第11同步原理

1、天津工业大学 信息学院 通信原理第第11章章 同步原理同步原理内容简介：内容简介：11.1 11.1 载波同步载波同步11.2 11.2 位同步位同步11.3 11.3 帧同步帧同步11.4 11.4 跳频信号的同步跳频信号的同步 11.5 11.5 网同步网同步四种同步：四种同步：（1）载波同步：从接收信号中提取与调制方同频同相）载波同步：从接收信号中提取与调制方同频同相的载波的过程。的载波的过程。（2）位同步：数字通信系统中，接收方抽样判决时需）位同步：数字通信系统中，接收方抽样判决时需要的同步信号。要的同步信号。（3）帧同步：每个）帧同步：每个“字字”或每个或每个“句句”的同步，象标的同

2、步，象标点一样表示点一样表示“字字”或或“句句”的起止时刻。的起止时刻。（4）网同步：为了保证通信网各点之间可靠地进行数）网同步：为了保证通信网各点之间可靠地进行数字通信，必须在网内建立一个统一的时字通信，必须在网内建立一个统一的时间标准。间标准。四种同步：四种同步：（1）载波同步载波同步：从接收信号中提取与调制方同频同相：从接收信号中提取与调制方同频同相的载波的过程。的载波的过程。（2）位同步位同步：数字通信系统中，接收方抽样判决时需：数字通信系统中，接收方抽样判决时需要的同步信号。要的同步信号。（3）帧同步：每个）帧同步：每个“字字”或每个或每个“句句”的同步，象标的同步，象标点一样表示点

3、一样表示“字字”或或“句句”的起止时刻。的起止时刻。（4）网同步：为了保证通信网各点之间可靠地进行数）网同步：为了保证通信网各点之间可靠地进行数字通信，必须在网内建立一个统一的时字通信，必须在网内建立一个统一的时间标准。间标准。天津工业大学 信息学院 通信原理11.1 11.1 载波同步载波同步 在抑制载波系统中，无法从接收信号中直接提在抑制载波系统中，无法从接收信号中直接提取载波，所以采用插入导频法。取载波，所以采用插入导频法。一一. 插入导频法插入导频法 插入正交载波。插入正交载波。 导频的插入位置应该在信号频谱的导频的插入位置应该在信号频谱的0频率处。频率处。1. 发送框图发送框图m (

4、t) u0(t)带带 通通-/2-/2相移相移调制信号调制信号相相 加加相乘调制相乘调制 输出输出acos cttattmatuccsincos0)()(2. 接收框图接收框图tattmatmattattamttutucccccc2sin22cos)(2)(2cossincos)(cos)()(0 经低通后，经低通后，)(2)(tmatmcu0(t) 带带 通通低低 通通m / 2 / 2窄带滤波窄带滤波)(tu)(tm3. 插入正交载波的原因插入正交载波的原因若不插入正交载波，则：若不插入正交载波，则：tattmatucccoscos0)()(22cos1)(1 coscoscos)(cos

5、)()(0ttmattattamttutuccccc 经低通后，经低通后，2)(2)(atmatm直流，对数字信号影响大直流，对数字信号影响大1. 平方变换法平方变换法二二. 直接法直接法设：已调设：已调dsb信号为：信号为：ttmtscmcos)()(经二分频电路可得经二分频电路可得 。t0cos 中有直流，中有直流，这是一个载波为这是一个载波为 的调幅波，的调幅波，c2)(2tm则：则：ttmtmtscm2cos)(21)(21)(222经中心频率为经中心频率为 的窄带滤波器后输出为：的窄带滤波器后输出为：ttmc2cos)(212c22csdsb (t) ( )2载波输出bpf 22.

