《通信原理》7同步

1、2021-10-211同同 步步v 载波同步载波同步v 位同步位同步v 群同步群同步v 网同步网同步2021-10-212 研究对象：研究对象： 同步同步 本章重点：本章重点：v 载波同步载波同步v 位同步位同步v 群同步群同步v 网同步网同步本章要点：本章要点：2021-10-213本章要点：本章要点：基本要求：基本要求：k 理解同步的基本概念，理解同步的基本类型理解同步的基本概念，理解同步的基本类型 及其在通信系统中的作用。及其在通信系统中的作用。k 掌握载波同步的实现方法、载波同步系统的掌握载波同步的实现方法、载波同步系统的性能、载波相位误差对系统解调性能的影响。性能、载波相位误差对系统

2、解调性能的影响。2021-10-214本章要点：本章要点：基本要求：基本要求：k 掌握位同步的实现方法、位同步系统的性能、掌握位同步的实现方法、位同步系统的性能、 位定时误差对系统性能的影响。位定时误差对系统性能的影响。k 熟悉群同步的实现方法、群同步系统的性能、熟悉群同步的实现方法、群同步系统的性能、群同步保护。群同步保护。k 了解网同步的基本概念。了解网同步的基本概念。2021-10-215同步同步同步是数字通信中一个重要的实际问题。通信同步是数字通信中一个重要的实际问题。通信系统如果出现同步误差或失去同步，就会使通系统如果出现同步误差或失去同步，就会使通信系统性能降低或通信失效。信系统性

3、能降低或通信失效。同步的同步的含义含义：使接受信号与发送信号间保持正：使接受信号与发送信号间保持正确节拍，从而能正确地提取信息的一种技术，确节拍，从而能正确地提取信息的一种技术，又称定时。又称定时。收发两端的载波、码元速率及各种定时标志都收发两端的载波、码元速率及各种定时标志都应步调一致地进行工作。应步调一致地进行工作。2021-10-216同步同步同步方法：同步方法：发射端以各种方式纳入同步信息，接收端采发射端以各种方式纳入同步信息，接收端采取合适手段提取；或在接收端对接收信号做变取合适手段提取；或在接收端对接收信号做变换，使之产生同步分量，再设法提取。换，使之产生同步分量，再设法提取。20

4、21-10-217同步同步同步的分类：同步的分类：v载波同步：载波同步：是指在相干解调时，接收端需要是指在相干解调时，接收端需要提供一个与接收信号中的调制载波提供一个与接收信号中的调制载波同频同相同频同相的相干载波。这个载波的获取称为载波提取的相干载波。这个载波的获取称为载波提取或载波同步。或载波同步。v载波同步是实现相干解调的先决条件。载波同步是实现相干解调的先决条件。v在模拟和数字通信系统中均使用。在模拟和数字通信系统中均使用。2021-10-218同步同步同步的分类：同步的分类：v位同步：位同步：位同步又称码元同步。在数字通信位同步又称码元同步。在数字通信系统中，任何消息都是通过一连串码

5、元序列系统中，任何消息都是通过一连串码元序列传送的，所以接收时需要知道每个码元的起传送的，所以接收时需要知道每个码元的起止时刻（抽样时刻、位定时脉冲），以便在止时刻（抽样时刻、位定时脉冲），以便在恰当的时刻进行取样判决。提取这种定时脉恰当的时刻进行取样判决。提取这种定时脉冲序列的过程称为位同步。冲序列的过程称为位同步。v目的是使每个码元得到最佳的解调和判决。目的是使每个码元得到最佳的解调和判决。v是数字通信系统所特有的。是数字通信系统所特有的。2021-10-219同步同步同步的分类：同步的分类：v群同步：群同步：群同步有时也称帧同步。在数字通群同步有时也称帧同步。在数字通信中，信息按一定的格

6、式传输，形成数据帧信中，信息按一定的格式传输，形成数据帧结构和时隙，在接收端就需要识别每帧的起结构和时隙，在接收端就需要识别每帧的起止时刻，否则接收端无法正确恢复信息，这止时刻，否则接收端无法正确恢复信息，这就是帧同步。同样，在串行数据流中，在接就是帧同步。同样，在串行数据流中，在接收端需要把输入串行比特流转换成一个个字、收端需要把输入串行比特流转换成一个个字、字节；需要识别出字节；需要识别出“字字”、“字节字节”及及“码码组组”的时刻，这就是群同步。的时刻，这就是群同步。 2021-10-2110同步同步同步的分类：同步的分类：v群同步群同步的目的目的是能够正确地将接收码元序列的是能够正确地

7、将接收码元序列分组，使接收信息能够被正确理解。分组，使接收信息能够被正确理解。v是数字通信系统所特有的。是数字通信系统所特有的。2021-10-2111同步同步同步的分类：同步的分类：v网同步：网同步：为了保证通信网内各用户之间可靠为了保证通信网内各用户之间可靠地通信和数据交换，全网必须有一个统一的地通信和数据交换，全网必须有一个统一的时间标准时钟，这就是网同步的问题。时间标准时钟，这就是网同步的问题。v目的是解决通信网的时钟同步问题，这个问目的是解决通信网的时钟同步问题，这个问题关系着网中各站的载波同步、位同步和群题关系着网中各站的载波同步、位同步和群同步。同步。v是通信网络所特有的。是通信

