第十三章同步原理

1、2022-4-301通信原理第第13章章 同步原理同步原理2022-4-30213.1 概述信信 源源发送端发送端接收端接收端信道编码信道编码调调 制制信信 道道压缩编码压缩编码解解 调调信信 宿宿保密解码保密解码信道解码信道解码压缩解码压缩解码保密编码保密编码噪声噪声同步同步信源编码信源编码信源解码信源解码数字通信系统模型数字通信系统模型2022-4-30313.1 概述同步是数字通信系统，以及某些采用相干解调同步是数字通信系统，以及某些采用相干解调的模拟通信系统中一个重要的实际问题；的模拟通信系统中一个重要的实际问题；所谓同步是指收发双方在时间步调上一致，故所谓同步是指收发双方在时间步调上

2、一致，故又称定时。数字通信系统中，按同步的功用分又称定时。数字通信系统中，按同步的功用分为：载波同步、码元同步、群同步和网同步。为：载波同步、码元同步、群同步和网同步。 载波同步载波同步数字信号同步数字信号同步位同步位同步群同步（字同步）群同步（字同步）网同步网同步2022-4-304载波同步载波同步载波同步：即在接收设备中恢复载波。：即在接收设备中恢复载波。目的：在接收设备中产生一个和接收信号的载波目的：在接收设备中产生一个和接收信号的载波同频同频、同相同相的本地振荡，用于相干解调。的本地振荡，用于相干解调。方法：方法：n接收信号中有载频分量时：需要调整其相位。接收信号中有载频分量时：需要调

3、整其相位。n接收信号中无载频分量时：需从信号中提取载波，接收信号中无载频分量时：需从信号中提取载波，或插入辅助同步信息。或插入辅助同步信息。2022-4-305码元同步码元同步码元同步：又称时钟同步或时钟恢复。对于二进：又称时钟同步或时钟恢复。对于二进制信号，又称制信号，又称位同步位同步。目的：得知每个接收码元准确的起止时刻，以目的：得知每个接收码元准确的起止时刻，以便决定积分和判决时刻。便决定积分和判决时刻。方法：从接收信号中获取同步信息，由其产生方法：从接收信号中获取同步信息，由其产生一时钟脉冲序列，使后者和接收码元起止时刻一时钟脉冲序列，使后者和接收码元起止时刻保持正确关系。或插入辅助同

4、步信息。保持正确关系。或插入辅助同步信息。2022-4-306群同步、网同步 群同步群同步：又称帧同步。在数字通信中，信息流是用若干：又称帧同步。在数字通信中，信息流是用若干码元组成一个码元组成一个“字字”，又用若干个，又用若干个“字字”组成组成“句句”。在接收这些数字信息时，必须知道这些在接收这些数字信息时，必须知道这些“字字”、“句句”的起止时刻，在接收端产生与的起止时刻，在接收端产生与“字字”、“句句”及及“帧帧”起止时刻相一致的定时脉冲序列的过程统称为群同步。起止时刻相一致的定时脉冲序列的过程统称为群同步。n目的：将接收码元正确分组。目的：将接收码元正确分组。n方法：通常需要在发送信号

5、中周期性地插入一个同方法：通常需要在发送信号中周期性地插入一个同步码元，标示出分组位置。步码元，标示出分组位置。 网同步网同步：使通信网中各站点时钟之间保持同步。：使通信网中各站点时钟之间保持同步。 为了保为了保证通信网中各用户之间可靠地通信和数据交换，全网必证通信网中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，这就是网同步。须有一个统一的时间标准时钟，这就是网同步。2022-4-307同步信号的获取方式同步也是一种信息，按照获取和传输同步信息方式的不同，同步也是一种信息，按照获取和传输同步信息方式的不同，又可分为外同步和自同步法：又可分为外同步和自同步法：1 1）外同步

6、法）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；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 2）自同步法）自同步法 发送端不发送专门的同步信息，接收端设法从收到的信号发送端不发送专门的同步信息，接收端设法从收到的信号中提取同步信息的方法，称为自同步法。中提取同步信息的方法，称为自同步法。2022-4-30813.2 载波同步13.2.1 13.2.1 有辅助导频时的载频提取有辅助导频时的载频提取用于不包含载频分量的信号。用于不包含载频分量的信号。在发送信号中另外加入

7、一个或几个导频信号。在发送信号中另外加入一个或几个导频信号。 例：例：2PSK信号信号1、在发送端：插入正交导频、在发送端：插入正交导频tAttAmts000cossin)()(f0 fmf0 + fm0f0f导频导频2022-4-3092、在接收端：、在接收端： 用窄带滤波器滤出导频分量用窄带滤波器滤出导频分量，并将其移，并将其移 /2/2，变成，变成sinsin 0 0t t，然后用它和接收信号相乘。然后用它和接收信号相乘。 设接收信号仍用设接收信号仍用s s0 0(t)(t)表示，则此乘积为表示，则此乘积为13.2.1 有辅助导频时的载频提取tAttmAtmAttAttAmtts0000

8、02002sin22cos)(2)(2sincossin)(sin)(滤除滤除2 0频率分量，就可以恢复出原调制信号频率分量，就可以恢复出原调制信号m(t)。若不用正交导频，接收端输出将增加直流分量。若不用正交导频，接收端输出将增加直流分量。2022-4-301013.2.1 有辅助导频时的载频提取相乘电路相乘电路带通滤波带通滤波相加电路相加电路 /2/2相移相移载波产生载波产生(a) (a) 发送端原理方框图发送端原理方框图带通滤波带通滤波相乘电路相乘电路低通滤波低通滤波 /2/2相移相移窄带滤波窄带滤波(b) (b) 接收端原理方框图接收端原理方框图t0cost0sint0sint0cos

