第7章-同步原理課件

第7章同步原理7.1概述7.2載波同步7.3位同步7.4群同步第7章同步原理7.1概述1在通信系統(tǒng)中，發(fā)同步器、收同步器分別為發(fā)射機、接收機提供各種同步信號，使收、發(fā)設備能步調(diào)一致地進行工作，從而確保了信息的正確傳輸?？梢姡剑⊿ynchronous）是通信系統(tǒng)（尤其是數(shù)字通信系統(tǒng)）中的關鍵技術，也是通信系統(tǒng)必不可少的重要組成部分之一。所謂同步，是指在通信系統(tǒng)中接收端必須具有或達到與發(fā)送端一致的參數(shù)標準。例如，收、發(fā)兩端時鐘的一致；收、發(fā)兩端載波頻率和相位的一致；收、發(fā)兩端幀和復幀的一致等。通信系統(tǒng)中同步的種類很多，按照其功能和作用可以分為載波同步、位同步、群同步和網(wǎng)同步四種。7.1概述下一頁返回在通信系統(tǒng)中，發(fā)同步器、收同步器分別為發(fā)射機、接收機提供各種21．載波同步在前面的模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制學習過程中，我們了解到要想實現(xiàn)相干解調(diào)，必須有相干載波。可見，載波同步是實現(xiàn)相干解調(diào)的先決條件。因而，無論是在模擬通信還是在數(shù)字通信中，只要采用了相干解調(diào)，在接收端都需要提供一個與發(fā)送端完全同頻同相的載波信號，其獲取方法就稱為載波提取或載波同步。2．位同步位同步又稱碼元同步或比特同步。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，接收端無論采用什么解調(diào)方式，都要用到位同步，而在模擬通信中不存在位同步。數(shù)字通信中，任何消息都是通過一連串碼元序列表示且傳送的，這些碼元一般均具有相同的持續(xù)時間。7.1概述下一頁返回上一頁1．載波同步7.1概述下一頁返回上一頁3接收端接收這些碼元序列時，必須知道每個碼元的起止時刻，以便在恰當?shù)臅r刻進行抽樣判決。例如在抽樣、判別、解碼、解密等環(huán)節(jié)上，都要用到碼元同步。這就要求接收端必須提供一個碼元定時脈沖序列，該序列的重復頻率和相位必須與接收到的碼元重復頻率和相位一致，以保證在接收端的定時脈沖重復頻率與發(fā)送端的碼元速率相同，相位與最佳抽樣判決時刻一致。我們把提取這種碼元定時脈沖序列的過程稱為位同步。3．群同步數(shù)字通信的信息流是若干碼元構成一個“字”，若干個“字”組成一“句”，稱為幀結(jié)構。接收時，須識別這些“字”、“句”的起止時刻，7.1概述下一頁返回上一頁接收端接收這些碼元序列時，必須知道每個碼元的起止時刻，以便在4此識別方法稱為“字”同步、“句”同步，否則接收端將無法正確恢復信息。對于數(shù)字時分多路通信系統(tǒng)，如PCM30/32電話系統(tǒng)，各路信碼都安排在指定的時隙內(nèi)傳送，形成一定的幀結(jié)構。為了使接收端能正確分離各路信號，在發(fā)送端必須提供每幀的起止標記，在接收端檢測并獲取這一標志的過程，稱為“幀”同步。因此，在接收端產(chǎn)生與“字”、“句”及“幀”起止時刻相一致的定時脈沖序列的過程統(tǒng)稱為群同步。4．網(wǎng)同步在獲得了以上討論的載波同步、位同步、群同步之后，兩點間的數(shù)字通信就可以有序、準確而可靠地進行了。然而，隨著數(shù)字通信的發(fā)展，尤其是計算機通信的發(fā)展，7.1概述下一頁返回上一頁此識別方法稱為“字”同步、“句”同步，否則接收端將無法正確恢5多個用戶之間的通信和數(shù)據(jù)交換，構成了數(shù)字通信網(wǎng)。顯然，為了保證通信網(wǎng)內(nèi)各用戶之間可靠地進行數(shù)據(jù)交換，全網(wǎng)必須有一個統(tǒng)一的時鐘基準，這就是網(wǎng)同步需要討論的問題，限于篇幅這里不作介紹。同步也是一種信息，按照獲取和傳輸同步信息方式的不同，可分為外同步法和自同步法。所謂外同步法是由發(fā)送端發(fā)送專門的同步信息（常被稱為導頻），接收端把這個導頻提取出來作為同步信號的方法，有時也稱為插入導頻法。7.1概述下一頁返回上一頁多個用戶之間的通信和數(shù)據(jù)交換，構成了數(shù)字通信網(wǎng)。顯然，為了保6所謂自同步法，是指發(fā)送端不發(fā)送專門的同步信息，接收端則是設法從收到的信號中提取同步信息的方法，通常也稱為直接法。自同步法是人們最希望的同步方法，因為采用這種方法可以把全部功率和帶寬都分配給信號傳輸，從而提高傳輸效率。在載波同步和位同步中，兩種方法都有采用，但自同步法正得到越來越廣泛的應用；而群同步一般都采用外同步法。同步本身雖然不包含所要傳送的信息，但通信系統(tǒng)只有在收、發(fā)兩端之間建立了同步后才能開始傳送信息，所以同步是進行信息傳輸?shù)谋匾颓疤?。另外，同步性能的好壞又將直接影響著通信系統(tǒng)的性能，如果出現(xiàn)同步誤差或失去同步就會導致通信系統(tǒng)性能下降或通信中斷。7.1概述下一頁返回上一頁所謂自同步法，是指發(fā)送端不發(fā)送專門的同步信息，接收端則是設法7因此，同步系統(tǒng)應具有比信息傳輸系統(tǒng)更高的可靠性和更好的質(zhì)量指標，如同步誤差小、相位抖動小以及同步建立時間短，保持時間長等。7.1概述返回上一頁因此，同步系統(tǒng)應具有比信息傳輸系統(tǒng)更高的可靠性和更好的質(zhì)量指8在模擬通信中，采用相干解調(diào)時要用到載波同步；在數(shù)字通信中，采用頻帶傳輸系統(tǒng)方式時，也一定要用到載波同步?？梢?，載波同步是同步系統(tǒng)的一個重要方面。實現(xiàn)載波同步的方法有直接法和插入導頻法兩種。7.2.1直接法有些信號，如DSB、2PSK等，雖然本身不直接含有載波分量，但經(jīng)過某種非線性變換后，將具有載波的諧波分量，可從中提取出載波分量，產(chǎn)生與載波有關的信息，從而完成載波的提取和系統(tǒng)的同步，這就是直接法提取同步載波的基本原理。下面介紹幾種常用的變換法。7.2載波同步下一頁返回在模擬通信中，采用相干解調(diào)時要用到載波同步；在數(shù)字通信中，采91．平方變換法此方法廣泛用于建立抑制載波的雙邊帶（DSB）信號和二相移相（2PSK）信號的載波同步。設調(diào)制信號x(t)無直流分量，則抑制載波的雙邊帶信號為接收端將該信號經(jīng)過非線性變換——平方律部件后得到可以看出，雖然前面假設x(t)中無直流分量，但x2(t)卻一定含有直流分量。這是因為x2(t)必為大于等于0的數(shù)，因此，x2(t)的均值也必大于0，而這個均值就是x2(t)的直流分量，這樣e(t)的第二項中就只包含有載波倍頻的頻率分量。7.2載波同步下一頁返回上一頁1．平方變換法7.2載波同步下一頁返回上一頁10若用一窄帶濾波器將頻率分量濾出，再進行二分頻，就可獲得所需的相干載波?；谶@種構思的平方變換法提取載波的方框圖如圖7-1所示。若，則抑制載波的雙邊帶信號就成為2PSK信號，這時因此，同樣能通過圖7-1所示的方法提取載波。2．平方環(huán)法當然，在實際中伴隨信號一起進入接收機的還有加性高斯白噪聲，為了改善平方變換法的性能，使恢復的相干載波更為純凈，圖7-1中的窄帶濾波器常用鎖相環(huán)（PLL）來實現(xiàn)，如圖7-3所示，稱為平方環(huán)法。7.2載波同步下一頁返回上一頁若用一窄帶濾波器將頻率分量濾出，再進行二分頻，就可獲11鎖相環(huán)是一個相位負反饋控制系統(tǒng)，即利用輸入信號與輸出信號的相位誤差去控制輸出信號的頻率，從而具有良好的頻率跟蹤、窄帶濾波和記憶功能。因此，平方環(huán)法比一般的平方變換法具有更好的性能，在提取載波方面得到了較廣泛的應用。3．同相正交環(huán)法同相正交環(huán)法又稱科斯塔斯（Costas）環(huán)，它的原理框圖如圖7-4所示。在此環(huán)路中，壓控振蕩器（VCO）提供兩路互為正交的載波，與輸入接收信號分別在同相和正交兩個鑒相器中進行鑒相，經(jīng)低通濾波之后的輸出均含調(diào)制信號，兩者相乘后可以消除調(diào)制信號的影響，經(jīng)環(huán)路濾波器得到僅與相位差有關的控制壓控，從而準確地對壓控振蕩器進行調(diào)整。