通信原理第十一章同步原理

第11章同步原理

11.1概述

收發(fā)雙方不在一地，要使他們步調(diào)一致的協(xié)調(diào)工作，必須有同步系統(tǒng)來保證。應(yīng)用范圍：數(shù)字通信系統(tǒng)和采用相干解調(diào)的模擬通信系統(tǒng)所謂同步是指收發(fā)雙方在時間上步調(diào)一致，故又稱定時。在數(shù)字通信中，按照同步的功用分為：載波同步、位同步、群同步和網(wǎng)同步。(1)載波同步（相干解調(diào)）

接收端載波的獲取稱為載波提取或載波同步。載波同步是實現(xiàn)相干解調(diào)的先決條件。(2)位同步（碼元同步）

數(shù)字通信系統(tǒng)中，任何消息都是通過一連串碼元序列傳送的，所以接收時需要知道每個碼元的起止時刻，以便在恰當(dāng)?shù)臅r刻進(jìn)行取樣判決。這就要求接收端必須提供一個位定時脈沖序列，該序列的重復(fù)頻率與碼元速率相同(3)群同步群同步,也稱幀同步。必須知道這些“字”、“句”的起止時刻，否則接收端無法正確恢復(fù)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(gòu)。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(biāo)記，在接收端檢測并獲取這一標(biāo)志的過程，稱為幀同步。

(4)網(wǎng)同步為了保證通信網(wǎng)內(nèi)各用戶之間可靠地通信和數(shù)據(jù)交換，全網(wǎng)必須有一個統(tǒng)一的時間標(biāo)準(zhǔn)時鐘，這就是網(wǎng)同步的問題。同步也是一種信息，按照獲取和傳輸同步信息方式的不同，又可分為外同步法和自同步法。(1)外同步法由發(fā)送端發(fā)送專門的同步信息（常被稱為導(dǎo)頻），接收端把這個導(dǎo)頻提取出來作為同步信號的方法，稱為外同步法.載波同步,位同步,群同步(2)自同步法發(fā)送端不發(fā)送專門的同步信息，接收端設(shè)法從收到的信號中提取同步信息的方法，稱為自同步法?？梢园讶抗β屎蛶挿峙浣o信號傳輸載波同步和位同步中得到越來越廣泛的應(yīng)用11.2載-波-同-步11.2.1直接法直接法也稱自同步法。這種方法是設(shè)法從接收信號中提取同步載波。有些信號，如DSB-SC、PSK等，它們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，因而可從中提取出載波分量來。下面介紹幾種常用的方法。1.平方變換法和平方環(huán)法此方法廣泛用于建立抑制載波的雙邊帶信號的載波同步。設(shè)調(diào)制信號m(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——平方律器件后得到：若m(t)=±1，則抑制載波的雙邊帶信號就成為二相移相信號（2PSK），這時：

圖11–1平方變換法提取載波在實際中，伴隨信號一起進(jìn)入接收機(jī)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(fù)的相干載波更為純凈，窄帶濾波器常用鎖相環(huán)代替，稱為平方環(huán)法提取載波。

11.2.2插入導(dǎo)頻法殘留邊帶（VSB）信號雖含有載波分量，但很難從已調(diào)信號的頻譜中把它分離出來。單邊帶（SSB）信號，它既沒有載波分量又不能用直接法提取載波，只能用插入導(dǎo)頻法。1.在抑制載波的雙邊帶信號中插入導(dǎo)頻插入導(dǎo)頻:在已調(diào)信號頻譜中額外插入一個低功率的線譜，以便接收端作為載波同步信號加以恢復(fù)，此線譜對應(yīng)的正弦波稱為導(dǎo)頻信號。采用插入導(dǎo)頻法應(yīng)注意：導(dǎo)頻頻率與載波頻率相關(guān)插入導(dǎo)頻的位置與已調(diào)信號頻譜結(jié)構(gòu)有關(guān)零點插入、附近頻譜分量小、便于導(dǎo)頻的提取在調(diào)制以前先對基帶信號進(jìn)行相關(guān)編碼。在圖中插入的導(dǎo)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”。2PSK和DSB信號都屬于抑制載波的雙邊帶信號，所以上述插入導(dǎo)頻方法對兩者均適用。對于SSB信號，導(dǎo)頻插入的原理也與上述相同。調(diào)制過程：解調(diào)過程：

11.2.3載波同步系統(tǒng)的性能及相位誤差對解調(diào)性能的影響

1.載波同步系統(tǒng)的性能指標(biāo)

高效率指為了獲得載波信號而盡量少消耗發(fā)送功率。在這方面，直接法由于不需要專門發(fā)送導(dǎo)頻，因而效率高，而插入導(dǎo)頻法由于插入導(dǎo)頻要消耗一部分發(fā)送功率，因而效率要低一些。