9、锁相环锁相环2022-4-3011锁相环原理方框图：锁相环原理方框图：环路滤波器环路滤波器压控振荡器压控振荡器输出导频输出导频输入信号输入信号图图13-1 锁相环原理方框图锁相环原理方框图鉴相器鉴相器对环路滤波器的要求：通带越窄，能够通过的噪声越少，对环路滤波器的要求：通带越窄，能够通过的噪声越少，但是对导频相位漂移的限制越大。但是对导频相位漂移的限制越大。 数字化接收机中锁相环的实现方法：数字化接收机中锁相环的实现方法：窄带滤波器：改用数字滤波器窄带滤波器：改用数字滤波器压控振荡器：用只读存储器代替压控振荡器：用只读存储器代替 鉴相器：可以是一组匹配滤波器鉴相器：可以是一组匹配滤波器 13.

10、2.1 有辅助导频时的载频提取2022-4-3012有些信号，如有些信号，如DSB-SC、PSK等，它们虽然本身不直接含等，它们虽然本身不直接含有载波分量，但经过某种非线性变换后，将具有载波的谐有载波分量，但经过某种非线性变换后，将具有载波的谐波分量，因而可从中提取出载波分量来。波分量，因而可从中提取出载波分量来。1 1、平方环、平方环13.2.2 无辅助导频时的载波提取以以2PSK信号为例进行讨论。设信号信号为例进行讨论。设信号 式中，式中，m(t) = 1 当当m(t)取取+1和和-1的概率相等时，此信号的频谱中无角频率的概率相等时，此信号的频谱中无角频率 c的离散分量。将上式平方，得到的

11、离散分量。将上式平方，得到由上式可见，其中包含由上式可见，其中包含2倍载频的频率分量。将此倍载频的频率分量。将此2倍频分量倍频分量用窄带滤波器滤出后再作用窄带滤波器滤出后再作2分频，即可得出所需载频。方框图分频，即可得出所需载频。方框图如下：如下： )cos()()(ttmtsc)(2cos1 21)(cos)()(222tttmtscc2022-4-3013伴随信号一起进入接收机的还有加性高斯白噪声，为了改伴随信号一起进入接收机的还有加性高斯白噪声，为了改善平方变换法的性能，使恢复的相干载波更为纯净，窄带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。滤

12、波器常用锁相环代替，构成平方环法。13.2.2 无辅助导频时的载波提取图图13-2 平方环原理方框图平方环原理方框图载频载频输出输出带通滤波带通滤波平平 方方压控振荡压控振荡环路滤波环路滤波锁相环锁相环s(t)2分频分频窄带滤波窄带滤波载频载频输出输出带通滤波带通滤波平平 方方2fc窄带窄带滤波器滤波器s(t)2分频分频窄带滤波窄带滤波2022-4-3014平方环方案的缺点1、相位含糊性相位含糊性：载波提取用了一个：载波提取用了一个2分频器，由于分频起分频器，由于分频起点的不确定性，使输出的载频相对于接收信号相位有点的不确定性，使输出的载频相对于接收信号相位有180 的相位模糊，即其输出电压的

13、相位决定于分频器的随机初的相位模糊，即其输出电压的相位决定于分频器的随机初始状态。采用始状态。采用2DPSK体制可以避免此缺点的影响。体制可以避免此缺点的影响。2、错误锁定错误锁定：平方后的接收电压中有可能存在其他的离散：平方后的接收电压中有可能存在其他的离散频率分量，使锁相环锁定在错误的频率上。解决这个问题频率分量，使锁相环锁定在错误的频率上。解决这个问题的办法是降低环路滤波器的带宽。的办法是降低环路滤波器的带宽。2022-4-301513.2.2 无辅助导频时的载波提取2 2、科斯塔斯环法、科斯塔斯环法又称同相正交环法或边环法。原理方框图：又称同相正交环法或边环法。原理方框图： 图图13-

14、3 科斯塔斯环法原理方框图科斯塔斯环法原理方框图90 相移相移环路滤波环路滤波压控振荡压控振荡s(t)载频载频输出输出低低 通通低低 通通解调解调输出输出abcdefg)cos(tvca)sin(tvcb)cos()(21tmve)sin()(21tmvf)2cos()cos()(21)cos()cos()(ttmtttmvcccc)2sin()sin()(21)sin()cos()(ttmtttmvcccd)(2sin)(812tmvvvfeg2022-4-3016科斯塔斯环工作原理电压电压vg 通过环路滤波器，控制压控振荡器的振荡频率。这个通过环路滤波器，控制压控振荡器的振荡频率。这个电压

15、控制压控振荡器的输出电压相位，使电压控制压控振荡器的输出电压相位，使( - )尽可能地小。尽可能地小。当当 时，时，vg = 0 。 压控振荡器的输出电压压控振荡器的输出电压va 就是科斯塔斯环提取出的载波。就是科斯塔斯环提取出的载波。 )(2sin)(812tmvvvfeg)(41gv 将将m(m(t t) = ) = 1 1代入上式，并考虑到当代入上式，并考虑到当( ( - - ) )很小时，很小时， sin(sin( - - ) ) ( ( - - ) )，则上式变为：，则上式变为：)cos()(21tmve由上式可见，当由上式可见，当( - )很小时，除了差一个常数因子外，电很小时，除

