通信原理东北大学PPT课件

1、通信原理 2008年通信原理电子教案第十一章第十一章第1页/共95页通信原理 2008年第十一章 同步原理11.111.1 概述概述 11.211.2 载波同步载波同步 11.311.3 位同步位同步11.411.4 群同步群同步第2页/共95页通信原理 2008年11.1 概 述 同步 是 、以及 某些 采用的 中 一个重要的 实际问题 。 本章主要讨论 同步的 ， ，同步的 及其 对 通信系统性能 的 影响 。 故又称 定时 (1) 载波同步 载波同步 是指 在 相干解调 时 ，接收端 需提供 一个 与 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

2、波同步 。 所谓 同步 是指 在时间上 步调一致 。 按照同步的功用分为：载波同步、位同步、群同步 和 网同步 。 第3页/共95页通信原理 2008年11.1 概 述 (2) 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 码元序列 传送的，所以接收时 需要知道 每个码元的起止时刻，以便 在恰当的时刻 进行 取样判决，提取这种 定时脉冲序列 的 过程 称为 位同步 。 (3) 群同步 （也称 帧同步） 群同步 包含 字同步、句同步、分路同步。 在数字通信中，信息流是用 若干码元 组成 一个“字”，又用 若干个“字” 组成 “句” 。 在接收端产生 与 “字”、“句”

3、 及 “帧” 相一致的 定时脉冲序列 的 过程 统称为 群同步。 该序列的 重复频率与 码元速率 相同 ;相位 与 最佳取样判决时刻 一致第4页/共95页通信原理 2008年 (4) 网同步 在获得了 载波同步、位同步、群同步 之后，两点间 的 数字通信 就可 有序、准确、可靠地进行。 然而，随着数字通信的发展，尤其是计算机通信的发展，的 通信 和 数据交换，构成了数字通信网 。 显然，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 时间 标准时钟，这就是 。11.1 概 述第5页/共95页通信原理 2008年 同步 也是 一种信息，按照 获取 和 传输

4、 同步信息 方式 的 不同 ，又可分为 外同步法 和 。 (1) 外同步法 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 同步信号的方法，称为 外同步法 。 (2) 自同步法 发送端 不发送 专门的 同步信息，接收端 的方法，称为 11.1 概 述第6页/共95页通信原理 2008年11.2.1 直接法 直接法 也称 自同步法 。这种方法是 设法 提取 同步载波 。 有些信号，如 DSB-SC、PSK 等，虽然本身 不直接 含有 载波分量 ，但 经过 后 ，将 具有载波的 ，因而 可从中 提取出 载波分量 来 。11.2 载波同步提取相干载波 的

5、 方法 有两种：插入导频法 和 直接法 a) 平方变换法 和 平方环法 下面介绍 几种 常用的方法第7页/共95页通信原理 2008年11.2 载波同步ttmtscmcos)()( (11.2- 1)接收端将该信号经过 非线性变换后得到222( )( )cos11( )( )cos222cce tm ttmtmtt (11.2- 2) 上式的 第二项 包含有 载波的 若用 一 窄带滤波器 将 频率分量 滤出 ，再进行 ，就可 获得 所需的 相干载波 。 设调制信号 m (t) 无直流分量 ，则 抑制载波的双边带信号 为第8页/共95页通信原理 2008年图 11-1 平方变换法提取载波若 m

6、(t) =1 ，信号 就成为 这时211222( )( ) coscoscce tm ttt(11.2- 3)因而，同样 可以 通过 上图 所示的 方法 提取 载波 。11.2 载波同步第9页/共95页通信原理 2008年 随 信号 进入 接收机的 还有 加性高斯白噪声 ，为 改善 平方变换法 的 性能 ，使 恢复的 相干载波 更为 纯净 , 窄带滤波器 常用 锁相环 代替，构成 平方环法 。11.2 载波同步图 11-2 平方环法提取载波 由于 锁相环 具有 良好的 跟踪 、窄带滤波 和 记忆功能 , 比 一般的 具有更好的性能 .第10页/共95页通信原理 2008年2PSK 信号 平方后

7、 得到：tnTtgatecSnn22cos)()( (11.2- 4)当 g(t) 为 矩形 时ttec2cos2121)( (11.2- 5)cv tAt0( )sin(22 ) 假设 环路锁定 ，VCO 的 频率 锁定 在 2c 频率上 ,其 输出信号 为：(11.2- 6)11.2 载波同步第11页/共95页通信原理 2008年 为 相位差 。 经 鉴相器（ 由 相乘器 和 低通滤波器 组成 ）后 ，输出的 误差电压 为：Kvdd2sin (11.2- 7) 式中，Kd 为 鉴相灵敏度 ，是 一个 常数 。 vd 仅与 相位差 有关 ，它 通过 环路滤波器 去 控制 压控振荡器 的 相位

