通信原理-CH08-同步

1、第八章第八章 同步原理同步原理 n8.1 引言引言 n8.2 载波同步载波同步 n8.3 位同步位同步 n8.4 帧同步帧同步 n8.5 网同步的基本概念网同步的基本概念 主要内容和重点主要内容和重点 8.1 引言引言 n同步是通信系统中一个重要的实际问题 n当采用同步解调或相干解调时，接收端需要提供 一个与发射端载波同频率的相干载波，这个相干 载波的获取就称为载波同步 n数字通信中，还有位同步问题，因为解调时需要 知道每个码元的起止时刻，从而对积分器或匹配 滤波器的输出进行抽样判决 n把在接收端产生与接收码元重复频率和相位一致 的定时脉冲序列的过程称为码元同步或位同步 n称此定时脉冲序列为码

2、元同步脉冲或位同步脉冲 n数字通信系统中，消息总是由若干“字” 组成，又用若干“字”组成 “句”。接收 时，同样要知道这些“字”、“句”的起 止时刻。在接收端产生与其起止时刻相一 致的定时脉冲序列，统称为帧同步 n同步系统性能的降低，会直接导致通信系 统的性能的降低，甚至不能工作。可以说， 在同步通信系统中，“同步”是进行信息 传输的前提 8.1 引言引言 以点点两路PCM/2DPSK数字电话系统为例来说明载波同步、位同 步以及帧同步的作用 8.1 引言引言 设CLK频率为192KHz、SL1、SL2的频率为8kHz，则SL1、 SL2、PCM1、PCM2、F(t)、及PCM信号的波形如下 ：

3、 8.1 引言引言 n两个PCM编码器用同一个时钟CLK，SL1、SL2两个信导的频率 也相等，故PCM1、PCM2的码速率完全相同 n复接器实际上是一个或门电路。此种复接器输入的支路信号速 率完全相同，称为同步复接器 nCLK、SL1、SL2、及cosct是由发端同步器提供的，在电路上 比较容易实现 n收端的载波同步器提供相干载波，与发载波同频同相（或反 相）。位同步器输出位同步信号CP(t)，信号频率为192KHz。帧 同步器从收端 PCM码流中提取帧同步信导FS(t)，进而产生路同 步信号F1(t)和F2(t)，FS(t)的脉冲前沿与帧同步码1110010的最后 一位起时间对齐（也可以与

4、第一位数据起时间对齐）。F1(t)、 F2(t)的脉冲前沿与各自数据的第一位起始时间或最后一位的结 束时刻对齐（由具体电路决定） n若复接器输入的各支路信号的速率标称值相同但实际值有一定 差异，则不能进行同步复接，采取网同步方法才能复接不同速 率的支路。此问题于网同步范畴 8.1 引言引言 8.2 载波同步载波同步 对模拟已调信号和数字已调信号进 行相干解调时，需要从接收信号中提 取相干载波 8.2.1 载波同步方法载波同步方法 n提取载波的方法一般分为两类： n在发送有用信号的同时，在适当的频率位置上 插入一个或多个称为导频的正弦波，接收端就 由导频提取出载波，这类方法称为插入导频法 n不专

5、门发送导频，而在接收端直接从发送信号 中提取载波，这类方法称为直接法 1、 插入导频法 在抑制载波的 双边带信号 中插入导频 n插入正交导频的目的：收端相乘器的输出V(t)中无直流 n也可以插入同相导频，低通滤波器中加入隔直电容即可 n插入导频信号的功率应比较小，否则就成为AM信号了 8.2.1 载波同步方法载波同步方法 2、直接法 n例：从2PSK信号中直接提取相干载波 （1）平方变换法 2PSK信号 e(t) cos2ct cosct -cosct 2fc窄带 带通 平方二分频 )(tm)(tm ttmts c cos)()( 222 1 ()()cos(1 cos2) 2 ccc etm