16、了差一个常数因子外，电压压ve 就近似等于解调输出电压就近似等于解调输出电压m(t)。所以科斯塔斯环本身就。所以科斯塔斯环本身就同时兼有提取相干载波和相干解调的功能。同时兼有提取相干载波和相干解调的功能。2022-4-3017科斯塔斯环优缺点：优缺点：1、不需要对接收信号作平方运算，工作频率较低，易于、不需要对接收信号作平方运算，工作频率较低，易于实现；而平方环的工作频率是载波频率的两倍。实现；而平方环的工作频率是载波频率的两倍。2、为了得到、为了得到Costas环法在理论上给出的性能，要求两路环法在理论上给出的性能，要求两路低通滤波器的性能完全相同。低通滤波器的性能完全相同。3、由锁相环原理

17、可知，锁相环在、由锁相环原理可知，锁相环在( - )值接近值接近0的稳定的稳定点有两个，在点有两个，在( - )等于等于0和和 处。所以，处。所以，Costas环法环法提取出的载频也存在相位含糊性。提取出的载频也存在相位含糊性。4、当环路正常锁定后，、当环路正常锁定后，Costas环可直接获得解调输出，环可直接获得解调输出，而平方环则没有这种功能。而平方环则没有这种功能。2022-4-30183 3、再调制器、再调制器 原理框图原理框图13.2.2 无辅助导频时的载波提取载频载频输出输出90 相移相移环路滤波环路滤波压控振荡压控振荡低低 通通s(t)abcdefg)cos()(21tmvd)2

18、cos()cos()(21)cos()cos()(ttmtttmvcccc)2sin()sin()(41)sin()cos()(21tttmttmvccce2022-4-3019vf 经过窄带低通滤波后，得到压控振荡器的控制电压经过窄带低通滤波后，得到压控振荡器的控制电压将上式的控制电压和科斯塔斯环的控制电压式比较可见，将上式的控制电压和科斯塔斯环的控制电压式比较可见，这两个方案中的压控振荡器的控制电压相同。这两个方案中的压控振荡器的控制电压相同。)(2sin)(2sin)(2sin)(81)2sin()cos()sin()cos()(41)2sin()sin()cos()(41222tttm

19、tttttmttttmvcccccccccf)(2sin)(812tmvg13.2.2 无辅助导频时的载波提取2022-4-302013.2.3 载波同步的性能1 1、相位误差、相位误差n恒定误差：由电路参量引起的恒定误差：由电路参量引起的n随机误差：由噪声引起的随机误差：由噪声引起的2 2、同步建立时间和保持时间、同步建立时间和保持时间n同步建立时间：从开始接收到信号（或从系统失步同步建立时间：从开始接收到信号（或从系统失步状态）到提取出稳定的载频所需要的时间；状态）到提取出稳定的载频所需要的时间；n同步保持时间：同步建立后，若同步信号小时，系同步保持时间：同步建立后，若同步信号小时，系统还

20、能维持同步的时间。统还能维持同步的时间。l同步建立时间和保持时间的关系同步建立时间和保持时间的关系: 滤波器的通频带越窄，滤波器的通频带越窄，其惰性越大其惰性越大建立时间长；保持时间也越长建立时间长；保持时间也越长 (矛盾矛盾)。2022-4-302113.2.3 载波同步的性能3 3、载波同步误差对解调信号的影响、载波同步误差对解调信号的影响n对于相位键控信号，载波同步不良引起的相位误差直接对于相位键控信号，载波同步不良引起的相位误差直接影响着接收信号的误码率。这里将具体讨论相位误差对影响着接收信号的误码率。这里将具体讨论相位误差对2PSK信号误码率的影响。信号误码率的影响。n由压控振荡器的

21、输出由压控振荡器的输出)cos()(21tmve其中其中( - )为相位误差，为相位误差，Ve即解调输出电压，而即解调输出电压，而cos( - )就是由于相位误差引起的解调信号电压下降。因此信号噪声就是由于相位误差引起的解调信号电压下降。因此信号噪声功率比功率比r下降至下降至cos2( - )倍，得到误码率为倍，得到误码率为cos21rerfcPe载波相位同步误差除了使信噪比下降，影响误码率外，对于载波相位同步误差除了使信噪比下降，影响误码率外，对于单边带和残留便带等模拟信号，还会使信号波形产生失真。单边带和残留便带等模拟信号，还会使信号波形产生失真。2022-4-3022载波同步与位同步的区

22、别载波同步与位同步的区别13.3 码元同步2ASK2ASK非相干非相干 解调：解调：2ASK2ASK相干相干 解调：解调：包络检波器包络检波器全波全波整流整流带通带通滤波滤波低通低通滤波滤波抽样抽样判决判决定时脉冲定时脉冲s s( (t t) )A(t)相干载相干载波波cos 0t相乘相乘电路电路带通带通滤波滤波低通低通滤波滤波抽样抽样判决判决定时脉冲定时脉冲s(t)A(t)2022-4-302313.3 码元同步 位同步是指在接收端的基带信号中提取码元定时的位同步是指在接收端的基带信号中提取码元定时的过程。过程。码元同步目的：准确的时刻对接收码元进行判决，以及对接码元同步目的：准确的时刻对接

23、收码元进行判决，以及对接收码元能量正确积分。收码元能量正确积分。码元同步方法：从接收码元的起止时刻产生一个码元同步脉码元同步方法：从接收码元的起止时刻产生一个码元同步脉冲序列，或称定时脉冲序列。冲序列，或称定时脉冲序列。码元同步方法分类：码元同步方法分类：n外同步法：它是一种利用辅助信息同步的方法，需要在信外同步法：它是一种利用辅助信息同步的方法，需要在信号中另外加入包含码元定时信息的导频或数据序列。号中另外加入包含码元定时信息的导频或数据序列。n自同步法，它不需要辅助同步信息，直接从信息码元中提自同步法，它不需要辅助同步信息，直接从信息码元中提取出码元定时信息。显然，这种方法要求在信息码元序

