通信原理同步课件

1、1联合战术通信教研组张伟明理 工 大 学 通 信 工 程 学 院理 工 大 学 通 信 工 程 学 院2数字通信系统框图同步电路3第十章第十章 同步原理同步原理8.1 引言8.2 载波同步8.3 位同步8.4 群同步 48.1 引言n同步的作用带通滤波器低通滤波器取样判决器tfc2cos位定时bcdfg)()(2tntsPSK图8.4.6 2PSK信号的相干解调器e使通信双方协调一致地工作使通信双方协调一致地工作! ! dtbT058.1 引言（续1）n同步的分类按功能分:1.载波同步(相干解调，同频同相)2.位同步(接收判决时刻)3.群同步(帧的开始)按实现方法分：1.插入同步法、外同步法(

2、发送额外的同步信息)2.直接同步法、自同步法(从信息中直接提取同步信号)68.2 载波同步n载波同步：从接收信号中提取与接收信号中调 制载波同频同相的相干载波的过程。载波同步是相干解调的基础。只要进行相干解调，模拟通信和数字通信都需要载波同步。同步载波从接收的频带信号中提取。载波同步的实现方法： 插入导频法 直接法7一.插入导频法 在发送的信息中注入载波信息，可以是载波本身，也可以是载波的某种变换。对插入的导频通常有如下要求：对插入的导频通常有如下要求：导频要在信号频谱为零的位置插入 ；导频的频率应当与载波频率有关，通常导频频率等于载波频率 ；1. 插入的导频应与载波正交，避免导频对信号解调产

3、生影响。8一、插入导频法(续2)插入导频法方框图插入导频法方框图(a)发送端发送端(b)接收端接收端9二、直接法 接收端从不携带导频的接收信号中直接提取相干载波的载波同步方法称为直接法。基本原理：在抑制载波的双边带信号（如DSB、PSK等）中，虽然本身不包含载波分量，但作适当的非线性变换后，会出现载波的谐波分量，提 出这些谐波分量来得到同步载波。 101.平方变换法和平方环法接收信号：x(t) = s(t)cos(2 fct)平方输出信号：y(t) = s2(t)cos2(2 fct) = 0.5s2(t)+0.5s2(t)cos(4 fct)s(t)中无直流分量s2(t)中有直流分量若调制信

4、号s(t)= 1，y(t)=0.5+0.5cos(4 fct)11 锁相环具有良好的跟踪、窄带滤波和记忆性能，锁相环具有良好的跟踪、窄带滤波和记忆性能，因此平方环法比一般的平方变换法具有更好的性能，因此平方环法比一般的平方变换法具有更好的性能，因而得到广泛的应用。因而得到广泛的应用。 平方环法提取同步载波方框图平方环法提取同步载波方框图12相位模糊相位模糊cos(4 fct) = cos(4 fct+2) 由窄带2fc滤波器得到的cos(4 fct)，经二分频后得到的可能是cos(2 fct)，也可能是cos(2 fct + )，这种相位的不确定性就称为相位模糊。 p 会导致数字信号解调后出现

5、码元反相， 如引起2PSK“反相工作”p 解决方法：差分相移键控（2DPSK）132.同相正交环法(costas环) 设costas环的输入信号为压控振荡器的输出为其中，为v1与costas环的输入信号间的相位误差。v1相移-900后，得v2为( )cos 2cx tf t1cos(2)cvf t2cos(290 )sin(2)ccvf tf t输入信号与v1相乘，得 3( )cos(2) cos(2)1( )coscos(4)2cccvx tf tf tx tf t输入信号与v2相乘，得 4( )cos(2) sin(2)1( )sincos(4)2cccvx tf tf tx tf t经低

6、通滤波器滤波后，分别为 51( )cos2vx t61( )sin2vx tv5、v6相乘得经环路滤波器滤波后，控制压控振荡器可以使它产生一个频率为fc，相位逐渐趋近于0的载波，此载波就是所要提取的同步载波。 271( )sin28vx t较小时271( )4vx t17相位模糊相位模糊1cos(2)cvf t271( )sin(2 )8vxtv1的相位可以是，也可以是+，故也存在“相位模糊”问题。可作为解调器的输出。0511( )cos( )22vx tx t优点： 可直接解调出信号x(t) (模拟解调或非最佳接收数字解调)缺点：1）电路较为复杂，实现困难；2）存在相位模糊。 203.两种直