6、 tt costt n设调制信号为 ， 中无直流分量，则抑制 载波的双边带信号为 接收端将该信号进行平方变换就得到 8.2.1 载波同步方法载波同步方法 （2）平方环法 n平方法提取载波图中的2fc窄带滤波器若用锁相环代替， 就构成平方环法 n由于锁相环具有良好的跟踪、窄带滤波和记忆性能，故平 方环法比一般的平方变换法具有更好的性能 2PSK 信 号 ui(t) PDLF VCO u0(t) cosct -cosct 平方鉴相器 环 路 滤波 器 压 控 振荡器 二分频移 相 2、直接法、直接法 8.2.1 载波同步方法载波同步方法 （3）同相正交环 此即为环路的鉴相特性 ui u1 u2 u

7、3 u4u6 u5 u7 低 通 900移相 VCO LPF 低 通 )sin()cos(cos)( 21ececci tututtmu ecem ttmUu2coscos)( 3 ecem ttmUu2sinsin)( 4 emem tmUutmUusin)(cos)( 65 ed Uu2sin 7 8.2.1 载波同步方法载波同步方法 n上式中，Um、Ud为乘法器引起的信号幅度变化，当VCO的 固有振荡频率与2PSK的载频非常接近且环路增益很高时，环 路锁定后 ， 。可见用同相正 交环提取的载波也存在相位模糊现象 n环路锁定后， ，考虑到噪声等因素，应对u5(t) 进行抽样判决以再生数字基

8、带信号 n从4PSK信号中提取相干载波的方法与2PSK相似，可用四次 方变换，四次方环及四相Costas环 n用Costas环提取相干载波时，环路的工作频率等于信号载频， 用其它方法时电路工作频率等于信号载频的二倍或四倍 或0 e tttu cc coscos)( 1 或 )()()( 5 tmtmtu-或 8.2.1 载波同步方法载波同步方法 8.2.2 载波同步系统的性能载波同步系统的性能 n同步误差同步误差 n理想相干载波 与接收机输入信号载波同频同 相实际相干载波为 n 为稳态相差，由固有频差（锁相环VCO的固 有频率或振荡回路中心频率与载频之差）产生 n 为随机相差、由噪声产生 n减

9、小带通滤波器带宽（增大Q值），可减小随机相 差、但增加稳态相差 n减小环路自然谐振频率可减小随机相差，增大环路 增益可减小稳态相差 )(t n )(costt nc t c cos n同步建立时间同步建立时间ts和同步保持时间和同步保持时间tc n tc：载波同步器的输入信号丢失后，相干载波 与输入信号载波之间的相位误差大于某一范围 所需要的时间 n 减小带通滤波器的Q值，可减小ts但tc也减小 n 增大锁相环的自然谐振频率，可减小ts但tc也 减小 8.2.2 载波同步系统的性能载波同步系统的性能 8.2.3 载波相位误差对解调性能的影响载波相位误差对解调性能的影响 n1、模拟通信、模拟通信

10、 n （1）DSB 输出信号功率 输出噪声功率 m(t)cosct +n(t) cos(ct+) uo(t) BPF LPF ttnttntn cscc sin)(cos)()( sin)( 2 1 cos)( 2 1 cos)( 2 1 )(tntntmtu sco 22 cos)( 4 1 tms )( 4 1 sin)( 4 1 cos)( 4 1 22222 0 tntntnN csc 可见载波相位误差使解调输出信号功率减小但不改变噪声 功率即输出信噪比下降。同理可证明，在AM解调中，载 波相位误差也使输出信噪比下降 n （2）SSB 设 ，上边带信号为 ，则相干解 调输出信号为 ，第

11、一项与 m(t)成正比，但相位误差使信号功率下降。第二项与原信 号正交，使基带信号产生畸变且越大畸变越大 与DSB系统一样，相位误差并不改变SSB解调器的输出噪 声功率，因此载波相位误差使SSB解调器的输出信噪比下 降且信号畸变 在VSB相干解调中也有上述现象发生 ttm cos)(t )cos( sinsin 2 1 coscos 2 1 )(tttmo 8.2.3 载波相位误差对解调性能的影响载波相位误差对解调性能的影响 n2、数字通信、数字通信 n 显然，抽样判决器输入信噪比变化规律同模拟通信， 故误码率增大。 n 2PSK系统误码率为 相干解调 最佳相干接收机 )cos2(rQP e

