现代通信原理与技术第10章同步原理

1、第十一章 同步原理 所谓同步就是要求和建立系统的收发两端（或多端）在时间上保持步调一致，又称定时 。11.2 载波同步11.3 位同步11.4 帧同步11.5 网同步 在数字通信中，按照同步的功用分：载波同步、位同步、群同步和网同步。1、载波同步：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干载波。这个载波的获取称为载波提取或载波同步。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， 接收端必须提供一个位定时脉冲序列，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

2、刻一致。把提取这种定时脉冲序列的过程称为位同步。3、群同步：包含字同步、句同步、分路同步，也称帧同步。为了使接收端能正确分离各路信号，在发送端必须提供每帧的起止标记，在接收端检测并获取这一标志的过程，称为帧同步。本章重点： 载波同步； 位同步； 帧同步 112 载波同步载波同步 提取相干载波的方法有两种：直接法和插入导频法。一、载波同步方法： 1、插入导频法 在发送有用信号的同时，在适当的频率位置上，插入一个或多个称为导频的正弦波，接收端就由导频提取出载波。插入导频法的发端方框图(a)、收端方框图(b)及插入导频后DSB信号频谱如下图所示： 设调制信号m(t)中无直流分量，被调载波为 ，将它经

3、900移相形成插入导 频 （正交载波），其中a是插入导频的振幅。于是输出信号为： fC导频ftacsintaccostattamtucccossin)()(0设收到的信号就是发端输出u0(t)，则收端用一个中心频率 为的窄带滤波器提取导频 ，再将它经900移相后得到与调制载波同频同相的相干载波 ，收端的解调输出： cftaccostcsinV(t)=u0(t)sincttattmatmacc2sin22cos)(2)(22PSK和DSB信号都属于抑制载波的双边带信号，上述插入导频方法对两者均适用。对SSB信号，导频插入的原理与上述相同。 插入正交导频的目的：收端相乘器的输出V(t)中无直流。也

4、可以插入同相导频，低通滤波器中加入隔直电容即可。 插入导频信号的功率应比较小，否则就成为AM信号了。 VSB信号一般在电视中采用，常用包络检波法解调。 采用插入导频法应注意：采用插入导频法应注意：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 插入导频的位置与已调信号的频谱结构有关。总的原则：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，这样便于插入导频以及解调时易于滤除它。 2、直接法： 从2PSK信号中直接提取相干载波。（1）平方变换法： 2PSK信号e(t)cos2ctcosct-cosct 2fc窄带 带通 平方二分频)2cos1 (21cos)()(222

5、ttCosttmteccc 平方环法：（上图的窄带滤波器常用锁相环代替） LFVCO2PSK信 号ui(t)PDcosct-cosct平方鉴相器 环路滤波器 压控振荡器二分频移相一般采用模拟环，uo(t) 超前于ui(t) 中的2fc成分90，二分频、移相后得到cosct或-cosct 。 同相正交环（Costas环） uiu1u2u3u4u6u5u7 低通 900移相 VCO LPF 低通)sin()cos(cos)(21ececcitututtmuecemttmUu2coscos)(3ecemttmUu2sinsin)(4ememtmUutmUusin)(cos)(65edemUtmUu2

6、sin2sin)(21227 此即为环路的鉴相特性 上式中，Um、Ud为乘法器引起的信号幅度变化，当VCO的固有振荡频率与2PSK的载频非常接近且环路增益很高时，环路锁定后 ， 。可见用同相正交环提取的载波也存在相位模糊现象。环路锁定后， ，考虑到噪声等因素，应对u5(t)进行抽样判决以再生数字基带信号。 从4PSK信号中提取相干载波的方法与2PSK相似，可用四次方变换，四次方环及四相Costas环。 用Costas环提取相干载波时，环路的工频率等于信号载频，用其它方法时电路工作频率等于信号载频的二倍或四倍。 或0etttucccoscos)(1或)()()(5tmtmtu-或二、载波同步系统

7、的性能1、载波同步系统的性能 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。载波同步追求是：高效率、高精度、同步建立时间快、保持时间长。同步建立时间ts和同步保持时间tc： tc：载波同步器的输入信号丢失后，相干载波与输入信号载波之间的相位误差小于某一范围所需要的时间。 减小带通滤波器的Q值，可减小ts但tc也减小。增大锁相环的自然谐振频率，可减小ts但tc也减小。 2、同步误差 理想相干载波 与接收机输入信号载波同频同相。实际相干载波 为稳态相差，由固有频差（锁相环VCO的固有频率或振荡回路中心频率与载频之差）产生。n(t)为随机相差、噪声产生。减小带通滤波器带宽（增