7.2載波同步下一頁返回上一頁鎖相環(huán)是一個相位負反饋控制系統(tǒng)，即利用輸入信號與輸出7.212設輸入的抑制載波雙邊帶信號為，并假定環(huán)路鎖定，且不考慮噪聲的影響，則VCO輸出的兩路互為正交的本地載波分別為式中，θ是壓控振蕩器輸出信號與輸入已調(diào)信號載波之間的相位誤差。那么，輸入已調(diào)信號分別與v1、v2相乘后得7.2載波同步下一頁返回上一頁設輸入的抑制載波雙邊帶信號為，并假定環(huán)路13經(jīng)低通濾波后的輸出分別為則乘法器的輸出為Costas環(huán)與平方環(huán)都是利用鎖相環(huán)提取載波的常用方法，也都存在相位模糊的問題。Costas環(huán)與平方環(huán)相比，雖然在電路上要復雜一些，但它的工作頻率即為載波頻率，而平方環(huán)的工作頻率是載波頻率的兩倍，顯然當載波頻率很高時，工作頻率較低的Costas環(huán)易于實現(xiàn)；其次，當環(huán)路正常鎖定后，Costas環(huán)可直接獲得解調(diào)輸出，而平方環(huán)則沒有這種功能。7.2載波同步下一頁返回上一頁經(jīng)低通濾波后的輸出分別為7.2載波同步下一頁返回上一頁147.2.2插入導頻法在模擬通信系統(tǒng)中，抑制載波的雙邊帶（DSB）信號本身不含有載波；殘留邊帶（VSB）信號雖然一般都含有載波分量，但很難從已調(diào)信號的頻譜中將它分離出來；單邊帶（SSB）信號更是不存在載波分量。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，二相移相（2PSK）信號中的載波分量為零。對這些信號的載波提取，都可以用插入導頻法，尤其是SSB信號，只能用插入導頻法提取載波。下面以DSB信號為例，討論如何在發(fā)送端插入導頻和在接收端提取同步載波。1．在抑制載波的雙邊帶信號中插入導頻插入導頻的位置應該在信號頻譜為零的位置，否則導頻和信號頻譜成分疊加在一起，接收時不易取出。7.2載波同步下一頁返回上一頁7.2.2插入導頻法7.2載波同步下一頁返回上一頁15對于模擬調(diào)制的DSB信號或SSB信號，在載頻fc附近信號頻譜為零，但對于2PSK或2DPSK等數(shù)字調(diào)制的信號，在fc附近的信號頻譜不僅有，而且比較大。因此，對于這樣的數(shù)字信號，在調(diào)制以前先對基帶信號進行相關編碼。相關編碼的作用是把圖7-5（a）所示的基帶信號頻譜函數(shù)變換成圖7-5（b）所示的頻譜函數(shù)，這樣經(jīng)過雙邊帶調(diào)制以后可以得到圖7-6所示的已調(diào)信號的頻譜函數(shù)。由圖7-6可知，在導頻fc附近的頻譜函數(shù)很小，且沒有離散譜，這樣可以在fc處插入頻率為fc的導頻（這里僅畫出正頻域）。不過應注意的是，這時插入的導頻并不是加于調(diào)制器的那個載波，而是將該載波移相90°后的所謂“正交載波”。7.2載波同步下一頁返回上一頁對于模擬調(diào)制的DSB信號或SSB信號，在載頻fc附近信號頻譜16插入導頻的發(fā)端方框圖如圖7-7所示。設調(diào)制信號x(t)中無直流分量，被調(diào)載波為，將它經(jīng)90°移相形成插入導頻-，其中ac是插入導頻的振幅。于是輸出信號為設收端收到的信號與發(fā)端輸出信號相同，則收端用一個中心頻率為fc的窄帶濾波器就可以提取導頻-，再將它移相90°后得到與調(diào)制載波同頻同相的相干載波，接收端的解調(diào)方框圖如圖7-8所示。接收端相乘器的輸出為7.2載波同步下一頁返回上一頁插入導頻的發(fā)端方框圖如圖7-7所示。設調(diào)制信號x(t)中無直17這樣，v(t)將經(jīng)過低通濾除高頻成分后，就可恢復調(diào)制信號x(t)。然而，如果發(fā)端加入的導頻不是正交載波，而是調(diào)制載波，此時發(fā)端的輸出信號表示為則收端用窄帶濾波器取出后直接作為同步載波，但此時經(jīng)過相乘器和低通濾波器解調(diào)后輸出為，多了一個不需要的直流成分，而這個直流成分通過低通濾波器會對數(shù)字信號產(chǎn)生影響，這就是發(fā)端采用正交插入導頻的原因。2PSK就是一種抑制載波的雙邊帶信號，所以上述插入導頻方法也適用。對于SSB信號，導頻插入的原理也與上述相同。7.2載波同步下一頁返回上一頁這樣，v(t)將經(jīng)過低通濾除高頻成分后，就可恢復調(diào)制信號x(182．直接法和插入導頻法的比較直接法的優(yōu)缺點主要表現(xiàn)在以下幾方面：（1）不占用導頻功率．因此信噪功率比可以大一些；（2）可以防止插入導頻法中導頻和信號間由于濾波不好而引起的互相干擾，也可以防止信道不理想引起導頻相位的誤差；（3）有的調(diào)制系統(tǒng)不能用直接法（如SSB系統(tǒng)）。插入導頻法的優(yōu)缺點主要表現(xiàn)在以下幾方面：（1）有單獨的導頻信號，一方面可以提取同步載波，另一方面可以利用它作為自動增益控制；（2）有些不能用直接法提取同步載波的調(diào)制系統(tǒng)只能用插入導頻法；7.2載波同步下一頁返回上一頁2．直接法和插入導頻法的比較7.2載波同步下一頁返回上一19（3）插入導頻法要多消耗一部分不帶信息的功率。因此，與直接法比較，在總功率相同條件下實際信噪功率比要小一些。7.2載波同步返回上一頁（3）插入導頻法要多消耗一部分不帶信息的功率。因此，與直接法20位同步是數(shù)字通信系統(tǒng)中一個非常重要的問題，它是數(shù)字通信系統(tǒng)的“中樞神經(jīng)”，沒有位同步，系統(tǒng)就會出現(xiàn)“紊亂”，無法正常工作。在數(shù)字通信系統(tǒng)的接收端，位同步脈沖一般是通過位同步提取電路獲得。在傳輸數(shù)字信號時，信號通過信道會受到噪聲的影響，而引起信號波形的失真，因此數(shù)字通信系統(tǒng)中接收端都要對接收到的基帶信號進行抽樣判決，以判別出是“1”碼還是“0”碼。抽樣判決器判決的時刻都是由位同步脈沖來控制的。在頻帶傳輸系統(tǒng)中，位同步信號一般可以從解調(diào)后的基帶信號中提取，只有特殊情況下才直接從頻帶信號中提??；在基帶傳輸系統(tǒng)中，位同步信號是直接從接收到的基帶信號中提取。而上節(jié)討論的載波同步信號一定要從載帶信號中提取。7.3位同步下一頁返回位同步是數(shù)字通信系統(tǒng)中一個非常重要的問題，它是數(shù)字通信系統(tǒng)的21可見，位同步是指在接收端的基帶信號中提取碼元定時的過程。它是正確抽樣判決的基礎，只有數(shù)字通信才需要，并且不論頻帶傳輸還是基帶傳輸系統(tǒng)都涉及到位同步；所提取的位同步信息是頻率等于碼元速率的定時脈沖，相位則根據(jù)判決時信號波形決定，可能在碼元中間，也可能在碼元終止時刻或其他時刻。7.3.1位同步的作用與分類1．對位同步信號的基本要求（1）位同步脈沖的頻率必須和發(fā)送端（接收到的數(shù)字信號）的碼元速率相同。（2）位同步脈沖的相位（起始時刻）必須和發(fā)送端（接收到的數(shù)字信號）的碼元相位對準。7.3位同步下一頁返回上一頁可見，位同步是指在接收端的基帶信號中提取碼元定時的過程。它是222．作用（1）為接收端抽樣判決器提供抽樣脈沖。（2）為解碼器、解密器提供脈沖信號（3）在PCM系統(tǒng)中，提供產(chǎn)生路脈沖信號。（4）提供產(chǎn)生幀同步碼的脈沖信號。（5）提供產(chǎn)生各種標志信號的脈沖等。3．分類為了得到碼元同步的定時信號，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的頻率分量。若存在此分量，就可以利用濾波器從信息數(shù)據(jù)流中把位定時信息提取出來；7.3位同步下一頁返回上一頁2．作用7.3位同步下一頁返回上一頁23而在無線通信中，數(shù)字基帶信號一般都采用不歸零的矩形脈沖，并以此對高頻載波作各種調(diào)制，解調(diào)后得到的也是不歸零的矩形脈沖，這種信號本身并不包含位同步信號，可在基帶信號中插入位同步導頻信號，或者對該基帶信號進行某種碼型變換以得到位同步信息。這樣，位同步的實現(xiàn)方法與載波同步相似，也可以分為自同步法（直接法）和外同步法（插入導頻法）兩種。