通信原理同步原理

通信原理課件同步原理第1頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月13.1概述13.2載波同步13.3碼元同步13.4群同步13.5網(wǎng)同步第13章同步原理第2頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月13.1概述同步：指要求和建立系統(tǒng)的收發(fā)兩端（或多端）在時間上保持步調(diào)一致，故又稱定時。分類（按同步的功用分）：載波同步、位同步、群同步和網(wǎng)同步。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。位同步：又稱碼元同步。把提取這種定時脈沖序列的過程稱為位同步。第3頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月群同步：包含字同步、句同步、分路同步等，有時也稱幀同步。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。

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。第4頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月二.按傳輸同步信息方式的不同來區(qū)分1.外同步: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。自同步法是人們最希望的同步方法，因為可以把全部功率和帶寬分配給信號傳輸。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(yīng)用。而群同步一般都采用外同步法。2.自同步: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。第5頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月同步本身雖然不包含所要傳送的信息，但只有收發(fā)設(shè)備之間建立了同步后才能開始傳送信息，所以同步是進(jìn)行信息傳輸?shù)谋匾颓疤?。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(dǎo)致通信系統(tǒng)性能下降或通信中斷。因此，同步系統(tǒng)應(yīng)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(biāo)，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。同步的重要性第6頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月13.2載波同步載波同步的方法：直接法(自同步法)、插入導(dǎo)頻法(外同步法)插入導(dǎo)頻法：在發(fā)送信息的頻譜中或頻帶外插入相關(guān)的導(dǎo)頻，或在時域插入（即在一定的時段上傳送載波信息）。直接法：也稱自同步法。設(shè)法從接收信號中提取同步載波。對載波同步的要求：發(fā)送載波同步信息所占的功率盡量小，頻帶盡量窄。第7頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月一、插入導(dǎo)頻法抑制載波的雙邊帶信號（如DSB、等概的2PSK）本身不含有載波，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。對這些信號的載波提取，可以用插入導(dǎo)頻法（外同步法）。尤其是單邊帶（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。第8頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月在抑制載波的雙邊帶信號中插入導(dǎo)頻所謂插入導(dǎo)頻，就是在已調(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。抑制載波雙邊帶信號的導(dǎo)頻插入第9頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月插入導(dǎo)頻法在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(dǎo)頻（這里僅畫出正頻域）。但應(yīng)注意，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”。第10頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月插入導(dǎo)頻法發(fā)端框圖輸出信號為第11頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月插入導(dǎo)頻法收端框圖接收信號為接收端用一個中心頻率為fc的窄帶濾波器提取導(dǎo)頻-acosωct，再將它經(jīng)90°移相后得到與調(diào)制載波同頻同相的相干載波sinωct，第12頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月解調(diào)器輸出經(jīng)低通濾波后得第13頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)送端是以正交載波作為導(dǎo)頻的原因如果發(fā)送端加入的導(dǎo)頻不是正交載波，而是調(diào)制載波，則接收端v(t)中還有一個不需要的直流成分，這個直流成分通過低通濾波器對數(shù)字信號產(chǎn)生影響，這就是發(fā)端正交插入導(dǎo)頻的原因。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。第14頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月2.在殘留邊帶信號中插入導(dǎo)頻殘留邊帶頻譜的特點第15頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月插入導(dǎo)頻f1、f2的選擇可在殘留邊帶頻譜的兩側(cè)插入f1和f2;

假設(shè):fr：滾降部分占用帶寬的一半

fm：基帶信號的最高頻率第16頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月第17頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月載波信號的提取接收的信號中包含有VSB信號和f1、f2兩個導(dǎo)頻。假設(shè)接收信號中兩個導(dǎo)頻是