12、)cos 2 ( o o e n E QP 8.2.3 载波相位误差对解调性能的影响载波相位误差对解调性能的影响 从理论上说，位同步的实现方法也可 分为插入导频法和直接法，但实际工 程中，一般采用直接法，直接法又可 具体分为滤波法和锁相环法 8.3 位同步位同步 8.3.1 位同步实现方法位同步实现方法 n1、插入导频法 n 适用于不包含位同步信号的码型，如二进制NRZ码 n 在基带信号频谱的零点（如二进制NRZ码 处） 插入所需导频信号 n 2PSK或2FSK系统中进行附加的幅度调制，接收端进 行包络检波 n 时域插入同步信号：载波同步、位同步、数据信号 分别被配置在不同的时间内传送 1 c

13、 c f T 1 ( )(1cos)cos( ) 2 c s tttt n2、滤波法 n先形成含位同步信息的信号（如NZ码，数字双相等）， 再用窄带滤波器滤出 nr(t)来自相干解调器或非相干解调器的低通滤波器，在 佳接收机中则视具体情况确定r(t)的来源 n波形变换输出信号中必须含有频率等于码速率的离散 谱 n若信道中传输的是BNRZ码或2DPSK信号，则波形变 换单元可由比较、微分、整流等三部分构成，波形示 意图下 r(t) ui(t) u0(t) cp(t) 波形 变换 窄带带通 滤波器 脉冲 形成 移 相 8.3.1 位同步实现方法位同步实现方法 比较器输出 r(t) 微分输出 ui(

14、t) 8.3.1 位同步实现方法位同步实现方法 n若无码间串扰且无噪声，则 脉冲的上升沿都应与各码 元的开始时间对齐，它的频谱中包含有位同步信号重复频 率的离散谱成分，滤波、脉冲形成及移相后可得到理想的 位同步信号 n码间串扰和噪声使位同步器输出的位同步信号在一定范围 内抖动 n信息码中的连“1”或连“0”码也会造成位同步信号相位抖 动的。连“1”或连“0”个数越多，滤波输出信号 的周 期和幅度变化越大，位同步输出信号的相位抖动也越大。 因此在基带传输系统中常采用HDB3码，在数字调制传输中 常将信号源输出的数字基带信号位进行扰码处理以减少连 “1”和连“0”的个数 )(tui )( 0 tu

15、 8.3.1 位同步实现方法位同步实现方法 3、锁相环法 （1）模拟锁相环 模拟锁相环要求输入一个正弦信号或周期和幅 度不恒定的准正弦信号。环路对此输入信号可 等效为一个带通滤波器，其品质因数 ， 式中fS为环路工作频率即位同信号重复频率，BL 为环路带宽。 BL正比 于环路自然谐频率n 。可 以通过合理的环路设计，使环路的等效带通滤 波器带宽小至几赫兹，从而使位同步信号相位 抖动足够小 L B f Q S 8.3.1 位同步实现方法位同步实现方法 （2）模数混合锁相环（常用电荷泵锁相环） 环路中的PD是数字电路，LF是模拟电路VCO的振荡频率 可在控制电压的作用下连续变化，其电路可以是模拟式

16、 的也可以是数字式的 PD要求输入周期的或准周期的TTL信号 （3）数字环 数字环由数字电路构成，也可由软件构成或某些部件由 软件完成。介绍实验中使用的数字环工作原理 ui ud Nd Nd uo(位同步信号) f0=N0fSDPD PD量化器 DLF DCO 8.3.1 位同步实现方法位同步实现方法 n称数字环中的鉴相为数字鉴相器（DPD）、环路滤波器为 数字环路滤波器（DLF）、压控振荡器为数控振荡器 （DCO） nui为单极性码，码速率为fs，环路锁定时uo脉冲位于码元 中间、ud脉冲宽度等于码元宽度的一半，Nd等于No/2。不 考虑DLF即Nc=Nd时环路的工作原理可用下图来说明： 开