7.3.2外同步法與載波同步時的插入導頻法類似，這種方法是在基帶信號頻譜的零點處插入所需的位定時導頻信號，如圖7-9所示。7.3位同步下一頁返回上一頁而在無線通信中，數(shù)字基帶信號一般都采用不歸零的矩形脈沖，并以24其中，圖（a）為常見的雙極性不歸零基帶信號的功率譜，插入導頻的位置是；圖(b)表示經(jīng)某種相關變換的基帶信號，其頻譜的第一個零點為，插入導頻信號應在處。在接收端，對圖7-9（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)后的基帶信號中提取出位同步所需的信號。這時，位同步脈沖的周期與插入導頻的周期是一致的；而對圖7-9（b）所示的情況，窄帶濾波器的中心頻率應為，因為這時位同步脈沖的周期為插入導頻周期的，故需將插入導頻二倍頻，才獲得所需的位同步脈沖。圖7-10給出了位同步插入導頻法方框圖。7.3位同步下一頁返回上一頁其中，圖（a）為常見的雙極性不歸零基帶信號的功率譜，插入導頻25插入導頻法的另一種形式是使數(shù)字信號的包絡按位同步信號的某種波形變化。例如PSK信號和FSK信號都是包絡不變的等幅波，因此，可將位導頻信號調(diào)制在它們的包絡上，而接收端只要用普通的包絡檢波器就可恢復位同步信號。事實上，同步信號也可以在時域內(nèi)插入，這時載波同步信號、位同步信號和數(shù)據(jù)信號等信息分別被配置在不同的時間段內(nèi)傳送。接收端用鎖相環(huán)路提取出同步信號并保持它，就可以對繼之而來的數(shù)據(jù)信息進行解調(diào)。7.3.3自同步法這一類方法是發(fā)端不專門發(fā)送位定時的導頻信號，而直接從數(shù)字信號中提取位同步信號。7.3位同步下一頁返回上一頁插入導頻法的另一種形式是使數(shù)字信號的包絡按位同步信號的某種波26這種方法在數(shù)字通信中經(jīng)常采用且簡單易行，可分為濾波法和鎖相法兩類。下面分別加以介紹。1．濾波法（1）波形變換-濾波法根據(jù)基帶信號的頻譜分析可以知道，對于不歸零的隨機二進制序列，不論是單極性還是雙極性的，當時，都沒有等線譜，因而不能直接濾出的位同步信號分量。但是，若對該信號進行某種變換，如變成歸零的單極性脈沖后，則該序列中就有的位同步信號分量，經(jīng)一個窄帶濾波器，可濾出此信號分量，再將它通過一移相器調(diào)整相位后，就可以形成位同步脈沖。7.3位同步下一頁返回上一頁這種方法在數(shù)字通信中經(jīng)常采用且簡單易行，可分為濾波法和鎖相法27這種方法的原理方框圖如圖7-11所示。它的特點是先形成含有位同步信息的信號，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分量，一般作為提取位同步信號的中間變換過程。在實際應用中，圖7-11中的波形變換通常由微分、整流電路構成。經(jīng)微分、整流后的基帶信號波形如圖7-12所示，其中，圖7-12（c）為單極性歸零信號，它包含有位同步信號分量，可以通過濾波器進行提取。這是一種從頻帶受限的中頻2PSK信號中提取位同步信息的方法，其原理框圖及波形圖如圖7-13所示。由于信道的頻帶寬度總是有限的，對于2PSK信號，其包絡是不變的等幅波，7.3位同步下一頁返回上一頁這種方法的原理方框圖如圖7-11所示。它的特點是先形成含有位28它具有極寬的載帶寬度。因此，經(jīng)過頻帶有限的信道傳輸后，會使2PSK信號在碼元取值變化的時刻產(chǎn)生幅度平滑“陷落”。這對傳輸?shù)?PSK信號是一種失真，但它正發(fā)生在碼元取值變化或PSK信號相位變化的時刻，所以，它必然包含有位同步的信息。經(jīng)包絡檢波后得到圖7-13（b）所示的波形b，與一直流分量相減后，即可得到具有一定脈沖形狀的歸零脈沖序列，如圖7-13（b）的波形c，它含有位同步的線譜分量，再通過窄帶濾波器（或鎖相環(huán)），然后經(jīng)脈沖整形，就可得到位同步信號。2.鎖相法前面介紹的濾波法中的窄帶濾波器可以是簡單的單調(diào)諧回路或晶體濾波器，也可以是鎖相環(huán)路。7.3位同步下一頁返回上一頁它具有極寬的載帶寬度。因此，經(jīng)過頻帶有限的信道傳輸后，會使229我們把采用鎖相環(huán)來提取位同步信號的方法稱為鎖相法。通常分兩類：一類是環(huán)路中的誤差信號是連續(xù)地調(diào)整位同步信號的相位，稱為模擬鎖相法；另一類是采用了高穩(wěn)定振蕩器（晶振），環(huán)路中的誤差信號不直接用于調(diào)整振蕩器，而是通過一個控制器在晶振輸出的脈沖序列中附加或扣除一個或幾個脈沖，同樣可以調(diào)整加到鑒相器上的位同步脈沖序列的相位，以達到同步的目的，稱為數(shù)字鎖相法。在數(shù)字通信中經(jīng)常采用數(shù)字鎖相法，下面介紹該方法提取位同步信號的原理。常見的數(shù)字鎖相環(huán)位同步器的原理方框圖如圖7-14所示，它由晶振、控制器、分頻器、相位比較器組成。其中，控制器包括圖中的“扣除門”、“附加門”和“或門”，7.3位同步下一頁返回上一頁我們把采用鎖相環(huán)來提取位同步信號的方法稱為鎖相法。通常分兩類30它根據(jù)相位比較器輸出的控制脈沖（“超前脈沖”或“滯后脈沖”）對晶振經(jīng)整形電路輸出的序列實施扣除或附加脈沖；圖中的分頻器是一個計數(shù)器，每當控制器輸出n個脈沖時，它就輸出一個脈沖。這樣，控制器與分頻器共同作用的結(jié)果就調(diào)整了加至相位比較器的位同步信號的相位。這種相位前、后移的調(diào)整量取決于晶振的周期，若接收碼元的速率為，那么振蕩器頻率設定在nf，經(jīng)整形電路之后，輸出周期性脈沖序列，其周期為，相應的相位最小調(diào)整量為。位同步數(shù)字環(huán)的具體工作過程簡述如下：由晶振產(chǎn)生的信號，經(jīng)整形后得到周期為T0和相位差為T0/2的兩個脈沖序列，如圖7-15(a)、(b)所示。7.3位同步下一頁返回上一頁它根據(jù)相位比較器輸出的控制脈沖（“超前脈沖”或“滯后脈沖”）31脈沖序列a通過“扣除門”、“或門”并經(jīng)n次分頻后，輸出本地位同步信號，如圖7-15(c)所示。為了與發(fā)送端時鐘同步，分頻器輸出與接收到的碼元序列同時加到相位比較器進行相位比較，若兩者完全同步，此時相位比較器沒有誤差信號，本地位同步信號作為同步時鐘；若本地位同步信號相位超前于接收碼元序列時，相位比較器輸出一個超前脈沖加到“扣除門”的禁止端將其關閉，扣除一個a路脈沖，如圖7-15(d)所示，使分頻器輸出脈沖的相位滯后1/n周期（3600/n），如圖7-15(e)所示；若本地同步脈沖相位滯后于接收碼元脈沖時，相位比較器輸出一個滯后脈沖去打開“附加門”，使脈沖序列b中的一個脈沖能通過此門及“或門”，正因為兩脈沖序列a和b相差半個周期，所以脈沖序列b中的一個脈沖能插到“扣除門”輸出脈沖序列a中，7.3位同步下一頁返回上一頁脈沖序列a通過“扣除門”、“或門”并經(jīng)n次分頻后，輸出本地位32如圖7-15(f)所示，使分頻器輸入端附加了一個脈沖，于是分頻器的輸出相位就提前1/n周期，如圖7-15(g)所示。這樣，經(jīng)過若干次調(diào)整后，使分頻器輸出的脈沖序列與接收碼元序列達到同步的目的，即實現(xiàn)了位同步。進行相位比較，獲得超前與滯后脈沖常用處理方法有微分整流型和同相正交積分型兩種。限于篇幅，這里不作詳細討論，讀者可參考有關數(shù)字鎖相環(huán)的書籍。用數(shù)字鎖相環(huán)提取位同步信號，由于采用了數(shù)字電路，故實際應用時方便、可靠，也易于實現(xiàn)集成化。當外界干擾對接收碼元影響較大時，使位同步信號忽兒超前、忽兒滯后，鎖相環(huán)不斷調(diào)整，難以穩(wěn)定。這時，可通過數(shù)字式濾波器處理超前、滯后脈沖，減少干擾的影響。7.3位同步返回上一頁如圖7-15(f)所示，使分頻器輸入端附加了一個脈沖，于是分33群同步有時也稱為幀同步，是建立在位同步基礎之上的一種同步。位同步保證了數(shù)字通信系統(tǒng)中收、發(fā)兩端碼元序列的同頻同相，這可以為接收端提供各個碼元的準確抽樣判決時刻。