8、 和 频率 ，环路锁定之后， 是 一个 很小的量 。11.2 载波同步 因此，VCO 的 输出 经过 二分频 后 ，就是 所需的 相干载波 。第12页/共95页通信原理 2008年 应当注意：载波提取 的方框图中 用了 一个 二分频电路 ，由于 分频起点 的 不确定性 ，使其 输出的 载波 相对于 接收信号相位 有 180的 相位模糊 。11.2 载波同步 相位模糊 对 模拟通信 关系 不大 ，因为 人耳 听不出 相位 的 变化 。 但对 数字通信 的 影响 就不同了，它 有可能使2PSK 相干解调 后 出现 “反向工作” 的 问题 。 克服 相位模糊度 对 相干解调 影响 的 最常用 而 又

9、有效的 方法 是 采用 相对移相（2DPSK）。 第13页/共95页通信原理 2008年 b) 同相正交环法 同相正交环法 又叫 科斯塔斯 (Costas) 环 法 。图 11-3 Costas 环法提取载波第14页/共95页通信原理 2008年11.2 载波同步 在此环路中： 1. 压控振荡器 (VCO) 提供 两路 互为正交的载波； 2. 与 输入接收信号 分别在 同相 和 正交 两个鉴相器 中 进行 鉴相 ； 3. 经 低通滤波 之后的 输出 均含 调制信号，两者相乘 后 可以消除 调制信号的影响 ； 4. 经 环路滤波器 得到 仅与 相位差 有关的 控制 压控 ，从而 准确地 对 压控

10、振荡器 进行调整 。第15页/共95页通信原理 2008年 设 输入的 抑制载波双边带信号 为 m ( t ) . cosc t ，并假定 环路锁定 ： )cos(1tvc )sin(2tvc (11.2- 8)(11.2- 9) 式中， 为 VCO 输出信号 与 输入 已调信号载波之间的 相位误差 。 3122cccvm tmttttcocoscosc sso (11.2- 10)11.2 载波同步第16页/共95页通信原理 2008年 4122cccvm tmttttsicossins nni (11.2- 11)经 低通滤波 后 分别为 tmvcos)(215 tmvsin)(216 (

11、11.2- 12)(11.2- 13) 低通滤波器 应该 允许 m ( t ) 通过 。v5 、v6 相乘 产生 误差信号 ：tmvd2sin)(812 (11.2- 14)11.2 载波同步第17页/共95页通信原理 2008年 m2(t) 可分解为 直流 和 交流分量 。由于 锁相环 作为 载波提取环 时 ，其 环路滤波器 的 带宽 设计的 很窄 ，只有 m(t) 中的 直流分量 可以通过 ，因此 vd 可写成Kvdd2sin (11.2- 15) 如果 把 图图图11-311-311-3 中 除 环路滤波器 (LF) 和 压控振荡器 (VCO) 以外的 部分 看成 一个 等效鉴相器 (P

12、D) ，其 输出 vd 正是 我们所需要的 误差电压 。 它 通过 环路滤波器 滤波 后 去控制 的 和 ，最终 使 稳态 相位误差 减小到 很小的 数值 ,而 没有 （即 频率 与 c 同频）。11.2 载波同步第18页/共95页通信原理 2008年 此时 VCO 输出 就是 所需的 同步载波 ，而 就是 解调输出 。 1cvtcos()51122vm tm t( )cos( ) Costas 环 与 平方环 具有 相同的 鉴相特性 ( vd 线)11.2 载波同步图 11-4 平方环 和 Costas环 的鉴相特性第19页/共95页通信原理 2008年11.2 载波同步 由图可知，= n（

13、 n 为 任意整数）为 PLL 的 稳定平衡点 。 PLL 工作时 可能 锁定在 任何一个 稳定平衡点上，而 在周期内 取值 可能为 0 或 。 这意味着 恢复出的 载波 可能 与 理想载波 同相 ，也可能 反相 。这种 相位关系的不确定性 ，称为 0 , 的 相位模糊度 与 都是 利用 锁相环 ( PLL ) 提取 载波 的 常用方法 。第20页/共95页通信原理 2008年 Costas 环 与 相比： 虽然 电路上 要复杂一些，但 它的工作频率 即为载波频率 ，而 平方环 的工作频率 是 载波频率的两倍11.2 载波同步 显然 载波频率 很高时 ，工作频率 较低的 Costas 环 易于

14、实现； 其次，当 环路 正常锁定后 ，Costas 环 可直接获得解调输出 ，而 平方环 则 没有这种功能 。 第21页/共95页通信原理 2008年 c) 多相移相信号（MPSK）的载波提取 当 数字信息 通过 载波的 M 相调制 发送时，可将上述方法 推广 ，采用 M 次方变换法 或 M 次方环法 。11.2 载波同步 但 M 次方环 具有 M 重 相位模糊度 ，即所提取的载波 具有 360/ M 的 相位模糊 。 解决的方法 是 采用 MDPSK 。 第22页/共95页通信原理 2008年 抑制载波的双边带信号（如DSB、等概的2PSK）本身 不含有 载波 ，残留边带（VSB）信号 虽含