17、环状态 NdNo/2 10 - 11 ui uo ud Nd uo ud Nd Nd+No/2 No/2 闭环 8.3.1 位同步实现方法位同步实现方法 nDCO是一个分频，其分频比受Nc控制（由软件完 成）， 当 时，将DCO分频比由No变 为 ，则下一个uo脉冲就处于码元中间， 满足锁定要求，DCO的分频比改变一次后立即恢 复为No，于是对DCO相位调整一次就可使环路进 入锁定状态 DLF可减小噪声对位同步相位抖动的影响 o o dc N N NN 2 2 o d N N 8.3.1 位同步实现方法位同步实现方法 n环路的时钟频率fo的标移值等于NofS，但实际值有 一定误差，故DCO输出

18、频率与码速率也有一定误 差，这种误差导致位同步信号的相位抖动。另外， 连“1”或连“0”个数越多，位同步相位抖动也越 大 n这种抖动是由环路的工作特点决定的。在两次鉴 相之间，DCO不受控制，因此上述频差必然造成 DCO输出信号相位偏离码元中间。连“1”或连“0” 个数越多，两次鉴相之间的时间间隔也越大，因 此位同步信号相位偏移也越大 8.3.1 位同步实现方法位同步实现方法 n模拟锁相环的工作频率最高，抗噪声性能 最好。数字锁相环的工作频率较低，因为 它的时钟信号频率fo=NofS，为使同步信号的 相位误差足够小，No必须足够大，但高稳 定度晶体的工作频率fo的上限一般为几十 MHz，所以位

19、同步信号频率fS不可能很高。 电荷泵锁相环位同步动工作频率低于模拟 环，高于数字环，抗噪性能低于模拟环 8.3.1 位同步实现方法位同步实现方法 8.3.2 位同步系统的性能及其相位误差对性能的影响位同步系统的性能及其相位误差对性能的影响 n1、位同步系统性能 用窄带带通滤波、模拟锁器相环以及电荷泵锁 相环构造的位同步器的同步误差、同步建立时间 以及同步保持时间与滤波器Q值、环路自然潜振 频率之间的关系同载波同步系统 下面介绍数字锁相环位同步系统的性能指标 （1）同步建立时间tS 最大起始相差为 或- ，若DCO相位调整量每次 为2/ No则最多需调整 次。设“0”，“1”等概、 鉴相器工作m

20、次后DLF对DCO调整一次相位， 则 若对DCO调整一次就可使环路锁定(如上述数字环)， 则ts=2mTS (不含软件执行时间) 2 o N SoS o S TNmmT N t2 2 8.3.2 位同步系统的性能及其相位误差对性能的影响位同步系统的性能及其相位误差对性能的影响 n（2）同步保持时间tc 设发射机、接收机的时钟稳定度为，则DCO输出 信号频率与环路输入信号码速之间的最大误差为2fs。 若允许位同步信号的最大相位误差为2，则 4fStc=2, 由此得 tc应大于DCO两次调整之间的时间间隔。tc越大，允 许连“1”码或连“0”码越长 s c f t 2 8.3.2 位同步系统的性能

21、及其相位误差对性能的影响位同步系统的性能及其相位误差对性能的影响 n（3）同步误差 稳态误差 此为量化误差 随机误差 由输入噪声产生，其大小与DLF有关 o e N 2 max 8.3.2 位同步系统的性能及其相位误差对性能的影响位同步系统的性能及其相位误差对性能的影响 8.3.3 同步误差对误码率的影响同步误差对误码率的影响 n同步误差使误码率增大，因同步信号偏离 了被采样信号的最大值对应的时间 n2PSK最佳接收机 式中Te为用时间表示的同步误差 ) 2 1 ( 4 1 )( 4 1 o s e b o b e n T T EQ n E QP 8.4 帧同步帧同步 n1、帧同步码插入方式及