數(shù)字通信時，一定數(shù)目的碼元序列代表著一定的信息（如字母、符號或數(shù)字），通常總是以若干個碼元組成一個“字”，若干個“字”組成一個“句”，即組成一個個的“群”或“幀”進行傳輸。因此，群同步信號的頻率很容易由位同步信號經(jīng)分頻得到。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。這樣，群同步的任務就是在位同步的基礎上識別出這些數(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，使接收設備的群定時與接收到的信號中的群定時處于同步狀態(tài)。7.4群同步下一頁返回群同步有時也稱為幀同步，是建立在位同步基礎之上的一種同步。位34實現(xiàn)群同步，通常有兩類方法：一類類似于載波同步和位同步中的自同步法，是利用特殊的碼元規(guī)律使碼組本身自帶分組信息；另一類是在數(shù)字信息流中插入一個特殊碼組，稱為群同步碼。群同步碼的插入方法分為集中插入法和分散插入法。下面分別予以介紹。在此之前，先介紹一種在電傳機中廣泛使用的起止式同步法。7.4.1起止式同步法目前，數(shù)字電傳機中廣泛使用的就是起止式同步法。在電傳機中，常用的是5單位碼。為標志每個字的開頭和結(jié)尾，在5單位碼的前后分別加上1個單位的起碼（低電平）和1.5個單位的止碼（高電平），共7.5個碼元組成一個字，如圖7-16所示。7.4群同步下一頁返回上一頁實現(xiàn)群同步，通常有兩類方法：一類類似于載波同步和位同步中的自35這樣，接收端可根據(jù)1.5個碼元寬度的高電平第一次轉(zhuǎn)換到低電平這一特殊規(guī)律來確定一個字的起始位置，從而實現(xiàn)了群同步。這種7.5單位碼的止脈沖寬度與碼元寬度不一致會給數(shù)字通信的同步傳輸帶來一定困難。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，因此傳輸效率較低。但起止式同步的優(yōu)點是結(jié)構簡單、易于實現(xiàn)，特別適合于異步低速數(shù)字傳輸方式。7.4.2集中插入法集中插入法又稱連貫式插入法，是指在每一信息群的開頭集中插入作為群同步碼組的特殊碼組，該碼組應在信息碼中很少出現(xiàn)，即使偶爾出現(xiàn)，也不可能依照群的規(guī)律周期出現(xiàn)，接收端按群的周期連續(xù)數(shù)次檢測該特殊碼組，這樣便獲得群同步信息。7.4群同步下一頁返回上一頁這樣，接收端可根據(jù)1.5個碼元寬度的高電平第一次轉(zhuǎn)換到低電平36集中插入法的關鍵是尋找實現(xiàn)群同步的特殊碼組。對該碼組的基本要求是：具有尖銳單峰特性的局部自相關特性；便于與信息碼區(qū)別；群同步識別器需要盡量簡單。符合上述要求的特殊碼組有：全“0”碼、全“1”碼、“1”與“0”交替碼、巴克碼、電話基群群同步碼0011011。目前應用最廣泛的群同步碼組是性能良好的巴克碼。1．巴克碼巴克碼是一種具有特殊規(guī)律的二進制碼組，它是有限長的非周期序列。一個n位的巴克碼組，每個碼元xi只可能取值+1或-1，則它的局部自相關函數(shù)為7.4群同步下一頁返回上一頁集中插入法的關鍵是尋找實現(xiàn)群同步的特殊碼組。對該碼組的基本要37其中，j表示錯開的位數(shù)。目前已找到的所有巴克碼組如表7-1所示。表中的＋、－號表示的取值為+1、-1，分別對應二進制碼的1或0。2．巴克碼識別器巴克碼識別器是比較容易實現(xiàn)的，這里仍以7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個巴克碼識別器，具體結(jié)構如圖7-18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，注意各級移位寄存器接到相加器處的位置，寄存器的輸出有“1”端和“0”端，7.4群同步下一頁返回上一頁7.4群同步下一頁返回上一頁38接法與巴克碼的規(guī)律一致。當輸入碼元的“1”進入某移位寄存器時，該移位寄存器的“1”端輸出電平為+1，“0”端輸出電平為-1；反之，進入“0”碼時，該移位寄存器的“0”端輸出電平為+1，“1”端輸出電平為-1。實際上，巴克碼識別器是對輸入的巴克碼進行相關運算。當一幀信號到來時，首先進入識別器的是群同步碼組，只有當7位巴克碼在某一時刻正好全部進入7位寄存器時，7個移位寄存器輸出端都輸出+1，相加后的最大輸出為+7，其余情況相加結(jié)果均小于+7。對于數(shù)字信息序列，幾乎不可能出現(xiàn)與巴克碼組相同的信息，故識別器的相加輸出也只能小于+7。若判決器的判決門限電平定為+6，那么就在7位巴克碼的最后一位0進入識別器時，識別器輸出一個同步脈沖表示一群的開頭。7.4群同步下一頁返回上一頁接法與巴克碼的規(guī)律一致。當輸入碼元的“1”進入某移位寄存器時39一般情況下，信息碼不會正好都使移位寄存器的輸出為+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。7.4.3分散插入法分散插入法又稱為間歇式插入法，它是將群同步碼以分散的形式均勻插入信息碼流中。此時，群同步碼的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”與“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”。7.4群同步下一頁返回上一頁一般情況下，信息碼不會正好都使移位寄存器的輸出為+1，因此實40在實際應用中，分散插入法較多地用在多路數(shù)字電路系統(tǒng)中，如PCM24路基群設備以及一些簡單的ΔM系統(tǒng)一般都采用“1”與“0”交替碼型，即一幀插入“1”碼，下一幀插入“0”碼，如此交替插入。由于每幀只插一位碼，那么它與信息碼混淆的概率則為1/2，這樣似乎無法識別同步碼，但是這種插入方式在同步捕獲時我們不是檢測一幀兩幀，而是連續(xù)檢測數(shù)十幀，每幀都符合“1”與“0”交替的規(guī)律才確認同步。例如，在24路PCM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，如圖7-19所示。顯然，位同步頻率是群同步頻率的193倍，因此群同步頻率可以通過對位同步頻率進行193次分頻得到。7.4群同步下一頁返回上一頁在實際應用中，分散插入法較多地用在多路數(shù)字電路系統(tǒng)中，如PC41但是，分頻后的群同步脈沖的相位不穩(wěn)定，通?？恐鸫a移位法加以調(diào)整。下面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是，由位同步脈沖經(jīng)過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逐碼移位比較，使本地群碼與發(fā)送來的群同步碼同步。其原理結(jié)構框圖如圖7-20所示。圖中的異或門、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7-21加以說明。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，假設只包含三路信息碼）。7.4群同步下一頁返回上一頁但是，分頻后的群同步脈沖的相位不穩(wěn)定，通常靠逐碼移位法加以調(diào)42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接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所示，本地群碼的位置與波形c接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，假設群同步碼為全“1”碼，其余的信息碼均與群同步碼不同，為“0”。在第1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碼元時間相同。這時，它的位置只與接收信碼中的群同步碼位置相差一位（波形d1）。7.4群同步下一頁返回上一頁如果系統(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，43類似地在第2碼元時間，c又和d1進行比較，產(chǎn)生波形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）。