通信原理同步

1、1 联合战术通信教研组张伟明 理 工 大 学 通 信 工 程 学 院理 工 大 学 通 信 工 程 学 院 2 数字通信系统框图 同步电路 3 第第十十章章 同步原理同步原理 8.1 引言 8.2 载波同步 8.3 位同步 8.4 群同步 4 8.1 引言 n同步的作用 带通 滤波器 低通 滤波器 取样 判决器 tfc2cos 位定时 b c d f g)()( 2 tnts PSK 图8.4.6 2PSK信号的相干解调器 e 使通信双方协调一致地工作使通信双方协调一致地工作! ! dt b T 0 5 8.1 引言（续1） n同步的分类 按功能分: 1.载波同步(相干解调，同频同相) 2.位

2、同步(接收判决时刻) 3.群同步(帧的开始) 按实现方法分： 1.插入同步法、外同步法(发送额外的同步信息) 2.直接同步法、自同步法(从信息中直接提取同 步信号) 6 8.2 载波同步 n载波同步：从接收信号中提取与接收信号中调 制载波同频同相的相干载波的过程。 载波同步是相干解调的基础。 只要进行相干解调，模拟通信和数字通信都需 要载波同步。 同步载波从接收的频带信号中提取。 载波同步的实现方法： 插入导频法 直接法 7 一.插入导频法 在发送的信息中注入载波信息，可以是载波 本身，也可以是载波的某种变换。 对插入的导频通常有如下要求：对插入的导频通常有如下要求： 1. 导频要在信号频谱为

3、零的位置插入 ； 2. 导频的频率应当与载波频率有关，通常导频 频率等于载波频率 ； 3. 插入的导频应与载波正交，避免导频对信号 解调产生影响。 8 一、插入导频法(续2) 插入导频法方框图插入导频法方框图 (a)发送端发送端(b)接收端接收端 9 二、直接法 接收端从不携带导频的接收信号中直接提 取相干载波的载波同步方法称为直接法。 基本原理：在抑制载波的双边带信号（如DSB、 PSK等）中，虽然本身不包含载波分量，但作适 当的非线性变换后，会出现载波的谐波分量，提 出这些谐波分量来得到同步载波。 10 1.平方变换法和平方环法 接收信号：x(t) = s(t)cos(2 fct) 平方输

4、出信号：y(t) = s2(t)cos2(2 fct) = 0.5s2(t)+0.5s2(t)cos(4 fct) s(t)中无直流分量 s2(t)中有直流分量 若调制信号s(t)= 1，y(t)=0.5+0.5cos(4 fct) 11 锁相环具有良好的跟踪、窄带滤波和记忆性能，锁相环具有良好的跟踪、窄带滤波和记忆性能， 因此平方环法比一般的平方变换法具有更好的性能，因此平方环法比一般的平方变换法具有更好的性能， 因而得到广泛的应用。因而得到广泛的应用。 平方环法提取同步载波方框图平方环法提取同步载波方框图 12 相位模糊相位模糊 cos(4 fct) = cos(4 fct+2) 由窄带2

5、fc滤波器得到的cos(4 fct)，经二分频 后得到的可能是cos(2 fct)，也可能是cos(2 fct + )，这种相位的不确定性就称为相位模糊。 p 会导致数字信号解调后出现码元反相， 如引起2PSK“反相工作” p 解决方法：差分相移键控（2DPSK） 13 2.同相正交环法(costas环) 设costas环的输入信号为 压控振荡器的输出为 其中，为v1与costas环的输入信号间的相位误差。 v1相移-900后，得v2为 ( )cos 2 c x tf t 1 cos(2) c vf t 2 cos(290 )sin(2) cc vf tf t 输入信号与v1相乘，得 3 (

6、)cos(2) cos(2) 1 ( )coscos(4) 2 cc c vx tf tf t x tf t 输入信号与v2相乘，得 4 ( )cos(2) sin(2) 1 ( )sincos(4) 2 cc c vx tf tf t x tf t 经低通滤波器滤波后，分别为 5 1 ( )cos 2 vx t 6 1 ( )sin 2 vx t v5、v6相乘得 经环路滤波器滤波后，控制压控振荡器可以使它产 生一个频率为fc，相位逐渐趋近于0的载波，此载 波就是所要提取的同步载波。 2 7 1 ( )sin2 8 vx t 较小时 2 7 1 ( ) 4 vx t 17 相位模糊相位模糊

