第7章---同步

1、1 现代通信原理 第第7章章 同步同步 2 学习要求 1. 掌握掌握载波同步、位同步和帧同步的基本载波同步、位同步和帧同步的基本 概念和原理。概念和原理。 2. 理解理解载波同步、位同步的方法、性能指载波同步、位同步的方法、性能指 标及不同步对通信效果的影响。标及不同步对通信效果的影响。 3. 了解了解帧同步方法和性能指标。帧同步方法和性能指标。 4. 了解了解网同步原理和方法。网同步原理和方法。 3 同步原理 l概述概述 l载波同步载波同步 l位同步位同步 l群同步群同步 l网同步网同步 4 概述概述 一、什么是同步？一、什么是同步？ 所谓同步是指收发双方在时间上步调所谓同步是指收发双方在时

2、间上步调 一致，故又称定时。一致，故又称定时。 按照按照同步的功用同步的功用把同步分为：把同步分为： 载波同步、位同步、帧同步和网同步。载波同步、位同步、帧同步和网同步。 5 1 1、载波同步载波同步：载波同步是指在相干解调时，接收端：载波同步是指在相干解调时，接收端 需要提供一个与接收信号中的调制载波同频同相的相需要提供一个与接收信号中的调制载波同频同相的相 干载波。这个载波的获取称为载波提取或载波同步。干载波。这个载波的获取称为载波提取或载波同步。 2 2、位同步位同步( (码元同步码元同步) )：接收端的码元定时脉冲序列：接收端的码元定时脉冲序列 的重复频率和相位要与发送端保持一致。的重

3、复频率和相位要与发送端保持一致。 3 3、帧同步帧同步 ( (群同步群同步) )：为把若干码元组成的帧加以区：为把若干码元组成的帧加以区 分而正确找到每帧的起止时刻的过程称为帧同步。分而正确找到每帧的起止时刻的过程称为帧同步。 4 4、网同步网同步：为使数字通信网有一个统一的时间节拍：为使数字通信网有一个统一的时间节拍 标准而进行的同步。标准而进行的同步。 概述概述 6 同步也是一种信息，按照同步也是一种信息，按照获取和传输同步信息方获取和传输同步信息方 式的不同式的不同，又可分为外同步法和自同步法：，又可分为外同步法和自同步法： 1 1、外同步、外同步: :由发送端发送专门的同步信息。由发送

4、端发送专门的同步信息。 2 2、自同步、自同步: :从接收信号中直接提取同步信息。从接收信号中直接提取同步信息。 二、为什么要同步？二、为什么要同步？ 使整个通信系统有序、准确、可靠地工作，收、使整个通信系统有序、准确、可靠地工作，收、 发必须有一个统一的时间标准，即定时系统。发必须有一个统一的时间标准，即定时系统。 依靠定时系统去完成收、发双方时间的一致性，依靠定时系统去完成收、发双方时间的一致性， 即同步。即同步。 概述概述 7 三、怎样同步？三、怎样同步？ v 同步是通信中十分重要的问题，也是有一定难同步是通信中十分重要的问题，也是有一定难 度的技术。度的技术。 v 虽然设计通信系统时，

5、可以将位于异地的收发虽然设计通信系统时，可以将位于异地的收发 两端信号频率，时钟频率设定为一致，但实际上很两端信号频率，时钟频率设定为一致，但实际上很 难以作到完全一致、始终绝对相同。难以作到完全一致、始终绝对相同。 v 何况信号经信道传输，不可避免的产生随机的何况信号经信道传输，不可避免的产生随机的 频移和相移信号。频移和相移信号。 概述概述 8 v 因此，同步技术要完成的任务是因此，同步技术要完成的任务是 从接收到的调制（或基带）信号中提取出有从接收到的调制（或基带）信号中提取出有 关关 时间的同步信息时间的同步信息; ; 在接收端产生出频率尽量一样的相干波（或在接收端产生出频率尽量一样的

6、相干波（或 时间脉冲）时间脉冲）; ; 用同步信息不断调整相干波的频率，相位（用同步信息不断调整相干波的频率，相位（ 时间脉冲的频率和位置），使之始终与接收信号时间脉冲的频率和位置），使之始终与接收信号 完全同步。完全同步。 v 同频同相不是与发端载波同步，而是与经过传同频同相不是与发端载波同步，而是与经过传 输后已产生频移和相移的收端信号同步。输后已产生频移和相移的收端信号同步。 概述概述 9 v可见，同步是一个不断提取同步信息，不断可见，同步是一个不断提取同步信息，不断 调整的自过程。调整的自过程。 v同时，现代通信技术使用的频率越来越高，同时，现代通信技术使用的频率越来越高， 传码率越来

7、越快，时标精度越来越高，达到微传码率越来越快，时标精度越来越高，达到微 秒，纳秒的量级，所以对同步技术提出了更高秒，纳秒的量级，所以对同步技术提出了更高 的要求。的要求。 概述概述 10 载波同步方法 l插入导频法插入导频法 l直接提取法直接提取法 n平方法 n科斯塔斯环法 n从多进制信号中提取载频 l载波同步性能载波同步性能 11 载波同步载波同步 相干解调中，接收端必须恢复出一个与发端调制相干解调中，接收端必须恢复出一个与发端调制 载波同频、同相的相干载波。获取相干载波的过程称载波同频、同相的相干载波。获取相干载波的过程称 为为载波同步载波同步。 分为：分为：直接提取法、插入导频法和非线性

