1、1,通信原理,第13章 同步原理 (13.4-13.5),2,复习-码元同步的主要性能指标,相位误差 码元同步信号的平均相位与最佳相位之间的偏差。 为减小码元同步相位误差的影响，分频次数N应越大越好，但N越大，建立同步所需的时间越长。,同步建立时间ts 丢失同步后重建同步所需要的时间。,3,同步保持时间 从接收信号消失或接收信号中的码元同步信号消失开始，到码元同步电路输出的码元同步信号中断为止这段时间，称为码元同步保持时间。,同步门限信噪比 在保证一定码元同步质量的前提下，接收机输入端所允许的最小信噪比。,复习-码元同步的主要性能指标,4,复习-群同步前后方保护时间,前方保护时间从第一个同步码
2、丢失到同步系统进入捕 捉状态为止的这段时间。引入前方保护时间 使系统具有识别漏同步的能力。,后方保护时间为避免假同步，引入后方保护时间，系指捕捉到第一个同步码到进入同步状态之间的这段时间。,5,群同步码的要求： 快速准确识别； 假同步和漏同步的概率小； 群同步码长应尽可能短。,复习-群同步码的选择,群同步码的选择码型；码长；良好的相位辨别能力，尖锐的自相关特性。,6,复习-巴克码,定义：设一个N位码组为x1, x2, ,xN，其自相关函数满足：则称为巴克码。,7,13.4.4 群同步性能 主要性能指标： 假同步概率Pf ：当捕捉同步码时同步系统将错误的同步位置当作正确的同步位置捕捉到。产生假同
3、步的主要原因是由于噪声的影响使信息码元错成同步码元。,13.4 群同步,8,漏同步概率Pl：同步系统将正确的同步位置漏过而没有捕捉到。漏同步的主要原因是噪声的影响，使正确的同步码元变成错误的码元。,13.4 群同步,9,13.4 群同步,漏同步概率计算：设接收码元错误概率为p，需检验的同步码元数为n，检验时容许错误的最大码元数为m，则未漏判定为同步码的概率等于,10,13.4 群同步,漏同步概率等于当不允许有错误时，即设定m = 0时，则上式变为不允许有错同步码时漏同步的概率。,11,13.4 群同步,假同步概率计算 假设信息码元是等概率的，即其中“1”和“0”的先验概率相等；并且假设假同步完
4、全是由于某个信息码组被误认为是同步码组造成的。同步码组长度为n，所以n位的信息码组有2n种排列。它被错当成同步码组的概率和容许错误码元数m有关。,12,13.4 群同步,若不容许有错码，即m = 0，则只有一种可能，即信息码组中的每个码元恰好都和同步码元相同。若m = 1，则有Cn1种可能将信息码组误认为是同步码组。假同步的总概率为分母2n是全部可能出现的信息码组数。,13,13.4 群同步,比较 比较漏同步和假同步公式可见，当判定条件放宽时，即m增大时，漏同步概率减小，但假同步概率增大。 设计时需折中考虑。,14,13.4 群同步,平均建立时间：从开始捕捉转变到保持态所需的时间 以集中插入法
5、为例进行计算 假设漏同步和假同步都不发生，则由于在一个群同步周期内一定会有一次同步码组出现。所以捕捉同步码组时，最长需要等待一个周期的时间，最短则不需等待，立即捕到。平均而言，需要等待半个周期的时间。,15,13.4 群同步,设N为每群的码元数目，其中群同步码元数目为n，T为码元持续时间，则一群的时间为NT，它就是捕捉到同步码组需要的最长时间；而平均捕捉时间为NT / 2。若考虑到出现一次漏同步或假同步大约需要多用NT的时间才能捕获到同步码组，故这时的群同步平均建立时间约为te NT(1/2 + Pf + Pl),16,第13章 同步原理,13.1 概述 13.2 载波同步 13.3 码元同步
6、 13.4 群同步 13.5 网同步,主要内容,17,13.5 网同步,13.5.1 概述 网同步目的：使各站能够互连互通，正确地接收信息码元。 在数字通信网中，若交换机的本地时钟 与外来信息码速率略有偏差，将发生错读现象，称之为滑码现象。 网同步方法分类： 单向通信系统：一般由接收设备调整自已的时钟，使之和发送设备的时钟同步。,18,13.5 网同步,双向通信系统： 同步网：全网各站具有统一时间标准 异步网或准同步网：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够协调工作。,19,13.5 网同步,同步网的同步方法 可能由接收设备负责解决，也可能需要收发双方共同解决。4个地球（终
7、端）站的时隙安排：,20,13.5 网同步,因为每个地球站只允许在给定的一段时隙中发送信号，故地球站的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，各个地球站的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。,21,13.5 网同步,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。这称为发射机同步方法。,22,13.5 网同步,发射机同步方法的分类：