8、网络所特有的。2021-10-2112同步同步同步也是一种信息，按照获取和传输同步信息同步也是一种信息，按照获取和传输同步信息方式的不同，又可分为外同步法和自同步法。方式的不同，又可分为外同步法和自同步法。v外同步法外同步法 由发送端发送专门的同步信息（常被称为由发送端发送专门的同步信息（常被称为 导频），接收端把这个导频提取出来作为同导频），接收端把这个导频提取出来作为同步信号的方法，称为外同步法。步信号的方法，称为外同步法。2021-10-2113同步同步同步也是一种信息，按照获取和传输同步信息同步也是一种信息，按照获取和传输同步信息方式的不同，又可分为外同步法和自同步法。方式的不同，又可

9、分为外同步法和自同步法。v自同步法自同步法 发送端不发送专门的同步信息，接收端设发送端不发送专门的同步信息，接收端设法从收到的信号中提取同步信息的方法，称法从收到的信号中提取同步信息的方法，称为自同步法。为自同步法。2021-10-2114载波同步载波同步提取相干载波的方法有两种：提取相干载波的方法有两种：插入导频法插入导频法和和直接提取法直接提取法插入导频法插入导频法主要用于接收信号频谱中没有离散载频的分量。主要用于接收信号频谱中没有离散载频的分量。抑制载波的双边带信号（如抑制载波的双边带信号（如DSB、等概的、等概的2PSK）本）本身不含有载波；残留边带（身不含有载波；残留边带（VSB）信

10、号虽含有载波分量，）信号虽含有载波分量，但很难从已调信号的频谱中把它分离出来；单边带（但很难从已调信号的频谱中把它分离出来；单边带（SSB）信号，没有载波分量，对这些信号的载波提取，可以用插信号，没有载波分量，对这些信号的载波提取，可以用插入导频法（外同步法）。入导频法（外同步法）。2021-10-2115载波同步载波同步以以2PSK信号为例，在发送端插入正交导频信号为例，在发送端插入正交导频 000sincosstAm ttAt在接收端用窄带滤波器滤出导频分量，并将其移在接收端用窄带滤波器滤出导频分量，并将其移相相/2，变成，变成 ，然后用它和接收信号相乘，然后用它和接收信号相乘，接收信号仍

11、用接收信号仍用 表示，则得到表示，则得到0sint 0st2021-10-2116载波同步载波同步00200000( )sin( )sinsincos( )( )cos2sin2222s ttAm ttAttAAAm tm ttt02滤除滤除 频率分量，就可以恢复出原调制信频率分量，就可以恢复出原调制信号号 m(t)。若不用正交导频，接收端输出将增。若不用正交导频，接收端输出将增加直流分量。加直流分量。2021-10-2117载波同步载波同步相乘调制带通相加90相移)(tmtaccsin输出)(0tu插入导频法发端方框图插入导频法发端方框图2021-10-2118载波同步载波同步插入导频法收端

12、方框图插入导频法收端方框图相乘器带通低通90相移)(tm输出)(0tu)(tv 窄带 滤波cf2021-10-2119载波同步载波同步直接提取法直接提取法v 平方法平方法：对信号做平方运算，再提取载波频率。：对信号做平方运算，再提取载波频率。0( )( )coss tm tt 经过平方变换经过平方变换( (平方律部件平方律部件) )222200( )1( )( )cos( )cos222mts tmttmtts(t)s(t)经窄带滤波后经窄带滤波后, ,滤出滤出2f2f0 0 ，再经，再经2 2分频分频, , 获所需载波获所需载波, , 同同时还有一部分调制自噪声及加性噪声时还有一部分调制自噪

13、声及加性噪声, , 造成输出载波的随造成输出载波的随机抖动。机抖动。平方律部件2fc 窄带滤波器二分频输入已调信号e(t)载波输出2( )s t( )s t02 f0f2021-10-2120载波同步载波同步直接提取法直接提取法v平方法存在的问题：平方法存在的问题：二分频电路的初始状态是随机的，使分频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：输出的初始相位有两种可能状态：0和和，即相位是模糊的。可以用锁相环代替窄带即相位是模糊的。可以用锁相环代替窄带滤波器的方案。优点是输出信号具有更好滤波器的方案。优点是输出信号具有更好的稳定性，并且不需要有连续的输入信号。的稳定性，并

14、且不需要有连续的输入信号。2021-10-2121载波同步载波同步直接提取法直接提取法平方律部件输入已调信号鉴 相 器二 分 频载波输出环 路滤 波 器压 控振 荡 器锁相环2021-10-2122载波同步载波同步直接提取法直接提取法v科斯塔斯环法（同向正交环法）：科斯塔斯环法（同向正交环法）：输入已调信号 相移低通压控振荡器环路滤波器2低通载波输出1v2v3v4v5v6v7v2021-10-2123载波同步载波同步直接提取法直接提取法v科斯塔斯环法（同向正交环法）特点：科斯塔斯环法（同向正交环法）特点：z 不需要平方电路，但在频率很高时较难实不需要平方电路，但在频率很高时较难实现。现。z 若