8、变换法直接提取法、插入导频法和非线性变换法。 12 抑制载波信号本身不含有独立的载频分量，发送端除发送信号，抑制载波信号本身不含有独立的载频分量，发送端除发送信号， 还发送一个导频信号用于接收端恢复载波，这种载波同步方法称为还发送一个导频信号用于接收端恢复载波，这种载波同步方法称为 插入导频法插入导频法。 例：2PSK信号。 u在发送端：插入正交导频 m(t)频谱中的最高频率为fm f0 fm f0 + fm 0f0 f 导频导频 tAttAmts 000 cossin)()( 插入导频法插入导频法 13 u在接收端：在接收端： 用窄带滤波器滤出导频分量，并将其移相用窄带滤波器滤出导频分量，并

9、将其移相 /2，变，变 成成sin 0t，然后用它和接收信号相乘。，然后用它和接收信号相乘。 设接收信号仍用设接收信号仍用s0(t)表示，则此乘积为表示，则此乘积为 滤除滤除2 0频率分量，就可以恢复出原调制频率分量，就可以恢复出原调制 信号信号m(t)。 u若不用正交导频，接收端输出将增加直流分量。若不用正交导频，接收端输出将增加直流分量。 t A ttm A tm A ttAttAmtts 00 000 2 00 2sin 2 2cos)( 2 )( 2 sincossin)(sin)( 插入导频法插入导频法 14 u原理方框图原理方框图 相乘电路相乘电路带通滤波带通滤波相加电路相加电路

10、/2相移相移载波产生载波产生 (a) 发送端原理方框图发送端原理方框图 带通滤波带通滤波相乘电路相乘电路低通滤波低通滤波 /2相移相移窄带滤波窄带滤波 (b) 接收端原理方框图接收端原理方框图 图图7.2.2 插入导频法原理方框图插入导频法原理方框图 插入导频法插入导频法 15 u平方法平方法 p原理原理 对于没有载波分量的信号，例如对于没有载波分量的信号，例如2PSK信号，信号， 设接收信号为设接收信号为s(t)： 式中，式中，m(t)为调制信号，它无直流分量。为调制信号，它无直流分量。 将此接收信号平方后，得到将此接收信号平方后，得到 用窄带滤波器将上式中用窄带滤波器将上式中2f0分量滤出

11、，经过二分频，就得出分量滤出，经过二分频，就得出 载频载频f0的分量。原理方框图如下：的分量。原理方框图如下： ttmts 0 cos)()( ttmtmttmts 0 22 0 222 2cos)( 2 1 )( 2 1 cos)()( S(t)S2(t) 窄带滤波窄带滤波二分频二分频平平 方方 f0 2f0 直接提取法直接提取法 16 p存在问题：二分频电路的初始状态是随机的，使分存在问题：二分频电路的初始状态是随机的，使分 频输出的初始相位有两种可能状态：频输出的初始相位有两种可能状态：0和和 , 即相位即相位 是模糊的是模糊的 p用锁相环代替窄带滤波器的方案用锁相环代替窄带滤波器的方案

12、 原理方框图原理方框图 优点：输出信号具有更好的稳定性，并且不必优点：输出信号具有更好的稳定性，并且不必 须有连续的输入信号。须有连续的输入信号。 平方平方二分频二分频压控振荡压控振荡相乘相乘环路滤波环路滤波 2f0S(t) S2(t) f0 锁锁 相相 环环 直接提取法直接提取法 17 u科斯塔斯环法科斯塔斯环法 同相正交环法同相正交环法 p原理方框图原理方框图 p原理原理 设：接收信号仍为抑制载波的双边带信号设：接收信号仍为抑制载波的双边带信号s(t) ，本地载波电，本地载波电 压为压为 式中，式中， 为信号和本地载波的相位差。为信号和本地载波的相位差。 b e s(t) c /2 移相移

13、相 相乘相乘 压控压控 振荡振荡 环路环路 滤波滤波 低通低通 相乘相乘低通低通 相乘相乘 a df g 解调输出解调输出 )cos( 0 tva )sin( 0 tvb 直接提取法直接提取法 18 输入信号输入信号s(t)和本地载波相乘后得到和本地载波相乘后得到 经过低通滤波后，它们分别为：经过低通滤波后，它们分别为： 和和 上面这两个电压再相乘后得到上面这两个电压再相乘后得到 上式中，上式中， 是本地载波相位与接收信号载波相位之差。是本地载波相位与接收信号载波相位之差。 vg经过环路滤波器后加到压控振荡器上，控制其振荡频率。经过环路滤波器后加到压控振荡器上，控制其振荡频率。 当当 = 0时

14、，时，vg = 0，这时振荡器的控制电压也等于，这时振荡器的控制电压也等于0。 )2cos()cos( 2 1 )cos(cos)( 000 ttmtttmvc )2sin()sin( 2 1 )sin(cos)( 000 ttmtttmvd cos)( 2 1 tmvesin)( 2 1 tmv f 2sin)( 8 1 2 tmvvv feg 19 p结论：结论： 此压控振荡器的输出电压此压控振荡器的输出电压va就是从接收信号中提就是从接收信号中提 取的载波，可以用来进行相干接收。取的载波，可以用来进行相干接收。 e点电压点电压ve就是解调输出电压，因为它近似等于就是解调输出电压，因为它近

15、似等于 m(t)/2。 p优缺点：优缺点： 不需要用平方电路，它在频率很高时较难实现。不需要用平方电路，它在频率很高时较难实现。 若要求得到最佳性能，则需要两路低通滤波器若要求得到最佳性能，则需要两路低通滤波器 的性能完全一致，这对于模拟电路来说较难做的性能完全一致，这对于模拟电路来说较难做 到，但是若用数字电路则不难做到。到，但是若用数字电路则不难做到。 仍存在相位模糊问题。仍存在相位模糊问题。 直接提取法直接提取法 20 v 两种载波同步方法的比较两种载波同步方法的比较 1、直接法的优缺点、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。不占用导频功率，因此信号功率比可以