這樣，接收信碼中的群同步碼與本地群碼的位置就完全一致，從而實現(xiàn)了群同步。與此同時，也就提供了各路的定時信號。分散插入的最大特點是同步碼不占用信息時隙，每幀的傳輸效率較高，但是當系統(tǒng)失步時，同步恢復時間較長。這是因為如果發(fā)生了群失步，則需要逐個碼位進行比較檢驗，直到重新收到群同步的位置，才能恢復群同步。另外，實現(xiàn)分散插入的設備較復雜，因為它不像集中插入法那樣，群同步信號集中插入在一起，而是要將群同步在每一子幀里插入一位碼，7.4群同步下一頁返回上一頁類似地在第2碼元時間，c又和d1進行比較，產(chǎn)生波形e1和f144這樣群同步碼編碼后還需要加以存儲。所以，分散插入法較適合于連續(xù)發(fā)送信號的通信系統(tǒng)，若是斷續(xù)發(fā)送信號，每次捕獲同步需要較長的時間，反而降低效率。7.4群同步返回上一頁這樣群同步碼編碼后還需要加以存儲。所以，分散插入法較適合于連45圖7-1平方變換法提取載波方框圖返回圖7-1平方變換法提取載波方框圖返回46圖7-3平方環(huán)法提取載波方框圖返回圖7-3平方環(huán)法提取載波方框圖返回47圖7-4同相正交法提取載波方框圖返回圖7-4同相正交法提取載波方框圖返回48圖7-5相關編碼的頻譜變換返回圖7-5相關編碼的頻譜變換返回49圖7-6抑制載波雙邊帶信號的導頻插入返回圖7-6抑制載波雙邊帶信號的導頻插入返回50圖7-7插入導頻法發(fā)端框圖返回圖7-7插入導頻法發(fā)端框圖返回51圖7-8插入導頻法接收端框圖返回圖7-8插入導頻法接收端框圖返回52圖7-9雙極性不歸零碼的功率譜密度函數(shù)返回圖7-9雙極性不歸零碼的功率譜密度函數(shù)返回53圖7-10位同步插入導頻法方框圖返回圖7-10位同步插入導頻法方框圖返回54圖7-11濾波法原理框圖返回圖7-11濾波法原理框圖返回55圖7-12基帶信號的微分、整流波形返回圖7-12基帶信號的微分、整流波形返回56圖7-13包絡檢波-濾波法提取位同步原理框圖及波形圖返回圖7-13包絡檢波-濾波法提取位同步原理框圖及波形圖返回57圖7-14數(shù)字鎖相環(huán)位同步提取原理方框圖返回圖7-14數(shù)字鎖相環(huán)位同步提取原理方框圖返回58圖7-15位同步脈沖的相位調(diào)整返回圖7-15位同步脈沖的相位調(diào)整返回59圖7-16起止式同步法傳輸?shù)淖址袷椒祷貓D7-16起止式同步法傳輸?shù)淖址袷椒祷?0表7-1常見的巴克碼組返回位數(shù)n巴克碼組2++；–+3++–4+++–；++–+5+++–+7+++––+–11+++–––+––+–13+++++––++–+–+表7-1常見的巴克碼組返回位數(shù)n巴克碼組2++；–+3+61圖7-187位巴克碼識別器返回圖7-187位巴克碼識別器返回62圖7-19分散式插入群同步碼返回圖7-19分散式插入群同步碼返回63圖7-20逐碼移位法實現(xiàn)群同步的原理方框圖返回圖7-20逐碼移位法實現(xiàn)群同步的原理方框圖返回64圖7-21逐碼移位法實現(xiàn)群同步的各點波形返回圖7-21逐碼移位法實現(xiàn)群同步的各點波形返回65第7章同步原理7.1概述7.2載波同步7.3位同步7.4群同步第7章同步原理7.1概述66在通信系統(tǒng)中，發(fā)同步器、收同步器分別為發(fā)射機、接收機提供各種同步信號，使收、發(fā)設備能步調(diào)一致地進行工作，從而確保了信息的正確傳輸?？梢姡剑⊿ynchronous）是通信系統(tǒng)（尤其是數(shù)字通信系統(tǒng)）中的關鍵技術，也是通信系統(tǒng)必不可少的重要組成部分之一。所謂同步，是指在通信系統(tǒng)中接收端必須具有或達到與發(fā)送端一致的參數(shù)標準。例如，收、發(fā)兩端時鐘的一致；收、發(fā)兩端載波頻率和相位的一致；收、發(fā)兩端幀和復幀的一致等。通信系統(tǒng)中同步的種類很多，按照其功能和作用可以分為載波同步、位同步、群同步和網(wǎng)同步四種。7.1概述下一頁返回在通信系統(tǒng)中，發(fā)同步器、收同步器分別為發(fā)射機、接收機提供各種671．載波同步在前面的模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制學習過程中，我們了解到要想實現(xiàn)相干解調(diào)，必須有相干載波?？梢?，載波同步是實現(xiàn)相干解調(diào)的先決條件。因而，無論是在模擬通信還是在數(shù)字通信中，只要采用了相干解調(diào)，在接收端都需要提供一個與發(fā)送端完全同頻同相的載波信號，其獲取方法就稱為載波提取或載波同步。2．位同步位同步又稱碼元同步或比特同步。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，接收端無論采用什么解調(diào)方式，都要用到位同步，而在模擬通信中不存在位同步。數(shù)字通信中，任何消息都是通過一連串碼元序列表示且傳送的，這些碼元一般均具有相同的持續(xù)時間。7.1概述下一頁返回上一頁1．載波同步7.1概述下一頁返回上一頁68接收端接收這些碼元序列時，必須知道每個碼元的起止時刻，以便在恰當?shù)臅r刻進行抽樣判決。例如在抽樣、判別、解碼、解密等環(huán)節(jié)上，都要用到碼元同步。這就要求接收端必須提供一個碼元定時脈沖序列，該序列的重復頻率和相位必須與接收到的碼元重復頻率和相位一致，以保證在接收端的定時脈沖重復頻率與發(fā)送端的碼元速率相同，相位與最佳抽樣判決時刻一致。我們把提取這種碼元定時脈沖序列的過程稱為位同步。3．群同步數(shù)字通信的信息流是若干碼元構成一個“字”，若干個“字”組成一“句”，稱為幀結(jié)構。接收時，須識別這些“字”、“句”的起止時刻，7.1概述下一頁返回上一頁接收端接收這些碼元序列時，必須知道每個碼元的起止時刻，以便在69此識別方法稱為“字”同步、“句”同步，否則接收端將無法正確恢復信息。對于數(shù)字時分多路通信系統(tǒng)，如PCM30/32電話系統(tǒng)，各路信碼都安排在指定的時隙內(nèi)傳送，形成一定的幀結(jié)構。為了使接收端能正確分離各路信號，在發(fā)送端必須提供每幀的起止標記，在接收端檢測并獲取這一標志的過程，稱為“幀”同步。因此，在接收端產(chǎn)生與“字”、“句”及“幀”起止時刻相一致的定時脈沖序列的過程統(tǒng)稱為群同步。4．網(wǎng)同步在獲得了以上討論的載波同步、位同步、群同步之后，兩點間的數(shù)字通信就可以有序、準確而可靠地進行了。然而，隨著數(shù)字通信的發(fā)展，尤其是計算機通信的發(fā)展，7.1概述下一頁返回上一頁此識別方法稱為“字”同步、“句”同步，否則接收端將無法正確恢70多個用戶之間的通信和數(shù)據(jù)交換，構成了數(shù)字通信網(wǎng)。顯然，為了保證通信網(wǎng)內(nèi)各用戶之間可靠地進行數(shù)據(jù)交換，全網(wǎng)必須有一個統(tǒng)一的時鐘基準，這就是網(wǎng)同步需要討論的問題，限于篇幅這里不作介紹。同步也是一種信息，按照獲取和傳輸同步信息方式的不同，可分為外同步法和自同步法。所謂外同步法是由發(fā)送端發(fā)送專門的同步信息（常被稱為導頻），接收端把這個導頻提取出來作為同步信號的方法，有時也稱為插入導頻法。7.1概述下一頁返回上一頁多個用戶之間的通信和數(shù)據(jù)交換，構成了數(shù)字通信網(wǎng)。顯然，為了保71所謂自同步法，是指發(fā)送端不發(fā)送專門的同步信息，接收端則是設法從收到的信號中提取同步信息的方法，通常也稱為直接法。自同步法是人們最希望的同步方法，因為采用這種方法可以把全部功率和帶寬都分配給信號傳輸，從而提高傳輸效率。在載波同步和位同步中，兩種方法都有采用，但自同步法正得到越來越廣泛的應用；而群同步一般都采用外同步法。同步本身雖然不包含所要傳送的信息，但通信系統(tǒng)只有在收、發(fā)兩端之間建立了同步后才能開始傳送信息，所以同步是進行信息傳輸?shù)谋匾颓疤?。另外，同步性能的好壞又將直接影響著通信系統(tǒng)的性能，如果出現(xiàn)同步誤差或失去同步就會導致通信系統(tǒng)性能下降或通信中斷。