通原第七章 同步

1、第7章 同 步 通信原理1 17.1 概述概述 7.2 载波同步载波同步 7.3 位同步位同步 7.4 群同步群同步7.5 网同步网同步第7章 同 步 通信原理2 2 同步同步：是指收发双方在时间上步调一致，故又称定时。 在数字通信中，按照同步的功用分为： 1. 载波同步载波同步 2. 位同步（码元同步）位同步（码元同步） 3. 群同步（帧同步）群同步（帧同步） 4. 网同步网同步 在相干解调时，接收端需要提供在相干解调时，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相的相干载波。这个载波的获取称为载波提取或载波同步。因此，载波

2、同载波提取或载波同步。因此，载波同步是实现相干解调的先决条件。步是实现相干解调的先决条件。位同步又称码元同步。在位同步又称码元同步。在数字通信系统中，任何消数字通信系统中，任何消息都是通过一连串码元序息都是通过一连串码元序列传送的，所以接收时需列传送的，所以接收时需要知道每个码元的起止时要知道每个码元的起止时刻，以便在恰当的时刻进刻，以便在恰当的时刻进行取样判决。行取样判决。 群同步包含字同步、路同步，群同步包含字同步、路同步，有时也称帧同步。群同步的功用是有时也称帧同步。群同步的功用是将接收的码元分组。如将接收的码元分组。如PCM30/32电电话系统，话系统， 各路信码都安排在指定的各路信码

3、都安排在指定的时隙内传送，形成一定的帧结构。时隙内传送，形成一定的帧结构。 为了使接收端能正确分离各路信号，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在接收端检测并获取这一标志的过程，称为帧同步。程，称为帧同步。 在有多个用户的通信网内，为保证在有多个用户的通信网内，为保证各用户之间可靠地通信和数据交换，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。全网必须有一个统一的时间标准时钟。第7章 同 步 通信原理3 3F(t)m1(t)CLKSL1PCM1PCMAkm2(t)CLKSL2PCM2C

4、LKBkcos cta PCM编码编码 PCM编码编码 同同 步步 复复 接接 码变换码变换2PSK调制调制发滤波器发滤波器信道信道 以点点两路PCM/2DPSK数字电话系统为例来说明载波同步、位同步以及帧同步的作用。 设CLK频率为192KHz、SL1、SL2的频率为8KHz,则SL1、SL2、PCM1、PCM2、F(t)、及PCM信号的波形如下： SL1SL2D11D12PCM1D21PCM2 01110010 D11 D21 01110010 D12 D22PCM0111001001110010 F(t)第7章 同 步 通信原理4 4acos ctBkAkPCM b 收滤收滤 波器波器

5、载波同步载波同步 低通低通位同步位同步 抽样抽样 判决判决 码反码反 变换变换cp(t)bcp(t)FsF1F2F1cp(t)cp(t)m1(t)m2(t) 帧同步帧同步 延迟延迟 PCM译码译码 PCM译码译码F(t)m1(t)CLKSL1PCM1PCMAkm2(t)CLKSL2PCM2CLKBkcos cta PCM编码编码 PCM编码编码 同同 步步 复复 接接 码变换码变换2PSK调制调制发滤波器发滤波器信道信道数字调制系统接数字调制系统接收系统中，三种收系统中，三种同步的顺序是怎同步的顺序是怎样的？样的？第7章 同 步 通信原理5 5 当己调信号频谱中有载频离散谱成分己调信号频谱中有

6、载频离散谱成分且载频附近的连续谱载频附近的连续谱幅度很小幅度很小时，可用窄带带通滤波器窄带带通滤波器或锁相环锁相环来来提取相干载波（若载频附近的连续谱较强，则提取的相干载波中有较大的相位抖动）。 下面介绍当不满足此条件时，如何提取相干载波。 方法通常有：插入导频法和直接提取法。第7章 同 步 通信原理6 6分类：分类：第7章 同 步 通信原理7 7由图可见，不仅有载波导频，还有位同步、帧同步信息。第7章 同 步 通信原理8 8 主要用于： 1) 接收信号频谱中没有离散载波分量且在载频附近频谱幅度很小的情况，如：DSB-SC、SSB、FM立体声广播； 2) 含有载波分量，但很难从一条信号的频谱中