7、接同步方法比较p 不同点： 平方变换法中窄带滤波器的工作频率是载波 频率的两倍； costas环的工作频率是载波频率本身，环路 滤波器是低通滤波器、存在900相移网络。p 相同点 存在相位模糊； 实现电路与接收载波频率有关。21三、两种载波同步方法的比较 1. 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。 (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(如SSB系统)。2.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，另一方面可以用它作自动增益控制。 (2) 有

8、些不能用直接法提取同步信息的调制系统只能用插入导频法。 (3) 要多消耗一部分不带信息的功率，与直接法比较在总功率相同条件下信噪功率比要小一些。22载波同步系统的性能主要性能指标： (1)效率:为获得同步，载波信号应尽量少消耗发射功率。 (2)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。 (3)同步建立时间ts:越短越好，这样同步建立得快。 (4)同步保持时间tc:越长越好，这样同步建立后可以保持较长时间。231.稳态相位误差1.对于用窄带滤波其提取同步的方法当滤波器中心频率与载波频率不相等时就会使提取的同步载波信号引起一个稳态相位误差。2.对于用锁相环提取同步载波的方法

9、由设计的局限性引发。02()QradQ: 回路的品质因数w0: 滤波器的中心角频率w : 角频偏()VradKw : 角频偏Kv: 环路直流增益Q越小越好242.随机相位误差由噪声引发。以窄带滤波器提取同步载波为例。随机相位误差为：n用其方差 表示其大小：2n2004nsn fQ PQ: 回路的品质因数f0: 滤波器的中心频率n0: 白噪声的功率谱密度Ps: 信号功率Q越大越好253.建立时间和保持时间考虑用窄带滤波器提取载波：kQts11ln20 (1)建立时间:kQtc1ln20 (2)保持时间:Q越大越好Q越小越好用输出载波的大小来衡量同步是否建立。k(01) 输出载波幅度与最大值之比

10、UkUstctt26载波相位误差对解调性能的影响总的相位误差是随机相差与稳态相差之和。对DSB(BPSK)，将引起信噪比下降，从而使用数字信号的误码率上升。对SSB，除了引起信噪比下降外，还使基带信号发生畸变，从而引起数字信号解调时发生码间串扰。278.3 位同步q在数字通信系统中，接收端需要一个控制取样判决的定时信号，该定时信号的脉冲频率应该与发送端的码元速率相同、相位应该与最佳判决时刻对齐。q位同步：从接收信号中提取位同步信号的过程。q位同步是码元正确判决的基础。只有数字通信系统中有位同步。n位同步的实现方法：n 插入导频法插入导频法n 直接法直接法28相关编码cos()bf tcos(2

11、)cf tm(t)插入位同步导频调制( )M( )M00ff1/2T1/T(a)(b)相关编码一、插入导频法29接收端位同步的提取带通载波同步低通窄带滤波倒相取样判决限幅放大微分全波整流整形cf2bf2bf30二、直接法接收端从不携带导频的接收信号中直接提取位同步信号的方法称为直接法。最常用的直接法是数字锁相环法最常用的直接法是数字锁相环法 。31 在接收端利用相位比较器比较接收码元和本地产生的位同步信号的相位，若两者相位不一致（超前或滞后），相位比较器就产生误差信号去调整位同步信号的相位，直到获得精确的同步为止。 1.数字锁相环法的基本原理32控制电路1.数字锁相环法的基本原理（续1）33（

12、2）扣除门为常开门，附加门为常闭门，它们和或 门一起构成控制电路，根据相位比较器输出的 控制脉冲（超前脉冲或滞后脉冲）对晶振输出 的序列实施扣除（或添加）脉冲处理。1.数字锁相环法的基本原理（续2）（1）接收码元速率为 ， 为码元间隔； 晶振频率为 ，经整形电路以后输出周期 同为 的脉冲序列a和b，但 相位相差180。1ssfTsTsnf1bssTnfT n34（3）n分频器为n计数器，每当控制器输出n个脉冲 时，它便输出一个脉冲，作为本地位同步信 号。控制器和分频器共同作用，调整加到比较 器上的位同步信号的相位。（4）相位比较器将本地位同步信号与接收码元序列 进行比较。当本地位同步信号比接收