24、列取出码元定时信息。显然，这种方法要求在信息码元序列中含有码元定时信息。中含有码元定时信息。 2022-4-302413.3.1 外同步法 常用的外同步法：于发送信号中插入频率为码元速率常用的外同步法：于发送信号中插入频率为码元速率（1/T）或码元速率的倍数的位同步信号。在接收端利用一）或码元速率的倍数的位同步信号。在接收端利用一个窄带滤波器，将其分离出来，并形成码元定时脉冲。个窄带滤波器，将其分离出来，并形成码元定时脉冲。 优缺点：优点是设备较简单；缺点是需要占用一定的频带优缺点：优点是设备较简单；缺点是需要占用一定的频带宽带和发送功率。宽带和发送功率。 插入码元同步信号的方法插入码元同步信

25、号的方法n时域：时域：w连续插入连续插入w增加增加“同步头同步头” n频域：频域：w在信息码元频谱之外占用一段频谱用于传输同步信息在信息码元频谱之外占用一段频谱用于传输同步信息w利用信息码元频谱中的利用信息码元频谱中的“空隙空隙”处，插入同步信息处，插入同步信息外同步法目前采用不多。外同步法目前采用不多。2022-4-3025在基带信号频谱的零点处插入所需的位定时导频信号。在基带信号频谱的零点处插入所需的位定时导频信号。图图(a)为常见的双极性不归零基带信号的功率谱，插入导频为常见的双极性不归零基带信号的功率谱，插入导频的位置是的位置是1/T；图；图(b)表示单极性不归零信号的功率谱，其表示单

26、极性不归零信号的功率谱，其谱的第一个零点为谱的第一个零点为1/T，插入导频应在，插入导频应在1/T处。处。13.3.1 外同步法2022-4-302613.3.2 自同步法又称非线性滤波法又称非线性滤波法 自同步法不需要辅助同步信息，分为两种：自同步法不需要辅助同步信息，分为两种：n开环同步法：由于二进制等先验概率的不归零码元开环同步法：由于二进制等先验概率的不归零码元序列中没有离散的码元速率频谱分量，故需要在接序列中没有离散的码元速率频谱分量，故需要在接收时对其进行某种非线性变换，才能使其频谱中含收时对其进行某种非线性变换，才能使其频谱中含有离散的码元速率频谱分量，并从中提取码元定时有离散的

27、码元速率频谱分量，并从中提取码元定时信息。信息。 n闭环同步法：用比较本地时钟周期和输入信号码元闭环同步法：用比较本地时钟周期和输入信号码元周期的方法，将本地时钟锁定在输入信号上。周期的方法，将本地时钟锁定在输入信号上。 闭环法更为准确，但是也更为复杂。闭环法更为准确，但是也更为复杂。2022-4-3027开环码元同步法延迟相乘法原理方框图延迟相乘法原理方框图相乘器输入和输出的波形：延迟相乘器输入和输出的波形：延迟相乘后码元波形的后一半永远是相乘后码元波形的后一半永远是正值；而前一半则当输入状态有正值；而前一半则当输入状态有改变时为负值。因此，变换后的改变时为负值。因此，变换后的码元序列的频谱

28、中就产生了码元码元序列的频谱中就产生了码元速率的分量。速率的分量。延迟时间等于码元时间一半时，延迟时间等于码元时间一半时，码元速率分量最强。码元速率分量最强。c延迟延迟T/2ab放大限幅放大限幅窄带滤波窄带滤波(c)(b)(a)2022-4-3028将接收信号和本地产生的码元定时信号相比较，使本地产将接收信号和本地产生的码元定时信号相比较，使本地产生的定时信号和接收码元波形的转变点保持同步，类似载生的定时信号和接收码元波形的转变点保持同步，类似载频同步中的锁相环法。频同步中的锁相环法。“超前超前/ /滞后门滞后门”同步器同步器闭环码元同步法超前门超前门滞后门滞后门环 路 滤环 路 滤波波| |

29、 | +压 控 振压 控 振荡荡+-u1u2|u1|u2|e=|u2|-|u1|m(t)门波形产生dTdt0Tddt2022-4-3029在完全同步状态下，这两个门的积分期间都全部在一个码元在完全同步状态下，这两个门的积分期间都全部在一个码元周期内，误差信号周期内，误差信号e为零，这样，同步器就稳定在此状态；为零，这样，同步器就稳定在此状态；若压控振荡器的输出超前输入信号，则误差信号为负值，使若压控振荡器的输出超前输入信号，则误差信号为负值，使压控振荡器的频率减小，从而使其输出滞后。压控振荡器的频率减小，从而使其输出滞后。闭环码元同步法Tdd+1-1超前门超前门滞后门滞后门(a) 同步状态同步

30、状态(b) 超前状态超前状态d+ +1-1超前门超前门滞后门滞后门T2 积分时间积分时间2022-4-3030存在的问题和解决办法同步靠接收信号中的码元波形有突跳边沿。若它没有突跳同步靠接收信号中的码元波形有突跳边沿。若它没有突跳边沿，就没有误差信号去控制压控振荡器，故不能使用此边沿，就没有误差信号去控制压控振荡器，故不能使用此法取得同步。这个问题在所有自同步法的码元同步器中都法取得同步。这个问题在所有自同步法的码元同步器中都存在，在设计时必须加以考虑。存在，在设计时必须加以考虑。两个支路积分器的性能不一样将使本来应该等于零的误差两个支路积分器的性能不一样将使本来应该等于零的误差值产生偏差；当

