群同步,群同步是什么意思

群同步,群同步是什么意思

數(shù)字通信時，一般總是以一定數(shù)目的碼元組成一個個的“字”或“句”，即組成一個個的“群”進行傳輸?shù)?。因此，群同?a target="_blank">信號的頻率很容易由位同步信號經(jīng)分頻而得出。但是，每個群的開頭和末尾時刻卻無法由分頻器的輸出決定。群同步的任務就是在位同步信息的基礎上，識別出數(shù)字信息群（“字”或“句”）的起止時刻，或者說給出每個群的“開頭”和“末尾”時刻。

群同步有時也稱為幀同步。為了實現(xiàn)群同步，可以在數(shù)字信息流中插入一些特殊碼字作為每個群的頭尾標記，這些特殊的碼字應該在信息碼元序列中不會出現(xiàn)，或者是偶然可能出現(xiàn)，但不會重復出現(xiàn)，此時只要將這個特殊碼字連發(fā)幾次，收端就能識別出來，接收端根據(jù)這些特殊碼字的位置就可以實現(xiàn)群同步。本節(jié)將主要講述插入特殊碼字實現(xiàn)群同步的方法。

插入特殊碼字實現(xiàn)群同步的方法有兩種，即連貫式插入法和間隔式插入法。在介紹這兩種方法以前，先簡單介紹一種在電傳機中廣泛使用的起止式群同步法。?
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起止同步法

目前在電傳機中廣泛使用的同步方法，就是起止式群同步法，下面就以電傳機為例，簡要地介紹一下這種群同步方法的工作原理。

電傳報文的一個字由7.5個碼元組成，假設電傳報文傳送的數(shù)字序列為10010，則其碼元結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖中可以看到，在每個字開頭，先發(fā)一個碼元的起脈沖（負值），中間5個碼元是信息，字的末尾是1.5碼元寬度的止脈沖（正值），收端根據(jù)正電平第一次轉(zhuǎn)到負電平這一特殊規(guī)律，確定一個字的起始位置，因而就實現(xiàn)了群同步。由于這種同步方式中的止脈沖寬度與碼元寬度不一致，就會給同步數(shù)字傳輸帶來不便。另外，在這種同步方式中，7.5個碼元中只有5個碼元用于傳遞信息，因此編碼效率較低。但起止同步的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，它特別適合于異步低速數(shù)字傳輸方式。

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連貫式插入法

連貫式插入法就是在每群的開頭集中插入群同步碼字的同步方法。作群同步碼字用的特殊碼字首先應該具有尖銳單峰特性的局部自相關(guān)特性，其次這個特殊碼字在信息碼元序列中不易出現(xiàn)以便識別，最后群同步識別器需要盡量簡單。目前已經(jīng)找到的最常用的群同步碼字，就是“巴克”碼。

1.巴克碼

巴克碼是一種具有特殊規(guī)律的二進制碼字。它的特殊規(guī)律是：若一個n位的巴克碼{X1,X2,X3,…Xn}，每個碼元 只可能取值+1或-1，則它必然滿足條件

式（1）中，R（j）稱為局部自相關(guān)函數(shù)。從巴克碼計算的局部自相關(guān)函數(shù)可以看到，它滿足作為群同步碼字的第一條特性，也就是說巴克碼的局部自相關(guān)函數(shù)具有尖銳單峰特性，從后面的分析同樣可以看出，它的識別器結(jié)構(gòu)非常簡單。目前人們已找到了多個巴克碼字，具體情況如表1所示。表中+表示+1，–表示–1。

以n = 7的巴克碼為例，它的局部自相關(guān)函數(shù)計算結(jié)果如下

同樣可以求出j = 3、4、5、6、7，以及j = -1、-2、-3、-4、-5、-6、-7時R（j）的值為

根據(jù)式（2）計算出來的這些值，可以作出7位巴克碼關(guān)于R（j）與j的關(guān)系曲線，如圖2。由圖2可以看出，自相關(guān)函數(shù)在j＝0時具有尖銳的單峰特性。局部自相關(guān)函數(shù)具有尖銳的單峰特性正是連貫式插入群同步碼字的主要要求之一。

2.巴克碼識別器

巴克碼識別器是比較容易實現(xiàn)的，這里以七位巴克碼為例，用7級移位寄存器、相加器和判決器就可以組成一識別器，具體結(jié)構(gòu)如圖7-16所示。7級移位寄存器的1、0端輸出按照1110010的順序連接到相加器輸入，接法與巴克碼的規(guī)律一致。當輸入數(shù)據(jù)的“1”存入移位寄存器時，“1”端的輸出電平為+1，而“0”端的輸出電平為-1；反之，存入數(shù)據(jù)“0”時，“0”端的輸出電平為+1，“1”端的電平為-1。