15、要求得到最佳性能，则需要两路低通滤若要求得到最佳性能，则需要两路低通滤波波 器器 的性能完全一致，这对于模拟电路难的性能完全一致，这对于模拟电路难以做到，但若用数字电路则不难做到。以做到，但若用数字电路则不难做到。z 仍然存在相位模糊问题。仍然存在相位模糊问题。2021-10-2124载波同步载波同步 载载波同步性能波同步性能v 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是由电路参数引起的恒定是由电路参数引起的恒定误差和由噪声引起的随机误差。对于恒定误误差和由噪声引起的随机误差。对于恒定误差有：差有：v 由滤波器引起的误差：若窄带滤波器由一个由滤波器引起的误差：若窄带滤波器由一个单

16、谐振电路组成，则由其引起的附加相移位单谐振电路组成，则由其引起的附加相移位：2Q/qff2021-10-2125载波同步载波同步 载载波同步性能波同步性能v 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是由电路参数引起的恒定是由电路参数引起的恒定误差和由噪声引起的随机误差。对于恒定误误差和由噪声引起的随机误差。对于恒定误差有：差有：v 由锁相环引起的误差：若锁相环的稳态相位由锁相环引起的误差：若锁相环的稳态相位误差为误差为 ，则有，则有/qfK2021-10-2126载波同步载波同步 载波同步性能载波同步性能v 同步建立时间和保持时间同步建立时间和保持时间 同步建立时间为从开始接收到

17、信号或从同步建立时间为从开始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系统失步状态到提取出稳定的载频所需要的时间，越短越好。时间，越短越好。 同步保持时间为从开始失去信号到失去同步保持时间为从开始失去信号到失去载频同步的时间，越长越好。载频同步的时间，越长越好。v 信号波形失真信号波形失真 载波同步误差会引起信号波形失真。载波同步误差会引起信号波形失真。2021-10-2127位同步（码元同步）位同步（码元同步）位同步是指在接收端的基带信号中提取码元定位同步是指在接收端的基带信号中提取码元定时的过程。时的过程。 位同步是正确取样判决的基础，只有数字通信位同步是正确取样判决的基础，只有

18、数字通信才需要，并且不论基带传输还是频带传输都需才需要，并且不论基带传输还是频带传输都需要位同步；所提取的位同步信息是频率等于码要位同步；所提取的位同步信息是频率等于码速率的定时脉冲，相位则根据判决时信号波形速率的定时脉冲，相位则根据判决时信号波形决定，可能在码元中间，也可能在码元终止时决定，可能在码元中间，也可能在码元终止时刻或其他时刻。刻或其他时刻。位同步的方法：位同步的方法：外同步法外同步法、自同步法自同步法2021-10-2128位同步（码元同步）位同步（码元同步）外同步法（辅助信息同步法）外同步法（辅助信息同步法）v在正常信息码元序列外附加位同步用的辅助在正常信息码元序列外附加位同步

19、用的辅助信息，以达到提取同步信息的目的。信息，以达到提取同步信息的目的。v原理：原理：在发送端信号中插入频率为码元速率在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为同步信号。在接受或码元速率的倍数的为同步信号。在接受端利用一个窄带滤波器，将其分离出来，并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。形成码元定时脉冲。v优点优点：设备较简单：设备较简单v缺点缺点：需要占用一定的频带宽度和发送功率。：需要占用一定的频带宽度和发送功率。2021-10-2129位同步（码元同步）位同步（码元同步）自同步法自同步法v开环同步和闭环同步开环同步和闭环同步v开环码元同步法：开环码元同步

20、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。缺点：存在非零平中提取发送码流的时钟。缺点：存在非零平均同步跟踪误差。均同步跟踪误差。v闭环码元同步法闭环码元同步法：用比较本地时钟和输入信：用比较本地时钟和输入信号的方法，将本地时钟锁定在输入信号上。号的方法，将本地时钟锁定在输入信号上。采用采用“超前超前/滞后门滞后门”同步器。同步器。2021-10-2130位同步（码元同步）位同步（码元同步）位同步对于误码率的影响位同步对于误码率的影响 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，则积分时间将损失失 ，积分得到的码元能量将减小为，积分得到的码元能量将减小为2(12/)bET 在相邻码元没有突变边沿时，则积分时间没有在相邻码元没有突变边沿时，则积分时间没有损失。损失。 因此对于等概率随机码元信号，有突变因此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的边沿和无突变的边沿各占1/2。2021-10-2131群同步群同步目的：目的：是能够正确地将接收码元序列分组，使是能够正确地将接收码元序列分组，使接收信息能够被正确理解。接收信息能够被正确理解。信息传递方法信息传递方法：v在发送端利用特殊的码元编码规则使码组本在