13、码元序列 超前时，就输出超前脉冲；当本地位同步信号 比接收码元序列滞后时，就输出滞后脉冲。1.数字锁相环法的基本原理（续3）35无相位误差（无相位误差（n=3n=3）a路脉冲b路脉冲或门输出脉冲n分频器输出超前脉冲滞后脉冲接收码元相位比较器在接收码元序列中的0、1交变点处进行比相！36本地相位超前（本地相位超前（n=3n=3）a路脉冲b路脉冲或门输出脉冲n分频器输出滞后脉冲超前脉冲接收码元最小相位调整量为最小相位调整量为T Ts s/n/n37本地相位滞后（本地相位滞后（n=3n=3）a路脉冲b路脉冲n分频器输出超前脉冲滞后脉冲或门输出脉冲接收码元最小相位调整量为最小相位调整量为T Ts s/

14、n/n38二、数字锁相环法的性能指标二、数字锁相环法的性能指标p 位定时误差：p 位同步建立时间：p 位同步保持时间：p 同步带宽：指同步建立后，本地位定时与接收码元之间的剩余相位偏差。由不同步到同步所需的最长时间。由同步到失去同步所需要的时间。能够调整到同步状态所允许的收、发晶振频率之间的最大频差。391 1、位定时误差、位定时误差位定时误差：同步建立后，本地位定时与接收 码元之间的剩余相位偏差。每调整一步，位定时位置改变Ts/n。最大位定时误差 te=Ts/n。用相位表示的位定时误差，称为相位误差。最大相位误差 e = 2/n小于2/n的相位误差是不可调整的。n越大，e 越小。402 2、

15、位同步建立时间、位同步建立时间位同步建立时间指由不同步到同步所需的最长时间。p 最大初始位定时误差为Ts/2， 数字锁相环需要调整n/2次。p 平均2个码元时间内可调整1次。相位比较器在接收码元序列中0、1码元的交变点处进行比相。sssnTTnt22位同步建立时间为n越小，同步建立越快！413 3、同步保持时间、同步保持时间112201 200111/TFTFTTTFT K设收发两端的码元周期分别为和，。若规定两端容许的时间漂移为秒， 则达到此值所需要的时间长度为0210/1( )/cTKtsTTTK f21fff 其中。而这段时间就是同步保持时间。424 4、同步带宽、同步带宽系统所允许的收

16、发双方的最大频差。如果超过这个频差，锁相环将无法使收端位同步脉冲的相位与输入信号的相位同步。20000222sffTTnfnfn1212212120/211ssTnTnFFFTTTFFFFF锁相环每次能调整的时间为， 对于随机数字来说， 平均每两个码元周期才能调整一次， 因此平均一个码元周期内，锁相环能调整的时间为。而一个码元周期内，收发双方的时间差为。所以，只有满足以下条件， 锁相环才能实现收发双方同步43 相位误差引起抽样判决时刻的偏差，从而影响抽样信号的信噪比，最终导致判决信号的误码率上升。以匹配滤波器接收为例。设相位误差对应的时间差为Te ，则00112(/)1/44eebbTPerf

17、cEnerfcEnT位同步相位误差对系统影响44群同步与载波同步、位同步的比较：群同步与载波同步、位同步的比较： 载波同步解决了同步解调问题，把频带信号解调为基带信号。位同步确定数字通信中各个码元的抽样判决时刻，把每个码元加以区分。 群同步的任务是把字、句或码组区分开来。8.4 群同步458.4 群同步（续1）群同步的实现方法： 起止式同步法 连贯式插入法 间歇式插入法46用特殊的波形标识帧的开始或结束。止起止12345151.5一.起止式同步法只能用于简单的通信中，如：PC串口、电报。47用一个特殊的码组来表示帧的开始。“特殊”：1、在信息码元序列中不易出现；2、识别器简单。二.连贯式插入法

18、同步码信息码信息码同步码同步码的寻找是关键48巴克码 巴克码是具有特殊规律的二进制码组，具有尖锐的自相关函数。同时，巴克码的识别器组成十分简单。用局部自相关函数来定义巴克码：1j0( )0,1,10jnnjiijinRjx x当 当 长为n的巴克码(局部自相关函数)49巴克码局部自相关函数示例巴克码局部自相关函数示例 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 1 2 3 4 5 6 707654321jR(j)50常见的巴克码组常见的巴克码组位数位数n巴克码组巴克码组2+ + ; - +3+ + -4+ + + - ; + + - + 5+ + + - +7+ + + - - + -11+ +