6、平方环法平方环法 在平方变换法中，由于信道高斯白噪声的干扰，加上在平方变换法中，由于信道高斯白噪声的干扰，加上 窄带滤波器本身有一定带宽，使得其输出的相干载波不纯净，窄带滤波器本身有一定带宽，使得其输出的相干载波不纯净，因此可采用锁相环电路来替代窄带滤波器，改善系统性能。锁因此可采用锁相环电路来替代窄带滤波器，改善系统性能。锁相环有良好的频率跟踪、窄带滤波和记忆等功能。相环有良好的频率跟踪、窄带滤波和记忆等功能。c2lpfpllsdsb (t)( 。)2载波输出二分频vco注：二次分频电路注：二次分频电路将使载波有将使载波有180的相位模糊，它是由分频器引起的。一的相位模糊，它是由分频器引起的

7、。一般的分频器都由触发器构成，由于触发器的初始状态是未知的，分频器般的分频器都由触发器构成，由于触发器的初始状态是未知的，分频器末级输出的波形末级输出的波形(方波方波)相位可能随机地取相位可能随机地取“0”和和“”。它对模拟信号影。它对模拟信号影响不大，而对于响不大，而对于2psk信号，由于载波相位的模糊将会造成解调判决的信号，由于载波相位的模糊将会造成解调判决的失误。失误。 3. 同相正交法（科斯塔斯环）同相正交法（科斯塔斯环）信号输出m (t)cos(c t)lpflpf载波载波输出输出u1 / 2vcolpfu2u3u4u6u5u7优点优点：不需要使用平方电路，平方电路在频率很高时较难实

8、现。不需要使用平方电路，平方电路在频率很高时较难实现。可以直接得到输出解调信号。可以直接得到输出解调信号。缺点缺点：存在相位模糊问题。：存在相位模糊问题。)(cos1tuc)(sin2tuc)2(coscos)(21)(coscos)(3ttmtttmuccc)2(sin)sin(21)(sincos)(4ttmtttmuccctmucos)(215tmusin)(2162sin)(81sincos)(41227tmtmu当没有相位误差，即当没有相位误差，即 时，时， 。007u设设 是本地锁相环中压控振荡器产生的本地载波相位与接收信号是本地锁相环中压控振荡器产生的本地载波相位与接收信号载波相

9、位之差。载波相位之差。此时，压控振荡器输出的载波与接收信号的载波的相位相同。此时，压控振荡器输出的载波与接收信号的载波的相位相同。天津工业大学 信息学院 通信原理11.2 11.2 位同步位同步 在发送端插入与码元速率相同的位同步信号，在接收端利在发送端插入与码元速率相同的位同步信号，在接收端利用一个窄带滤波器提取出来，并形成码元定时脉冲。用一个窄带滤波器提取出来，并形成码元定时脉冲。 接收框图如下：接收框图如下：一一. 插入导频法（外同步法）插入导频法（外同步法）倒相倒相窄带滤波器窄带滤波器移相移相相加器相加器定时形成定时形成抽样判决抽样判决输入基带信号输入基带信号基带信号基带信号位同步脉冲

10、冲位同步脉冲冲优点优点：设备简单。：设备简单。缺点缺点：占用一定的频带带宽和发送功率，降低了抗干扰能力。：占用一定的频带带宽和发送功率，降低了抗干扰能力。二二. 直接法（自同步法）直接法（自同步法）1. 非线性变换非线性变换滤波法（开环码元同步法）滤波法（开环码元同步法）（1）微分整流法）微分整流法放大限幅微分整流窄带滤波移相脉冲形成信号输入abcde位同步信号输出bde1a1000101101001cttttt（2）包络检波法）包络检波法包络检波窄带滤波脉冲形成2psk加法器+直流abct tbtcta（3）延迟相干法）延迟相干法c移相延迟基带提取窄带滤波脉冲形成2pska位同步脉冲bda

11、0 0 0 0 0 0tbtbdtctt2. 数字锁相法数字锁相法 与载波同步的提取类似，把采用锁相环来提取位同步信号的方法称为锁与载波同步的提取类似，把采用锁相环来提取位同步信号的方法称为锁相法。在数字通信中，这种锁相电路常采用数字锁相环来实现。相法。在数字通信中，这种锁相电路常采用数字锁相环来实现。 采用数字锁相法提取位同步原理方框图如图所示，它由高稳定度振荡器采用数字锁相法提取位同步原理方框图如图所示，它由高稳定度振荡器（晶振）、分频器、相位比较器和控制电路组成。高稳定度振荡器产生的信（晶振）、分频器、相位比较器和控制电路组成。高稳定度振荡器产生的信号经整形电路变成周期性脉冲，然后经控制

