通信系统原理：同步原理

1、9.1 载波同步载波同步9.2 位同步位同步9.3 帧同步帧同步9.4 网同步网同步同步可分为：同步可分为：载波同步载波同步位同步位同步帧同步帧同步网同步网同步9.1 载波同步载波同步 在采用相干解调的系统中，接收端在采用相干解调的系统中，接收端必须提供一个与发送端载波同频同相的必须提供一个与发送端载波同频同相的相干载波，在接收端获取这个同频同相相干载波，在接收端获取这个同频同相的相干载波，就称为的相干载波，就称为。相干载波的提取方法：相干载波的提取方法：1) 直接提取：若接收到的已调波中含有载直接提取：若接收到的已调波中含有载波分量，则可直接提取波分量，则可直接提取2) 若接收到的已调波中不

2、含有载波分量，若接收到的已调波中不含有载波分量， 就需要通过就需要通过a)插入导频法（外同步法）插入导频法（外同步法）或或b)自同步法（内同步法）来获取相干自同步法（内同步法）来获取相干载波载波一、插入导频法（外同步法）一、插入导频法（外同步法） 对于抑制载波调制系统，如对于抑制载波调制系统，如DSB , VSB , SSB , PSK，其已调信号中不含，其已调信号中不含有载波分量，无法从接收信号中提取有载波分量，无法从接收信号中提取载波，可以采用插入导频的方法，在载波，可以采用插入导频的方法，在已调信号的频谱为零的位置插入一个已调信号的频谱为零的位置插入一个低功率的线谱（其对应的正弦波形即低

3、功率的线谱（其对应的正弦波形即为导频信号），在接收端用窄带滤波为导频信号），在接收端用窄带滤波器提取。器提取。以以DSB信号为例。发端方框图如下：信号为例。发端方框图如下：*插入的导频不是原载波，而是将其移相插入的导频不是原载波，而是将其移相900的正交载波。而且的正交载波。而且f(t)无直流成分。无直流成分。BPF2twa00cos)(tf)(tu接收机框图如下：接收机框图如下：BPFf0窄带滤波器窄带滤波器twa00cos)(tu2LPF二、非线性变换滤波法（自同步法）二、非线性变换滤波法（自同步法） 有些信号本身不含载波信息，但对有些信号本身不含载波信息，但对信号进行适当的非线性变换，然

4、后通过信号进行适当的非线性变换，然后通过窄带滤波，便可从中提取载波的频率和窄带滤波，便可从中提取载波的频率和相位信息，从而恢复相干载波。以相位信息，从而恢复相干载波。以DSB信号为例。信号为例。 f(t)无直流，上式中无载波分量，但无直流，上式中无载波分量，但如果对上式进行平方变换，得如果对上式进行平方变换，得)cos()()(00twtftu 尽管尽管f(t)无直流，但无直流，但f2(t)含有直流分量，含有直流分量，因此上式中含有因此上式中含有2W0成分，如果采用很成分，如果采用很窄的带通滤波器滤波，则可得窄的带通滤波器滤波，则可得2W0的信的信号。然后再经分频，便可得所需的载波号。然后再经

5、分频，便可得所需的载波)(cos)()()(00222twtftute)22cos()(21)(210022twtftf)cos(00tw 根据上述分析得到根据上述分析得到平方变换法平方变换法提取载波的方提取载波的方框图如下：框图如下： 若其中窄带滤波器改用锁相环若其中窄带滤波器改用锁相环PLL代替，则代替，则得到另一种方法得到另一种方法平方环法平方环法。因为。因为PLL不不仅具有窄带滤波作用，而且可在一定范围自仅具有窄带滤波作用，而且可在一定范围自动跟踪和锁定频率的功能，从而使系统性能动跟踪和锁定频率的功能，从而使系统性能得到改善，框图如下。得到改善，框图如下。( )2窄带滤波器窄带滤波器2