7、将它分离出来，如：VSB。 特别是SSB信号，必须用插入导频法提取载波。f0导频f第7章 同 步 通信原理9 9 插入导频法插入导频法的发端方框图、收端方框图及插入导频后DSB信号频谱如下图所示： 发方框图发方框图m(t)sin 0tcos 0t(正交导频正交导频)S0(t)= m(t)sin 0t+ +cos 0t+90o o 相加相加 带通带通S0(t)m(t)V(t)sin 0t收方框图收方框图 90o o 低通低通 带通带通f0窄带带通窄带带通习题习题1V(t)= S0(t)sin 0t tttmtm002sin212cos)(21)(21第7章 同 步 通信原理1010 对于没有载波

8、分量的信号，通过对于没有载波分量的信号，通过非线性变换非线性变换的方法提取载波分量，的方法提取载波分量，如：如：2PSK信号。信号。 1) 平方法平方法设接收信号为：s(t)= m(t)cosw0t 将此信号平方后： s2(t)= m2(t)cos2w0t 22011( )( )cos222m tm tt第7章 同 步 通信原理1111平方律部件输入已调信号s2(t)2 f0 窄带滤波器二分频载波输出(a)平方律部件输入已调信号鉴相器二分频载波输出环路滤波器压控振荡器锁相环2f0(b)缺点：平方电路在频率很高时较难实现； 对2PSK信号，二分频会导致相位模糊现象。cos2w0t1+cos2w0

9、t/2Asin(2w0t+2)+cosw0tksin(2)第7章 同 步 通信原理12122) 科斯塔斯环科斯塔斯环(Costas)法（同相正交环法）法（同相正交环法）46v1= cos( ct+) v2= sin( ct+) v3=m(t)cosctcos( ct+)=(1/2) m(t)cos+ cos(2 ct+) v4=m(t)cosct sin( ct+)=(1/2) m(t)sin+sin(2 ct+)经低通滤波后分别为：经低通滤波后分别为：v5= (1/2) m(t)cos， v6= (1/2) m(t)sin 低通压控振荡器低通环路滤波器90解调输出输入已调信号v3v5v1v2

10、vvvdm(t)cos ctVC21( )sin28dvm t第7章 同 步 通信原理1313 由于锁相环作为载波提取环时， 其环路滤波器的带宽设计得很窄，只有m(t)中的直流分量可以通过，因此vd经过环路滤波后可写成： VCKd sin2 Kd 2VdKd0Kd2p 平方环和Costas 环的鉴相特性Vc由图可知：环路可能的稳定平衡点为：kp，因此，同步信号有相位模糊现象。21( )sin28dvm t第7章 同 步 通信原理1414 Costas环与平方环都是利用锁相环（PLL）提取载波的常用方法。Costas环与平方环相比环与平方环相比：虽然电路要复杂一些，但： Costas环工作频率较

11、低，易于实现； 当环路正常锁定后，Costas环可直接获得解调输出。3) 扩展到：从多进制信号中提取载频扩展到：从多进制信号中提取载频以QPSK信号为例：四次方变换法提取载波 第7章 同 步 通信原理1515 4相Costas环法解调原理方框图Costas环：工作频率信号载频其它方法：工作频率信号载频的2倍或4倍。第7章 同 步 通信原理1616 1) 载波同步系统的性能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、同步建立时间效率、精度、同步建立时间和同步保持时间同步保持时间。载波同步追求的是高效率、高精度、同步建立时间快，保持时间长。 高效率高效率 指为了获得载波信号而尽量少

12、消耗发送功率。插入导频法由于插入导频要消耗一部分发送功率，因而效率低一些，而直接法效率高。 高精度高精度 指接收端提取的载波与需要的载波同频同相。 设需要的同步载波为cosct，提取的同步载波为cos(ct + )，其中，相位误差应尽量小。第7章 同 步 通信原理1717通常分为稳态相差 和随机相差(相位抖动)两部分，即： ：与提取的电路密切相关( f /Kq) ： 由随机噪声引起，与信噪比r有关。 同步建立时间同步建立时间ts 指从开机或失步到同步所需要的时间。 显然ts越小越好。 同步保持时间同步保持时间tc 指同步建立后，从开始失去信号到失去载频同步的时间。tc越大越好。窄带滤波器的带宽

13、 (Q ) ts ， tc ， 第7章 同 步 通信原理18183) 3) 载波同步误差对误码率的影响载波同步误差对误码率的影响 对于2PSK信号，相位误差为时的误码率：)cos(21rerfcPe其中， 为信号噪声功率比。222/nAreg.:习题22) 2) 噪声对载波同步的影响噪声对载波同步的影响 一般地，PLL在一定程度上可抑制“相漂”，但当PLL的输入信噪比降低到某个值以下时，其性能会迅速恶化。 可通过相位估计理论来提高性能。第7章 同 步 通信原理1919 位同步位同步是指在接收端的基带信号中提取码元定时的过程。 位同步与载波同步的区别： 载波同步是相干解调的基础载波同步是相干解调