7、1 cos(2) c vf t 2 7 1 ( )sin(2 ) 8 vx t v1的相位可以是，也可以是+，故也存在 “相位模糊”问题。 可作为解调器的输出。 0 5 11 ( )cos( ) 22 vx tx t 优点： 可直接解调出信号x(t) (模拟解调或非最佳 接收数字解调) 缺点： 1）电路较为复杂，实现困难； 2）存在相位模糊。 20 3.两种直接同步方法比较 p 不同点： 平方变换法中窄带滤波器的工作频率是载波 频率的两倍； costas环的工作频率是载波频率本身，环路 滤波器是低通滤波器、存在900相移网络。 p 相同点 存在相位模糊； 实现电路与接收载波频率有关。 21 三

8、、两种载波同步方法的比较 1. 直接法的优缺点 (1) 不占用导频功率，因此信号功率比可以大一些。 (2) 可防止插入导频法中导频和信号由滤波不好引起的 互相干扰，也可防止信道不理想引起的导频相位误差。 (3) 有的调制系统不能用直接法(如SSB系统)。 2.插入导频法的优缺点 (1) 有单独的导频信号，一方面可以提取同步载波，另 一方面可以用它作自动增益控制。 (2) 有些不能用直接法提取同步信息的调制系统只能用 插入导频法。 (3) 要多消耗一部分不带信息的功率，与直接法比较在 总功率相同条件下信噪功率比要小一些。 22 载波同步系统的性能 主要性能指标： (1)效率:为获得同步，载波信号

9、应尽量少消耗发射功率。 (2)精度:指提取的同步载波与需要的载波标准比较，应有尽 量小的相位误差。 (3)同步建立时间ts:越短越好，这样同步建立得快。 (4)同步保持时间tc:越长越好，这样同步建立后可以保持较长 时间。 23 1.稳态相位误差 1.对于用窄带滤波其提取同步的方法 当滤波器中心频率与载波频率不相等时就会使提取 的同步载波信号引起一个稳态相位误差。 2.对于用锁相环提取同步载波的方法 由设计的局限性引发。 0 2 () Q rad Q: 回路的品质因数 w0: 滤波器的中心角频率 w : 角频偏 () V rad K w : 角频偏 Kv: 环路直流增益 Q越小越好 24 2.

10、随机相位误差 由噪声引发。 以窄带滤波器提取同步载波为例。随机相位误差为： n 用其方差 表示其大小： 2 n 2 00 4 n s n f Q P Q: 回路的品质因数 f0: 滤波器的中心频率 n0: 白噪声的功率谱密度 Ps: 信号功率 Q越大越好 25 3.建立时间和保持时间 考虑用窄带滤波器提取载波： k Q ts 1 1 ln 2 0 (1)建立时间: k Q tc 1 ln 2 0 (2)保持时间: Q越大越好 Q越小越好 用输出载波的大小来衡量同步是否建立。 k(01) 输出载波幅度与最大值之比 U kU s t c t t 26 载波相位误差对解调性能的影响 总的相位误差是随

11、机相差与稳态相差之和。 对DSB(BPSK)，将引起信噪比下降，从而使用数字信号 的误码率上升。 对SSB，除了引起信噪比下降外，还使基带信号发生畸变， 从而引起数字信号解调时发生码间串扰。 27 8.3 位同步 q在数字通信系统中，接收端需要一个控制取样判 决的定时信号，该定时信号的脉冲频率应该与发 送端的码元速率相同、相位应该与最佳判决时刻 对齐。 q位同步：从接收信号中提取位同步信号的过程。 q位同步是码元正确判决的基础。只有数字通信系 统中有位同步。 n位同步的实现方法： n 插入导频法插入导频法 n 直接法直接法 28 相关编码 cos() b f tcos(2) c f t m(t

