數(shù)字通信系統(tǒng)中的同步技術(shù)研究

摘 要:同步是通信系統(tǒng)中一個(gè)非常重要的問(wèn)題，是進(jìn)行信息傳輸?shù)那疤岷突A(chǔ)，通信系統(tǒng)能否可靠的工作很大程度上依賴于同步技術(shù)的優(yōu)劣。在同步通信系統(tǒng)中，同步系統(tǒng)性能的降低會(huì)導(dǎo)致通信系統(tǒng)性能的降低，甚至使通信系統(tǒng)不能正常工作。主要從位同步信號(hào)的性能要求、同步信號(hào)的提取方法、數(shù)字通信中的同步系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及位同步信號(hào)對(duì)通信系統(tǒng)誤碼率的影響幾方面對(duì)數(shù)字通信系統(tǒng)中的同步技術(shù)進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞:通信系統(tǒng); 同步技術(shù); 系統(tǒng)結(jié)構(gòu); 誤碼率

中圖分類號(hào):TN911 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)07-0048-02

Technology of Synchronization in Digital Communication System

TAN Xue-fei， ZHAO Chun-bo， CHEN Gong

(Department of Computer Science， Binzhou University， Binzhou 256603， China)

Abstract: Synchronization technology plays an important role in communication system. It is a precondition and foundation for the information transmission. The performance of synchronization directly influences the performance of communication system. In the synchronized communication system， the reduction of synchronous performance causes reduction of communication system function， even makes the communication system can′t work normally. In aspects of performance requirements and extracting methods of synchronous signal， the synchronous system architecture in digital communication， and bit error rate of synchronous signal， the synchronization technology in digital communication system is researched.

Keywords: communication system; synchronization technology; system architecture; bit error rate

0 引 言

在數(shù)字通信系統(tǒng)中數(shù)字信息是一串相繼的碼元序列，由于噪聲和碼間干擾的存在，為了得到發(fā)送的信息數(shù)據(jù)獲得可靠的判決結(jié)果，首先必須在解調(diào)器的匹配濾波器的輸出端以符號(hào)速率對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣[1]。然而，接收機(jī)不僅僅要知道采樣的頻率，還要精確地確定在一個(gè)符號(hào)間隔內(nèi)的什么時(shí)刻(即定時(shí)相位)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，這就是數(shù)字通信中極為重要的位同步問(wèn)題。

同步系統(tǒng)性能的高低，會(huì)直接導(dǎo)致通信系統(tǒng)性能的好壞，甚至關(guān)系到通信系統(tǒng)能否正常工作。可以說(shuō)，在同步通信系統(tǒng)中，“同步”是進(jìn)行信息傳輸?shù)那疤幔煌接质菐胶途W(wǎng)同步的基礎(chǔ)，因此，為了保證信息的可靠傳輸，要求同步系統(tǒng)應(yīng)具有更高的可靠性。

1 位同步信號(hào)的性能要求

位同步信號(hào)又稱為時(shí)鐘信號(hào)或者定時(shí)信號(hào)，衡量一個(gè)數(shù)字通信設(shè)備的位同步性能，一般可以從以下幾個(gè)方面來(lái)看[2]:

(1) 相位誤差。

相位誤差是指位同步信號(hào)的平均相位和最佳采樣點(diǎn)的相位之間的偏差。靜態(tài)相差越小，誤碼率越低。

(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所需要的最長(zhǎng)時(shí)間。通常要求同步建立時(shí)間要短。

(3) 同步保持時(shí)間。

同步保持時(shí)間是指從接收信號(hào)消失開(kāi)始到位同步電路輸出位同步信號(hào)中斷為止的時(shí)間。通常要求同步建立時(shí)間要長(zhǎng)。

(4) 位同步門限信噪比。

位同步門限信噪比是在保證一定的位同步質(zhì)量的前提下接收機(jī)輸入端所允許的最小信噪比。該性能反映了位同步恢復(fù)對(duì)深衰落的適應(yīng)能力。

(5) 相位抖動(dòng)。

相位抖動(dòng)是位同步的瞬時(shí)相位和平均相位之差的均方根值。

2 位同步信號(hào)的提取方法[3]