14、的基础，不论模拟通信还是数字通信只要是采用相干解调都需要载波同步，并且在基带传输时没有载波同步问题。 位同步是正确取样判决的基础位同步是正确取样判决的基础，只有数字通信才需要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；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他时刻。第7章 同 步 通信原理2020优点：设备简单；缺点：占用一定的频带和发射功率。第7章 同 步 通信原理2121波形变换波形变换窄带窄带滤波器滤波器移相移相脉冲脉冲形成形成a abc(a) 波形变换法波形变换法1. 1. 开环码元同步法开

15、环码元同步法采用对输入码元做某种变换的方法提取位同步信息。采用对输入码元做某种变换的方法提取位同步信息。第7章 同 步 通信原理2222(b) 延迟相乘法延迟相乘法第7章 同 步 通信原理2323微分窄带滤波器整流放大限幅(c) 微分整流法微分整流法低通第7章 同 步 通信原理24242. 2. 闭环码元同步法闭环码元同步法同步状态超前/滞后门同步原理方框图超前状态超前时：e0第7章 同 步 通信原理2525第7章 同 步 通信原理2626第7章 同 步 通信原理2727 位同步的时间误差主要是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6章推导的误码率公式，都是在最佳抽样判决时刻

16、得到的。当位同步存在相位误差时，必然使误码率Pe增大。 第7章 同 步 通信原理2828群同步码的插入方法主要有两种：群同步码的插入方法主要有两种： 集中插入集中插入群同步码组；群同步码组； 分散插入分散插入群同步序列。群同步序列。第7章 同 步 通信原理2929 它是指在每一信息群的开头集中插入群同步码组，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。 （a）集中插入法第7章 同 步 通信原理3030 集中插入法的关键是寻找实现群同步的特殊码组。对该码组的基本要求是：具有尖锐单峰特性的自相关函数具有尖锐单

17、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。 部分自相关函数定义部分自相关函数定义：设有限长码组xx1,x2, , xN，其中xi的取值为+1或1，则 当j0时， 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、Linder码组。目前常用的群同步码组是巴克码。 jijNiixxjR1)(NjNi0 ,1NxxxRNiiNiii121)0(xixi+2第7章 同 步 通信原理3131巴克码巴克码(Barker)巴克码的自相关函数：j = 00jNNj N ,0或, 1,0jijNiixxjR1)( 定义定义：若一个包含N个码元的码组，其R(0)N，在其它

18、处R(j)的绝对值均不大于1，则称其为巴克码。第7章 同 步 通信原理3232N巴克码组1 (1) 2 (11) ； （10） 3 （110） 4(1110)；(1101) 5 (11101) 7(1110010) 11(11100010010) 13(1111100110101) 目前搜索到的10组巴克码：上表中各码组的反码和反序码也是巴克码。第7章 同 步 通信原理3333下面以N5的巴克码为例，计算其相关函数：R(0)=5R(1)=0R(2)=1R(3)=0R(5)=1xixi+jj0j1j2j3j4第7章 同 步 通信原理3434自相关函数曲线：第7章 同 步 通信原理3535以7位巴

19、克码组+ + + - - + -为例， 它的局部自相关函数如下： 当j=0时，R(j) = = 1+1+1+1+1+1+1 = 7当j=1时，R(j) = = 1+1-1+1-1-1 = 0 同样可求出j=3，5时R（j）=0； j=2，4，6时，R(j)=1。根据这些值，利用偶函数性质，可以作出7位巴克码的R(j)与j的关系曲线，如图所示。 由图可见，其自相关函数在j=0时具有尖锐的单峰特性。 这一特性正是集中插入群同步码组的主要要求之一。 712iix161iiixx第7章 同 步 通信原理36367位巴克码的自相关函数R( j )765432112345671j12345670第7章 同

20、 步 通信原理3737识别器的输出波形11100101110010巴克码信息码信息码ttt1t1一群识别器输入识别器输出(a)(b)巴克码识别器：01(7)01(6)01(5)01(4)01(3)01(2)01(1)相 加判决输入码元移位方向关第7章 同 步 通信原理3838假同步假同步：将错误的同步位置当做正确的同步位置捕捉到。漏同步漏同步：将正确的同步位置漏过而没有捕捉到。 同步码组的长度N越大，其识别的准确性越高，即假同步的概率越小，但漏同步的概率越大。(跟Pe有关) 为避免漏同步，同步态同步态时取较小的自相关判定值； (前方保护) 为避免假同步，进入捕捉态捕捉态后增大自相关判定值。 (