31、接收码元序列中较长时间没有突跳边沿时，值产生偏差；当接收码元序列中较长时间没有突跳边沿时，此误差值偏差持续地加在压控振荡器上，使振荡频率持续此误差值偏差持续地加在压控振荡器上，使振荡频率持续偏移，从而会使系统失去同步。偏移，从而会使系统失去同步。为了使接收码元序列中不会长时间地没有突跳边沿，可以为了使接收码元序列中不会长时间地没有突跳边沿，可以在发送时对基带码元的传输码型作某种变换，例如改用在发送时对基带码元的传输码型作某种变换，例如改用HDB3码，或用扰乱技术，使发送码元序列不会长时间地码，或用扰乱技术，使发送码元序列不会长时间地没有突跳边沿。没有突跳边沿。 2022-4-3031在用匹配滤

32、波器或者相关器接收码元时，其积分器的积分在用匹配滤波器或者相关器接收码元时，其积分器的积分时间长短直接和信噪比时间长短直接和信噪比Eb/n0有关。若积分区间比码元持有关。若积分区间比码元持续时间短，则积分的码元能量续时间短，则积分的码元能量Eb显然下降，而噪声功率谱显然下降，而噪声功率谱密度密度n0却不受影响。却不受影响。若码元同步时间误差为若码元同步时间误差为，则积分时间将损失，则积分时间将损失2 2，积分得，积分得到的码元能量将减小为到的码元能量将减小为Eb(1-2(1-2/T)/T)，对于等概率随机码元，对于等概率随机码元信号，有突变边沿和无突变边沿各占信号，有突变边沿和无突变边沿各占1

33、/21/2，以等概，以等概2PSK2PSK为例，为例，误码率为：误码率为：13.3.3 码元同步误差对误码率的影响021nEerfcPbeTnEerfcnEerfcPbbe214141002022-4-3032三种同步的区别：三种同步的区别：n载波同步：同步解调、把频带信号解调为基带信号载波同步：同步解调、把频带信号解调为基带信号n位同步：确定码元的抽样判决时刻，区别各个码元位同步：确定码元的抽样判决时刻，区别各个码元n群同步：若干个码元组成一个码组，把码组区分出来。群同步：若干个码元组成一个码组，把码组区分出来。通过分频可以产生群同步脉冲的频率。但每个群的通过分频可以产生群同步脉冲的频率。但

34、每个群的“开开头头”和和“结尾结尾”时刻，即相位是不能直接从位同步脉冲时刻，即相位是不能直接从位同步脉冲中得到的中得到的 。13.4 群同步 码组本身自带分组信息码组本身自带分组信息 插入群同步码插入群同步码 分散插入分散插入 集中插入集中插入 2022-4-303313.4.1 概述集中插入：集中插入：信息码组信息码组同步码组同步码组信息码组信息码组信息码组信息码组信息码组信息码组同步码组同步码组同步码组同步码组适用于要求快速建立同步的地方，或间断传输信息并且每适用于要求快速建立同步的地方，或间断传输信息并且每次传输时间很短的场合。次传输时间很短的场合。 将标志码组开始位置的群同步码插入于一

35、个码组的前面。将标志码组开始位置的群同步码插入于一个码组的前面。这里的群同步码是一组符合特殊规律的码元，它出现在信这里的群同步码是一组符合特殊规律的码元，它出现在信息码元序列中的可能性非常小。息码元序列中的可能性非常小。检测到此特定码组时可以利用锁相环保持一定时间的同步。检测到此特定码组时可以利用锁相环保持一定时间的同步。 2022-4-3034需要较长的同步建立时间，适用于连续传输信息之处，例需要较长的同步建立时间，适用于连续传输信息之处，例如数字电话系统中。如数字电话系统中。信息码组信息码组信息码组信息码组信息码组信息码组同步码元同步码元同步码元同步码元同步码组同步码组同步码元同步码元同步

36、码元同步码元13.4.1 概述分散插入：分散插入：将一种特殊的周期性同步码元序列分散插入在信息码元序将一种特殊的周期性同步码元序列分散插入在信息码元序列中，在每组信息码元前插入一个列中，在每组信息码元前插入一个(也可以很少几个也可以很少几个)群同群同步码元即可。步码元即可。2022-4-3035n捕捉态：在捕捉态时，确认搜索到群同步码的捕捉态：在捕捉态时，确认搜索到群同步码的条件必须规定得很高，以防发生假同步。条件必须规定得很高，以防发生假同步。n保持态：一旦确认达到同步状态后，系统转入保持态：一旦确认达到同步状态后，系统转入保持态。在保持态下，仍须不断监视同步码的保持态。在保持态下，仍须不断

37、监视同步码的位置是否正确。但是，这时为了防止因为噪声位置是否正确。但是，这时为了防止因为噪声引起的个别错误导致认为失去同步，应该降低引起的个别错误导致认为失去同步，应该降低判断同步的条件，以使系统稳定工作。判断同步的条件，以使系统稳定工作。13.4.1 概述同步电路的状态：同步电路的状态：2022-4-3036集中插入法，又称连贯氏插入法。集中插入法，又称连贯氏插入法。n原理：采用特殊的群同步码组，集中插入在信息码组的原理：采用特殊的群同步码组，集中插入在信息码组的前头，使得接收时能够容易地立即捕获它。前头，使得接收时能够容易地立即捕获它。n对该码组的基本要求：对该码组的基本要求：w具有尖锐单