8、 开环法：开环方法不需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。,23,13.5 网同步,开环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，这种方法很好。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，这种方法就难以有效地使用。 开环法的主要优点是捕捉快、不需要反向链路也能工作和实时运算量小。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。,24,13.5 网同步,闭环法：在闭环法中，中心站需要测量来自终端站的信
9、号的同步准确度，并将测量结果通过反向信道送给终端站。闭环法需要一条反向信道传送此测量结果，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。 闭环法的优点：不需要预先得知链路参量的数据。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。,25,13.5 网同步,闭环法的缺点：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；捕捉同步也需要较长的时间。,26,13.5 网同步,异步网或准同步网的同步方法： 以卫星通信网为例：若这时4个地球站的上行信号都是一次群E-1信号，它们在卫星S1上接收到后，合并成二次群E-2信号，再发送给卫星S2。这时由于4个地球站的时钟
10、间存在误差，虽然其码元标称速率都是2048 kb/s，但是实际速率不同。在S1上合成的E-2群码元速率为8448 kb/s，这个速率是以卫星S1上的复接设备时钟为准的。,27,13.5 网同步,将8448 kb/s平均分配到每个E-1群的码元速率为2112 kb/s，它高于2048 kb/s。所以，尽管各地球站的时钟有误差，但是在卫星上的复接设备中合路时，平均将各路输入信号的码元速率都提高到以地球站时钟为准的2112 kb/s上，而不去管各路输入信号的码元速率存在误差。,28,13.5 网同步,13.5.2 开环法 开环法分类： 需要利用反向链路提供的信息； 不需要利用反向链路提供的信息。由于
11、没有反馈信息需要处理，所以对处理能力没有要求，但是其通信性能显然受链路特性稳定性的影响。,29,13.5 网同步,开环法举例：一个卫星通信系统，中心站在卫星上，终端站在地面。所有地面发射机的同步系统都需要预先校正信号的定时和频率，以求信号用预定的频率在预定的时间到达卫星接收机。,30,13.5 网同步,预先校正时间：发射机需要计算信号的传输时间，即用电磁波的传播速率去除发射机和接收机间的距离，并将发射时间按计算结果适当提前。这样，信号到达中心站的时间为式中，Tt 实际发送开始时间；d 传输距离；c 光速。,31,13.5 网同步,预先校正发送频率：发射机需要考虑由于地面发射机和卫星接收机间相对
12、运动产生的多谱勒频移。为了能够正确接收，发送频率应该等于 式中，V 相对速度（距离缩短时为正）；f0 标称发射频率。,32,13.5 网同步,时间预测的误差：频率预测误差：,33,13.5 网同步,参考时间和参考频率的关系：预测时间误差t 和预测频率误差f 通常是由于参考频率的随机起伏引起的。发射机或接收机的参考时间通常来自参考频率的周期，故参考时间和参考频率的准确性有关。参考频率的起伏很难用统计方法表述，通常规定一个每天最大容许误差,34,13.5 网同步, 值的典型范围： 廉价的晶体振荡器 10-5至10-6 高质量的晶体振荡器 10-9至10-11 铷原子钟 10-12 铯原子钟 10-
13、13,35,13.5 网同步,在规定每天最大容许误差的情况下，若无外界干预，则频率偏移可能随时间线性地增大：式中，f(T) 在时间T内增大的频率偏移f(0) 初始（t = 0时）频率偏移T 时间（天）,36,13.5 网同步,若参考时间是按计算周期得到的，则积累的时间偏差t(T)和参考频率的积累相位误差有关：若没有外界干预，参考时间误差可以随时间按平方律增长。,37,13.5 网同步,准闭环发射机同步法：终端站能够利用对反向链路信号测量进行同步的方法。准闭环法显然比纯开环法更适应通信系统的变动性。,38,13.5 网同步,13.5.3 闭环法原理： 闭环法需要终端站发送特殊的同步信号，用以决定
14、信号的时间和频率误差。,39,13.5 网同步,种类： 中心站有处理能力：中心站可以进行实际的误差测量。这种测量可以是给出偏离的量和方向，也可以是只给出方向。这个信息用反向链路送回给终端站发射机。 中心站没有处理能力：此时将特殊同步信号直接由反向链路送回终端站发射机。由终端站发射机自己解读返回信号。,40,13.5 网同步,优缺点：在中心站处理的优点： 在反向链路上传送的误差测量结果可以是一个短的数字序列。当一条反向链路为大量终端站所时分复用时，这样可有效地利用返回链路。 在中心站上的误差测量手段能够被所有连到中心站的终端站共享。这相当于大量节省了系统的处理能力。,41,13.5 网同步,在终