12、) 插入位同 步导频 调制 ( )M( )M 00ff1/2T1/T (a)(b) 相关编码 一、插入导频法 29 接收端位同步的提取 带通 载波 同步 低通 窄带 滤波 倒相 取样 判决 限幅 放大 微分全 波整流 整形 c f 2 b f 2 b f 30 二、直接法 接收端从不携带导频的接收信号中直接提取位 同步信号的方法称为直接法。 最常用的直接法是数字锁相环法最常用的直接法是数字锁相环法 。 31 在接收端利用相位比较器比较接收码元和 本地产生的位同步信号的相位，若两者相位不 一致（超前或滞后），相位比较器就产生误差 信号去调整位同步信号的相位，直到获得精确 的同步为止。 1.数字锁

13、相环法的基本原理 32 控制电路 1.数字锁相环法的基本原理（续1） 33 （2）扣除门为常开门，附加门为常闭门，它们和或 门一起构成控制电路，根据相位比较器输出的 控制脉冲（超前脉冲或滞后脉冲）对晶振输出 的序列实施扣除（或添加）脉冲处理。 1.数字锁相环法的基本原理（续2） （1）接收码元速率为 ， 为码元间隔； 晶振频率为 ，经整形电路以后输出周期 同为 的脉冲序列a和b，但 相位相差180。 1 ss fT s T s nf 1 bss TnfT n 34 （3）n分频器为n计数器，每当控制器输出n个脉冲 时，它便输出一个脉冲，作为本地位同步信 号。控制器和分频器共同作用，调整加到比较

14、 器上的位同步信号的相位。 （4）相位比较器将本地位同步信号与接收码元序列 进行比较。当本地位同步信号比接收码元序列 超前时，就输出超前脉冲；当本地位同步信号 比接收码元序列滞后时，就输出滞后脉冲。 1.数字锁相环法的基本原理（续3） 35 无相位误差（无相位误差（n=3n=3） a路脉冲 b路脉冲 或门输出 脉冲 n分频器 输出 超前脉冲 滞后脉冲 接收码元 相位比较器在接收码 元序列中的0、1交变 点处进行比相！ 36 本地相位超前（本地相位超前（n=3n=3） a路脉冲 b路脉冲 或门输出 脉冲 n分频器 输出 滞后脉冲 超前脉冲 接收码元 最小相位调整量为最小相位调整量为 T Ts s

15、/n/n 37 本地相位滞后（本地相位滞后（n=3n=3） a路脉冲 b路脉冲 n分频器 输出 超前脉冲 滞后脉冲 或门输出 脉冲 接收码元 最小相位调整量为最小相位调整量为 T Ts s/n/n 38 二、数字锁相环法的性能指标二、数字锁相环法的性能指标 p 位定时误差： p 位同步建立时间： p 位同步保持时间： p 同步带宽： 指同步建立后，本地位定时与接 收码元之间的剩余相位偏差。 由不同步到同步所需的最长时间。 由同步到失去同步所需要的时间。 能够调整到同步状态所允许的收、 发晶振频率之间的最大频差。 39 1 1、位定时误差、位定时误差 位定时误差：同步建立后，本地位定时与接收 码

16、元之间的剩余相位偏差。 每调整一步，位定时位置改变Ts/n。 最大位定时误差 te=Ts/n。 用相位表示的位定时误差，称为相位误差。 最大相位误差 e = 2/n 小于2/n的相 位误差是不可 调整的。 n越大，e 越小。 40 2 2、位同步建立时间、位同步建立时间 位同步建立时间指由不同步到同步所需的最长时间。 p 最大初始位定时误差为Ts/2， 数字锁相环需要调整n/2次。 p 平均2个码元时间内可调整1次。 相位比较器在接 收码元序列中0、 1码元的交变点处 进行比相。 sss nTT n t2 2 位同步建立时间为 n越小，同步建立越快！ 41 3 3、同步保持时间、同步保持时间