6、平方环法平方环法框图如下：框图如下：( )2LPF2VCOPLL三、同相正交法（科斯塔斯环）自同步法三、同相正交法（科斯塔斯环）自同步法 同相正交环框图如下：同相正交环框图如下：LPFVCOLPFLPF载波输出2)cos()(00twtfU2U1U3U4U5U6U7同相支路正交支路)cos(01twU经过低通滤波器后得经过低通滤波器后得)cos(01twU)sin(02twU)cos()cos()(0003twtwtfU)2cos()cos(21000twtf)sin()cos()(0004twtwtfU)2sin()sin()(21000twtf)cos()(2105tfU)sin()(21

7、06tfUU5和和U6相乘得相乘得若若 很小，则有很小，则有)sin()cos()(410027tfU)(2sin)(8102tf)(0)(41027tfU 用用U7去调整去调整VCO的相位，的相位， 使相位使相位 差差 趋于趋于0，在稳定状态下，在稳定状态下 。VCO输出即为提取的载波，而稳态时，输出即为提取的载波，而稳态时，同相支路输出同相支路输出U5就是解调出的原信号。就是解调出的原信号。)(00四、载波同步系统的性能四、载波同步系统的性能 对载波同步系统的主要性能要求是对载波同步系统的主要性能要求是和和。 指在获得载波信号时，尽量少指在获得载波信号时，尽量少消耗发送功率。消耗发送功率。

8、指提取的相干载波与需要的标指提取的相干载波与需要的标准载波比较应该有尽量小的准载波比较应该有尽量小的。通常由通常由和和组组成。成。 载波同步系统还要求具有载波同步系统还要求具有快，快，长等特点。长等特点。1. 稳态相差稳态相差 稳态相差指接收信号中的载波与同步电稳态相差指接收信号中的载波与同步电路提取出的参考载波，在稳态情况下的路提取出的参考载波，在稳态情况下的相位差。相位差。 对于不同的同步提取方法，稳态相差的对于不同的同步提取方法，稳态相差的计算方法也不同。计算方法也不同。a）窄窄带滤波器带滤波器 假设窄带滤波器为单调谐回路，其品质因数假设窄带滤波器为单调谐回路，其品质因数为为Q。若滤波器

9、的中心频率。若滤波器的中心频率W0与载波频率与载波频率Wc不相不相等时，会使提取的同步载波信号产生一个稳态相等时，会使提取的同步载波信号产生一个稳态相差差 ： 希望希望 小，则小，则Q小；但当小；但当Q小时，滤波器的带宽小时，滤波器的带宽B（ ）增加，不能保证窄带，相矛盾。此）增加，不能保证窄带，相矛盾。此种方法不理想。种方法不理想。02wwQcwww0QfB0b) PLL 当用锁相环提取载波时，其稳态相差当用锁相环提取载波时，其稳态相差为：为： 其中其中 为锁相环为锁相环VCO的输出频率与输入的输出频率与输入载波之间的频差，载波之间的频差， 为环路直流增益。为环路直流增益。 为了减小为了减小

10、 ，应使，应使VCO的频率准确的频率准确稳定，减小稳定，减小 ，增大，增大 。只要。只要 足够足够大就可以保证大就可以保证 足够小。足够小。vKwwvKwvKvK2. 随机相差随机相差 随机相差是由于随机噪声的影响而随机相差是由于随机噪声的影响而引起的同步信号的相位误差。此种误差引起的同步信号的相位误差。此种误差分析较复杂，只给出一些结论。分析较复杂，只给出一些结论。 通常用随机相差的均方根值通常用随机相差的均方根值 来来衡量，衡量， 称为相位抖动。称为相位抖动。 r为信噪比。显然，信噪比为信噪比。显然，信噪比r越大越好。越大越好。r21a) 窄带滤波器窄带滤波器 功率谱密度为功率谱密度为n0