16、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。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有的调制系统不能用直接法(如如SSB系统系统)。 2、插入导频法的优缺点、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。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

17、频法。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。率相同条件下信噪功率比要小一些。 21 u 从多进制信号中提取载频从多进制信号中提取载频 p以以QPSK信号为例，说明平方法的原理。信号为例，说明平方法的原理。 设：一个设：一个QPSK信号的表示式为信号的表示式为 式中，式中， 对其平方后，得到对其平方后，得到 对于先验等概率的对于先验等概率的QPSK信号，上式中的信号，上式中的“ ”号表示其中号表示其中 的的2 0分量的平均功率等于零，即其频谱中没有分量的平均功率等于零，即其频谱中没有2

18、0的分量。的分量。 因此，需要滤除其中的直流分量后，再次平方，得到因此，需要滤除其中的直流分量后，再次平方，得到 上式中含有上式中含有4f0的分量。将它滤出并的分量。将它滤出并4分频，即可得到载频分频，即可得到载频f0 分量。分量。 ttmttmts 0201 sin)(cos)()( 1)(; 1)( 21 tmtm tts 0 2 2sin1)( ttts 00 24 4cos 2 1 2 1 )2(sin)( 22 pQPSK信号提取载频的科斯塔斯环原理方框图信号提取载频的科斯塔斯环原理方框图 s(t) 相乘相乘 /4 移相移相 低通低通 相乘相乘 相相 乘乘 压控压控 振荡振荡 环路环

19、路 滤波滤波 低通低通 解调输出解调输出 相乘相乘 /2 移相移相 相乘相乘 3 /4 移相移相 低通低通 低通低通 直接提取法直接提取法 23 主要性能指标：主要性能指标： (1)效率：为获得同步，载波信号应尽量少消耗发效率：为获得同步，载波信号应尽量少消耗发 射功率。射功率。 (2)精度：指提取的同步载波与需要的载波标准比精度：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（稳态相差和随机较，应有尽量小的相位误差（稳态相差和随机 相差）。相差）。 (3)同步建立时间同步建立时间ts：越短越好，这样同步建立得快。：越短越好，这样同步建立得快。 (4)同步保持时间同步保持时间tc

20、：越长越好，这样同步建立后可：越长越好，这样同步建立后可 以以 保持较长时间。保持较长时间。 载波同步性能载波同步性能 24 u载波同步精确度：载波同步精确度： 两种相位误差两种相位误差 ： 1. 由电路参量引起的恒定误差；由电路参量引起的恒定误差； 2. 由噪声引起的随机误差。由噪声引起的随机误差。 p恒定误差恒定误差 由滤波器引起的误差由滤波器引起的误差 设：窄带滤波器由一个单谐振电路组成，则由其引起的设：窄带滤波器由一个单谐振电路组成，则由其引起的 附加相移等于附加相移等于 由锁相环引起的误差由锁相环引起的误差 设锁相环的稳态相位误差为设锁相环的稳态相位误差为，则有，则有 式中，式中，

21、f fq和和 f0之差，之差， Kq 锁相环路直流增益。锁相环路直流增益。 q f f Q 2 q K f 载波同步性能载波同步性能 25 p随机误差：随机误差：噪声引起的相位误差噪声引起的相位误差 n是随机量是随机量 在加性高斯噪声信道中， 在加性高斯噪声信道中， n的方差与信噪比的方差与信噪比r的关系为：的关系为： 式中，式中， 相位抖动；相位抖动； r 信号噪声功率比。信号噪声功率比。 p恒定误差和随机误差对于恒定误差和随机误差对于Q值的要求是矛盾的。值的要求是矛盾的。 u同步建立时间和保持时间同步建立时间和保持时间 p同步建立时间同步建立时间 从开始接收到信号或从系统失步状态到提从开始

22、接收到信号或从系统失步状态到提 取出稳定的载频所需要的时间取出稳定的载频所需要的时间 越短越好。越短越好。 p同步保持时间同步保持时间 从开始失去信号到失去载频同步的时间从开始失去信号到失去载频同步的时间 越长越好。越长越好。 p两者是矛盾的。两者是矛盾的。 r n 2 1 22 载波同步性能载波同步性能 26 u载波同步误差对载波同步误差对2PSK信号误码率的影响信号误码率的影响 p相位误差相位误差 包括两部分：包括两部分： 式中，式中， 恒定误差恒定误差 随机误差随机误差 p解调输出为解调输出为 式中式中cos 引起信号电压下降，引起信号电压下降， 信号噪声功率比信号噪声功率比r下降为下降

23、为cos2 倍倍。 p因此，误码率下降为因此，误码率下降为 式中，式中，r为信号噪声功率比。为信号噪声功率比。 cos)( 2 1 tmv e cos 2 1 rerfcP e 载波同步性能载波同步性能 27 u载波同步误差引起的信号波形失真载波同步误差引起的信号波形失真 例如，会使单边带信号产生失真。例如，会使单边带信号产生失真。 设有一单频基带信号：设有一单频基带信号： 用它对载波用它对载波cos 0t进行单边带调制后，取出上边带信号：进行单边带调制后，取出上边带信号： 若接收端的本地载波有相位误差若接收端的本地载波有相位误差 ，则两者相乘后得到，则两者相乘后得到 经过低通滤波器滤出的低频