θ1

：第一個導(dǎo)頻的初相

θ2

：第二個導(dǎo)頻的初相

發(fā)送端的載波為cos(ωct+θc)第18頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月13.2.2無輔助導(dǎo)頻時的載波提取設(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此方法廣泛用于建立抑制載波的雙邊帶信號的載波同步。圖13-2平方環(huán)原理方框圖載頻輸出帶通濾波平方壓控振蕩環(huán)路濾波鎖相環(huán)s(t)2分頻窄帶濾波第19頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月接收端將信號S(t)經(jīng)過非線性變換—平方律器件后得到上式的第二項包含有載波的倍頻2ωc的分量。若用一窄帶濾波器將2ωc頻率分量濾出，再進(jìn)行二分頻，就可獲得所需的相干載波。第20頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月若m(t)=±1，則抑制載波的雙邊帶信號就成為二相移相信號（2PSK），這時因而同樣可以通過圖中所示的方法提取載波。第21頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月相位模糊：2分頻器的輸出電壓有相差180的兩種可能相位，即其輸出電壓的相位決定于分頻器的隨機初始狀態(tài)。采用2DPSK體制可以避免此缺點的影響。

錯誤鎖定：平方后的接收電壓中有可能存在其他的離散頻率分量，使鎖相環(huán)鎖定在錯誤的頻率上。解決這個問題的辦法是降低環(huán)路濾波器的帶寬。平方環(huán)法提取載波的缺點第22頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月2.同相正交環(huán)法(科斯塔斯環(huán))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(jìn)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(guān)的控制壓控，從而準(zhǔn)確地對壓控振蕩器進(jìn)行調(diào)整。第23頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)輸入抑制載波雙邊帶信號為假定環(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θ為VCO輸出信號與輸入已調(diào)信號載波之間的相位差m(t)Cosωct第24頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

信號m(t)Cosωct分別與v1、v2相乘后得經(jīng)過低通濾波器后分別得第25頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

v5、v6相乘產(chǎn)生誤差信號第26頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月三.兩種載波同步方法的比較

1.直接法的優(yōu)缺點

(1)不占用導(dǎo)頻功率，因此信號功率比可以大一些。

(2)可防止插入導(dǎo)頻法中導(dǎo)頻和信號由濾波不好引起的互相干擾,也可防止信道不理想引起的導(dǎo)頻相位誤差。

(3)有的調(diào)制系統(tǒng)不能用直接法(如SSB系統(tǒng))。第27頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月2.插入導(dǎo)頻法的優(yōu)缺點

(1)有單獨的導(dǎo)頻信號，一方面可以提取同步載波，另一方面可以用它作自動增益控制。

(2)有些不能用直接法提取同步信息的調(diào)制系統(tǒng)只能用插入導(dǎo)頻法。

(3)要多消耗一部分不帶信息的功率，與直接法比較在總功率相同條件下信噪功率比要小一些。第28頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月13.2.3載波同步系統(tǒng)的性能效率：指為了獲得載波信號而盡量少消耗發(fā)送功率。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。同步建立時間ts：指從開機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。第29頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月穩(wěn)態(tài)相位誤差當(dāng)濾波器中心頻率與載波頻率不相等時就會使提取的同步載波信號引起一個穩(wěn)態(tài)相位誤差Δφ。鎖相環(huán)的剩余相差