21、后方保护)捕捉过程第7章 同 步 通信原理3939 巴克码用于群同步是常见的，但并不是惟一的，只要具有良好特性的码组均可用于群同步。例如：PCM30/32路电话基群的集中隔帧插入的帧同步码为0011011。 集中插入法适合数据通信。例如：以太网，同步码为10101011。 第7章 同 步 通信原理4040捕捉捕捉过程过程前方保护前方保护(防漏同步) : 判决门限降低；除判决门限降低；除3电路电路后方保护后方保护(防假同步) : 判决门限升高判决门限升高 或门：检测到帧同步码后，就不再逐位检测，直到下一帧。或门：检测到帧同步码后，就不再逐位检测，直到下一帧。除除3电路：捕获时，与门电路：捕获时，

22、与门2输出同输出同FS一帧只有一次跳变，除一帧只有一次跳变，除3输出无跳变恒为输出无跳变恒为1； 同步时，每帧同步时，每帧FS的上升沿的上升沿(与门与门2的上升沿的上升沿)会使之计数，除非会使之计数，除非GAL有上升沿将之置零。有上升沿将之置零。/1110010111/1101/0-000/100/10/11/0 0/11/01/1-0 第7章 同 步 通信原理4141第7章 同 步 通信原理4242 这种方式比较多地用在多路数字话路系统中，如这种方式比较多地用在多路数字话路系统中，如PCM 24路基群设备路基群设备以及一些简单的以及一些简单的M系统一般都采用系统一般都采用1、0交替码型作为帧

23、同步码间隔插入交替码型作为帧同步码间隔插入的方法。的方法。 这种插入方式在同步捕获时要连续检测数这种插入方式在同步捕获时要连续检测数十帧，每帧都符合十帧，每帧都符合“1”、 “0”交替的规律才确认同步。交替的规律才确认同步。第7章 同 步 通信原理4343 分散插入分散插入的最大特点特点是： 1）同步码不占用信息时隙，）同步码不占用信息时隙， 每帧的传输效率较高；每帧的传输效率较高； 2）同步捕获时间较长。）同步捕获时间较长。 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。它较适合于连续发送信号的通信系统。如图像、语音通信。 分散插入同步码的检测多采用软件的方法。第7章 同 步

24、通信原理44441. 移位搜索法移位搜索法计数器计数器A A：同步码正确的周期数；(要求n个周期均正确才确认同步)计数器计数器B B：连续n(计数器C中)个周期失步的次数。移位直至找移位直至找到同步码到同步码捕捉过程连续n n个周期m m次失步,才确认失步,进捕捉态(前方保护: :避免漏同步)等待一个等待一个周期周期P连续n n个周期都符合才转为同步态 (后方保护：避免假同步)第7章 同 步 通信原理45452. 存储检测法存储检测法 FIFO结构N=8, n =5：第7章 同 步 通信原理4646第7章 同 步 通信原理4747分散插入法分散插入法 起止式同步法起止式同步法第7章 同 步 通

25、信原理4848 群同步性能要求的主要指标是假同步概率假同步概率Pf、漏同步概率漏同步概率Pl、平均建立时间平均建立时间ts。 设接收码元错误概率为p，需检验的同步码元数为n，检验时容许错误的最大码元数为m，即被检验码组中错误码元数不超过m时仍判定为同步码组。 1. 漏同步概率漏同步概率Pl 未漏判定为同步码的概率为：故漏同步概率为：rnmrrrnlppcp)1 (10rnrmrrnppc)1 (0第7章 同 步 通信原理49492. 假同步概率假同步概率Pf 设信息码元 “0”、“1”出现的先验概率相等。 如果m0即不容许出错， 则只有一种情况C0n ，即信息码中的每个码元恰好都和同步码元相同

26、； 如果m1，则有C1n种可能，因而可得假同步概率为：mrrnnfCP021当m (判定条件放宽) PlPf第7章 同 步 通信原理5050 例题例题 设群同步码组中的码元数n=7，系统的误码率Pe=10-3，当最大错码数m=1 时，试求其可靠性指标。5633731073371101 . 2)101 (107)101 (1)101 ()10(1rrrrCP假同步概率102777103 . 6)71 (2121rrfCP漏同步概率练习题：习题7.67.8第7章 同 步 通信原理51513. 平均建立时间平均建立时间ts 对于集中插入法，假设漏同步和假同步都不出现，在最不利的情况，实现群同步最多需要一群的时间。设每群的码元数为N每码元的时间宽