第4章同步技术课件

1、电子系赵振东第五章、同步技术本章主要内容l第一节、简介l第二节、载波同步 l第三节、位同步(码元同步) l第四节、群同步(帧同步) l第五节、网同步l1 教学目的与要求：同步是数字通信技术中的重要问题。数字通信系统是否有效地、可靠地工作，在很大程度上依赖于有无良好的同步系统，因此在学习本章之后，应熟悉载波同步、位同步和群同步的概念、作用、性能指标，并掌握实现同步方法。l2 教学内容及学时分配：l 5.1 概述(0.5学时)l 5.2 载波同步技术(2.5学时)l 5.3 位同步(3学时)l 5.4 群同步(2学时)l3 教学重点：位同步、群同步第一节、简介l一、同步的定义l二、代价和收益l同步

2、是数字通信技术中的重要问题。数字通信系统能否有效地、可靠地工作，在很大程度上依赖于有无良好的同步系统。l数字通信的特点之一是通过时间分割来实现多路复用，即时分多路复用。在通信过程中，信号的处理和传输都是在规定的时隙内进行的。为了使整个通信系统有序、准确、可靠地工作，收、发双方必须有一个统一的时间标准，这个时间标准就是靠定时系统去完成。一、同步的定义一、同步的定义l在讨论接收机和解调器的性能时虽然没有明确说明，但绝大多数情况下都已经假定了某种程度的信号同步。这意味着：l1、接收机产生的载波副本与接收到的载波频率、相位是一致的。一、同步的定义l2、接收机准确地知道接收码元到达时间和结束时间，否则对

3、码元判决的能力将会下降。 l3、如果信息是以分组的形式构成的，或者消息是以固定数目的码元构成的，那么就需要帧同步。在分组码中，为了能够正确译码，译码器需要知道码字之间的间隔。那么就需要帧同步。一、同步的定义l在一个数字通信网中，需要把各个方向传来的信码，按它们的不同目的进行分路、合路和交换，为了有效地完成这些功能，必须实现网同步。二、 代价和收益l 接收机同步需要一定的代价，每一个增加的同步等级都意味着更多的代价。l最明显的代价是为了获取同步和跟踪同步，在接收端需要额外的软硬件l在开始通信前为了获取同步而花费的时间。l发射机为了帮助接收机获取和跟踪同步而发送的信号能量。第二节、载波同步 l首先

4、讨论相干接收所需要的基本同步要求频率同步和相位同步，以及锁相环工作和设计的原理;l 载波同步的方法通常有直接法(自同步法)和插入导频法(外同步法)两种 。插入导频法(外同步法)l 插入导频法(外同步法)分为两种：一种是在发送信息的频谱中或频带外插入相关的导频信号，称为频域插入导频法；另一种是在一定的时段上传送载波信息，称为时域插入导频法。 1频域插入导频法 l插入导频是在已调信号的频谱中再加入一个低功率的频谱(其对应的正弦波形即称为导频信号)。在接收端可以容易地利用窄带滤波器把它提取出来，经过适当的处理形成接收端的相干载波。l显然，导频的频率应当与载频有关或者就是载频。 1频域插入导频法l 插

5、入导频的位置应该在信号频谱为零的位置，否则导频与信号频谱成分重叠在一起，接收时不易取出。 l设基带信号为x(t)，x(t)为相关编码后的基带信号，且无直流成分，载波为Asinct，则发端输出的信号为l tattAxtuccocos)(sin)()(插入导频法(外同步法)插入导频法(外同步法) 1频域插入导频法 l如果不考虑信道失真及噪声干扰，并设接收端收到的信号与发送端发送的信号完全相同，则此信号通过中心频率为fc的窄带滤波器，再将其移相2，就可以得到与调制载波同频同相的相干载波。 1频域插入导频法 tattAaxtAaxtatattAxccccc2sin212cos)( 21)( 21sin

6、cossin( 2） 2时域插入导频法 2时域插入导频法时域插入导频法l在接收端用相应的控制信号将载频标准取出以形成解调用的同步载波。l由于发送端发送的载波标准是不连续的，在一帧内只有很少一部分时间存在，对于这种时域插入导频方式载波提取往往采用锁相环路。二、直接法(自同步法) l直接法(自同步法)又可分为非线性变换滤波法和特殊锁相环法。l首先对接收到的已调信号进行非线性处理，就可得到相应的载频分量；l然后，再用窄带滤波器或锁相环进行滤波，滤除调制谱与噪声引入的干扰。l常用的有平方变换法、平方环法、M次方环法等。 l用直接法提取载波分量的另一途径是采用特殊的锁相环。这种特殊锁相环具有从已调信号中