11、/2的白噪声通过窄带滤的白噪声通过窄带滤波器，其等效带宽为波器，其等效带宽为Bn，则噪声功率为：，则噪声功率为： 若滤波器为单调谐回路，则若滤波器为单调谐回路，则 那么那么nnBnBnN0022QfBn20002022fnQABnANSrn 滤波器的滤波器的Q值越高，相位抖动值越小。值越高，相位抖动值越小。 但是在分析稳态相差时，要求但是在分析稳态相差时，要求Q要小，要小，而对于相位抖动要求而对于相位抖动要求Q要高，它们相矛要高，它们相矛盾。盾。Q值要适当选择。值要适当选择。QQAfnr1421200b) PLL 当锁相环的直流增益当锁相环的直流增益Kv 增大时，环路增大时，环路带宽带宽Bn也

12、增大，引起也增大，引起 的增加，与稳的增加，与稳态相差态相差 对对Kv的要求矛盾。但锁相环的要求矛盾。但锁相环可以合理地选择其他参数，使矛盾不象可以合理地选择其他参数，使矛盾不象窄带滤波器那样突出。窄带滤波器那样突出。r213. 建立时间和保持时间建立时间和保持时间窄带滤波器窄带滤波器 建立时间建立时间ts 当采用单调谐回路滤波时，在当采用单调谐回路滤波时，在t=0时将时将信号接入回路，则表示输出电压建立过信号接入回路，则表示输出电压建立过程的表达式为程的表达式为 当当t=ts时，输出电压时，输出电压u(ts)达到达到KU时，认时，认为同步信号已经建立。将为同步信号已经建立。将u(ts) KU

13、代代入上式，得入上式，得tweUtutQw02cos)1 ()(0)1 (20stQweUKUKwQts11ln20 保持时间保持时间tc 若在若在t=0时，将接入回路的信号断开，则表时，将接入回路的信号断开，则表示回路输出信号保持过程的电压表达式为示回路输出信号保持过程的电压表达式为 设设t=tc时输出电压达到时输出电压达到KU时，认为此时同时，认为此时同步信号已消失，将步信号已消失，将u(tc) KU代入上式得代入上式得twUetutQw02cos)(0KwQtc1ln20建立时间建立时间保持时间保持时间 建立时间建立时间和保持时间和保持时间也是矛盾的。也是矛盾的。Q值高，保持时间虽然长，

14、但建立时间值高，保持时间虽然长，但建立时间也长；反之，若也长；反之，若Q值低，建立时间虽然值低，建立时间虽然短，但保持时间也短了。短，但保持时间也短了。KwQts11ln20KwQtc1ln20b) PLL 对于对于PLL提取载波法，建立时间即提取载波法，建立时间即为环路捕捉时间，而保持时间，即为环为环路捕捉时间，而保持时间，即为环路的同步保持时间。分析表明，两者同路的同步保持时间。分析表明，两者同样存在矛盾。但样存在矛盾。但PLL优越之处在于，可优越之处在于，可通过改变锁定前后的环路时间常数，从通过改变锁定前后的环路时间常数，从而减少捕捉时间而加长保持时间而减少捕捉时间而加长保持时间。9.2

15、 位同步位同步 在数字通信系统中，发端按照确定的在数字通信系统中，发端按照确定的时间间隔和顺序，传送脉冲序列中的每个时间间隔和顺序，传送脉冲序列中的每个码元，在接收端也必须有准确的抽样判决码元，在接收端也必须有准确的抽样判决时刻才能正确判决所发送的码元序列。因时刻才能正确判决所发送的码元序列。因此，接收端必须提供一个频率和相位与发此，接收端必须提供一个频率和相位与发送端脉冲序列相一致的定时脉冲序列，将送端脉冲序列相一致的定时脉冲序列，将获取定时脉冲序列的过程称为获取定时脉冲序列的过程称为位同步位同步或或码码元同步元同步。 位同步方法位同步方法插入导频法（外同步法）插入导频法（外同步法） 直接法