24、分量为经过低通滤波器滤出的低频分量为 上式中，第上式中，第1项的因子项的因子cos 使原调制基带信号受到衰减；使原调制基带信号受到衰减； 第第2项和第项和第1项正交，它使接收信号产生失真，项正交，它使接收信号产生失真， 产生码间串扰。产生码间串扰。 ttm cos)( tts)cos( 2 1 )( 0 )cos()2cos( 4 1 )cos()cos( 2 1 000 ttttt sinsin 4 1 coscos 4 1 )cos( 4 1 ttt 28 位同步 l外同步法外同步法 l自同步法自同步法 n开环码元同步法 n闭环码元同步法 l位同步误差对误码率的影响位同步误差对误码率的影响

25、 29 位同步位同步码元同步码元同步 v位同步与载波同步的区别位同步与载波同步的区别： 模拟通信没有位同步，数字通信一般都有位模拟通信没有位同步，数字通信一般都有位 同步；同步； 位同步信号从基带中提取，特殊情况在频带位同步信号从基带中提取，特殊情况在频带 中提取，而载波同步一定在频带中提取。中提取，而载波同步一定在频带中提取。 30 v 对位同步信号的要求：对位同步信号的要求： (1)使收端的位同步脉冲频率和发送端的码元速率使收端的位同步脉冲频率和发送端的码元速率 相同（同频）。相同（同频）。 (2)使收端最佳判决时对接收码元作抽样判决（同使收端最佳判决时对接收码元作抽样判决（同 相）。相）

26、。 v 位同步方法的分类位同步方法的分类： 外同步法和自同步法。外同步法和自同步法。 位同步位同步码元同步码元同步 31 n外同步法外同步法 辅助信息同步法辅助信息同步法 u原理：于发送端信号中插入频率为码元速率原理：于发送端信号中插入频率为码元速率 （1/T）或码元速率的倍数的位同步信号。）或码元速率的倍数的位同步信号。 在接收端利用一个窄带滤波器，将其分离在接收端利用一个窄带滤波器，将其分离 出来，并形成码元定时脉冲。出来，并形成码元定时脉冲。 u插入位同步信号的方法：插入位同步信号的方法： p时域：连续插入、不连续插入（时域：连续插入、不连续插入（“位同步头位同步头”） p频域：信号频带

27、外插入、信号频带内频域：信号频带外插入、信号频带内“空隙空隙” 处插入。处插入。 u优缺点：设备较简单；但占用一定的带宽和发优缺点：设备较简单；但占用一定的带宽和发 送功率。送功率。 外同步法外同步法 32 n自同步法自同步法 u开环码元同步法开环码元同步法 同步电路直接从输入码流同步电路直接从输入码流 中提取发送码流的时钟。中提取发送码流的时钟。 下面给出下面给出3个具体方案。个具体方案。 自同步法自同步法 33 n波形变换法波形变换法 开环码元同步开环码元同步 34 p延迟相乘法延迟相乘法 开环码元同步开环码元同步 35 p微分整流法微分整流法 u时间误差：若窄带滤波器的带宽等于时间误差：

28、若窄带滤波器的带宽等于1/KT ，则，则 当当 式中，式中， 同步误差时间；同步误差时间； T 码元持续时间；码元持续时间； Eb 码元能量；码元能量； n0 单边噪声功率谱密度。单边噪声功率谱密度。 因此，只要接收信噪比大，上述方案能保证足够准确因此，只要接收信噪比大，上述方案能保证足够准确 的码元同步。的码元同步。 p开环法主要缺点：存在非零平均同步跟踪误差。开环法主要缺点：存在非零平均同步跟踪误差。 0 / 33.0 nKET b 18, 5 0 K n Eb 开环码元同步开环码元同步 36 u闭环码元同步法闭环码元同步法 “超前超前/滞后门滞后门”同步器同步器 T d dt 相乘相乘

29、门波形门波形 产生产生 超前门超前门 滞后门滞后门 m(t) 相乘相乘 压控振荡压控振荡 u1 u2 环路滤波环路滤波 | | | | + + - |u1| |u2| e=|u2|-|u1| T d dt dT dt 0 T d d +1 -1 超前超前 门门 滞后滞后 门门 (a) 同步状态同步状态 (b) 超前状态超前状态 d + +1 -1 超前超前 门门 滞后滞后 门门 T 2 积分时间积分时间 闭环码元同步闭环码元同步 37 位同步误差对于误码率的影响位同步误差对于误码率的影响 若位同步时间误差为若位同步时间误差为 ，则积分时间将损失，则积分时间将损失2 ， 积分得到的码元能量将减小

30、为积分得到的码元能量将减小为Eb(1-2 /T)；在相邻；在相邻 码元没有突变边沿时，则积分时间没有损失。码元没有突变边沿时，则积分时间没有损失。 对于等概率随机码元信号，有突变的边沿对于等概率随机码元信号，有突变的边沿 和无突变的边沿各占和无突变的边沿各占1/2。 例：例：2PSK信号的最佳误码率等于信号的最佳误码率等于 故在有相位误差时的平均误码率为故在有相位误差时的平均误码率为 0 2 1 n E erfcP b e Tn E erfc n E erfcP bb e 2 1 4 1 4 1 00 位同步位同步 38 1、相位误差相位误差： n为分频器分频次数。为分频器分频次数。 2、同步