7、消除调制和滤除噪声的功能，所以能鉴别接收到的已调信号中被抑制了的载波分量与本地VCO输出信号之间的相位误差，从而恢复出相应的相干载波。l通常采用的特殊环路有：同相正交环、逆调制环、判决反馈环和基带数字处理载波跟踪环等。 1平方变换法 ttxtxttxtecc2cos)(21)(21cos)()(2222平方环法 顺便说明，M次方环法是对多进制调制信号而言的，对MPSK信号就可以采用M次方环。3、同相一正交环法(科斯塔斯环)3、同相一正交环法(科斯塔斯环)l 假定环路已锁定，若不考虑噪声，则环路的输入信号为l同相与正交两鉴相器的本地参考信号分别为 )cos(1tvc)sin(2tvc)2cos(

8、)cos(21)cos(cos)(3ttxtttxvccc)2sin()sin(21)sin(cos)(4ttxtttxvcccx(t)cosct 3、同相一正交环法(科斯塔斯环)cos)(215txvsin)(216txv)(412)(812sin)(81cossin)(412222657txtxtxtxvvv这个电压经过环路滤波器以后控制VCO使它与c同频，相位只差一个很小的。此时就是要提取的同步载波， 就是解调器的输出x(t)。)cos(1tvc)(21cos)(215txtxv3、同相一正交环法(科斯塔斯环)l科斯塔斯环的优点有两个：l一是科斯塔斯环工作在c频率上，比平方环工作频率低，

9、且不用平方器件和分频器。显然，当载波频率很高时，工作频率较低的同相正交环路易于实现；l二是当环路正常锁定后，同相鉴相器的输出就是所需要解调的原数字序列。因此，这种电路具有提取载波和相干解调的双重功能。l科斯塔斯环的缺点是电路较复杂以及存在着相位模糊的问题。4、锁相环l所有同步电路的核心几乎都是锁相环。如图所示,锁相环是伺服控制环，其受控参数是输入载波信号的本地副本的相位。锁相环有3个基本组成部分：鉴相器、环路滤波器、压控振荡器(vco)。 锁相环l鉴相器是一个测量输入信号与本地副本间的相位差的设备。随着输入信号与本地副本之间的相位变化，相位差异(或相位误差)成为时变信号并输入环路滤波器。l环路

10、滤波器控制着PLL对误差信号变化的响应。一个好的环路应该能够跟踪输入信号相位的变化，同时对接收机的噪声不过分敏感。l压控振荡器用来产生载波副本，正如其名字所示，它是一个频率由输入电压控制的正弦振荡器。锁相环l 在一定的输入和输出范围内，压控振荡器的频率是输入电压的线性函数。一个正的输入电压将会导致vco输出频率增大，而一个负的输入电压将导致输出频率减小。l将输入信号r(t)与压控振荡器的输出x(t)之间的相位差滤波后的结果反馈到压控振荡器的输入端，从而实现相位锁定。锁相环)(cos)(0ttwtr)(sin2)(0ttwtx)()(2sin)()(sin)(cos)(sin2)()()(000

11、tttwttttwttwtrtxte考虑一个归一化的输入信号，形如这些信号将在鉴相器的输出上产生一个误差信号锁相环l假定环路滤波器是低通的，低通滤波器将仅提供一个输入r(t)与输出x(t)相位误差的函数，即误差信号。l如果假定w0是vco的自然频率（当输入电压是零时的输出频率)。那么，vco的输出频率与w0的差值就可以表示为相位项的时间微分，与输入电压y(r)成正比，即:锁相环 其中，(t)表示频率差，符号*表示卷积运算 系数K0是VCO的增益，f(t)是环路滤波器的脉冲响应。)(*)()()(*)()()()(000tfttKtfteKtyKtdtdt)()()()(sin)(ttttte载

12、波同步系统的性能指标 l(1)效率 为获得同步，载波信号应尽量少消耗发送功率，在这方面直接法由于不需要专门发送导频，因此是高效率的；而插入导频法由于插入导频要消耗一部分发送功率，因此效率要低一些。载波同步追求的是高效率。 载波同步系统的性能指标l(2)精度 精度指提取的同步载波与需要的载波标准比较，应该有尽量小的相位误差。如需要的同步载波为，提取的同步载波为，就是相位误差。通常又分稳态相位误差和随机相位误差。 稳态相位误差在稳态下所引起的相位误差.。随机相位误差是由于随机噪声的影响而引起同步信号的相位误差。载波同步系统的性能指标 (3)同步建立时间ts (捕捉时间+后方保护) 对ts的要求是越