16、（自同步法直接法（自同步法）一、插入导频法一、插入导频法 若基带信号位随机的二进制不归若基带信号位随机的二进制不归零码序列，这种信号本身不包含位同零码序列，这种信号本身不包含位同步信号，为了获得位同步信号，需在步信号，为了获得位同步信号，需在基带信号中插入位同步的导频信号，基带信号中插入位同步的导频信号，或对基带信号进行某种码型变换以得或对基带信号进行某种码型变换以得到位同步信息。到位同步信息。 导频要插入在基带信号频谱的零点处，导频要插入在基带信号频谱的零点处，以便提取。以便提取。 一般基带信号的第一零点在一般基带信号的第一零点在f=1/T处。处。如果信号经过某种相关编码，其频谱的第如果信号

17、经过某种相关编码，其频谱的第一零点在一零点在f=1/2T处。处。 在接收端，经中心频率在接收端，经中心频率f=1/T的滤波的滤波器就可以从基带信号中提取位同步信号。器就可以从基带信号中提取位同步信号。对于插入在对于插入在f=1/2T处的导频，则要由处的导频，则要由f=1/2T的窄带滤波器取出导频，并进行的窄带滤波器取出导频，并进行二倍频，可得到同步脉冲。二倍频，可得到同步脉冲。 *注意消除或减弱定时导频对原基带信号注意消除或减弱定时导频对原基带信号的影响。的影响。下图位插入定时导频接收方框图：下图位插入定时导频接收方框图：相加器抽样判决窄带滤波器移相倒相定时形成输入基带信号输入基带信号 插入导

18、频法的另一种形式是使数字插入导频法的另一种形式是使数字信号的包络根据位同步信号的某些波形信号的包络根据位同步信号的某些波形进行变化。在接收端利用包络检波器就进行变化。在接收端利用包络检波器就可恢复导频信号。可恢复导频信号。 以以PSK为例：为例： 用位同步信号对其调幅用位同步信号对其调幅其中其中 ， T为码元宽度为码元宽度)(cos)(0ttwtPSK)cos1 (21)(ttfT2 已调信号为已调信号为 接收端对它进行包络检波，可得包络为接收端对它进行包络检波，可得包络为 ，滤除直流成分即可得到位同步，滤除直流成分即可得到位同步信号信号 。)(cos)cos1 (210ttwt)cos1 (

19、ttcos二、直接法二、直接法 这一类方法是直接从数字信号中提这一类方法是直接从数字信号中提取位同步信号的方法，是数字通信中经取位同步信号的方法，是数字通信中经常采用的一种方法。常采用的一种方法。1. 非线性变换滤波法非线性变换滤波法 对于不归零的随机二进制序列，不对于不归零的随机二进制序列，不能直接从中滤出位同步信号，但对该信能直接从中滤出位同步信号，但对该信号进行某种变换，就会出现离散的位同号进行某种变换，就会出现离散的位同步分量，然后用窄带滤波器或锁相环提步分量，然后用窄带滤波器或锁相环提取，便可得到位同步信号。取，便可得到位同步信号。a) 微分整流法微分整流法 b) 包络检波法包络检波

20、法 对对PSK信号，包络为不变等幅波，信号，包络为不变等幅波，但因频带有限，在调相点出现幅度但因频带有限，在调相点出现幅度“平平滑陷落滑陷落”，而这种变化正出现在码元取，而这种变化正出现在码元取值变化的时刻，因此必然包含位同步信值变化的时刻，因此必然包含位同步信息，经包检、去直流、滤波、整形等步息，经包检、去直流、滤波、整形等步骤，便可得位同步信号。骤，便可得位同步信号。c) 延迟相干法延迟相干法 2. 数字锁相法数字锁相法 此种方法是采用稳定频率的振荡器，此种方法是采用稳定频率的振荡器，从鉴相器所获得的与同步误差成比例的从鉴相器所获得的与同步误差成比例的误差电压，不用于直接调整振荡器，而误差

21、电压，不用于直接调整振荡器，而是通过控制器在信号钟输出的脉冲序列是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，调整加中附加或扣除一个或几个脉冲，调整加到鉴相器上的位同步脉冲序列的相位达到鉴相器上的位同步脉冲序列的相位达到同步的目的。到同步的目的。 三、位同步系统的性能三、位同步系统的性能 略略9.3 帧同步帧同步 数字通信中，一般总以一定数目的数字通信中，一般总以一定数目的码元组成一个个字进行传输，称之为一码元组成一个个字进行传输，称之为一帧。帧同步信号的频率可很容易由位同帧。帧同步信号的频率可很容易由位同步信号经分频得到，但每帧的开头和结步信号经分频得到，但每帧的开头和结尾却