當發(fā)送端送來的碼元自右向左進入時，首先考慮一個簡單的情況：假設只計算巴克碼（1110010）進入的幾個移位寄存器的輸出，此時將有巴克碼進入一位，二位……七位全部進入，第一位移出尚留六位……前六位移出只留一位等13種情況。經(jīng)過計算可得相加器的輸出就是自相關(guān)函數(shù)，設碼元進入移位寄存器數(shù)目為a，碼元尚留在移位寄存器的數(shù)目是b，這是就可以得到a、b和j之間的關(guān)系式

根據(jù)上述關(guān)系可以得到表2，它反映了相加器輸出與a、b之間的關(guān)系。

實際上述群同步碼的前后都是有信息碼的，具體情況如圖4（a）所示，在這種情況下巴克碼識別器的輸出波形如圖4（b）所示。

當七位巴克碼在圖4中的t1時刻，正好已全部進入了7級移位寄存器，這時7個移位寄存器輸出端都輸出+1，相加后得最大輸出+7，如圖4（b）所示，而判決器輸出的兩個脈沖之間的數(shù)據(jù)，稱為一群數(shù)據(jù)或稱為一幀數(shù)據(jù)。

當然，對于信息而言，由于其具有的隨機特性，可以考察一種最不利的情況：即當巴克碼只有部分碼在移位寄存器時，信息碼占有的其它移位寄存器的輸出全部是+1，在這樣一種對于群同步最不利的情況下，相加器的輸出將如表3所示。由此可得到相加器的輸出波形如圖5所示。圖中橫坐標用a表示，由a、b和j之間的關(guān)系可知，a=14-b。

由圖5可以看出，如果判決電平選擇為6，就可以根據(jù)a＝7時相加器輸出的7，大于判決電平6而判定巴克碼全部進入移位寄存器的位置。此時識別器輸出一個群同步脈沖，表示群的開頭。一般情況下，信息碼不會正好都使移位寄存器的輸出均為+1，因此實際上更容易判定巴克碼全部進入移位寄存器的位置。后面還要講到如果巴克碼中有誤碼時，只要錯一個碼，當a＝7時相加器輸出將由7變?yōu)?，低于判決器的判決電平。因此，為了提高群同步的抗干擾性能，防止漏同步，判決電平可以改為4。但改為4以后容易發(fā)生假同步，這些問題在性能分析時要進一步討論。

間歇式插入法

在某些情況下，群同步碼字不再是集中插入在信息碼流中，而是將它分散地插入，即每隔一定數(shù)量的信息碼元，插入一個群同步碼字。這種群同步碼字的插入方式被稱為間歇式插入法。

當然集中式插入法和間歇式插入法在實際系統(tǒng)當中都有應用，例如在32路數(shù)字電話PCM系統(tǒng)中，實際上只有30路通電話，另外兩路中的一路專門作為群同步碼傳輸，而另一路作為其它標志信號用，這就是連貫式插入法的一個應用實例。而在24路PCM系統(tǒng)中，群同步則采用間歇式插入法。在這個系統(tǒng)中，一個抽樣值用8位碼表示，此時24路電話都抽樣一次共有24個抽樣值，192（24×8=192）個信息碼元。192個信息碼元作為一幀，在這一幀插入一個群同步碼元，這樣一幀共193個碼元。24路PCM系統(tǒng)如圖7-19所示：

由于間歇式插入法，是將群同步碼元分散的插入倒信息流中，因此，群同步碼碼型選擇有一定的要求，其主要原則是：首先要便于收端識別，即要求群同步碼具有特定的規(guī)律性，這種碼型可以是全“1”碼、“1”“0”交替碼等；其次，要使群同步碼的碼型盡量和信息碼相區(qū)別。例如在某些PCM多路數(shù)字電話系統(tǒng)中，用全“0”碼代表“振鈴”，用全“1”碼代表“不振鈴”，這時，為了使群同步碼字與振鈴相區(qū)別，群同步碼就不能使用全“1”或全“0”。

收端要確定群同步碼的位置，就必須對接收的碼進行搜索檢測。一種常用檢測方法為逐碼移位法，它是一種串行的檢測方法；另一種方法是RAM幀碼檢測法，它是利用RAM構(gòu)成幀碼提取電路的一種并行檢測方法。這里將介紹逐碼移位法的基本原理和實現(xiàn)同步的過程。