8、大Q值），可减小随机相差、但增加稳态相差。减小环路自然谐振频率可减小随机相差，增大环路增益可减小稳态相差。 )(costtnctccos三、载波相位误差对解调性能的影响1、模拟通信DSB:m(t)cosct+n(t)cos(ct+)uo(t) BPF LPFttnttntncsccsin)(cos)()(sin)(21cos)(21cos)(21)(tntntmtusco22cos)(41tms )(41sin)(41cos)(41222220tntntnNcsc 输出信号功率 输出噪声功率 可见载波相位误差使解调输出信号功率减小但不改变噪声功率即输出信噪比下降。同理可证明，在AM解调中，载波

9、相位误差也使输出信噪比下降。 SSB: 设 ，上边带信号为 ，则相干解调输出信号 ，第一项与m(t)成正比，但相位误差使信号功率下降。第二项与原信号正交，使基带信号产生畸变且越大畸变越大。 与DSB系统一样，相位误差并不改变SSB解调器的输出噪声功率，因此载波相位误差使SSB解调器的输出信噪比下降且信号畸变。在VSB相干解调中也有上述现象发生。ttm cos)(t )cos(sinsin21coscos21)(tttmo2、数字通信抽样判决器输入信噪比变化规律同模拟通信，信噪比下降将使误码率增加，故误码率增大。 2PSK系统误码率： )cos2(rQPe)cos2(ooenEQP 相干解调 最

10、佳相干接收机10.3 位同步在数字通信中，信号的码元组成序列向对方传送，接收端解码时必须知道各个码元的起止时刻。产生与码元的频率和相位一致的定时脉冲序列的过程称为位同步。为获得位同步信号，可以在基带信号中插入位同步导频信号，也可以通过对基带信号进行处理来提取。位同步是指在接收端的基带信号中提取码元定时的过程。或者使收端取样时钟频率与发端的时钟频率完全相同的过程。从理论上说，位同步的实现方法也可分为插入导频法（外同步）和直接法（自同步），但实际工程中，一般采用直接法，直接法又可具体分为滤波法和锁相环法。 11.3.1 插入导频法在基带信号频谱的零点处插入导频信号。若信号频谱的零频处幅度达到最大值

11、，则频谱的第一个零点处应为f=1/T，即可以1/T作为插入导频处；若基带信号频谱的零频处幅度为零，则f=1/(2T)为频谱的第一个零点，此时应在1/(2T)处插入导频信号。在接收端通过窄带滤波器提取位同步信号。当导频信号在1/(2T)处时，滤出导频后需对其进行倍频，以获得需要的位同步脉冲。导频信号插入点示意图提取导频信号原理框图插入导频法的另一种形式在PSK或FSK通信系统中，通过对已调信号进行附加的幅度调制，接收端只要进行包络检波，就可以形成位同步信号。如；设PSK信号的表达式: s1(t)=cosct+ (t) 可对其进行幅度调制: s2(t)=1/2(1+cos t) cosct+ (t

12、) 式中的=2/T，T为码元宽度。接收端进行包络检波后，除去直流分量，就可获得位同步信号1/2cost。11.3.2 直接法直接（提取）法即发送端不专门发送导频信号，接收端直接从数字信号中提取位同步信号的方法。直接法主要有滤波法和锁相法两种。1. 滤波法 对信号进行变换，使其变成归零脉冲； 使用窄带滤波器，滤出位同步信号分量；使该信号通过一移相器调整相位，形成位同步脉冲。波形变换方式一：微分、整流2包络检波滤波法1、当接收端带通滤波器的带宽小于信号带宽时，使频带受限的2PSK信号在相邻码元反转点处形成幅度的“陷落”，如图（a）；2、包络检波后如图（b）；3、（b）波形可看成一直流与（c）的波形

13、相减；4、（c）波形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。3. 锁相环法采用锁相环来提取位同步信号的方法称为锁相法。通常分两类：模拟锁相法：环路中误差信号去连续地调整位同步信号的相位；数字锁相法：误差信号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，从而达到调整位同步脉冲序列的相位，实现位同步。 常见的数字锁相环位同步器原理方框图如图 (不包括数字环路滤波器DLF)。由信号钟、控制器、分频器、相位比较器等组成。若接收码元的速率为F=1/T，那么振荡器频率设定在nF，经整形电路后，输出周期性脉冲序列，其周期T0=1/(nF)=T/n。 (1) 数字锁相法数字锁相法

14、(2) 原 理 晶振产生的信号经整形后得到周期为T0和相位差为T0/2的两个脉冲序列，如图(a)、(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(c)；为与发端时钟同步，分频器输出与接收到的码元序列同时加到相位比较器进行比相；（1）若同步，则无误差信号，本地位同步信号作为同步时钟；（2）若本地位同步信号相位超前于接收码元序列时，相位比较器输出一个超前脉冲加到常开门的禁止端将其关闭，扣除一个(a)路脉冲，图(d)，使分频器输出脉冲的相位滞后1/n周期，图(e)；（3）若本地位同步信号相位滞后于接收码元序列时，相位比较器输出一个滞后脉冲去打开“常闭门”使脉冲序列(b)中的