7.1概述下一頁返回上一頁所謂自同步法，是指發(fā)送端不發(fā)送專門的同步信息，接收端則是設法72因此，同步系統(tǒng)應具有比信息傳輸系統(tǒng)更高的可靠性和更好的質(zhì)量指標，如同步誤差小、相位抖動小以及同步建立時間短，保持時間長等。7.1概述返回上一頁因此，同步系統(tǒng)應具有比信息傳輸系統(tǒng)更高的可靠性和更好的質(zhì)量指73在模擬通信中，采用相干解調(diào)時要用到載波同步；在數(shù)字通信中，采用頻帶傳輸系統(tǒng)方式時，也一定要用到載波同步?？梢姡d波同步是同步系統(tǒng)的一個重要方面。實現(xiàn)載波同步的方法有直接法和插入導頻法兩種。7.2.1直接法有些信號，如DSB、2PSK等，雖然本身不直接含有載波分量，但經(jīng)過某種非線性變換后，將具有載波的諧波分量，可從中提取出載波分量，產(chǎn)生與載波有關的信息，從而完成載波的提取和系統(tǒng)的同步，這就是直接法提取同步載波的基本原理。下面介紹幾種常用的變換法。7.2載波同步下一頁返回在模擬通信中，采用相干解調(diào)時要用到載波同步；在數(shù)字通信中，采741．平方變換法此方法廣泛用于建立抑制載波的雙邊帶（DSB）信號和二相移相（2PSK）信號的載波同步。設調(diào)制信號x(t)無直流分量，則抑制載波的雙邊帶信號為接收端將該信號經(jīng)過非線性變換——平方律部件后得到可以看出，雖然前面假設x(t)中無直流分量，但x2(t)卻一定含有直流分量。這是因為x2(t)必為大于等于0的數(shù)，因此，x2(t)的均值也必大于0，而這個均值就是x2(t)的直流分量，這樣e(t)的第二項中就只包含有載波倍頻的頻率分量。7.2載波同步下一頁返回上一頁1．平方變換法7.2載波同步下一頁返回上一頁75若用一窄帶濾波器將頻率分量濾出，再進行二分頻，就可獲得所需的相干載波?；谶@種構思的平方變換法提取載波的方框圖如圖7-1所示。若，則抑制載波的雙邊帶信號就成為2PSK信號，這時因此，同樣能通過圖7-1所示的方法提取載波。2．平方環(huán)法當然，在實際中伴隨信號一起進入接收機的還有加性高斯白噪聲，為了改善平方變換法的性能，使恢復的相干載波更為純凈，圖7-1中的窄帶濾波器常用鎖相環(huán)（PLL）來實現(xiàn)，如圖7-3所示，稱為平方環(huán)法。7.2載波同步下一頁返回上一頁若用一窄帶濾波器將頻率分量濾出，再進行二分頻，就可獲76鎖相環(huán)是一個相位負反饋控制系統(tǒng)，即利用輸入信號與輸出信號的相位誤差去控制輸出信號的頻率，從而具有良好的頻率跟蹤、窄帶濾波和記憶功能。因此，平方環(huán)法比一般的平方變換法具有更好的性能，在提取載波方面得到了較廣泛的應用。3．同相正交環(huán)法同相正交環(huán)法又稱科斯塔斯（Costas）環(huán)，它的原理框圖如圖7-4所示。在此環(huán)路中，壓控振蕩器（VCO）提供兩路互為正交的載波，與輸入接收信號分別在同相和正交兩個鑒相器中進行鑒相，經(jīng)低通濾波之后的輸出均含調(diào)制信號，兩者相乘后可以消除調(diào)制信號的影響，經(jīng)環(huán)路濾波器得到僅與相位差有關的控制壓控，從而準確地對壓控振蕩器進行調(diào)整。7.2載波同步下一頁返回上一頁鎖相環(huán)是一個相位負反饋控制系統(tǒng)，即利用輸入信號與輸出7.277設輸入的抑制載波雙邊帶信號為，并假定環(huán)路鎖定，且不考慮噪聲的影響，則VCO輸出的兩路互為正交的本地載波分別為式中，θ是壓控振蕩器輸出信號與輸入已調(diào)信號載波之間的相位誤差。那么，輸入已調(diào)信號分別與v1、v2相乘后得7.2載波同步下一頁返回上一頁設輸入的抑制載波雙邊帶信號為，并假定環(huán)路78經(jīng)低通濾波后的輸出分別為則乘法器的輸出為Costas環(huán)與平方環(huán)都是利用鎖相環(huán)提取載波的常用方法，也都存在相位模糊的問題。Costas環(huán)與平方環(huán)相比，雖然在電路上要復雜一些，但它的工作頻率即為載波頻率，而平方環(huán)的工作頻率是載波頻率的兩倍，顯然當載波頻率很高時，工作頻率較低的Costas環(huán)易于實現(xiàn)；其次，當環(huán)路正常鎖定后，Costas環(huán)可直接獲得解調(diào)輸出，而平方環(huán)則沒有這種功能。7.2載波同步下一頁返回上一頁經(jīng)低通濾波后的輸出分別為7.2載波同步下一頁返回上一頁797.2.2插入導頻法在模擬通信系統(tǒng)中，抑制載波的雙邊帶（DSB）信號本身不含有載波；殘留邊帶（VSB）信號雖然一般都含有載波分量，但很難從已調(diào)信號的頻譜中將它分離出來；單邊帶（SSB）信號更是不存在載波分量。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，二相移相（2PSK）信號中的載波分量為零。對這些信號的載波提取，都可以用插入導頻法，尤其是SSB信號，只能用插入導頻法提取載波。下面以DSB信號為例，討論如何在發(fā)送端插入導頻和在接收端提取同步載波。1．在抑制載波的雙邊帶信號中插入導頻插入導頻的位置應該在信號頻譜為零的位置，否則導頻和信號頻譜成分疊加在一起，接收時不易取出。7.2載波同步下一頁返回上一頁7.2.2插入導頻法7.2載波同步下一頁返回上一頁80對于模擬調(diào)制的DSB信號或SSB信號，在載頻fc附近信號頻譜為零，但對于2PSK或2DPSK等數(shù)字調(diào)制的信號，在fc附近的信號頻譜不僅有，而且比較大。因此，對于這樣的數(shù)字信號，在調(diào)制以前先對基帶信號進行相關編碼。相關編碼的作用是把圖7-5（a）所示的基帶信號頻譜函數(shù)變換成圖7-5（b）所示的頻譜函數(shù)，這樣經(jīng)過雙邊帶調(diào)制以后可以得到圖7-6所示的已調(diào)信號的頻譜函數(shù)。由圖7-6可知，在導頻fc附近的頻譜函數(shù)很小，且沒有離散譜，這樣可以在fc處插入頻率為fc的導頻（這里僅畫出正頻域）。不過應注意的是，這時插入的導頻并不是加于調(diào)制器的那個載波，而是將該載波移相90°后的所謂“正交載波”。7.2載波同步下一頁返回上一頁對于模擬調(diào)制的DSB信號或SSB信號，在載頻fc附近信號頻譜81插入導頻的發(fā)端方框圖如圖7-7所示。設調(diào)制信號x(t)中無直流分量，被調(diào)載波為，將它經(jīng)90°移相形成插入導頻-，其中ac是插入導頻的振幅。于是輸出信號為設收端收到的信號與發(fā)端輸出信號相同，則收端用一個中心頻率為fc的窄帶濾波器就可以提取導頻-，再將它移相90°后得到與調(diào)制載波同頻同相的相干載波，接收端的解調(diào)方框圖如圖7-8所示。接收端相乘器的輸出為7.2載波同步下一頁返回上一頁插入導頻的發(fā)端方框圖如圖7-7所示。設調(diào)制信號x(t)中無直82這樣，v(t)將經(jīng)過低通濾除高頻成分后，就可恢復調(diào)制信號x(t)。然而，如果發(fā)端加入的導頻不是正交載波，而是調(diào)制載波，此時發(fā)端的輸出信號表示為則收端用窄帶濾波器取出后直接作為同步載波，但此時經(jīng)過相乘器和低通濾波器解調(diào)后輸出為，多了一個不需要的直流成分，而這個直流成分通過低通濾波器會對數(shù)字信號產(chǎn)生影響，這就是發(fā)端采用正交插入導頻的原因。2PSK就是一種抑制載波的雙邊帶信號，所以上述插入導頻方法也適用。對于SSB信號，導頻插入的原理也與上述相同。7.2載波同步下一頁返回上一頁這樣，v(t)將經(jīng)過低通濾除高頻成分后，就可恢復調(diào)制信號x(832．直接法和插入導頻法的比較直接法的優(yōu)缺點主要表現(xiàn)在以下幾方面：（1）不占用導頻功率．因此信噪功率比可以大一些；（2）可以防止插入導頻法中導頻和信號間由于濾波不好而引起的互相干擾，也可以防止信道不理想引起導頻相位的誤差；（3）有的調(diào)制系統(tǒng)不能用直接法（如SSB系統(tǒng)）。