15、有 载波分量，但很难 从 已调信号的频谱 中 把它 分离出来 。11.2.2 插入导频法 a) 在抑制载波的双边带信号中插入导频 采用 插入导频法 应注意：11.2 载波同步 对 这些信号的 载波提取 ，可以用 插入导频法 ( 外同步法 ) 。第23页/共95页通信原理 2008年 1) 导频的频率 应当是 与 载频 有关的 或者 就是载频 的 频率； 2) 在 已调信号频谱 中 的 零点 插入导频 ，且要求 其附近的 信号频谱分量 尽量小 。 但 对于 数字调制 中 的 2PSK 或 2DPSK 信号 ，在 f c 附近的 频谱 不但有 ， 而且 比较大 。 因此对这样的信号，在 调制之前

16、先对 基带信号 进行 相关编码 。11.2 载波同步 对于 模拟调制 中 的 DSB 或 SSB 信号，在 载频 附近 信号频谱 为 0 ；第24页/共95页通信原理 2008年 相关编码的作用 是把 如图11-7(a) 所示的 基带信号频谱函数 变换成 如 图11-7(b) 所示的 频谱函数 。11.2 载波同步图 11-7 相关编码进行频谱变换第25页/共95页通信原理 2008年 这样 经过 双边带调制 以后 ，可以 在 f c 处 插入频率 为 f c 的 导频 。 11.2 载波同步图 11-8 抑制载波双边带信号的导频插入第26页/共95页通信原理 2008年 但应注意，在 图11

17、-8 中 插入的 导频 并不是 加于调制器的 那个载波 ，而是 将 该载波 移相 90后 的 所谓 “正交载波” 。 11.2 载波同步图 11-9 插入导频法 发端 方框图第27页/共95页通信原理 2008年 设 调制信号 m (t) 中 无直流分量 ， 被调载波 为 a . sinc t 。 将 它 经 90移相 形成 插入导频 a . cosct ( 正交载波) ，其中 a 是 插入导频的 振幅 。 设 收到的信号 就是 发端输出 uo(t) ，则 收端 用 一个 为 f c 的 窄带滤波器 提取 导频 a . cosc t .(11.2- 17)ccu ta m ttat0( )(

18、) sincos于是 输出信号11.2 载波同步第28页/共95页通信原理 2008年 再将它 经 90移相 后 得到 与 调制载波 同频同相的 相干载波 sinc t ，收端的 解调方框图 如下图 所示： 图 11-10 插入导频法收端框图11.2 载波同步第29页/共95页通信原理 2008年解调输出 为 20( )( ) sin( ) sincossincos2sin2222ccccccv tu tta m ttattaam tttam t(11.2- 18)经过 低通 滤除 高频部分 后，就可恢复 调制信号 m(t) .11.2 载波同步 如果 发端加入的 导频 不是 正交载波，而是

19、调制载波，则 收端 v(t) 中 还有 一个 不需要的 直流成分。 该 直流成分 通过 低通滤波器 对 数字信号 产生影响 ， 这就是 发端 正交 插入导频 的 原因 。 第30页/共95页通信原理 2008年 2PSK 和 DSB 信号 都属于 抑制载波的 双边带信号 ,所以 上述插入导频方法 对两者 均适用 。 对于 SSB 信号，导频插入的原理 也与上述 相同 。11.2 载波同步 b) 时域插入导频 这种方法 在 时分多址 通信卫星 中 应用较多 。 时域插入导频方法 是 按照 一定的 时间顺序 ，在 指定 的 时间 内 发送 载波标准 ，即把 载波标准 插到 每帧的 数字序列 中 。

20、 如 图11-13(a) 所示：第31页/共95页通信原理 2008年 图中 t2 t3 就是 插入导频的时间 。 这种 插入的结果 只是在 每帧的一小段时间内 才出现 载波标准 ，在接收端 应用 控制信号 将 载波标准 取出 。 时域插入导频法 常用 锁相环 来提取 同步载波 。11.2 载波同步位位同同步步帧帧同同步步载载波波同同步步信信 息息位位同同步步帧帧同同步步载载波波同同步步信信 息息t0t1t2t3t4第一帧第一帧(a)第二帧第二帧第32页/共95页通信原理 2008年 图 11-13 时域 插入导频法锁相环锁相环解调解调环路环路滤波器滤波器鉴相器鉴相器压控压控振荡器振荡器带通带

21、通线性门线性门门控信号接收信号11.2 载波同步第33页/共95页通信原理 2008年11.2.3 载波同步系统的性能 及 相位误差 对解调性能的影响 载波同步系统 的 性能指标 主要有 效率 、精度 、同步建立时间 和 同步保持时间 。 载波同步 追求的 是 效率 、精度 、同步建立时间 ，保持时间 。a) 载波同步系统的性能 1) 高效率 是指 为了 获得 载波信号 而 尽量少 消耗 发送功率 。 直接法 由于 不需要 专门 发送导频，因而 效率高 ; 而 插入导频法 由于插入导频要消耗一部分发送功率，因而 效率要低一些 。第34页/共95页通信原理 2008年 2) 高精度 是指 接收端

