)字微波中繼通信系統(tǒng)中，經(jīng)常在中頻上用對(duì)頻帶受限的2PSK信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)檢波，用這種方法來(lái)提取位同步信號(hào)。由于頻帶受限，在相鄰碼元的相位變換點(diǎn)附近會(huì)產(chǎn)生幅度的平滑“陷落”。經(jīng)包絡(luò)檢波后，可以得到位同步信號(hào)。

2、采用鎖相法提取位同步

與載波同步的提取類(lèi)似，把采用鎖相環(huán)來(lái)提取位同步信號(hào)的方法稱(chēng)為鎖相法。在數(shù)字通信中，這種鎖相電路常采用數(shù)字鎖相環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

采用鎖相法提取位同步原理方框圖如圖5所示，它由高穩(wěn)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(mén)、附加門(mén)和“或門(mén)”。高穩(wěn)定度振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)整形電路變成周期性脈沖，然后經(jīng)控制器再送入分頻器，輸出位同步脈沖序列。輸入相位基準(zhǔn)與由高穩(wěn)定振蕩器產(chǎn)生的經(jīng)過(guò)整形的n次分頻后的相位脈沖進(jìn)行比較，由兩者相位的超前或滯后，來(lái)確定扣除或附加一個(gè)脈沖，以調(diào)整位同步脈沖的相位。

圖4基帶信號(hào)的微分整流波形

圖7-5利用數(shù)字鎖相環(huán)提取位同步信息

3、位同步系統(tǒng)的性能指標(biāo)

位同步系統(tǒng)的性能指標(biāo)除了效率以外，主要有以下幾個(gè)：（1）相位誤差（精度）,（2）同步建立時(shí)間,（3）同步保持時(shí)間,（4）同步帶寬。下面將對(duì)數(shù)字鎖相法位同步系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行分析。

1.相位誤差

利用數(shù)字鎖相法提取位同步信號(hào)時(shí)，相位比較器比較出誤差以后，立即加以調(diào)整，在一個(gè)碼元周期內(nèi)（相當(dāng)于360°相位內(nèi)）加一個(gè)或扣除一個(gè)脈沖。而由圖7-13可見(jiàn)一個(gè)碼元周期內(nèi)由晶振及整形電路來(lái)的脈沖數(shù)為n個(gè)，因此，最大調(diào)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(shí)間

同步建立時(shí)間即為失去同步后重建同步最所需的長(zhǎng)時(shí)間。為了求得這個(gè)可能出現(xiàn)的最長(zhǎng)時(shí)間，令位同步脈沖的相位與輸入信號(hào)碼元的相位相差為秒，而鎖相環(huán)每調(diào)整一步僅能調(diào)整秒，故所需最大的調(diào)整次數(shù)為

（2）

由于數(shù)字信息是一個(gè)隨機(jī)的脈沖序列，可近似認(rèn)為兩相鄰碼元中出現(xiàn)01、10、11、00的概率相等，其中有過(guò)零點(diǎn)的情況占一半。而數(shù)字鎖相法都是從數(shù)據(jù)過(guò)零點(diǎn)中提取標(biāo)準(zhǔn)脈沖的，因此平均來(lái)說(shuō)，每2Tb秒可調(diào)整一次相位，故同步建立時(shí)間為

（3）

為了使同步建立時(shí)間ts減小，要求選用較小的n，這就和相位誤差對(duì)n的要求相矛盾。

3.同步保持時(shí)間

同步建立后，一旦輸入信號(hào)中斷，或者遇到長(zhǎng)連0碼、長(zhǎng)連1碼時(shí)，由于接收的碼元沒(méi)有過(guò)零脈沖，鎖相系統(tǒng)就因?yàn)闆](méi)有輸入相位基準(zhǔn)而不起作用，另外收發(fā)雙方的固有位定時(shí)重復(fù)頻率之間總存在頻差，收端位同步信號(hào)的相位就會(huì)逐漸發(fā)生漂移，時(shí)間越長(zhǎng)，相位漂移量越大，直至漂移量達(dá)到某一準(zhǔn)許的最大值，就算失步了。

設(shè)收發(fā)兩端固有的碼元周期分別為 和，則

（4）

式中的F0為收發(fā)兩端固有碼元重復(fù)頻率的幾何平均值，且有，這樣由式（4）可得

（5）

式（5）說(shuō)明，當(dāng)收發(fā)兩端存在頻差時(shí)，每經(jīng)過(guò)時(shí)間，收發(fā)兩端就會(huì)產(chǎn)生的時(shí)間漂移。反過(guò)來(lái)，若規(guī)定兩端容許的最大時(shí)間漂移為秒（K為一常數(shù)），需要經(jīng)過(guò)多長(zhǎng)時(shí)間才會(huì)達(dá)到此值呢？這樣求出的時(shí)間就是同步保持時(shí)間

（6）

設(shè)收發(fā)兩端的頻率穩(wěn)定度相同，每個(gè)振蕩器的頻率誤差均為/2，則每個(gè)振蕩器頻率穩(wěn)定度為

（7）

式（7）說(shuō)明，要想延長(zhǎng)同步保持時(shí)間，需要提高收發(fā)兩端振蕩器的頻率穩(wěn)定度。

4.同步帶寬Δf

如果輸入信號(hào)碼元的重復(fù)頻率和收端固有位定時(shí)脈沖的重復(fù)頻率不相等時(shí)，每經(jīng)過(guò)時(shí)間（近似地說(shuō)，也就是每隔一個(gè)碼元周期），該頻差會(huì)引起的時(shí)間漂移。而根據(jù)數(shù)字鎖相環(huán)的工作原理，鎖相環(huán)每次所能調(diào)整的時(shí)間為 ，如果對(duì)隨機(jī)數(shù)字來(lái)說(shuō)，平均每?jī)蓚€(gè)碼元周期才能調(diào)整一次，那么平均一個(gè)碼元周期內(nèi)，鎖相環(huán)能調(diào)整的時(shí)間只有。很顯然，如果輸入信號(hào)碼元的周期與收端固有位定時(shí)脈沖的周期之差為

（8）

則鎖相環(huán)將無(wú)法使收端位同步脈沖的相位與輸入信號(hào)的相位同步，這時(shí)由頻差所造成的相位差就會(huì)逐漸積累。這樣就可以得到的最大值

（9）

結(jié)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。