15、一个脉冲能插到“常开门”输出脉冲序列(a)中，如图(f)，使分频器输入端附加了一个脉冲，于是分频器的输出相位就提前1/n周期；经过若干次调整后，使分频器输出的脉冲序列与接收码元序列达到同步的目的，实现位同步。 (3) 数字锁相环 位同步数字锁相环分微分整流型数字锁相环和同相正交积分型数字锁相环两种。区别:基准相位的获得方法和鉴相器的结构不同。 微分整流鉴相器如图所示，设接收信号为不归零脉冲（波形a），将每个码元的宽度分为两个区，前半码元称为“滞后区”，即若位同步脉冲（波形b）落入此区，表示位同步脉冲的相位滞后于接收码元的相位；同样，后半码元称为“超前区”。接收码元经过零检测（微分、整形）后，输

16、出一窄脉冲序列（波形d）。分频器输出两列相差1800的矩形脉冲b和c。当位同步脉冲波形b（由n次分频器b端输出，取其上升沿而形成的脉冲）位于超前区时，波形d和b使与门A产生一超前脉冲（波形e），与此同时，与门B关闭，无脉冲输出。位同步脉冲滞后的情况相似。 模拟锁相环的工作频率最高，抗噪声性能最好。数字锁相环的工作频率低于模拟环，因为它的时钟信号频率fo=NofS，为使同步信号的相位误差足够小，No必须足够大，但高稳定度晶体的工作频率fo的上限一般为几十MHz，所以位同步信号频率fS不可能很高。电荷泵锁相环位同步器工作频率低于模拟环，高于数字环，抗噪性能低于模拟环。 二 位同步系统性能用窄带带通

17、滤波器、模拟锁相环以及电荷泵锁相环构造的位同步器的同步误差、同步建立时间以及同步保持时间与滤波器Q值、环路自然潜振频率之间的关系同载波同步系统。 数字锁相环位同步系统的性能指标： (1) 同步建立时间ts（指开机或失去同步后重新建立同步所需的最长时间）： 最大起始相差为或-，若DCO相位调整量为每次2/N0(如常见的数字锁相环)，则最多需调整次就可以进入锁定状态。设鉴相器在两个码元内工作一次，且工作m次后，才对DCO进行一次相位调整，则：若对DCO进行一次相位调整就可使环路锁定(如快速捕捉数字锁相环)，则ts=2mTs(不含软件执行时间)。 sssTmNmTNt0022(2) 同步保持时间tc

18、：（由同步到失步所需要的时间）设发射机、接收机的时钟稳定度为，则DCO输出信号频率与环路输入信号信息速率之间的最大误差为2fs。若允许位同步信号的最大相位误差为2，则：tc应大于两次相位调整时间间隔。tc越大，允许连1码或连0码越长。 24cstfscft2(3) 相位误差e： 主要是由于位同步脉冲的相位在跳变地调整所引起的。每调整一步，相位改变（对应时间 ），n是分频器的分频次数，故最大的相位误差为： ；若用时间差Te来表示相位误差，因每码元的周期T，得： 。 n2nTne0360nTTe(4) 同步带宽fs（指能够调整到同步状态所允许的收、发振荡器最大频差）：环路输入信号信息速率与环路开环

19、时输出位同步信号频率之间有一定差值，此差值必须小于某一最大值环路才能锁定，此最大值就是环路的同步带宽。 2ssff 三 同步误差对误码率的影响同步误差使抽样脉冲偏离了最佳抽样时刻，导致抽样信号幅度减小，误码率增大。2PSK最佳接收机的误码率：式中，Te为用时间表示的同步误差。02/ )21 (221210nTTEQQPebnEeb115 帧帧 同同 步步 当信号码元以多个码元构成的有特定含义的码元组为单位传输时，码元组常称为帧。帧同步的作用是正确识别码元组的“开头”和“末尾”时刻。实现帧同步，通常采用的方法：起止式同步法和插入特殊同步码组的同步法。插入特殊码组的同步法有两种：连贯式插入法和间隔

20、式插入法。 一 帧同步码插入方式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。例： 2集中插入（连贯插入）连贯插入指在每一信息群的开头集中插入作为群同步码组的特殊码组，该码组应在信息码中很少出现，即使偶尔出现，也不可能依照群的规律周期出现。接收端按群的周期连续数次检测该特殊码组，这样便获得群同步信息。 对该码组的基本要求：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；符合上述要求的特殊码组：全0码、全1码、1与0交替码、巴克码、电话基群帧同步码001011。目前常用的群同步码组是巴克码。在一帧开始的n位集中插入n比特帧同步码，PDH中的A律PCM基群、二次群、