逐碼移位法的基本原理就是，由位同步脈沖（位同步碼）經(jīng)過n次分頻以后的本地群碼（頻率是正確的，但相位不確定）與接收到碼元中間歇式插入的群同步碼進行遠碼移位比較，使本地群碼與發(fā)送來的群同步碼同步。其原理結(jié)構(gòu)框圖如圖7：

圖7中異或門、延遲一位電路和禁門是專門用來扣除位同步碼元以調(diào)整本地群碼相位的，具體過程可以通過圖8看到。

設接收信碼（波形c）中的群同步碼位于畫斜線碼元的位置，后面依次安排各路信息碼1、2、3（為簡單起見，只包含三路信息碼）。如果系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了群同步，則位同步碼（波形a）經(jīng)四次分頻后，就可以使得本地群碼的相位與收信碼中的群同步碼的相位一致?，F(xiàn)在假設開始時如波形d圖所示，本地群碼的位置與波形c收信碼中的群碼位置相差兩個碼元位。為了易于看出逐碼移位法的工作過程，假設群碼為全“1”碼，其余的信息碼均與群碼不同，為“0”。在第一碼元時間，波形c與d不一致，原理圖中的異或門有輸出（波形e），經(jīng)延遲一碼元后，得波形f加于禁門，扣掉位同步碼的第2個碼元（波形b的第2個碼元位置用加一叉號表示），這樣分頻器的狀態(tài)在第2碼元期間沒有變化，因而分頻器本地群碼的輸出仍保持和第1碼元時相同。這時，它的位置只與收信碼中的群碼位置相差一位了（見波形d1）。

類似地在第2碼元時間，c又和d1進行比較，產(chǎn)生碼形e1和f1，又在第3碼元位置上扣掉一個位同步碼，使本地群碼的位置又往后移一位（波形d2）。至此以后，收信碼中的群碼與本地群碼的位置就完全一致了，因而就實現(xiàn)了群同步。同時，也就提供了各路的定時信號。

從圖8表示的群同步建立原理來看，如果信息碼中所有的碼都與群碼不同，那么最多只要連續(xù)經(jīng)過N次調(diào)整，經(jīng)過NTb的時間就可以建立同步了。但實際上信息碼中“l(fā)”、“0”碼均會出現(xiàn)，當出現(xiàn)“1”碼時，在上面群同步過程的例子中，第1個位同步碼對應的時間內(nèi)信息碼為“1”，圖7-21中異或門輸出e＝0，f＝0禁門不起作用，不扣除第2位同步碼，因此本地群碼不會向右移展寬，這一幀調(diào)整不起作用，一直要到下一幀才有可能調(diào)整。假如下一幀本地群碼d還是與信碼中“1”碼相對應，則調(diào)整又不起作用。當信息碼中1、0碼等概出現(xiàn)時，即P(1)＝P(0)＝0.5時，經(jīng)過計算，群同步平均建立的時間近似為 （5）

群同步系統(tǒng)的性能指標

對于群同步系統(tǒng)而言，希望其建立的時間要短、建立同步以后應該具有較強的抗干擾能力。因此，在通常情況下，用以下三個性能指標來表示群同步性能的好壞，它們是：（1）漏同步概率P1；（2）假同步概率P2；（3）群同步平均建立時間ts。

   不同形式的同步系統(tǒng)，性能自然也不同。在此將主要分析集中插入方式的群同步系統(tǒng)的性能。

1.漏同步概率P1

由于噪聲和干擾的影響，會引起群同步碼字中一些碼元發(fā)生錯誤，從而使識別器漏識別已發(fā)出的群同步碼字，出現(xiàn)這種情況的概率稱為漏識概率，用符號 來表示。以7位巴克碼識別器為例，設判決門限為6，此時7位巴克碼中只要有一位碼發(fā)生錯誤，當7位巴克碼全部進入識別器時，相加器輸出就由7變5，小于判決門限6，這時就出現(xiàn)了漏同步情況，因此，只有一位碼也不錯才不會發(fā)生漏同步。若在這種情況下，將判決門限電平降為4，識別器就不會漏識別，這時判決器容許7位同步碼字中有一個錯誤碼元。??

