第11章同步原理

為使整個通信系統(tǒng)有序、準(zhǔn)確、可靠地工作，收、發(fā)必須有一個統(tǒng)一的時間標(biāo)準(zhǔn)，即定時系統(tǒng)。依靠定時系統(tǒng)去完成收、發(fā)雙方時間的一致性，即同步。（數(shù)字，模擬）11.0引言一、同步的目的第一頁，共54頁。第一頁，共54頁。載波同步：在接收端得到一個與發(fā)端同頻同相的載波。

位同步：在接收端產(chǎn)生一個與接收碼元頻率和相位吻合的脈沖序列。

幀同步（群同步）：在接收端產(chǎn)生一個標(biāo)志每幀首尾的定時脈沖。

網(wǎng)同步：為使數(shù)字通信網(wǎng)有一個統(tǒng)一的時間基準(zhǔn)而進(jìn)行的同步。使整個網(wǎng)有統(tǒng)一時間標(biāo)準(zhǔn)。1、按不同的功用分：二、同步的分類第二頁，共54頁。第二頁，共54頁。

2、按同步信息傳輸方式的不同：

外同步法：由發(fā)端插入專門的同步信息，接收端提取檢測出同步信息的方法。

自同步法：收端直接從信號中提取同步信息的方法。第三頁，共54頁。第三頁，共54頁。11.1載波同步11.0引言11.2位同步第十一章同步原理11.3幀同步第四頁，共54頁。第四頁，共54頁。11.1載波同步直接法也稱自同步法，是指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。載波同步是指在相干解調(diào)時，接收端需要提供一個與接收信號中的調(diào)制載波同頻同相的相干載波。這個載波的獲取稱為載波提取或載波同步。一、直接提取法第五頁，共54頁。第五頁，共54頁。1、信號中含有載頻分量帶通

窄帶濾波器

900相移低通第六頁，共54頁。第六頁，共54頁。非線性變換法2、信號中不含有載頻分量

1)平方變換法帶通低通平方部件2分頻窄帶濾波Φ(t)u0(t)第七頁，共54頁。第七頁，共54頁。接收端信號：經(jīng)過平方律器件：含有載波分量二倍頻,用窄帶濾波器濾出后進(jìn)行二分頻，就可獲得所需的相干載波。平方變換法提取載波第八頁，共54頁。第八頁，共54頁。實際中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。平方環(huán)法提取載波鎖相環(huán)具有良好的跟蹤、窄帶濾波和記憶功能，平方環(huán)法比一般的平方變換法具有更好的性能。因此，平方環(huán)法提取載波得到了較廣泛的應(yīng)用。2)平方環(huán)法第九頁，共54頁。第九頁，共54頁。多相移相信號（MPSK）的載波提取M次方環(huán)提取載波第十頁，共54頁。第十頁，共54頁。3)同相正交環(huán)法－科斯塔斯（Costas）環(huán)壓控振蕩器（VCO）提供兩路正交載波，與輸入接收信號分別進(jìn)行同相和正交鑒相后相乘，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(guān)的控制壓控，從而準(zhǔn)確地對壓控振蕩器進(jìn)行調(diào)整。最終解調(diào)輸出第十一頁，共54頁。第十一頁，共54頁。平方環(huán)和Costas環(huán)得鑒相特性

1、Costas環(huán)電路上復(fù)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；

2、當(dāng)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。存在相位模糊第十二頁，共54頁。第十二頁，共54頁。多相Costas環(huán)法的提取載波第十三頁，共54頁。第十三頁，共54頁。對于不含載頻分量的信號，如何在接收端提取出本地載波信號呢？采用的方法之一是在發(fā)送端的有用載波信號中插入一個導(dǎo)頻信號，該導(dǎo)頻信號在接收端被提取出來作為本地載波信號。導(dǎo)頻信號的設(shè)計要考慮在接收端易于分離。在實際使用中，并不直接插入施加于調(diào)制器的那個載波作為導(dǎo)頻信號，而是將該載波移相90o后得到所謂的“正交載波”再插入。插入導(dǎo)頻法又分為頻域插入導(dǎo)頻法和時域插入導(dǎo)頻法。二、插入導(dǎo)頻法第十四頁，共54頁。第十四頁，共54頁。sm(t)=Af(t)cos