12、器再送入分频器，输出位同步脉号经整形电路变成周期性脉冲，然后经控制器再送入分频器，输出位同步脉冲序列。输入相位基准与由高稳定振荡器产生的经过整形的冲序列。输入相位基准与由高稳定振荡器产生的经过整形的n次分频后的相位次分频后的相位脉冲进行比较，由两者相位的超前或滞后来确定扣除或添加一个脉冲，以调脉冲进行比较，由两者相位的超前或滞后来确定扣除或添加一个脉冲，以调整位同步脉冲的相位。整位同步脉冲的相位。鉴相数字滤波器n控制器超前输入数字信号滞后加脉冲减脉冲位同步输出信号钟天津工业大学 信息学院 通信原理11.3 11.3 帧同步帧同步 帧同步信号的频率可由位同步信号经分频得到，但是每帧的帧同步信号的

13、频率可由位同步信号经分频得到，但是每帧的开头和结尾时刻无法由分频器的输出决定。开头和结尾时刻无法由分频器的输出决定。 目前确定帧定时脉冲相位的主要方法是：在数字流中插入一目前确定帧定时脉冲相位的主要方法是：在数字流中插入一些些特殊码组特殊码组作为每帧的头尾标记。作为每帧的头尾标记。 常用的两种方式：集中插入方式和分散插入方式。常用的两种方式：集中插入方式和分散插入方式。对帧同步系统的要求：对帧同步系统的要求：（1）帧同步的引入时间要短。）帧同步的引入时间要短。（2）系统要稳定可靠。）系统要稳定可靠。（3）同步码组的长度应最短。）同步码组的长度应最短。（识别假失步、避免伪同步）（识别假失步、避免

14、伪同步）假失步：假失步：在数字信号的传输过程中，由于信道的噪声而引起误码，在数字信号的传输过程中，由于信道的噪声而引起误码，此类误码造成帧同步码的丢失，而造成帧不同步的现象。此类误码造成帧同步码的丢失，而造成帧不同步的现象。伪同步：伪同步：帧同步码无论选择何种码型，信息码流中都有可能出现帧同步码无论选择何种码型，信息码流中都有可能出现与同步码相同的码组而造成同步的误动作，此类现象称与同步码相同的码组而造成同步的误动作，此类现象称为伪同步。为伪同步。前方保护时间：前方保护时间：从第一个同步码丢失起到同步系统进入捕捉状态从第一个同步码丢失起到同步系统进入捕捉状态为止的一段时间为止的一段时间 。后方

15、保护时间：后方保护时间：从同步系统捕捉到第一个真同步码到进入同步状从同步系统捕捉到第一个真同步码到进入同步状态的一段时间态的一段时间 。巴克码介绍巴克码介绍巴克码是一种具有特殊规律的二进制码组。其特殊规律是：巴克码是一种具有特殊规律的二进制码组。其特殊规律是： 是一个非周期序列；是一个非周期序列； 一个一个n位的巴克码位的巴克码 x1，x2，x3，xn ，每个码元只可能取值，每个码元只可能取值+1或或-1； 局部自相关函数为：局部自相关函数为： jnijiinjnjjnxxjr1001100)(当当，当目前已经找到的所有巴克码组如下表所示。目前已经找到的所有巴克码组如下表所示。n巴巴 克克 码

16、码 组组2+ +3+ + - 4+ + + - ，+ + - +5+ + + - +7+ + + - - + -11+ + + - - - + - - + -13+ + + + + - - + + - + - +以以7位巴克码组位巴克码组+ + + + 为例，求其自相关函数如下。为例，求其自相关函数如下。其自相关函数的图像如图所示。其自相关函数的图像如图所示。 当当 j = 0 时，时，71271111111)(iixjr6110111111)(iiixxjr当当 j = 1 时，时，同样可以求出同样可以求出j=2，3，4，5，6，7时时r(j)的值分别为的值分别为 -1，0，-1，0，-1，

17、0 。-6 -4 -2 2 4 6-6 -4 -2 2 4 6r(j)7 76 65 54 43 32 21 10 0j-1-1（1）7位巴克码位巴克码(1110010)产生器。产生器。预置线预置线移位方向移位方向输出输出0 10 10 10 10 10 10 1预置线预置线输出输出0 10 10 1（2）7位巴克码位巴克码(1110010)识别器。识别器。判决判决相加相加输出输出输入码元输入码元移位方向移位方向0 10 10 10 10 10 10 1输入为输入为“1”时，时，“1”端输出端输出1电平，电平，“0”端输出端输出1电平；电平；输入为输入为“0”时，时，“1”端输出端输出1电平，