13、短越好，这样同步建立得快。 (4)同步保持时间tc 对tc的要求是越长越好，这样一旦建立同步以后可以保持较长的时间。 第三节、位同步(码元同步) 位同步是数字通信中非常重要的一个同步技术。 对位同步信号的要求有两点： 一是使收信端的位同步脉冲频率和发送端的码元速率相同。 二是使收信端在最佳接收时刻对接收码元进行抽样判决。位同步(码元同步)l 位同步信号一般可以在解调后的基带信号中提取，只有在特殊情况下才直接从频带信号中提取。l 位同步方法也有插入导频法(外同步法)和直接法(自同步法)两种。直接法有滤波法和锁相法。1插入导频法l插入导频法(外同步法)与载波同步时的插入导频法类似，它也要插在基带信

14、号频谱的零点处，以便提取。l数字基带信号一般都采用不归零的矩形脉冲，并以此对高频载波作各种调制。解调后得到的也是不归零的矩形脉冲，码元速率为fb，这种信号的功率谱在fb处为零。双极性码的功率谱密度 l双极性码的功率谱密度如图所示。此时可以在fb处插入位定时导频。 相关编码后的功率谱密度 发送端方框图 接收端方框图 相加器输出的基带信号就消除了导频信号的影响 l插入导频法还有包络调制法及时域插入位同步的方法.以PSK为例，设PSK信号为l若 用进行附加调幅后，得已调信号为l 其中 .T是码元宽度。l 接收端对它进行包络检波，得包络为，滤除直流成分，即可得到位同步分量为 。)(costtctcos

15、)(cos)cos1 (tttcT2tcos 自同步法l自同步法可分为：1、开环同步；2、闭环同步。l开环同步电路从接收数据流中直接恢复得到发射机的数据时钟的副本，l闭环数据同步电路则通过比较本地、接收信号，使本地数据时钟锁定在接收信号上。l闭环同步更精确，但是更复杂也更昂贵。开环码元同步l 开环码元同步有时也叫做非线性滤波同步，通过对接收到的基带序列滤波和非线性处理，按码元速率产生一个频率分量。l这与载波抑制跟踪环路中的载波恢复相似，不同的是这里需要的频率分量是在码元速率上。l通过一个带通滤波器提取频率分量，再通过一个高增益的饱和放大器，使数据时钟转换成方波形式。三种开环比特同步装置开环比特

16、同步装置（1）l 输入信号S(t)通过接收匹配滤波器形成输入信号波形的自相关函数。例如对于方波，输出将是等边三角形波形。偶次方装置输出的波形包含有数据时钟的频率分量，这个频率分量通过带通滤波器从它谐波分量中滤出，再通过理想饱和放大器成形。开环比特同步装置（2）l通过延时器和乘法器得到数据时钟频率的博里叶分量。延时是半个比特周期，这是一个最佳值，因为它能提供最强的傅里叶分量。l波形M（t）是一个方波信号，其频谱分量由数据速率及其所有谐波组成。可以通过BPF得到正确的频率分量，然后成形方波时钟。开环比特同步装置（3）l最后一个例子等价于一个边缘检测器，完成的主要功能是微分和整流(通过平方器)。l对

17、于方波输入，微分器将在码元变化处产生正、负钉状波形。整流后，正的钉状波形序列含有码元传输速率上的傅里叶分量。l这种方法潜在的一个问题是，微分器对于宽带噪声很敏感，所以，在微分器前加一个低通滤波器LPF)。微分整流法方框图及各点波形 数字锁相法（闭环比特同步）数字锁相数字锁相早迟门同步（闭环比特同步）早迟门同步装置有两个积分器，在一个码元间隔内，对接收信号的能量在不同的(T-d)秒内积分。第一个积分器(早门)从一个周期的起点(标为本地时间零)开始，在接下来的(T-d)秒内积分。第二个积分器(迟门)延迟d秒，并积分到码元周期的终点(标为时间T)。这两个积分器的输出yl和y2的差值，就是衡量接收器定

18、时误差的量度，并且可以反馈到环路的定时基准以修正环路定时。早迟门同步早迟门同步早迟门同步l1、假定讨论的码元周期之前和之后都有数据状态改变。l2、不可能构造两个完全祥的积分器，所以，来自早迟门环路两个分支的信号，存在偏差。对于性能良好的积分器，这个偏差会很小。但是，对具有相同数据码元的长序列这一偏差会使环路漂移出同步状态。早迟门同步l3、另一个环路设计问题是两个门的积分区间。上图例子积分区间占码元周期的34。实际这个区间可以从半个码元间隔到接近整个码元间隔。l（为什么不少于半个呢？） Pe、Eb/N0的关系(参数是码元同步误差)第四节、群同步(帧同步) l帧同步就是确定每帧的起始时刻，确定了这