17、1122 01 20 0 11 1/ TFTF TTTF T K 设收发两端的码元周期分别为和， 。若规定两端容许的时间漂移为 秒， 则达到此值所需要的时间长度为 0 210 /1 ( ) / c TK ts TTTK f 21 fff 其中。而这段时间就是同步保持时间。 42 4 4、同步带宽、同步带宽 系统所允许的收发双方的最大频差。如果超过这个频差， 锁相环将无法使收端位同步脉冲的相位与输入信号的相位同步。 2 00 0 0 2 22 s ff TTnf nfn 12 12 2 12120 / /2 11 s s Tn Tn FFF TTT FFFFF 锁相环每次能调整的时间为， 对于随

18、机数字来说， 平均 每两个码元周期才能调整一次， 因此平均一个码元周期内， 锁相环能调整的时间为。而一个码元周期内，收发双方的 时间差为。所以，只有 满足以下条件， 锁相环才能实现收发双方同步 43 相位误差引起抽样判决时刻的偏差，从而影响抽样信 号的信噪比，最终导致判决信号的误码率上升。以匹配 滤波器接收为例。设相位误差对应的时间差为Te ，则 00 112 (/)1/ 44 e ebb T PerfcEnerfcEn T 位同步相位误差对系统影响 44 群同步与载波同步、位同步的比较：群同步与载波同步、位同步的比较： 载波同步解决了同步解调问题，把频带信号解调 为基带信号。 位同步确定数字

19、通信中各个码元的抽样判决 时刻，把每个码元加以区分。 群同步的任务是把字、句或码组区分开来。 8.4 群同步 45 8.4 群同步（续1） 群同步的实现方法： 起止式同步法 连贯式插入法 间歇式插入法 46 用特殊的波形标识帧的开始或结束。 止起止12345 1 51.5 一.起止式同步法 只能用于简单的通信中，如：PC串口、电报。 47 用一个特殊的码组来表示帧的开始。 “特殊”： 1、在信息码元序列中不易出现； 2、识别器简单。 二.连贯式插入法 同步码信息码信息码同步码 同步码的寻找是关键 48 巴克码 巴克码是具有特殊规律的二进制码组，具有尖锐的 自相关函数。同时，巴克码的识别器组成十

20、分简单。 用局部自相关函数来定义巴克码： 1 j0 ( ) 0,1,10jn nj iij i n Rjx x 当 当 长为n的巴克码 (局部自相关函数) 49 巴克码局部自相关函数示例巴克码局部自相关函数示例 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 1 2 3 4 5 6 7 0 7 6 5 4 3 2 1 j R(j) 50 常见的巴克码组常见的巴克码组 位数位数n巴克码组巴克码组 2+ + ; - + 3+ + - 4+ + + - ; + + - + 5+ + + - + 7+ + + - - + - 11+ + + - - - + - - + - 13+ + + + + - - +

21、 + - + - + 51 抽头：1110010 输入“1”： 1 +1 0-1 输入“0”： 0 +1 1-1 七位巴克码识别器七位巴克码识别器 01 (1) 相相 加加 判决判决 移动方向移动方向 输入码元输入码元 01 (7) 01 (6) 01 (5) 01 (4) 01 (3) 01 (2) 52 当输入为当输入为0000000 1110010 0000000时，识别时，识别 器的输出情况器的输出情况(t=1) 01 (1) 相相 加加 判判 决决 输入码元输入码元 01 (7) 01 (6) 01 (5) 01 (4) 01 (3) 01 (2) 0 0 0 0 0 0 0 1 -

22、1-1-1-1111 -1 0 53 当输入为当输入为0000000 1110010 0000000时，识别时，识别 器的输出情况器的输出情况(t=2) 01 (1) 相相 加加 判判 决决 输入码元输入码元 01 (7) 01 (6) 01 (5) 01 (4) 01 (3) 01 (2) 0 0 0 0 0 0 1 1 -1-1-1-111-1 -3 0 54 当输入为当输入为0000000 1110010 0000000时，识别时，识别 器的输出情况器的输出情况(t=3) 01 (1) 相相 加加 判判 决决 输入码元输入码元 01 (7) 01 (6) 01 (5) 01 (4) 01