22、 提取的 载波 与 需要的 载波标准 比较 ，应该有 尽量小的 相位误差 。 稳态相差 与 提取的 电路 密切相关 ，而 随机相差 则是 由 噪声引起 。11.2 载波同步(11.2- 19)e 通常 分为 和 两部分，即 e 如 需要的 同步载波 为 cosc t ，提取的 同步载波为 ， 就是 。 cos()c 第35页/共95页通信原理 2008年 3) 同步建立时间 t s 指 从 开机 或 失步 到 同步 所需要的 时间 。 显然 t s 越小越好 。 11.2 载波同步 4) 同步保持时间 t c 指 同步建立 后，若 同步信号小 时，系统 还能 维持 同步的 时间 。 t c 越

23、大越好 。 这些指标 与 、 及 的 情况 有关 。 b) 载波相位误差对解调性能的影响 相位误差 对 不同信号 的 解调 所带来的 影响 是 。 第36页/共95页通信原理 2008年1( )( ) cos2m tm t (11.2- 20)11.2 载波同步 设 DSB 信号 为 m(t) . cosct ，所提取的 相干载波 为 ，这时 解调输出 为cos()c ( )m t若 没有 相位差 ，即 ， ，则 解调输出 ，这时 信号 有 最大幅度 ；0 1( )( )2m tm tcos1 若 存在 相位差 ，即 时， ， 则 解调后 信号幅度 下降 ，使 功率 和 信噪功率比 下降 倍

24、。0 cos1 2cos 第37页/共95页通信原理 2008年对于 2PSK 信号 , 信噪功率比 下降 , 将使 误码率 增加 .012eEPerfcn(11.2- 21)11.2 载波同步 以上说明：载波相位误差 引起 的 信噪比 下降 ， 误码率 增加 。 当 近似为 常数 时， 不会引起 波形失真 。 若 时0 (11.2- 22)0c s12oeEPerfcn 则 时0 然而，对 和 解调 而言 ， 不仅 引起 ，而且 还引起 输出 .第38页/共95页通信原理 2008年以 单边带信号 为例 ，说明 波形失真 是如何产生的 。 设 单 音 基 带 信 号 m(t) = cost

25、， 且 单 边 带 信 号 取 上 边带 ，1cos()2ct 11.2 载波同步经 低通 滤除 高频 ，即得 解调输出 ： 所提取的 相干载波 为 ，相干载波 与 已调信号 相乘 得 ：cos()ct 1cos()cos()2cctt cos(2)1cos()4cttt 第39页/共95页通信原理 2008年11.2 载波同步111( )cos()cos() cos()ssin()444in()m tttt (11.2- 23) 第二项 是 与 原基带信号 正交的项 ，它 使 恢复的 基带信号 波形失真 ，推广到 时 也将 引起 波形的失真 。 第一项 与 原基带信号 相比 ，由于 的 存在

26、 ，使 信噪比 下降了 ；cos() 若用来 传输 数字信号 ，波形失真 会产生 码间串扰 ，使 误码率 大大增加 ，因此 应尽可能使 减小 第40页/共95页通信原理 2008年 位同步 是指 在 接收端 的 基带信号 中 提取 码元定时 的 过程 。 位同步 是 正确 取样判决 的 基础 ，只有 数字通信 才需要 ，并且 不论 基带传输 还是 频带传输 都需要 位同步 ； 实现方法 也有 插入导频法 和 直接法 。 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 决定 ，可能在 码元中间 ，也可能 在 码元终止时刻 或 其它时刻 。第41页/

27、共95页通信原理 2008年 与 载波同步 的 插入导频法 类似 ，也是 在 基带信号 频谱 的 零点处 插入 所需 的 位定时 导频信号 。 11.3.1 插入导频法图 11 - 14 插入导频法频谱图第42页/共95页通信原理 2008年 图(a) 为常见的 双极性 不归零 基带信号 的 功率谱 ,插入导频 的 位置 是 ；1/T 图(b) 表示 经 某种 相关变换 的 基带信号 ，其谱的第一个零点 为 ，插入导频应 在 处 。1/2T1/2T 在接收端 ，对图 (a) 的情况，经 中心频率 为 1 / T 的 窄带滤波器 ，就可 从 解调后的 基带信号 中 提取出位同步 所需的 信号 ；

28、 对图 (b) 的情况，窄带滤波器 的 中心频率 应为 1 / 2 T ； 所提取的 导频 需经 倍频 后 ，才得 所需的 位同步脉冲 。 第43页/共95页通信原理 2008年 图11-15 画出了 插入位定时导频 的系统框图，它对应于 图11-14 (b) 所示谱的情况 。 发端 插入的导频 为 ；接收端 在解调后 设置了 ，其作用 是 取出 位定时导频 。发送端第44页/共95页通信原理 2008年 移相 、倒相 和 相加电路 是 为了 从 信号 中 消去 插入导频 ，使 进入 取样判决器 的 基带信号 不含 插入导频 ，从而 避免 插入导频 对 取样判决 的 影响 。图 11- 15