15、端站处理的优点： 中心站不需要易于接入，并且中心站可以设计得较简单以提高可靠性。 响应更快，因为没有在中心站处理带来的延迟。若链路的参量变化很快，这一点是很重要的。,42,13.5 网同步,在终端站处理的缺点： 反向信道的使用效率不高 返回信号可能难于解读 这种情况发生在中心站不仅是简单地转发信号，而且还对码元作判决，再在反向链路上发送此判决结果。因为在反向信号中含有时间和频率偏离的影响，即由码元判决产生的影响。,43,13.5 网同步,例：设一个终端站采用2FSK向中心站发送信号，中心站采用非相干解调。这时的判决将决定于信号的能量。中心站接收的信号可以用下式表示：式中 中心站接收信号的角频率
16、误差； t 中心站接收信号到达时间误差；,44,13.5 网同步,若中心站解调器的两个正交分量输出为：则解调信号的能量为,45,13.5 网同步,对于时间误差 t为0的特殊情况，上式变为对于频率误差为0的特殊情况，上式变为,46,13.5 网同步,预先校正频率法：,在上面的2FSK系统例子中，由终端站发送一个连续的正弦波，其频率等于2FSK信号两个频率的平均值； 然后中心站将收到的这个信号检测后转发回终端站。由于这时在中心站接收机中的判决应是“1”和“0”出现概率相等的码元，故将其转发回终端站时，将在反向链路中产生一个随机二进制序列。,47,13.5 网同步,若原发送的连续正弦波没有频率误差，
17、则终端站收到的序列中的两种符号概率相等。利用这种原理就能找到中心频率，从而在终端站上准确地预先校正频率。,48,13.5 网同步,一旦找到正确的频率，终端站发射机再交替发送“1”和“0”，以寻找正确的定时。这时，在半个码元时间内改变发送的定时，发射机就能找到给出最坏误码性能的时间。 因为在中心站收到的码元位置和正确位置相差半个码元时，中心站2FSK接收机的两个检波器给出相等的能量，判决结果是随机的，故在反向链路上发回的二进制序列也将是随机的。终端站发射机可以用这种原理计算正确的定时。,49,13.5 网同步,这种方法比用寻找误码性能最佳点更好。因为在任何设计良好的系统中，码元能量大得足够容许存
18、在少许定时误差，所以即使定时不准，反向信号也可能没有误码。,50,13.5 网同步,13.5.4 准同步传输系统复接的码速调整法 码速调整方案：正码速调整法、负码速调整法、正/负码速调整法、正/零/负码速调整法等。,51,13.5 网同步,PDH系统二次群的正码速调整法 基本原理：复接设备对各支路输入低次群码元抽样时采用的抽样速率比各路码元速率略高。这样，经过一段时间积累后，若不进行调整，则必将发生错误抽样，即将出现一个输入码元被抽样两次的情况：,52,出现重复抽样时，需减少一次抽样，或将所抽样值舍去。 按照这种思路得出的二次群正码速调整方案(ITU建议),13.5 网同步,53,8.448
19、Mb/s的二次群共有4个输入支路，每路速率为2.048Mb/s，复接帧长为848比特，每帧分成4组，每组212比特。 在第I 组中，第1至10比特是复接群同步码“1111010000”若连续4帧在此位置上没有收到正确的群同步码，就认为失去了群同步。在失步后，若连续3帧在此位置上又正确地收到群同步码，则认为恢复了同步。,13.5 网同步,54,13.5 网同步,第11比特用于向远端发送出故障告警信号；在发出告警信号时其状态由“0”变为“1”。 第12比特为国内通信用；在跨国链路上它置为“1”。 码速调整控制码Cji (i =1, 2, 3)分布在第II、III和IV组中，共计12个比特，每路3比
20、特。当某支路无需码速调整时，该支路的3个比特为“000”；当需要进行码速调整时，为“111”。并且当该支路的这3个比特不同时，建议对这3个比特采用多数判决。,55,13.5 网同步,在第IV组中的第5至8比特是用于码速调整的比特，它们分别为4个支路服务。当某支路无需码速调整时，该支路的这个比特将用于传输该支路输入的信息码；当某支路需要码速调整时，该支路的这个比特将用于插入调整比特，此比特在送到远端分接后将作为无用比特删除。,56,13.5 网同步,按照上述方案，在每个复接帧的848比特中可以有824比特用于传输支路输入信息码元，其它24比特为开销，故平均每支路有效负荷为206比特。 在以8.4
21、48Mb/s速率传输二次群信号时，用于传输有效信号负荷的传输速率分到每条支路约为2052.226 kb/s，它略高于一次群的标称速率2048 kb/s。所以可以用正码速调整的方法进行调整。,57,13.5 网同步,由于复接帧的重复速率为：且每个复接帧中至多能够为每条支路插入一个调整比特，所以支路的最大码速调整速率约为10 kb/s。,58,13.5 网同步,在二次群中，以2052.226 kb/s的速率传输比特率为2048kb/s的支路输入。所以，需要在每支路输入的码元序列中插入4.226 kb/s的码速调整比特。 由于最高可能的插入速率是9.962 kb/s，所以将比值称为标称码速调整比。它表示平均有42.4%的码速调整比特位置需要插入调整比特，而剩余的57.6%位置上可以传输支路输入比特。,59,小结,群同步的性能指标；网同步的分类；准同步系统的码速调整法。,习题： 13-5，13-7,