插入導頻法的優(yōu)缺點主要表現(xiàn)在以下幾方面：（1）有單獨的導頻信號，一方面可以提取同步載波，另一方面可以利用它作為自動增益控制；（2）有些不能用直接法提取同步載波的調(diào)制系統(tǒng)只能用插入導頻法；7.2載波同步下一頁返回上一頁2．直接法和插入導頻法的比較7.2載波同步下一頁返回上一84（3）插入導頻法要多消耗一部分不帶信息的功率。因此，與直接法比較，在總功率相同條件下實際信噪功率比要小一些。7.2載波同步返回上一頁（3）插入導頻法要多消耗一部分不帶信息的功率。因此，與直接法85位同步是數(shù)字通信系統(tǒng)中一個非常重要的問題，它是數(shù)字通信系統(tǒng)的“中樞神經(jīng)”，沒有位同步，系統(tǒng)就會出現(xiàn)“紊亂”，無法正常工作。在數(shù)字通信系統(tǒng)的接收端，位同步脈沖一般是通過位同步提取電路獲得。在傳輸數(shù)字信號時，信號通過信道會受到噪聲的影響，而引起信號波形的失真，因此數(shù)字通信系統(tǒng)中接收端都要對接收到的基帶信號進行抽樣判決，以判別出是“1”碼還是“0”碼。抽樣判決器判決的時刻都是由位同步脈沖來控制的。在頻帶傳輸系統(tǒng)中，位同步信號一般可以從解調(diào)后的基帶信號中提取，只有特殊情況下才直接從頻帶信號中提??；在基帶傳輸系統(tǒng)中，位同步信號是直接從接收到的基帶信號中提取。而上節(jié)討論的載波同步信號一定要從載帶信號中提取。7.3位同步下一頁返回位同步是數(shù)字通信系統(tǒng)中一個非常重要的問題，它是數(shù)字通信系統(tǒng)的86可見，位同步是指在接收端的基帶信號中提取碼元定時的過程。它是正確抽樣判決的基礎，只有數(shù)字通信才需要，并且不論頻帶傳輸還是基帶傳輸系統(tǒng)都涉及到位同步；所提取的位同步信息是頻率等于碼元速率的定時脈沖，相位則根據(jù)判決時信號波形決定，可能在碼元中間，也可能在碼元終止時刻或其他時刻。7.3.1位同步的作用與分類1．對位同步信號的基本要求（1）位同步脈沖的頻率必須和發(fā)送端（接收到的數(shù)字信號）的碼元速率相同。（2）位同步脈沖的相位（起始時刻）必須和發(fā)送端（接收到的數(shù)字信號）的碼元相位對準。7.3位同步下一頁返回上一頁可見，位同步是指在接收端的基帶信號中提取碼元定時的過程。它是872．作用（1）為接收端抽樣判決器提供抽樣脈沖。（2）為解碼器、解密器提供脈沖信號（3）在PCM系統(tǒng)中，提供產(chǎn)生路脈沖信號。（4）提供產(chǎn)生幀同步碼的脈沖信號。（5）提供產(chǎn)生各種標志信號的脈沖等。3．分類為了得到碼元同步的定時信號，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的頻率分量。若存在此分量，就可以利用濾波器從信息數(shù)據(jù)流中把位定時信息提取出來；7.3位同步下一頁返回上一頁2．作用7.3位同步下一頁返回上一頁88而在無線通信中，數(shù)字基帶信號一般都采用不歸零的矩形脈沖，并以此對高頻載波作各種調(diào)制，解調(diào)后得到的也是不歸零的矩形脈沖，這種信號本身并不包含位同步信號，可在基帶信號中插入位同步導頻信號，或者對該基帶信號進行某種碼型變換以得到位同步信息。這樣，位同步的實現(xiàn)方法與載波同步相似，也可以分為自同步法（直接法）和外同步法（插入導頻法）兩種。7.3.2外同步法與載波同步時的插入導頻法類似，這種方法是在基帶信號頻譜的零點處插入所需的位定時導頻信號，如圖7-9所示。7.3位同步下一頁返回上一頁而在無線通信中，數(shù)字基帶信號一般都采用不歸零的矩形脈沖，并以89其中，圖（a）為常見的雙極性不歸零基帶信號的功率譜，插入導頻的位置是；圖(b)表示經(jīng)某種相關變換的基帶信號，其頻譜的第一個零點為，插入導頻信號應在處。在接收端，對圖7-9（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)后的基帶信號中提取出位同步所需的信號。這時，位同步脈沖的周期與插入導頻的周期是一致的；而對圖7-9（b）所示的情況，窄帶濾波器的中心頻率應為，因為這時位同步脈沖的周期為插入導頻周期的，故需將插入導頻二倍頻，才獲得所需的位同步脈沖。圖7-10給出了位同步插入導頻法方框圖。7.3位同步下一頁返回上一頁其中，圖（a）為常見的雙極性不歸零基帶信號的功率譜，插入導頻90插入導頻法的另一種形式是使數(shù)字信號的包絡按位同步信號的某種波形變化。例如PSK信號和FSK信號都是包絡不變的等幅波，因此，可將位導頻信號調(diào)制在它們的包絡上，而接收端只要用普通的包絡檢波器就可恢復位同步信號。事實上，同步信號也可以在時域內(nèi)插入，這時載波同步信號、位同步信號和數(shù)據(jù)信號等信息分別被配置在不同的時間段內(nèi)傳送。接收端用鎖相環(huán)路提取出同步信號并保持它，就可以對繼之而來的數(shù)據(jù)信息進行解調(diào)。7.3.3自同步法這一類方法是發(fā)端不專門發(fā)送位定時的導頻信號，而直接從數(shù)字信號中提取位同步信號。7.3位同步下一頁返回上一頁插入導頻法的另一種形式是使數(shù)字信號的包絡按位同步信號的某種波91這種方法在數(shù)字通信中經(jīng)常采用且簡單易行，可分為濾波法和鎖相法兩類。下面分別加以介紹。1．濾波法（1）波形變換-濾波法根據(jù)基帶信號的頻譜分析可以知道，對于不歸零的隨機二進制序列，不論是單極性還是雙極性的，當時，都沒有等線譜，因而不能直接濾出的位同步信號分量。但是，若對該信號進行某種變換，如變成歸零的單極性脈沖后，則該序列中就有的位同步信號分量，經(jīng)一個窄帶濾波器，可濾出此信號分量，再將它通過一移相器調(diào)整相位后，就可以形成位同步脈沖。7.3位同步下一頁返回上一頁這種方法在數(shù)字通信中經(jīng)常采用且簡單易行，可分為濾波法和鎖相法92這種方法的原理方框圖如圖7-11所示。它的特點是先形成含有位同步信息的信號，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分量，一般作為提取位同步信號的中間變換過程。在實際應用中，圖7-11中的波形變換通常由微分、整流電路構成。經(jīng)微分、整流后的基帶信號波形如圖7-12所示，其中，圖7-12（c）為單極性歸零信號，它包含有位同步信號分量，可以通過濾波器進行提取。這是一種從頻帶受限的中頻2PSK信號中提取位同步信息的方法，其原理框圖及波形圖如圖7-13所示。由于信道的頻帶寬度總是有限的，對于2PSK信號，其包絡是不變的等幅波，7.3位同步下一頁返回上一頁這種方法的原理方框圖如圖7-11所示。它的特點是先形成含有位93它具有極寬的載帶寬度。因此，經(jīng)過頻帶有限的信道傳輸后，會使2PSK信號在碼元取值變化的時刻產(chǎn)生幅度平滑“陷落”。這對傳輸?shù)?PSK信號是一種失真，但它正發(fā)生在碼元取值變化或PSK信號相位變化的時刻，所以，它必然包含有位同步的信息。經(jīng)包絡檢波后得到圖7-13（b）所示的波形b，與一直流分量相減后，即可得到具有一定脈沖形狀的歸零脈沖序列，如圖7-13（b）的波形c，它含有位同步的線譜分量，再通過窄帶濾波器（或鎖相環(huán)），然后經(jīng)脈沖整形，就可得到位同步信號。2.鎖相法前面介紹的濾波法中的窄帶濾波器可以是簡單的單調(diào)諧回路或晶體濾波器，也可以是鎖相環(huán)路。7.3位同步下一頁返回上一頁它具有極寬的載帶寬度。因此，經(jīng)過頻帶有限的信道傳輸后，會使294我們把采用鎖相環(huán)來提取位同步信號的方法稱為鎖相法。通常分兩類：一類是環(huán)路中的誤差信號是連續(xù)地調(diào)整位同步信號的相位，稱為模擬鎖相法；另一類是采用了高穩(wěn)定振蕩器（晶振），環(huán)路中的誤差信號不直接用于調(diào)整振蕩器，而是通過一個控制器在晶振輸出的脈沖序列中附加或扣除一個或幾個脈沖，同樣可以調(diào)整加到鑒相器上的位同步脈沖序列的相位，以達到同步的目的，稱為數(shù)字鎖相法。在數(shù)字通信中經(jīng)常采用數(shù)字鎖相法，下面介紹該方法提取位同步信號的原理。常見的數(shù)字鎖相環(huán)位同步器的原理方框圖如圖7-14所示，它由晶振、控制器、分頻器、相位比較器組成。