22、码型 （1）集中插入（连贯插入） 在一帧开始的n位集中插入n比特帧同步码，PDH 中的A律PCM基群、二次群、三次、四次群，律 PCM二次群、三次群、四次群以及SDH中各个等 级的同步传输模块都采用集中插入式 （2）分散插入式（间隔插入式） n比特帧同步码分散地插入到n帧内，每帧插入1比 持，律PCM基群及M系统采用分散插入式 分散插入式无国际标准，集中插入式有国际标准。 帧同步码出现的周期为帧周期的整数信，即在每 N帧（N1）的相同位置插入帧同步码 （3）帧同步码码型选择原则 （a）假同步概率小 （b）有尖锐的自相关特性，以减小漏同步概率 如A律PCM基群的帧同步码为001101，设“1”对

23、 应正电平1，“0”码对应负电平-1，则此帧同步码 的自相关特性如下图所示 8.4 帧同步帧同步 0 12 34 56-6-5 -4-3 -2-1 -1-1-1-1 -5-5-5-5 3333 j 7 R(j) 8.4 帧同步帧同步 n2、帧同步码识别 介绍常用的集中插入帧同步码的识别方法。设帧同 步码为0011011，当帧同步码全 部进入移位寄存器时它的7个输 出端全为高电平，相加器3个输 出端全为高电平，表示 ui=1+2+4=7。门限L由3个输入 电平决定，它们的权值分别为1，2，4 比较器 相加器 门限 L 4 2 1 124 u0 ui 移位寄存器 PCM码流 QQQQQQQ 8.4

24、 帧同步帧同步 比较器的功能为 据此可得以下波形： Lu Lu u i i o ,0 , 1 x0011011 数据码 x0011011 数据码 t t PCM码流 u0 此脉冲对齐第一位数据 8.4 帧同步帧同步 n3、识别器性能 设误码率为Pe，n帧码位，L=n-m，（即允许帧同 步码错m位），求漏识别概率P1和假识别概率P2 以及同步识别时间ts （1）漏识别概率 正确识别概率为 ，故 ， m=0时 门限L越低，Pe越小，则漏识别概率越小 m n een PPC 0 )1 ( m n ee pPnP 0 1 )1 (1 e nPP 1 8.4 帧同步帧同步 （2）假识别概率 n位信码产生

25、一个假识别信号的概率为 门限越高，帧码位数越多，则假识别概率越小 n m n n PmCP 202 2 0 2 时 8.4 帧同步帧同步 n（3）同步识别时间ts P1=P2=0时，ts=NTs，N为一个同步帧中码元位数， Ts为码元宽度 一个同步帧中产生一个假识别信号概率为 故当P10、P20时 分散插入帧同步码的同步识别时间为 可见集中插入式同步识别时间远小于分散插入式 的同步识别时间 22 )(NPPnN ss NTNPPt)1 ( 21 ss TNt 2 8.4 帧同步帧同步 同步原理 8.4 帧同步帧同步 n4、同步保护、同步保护 无同步保护时，同步系统的漏同步概率PL等于识别器漏识

26、 别概率P1，假同步概率Pj等于识别器的假识别概率平P2。 由上述分析可见。当信道误码率一定时，增大帧码长度、 降低门限可减少漏同步概率，同时使假同步概率也足够低， 但帧码太长，将降低有效信息的传输速度，是不允许的。 这一矛盾可用同步保护电路解决 （1）后方保护 当帧同步系统处于捕捉态时，连续个同步帧时间内识别 器有输出时，同步系统进入同步状态，输出帧同步信号。 此措施可减小假同步概率 也可以在采取此措施的同时提高门限电平以进一步减小假 同步概率 8.4 帧同步帧同步 （2）前方保护 当帧同步系统处于同步态时，连续个同步帧时间 内识别器检测不到帧同步码，则系统回到捕捉态。 此措施可以减小漏同步（假失步）概率 也可以在采取此措施的同时降低门限电平，以进 一步减小漏同步概率 8.4 帧