高精度指接收端提取的載波與需要的載波標(biāo)準(zhǔn)比較，應(yīng)該有盡量小的相位誤差。如需要的同步載波為cosωct，提取的同步載波為cos(ωct+Δφ)，

同步建立時間ts：指從開機(jī)或失步到同步所需要的時間。顯然ts越小越好。

同步保持時間tc：指同步建立后，若同步信號小時，系統(tǒng)還能維持同步的時間。2.載波相位誤差對解調(diào)性能的影響相位誤差Δφ對不同信號的解調(diào)所帶來的影響是不同的。DSB和PSK的解調(diào)情況：DSB和2PSK信號都屬于雙邊帶信號，具有相似的表示形式。設(shè)DSB信號為m(t)cosωct，所提取的相干載波為cos(ωct+Δφ)，這時解調(diào)輸出m′(t)為

m′(t)=m(t)cosΔφ

，若存在相位差，即Δφ≠0時，cosΔφ＜1，解調(diào)后信號幅度下降，使功率和信噪功率比下降cos2Δφ倍。對于2PSK信號，信噪功率比下降將使誤碼率增加。對單邊帶和殘留邊帶解調(diào)而言，相位誤差Δφ不僅引起信噪比下降，而且還引起輸出波形失真。11.3位同步

位同步是指在接收端的基帶信號中提取碼元定時的過程。它與載波同步有一定的相似和區(qū)別。位同步是正確取樣判決的基礎(chǔ)，只有數(shù)字通信才需要，并且不論基帶傳輸還是頻帶傳輸都需要位同步；位同步信息是頻率等于碼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實現(xiàn)方法也有插入導(dǎo)頻法和直接法。11.3.1插入導(dǎo)頻法

這種方法與載波同步時的插入導(dǎo)頻法類似雙極性非歸零基帶信號的功率譜數(shù)字雙相碼基帶信號的功率譜

11.3.2直接法在數(shù)字通信中得到了最廣泛的應(yīng)用。直接提取位同步的方法又分濾波法和特殊鎖相環(huán)法。1.

濾波法1)波形變換-濾波法非歸零的隨機(jī)二進(jìn)制序列，不論是單極性還是雙極性的，當(dāng)P(0)=P(1)=1/2時，都沒有f=1/T，2/T等線譜，因而不能直接濾出f=1/T的位同步信號分量。但是，若對該信號進(jìn)行某種變換，例如，變成歸零的單極性脈沖，其譜中含有f=1/T的分量，然后用窄帶濾波器取出該分量，再經(jīng)移相調(diào)整后就可形成位定時脈沖。11.4群同步實現(xiàn)群同步，通常采用的方法：起止式同步法插入特殊同步碼組同步法11.4.1起止式同步法數(shù)字電傳機(jī)中廣泛使用的是起止式同步法。在電傳機(jī)中，常用的是五單位碼。為標(biāo)志每個字的開頭和結(jié)尾，加上

1個單位的起碼（低電平）

1.5個單位的止碼（高電平）共7.5個碼元組成一個字收端根據(jù)高電平第一次轉(zhuǎn)到低電平這一特殊標(biāo)志來確定一個字的起始位置，從而實現(xiàn)字同步。

11.4.2連貫式插入法

連貫插入法，又稱集中插入法。它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(yīng)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。對該碼組的基本要求是：具有尖銳單峰特性的自相關(guān)函數(shù)；便于與信息碼區(qū)別；碼長適當(dāng)，以保證傳輸效率。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，目前常用的群同步碼組是巴克碼。巴克碼：是一種有限長的非周期序列。它的定義如下：一個n位長的碼組{x1,x2,x3，…，xn}，其中xi的取值為+1或－1，若它的局部相關(guān)函數(shù)則稱這種碼組為巴克碼，其中j表示錯開的位數(shù)。表11-1巴克碼組

n巴克碼組2＋＋(11)3＋＋－（110）4＋＋＋－(1110)；＋＋－＋(1101)5＋＋＋－＋(11101)7＋＋＋－－＋－(1110010)11＋＋＋－－－＋－－＋－(11100010010)13＋＋＋＋＋－－＋＋－＋－＋(1111100110101)圖11–247位巴克碼的自相關(guān)函數(shù)

2.巴克碼識別器用移位寄存器、相加器和判決器就可以組成一個巴克碼識別器。當(dāng)輸入碼元的“1”輸入某移位寄存器時，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，輸入“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。各移位寄存器輸出端的接法與巴克碼的規(guī)律一致,識別器實際上是對輸入的巴克碼進(jìn)行相關(guān)運