19、个时刻，就可以根据预定的帧结构来确定帧的长度和其中各字、各句的位置了。l所有的数字数据流都具有一定的帧结构。如：计算机数据一般组织成8比特的字节，再组织成图像、数据报、数据帧和文件。对于采用分组纠错码的系统，数据必须组织成固定长度的码字。数字语音一般通过数据帧传输。l接收机必须与数据流的帧结构保持同步。帧同步一般通过发射机中的特殊处理过程完成。帧同步的要求：l帧同步系统通常应满足下列要求：l (1)正确建立同步的概率要大，即漏同步概率要小，错误同步或假同步的概率要小。l (2)捕获时间要短，即同步建立的时间要短。一旦系统失步，也能很快地恢复同步。l (3)稳定地保持同步。采取保持措施，使同步保

20、持时间持久稳定，即同步系统应具有识别假失步和避免伪同步的能力。l (4)在满足群同步性能要求的条件下，群同步码的长度应尽可能短一些，这样可以提高信道的传输效率。 集中插入法 l 集中插入法又称为连贯式插入法。这种方式就是将帧同步码以集中的形式插入信息码流中。l此方法的关健是要找出作为群同步码组的特殊码组。这个特殊码组一方面在信息码元序列中不易出现以便识别，另一方面识别器也要尽量简单。l最常用的群同步码组有巴克码或其他码型。 同步码的选择l好的同步码字具有这样的特性：相关旁瓣的绝对值很小。相关旁瓣是指码字跟自身时移后的码字的相关值。这样，具有K个码元移位的N比特码字的相关旁瓣为l最大相关旁瓣幅度

21、为1的码字称为巴克序列或巴克字。目前还没有构造性的方法寻找巴克字，已经找到的巴克字只有10种，最长的有13个码元。下表给出了已知的巴克字。巴克字经时间反转和正负号反转，得到的仍是巴克字。kNjjjkXXC11同步码的选择同步码的选择（巴克同步码字）巴克码识别器 某移位寄存器进入的是1码，则该移位寄存器的1端输出为+1，0端输出为-l；反之当某移位寄存器进入的是0码，则该移位寄存器的1端输出为-1，0端输出为+1。 集中插入同步法(典型应用) PCM 3032路(我国和欧洲国家采用)的帧同步采用集中插入方式，它是在每偶帧TS0的第2至第8位插入0011011帧同步码 帧同步性能分析群同步实质上就

22、是正确地检测群同步的标志，在防止漏检的同时还要防止错检。群同步系统应该建立时间短，并且在群同步建立后应有较强的抗干扰能力。通常用漏同步概率P1，假同步概率P2和群同步平均建立时间ts来衡量这些性能。1、漏同步概率P1 由于干扰的存在，接收的同步码组中可能出现一些错误码元，从而使识别器漏识别已发出的同步码组，出现这样的概率称为漏同步概率，记为P1。漏同步概率的计算如下： 设Pe为码元错误概率，n为同步码组的码元数，m为判决器容许码组中的错误码元最大数，则同步码组码元n中所有不超过m个错误码元的码组都能被识别器识别。帧同步性能分析 未漏同步概率为 故得漏同步概率为mrrnerernppc0)1 (

23、mrrnerernppcP01)1 (1帧同步性能分析l2、假同步概率P2l 在接收的数字信号序列中，也可能在表示信息的码元中出现与同步码组相同的码组，它被识别器识别出来误认为是同步码组而形成假同步信号，出现这种情况的概率称为假同步概率，记为P2。l 假同步概率P2的计算就是计算信息码元中能被判为同步码组的组合数与所有可能的码组数之比。设二进制信息码中1,0码等概率出现，即P(1)=P(0)=0.5，则由该二进制码元组成n位码组的所有可能码组数为2n，而其中能被判为同步码组的组合数也与判决器容许码组中的错误码元最大数m有关，若m=0，则只有 个码组能识别；若m=1，则有 个码组能识别，其余类推。0nc10nncc 帧同步性能分析l于是可求出信息码中可被判为同步码组的组合。数为 ，因而可得假同步概率的普遍式为从P1和P2两式可以看出，当m增大时，P1减小很快，而P2在增加；当n增大时，P1在增加，而P2减小很快，P1和P2总是很矛盾的，因此对m和n的选择要兼顾对P1和P2的要求。mrrnncP0221