31、建立时间同步建立时间ts 定义：失去同步后重建同步最所需的长时间。定义：失去同步后重建同步最所需的长时间。 故同步建立时间为：故同步建立时间为： n e 360| bbs nTTt n 2 2 位同步系统的性能指标位同步系统的性能指标 39 3、同步保持时间同步保持时间tc 系统因为没有输入，使得收端位同步信号的相位系统因为没有输入，使得收端位同步信号的相位 就会逐渐发生漂移，时间越长，相位漂移量越大，就会逐渐发生漂移，时间越长，相位漂移量越大， 直至漂移量达到某一准许的最大值，就算失步了。直至漂移量达到某一准许的最大值，就算失步了。 Kt F KF t F F t KT c c c 11 0

32、 0 或 0 21 0 210 T TT F F TTF 0 0 000 2 2 1 2 1 2 2 F F KF t tKFF F F F c c 或 2 021 12 2121 11 F F FF FF FFTT 位同步系统的性能指标位同步系统的性能指标 40 4、同步带宽同步带宽f 如果输入信号码元的重复频率和收端固有位定时如果输入信号码元的重复频率和收端固有位定时 脉冲的重复频率不相等时，每经过脉冲的重复频率不相等时，每经过T0时间该频差会时间该频差会 引起引起 的时间漂移。的时间漂移。 锁相环每次所能调整的时间为锁相环每次所能调整的时间为Tb/n则：则： 21 TT 0 0 21 2

33、 1 2nFn T TT n F f nFF f TT 22 1 0 0 2 0 21 位同步系统的性能指标位同步系统的性能指标 41 5、相位误差对性能的影响相位误差对性能的影响 相位误差的大小将直接影响到抽样点的位置，相位误差的大小将直接影响到抽样点的位置， 误差越大，越偏离最佳抽样时刻。误差越大，越偏离最佳抽样时刻。 这时的误码率可以表示为这时的误码率可以表示为 00 21 4 1 4 1 n TTE erfc n E erfcP be e 位同步系统的性能指标位同步系统的性能指标 42 一个数字传输系统，码元速率为一个数字传输系统，码元速率为50波特，收发波特，收发 端位同步振荡器的频

34、率稳定度端位同步振荡器的频率稳定度 ，取数，取数 字锁相环中分频次数字锁相环中分频次数 ，求此系统的性，求此系统的性 能指标。能指标。 4 10)2( ff 19226 5 n 解：已知解：已知 Hzfb50 msTb20 192n 例：例： 9 . 1 360 n e (1) (2) (3) (4) snTt bs 84. 302. 0192 10K s 10 10102 1020 2 2 4 3 f f K T t b c Hz n f f125. 0 1922 50 2 0 例题例题 43 群同步 l概述概述 l集中插入法集中插入法 l分散插入法分散插入法 n移位搜索法 n存储检测法 l

35、群同步性能群同步性能 44 帧（群）同步与载波同步、位同步的比较帧（群）同步与载波同步、位同步的比较： v 载波同步：解决了同步解调问题。载波同步：解决了同步解调问题。 v 位同步：确定数字通信中各个码元的抽样位同步：确定数字通信中各个码元的抽样 判决时刻。判决时刻。 v 群同步：在位同步的基础上识别出数字信群同步：在位同步的基础上识别出数字信 息的起始时刻息的起始时刻 ，或者说给出每个群的，或者说给出每个群的 “开头开头” 和和“末尾末尾”时刻。时刻。 概述概述 45 群同步问题实质群同步问题实质上是一个对群同步标志进行检上是一个对群同步标志进行检 测的问题。测的问题。 对群同步系统的基本要

36、求是：对群同步系统的基本要求是： (1) 正确建立同步的概率要大，即漏同步概率要正确建立同步的概率要大，即漏同步概率要 小，小， 错误同步或假同步的概率要小。错误同步或假同步的概率要小。 (2) 捕获时间要短，捕获时间要短， 即同步建立的时间要短。即同步建立的时间要短。 (3) 稳定地保持同步。采取保持措施，使同步保稳定地保持同步。采取保持措施，使同步保 持时间持久稳定。持时间持久稳定。 (4) 在满足群同步性能要求条件下，群同步码的在满足群同步性能要求条件下，群同步码的 长度应尽可能短些，这样可以提高信息传输效率。长度应尽可能短些，这样可以提高信息传输效率。 概述概述 46 为了实现帧同步，

37、可在数字信息流中插入为了实现帧同步，可在数字信息流中插入 一些特殊码字作为每个群的头尾标记。一些特殊码字作为每个群的头尾标记。 v实现群同步，通常采用的方法是实现群同步，通常采用的方法是起止式同步起止式同步 法法和和插入特殊同步码组插入特殊同步码组的同步法。的同步法。 v而插入特殊同步码组的方法有两种：一种为而插入特殊同步码组的方法有两种：一种为 连贯式插入法，另一种为间隔式插入法。连贯式插入法，另一种为间隔式插入法。 群（帧）同步的方法：群（帧）同步的方法： 概述概述 47 u群同步信息的传递群同步信息的传递 1. 码组本身自带分组信息码组本身自带分组信息 2. 插入群同步码插入群同步码 分

38、散插入分散插入 集中插入集中插入 (a) 分散插入法分散插入法 群同步序列群同步序列 群同步码元群同步码元 群同步码元群同步码元 群同步码元群同步码元 信号码元群信号码元群信号码元群信号码元群 群同步码元群同步码元 信号码元群信号码元群 (a) 集中插入法集中插入法 群同步码组群同步码组 群同步码组群同步码组 群同步码组群同步码组群同步码组群同步码组 信号码元群信号码元群信号码元群信号码元群 信号码元群信号码元群 概述概述 48 u集中插入集中插入：适用于要求快速建立同步的地方，或间断传输：适用于要求快速建立同步的地方，或间断传输 信息并且每次传输时间很短的场合信息并且每次传输时间很短的场合