在信息碼中也可能出現(xiàn)與所要識別的群同步碼字相同的碼字，這時識別器會把它誤認為群同步碼字而出現(xiàn)假同步。出現(xiàn)這種情況的概率就被稱為假同步概率，用符號P2表示。

因此，計算假同步概率P2計算信息碼元中能被判為同步碼字的組合數(shù)與所有可能的碼字數(shù)之比。設二進制信息碼中1和0碼等概出現(xiàn)，也就是P(1)＝P(0)＝0.5，則由該二進制碼元組成n位碼字的所有可能的碼字數(shù)為2n個，而其中能被判為同步碼字的組合數(shù)也與m有關(guān)，這里m表示判決器容許群同步碼字中最大錯碼數(shù)，若m＝0時，只有個碼字能識別；若M＝1，則有個碼字能識別。以此類推，就可求出信息碼元中可以被判為同步碼字的組合數(shù)，這個數(shù)可以表示為，由此可得假同步概率的表達式為

從式（6）和式（7）可以看到，隨著m的增大，也就是隨著判決門限電平降低，P1減小，但P2將增大，所以這兩項指標是相互矛盾的。所以，判決門限的選取要兼顧漏同步概率和假同步概率。

3.群同步平均建立時間ts

對于連貫式插入的群同步而言，設漏同步和假同步都不發(fā)生，也就是P1 = 0和P2 = 0。在最不利的情況下，實現(xiàn)群同步最多需要一群的時間。設每群的碼元數(shù)為N（其中m位為群同步碼），每碼元時間為Tb，則一群碼的時間為NTb。考慮到出現(xiàn)一次漏同步或一次假同步大致要多花費 的時間才能建立起群同步，故群同步的平均建立時間大致為：

群同步的保護

1.連貫式插入法中的群同步保護

連貫式插入法中的群同步保護電路如圖9。在群同步尚末建立時，系統(tǒng)處于捕捉態(tài)，狀態(tài)觸發(fā)器C的Q端為低電平，群同步碼字識別器的判決門限電平較高，因而就減小了假同步概率P2。這時在保護電路中，由于把判決門限電平調(diào)高，假同步的概率已很小，故保護電路中的n分頻器被置零，禁止位同步n分頻后輸出。這里的n表示一幀數(shù)據(jù)的長度，因此，在置零信號無效時，位同步n分頻后可以輸出一個與群同步同頻的信號，但脈沖位置不能保證與群同步脈沖位置相同，而這個脈沖位置也正是需要捕捉態(tài)確定的。

從圖9可以看到，為了減小假同步的概率，必須連續(xù) 次接收的碼元與本地群碼相一致，才被認為是建立了同步，采用這種方法可使假同步的概率大大減小。

狀態(tài)觸發(fā)器C在同步末建立時處于“捕捉態(tài)”（此時Q端為低電平）。本地群碼和收碼只有連續(xù)n1次一致時，n1計數(shù)電路才輸出一個脈沖使狀態(tài)觸發(fā)器的Q端由低電平變?yōu)楦唠娖?，群同步系統(tǒng)就由捕捉態(tài)轉(zhuǎn)為維持態(tài)，表示同步已經(jīng)建立。這樣收碼就可通過與門1加至解調(diào)器。偶然的一致是不會使狀態(tài)觸發(fā)器改變狀態(tài)的，因為 次中只要有一次不一致，就會使計數(shù)電路置“0”。

同步建立以后，可以利用狀態(tài)觸發(fā)器C和n2計數(shù)電路，來防止漏同步以提高同步系統(tǒng)的抗干擾能力。一旦轉(zhuǎn)為維持狀態(tài)以后，觸發(fā)器C的Q反端變?yōu)榈碗姾?，將與門2封閉。這時即使由于某些干擾使e有輸出，也不會調(diào)整本地群碼的相位。如果是真正的失步，e就會不斷地將輸出加到n2計數(shù)電路，同時e的反也不斷將 計數(shù)電路置“0”。這時n1計數(shù)電路也不會再有輸出加到n2計數(shù)電路的置“0”端上，而當n2計數(shù)電路輸入脈沖的累計數(shù)達到n2時，就輸出一個脈沖使狀態(tài)觸發(fā)器由維持態(tài)轉(zhuǎn)為捕捉態(tài)，C觸發(fā)器的Q反端轉(zhuǎn)為高電平。這樣，一方面與門2打開，群同步系統(tǒng)又重新進行逐碼移位，另一方面封閉與門1，使解調(diào)器暫停工作。由此可以看出，將逐碼移位法群同步系統(tǒng)劃分為捕捉態(tài)和維持態(tài)后，既提高了同步系統(tǒng)的可靠性，又增加了系統(tǒng)的抗干擾能力。