29、插入 位定时导频 系统框图接收端第45页/共95页通信原理 2008年 此外，由于 窄带滤波器 取出的 导频 为 1 / 2 T ，微分全波整流 起到了 倍频 作用 ，产生 与 码元速率 相同的 位定时信号 1 / T 。 该方法 是用 位同步信号 的 某种波形 对 移相键控 或 移频键控 这样的 恒包络 数字已调信号 进行 附加的 幅度调制 ，使 其包络 随着 位同步信号波形 变化 . 图中 两个 移相器 都是 用来 消除 窄带滤波器 等 引起的 相移 。 另一种 导频插入的方法 是 包络调制法 第46页/共95页通信原理 2008年 利用 含有 位同步信号 的 某种波形 对 s1(t) 进

30、行 幅度调制 ，若 利用 升余弦波形 ，则 其 表示式 为：1( )(1cos)2m tt (11.3- 2) 在接收端 只要 进行 包络检波 ，就可以 形成 位同步信号 。 设 移相键控 的 表达式 为：(11.3- 1)1( )cos( )cs ttt 式中 的 = 2/ T ， 为 码元宽度 。第47页/共95页通信原理 2008年幅度调制 后 的 信号 为 ：21(1co( )cos( )s)2cts ttt(11.3-3) 除以上两种 在 频域内 插入位同步导频 之外 ，还可在 时域内 插入 ，原理 与 载波 时域插入方法 类似 。 接收端 对 s2 ( t ) 进行 包络检波 ，包

31、络检波器 的 输出 为1(1cos)2t 除去 直流分量 后 ，就可获得 位同步信号1cos2t 第48页/共95页通信原理 2008年 这一类方法 是 发端 不专门 发送 导频信号 ，而 直接 从 接收的 数字信号 中 提取 位同步信号 。 直接提取 位同步 的 方法 又分 滤波法 和 特殊 锁相环法 。11.3.2 直接法一、 滤波法 1) 波形变换滤波法 不归零 的 随机二进制序列 ，不论是 单极性 还是双极性 ，当 P (0) = P (1) = 1 / 2 时 ，都没有 f = 1 / T , 2 / T 等 线谱 ，因而 不能 直接 滤出 f = 1 / T 的 第49页/共95页

32、通信原理 2008年 但是，若 对 该信号 进行 某种变换 ，使其谱中 含有 的 分量 ，然后 用 窄带滤波器 取出 该分量 ,再经 移相 调整 后 ， 就可 形成 位定时脉冲 。 它 的 特点 是 ： 先形成 含有 位同步信息 的 信号 ,再用 滤波器 将其 取出 。 图中 波形变换 电路 可用 微分、整流 来 实现 。 图 11-16 滤波法 原理图第50页/共95页通信原理 2008年 这是一种 从 频带受限 的 中频 PSK 信号 中 提取 位同步 信息 的 方法 ， 其 波形图 如 图图图11-1511-1511-15 所示 。 2) 包络检波滤波法 当 接收端 的 小于 信号带宽

33、时 , 使 频带受限 的 2PSK 信号 在 相邻码元 相位反转点 处 形成 幅度 的 “陷落” 。 经 包络检波 后 得到 图图图 ( ( (b b b) ) ) 所示的 波形 ，它可看成是 与 图图图 ( ( (c c c) ) ) 所示的 波形 相减 ； 而 图(c) 是 具有 一定 脉冲形状 的 归零脉冲序列 ,含有 位同步 的 线谱分量 ，可用 窄带滤波器 取出 。第51页/共95页通信原理 2008年图 11-15 从 2PSK 信号 中 提取 位同步信息 第52页/共95页通信原理 2008年 采用 高稳定度 的 振荡器 ( 信号钟 ) ，从 鉴相器 所获得的 与 同步误差 成比

34、例的 误差信号 不是 直接用于 调整 振荡器 ； 而是 通过 控制器 在 信号钟 输出的 脉冲序列 中 附加 或 扣除 一个 或 几个 脉冲 ，这样可 调整 加到 比相器 上 的 位同步脉冲序列 的 相位 ，达到 同步目的 .二、 锁相法这种电路 可以完全用 数字电路 构成 全数字锁相环路 . 我们把 采用 锁相环 来提取 位同步信号 的 方法 称为 锁相法 。第53页/共95页通信原理 2008年用于 位同步的 全数字锁相环 的 原理框图 如下图所示 它由 信号钟、控制器、分频器、相位比较器 等 组成 。图 11-18 数字锁相原理框图第54页/共95页通信原理 2008年 信号钟 包括 一

35、个 高稳定度的 振荡器 ( 晶振 ) 和 整形电路 若 接收码元 的 速率 为 F =1 / T ，那么 振荡器 频率设定在 n F ， 经 整形电路 之后 ，输出 周期性 脉冲序列 ， 其 周期 ； 控制器 包括 扣除门 (常开) 、 附加门 (常闭) 和 “或门” 它 根据 比相器 输出的 控制脉冲 ( “ 超前脉冲 ” 或 “ 滞后脉冲 ” ) ，对 信号钟 输出的 序列 实施 扣除 ( 或 添加 ) 脉冲 。 第55页/共95页通信原理 2008年 分频器 是 一个 计数器 , 每当 控制器 输出 n 个 脉冲 时 ,它就 输出 一个 脉冲 。 控制器 与 分频器 的 共同作用 的 结