38、峰特性的自相关函数具有尖锐单峰特性的自相关函数w便于与信息码区别便于与信息码区别w码长适当，以保证传输效率码长适当，以保证传输效率n符合上述要求的特殊码组有：全符合上述要求的特殊码组有：全0码、全码、全1码、码、1与与0交交替码、巴克码、电话基群同步码替码、巴克码、电话基群同步码0011011。目前常用。目前常用的群同步码是巴克码。的群同步码是巴克码。13.4.2 集中插入法2022-4-3037局部自相关函数定义：设有一个码组，它包含局部自相关函数定义：设有一个码组，它包含N个码元，个码元，则其局部自相关函数等于则其局部自相关函数等于式中，式中，N为码组中的码元数目；为码组中的码元数目； x

39、i = +1或或 -1，当，当1 i N ； xi = 0， 当当 i N。 显然可见，当显然可见，当j = 0时，时，若一个码组的自相关函数仅在若一个码组的自相关函数仅在R(0)处出现峰值，其他处的处出现峰值，其他处的R(j)值均很小，则可以用求自相关函数的方法寻找峰值，值均很小，则可以用求自相关函数的方法寻找峰值，从而发现此码组并确定其位置。从而发现此码组并确定其位置。13.4.2 集中插入法jNijiixxjR1)()1 (Nj 整数）j (NxxxRNiiNiii121)0(2022-4-3038集中插入法巴克码：常用的一种群同步码，一种有限长的非周期序列巴克码：常用的一种群同步码，一

40、种有限长的非周期序列n定义：设一个定义：设一个N位的巴克码组为位的巴克码组为x1, x2, ,xN，则其，则其自相关函数可以用下式表示：自相关函数可以用下式表示： 上式表明，巴克码的上式表明，巴克码的R(0) = N，而在其他处的自相关函数，而在其他处的自相关函数R(j)的绝对值均不大于的绝对值均不大于1。这就是说，凡是满足上式的码。这就是说，凡是满足上式的码组，就称为巴克码。组，就称为巴克码。 NjNjjNxxjRjNijii, 00,00,)(11或2022-4-3039巴克码组列表表中各码组的反码（即正负号相反的码）和反序码（即时表中各码组的反码（即正负号相反的码）和反序码（即时间顺序相

41、反的码）也是巴克码。间顺序相反的码）也是巴克码。 N巴克码巴克码12， 34， 571113其中的其中的+、-号表示号表示xi的取值的取值+1或或-1，分别对应二进制码的，分别对应二进制码的“1”或或“0”；2022-4-3040巴克码N = 5的巴克码的巴克码 ()n在在j = 0至至4的范围内，求其自相关函数值：的范围内，求其自相关函数值：n 由以上计算结果可见，其自相关函数绝对值除由以上计算结果可见，其自相关函数绝对值除R(0)R(0)外，均外，均不大于不大于1 1。 1)4(4011)3(31111)2(201111) 1 (1511111)0(0114213312411512iiii

42、iiiiiiiiiixxRjxxRjxxRjxxRjxRj时，当时，当时，当时，当时，当2022-4-30414123-4-1-3-2R(j)1-15j320巴克码的自相关函数值曲线自相关函数是偶函数，所以其自相关函数值画成曲线如上图所示。自相关函数是偶函数，所以其自相关函数值画成曲线如上图所示。将将j = 0时的时的R(j)值称为主瓣，其他处的值称为旁瓣。值称为主瓣，其他处的值称为旁瓣。实际通信情况中，在巴克码前后有其他码元存在。但是，若假设信实际通信情况中，在巴克码前后有其他码元存在。但是，若假设信号码元的出现是等概率的，则相当于在巴克码前后的码元取值平均号码元的出现是等概率的，则相当于在

43、巴克码前后的码元取值平均为为0。所以平均而言，计算巴克码的局部自相关函数的结果，近似。所以平均而言，计算巴克码的局部自相关函数的结果，近似地符合在实际通信情况中计算全部自相关函数的结果。地符合在实际通信情况中计算全部自相关函数的结果。2022-4-3042集中插入法群同步码检测流程初始化初始化 (将同步状态设为捕捉态将同步状态设为捕捉态)移移1位位开始开始N等待下一等待下一同步码组同步码组Y保持态保持态捕捉态捕捉态NY计算计算R(j) (N-2)?计算计算R(j) = N?2022-4-3043分散插入法又称为间隔式插入法，它是将群同步码以分散的分散插入法又称为间隔式插入法，它是将群同步码以分

44、散的形式均匀插入信息码流中。这种方式比较多地用在多路数字形式均匀插入信息码流中。这种方式比较多地用在多路数字系统中，如系统中，如PCM24路基群设备以及一些简单的路基群设备以及一些简单的M M系统一般系统一般都采用都采用1 1、0 0交替码型作为帧同步码间隔插入的方法；交替码型作为帧同步码间隔插入的方法；这种有规律的周期性地出现的这种有规律的周期性地出现的“10”交替码，在信息码元序交替码，在信息码元序列中极少可能出现。因此在接收端有可能将同步码的位置检列中极少可能出现。因此在接收端有可能将同步码的位置检测出来。测出来。13.4.3 分散插入法信息码组信息码组信息码组信息码组信息码组信息码组同

45、步码元同步码元同步码元同步码元同步码组同步码组同步码元同步码元同步码元同步码元2022-4-304413.4.3 分散插入法由于每帧只插一位码，那么它与信码混淆的概率则为由于每帧只插一位码，那么它与信码混淆的概率则为1/2，这样似乎无法识别同步码，但是这种插入方式在同步捕获这样似乎无法识别同步码，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。在接收端，为了找到群同步码的位置，需要按照其出现周在接收端，为了找到群同步码的位置，需要按照其出现周期搜索