Δω：鎖相環(huán)壓控振蕩角頻率與輸入載波角頻率之差

KV：環(huán)路直流總增益隨機相位誤差第30頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月13.3碼元同步在數(shù)字通信中，信號的碼元組成序列向?qū)Ψ絺魉?，接收端解碼時必須知道各個碼元的起止時刻。產(chǎn)生與碼元的頻率和相位一致的定時脈沖序列的過程稱為位同步。為獲得位同步信號，可以在基帶信號中插入位同步導(dǎo)頻信號，也可以通過對基帶信號進(jìn)行處理來提取。第31頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月1.位同步與載波同步的區(qū)別：模擬通信沒有位同步，數(shù)字通信一般都有位同步；位同步信號從基帶中提取，特殊情況在頻帶信號中提取，而載波同步一定在頻帶信號中提取。2.對位同步信號的要求：(1)使收端的位同步脈沖頻率和發(fā)送端的碼元速率相同。(2)使收端最佳判決時對接收碼元作抽樣判決。3.位同步方法的分類：直接法和插入導(dǎo)頻法。直接法中也分濾波法和鎖相法。第32頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月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；所提取的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。第33頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月一、插入導(dǎo)頻法(外同步法)插入位定時導(dǎo)頻法這種方法與載波同步時的插入導(dǎo)頻法類似，也是在基帶信號頻譜的零點處插入所需的位定時導(dǎo)頻信號第34頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月插入位定時導(dǎo)頻系統(tǒng)框圖(a)發(fā)送端；(b)接收端第35頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月接收端在解調(diào)后設(shè)置了窄帶濾波器，其作用是取出位定時導(dǎo)頻。移相、倒相和相加電路是為了從信號中消去插入導(dǎo)頻，使進(jìn)入取樣判決器的基帶信號沒有插入導(dǎo)頻。這樣做是為了避免插入導(dǎo)頻對取樣判決的影響。第36頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月與插入載波導(dǎo)頻法相比，它們消除插入導(dǎo)頻影響的方法各不相同，載波同步中采用正交插入，而位同步中采用反相相消的辦法。這是因為載波同步在接收端進(jìn)行相干解調(diào)時，相干解調(diào)器有很好的抑制正交載波的能力，它不需另加電路就能抑制正交載波，因此載波同步采用正交插入。而位定時導(dǎo)頻是在基帶加入，它沒有相干解調(diào)器，故不能采用正交插入。為了消除導(dǎo)頻對基帶信號取樣判決的影響，位同步采用了反相相消。第37頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月包絡(luò)調(diào)制法包絡(luò)調(diào)制法主要用于2PSK和2FSK等包絡(luò)恒定的數(shù)字調(diào)制方式。在發(fā)送端對恒定包絡(luò)調(diào)制附加幅度調(diào)制，其調(diào)制頻率為fs，則在接收端采用包絡(luò)解調(diào)就可以取出fs，作為位同步信號。第38頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月以2PSK信號為例

2PSK信號s(t)=cos［ωct+φ(t)］調(diào)制信號cos2πfst已調(diào)信號(1+cos2πfst)cos［ωct+φ(t)］接收端進(jìn)行包絡(luò)檢波，包絡(luò)檢波器的輸出為(1+cos2πfst)，除去直流分量后，就可獲得位同步信號cos2πfst第39頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月二、直接法(自同步法)這一類方法是發(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。第40頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月濾波法不歸零的隨機二進(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。但若對該信號進(jìn)行某種變換，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。第41頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月濾波法的原理方框圖它的特點是先形成含有位同步信息的信號，再用濾波器將其取出。圖中的波形變換電路可以用微分、全波整流來實現(xiàn)。第42頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月波形變換器可由比較器、微分器及整流器構(gòu)成?？紤]到噪聲的影響，波形變換器各單元輸出波形示意圖如下圖所示。第43頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月包絡(luò)檢波-濾波法這是一種從頻帶受限的中頻PSK信號中提取位同步信息的方法。當(dāng)接收端帶通濾波器的帶寬小于信號帶寬時，使頻帶受限的2PSK信號在相鄰碼元相位反轉(zhuǎn)點處形成幅度的“陷落”。經(jīng)包絡(luò)檢波后得到圖(b)所示的波形，它可看成是一直流與圖(c)所示的波形相減，而圖(c)波形是具有一定脈沖形狀的歸零脈沖序列，含有位同步的線譜分量，可用窄帶濾波器取出。第44頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月從2PSK信號中提取位同步信息第45頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月2.鎖相法位同步鎖相法的基本原理與載波同步的類似，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。第46頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月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。采用鎖相環(huán)來提取位同步信號的方法稱為鎖相法。鎖相法的分類：模擬鎖相法、數(shù)字鎖相環(huán)模擬鎖相法：用環(huán)路中誤差信號去連續(xù)地調(diào)整位同步信號的相位；第47頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)字鎖相環(huán)：采用高穩(wěn)定度的振蕩器（信號鐘），從鑒相器所獲得的與同步誤差成比例的誤差信號不是直接用于調(diào)整振蕩器，而是通過一個控制器在信號鐘輸出的脈沖序列中附加或扣除一個或幾個脈沖，這樣同樣可以調(diào)整加到減相器上的位同步脈沖序列的相位，達(dá)到同步的目的。這種電路可以完全用數(shù)字電路構(gòu)成全數(shù)字鎖相環(huán)路。由于這種環(huán)路對位同步信號相位的調(diào)整不是連續(xù)的，而是存在一個最小的調(diào)整單位，也就是說對位同步信號相位進(jìn)行量化調(diào)整，故這種位同步環(huán)又稱為量化同步器。第48頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)字鎖相原理框圖第49頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月位同步脈沖的相位調(diào)