36、果 就调整了 加至 比相器 的 的 相位 。 相位比较器 将 接收 脉冲序列 与 位同步信号 进行 相位比较 ,以 判别 究竟是 超前 还是 滞后 。 若 超前 则输出 超前脉冲 ; 若 滞后 就输出 滞后脉冲 。 位同步 数字环 的 工作过程 简述如下 ：第56页/共95页通信原理 2008年 由 高稳定晶体振荡器 产生的 信号，经 整形 得到 周期 为 T 0 、相位差 T 0 / 2 的 两个 脉冲序列 (a) 和 (b) . 脉冲序列 (a) 通过 常开门 、或门 并经 n 次分频后， 输出 本地位同步信号 图 (c) 。 为了 与 发端时钟 同步 ， 与 同时 加到 相位比较器 ，进

37、行 比相 。 如果 两者 完全同步 ，则 相位比较器 没有 ， 本地 位同步信号 作为 同步时钟 ； 如果 相位 超前 ，则 输出 一个 超前脉冲 , 加到 ( 扣除门 ) 的 , 将其 关闭 ，扣除 一个 图 (d) , 使 分频器 输出脉冲 的 滞后 ( 360 0 / n ) ， 图 (e) 。第57页/共95页图 11 19 位同步脉冲的相位调整第58页/共95页通信原理 2008年 如果 本地 位同步脉冲 滞后 ， 比相器 输出 一个 去打开 “常闭门” （附加门），使 的 一个脉冲 能通过 此门 及 或门 。 经 若干次 调整 后 ， 输出 的 脉冲序列 与接收码元序列 就可 达到

38、同步 ， 即 实现了 位同步 。 正因为 相差 ，所以 中 的 一个脉冲 能插到 “常开门” 输出 中 图( f ) 。 使 分频器 输入端 附加了 一个 脉冲 ，于是 分频器 的 就提前 图 (g) 。第59页/共95页通信原理 2008年 与 载波同步系统 相似 ，位同步系统 的 性能指标 主要有 相位误差 、同步建立时间 、同步保持时间 及 同步带宽 等 。 下面结合 数字锁相环 介绍 这些指标，并讨论 相位误差 对 误码率 的 影响 。 11.3.3 位同步系统的性能 及其 相位误差 对性能的影响 一、 位同步系统的性能 1) 相位误差 位同步信号 的 平均相位 和 最佳相位 之间 的

39、 偏差 称为 静态相差。对于数字锁相法而言，相位误差 主要是由于 位同步脉冲 的 相位 在跳变地调整 所引起的 。e 第60页/共95页通信原理 2008年 每调整一步 ，相位 改变 ( 对应时间 T / n ) , n 是 分频器 的 分频次数 ， 故 最大的 相位误差 为 ：0360 /en (11.3- 4) 若用 Te 表示 相位误差 ，因 码元周期 为 T , 故得：/eTT n (11.3- 5) 2) 同步建立时间 t s 同步建立时间 是指 开机 或 失去同步 后 重新建立 同步 所需的 最长时间 。第61页/共95页通信原理 2008年 由前面分析可知，当 位同步脉冲 与 接

40、收码元序列的 相位差 为 （对应时间 T / 2）时，调整时间 最长 .这时 所需的 最大调整次数 为 ： 由于 接收码元 是 随机的 , 两个 相邻 二进制码元( 01、10、11、00 ) 中 , 有 或 无 过零点 的 情况 各占一半 . 数字锁相法 是从 数据过零点 中 提取 作 比相 用的 基准脉冲 ，因此 平均 来说 ，每 两个脉冲周期 ( 2T ）可能有 一次调整 ，所以 为 ：2/2nNn (11.3- 6)(11.3- 7)2stT NnT第62页/共95页通信原理 2008年 3) 同步保持时间 t c 当 同步建立 后，一旦 输入信号 中断 ，或 出现 长连 “0” 、连

41、 “1” 码 时 ，锁相环 就失去 调整作用 。 由于 收发双方 位定时脉冲 的 固有重复频率 之间 总存在 频差F ，收端同步信号的相位 就会逐渐发生漂移，时间越长，相位漂移量 越大，直至 漂移量 达到 某一准许的最大值 ， 就算 失去同步 。 由 同步 到 失步 所需要的时间 称为 同步保持时间 设 收发两端 固有的 码元周期 分别为 T 1= 1 / F1 和 T 2= 1 / F2 ， 则 每个周期 的 平均时间差 为 ：第63页/共95页通信原理 2008年 式中，F0 为 收发两端 固有 码元重复频率 的 几何平均值 ，且有TF001/ (11.3 - 9) 由 式 ( 11.3-

42、8 ) 可得：FF TTF0120 (11.3- 10) 再由 式 ( 11.3 - 9 ) ，上式 可写为 ： TTFTF1200 (11.3- 11)FFFTTTFFF FF211221221011 (11.3 - 8)第64页/共95页通信原理 2008年 F 0 时，每经过 T 0 时间 ，收发两端 就会产生 | T 1T 2 | 的 时间漂移 。 若规定 两端 允许的 最大时间漂移 ( 误差 ) 为 T 0 / K秒（K 为 一常数），则 达到 此误差的时间 就是 同步保持时间 t c 。1ctF K (11.3- 13)00/ctTKFF (11.3- 12) 代入 式 ( 11.