22、无法由分频器决定。帧同步的任务尾却无法由分频器决定。帧同步的任务就是给出这个就是给出这个“开头开头”和和“结尾结尾”的时的时刻。刻。实现方法有两种：实现方法有两种：在数字信息流中插入一些特殊码在数字信息流中插入一些特殊码组作为头尾标记，接收端根据这些特殊组作为头尾标记，接收端根据这些特殊码组的位置实现帧同步。插入法又分为码组的位置实现帧同步。插入法又分为集中插入式和分散插入式。集中插入式和分散插入式。：采用某种特殊的编码方式达到自采用某种特殊的编码方式达到自同步目的。同步目的。一、起止式同步法一、起止式同步法 电传机传输的信息码字由电传机传输的信息码字由7.5个码元组成，个码元组成，一个码元的

23、负脉冲，五个码元的信息，最后是一个码元的负脉冲，五个码元的信息，最后是1.5个码元的正脉冲作为结束位。接收端根据个码元的正脉冲作为结束位。接收端根据1.5码元正电平转到一个负电平的特殊规律确定码元正电平转到一个负电平的特殊规律确定字的起始位置，实现帧同步。这种方式传输不字的起始位置，实现帧同步。这种方式传输不便，效率低。便，效率低。二、集中插入法二、集中插入法 这种方法就是在每帧的开头集中这种方法就是在每帧的开头集中插入帧同步码组的方法。作为帧同步插入帧同步码组的方法。作为帧同步码组的特殊码组应具有尖锐单峰特性码组的特殊码组应具有尖锐单峰特性的局部自相关函数。局部自相关函数的局部自相关函数。局

24、部自相关函数按下式计算：按下式计算：jnijiixxjR1)(常用的帧同步码组是巴克码。常用的帧同步码组是巴克码。巴克码具有很理想的局部自相关函数：巴克码具有很理想的局部自相关函数：7位的巴克码组为位的巴克码组为)( jRojnnj 01;0nj 0 自相关函数在自相关函数在j0时具有尖锐的单峰特性。时具有尖锐的单峰特性。 用巴克码作帧同步码组时，接收端识用巴克码作帧同步码组时，接收端识别器也很简单。识别过程就是将接收码组别器也很简单。识别过程就是将接收码组与已知的巴克码求相关运算，当最大峰值与已知的巴克码求相关运算，当最大峰值出现并超过一定门限时，识别器输出一帧出现并超过一定门限时，识别器输

25、出一帧同步脉冲表示一帧的开头。同步脉冲表示一帧的开头。移位寄存器移位寄存器相加器相加器判决器判决器输入分散插入法分散插入法 此种方法是将帧同步码分散地插此种方法是将帧同步码分散地插入到信息码元中，即每隔一定数量的入到信息码元中，即每隔一定数量的信息码插入一个帧同步码元。为了便信息码插入一个帧同步码元。为了便于提取，码组不宜复杂，且具有特定于提取，码组不宜复杂，且具有特定的规律性，并与信息码能区别开，比的规律性，并与信息码能区别开，比如采用全如采用全“1”、全、全“0”等码型。特点：等码型。特点：不占用信息时隙，系统结构较简单，不占用信息时隙，系统结构较简单，但同步引入时间长。但同步引入时间长。四、帧同步系统的性能四、帧同步系统的性能 一般要求：同步建立时间短，稳定一般要求：同步建立时间短，稳定可靠，具有较强抗干扰能力等。可靠，具有较强抗干扰能力等。 衡量帧同步系统的主要指标有漏同衡量帧同步系统的主要指标有漏同步概率、假同步概率和帧同步平均建立步概率、假同步概率和帧同步平均建立时间。时间。9.4 网同步网同步 当通信是点对点进行时