位同步的提取方法總的來(lái)說(shuō)可分為兩大類，一類是外同步法;另一類是自同步法。所謂的外同步法就是指位同步信息的傳遞靠發(fā)端發(fā)送導(dǎo)頻，或是把同步信息寄托在調(diào)制信號(hào)的包絡(luò)上。所謂自同步法即指利用數(shù)字信號(hào)本身來(lái)傳送同步信息。外同步法要占用一定的頻帶和信號(hào)功率，所以在大容量數(shù)字傳輸中一般使用自同步方法。但是，在MPSK調(diào)制信號(hào)以及相干同步解調(diào)的基帶信號(hào)中一般都不存在位同步的譜線量，須進(jìn)行某種非線性處理，才能使其產(chǎn)生位同步信號(hào)的線譜分量。

3 數(shù)字位同步系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

接收機(jī)中實(shí)現(xiàn)位同步的方法一般可分為兩類:一類是通過(guò)反饋環(huán)控制采樣時(shí)鐘的相位來(lái)實(shí)現(xiàn)同步;另一類是使采樣時(shí)鐘獨(dú)立工作，采用數(shù)字信號(hào)處理方法直接從位同步的采樣信號(hào)中獲取準(zhǔn)確采樣時(shí)刻的信號(hào)值。前者在傳統(tǒng)接收機(jī)中應(yīng)用廣泛，而隨著數(shù)字集成電路技術(shù)的發(fā)展第二類方法則受到了越來(lái)越多的重視。實(shí)際上，第二類方法也更適用于全數(shù)字解調(diào)接收系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。圖1給出了這類數(shù)字位同步的基本結(jié)構(gòu)[4]。

圖1 數(shù)字位同步結(jié)構(gòu)示意圖

4 位同步對(duì)數(shù)字通信系統(tǒng)的影響

位同步是數(shù)字通信系統(tǒng)中的重要組成部分，對(duì)通信系統(tǒng)的性能起著決定性作用。位同步的相位誤差一般用θe表示，θe=2π/n(n是分頻器的分頻次數(shù))，有時(shí)也用時(shí)間差Te來(lái)表示，Te=T/n(T為每碼元的周期)。

設(shè)解調(diào)器輸出的基帶數(shù)字信號(hào)如圖2(a)所示，并假設(shè)采用匹配濾波器法檢測(cè)，即對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行積分、取樣和判決。若位同步脈沖有相位誤差Te，則脈沖的取樣時(shí)刻就會(huì)偏離信號(hào)能量的最大點(diǎn)[4]。

圖2 定時(shí)誤差對(duì)判決性能的影響

從圖2可以看出，相鄰碼元相同時(shí)，碼元同步誤差并不會(huì)影響采樣點(diǎn)積分能量值，采樣結(jié)果仍為整個(gè)碼元的能量;但是，當(dāng)相鄰碼元間出現(xiàn)變化時(shí)，位同步偏差會(huì)使積分能量不等于碼元的實(shí)際能量，而疊加上前一碼元的影響，衰減了采樣時(shí)刻的積分能量。圖2(c)表明，當(dāng)相鄰碼元值發(fā)生變化時(shí)，由于碼元定時(shí)誤差的存在使得在一個(gè)碼元周期內(nèi)的前 2Te時(shí)間對(duì)信號(hào)的積分為零，采樣點(diǎn)的值實(shí)際上只是在(Te～2Te)時(shí)間內(nèi)的積分值。積分能量是和時(shí)間成正比的。假設(shè)沒(méi)有碼元定時(shí)誤差，采樣值的積分能量為E，因此，采樣點(diǎn)此時(shí)的積分能量減小為(1-2Te/T)E。對(duì)于2PSK接收系統(tǒng)，有相位誤差時(shí)的誤碼率公式變?yōu)閇5]:

Pe=14erfcEn0+14erfcE1-2TeTn0

式中:E為一比特的信號(hào)能量。

取Te=0.1T時(shí)，比較理想狀態(tài)下和存在碼元定時(shí)誤差時(shí)π/4-DQPSK的誤碼率曲線，如圖3所示，從圖中可以看出碼元定時(shí)誤差的存在會(huì)使系統(tǒng)性能下降，相同信噪比的情況下存在定時(shí)誤差時(shí)的誤碼率要比理想情況下大很多。

圖3 定時(shí)誤差對(duì)誤碼率的影響

5 結(jié) 語(yǔ)

從以上分析可以看出同步系統(tǒng)性能的高低，會(huì)直接導(dǎo)致通信系統(tǒng)性能的好壞，甚至關(guān)系到通信系統(tǒng)能否正常工作。可以說(shuō)，在同步通信系統(tǒng)中，“同步”是進(jìn)行信息傳輸?shù)那疤幔煌接质菐胶途W(wǎng)同步的基礎(chǔ)，因此，為了保證信息的可靠傳輸，要求同步系統(tǒng)應(yīng)具有更高的可靠性。

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