0t+asin

0t例

DSB信號：

1、頻域插入信號頻譜為零的位置插入正交導(dǎo)頻第十五頁，共54頁。第十五頁，共54頁。

sm(t)asin0t相乘調(diào)制器帶通濾波器相加器振蕩器-90o相移器

f(t)

Af(t)cos0tAcos0t采用正交濾波是為了防止恢復(fù)出來的原始信號中含有直流分量。頻域插入導(dǎo)頻法中的導(dǎo)頻信號布滿了整個時間軸.第十六頁，共54頁。第十六頁，共54頁。收端仍采用窄帶濾波器將asin

0t分離，相移π/2后成為本地載波。發(fā)送信號:Φ(t)=f(t)cos

0t+asin

0t第十七頁，共54頁。第十七頁，共54頁。時域中的導(dǎo)頻信號僅存在于時間軸的一定間隔上。2、時域插入位同步幀同步載波同步信息位同步幀同步載波同步信息第一幀第二幀第十八頁，共54頁。第十八頁，共54頁。時域插入導(dǎo)頻法接收端提取載波第十九頁，共54頁。第十九頁，共54頁。1、直接法的優(yōu)缺點（1）不占用導(dǎo)頻功率，因此信噪功率比可以大一些；（2）可以防止插入導(dǎo)頻法中導(dǎo)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(dǎo)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)).三、直接法和插入法的比較第二十頁，共54頁。第二十頁，共54頁。2、插入導(dǎo)頻法的優(yōu)缺點

(1)有單獨(dú)的導(dǎo)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(dǎo)頻法.(3)插入導(dǎo)頻法要多消耗一部分不帶消息的功率，因此與直接法比較，在總功率相同條件下信噪功率比還要小一些.第二十一頁，共54頁。第二十一頁，共54頁。11.1.3載波同步系統(tǒng)的性能指標(biāo)相位誤差通常由穩(wěn)態(tài)相差和隨機(jī)相差組成。穩(wěn)態(tài)相差主要是指載波信號通過同步信號提取電路以后，在穩(wěn)態(tài)下所引起的相差；隨機(jī)相差是由于隨機(jī)噪聲的影響而引起同步信號的相位誤差。載波同步系統(tǒng)的性能除了高效率、高精度外，還要求同步建立時間快、保持時間長等。第二十二頁，共54頁。第二十二頁，共54頁。由于隨機(jī)的高斯噪聲疊加在載波信號上，會使載波同步信號產(chǎn)生隨機(jī)的相位誤差。（1）穩(wěn)態(tài)相差用窄帶濾波器提取載波，假設(shè)所用的窄帶濾波器為一個簡單的單調(diào)諧回路，其品質(zhì)因素Q值一定。（2）隨機(jī)相差（3）建立時間和保持時間載波同步系統(tǒng)的建立時間ts和保持時間tc，也以窄帶濾波器提取載波為例來作討論。第二十三頁，共54頁。第二十三頁，共54頁?？偟南辔徽`差φ應(yīng)是這兩部分相位誤差的代數(shù)和，即φ=Δφ+σφ4.載波相位誤差對解調(diào)性能的影響（1）DSB

設(shè)已收到的雙邊帶信號為S(t)=m(t)cosωct

提取出的相干載波為Sc(t)=cos(ωct+φ)