23、 (3) 01 (2) 0 0 0 0 0 1 1 1 -1-1-111 -1 0 1-1 55 当输入为当输入为0000000 1110010 0000000时，识别时，识别 器的输出情况器的输出情况(t=4) 01 (1) 相相 加加 判判 决决 输入码元输入码元 01 (7) 01 (6) 01 (5) 01 (4) 01 (3) 01 (2) 0 0 0 0 1 1 1 0 -1-1-111-1-1 -3 0 56 当输入为当输入为0000000 1110010 0000000时，识别时，识别 器的输出情况器的输出情况(t=5) 01 (1) 相相 加加 判判 决决 输入码元输入码元

24、01 (7) 01 (6) 01 (5) 01 (4) 01 (3) 01 (2) 0 0 0 1 1 1 0 0 -1-1-11-1-11 -3 0 57 当输入为当输入为0000000 1110010 0000000时，识别时，识别 器的输出情况器的输出情况(t=6) 01 (1) 相相 加加 判判 决决 输入码元输入码元 01 (7) 01 (6) 01 (5) 01 (4) 01 (3) 01 (2) 0 0 1 1 1 0 0 1 -1-11-1-1-11 -3 0 58 当输入为当输入为0000000 1110010 0000000时，识别时，识别 器的输出情况器的输出情况(t=7

25、) 01 (1) 相相 加加 判判 决决 输入码元输入码元 01 (7) 01 (6) 01 (5) 01 (4) 01 (3) 01 (2) 0 1 1 1 0 0 1 0 -111-1-11-1 1 0 59 当输入为当输入为0000000 1110010 0000000时，识别时，识别 器的输出情况器的输出情况(t=8) 01 (1) 相相 加加 判判 决决 输入码元输入码元 01 (7) 01 (6) 01 (5) 01 (4) 01 (3) 01 (2) 1 1 1 0 0 1 0 0 1111111 7 1 60 当输入为当输入为0000000 1110010 0000000时，识

26、别时，识别 器的输出情况器的输出情况(t=9) 01 (1) 相相 加加 判判 决决 输入码元输入码元 01 (7) 01 (6) 01 (5) 01 (4) 01 (3) 01 (2) 1 1 0 0 1 0 0 0 11-1-11-11 1 0 61 当输入为当输入为0000000 1110010 0000000时，识别时，识别 器的输出情况器的输出情况(t=10) 01 (1) 相相 加加 判判 决决 输入码元输入码元 01 (7) 01 (6) 01 (5) 01 (4) 01 (3) 01 (2) 1 0 0 1 0 0 0 0 1-1-1-1-111 -1 0 62 当输入为当输入

27、为0000000 1110010 0000000时，识别时，识别 器的输出情况器的输出情况(t=11) 01 (1) 相相 加加 判判 决决 输入码元输入码元 01 (7) 01 (6) 01 (5) 01 (4) 01 (3) 01 (2) 0 0 1 0 0 0 0 0 -1-11-1111 1 0 63 当输入为当输入为0000000 1110010 0000000时，识别时，识别 器的输出情况器的输出情况(t=12) 01 (1) 相相 加加 判判 决决 输入码元输入码元 01 (7) 01 (6) 01 (5) 01 (4) 01 (3) 01 (2) 0 1 0 0 0 0 0 0

28、 -11-1-1111 1 0 64 当输入为当输入为0000000 1110010 0000000时，识别时，识别 器的输出情况器的输出情况(t=13) 01 (1) 相相 加加 判判 决决 输入码元输入码元 01 (7) 01 (6) 01 (5) 01 (4) 01 (3) 01 (2) 1 0 0 0 0 0 0 0 1-1-1-1111 1 0 65 当输入为当输入为0000000 1110010 0000000时，识别时，识别 器的输出情况器的输出情况(t=14) 01 (1) 相相 加加 判判 决决 输入码元输入码元 01 (7) 01 (6) 01 (5) 01 (4) 01 (3) 01 (2) 0 0 0 0 0 0 0 0 -1-1-1-1111 -1 0 66 当输入为当输入为0000000 1110010 0000000时，识别时，识别 器的输出情况器的输出情况(t=114) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 0 7 6 5 4 3 2 1 -1 -2 -3 t R(t) 设门限为设门限为4 67 0 0 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 0 01 12 23