43、3 11 ) 后 ， 得第65页/共95页通信原理 2008年 同步带宽 是指 能够 调整到 同步状态 所允许的收 、发 振荡器 最大频差 。 4) 同步带宽 f s 由于 数字锁相环 平均 ，每次所能调整的时间 为 （T / n T 0 / n），所以 平均 最多 可调整的时间 为 。 则 将 无法 使 收端 位同步脉冲的相位 与 输入信号 的 相位 同步 。TTn0/2 很显然，如果 输入信号码元 的 周期 与 收端固有位定时脉冲 的 周期 之差 为 第66页/共95页通信原理 2008年 这时，由 频差 所造成的 相位差 就会 逐渐积累 。因此，我们根据TnFTn00122 sFfFn2

44、0012 求得：(11.3- 14)sfFn0/2 (11.3- 15) 式 ( 11.3-15 ) 就是 求得的 同步带宽表示式 。 第67页/共95页通信原理 2008年 位同步 的 相位误差 e 主要 造成 位定时脉冲 的 位移 ，使 抽样判决时刻 偏离 最佳位置 。 在 第 5、7 章 推导的 误码率公式 ，都是在 最佳抽样判决时刻 得到的 。当 位同步 存在 相位误差e ( 或 T e ) 时 ，必然使 误码率 增大 。 二、 位同步相位误差对性能的影响 为方便起见，用 时差 代替 相差e , 研究 时差 T e 对 系统误码率 的 影响 。 设 解调器 输出的 基带数字信号 如图1

45、1-24 (a) 所示，并假设 采用 匹配滤波器法 检测 ，即 对 基带信号进行 积分 、取样 和 判决 。第68页/共95页通信原理 2008年 图 11-24 相位误差对性能的影响第69页/共95页通信原理 2008年 若 位同步脉冲 有 相位误差 Te 图(b) ， 则 脉冲的 取样时刻 就会 偏离 信号能量 的 最大点 。 从 图(c) 可看到，相邻码元 的 极性无交变 时 ，位同步 的 相差 不影响 取样点 的 积分输出能量值 。 在该点 的 取样值 仍为 整个码元能量 E ，图(c) 中 的 t 4 和 t 6 时刻 就是 这种情况 。 而当 相邻码元 的 极性交变 时 ， 位同步

46、 的 相位误差 使 取样点 的 积分能量 减小 ，如图 点 的 值 只是 ( T2 Te ) 时间 内 的 积分值 。 因 积分能量 与 时间 成正比 ， 故 积分能量 减小 为 . 第70页/共95页通信原理 2008年 通常，随机 二进制 数字信号 相邻码元 有变化 和 无变化 的 概率 各占 1 / 2 ，所以 系统 的 误码率 分为 两部分 来 计算 。 相邻码元 无变化 时 ，按 原来的 误码率公式 计算 ; 有变化 时，按 信噪比 ( 或 能量 ) 下降 后 计算 。eeTerfcEnEPerfcTn002114/14(11.3- 16) 以 2PSK 信号 最佳接收 为例 ，考虑

47、到 相位误差影响 时 ， 其 误码率 为 ：第71页/共95页通信原理 2008年 数字通信时，一般总是以 若干个 码元 组成 一个字 ，若干个字 组成 一个句 ，即 组成 一个个 的 “ 群 ”进行传输 。 实现群同步，通常 采用的方法 是 起止式同步法和 插入特殊同步码组的同步法 。 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 。 群同步 的 任务 就是 在 位同步 的基础上 识别出 这些 数字信息群 ( 字、句、帧 ) “开头” 和 “结尾” 的 时刻 ，使 接收设备 的 群定时 与 接收信号 中 的 群定时 处于 同步状态 。第72页/共95页

48、通信原理 2008年 11.4.1 起止式同步法 数字电传机 中 广泛使用的 是 起止式 同步法 。在电传机中， 常用的 是 五单位码 。 为 标志 每个字的 开头 和 结尾 ，在 五单位码 的前后 分别加上 1 个单位 的 起码 ( 低电平 ) 和 1.5 个 单位 的 止码 ( 高电平 ) ， 共 7.5 个 码元 组成 一个字 :图 11-25 起止式同步 波形第73页/共95页通信原理 2008年 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 字同步 . 11.4.2 连贯式插入法 连贯插入法 又称 集中插入法 ，是指 在每一信息群