39、u分散插入分散插入：需要较长的同步建立时间。故适用于连续传输：需要较长的同步建立时间。故适用于连续传输 信号之处，例如数字电话系统中信号之处，例如数字电话系统中 u同步电路的两种状态：捕捉态和保持态。同步电路的两种状态：捕捉态和保持态。 u起止式同步法：起止式同步法： 概述概述 49 v在编码信息的开头，先发送一个在编码信息的开头，先发送一个“起脉冲起脉冲（负（负 值）值） ，以标识字的开始；，以标识字的开始； v在末尾，再发送一个在末尾，再发送一个“止脉冲止脉冲。 v收端根据高电平第一次转到低电平这一特殊标志来确收端根据高电平第一次转到低电平这一特殊标志来确 定一个字的起始位置，从而实现字同

40、步。定一个字的起始位置，从而实现字同步。 v主要适用于低速的手工操作的电传打字机中。主要适用于低速的手工操作的电传打字机中。 v起止式同步通信有时也称为异步式通信，因为其起止式同步通信有时也称为异步式通信，因为其 码元间隔不等。码元间隔不等。 起止式同步法起止式同步法: 止起止12345 1 51.5 概述概述 50 v连贯式插入法：是在每群的开头集中插入作连贯式插入法：是在每群的开头集中插入作 为群同步码的特殊码组；为群同步码的特殊码组； v关键是要找出可作为群同步码的特殊码组。关键是要找出可作为群同步码的特殊码组。 v这个特殊码组要在信息中不易出现；这个特殊码组要在信息中不易出现； v接收

41、端识别器也要尽量简单；接收端识别器也要尽量简单； v巴克码是常用的群同步码。巴克码是常用的群同步码。 集中插入法集中插入法 51 n 原理原理 设有一个码组，它包含设有一个码组，它包含N个码元个码元x1, x2, , xN，则其局部自，则其局部自 相关函数（下面简称自相关函数）等于：相关函数（下面简称自相关函数）等于： 式中，式中，N 码组中的码元数目；码组中的码元数目； xi 码元的取值，可以取码元的取值，可以取+1或或-1。 当当j = 0时，时， 上式在运算中，已假定当上式在运算中，已假定当1 i 和和i N时，时，xi = 0。 若一个码组仅在若一个码组仅在R(0)处出现峰值，其他处的

42、处出现峰值，其他处的R(j)均很小，则均很小，则 可以用求自相关函数的方法对于接收码元序列运算，寻找峰可以用求自相关函数的方法对于接收码元序列运算，寻找峰 值，从而确定此码组的位置。值，从而确定此码组的位置。 jN i jii xxjR 1 )()1 (Ni 整数）j( NxxxR N i i N i ii 1 2 1 )0( 集中插入法集中插入法 52 u巴克码巴克码 p定义：定义： 巴克码尚未找到一般构造方法巴克码尚未找到一般构造方法 Nj Nj jN xxjR jN i jii , 0 0,0 0, )( 1 1或 N巴克码巴克码 1 2或或 3 4或或 5 7 11 13 集中插入法集

43、中插入法 53 p自相关函数值：以自相关函数值：以N = 5的巴克码为例的巴克码为例 R (0) = 5 xi xi xi2 xi+1 xixi+1 xi R (1) = 0 xi+2 xi xixi+2 R (2) = 1 xi+3 xi xixi+3 R (3) = 0 xi+4 xi xixi+4 R (4) = 1 0 - 1 5 3 2 1 4123-4-1-3 -2 j R(j) 集中插入法集中插入法 54 u威拉德威拉德(Willard) 码码： 对于随机相邻码元能给出最小错误同步概率。对于随机相邻码元能给出最小错误同步概率。 N威拉德码威拉德码 1 2 3 4 5 7 11 1

44、3 集中插入法集中插入法 55 u集中插入法集中插入法 的实现的实现 p一旦发现自相关值等于同步码组的长度一旦发现自相关值等于同步码组的长度N时，就认为捕捉到时，就认为捕捉到 了同步，并将系统从捕捉态转换为保持态。了同步，并将系统从捕捉态转换为保持态。 p继续考察同步位置上的接收码组是否仍然具有等于继续考察同步位置上的接收码组是否仍然具有等于N的自相的自相 关值。关值。 p当系统失去同步时，自相关值立即下降。当系统失去同步时，自相关值立即下降。 p因为噪声也可能引起自相关值下降。所以为了保护同步状态因为噪声也可能引起自相关值下降。所以为了保护同步状态 不易被噪声等干扰打断，在保持状态时要降低对

45、自相关值的不易被噪声等干扰打断，在保持状态时要降低对自相关值的 要求。要求。 p判定系统失步后，系统转入捕捉态，从新捕捉同步码组。判定系统失步后，系统转入捕捉态，从新捕捉同步码组。 集中插入法集中插入法 56 例：在数字电话系统中常采用的例：在数字电话系统中常采用的“1/0”交替码交替码 群同步序列群同步序列 . 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 群同步码元群同步码元 群同步码元群同步码元 群同步码元群同步码元 信号码元群信号码元群信号码元群信号码元群 群同步码元群同步码元 信号码元群信号码元群 PPP 分散插入法分散插入法 57 u同步码搜索方法同步码搜索方法 p移位搜索法移位搜索法