21、三次、四次群，律PCM二次群、三次群、四次群以及SDH中各个等级的同步传输模块都采用集中插入式。 3分散插入式（间隔插入式） n比特帧同步码分散地插入到n帧内，每帧插入1比持，律PCM基群及M系统采用分散插入式。 分散插入式无国际标准，集中插入式有国际标准。 帧同步码出现的周期为帧周期的整数倍，即在每N帧（N1）的相同位置插入帧同步码。二 帧同步码识别1、巴克码定义：一个n位长的码组 ，其中xi的取值为+1或-1，若它的局部相关函数： nxxx,21jnijiixxjR1)(njnjorjnxxjRjnijii, 00, 100,)(1满足：其中j表示错开的位数。 目前找到的所有巴克码组如表：

22、n巴克码组2+3+-4+- ；+-+5+-+7+-+-11+-+-+-13+-+-+-+其中的+、号表示xi的取值为+1、-1，分别对应二进制码的“1”或“0”。 以7位巴克码组+ + + + 为例，它的局部自相关函数：当j=0时，当j=1时，同理，当j=3，5，7时，R(j)=0；当j=2,4,6时，R(j)=-1。7位巴克码的R(j)与j的关系曲线如图。其自相关函数在j=0时具有尖锐的单峰。 71111111)(712iixjR6111111)(611iiixxjR2、巴克码识别器如图所示，当输入码元的“1”进入某移位寄存器时，该移位寄存器的1端输出电平为+1，0端输出电平为-1；反之，进

23、入“0”码时，该移位寄存器的0端输出电平为+1，1端输出电平为-1。 例：设帧同码为1110010，当帧同步码全部进入移位寄存器时它的7个输出端全为高电平，输出为最大值ui=1+2+4=7。其余情况相加结果均小于+7。若判决门限电平定为+6，当7位巴克码的最后一位0进入识别器时，识别器输出一个同步脉冲表示一群的开头。 比较器的功能为LuLuuiio,0, 1据此可得以下波形： x1110010 数据码 x1110010 数据码ttPCM码流u0三 识别器性能 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ts。设误码率为Pe，n位帧码，L=n-m，（即允许帧

24、同步码错m位），求漏识别概率P1、假识别概率P2以及同步识别时间ts。 1漏识别概率： 正确识别概率为 ，故： ，m=0时 ，门限L越低，帧同步码越短，Pe越小，则漏识别概率越小。2假识别概率：（信息的码元中出现与同步码组相同的码组，这时，信息码会被识别器误认为是同步码，从而出现假同步信号） mneenPPC0)1 (mneepPnP01)1 (1enPP 1n位信码产生一个假识别信号的概率为 门限越高，帧码位数越多，则假识别概率越小。 nmnnPmCP202202时3同步识别时间ts： P1=P2=0时，ts=NTs，N为一个同步帧中码元位数，Ts为码元宽度，当Nn时，一个同步帧中产生假识别

25、信号的概率为NP2，当P10、P20时 ， ；分散插入帧同步码的同步识别时间： 可见集中插入式同步识别时间远小于分散插入式的同步识别时间。 SSNTNPPt)1 (21SSTNt2四 群同步的保护 无同步保护时，同步系统的漏同步概率PL等于识别器漏识别概率P1，假同步概率Pj等于识别器的假识别概率平P2。由上述分析可见。当信道误码率一定时，帧码长度对漏同步概率及假同步概率的影响是矛盾的。这一矛盾可用同步保护电路解决。 1后方保护： 当帧同步系统处于捕捉态（即还未建立同步信号）时，连续个同步帧时间内识别器有输出时，同步系统进入同步状态，输出帧同步信号。 此措施可减小假同步概率。也可以在采取此措施的同时提高门限电平以进一步减小假同步概率。 2前方保护： 当帧同步系统处于同步态（即已建立了同步信号）时，连续个同步帧时间内识别器检测不到帧同步码，则系统回到捕捉态。 此措施可以减小漏同步（假失步）概率。也可以在采取此措施的同时降低门限电平，以进一步减小漏同步概率。 3同步性能：设门限等于帧码码元数n，同步帧长为N比持，同步帧周期为TF秒，则 ：同步建立时间 njeLNPnPP2)(FenpTnPNt2)1 (2)1 (1 1116 网同步网同步 一个通信网常常包含许多站点和通信支路，在它们之间进行数字传输、交换、复接时，建立起全网的时间同步是必要的。实现网同