18、电平，“0”端输出端输出1电平。电平。识别器实际上是对输入的码组进行识别器实际上是对输入的码组进行相关相关运算。运算。（3）识别器输出波形。）识别器输出波形。天津工业大学 信息学院 通信原理11.4 网同步网同步实现网同步的方法主要有两大类：实现网同步的方法主要有两大类：（1）全网同步系统全网同步系统，即在通信网中使各站的时钟彼此同步，各，即在通信网中使各站的时钟彼此同步，各站的时钟频率和相位都保持一致。站的时钟频率和相位都保持一致。（2）另一类是）另一类是准同步系统准同步系统，也称独立时钟法，即在各站均采用，也称独立时钟法，即在各站均采用高稳定性的时钟，相互独立，允许其速率偏差在一定的范围之

19、内，高稳定性的时钟，相互独立，允许其速率偏差在一定的范围之内，在在转接时转接时设法把各处输入的数码速率设法把各处输入的数码速率变换成变换成本站的数码率，再传本站的数码率，再传送出去。在变换过程中要采取一定措施使信息不致丢失。送出去。在变换过程中要采取一定措施使信息不致丢失。建立这种网同步的主要方法有建立这种网同步的主要方法有主从同步法主从同步法和和互同步法互同步法。实现这种方式的方法有两种：实现这种方式的方法有两种：码速调整法码速调整法和和水库法水库法。 全网同步方式采用频率控制系统去控制各交换站的时钟，使全网同步方式采用频率控制系统去控制各交换站的时钟，使它们都达到同步，即使它们的频率和相位

20、均保持一致，没有滑动。它们都达到同步，即使它们的频率和相位均保持一致，没有滑动。采用这种方法可用稳定度低而价廉的时钟，在经济上是有利的。采用这种方法可用稳定度低而价廉的时钟，在经济上是有利的。一一. 全网同步系统全网同步系统1、主从同步方式、主从同步方式 将主站的主时钟源产生的时钟逐站传输至网内的各从站，控将主站的主时钟源产生的时钟逐站传输至网内的各从站，控制各从站的时钟频率。制各从站的时钟频率。 主从同步方式中，同步信息可以包含在传送信息业务的数字主从同步方式中，同步信息可以包含在传送信息业务的数字比特流中，接收端从所接收的比特流中提取同步时钟信号；也可比特流中，接收端从所接收的比特流中提取

21、同步时钟信号；也可以用指定的链路专门传送主基准时钟源的时钟信号。各从站数字以用指定的链路专门传送主基准时钟源的时钟信号。各从站数字传输设备通过锁相环电路使其时钟频率锁定在主时钟基准源的时传输设备通过锁相环电路使其时钟频率锁定在主时钟基准源的时钟频率上，从而使网络内各从站时钟与主站时钟同步。钟频率上，从而使网络内各从站时钟与主站时钟同步。 直接主从同步方式（星型结构）如图所示，各从站的基准时钟直接主从同步方式（星型结构）如图所示，各从站的基准时钟都由同一个主时钟源提供。一般在一个楼内设备可用这种星型结都由同一个主时钟源提供。一般在一个楼内设备可用这种星型结构。构。 等级主从同步方式（树型结构）如图所示。该方式使用一系列等级主从同步方式（树型结构）如图所示。该方式使用一系列分级的时钟，每一级时钟都与其上一级时钟同步，在网中的最高分级的时钟，每一级时钟都与其上一级时钟同步，在网中的最高一级时钟称为基准主时钟或基准时钟，这是一个高精度和高稳定一级时钟称为基准主时钟或基准时钟，这是一个高精度和高稳定度的时钟，各级系统通过锁相环使本地时钟的相位锁定到收到的度的时钟，各级系统通过锁相环使本地时钟的相位锁定到收到的定时基准上，从而使网内各从站的时钟都与基准主时钟同步，达定时基准上，从而使网内各从站的时钟都与基准主时钟同步，达到全网时钟统一。到全网时钟统