46、Y 初始化初始化 开始开始 同步状态同步状态 移一位移一位 是同步码？是同步码？ 记数器记数器A记到记到n？ 记数器记数器A加加1 N 状态转换状态转换 Y Y N 置置0 是同步码？是同步码？ 记数器记数器B加加1 记数器记数器B记到记到m？ N 记数器记数器C加加1 Y 记数器记数器C记到记到n？ 置置0 保持态保持态 捕捉态捕捉态 将同步状态设为捕捉态将同步状态设为捕捉态 将各记数器置将各记数器置0 移位搜索法移位搜索法 58 p存储检测法存储检测法 01 02 03 04 05 06 07 08 x x x x x x x 0 09 10 11 12 13 14 15 16 x x x

47、 x x x x 1 17 18 19 20 21 22 23 24 x x x x x x x 0 25 26 27 28 29 30 31 32 x x x x x x x 1 33 34 35 36 37 38 39 40 x x x x x x x 0 新码元进入新码元进入 老码元输出老码元输出 检验是否检验是否 “1/0”交替交替 存储检测法存储检测法 59 漏同步概率漏同步概率Pl ：将正确同步位置漏过的概率。：将正确同步位置漏过的概率。 设：设： 接收码元错误概率为接收码元错误概率为p， 需检验的同步码元数为需检验的同步码元数为n， 检验时容许错误的最大码元数为检验时容许错误的最

48、大码元数为m， 则未漏判定为同步码的概率等于则未漏判定为同步码的概率等于 所以，漏同步概率等于所以，漏同步概率等于 当不允许有错误时，即设定当不允许有错误时，即设定m = 0时，则上式变为时，则上式变为 0 (1) m nrnr r r Cpp 0 1(1) m nrnr lr r PCpp n l pP)1 (1 群同步性能群同步性能 60 u假同步概率假同步概率Pf ： 将错误同步位置当作正确同步位置捕捉到的概率。将错误同步位置当作正确同步位置捕捉到的概率。 设：设： 信息码元信息码元 “1”和和“0”出现的先验概率相等，出现的先验概率相等， 假同步是由某个信息码组被误认为同步码组造成的，

49、假同步是由某个信息码组被误认为同步码组造成的， 同步码组长度为同步码组长度为n， 则则n位的信息码组有位的信息码组有2n种排列。它被错当成同步码组的种排列。它被错当成同步码组的 概率和容许错误码元数概率和容许错误码元数m有关。有关。 若不容许有错码，即若不容许有错码，即m = 0，则只有一种可能，即信息，则只有一种可能，即信息 码组中的每个码元恰好都和同步码元相同。码组中的每个码元恰好都和同步码元相同。 若若m = 1，则有，则有C1n种可能。种可能。 因此假同步的总概率为因此假同步的总概率为 式中，分母式中，分母2n是全部可能出现的信息码组数。是全部可能出现的信息码组数。 u当当m增大时，漏

50、同步概率减小，但假同步概率增大。所以，增大时，漏同步概率减小，但假同步概率增大。所以， 两者是矛盾的。两者是矛盾的。 n l pP)1 (1 0 2 m n r r f n C P 61 群同步平均建立时间群同步平均建立时间ts 对于连贯式插入法，假设漏同步和假同步都不出现，对于连贯式插入法，假设漏同步和假同步都不出现， 在最不利的情况下，实现帧同步最多需要一帧时间，设在最不利的情况下，实现帧同步最多需要一帧时间，设 每帧的码元数为每帧的码元数为N, 每码元的时间宽度为每码元的时间宽度为Tb，则一帧的，则一帧的 时间为时间为NTb。在建立同步过程中，如出现一次漏同步，。在建立同步过程中，如出现

51、一次漏同步， 则建立时间要增加则建立时间要增加NTb；如出现一次假同步，建立时间；如出现一次假同步，建立时间 也要增加也要增加NTb，因此，帧同步的平均建立时间为，因此，帧同步的平均建立时间为 对于分散式插入法，其平均建立时间经过分析计算可得对于分散式插入法，其平均建立时间经过分析计算可得 bs NTPPt)1 ( 21 bs TNt 2 62 网同步 l概述概述 l开环法开环法 l闭环法闭环法 63 u目的目的：解决网中各站的载波同步、位同步和群同步：解决网中各站的载波同步、位同步和群同步 等问题等问题 u单向通信单向通信：由接收机解决网同步问题。：由接收机解决网同步问题。 u多用户系统多用

52、户系统：由整个地面终端站（发射机和接收机）：由整个地面终端站（发射机和接收机） 解决同步问题。解决同步问题。 u终端站发射机同步方法终端站发射机同步方法：有开环和闭环两种。：有开环和闭环两种。 p开环法：不需依靠对中心站上接收信号参量的测度，开环法：不需依靠对中心站上接收信号参量的测度， 它依靠的是准确的可以预测的链路参量。它依靠的是准确的可以预测的链路参量。 优点：捕捉快、不需要反向链路也能工作和实时优点：捕捉快、不需要反向链路也能工作和实时 运算量小。运算量小。 缺点：需要外部有关部门提供所需的链路参量数缺点：需要外部有关部门提供所需的链路参量数 据，并且缺乏灵活性。据，并且缺乏灵活性。

53、概述概述 64 p闭环法闭环法：不需要预先得知链路参量的数据：不需要预先得知链路参量的数据 ，卫星，卫星 上中心站需要度量来自终端站的信号的同步准确上中心站需要度量来自终端站的信号的同步准确 度，并将度量结果通过反向信道送给终端站，使度，并将度量结果通过反向信道送给终端站，使 其作出调整。其作出调整。 优点：不需要外部供给有关链路参量的数据，优点：不需要外部供给有关链路参量的数据， 能及时适应路径和链路情况的变化能及时适应路径和链路情况的变化 。 缺点：终端站需要有较高的实时处理能力，并缺点：终端站需要有较高的实时处理能力，并 且每个终端站和卫星上中心站之间要有双向链且每个终端站和卫星上中心站