則解調(diào)時，相乘器的輸出經(jīng)低通濾波器后為X(t)=1/2m(t)cosφ第二十四頁，共54頁。第二十四頁，共54頁。 （2）SSB

設(shè)基帶信號m(t)=cosΩt，單邊帶信號取上邊帶為1/2cos(ωc+Ω)t，當(dāng)解調(diào)相干載波有相位誤差φ時，相干載波與已調(diào)信號相乘1/2cos(ωc+Ω)tcos(ωct+φ)=1/4［cos（2ωct+Ωt+φ）+cos（Ωt－φ）］第二十五頁，共54頁。第二十五頁，共54頁。11.1載波同步11.0引言11.2位同步第十一章同步原理11.3幀同步第二十六頁，共54頁。第二十六頁，共54頁。11.2位同步對位同步信號要求：*位同步脈沖的頻率與發(fā)端碼元速率相同*位同步脈沖的相位對準(zhǔn)最佳判決時刻位同步又稱碼元同步，收發(fā)碼元同步，用以確定接收碼元信號的取樣判決時刻。通常從基帶信號中提取定時信號。位同步的方法直接法插入導(dǎo)頻法*濾波法*直接從頻帶信號中提取位同步信號*PLL提取位同步第二十七頁，共54頁。第二十七頁，共54頁。相加調(diào)制位定時導(dǎo)頻信道插入導(dǎo)頻法時，一般是在基帶數(shù)字信號功率譜的零點處插入所需要的位同步導(dǎo)頻信號。一、插入導(dǎo)頻法（外同步法）第二十八頁，共54頁。第二十八頁，共54頁。發(fā)送端接收端去除插入載波的影響！倍頻！第二十九頁，共54頁。第二十九頁，共54頁。發(fā)送端不專門發(fā)送導(dǎo)頻信號，而直接從接收的數(shù)字信號中提取位同步信號。這種方法在數(shù)字通信中得到了最廣泛的應(yīng)用。濾波法鎖相法波形變換法包絡(luò)檢波法二、直接法（自同步法）第三十頁，共54頁。第三十頁，共54頁。對沒有位同步頻率分量的序列，例如不歸零二進(jìn)制單極性序列等，可通過非線性變換使之包含位同步分量，然后通過濾波提取。1)濾波法-波形變換第三十一頁，共54頁。第三十一頁，共54頁。2）濾波法－包絡(luò)檢波PSK等信號，在數(shù)據(jù)變化時刻產(chǎn)生幅度“陷落”，使包絡(luò)攜帶有位同步信息，故可檢出。第三十二頁，共54頁。第三十二頁，共54頁。在接收端利用鑒相器比較接收碼元和本地產(chǎn)生的位同步信號的相位，若兩者相位不一致（超前或滯后），鑒相器就產(chǎn)生誤差信號去調(diào)整位同步信號的相位，直至獲得準(zhǔn)確的位同步信號為止。2.鎖相法1、連續(xù)的調(diào)整位同步信號－－模擬鎖相法2、調(diào)整不連續(xù)，存在最小的調(diào)整單位－－數(shù)字鎖相法量化同步器第三十三頁，共54頁。第三十三頁，共54頁。

2)

控制器與分頻器

:分頻器：n分頻，計數(shù)式分頻控制器：加、減脈沖鑒相器：比較位同步輸出與輸入數(shù)據(jù)信號的相位，產(chǎn)生誤差電壓。3）

1）信號鐘：高穩(wěn)定振蕩器第三十四頁，共54頁。第三十四頁，共54頁。第三十五頁，共54頁。第三十五頁，共54頁。加入一個數(shù)字濾波器，濾除這些隨機(jī)的超前/滯后脈沖，提高環(huán)路的抗干擾能力。

常用的數(shù)字濾波器有“N先于M”濾波器和“隨機(jī)徘徊”濾波器兩種。

數(shù)字鎖相環(huán)抗干擾性能的改善由于噪聲的干擾，使接收到的碼元轉(zhuǎn)換時間產(chǎn)生隨機(jī)抖動甚至產(chǎn)生虛假的轉(zhuǎn)換，相應(yīng)在鑒相器輸出端就有隨機(jī)的超前或滯后脈沖，這導(dǎo)致鎖相環(huán)進(jìn)行不必要的來回調(diào)整，引起位同步信號的相位抖動。解決方法第三十六頁，共54頁。第三十六頁，共54頁。（a）N先于M濾波器;(b)隨機(jī)徘徊濾波器第三十七頁，共54頁。第三十七頁，共54頁。1)相位誤差θe

位同步信號的平均相位和最佳相位之間的偏差稱為靜態(tài)相差。對于數(shù)字鎖相法提取位同步信號而言，相位誤差主要是由于位同步脈沖的相位在跳變地調(diào)整所引起的。11.2.3位同步系統(tǒng)的性能及相位誤差的影響

1.位同步系統(tǒng)的性能第三十八頁，共54頁。第三十八頁，共54頁。2)同步建立時間ts

同步建立時間是指開機(jī)或失去同步后重新建立同步所需的最長時間。由于接收碼元是隨機(jī)的，對二進(jìn)制碼而言，相鄰兩個碼元（01、10、11、00）中，有或無過零點的情況各占一半。3)同步保持時間tc