49、的 开头 集中插入 作为 群同步码组 的 特殊码组 。 具有 尖锐单峰特性 的 自相关函数 ； 便于 与 信息码 区别 ； 码长 适当 ，以 保证 传输效率 。 对该码组的基本要求是：第74页/共95页通信原理 2008年 符合上述要求的 特殊码组 有：全 0 码 、全 1 码 、1 与 0 交替码 、巴克码 、电话基群 帧同步码 0011011 . 目前 常用的 群同步码组 是 巴克码 。 a) 巴克码 巴克码 是 一种 有限长的 非周期序列 。定义 如下 ： 一个 n 位长 的 码组 x1 , x2 , x3 , , xn ，其中 的 取值 为 1 或 1 ， 若 它的 局部相关函数 满足

50、：njiijinjR jxxjnjn10( )0100 或或(11.4 - 1)第75页/共95页巴克码组巴克码组表 11- 1 第76页/共95页通信原理 2008年 则称 这种码组 为 巴克码 。目前已找到的 所有 巴克码组 如 表11-1 所示 。 其中的 、 号 表示 xi 的 取值 或 ，分别对应 二进码 的 或 。 以 7 位巴克码组 为例 ，它的 局部自相关函数 如下 ：iiR jx721( )11111117 当 时，iiiR jxx611( )1111110 当 时，第77页/共95页通信原理 2008年 同样可求出： j = 3 ，5 ，7 时 ， R ( j ) = 0

51、； j = 2 ，4 ，6 时 ， R ( j ) = 1 ； 由图可见，其 自相关函数 在 j = 0 时 具有 尖锐 的 单峰特性 。 这一特性 正是 连贯式 插入群同步码组 的 主要要求 之一 。 根据这些值 ，利用 偶函数性质 ，可以作出 7 位巴克码 的 与 的 关系曲线 ，如 图 11-26 所示 。第78页/共95页通信原理 2008年图 1126 7 位巴克码的自相关函数第79页/共95页通信原理 2008年 b) 巴克码识别器 仍以 7 位巴克码 为例 。用 7 级 移位寄存器 、相加器 和 判决器 就可以 组成 一个 巴克码识别器 。 当 输入码元 “ 1 ” 进入 某移位

52、寄存器 时 ，该 移位寄存器 的 1 端 输出电平 为 ，0 端 输出电平 为 。 反之 , 进入 “ 0 ” 码 时，该 移位寄存器 的 0 端 输出电平 为 ， 1 端 输出电平 为 。 各移位寄存器 输出端 接法 与 巴克码 规律 一致 , 这样 识别器 就是 对 输入的 巴克码 进行 相关运算 .第80页/共95页通信原理 2008年图 11-27 巴克码识别器第81页/共95页通信原理 2008年 当 一帧 信号 到来 时 ，首先 进入 巴克码识别器 的 是 群同步码组 。 若 判别器 的 判决门限电平 定为 ，那么 就在7 位巴克码 的 最后一位 0 进入 识别器 时 ，识别器 输

53、出 一个 同步脉冲 表示 一群 的 开头 ，如图 (b) 所示 . 只有 当 7 位巴克码 在某一时刻 图 (a) 的 正好已全部 进入 7 位寄存器 时 ，7 位移位寄存器 输出端都输出 1 ， 相加 后 得 最大输出 7 。 其余情况 相加结果 均小于 7 。第82页/共95页通信原理 2008年图 11-28 识别器的输出波形第83页/共95页通信原理 2008年 间隔式插入法 又称为 分散插入法 ，它是将 群同步码 以 分散的 形式 均匀 插入 信息码流 中 。 11.4.3 间隔式插入法 这种方式 较多地 用在 多路 数字电路系统 中，如 PCM 24 路 基群设备 与 一些简单的

54、M 系统 常采用 1 、0 交替码型 作为 帧同步码 间隔插入 的方法 。 即 一帧 插入 码 ，下一帧 插入 码 ，如此 交替插入 。由于 每帧 只插 一位码 ，那么 它 与 信码混淆 的 概率 则为 ，这样 似乎无法 识别 同步码。第84页/共95页通信原理 2008年 但是 这种插入方式 在 同步捕获 时 我们 不是 检测 一帧 两帧 ，而是 连续检测 数十帧 ，每帧 都符合“ 1 ” 、 “ 0 ” 交替 的 规律 才确认 同步 。 分散插入 的 最大特点 是 ： 同步码 不占用 信息时隙 ，每帧的 传输效率 较高 ， 但是 同步捕获时间 较长 。 分散插入 较适合于 连续发送信号 的 通信系统 , 若是 断续发送信号 ，每次 捕获同步 需要 较长的 时间 ， 反而 降低效率 。第85页/共95页通信原理 2008年 11.4.4 群同步系统的性能 群同步性能 主要指标 是 同步可靠性 ( 包括 漏同步概率 P1 和 假同步概率 P2 ) 及 同步建立时间 t s 。 下面，我们 主要 以 连贯插