54、之间要有双向链 路。此外，捕捉同步也需要较长的时间。路。此外，捕捉同步也需要较长的时间。 概述概述 65 u两类开环法两类开环法：1. 不利用反向链路提供的信息，不利用反向链路提供的信息， 2. 利用反向链路提供的信息。利用反向链路提供的信息。 u例例： 1. 卫星通信系统卫星通信系统 不利用反向链路提供的信息时不利用反向链路提供的信息时 p预先校正时间：终端站发射机需要计算信号到达中心站的时预先校正时间：终端站发射机需要计算信号到达中心站的时 间：间： 式中，式中，Tt 实际发送开始时间；实际发送开始时间； d 传输距离；传输距离；c 光速。光速。 p预先校正发送频率：考虑多谱勒频移后，发送

55、频率应该等于预先校正发送频率：考虑多谱勒频移后，发送频率应该等于 式中，式中，V 相对速度（距离缩短时为正）；相对速度（距离缩短时为正）； f0 标称发送频率。标称发送频率。 c d TT ta 0 1f c V f 开环法开环法 66 p时间预测的误差时间预测的误差 式中，式中，re 距离估值的误差；距离估值的误差； t 发射机处和接收机处参考时间之差。发射机处和接收机处参考时间之差。 p频率预测误差频率预测误差 式中，式中，Ve 发射机和接收机间相对速度的测量值误差发射机和接收机间相对速度的测量值误差 或预测值的误差；或预测值的误差； f 发射机和接收机参考频率间的误差。发射机和接收机参考

56、频率间的误差。 p参考频率最大容许误差参考频率最大容许误差 t c r T e e f c fV f e e 0 0 f f (Hz / Hz / day) 开环法开环法 67 p频率偏移随时间线性增大值频率偏移随时间线性增大值 式中，式中， f(T) 在时间在时间T 内增大的频率偏移；内增大的频率偏移； f(0) 初始（初始（t = 0时）频率偏移；时）频率偏移； T 时间（天）。时间（天）。 p积累的时间偏差积累的时间偏差 t (T) 由上式可以看出，参考时间误差随时间按平方律增长。由上式可以看出，参考时间误差随时间按平方律增长。 通常必须定期地更新终端站的接收机定时数据，或重新通常必须定

57、期地更新终端站的接收机定时数据，或重新 将接收机和发射机的参考时间设置到标称时间。将接收机和发射机的参考时间设置到标称时间。 T fTffdtfTf 0 00 )0()0()( )0( )0( 2 1 )0( )0( )0( )( )( 0 2 000 00 t f Tf T tdt f f tdttdt f tf Tt TTT 开环法开环法 68 2. 卫星通信系统卫星通信系统 利用反向链路提供的信息时利用反向链路提供的信息时 p对下行链路信号测量得到的对下行链路信号测量得到的 t 和和 f 的误差，可以用于计算的误差，可以用于计算 对上行传输的校正。对上行传输的校正。 p若终点站有来自中心

58、站的反向（下行）链路，并能够将本地若终点站有来自中心站的反向（下行）链路，并能够将本地 参考和输入信号参量作比较，则两次校准的时间间隔可以更参考和输入信号参量作比较，则两次校准的时间间隔可以更 长些。长些。 p终端站能够利用对反向链路信号测量进行同步的方法有时称终端站能够利用对反向链路信号测量进行同步的方法有时称 为准闭环发射机同步法。为准闭环发射机同步法。 p若已知参考时间和参考频率是准确的，但是链路的路径有变若已知参考时间和参考频率是准确的，但是链路的路径有变 动，则对下行链路的同样测量也可以用于解决距离或速度不动，则对下行链路的同样测量也可以用于解决距离或速度不 确定的问题，从而预先校正

59、上行信号的定时和频率。确定的问题，从而预先校正上行信号的定时和频率。 69 闭环法闭环法需要终端站发送特殊的同步信号，用以在中需要终端站发送特殊的同步信号，用以在中 心站决定信号的时间和频率误差。所得结果并在反心站决定信号的时间和频率误差。所得结果并在反 向（下行）链路上反馈给终端站发射机。向（下行）链路上反馈给终端站发射机。 u若中心站具有足够的处理能力，则中心站可以进行实际的若中心站具有足够的处理能力，则中心站可以进行实际的 误差测量；并将误差送回给终端站发射机。误差测量；并将误差送回给终端站发射机。 p优点：优点：1. 在反向链路上传送的误差测量结果很短。在反向链路上传送的误差测量结果很

60、短。 2. 在中心站上的误差测量手段能够被所有终端共在中心站上的误差测量手段能够被所有终端共 享。这大量节省了系统的处理能力。享。这大量节省了系统的处理能力。 u若中心站没有处理能力，则此特殊同步信号可以直接由反若中心站没有处理能力，则此特殊同步信号可以直接由反 向链路送回终端站发射机；由发射机处理。向链路送回终端站发射机；由发射机处理。 p优点：优点：1. 中心站不需要易于接入。中心站不需要易于接入。 2. 中心站可以设计得较简单。中心站可以设计得较简单。 3.响应更快，因为没有中心站处理带来的迟延。响应更快，因为没有中心站处理带来的迟延。 闭环法闭环法 70 p缺点：缺点： 1.反向信道的