19、 + - - - + - - + -13+ + + + + - - + + - + - + 51抽头：1110010输入“1”： 1 +1 0-1输入“0”： 0 +1 1-1七位巴克码识别器七位巴克码识别器01(1)相相 加加判决判决移动方向移动方向输入码元输入码元01(7)01(6)01(5)01(4)01(3)01(2)52当输入为当输入为0000000 1110010 0000000时，识别时，识别器的输出情况器的输出情况(t=1)01(1)相相 加加判判 决决输入码元输入码元01(7)01(6)01(5)01(4)01(3)01(2)0 0 0 0 0 0 0 1-1-1-1-111

20、1-1053当输入为当输入为0000000 1110010 0000000时，识别时，识别器的输出情况器的输出情况(t=2)01(1)相相 加加判判 决决输入码元输入码元01(7)01(6)01(5)01(4)01(3)01(2)0 0 0 0 0 0 1 1-1-1-1-111-1-3054当输入为当输入为0000000 1110010 0000000时，识别时，识别器的输出情况器的输出情况(t=3)01(1)相相 加加判判 决决输入码元输入码元01(7)01(6)01(5)01(4)01(3)01(2)0 0 0 0 0 1 1 1-1-1-111-101-155当输入为当输入为00000

21、00 1110010 0000000时，识别时，识别器的输出情况器的输出情况(t=4)01(1)相相 加加判判 决决输入码元输入码元01(7)01(6)01(5)01(4)01(3)01(2)0 0 0 0 1 1 1 0-1-1-111-1-1-3056当输入为当输入为0000000 1110010 0000000时，识别时，识别器的输出情况器的输出情况(t=5)01(1)相相 加加判判 决决输入码元输入码元01(7)01(6)01(5)01(4)01(3)01(2)0 0 0 1 1 1 0 0-1-1-11-1-11-3057当输入为当输入为0000000 1110010 0000000

22、时，识别时，识别器的输出情况器的输出情况(t=6)01(1)相相 加加判判 决决输入码元输入码元01(7)01(6)01(5)01(4)01(3)01(2)0 0 1 1 1 0 0 1-1-11-1-1-11-3058当输入为当输入为0000000 1110010 0000000时，识别时，识别器的输出情况器的输出情况(t=7)01(1)相相 加加判判 决决输入码元输入码元01(7)01(6)01(5)01(4)01(3)01(2)0 1 1 1 0 0 1 0-111-1-11-11059当输入为当输入为0000000 1110010 0000000时，识别时，识别器的输出情况器的输出情况

23、(t=8)01(1)相相 加加判判 决决输入码元输入码元01(7)01(6)01(5)01(4)01(3)01(2)1 1 1 0 0 1 0 011111117160当输入为当输入为0000000 1110010 0000000时，识别时，识别器的输出情况器的输出情况(t=9)01(1)相相 加加判判 决决输入码元输入码元01(7)01(6)01(5)01(4)01(3)01(2)1 1 0 0 1 0 0 011-1-11-111061当输入为当输入为0000000 1110010 0000000时，识别时，识别器的输出情况器的输出情况(t=10)01(1)相相 加加判判 决决输入码元输入

24、码元01(7)01(6)01(5)01(4)01(3)01(2)1 0 0 1 0 0 0 01-1-1-1-111-1062当输入为当输入为0000000 1110010 0000000时，识别时，识别器的输出情况器的输出情况(t=11)01(1)相相 加加判判 决决输入码元输入码元01(7)01(6)01(5)01(4)01(3)01(2)0 0 1 0 0 0 0 0-1-11-11111063当输入为当输入为0000000 1110010 0000000时，识别时，识别器的输出情况器的输出情况(t=12)01(1)相相 加加判判 决决输入码元输入码元01(7)01(6)01(5)01(

25、4)01(3)01(2)0 1 0 0 0 0 0 0-11-1-11111064当输入为当输入为0000000 1110010 0000000时，识别时，识别器的输出情况器的输出情况(t=13)01(1)相相 加加判判 决决输入码元输入码元01(7)01(6)01(5)01(4)01(3)01(2)1 0 0 0 0 0 0 01-1-1-11111065当输入为当输入为0000000 1110010 0000000时，识别时，识别器的输出情况器的输出情况(t=14)01(1)相相 加加判判 决决输入码元输入码元01(7)01(6)01(5)01(4)01(3)01(2)0 0 0 0 0 0 0 0-1-1-1-1111-1066当输入为当输入为0000000 1110010 0000000时，识别时，识别器的输出情况器的输出情况(t=114) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1407654321-1-2-3tR(t)设门限为设门限为4670 01 12 23 3