46、若干个周期。若在规定数目的搜索周期内，在同步期搜索若干个周期。若在规定数目的搜索周期内，在同步码的位置上，都满足码的位置上，都满足“1”和和“0”交替出现的规律，则认交替出现的规律，则认为该位置就是群同步码元的位置。至于具体的搜索方法，为该位置就是群同步码元的位置。至于具体的搜索方法，由于计算技术的发展，目前多采用软件的方法，不再采用由于计算技术的发展，目前多采用软件的方法，不再采用硬件逻辑电路实现。硬件逻辑电路实现。2022-4-3045软件搜索方法移位搜索法移位搜索法n系统开始处于捕捉态。系统开始处于捕捉态。n对接收码元逐个考察，若考察的第一个接收码元就发现它符合群对接收码元逐个考察，若考

47、察的第一个接收码元就发现它符合群同步码元的要求，则暂时假定它就是群同步码元；同步码元的要求，则暂时假定它就是群同步码元；n在等待一个周期后，再考察下一个预期位置上的码元是否还符合在等待一个周期后，再考察下一个预期位置上的码元是否还符合要求。若连续要求。若连续n个周期都符合要求，就认为捕捉到了群同步码。个周期都符合要求，就认为捕捉到了群同步码。n若第一个接收码元不符合要求或在若第一个接收码元不符合要求或在n个周期内出现一次被考察的个周期内出现一次被考察的码元不符合要求，则推迟一位考察下一个接收码元。直至找到符码元不符合要求，则推迟一位考察下一个接收码元。直至找到符合要求的码元并保持连续合要求的码

48、元并保持连续n个周期都符合为止；这时捕捉态转为个周期都符合为止；这时捕捉态转为保持态。保持态。 n在保持态，同步电路仍然要不断考察同步码是否正确，但是为了在保持态，同步电路仍然要不断考察同步码是否正确，但是为了防止考察时因噪声偶然发生一次错误而导致错认为失去同步，一防止考察时因噪声偶然发生一次错误而导致错认为失去同步，一般可以规定在连续般可以规定在连续n个周期内发生个周期内发生m次次(m n)考察错误才认为是考察错误才认为是失去同步。这种措施称为同步保护。在下图中画出了上述方法的失去同步。这种措施称为同步保护。在下图中画出了上述方法的流程图。流程图。2022-4-3046移位搜索法流程图Y初始

49、化初始化开始开始同步状态同步状态移一位移一位是同步码？是同步码？记数器记数器A记到记到n？记数器记数器A加加1N状态转换状态转换YYN置置0是同步码？是同步码？记数器记数器B加加1记数器记数器B记到记到m？N记数器记数器C加加1Y记数器记数器C记到记到n？置置0保持态保持态捕捉态捕捉态将同步状态设为捕捉态将同步状态设为捕捉态将各记数器置将各记数器置02022-4-3047新码元进入新码元进入老码元输出老码元输出检验是否检验是否“1”和和“0”交替交替08007x06x05x04x03x02x01x16115x14x13x12x11x10 x09x24023x22x21x20 x19x18x17

50、x32131x30 x29x28x27x26x25x40039x38x37x36x35x34x33x存储检测法先将接收码元序列存在计算机的先将接收码元序列存在计算机的RAM中，再进行检验。中，再进行检验。下图画出了一个下图画出了一个RAM的示意图，它按先进先出的示意图，它按先进先出(FIFO)的原理工作：的原理工作：l图中画出的存储容量为图中画出的存储容量为40 b40 b，相当于，相当于5 5帧信息码元长度，帧信息码元长度，每帧长每帧长8 b8 b，其中包括，其中包括1 b1 b同步码。同步码。2022-4-3048存储检测法在每个方格中，上部阴影区内的数字是码元的编号，下部的数在每个方格中

51、，上部阴影区内的数字是码元的编号，下部的数字是码元的取值字是码元的取值“1”或或“0”，而，而“x”代表任意值。编号为代表任意值。编号为“01”的码元最先进入的码元最先进入RAM，编号，编号“40”的码元为当前进入的码元为当前进入RAM的码元。的码元。每当进入每当进入1比特时，立即检验最右列存储位置中的码元是否符比特时，立即检验最右列存储位置中的码元是否符合同步序列的规律（例如，合同步序列的规律（例如，“10”交替）。按照图示，相当只交替）。按照图示，相当只连续检验了连续检验了5个周期。个周期。若它们都符合同步序列的规律，则判定新进入的码元为同步码若它们都符合同步序列的规律，则判定新进入的码元

52、为同步码元。若不完全符合，则在下元。若不完全符合，则在下1比特进入时继续检验。比特进入时继续检验。 实际应用的方案中，这种方案需要连续检验的帧数和时间可能实际应用的方案中，这种方案需要连续检验的帧数和时间可能较长。例如在单路数字电话系统中，每帧长度可能有较长。例如在单路数字电话系统中，每帧长度可能有50多比特，多比特，而检验帧数可能有数十帧。这种方法也需要加用同步保护措施。而检验帧数可能有数十帧。这种方法也需要加用同步保护措施。它的原理与第一种方法中的类似。它的原理与第一种方法中的类似。2022-4-304913.4.4 群同步性能主要性能指标：主要性能指标：n漏同步概率漏同步概率Pl：同步系

53、统将正确的同步位置漏过而没有：同步系统将正确的同步位置漏过而没有捕捉到。漏同步的主要原因是噪声的影响，使正确的捕捉到。漏同步的主要原因是噪声的影响，使正确的同步码元变成错误的码元。同步码元变成错误的码元。n假同步概率假同步概率Pf ：当捕捉时同步系统将错误的同步位置：当捕捉时同步系统将错误的同步位置当作正确的同步位置捕捉到。产生假同步的主要原因当作正确的同步位置捕捉到。产生假同步的主要原因是由于噪声的影响使信息码元错成同步码元。是由于噪声的影响使信息码元错成同步码元。 n平均建立时间：从在捕捉态开始捕捉转变到保持态所平均建立时间：从在捕捉态开始捕捉转变到保持态所需的时间。需的时间。2022-4