同步建立后，輸入信號中斷或出現(xiàn)長連“0”、連“1”碼鎖相環(huán)失去調(diào)整作用。而且收發(fā)雙方位定時脈沖總存在頻差，相位發(fā)生漂移，達(dá)到某一值時就算失去同步。由同步到失步所需要的時間，稱為同步保持時間。第三十九頁，共54頁。第三十九頁，共54頁。4）同步帶寬Δfs

同步帶寬是指能夠調(diào)整到同步狀態(tài)所允許的收、發(fā)振蕩器最大頻差。由于數(shù)字鎖相環(huán)平均每2周（2T）調(diào)整一次,每次所能調(diào)整的時間為T/n（T/n≈T0/n），一個碼元周期內(nèi)平均最多可調(diào)整的時間為T0/2n。第四十頁，共54頁。第四十頁，共54頁。11.1載波同步11.0引言11.2位同步第十一章同步原理11.3幀同步第四十一頁，共54頁。第四十一頁，共54頁。數(shù)字通信時，一般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”進(jìn)行傳輸。起止式同步法插入特殊同步碼組的同步法連貫式插入法間隔式插入法11.3幀同步(群同步)

載波同步解決了同步解調(diào)問題；位同步確定數(shù)字通信中各個碼元的抽樣判決問題；群同步的任務(wù)就是在位同步的基礎(chǔ)上識別出這些數(shù)字信息群（字、句、幀）“開頭”和“結(jié)尾”的時刻。第四十二頁，共54頁。第四十二頁，共54頁。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，標(biāo)志每個字的開頭和結(jié)尾。在五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。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。一、

起止式同步法第四十三頁，共54頁。第四十三頁，共54頁。對幀同步碼的要求：易于檢測，即具有尖銳單峰特性的局部自相關(guān)函數(shù)；同步建立時間短，保持時間長；假、漏同步概率??；接收端識別器盡量簡單。漏同步:未檢測出同步碼組假同步:信息碼誤認(rèn)為同步碼組1、集中插入法幀同步碼組檢出即可確定幀，但也可能出錯，導(dǎo)致:二、特殊同步碼組的同步法第四十四頁，共54頁。第四十四頁，共54頁。2、分散插入法(等間隔插入)

優(yōu)點：同步系統(tǒng)電路較簡單，占用時隙少；缺點：同步時間長。常用的幀同步碼組有巴克碼、偽隨機(jī)碼和脈位碼等。這里我們只介紹常用的巴克碼。第四十五頁，共54頁。第四十五頁，共54頁。巴克碼是一種常用群同步碼組，其自相關(guān)函數(shù)：例:7位巴克碼：+++--+-nj=00,1,-10＜j＜nj表示兩序列錯開的位數(shù).1)(

6,4,2;0)(

7,5,3,1;7)(

,0-=±±±==±±±±===jRjjRjjRj3、巴克碼自相關(guān)函數(shù)在j=0時具有尖銳的單峰特性，這一特性也是連貫式插入群同步碼組的重要要求。第四十六頁，共54頁。第四十六頁，共54頁。巴克碼組n巴克碼組2＋＋(11)3＋＋－（110）4＋＋＋－(1110)；＋＋－＋(1101)5＋＋＋－＋(11101)7＋＋＋－－＋－(1110010)11＋＋＋－－－＋－－＋－(11100010010)13＋＋＋＋＋－－＋＋－＋－＋(1111100110101)第四十七頁，共54頁。第四十七頁，共54頁。巴克碼的產(chǎn)生01010101010101輸出預(yù)置線移位寄存器的級數(shù)為巴克碼的位數(shù)，七位巴克碼組由七級移位寄存器組成。各移位寄存器的初始狀態(tài)預(yù)置成巴克碼組的數(shù)字，即。圖中的預(yù)置狀態(tài)是從右達(dá)到左計的，經(jīng)過七個移位脈沖后，預(yù)置的巴克碼組就全部從移位寄存器的最右端移出去了。第四十八頁，共54頁。第四十八頁，共54頁。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。7位巴克碼識別器當(dāng)輸入碼元的“1”進(jìn)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。該識別器實際上是對輸入的巴克碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。第四十九頁，共54頁。第四十九頁，共54頁。識別器的輸出波形巴克碼用于群同步是常見的，但并不是惟一的，只要具有良好特性的碼組均可用于群