其中，控制器包括圖中的“扣除門”、“附加門”和“或門”，7.3位同步下一頁返回上一頁我們把采用鎖相環(huán)來提取位同步信號的方法稱為鎖相法。通常分兩類95它根據(jù)相位比較器輸出的控制脈沖（“超前脈沖”或“滯后脈沖”）對晶振經(jīng)整形電路輸出的序列實施扣除或附加脈沖；圖中的分頻器是一個計數(shù)器，每當控制器輸出n個脈沖時，它就輸出一個脈沖。這樣，控制器與分頻器共同作用的結(jié)果就調(diào)整了加至相位比較器的位同步信號的相位。這種相位前、后移的調(diào)整量取決于晶振的周期，若接收碼元的速率為，那么振蕩器頻率設定在nf，經(jīng)整形電路之后，輸出周期性脈沖序列，其周期為，相應的相位最小調(diào)整量為。位同步數(shù)字環(huán)的具體工作過程簡述如下：由晶振產(chǎn)生的信號，經(jīng)整形后得到周期為T0和相位差為T0/2的兩個脈沖序列，如圖7-15(a)、(b)所示。7.3位同步下一頁返回上一頁它根據(jù)相位比較器輸出的控制脈沖（“超前脈沖”或“滯后脈沖”）96脈沖序列a通過“扣除門”、“或門”并經(jīng)n次分頻后，輸出本地位同步信號，如圖7-15(c)所示。為了與發(fā)送端時鐘同步，分頻器輸出與接收到的碼元序列同時加到相位比較器進行相位比較，若兩者完全同步，此時相位比較器沒有誤差信號，本地位同步信號作為同步時鐘；若本地位同步信號相位超前于接收碼元序列時，相位比較器輸出一個超前脈沖加到“扣除門”的禁止端將其關閉，扣除一個a路脈沖，如圖7-15(d)所示，使分頻器輸出脈沖的相位滯后1/n周期（3600/n），如圖7-15(e)所示；若本地同步脈沖相位滯后于接收碼元脈沖時，相位比較器輸出一個滯后脈沖去打開“附加門”，使脈沖序列b中的一個脈沖能通過此門及“或門”，正因為兩脈沖序列a和b相差半個周期，所以脈沖序列b中的一個脈沖能插到“扣除門”輸出脈沖序列a中，7.3位同步下一頁返回上一頁脈沖序列a通過“扣除門”、“或門”并經(jīng)n次分頻后，輸出本地位97如圖7-15(f)所示，使分頻器輸入端附加了一個脈沖，于是分頻器的輸出相位就提前1/n周期，如圖7-15(g)所示。這樣，經(jīng)過若干次調(diào)整后，使分頻器輸出的脈沖序列與接收碼元序列達到同步的目的，即實現(xiàn)了位同步。進行相位比較，獲得超前與滯后脈沖常用處理方法有微分整流型和同相正交積分型兩種。限于篇幅，這里不作詳細討論，讀者可參考有關數(shù)字鎖相環(huán)的書籍。用數(shù)字鎖相環(huán)提取位同步信號，由于采用了數(shù)字電路，故實際應用時方便、可靠，也易于實現(xiàn)集成化。當外界干擾對接收碼元影響較大時，使位同步信號忽兒超前、忽兒滯后，鎖相環(huán)不斷調(diào)整，難以穩(wěn)定。這時，可通過數(shù)字式濾波器處理超前、滯后脈沖，減少干擾的影響。7.3位同步返回上一頁如圖7-15(f)所示，使分頻器輸入端附加了一個脈沖，于是分98群同步有時也稱為幀同步，是建立在位同步基礎之上的一種同步。位同步保證了數(shù)字通信系統(tǒng)中收、發(fā)兩端碼元序列的同頻同相，這可以為接收端提供各個碼元的準確抽樣判決時刻。數(shù)字通信時，一定數(shù)目的碼元序列代表著一定的信息（如字母、符號或數(shù)字），通?？偸且匀舾蓚€碼元組成一個“字”，若干個“字”組成一個“句”，即組成一個個的“群”或“幀”進行傳輸。因此，群同步信號的頻率很容易由位同步信號經(jīng)分頻得到。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。這樣，群同步的任務就是在位同步的基礎上識別出這些數(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，使接收設備的群定時與接收到的信號中的群定時處于同步狀態(tài)。7.4群同步下一頁返回群同步有時也稱為幀同步，是建立在位同步基礎之上的一種同步。位99實現(xiàn)群同步，通常有兩類方法：一類類似于載波同步和位同步中的自同步法，是利用特殊的碼元規(guī)律使碼組本身自帶分組信息；另一類是在數(shù)字信息流中插入一個特殊碼組，稱為群同步碼。群同步碼的插入方法分為集中插入法和分散插入法。下面分別予以介紹。在此之前，先介紹一種在電傳機中廣泛使用的起止式同步法。7.4.1起止式同步法目前，數(shù)字電傳機中廣泛使用的就是起止式同步法。在電傳機中，常用的是5單位碼。為標志每個字的開頭和結(jié)尾，在5單位碼的前后分別加上1個單位的起碼（低電平）和1.5個單位的止碼（高電平），共7.5個碼元組成一個字，如圖7-16所示。7.4群同步下一頁返回上一頁實現(xiàn)群同步，通常有兩類方法：一類類似于載波同步和位同步中的自100這樣，接收端可根據(jù)1.5個碼元寬度的高電平第一次轉(zhuǎn)換到低電平這一特殊規(guī)律來確定一個字的起始位置，從而實現(xiàn)了群同步。這種7.5單位碼的止脈沖寬度與碼元寬度不一致會給數(shù)字通信的同步傳輸帶來一定困難。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，因此傳輸效率較低。但起止式同步的優(yōu)點是結(jié)構簡單、易于實現(xiàn)，特別適合于異步低速數(shù)字傳輸方式。7.4.2集中插入法集中插入法又稱連貫式插入法，是指在每一信息群的開頭集中插入作為群同步碼組的特殊碼組，該碼組應在信息碼中很少出現(xiàn)，即使偶爾出現(xiàn)，也不可能依照群的規(guī)律周期出現(xiàn)，接收端按群的周期連續(xù)數(shù)次檢測該特殊碼組，這樣便獲得群同步信息。7.4群同步下一頁返回上一頁這樣，接收端可根據(jù)1.5個碼元寬度的高電平第一次轉(zhuǎn)換到低電平101集中插入法的關鍵是尋找實現(xiàn)群同步的特殊碼組。對該碼組的基本要求是：具有尖銳單峰特性的局部自相關特性；便于與信息碼區(qū)別；群同步識別器需要盡量簡單。符合上述要求的特殊碼組有：全“0”碼、全“1”碼、“1”與“0”交替碼、巴克碼、電話基群群同步碼0011011。目前應用最廣泛的群同步碼組是性能良好的巴克碼。1．巴克碼巴克碼是一種具有特殊規(guī)律的二進制碼組，它是有限長的非周期序列。一個n位的巴克碼組，每個碼元xi只可能取值+1或-1，則它的局部自相關函數(shù)為7.4群同步下一頁返回上一頁集中插入法的關鍵是尋找實現(xiàn)群同步的特殊碼組。對該碼組的基本要102其中，j表示錯開的位數(shù)。目前已找到的所有巴克碼組如表7-1所示。表中的＋、－號表示的取值為+1、-1，分別對應二進制碼的1或0。2．巴克碼識別器巴克碼識別器是比較容易實現(xiàn)的，這里仍以7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個巴克碼識別器，具體結(jié)構如圖7-18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，注意各級移位寄存器接到相加器處的位置，寄存器的輸出有“1”端和“0”端，7.4群同步下一頁返回上一頁7.4群同步下一頁返回上一頁103接法與巴克碼的規(guī)律一致。當輸入碼元的“1”進入某移位寄存器時，該移位寄存器的“1”端輸出電平為+1，“0”端輸出電平為-1；反之，進入“0”碼時，該移位寄存器的“0”端輸出電平為+1，“1”端輸出電平為-1。實際上，巴克碼識別器是對輸入的巴克碼進行相關運算。當一幀信號到來時，首先進入識別器的是群同步碼組，只有當7位巴克碼在某一時刻正好全部進入7位寄存器時，7個移位寄存器輸出端都輸出+1，相加后的最大輸出為+7，其余情況相加結(jié)果均小于+7。對于數(shù)字信息序列，幾乎不可能出現(xiàn)與巴克碼組相同的信息，故識別器的相加輸出也只能小于+7。若判決器的判決門限電平定為+6，那么就在7位巴克碼的最后一位0進入識別器時，識別器輸出一個同步脈沖表示一群的開頭。7.4群同步下一頁返回上一頁接法與巴克碼的規(guī)律一致。當輸入碼元的“1”進入某移位寄存器時104一般情況下，信息碼不會正好都使移位寄存器的輸出為+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。7.4.3分散插入法分