54、-3050漏同步概率Pl由于干扰的影响，接收的同步码组中可能出现一些错误码由于干扰的影响，接收的同步码组中可能出现一些错误码元，从而使识别器漏识已发出的同步码组，出现这种情况元，从而使识别器漏识已发出的同步码组，出现这种情况的概率称为漏同步概率；的概率称为漏同步概率；以以7位巴克码识别器为例，设判决门限为位巴克码识别器为例，设判决门限为6，此时，此时7位巴克位巴克码只要有一位码出错，码只要有一位码出错，7位巴克码全部进入识别器时相加位巴克码全部进入识别器时相加器输出由器输出由7变为变为5，因而出现漏同步。如果将判决门限由，因而出现漏同步。如果将判决门限由6降为降为4，则不会出现漏识别，这时判决

55、器容许，则不会出现漏识别，这时判决器容许7位巴克码中位巴克码中有一位错码出错。有一位错码出错。设设n为同步码组的码元数，为同步码组的码元数，P为码元出错概率，为码元出错概率，m为判决器为判决器容许码组中的错误码元最大数，则未漏概率为容许码组中的错误码元最大数，则未漏概率为故漏同步概率为故漏同步概率为2022-4-3051假同步概率Pf假同步是指信息的码元中出现与同步码组相同的码组，这时假同步是指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同步码，从而出现假同步信号。假信息码会被识别器误认为同步码，从而出现假同步信号。假同步概率是信息码元中能判为同步码组的组合数与所有可能同步

56、概率是信息码元中能判为同步码组的组合数与所有可能的码组数之比。的码组数之比。设二进制码流中设二进制码流中1、0等概率出现，则由其组合成等概率出现，则由其组合成n位长的所位长的所有可能的码组数为有可能的码组数为2n个，而其中能被判为同步码组的组合个，而其中能被判为同步码组的组合数显然与数显然与m有关。如果错有关。如果错0位时被判为同步码，则只有位时被判为同步码，则只有Cn0个，如果出现个，如果出现r位错也被判为同步码的组合数为位错也被判为同步码的组合数为Cnr ；则出；则出现现rm种错都被判为同步码的组合数为种错都被判为同步码的组合数为mrrnC0可得假同步概率为可得假同步概率为nmrrnfCP

57、2/0m增大增大(即判决门限电平降低即判决门限电平降低)， Pl减小，但减小，但Pf增大增大两者对判决门限电平的要求是矛盾的。两者对判决门限电平的要求是矛盾的。2022-4-3052平均建立时间对连贯式插入法，假设漏同步和假同步都不出现，在最不对连贯式插入法，假设漏同步和假同步都不出现，在最不利的情况下，实现群同步最多需要一群的时间。设每群的利的情况下，实现群同步最多需要一群的时间。设每群的码元数为码元数为N(其中其中n位为群同步码位为群同步码)，每码元的时间宽度为，每码元的时间宽度为T，则一群的时间为则一群的时间为NT。在同步建立过程中，如出现一次漏同步，则建立时间时间在同步建立过程中，如出

58、现一次漏同步，则建立时间时间要增加要增加NT；如出现一次假同步，建立时间也要增加；如出现一次假同步，建立时间也要增加NT，因此，帧同步的平均建立时间为：因此，帧同步的平均建立时间为：NTPPts212/12022-4-3053群同步的保护同步系统的稳定可靠对于通信设备是十分重要的。我们希同步系统的稳定可靠对于通信设备是十分重要的。我们希望在同步建立时，应尽量防止假同步混入；在建立同步后，望在同步建立时，应尽量防止假同步混入；在建立同步后，要防止真同步漏掉。为了满足以上要求，改善同步性能，要防止真同步漏掉。为了满足以上要求，改善同步性能，提高抗干扰能力，在实际系统中要有相应保护措施。提高抗干扰能

59、力，在实际系统中要有相应保护措施。为了保证同步系统的性能可靠，就必须要求漏同步概率为了保证同步系统的性能可靠，就必须要求漏同步概率Pl和假同步概率和假同步概率Pf 都要低，但这一要求对识别器判决门限的都要低，但这一要求对识别器判决门限的选择是矛盾的。因此，把同步过程分为两种不同的状态，选择是矛盾的。因此，把同步过程分为两种不同的状态，以便在不同状态对识别器的判决门限提出不同的要求达到以便在不同状态对识别器的判决门限提出不同的要求达到降低漏同步和假同步的目的。降低漏同步和假同步的目的。捕捉态：判决门限提高，即捕捉态：判决门限提高，即m减小，使假同步概率下降。减小，使假同步概率下降。维持态：判决门

60、限降低，即维持态：判决门限降低，即m增大，使漏同步概率下降。增大，使漏同步概率下降。2022-4-305413.4.5 起止式同步 起止式同步法用途：它主要适用于电传打字机中。起止式同步法用途：它主要适用于电传打字机中。 电传打字机中起止式同步法原理：电传打字机中起止式同步法原理：n一个字符由一个字符由5个二进制码元组成，每个码元的长度相等个二进制码元组成，每个码元的长度相等n键盘输入的每个字符之间的时间间隔不等。键盘输入的每个字符之间的时间间隔不等。n在无字符输入时，电传打字机的输出电压一直处于高电在无字符输入时，电传打字机的输出电压一直处于高电平状态。平状态。n在输入一个字符时，于在输入一