第8章 同步原理

1、第八章8.1 引言 8.2 载波同步8.3 位同步8.4 群同步Chapter 8Principle of Synchronization8.1 引言 同步电路是数字通信系统中不可缺少的重要组成部分，它是进行正常通信的必要保证。在数字通信系统中的同步，分为载波同步、位同步、群同步和网同步。简介同步电路是接收端辅助电路。 1）对已调信号进行相干解调时，需要与发端“同频同相”的相干载波 和 载波同步 2）数字信号再生（即抽样判决）时，需要与发端“同频同相”的位定时信号 位同步3）比特流以“帧”的形式在物理层传输，为了完成帧的定界，需要与发端“同频同相”的帧定界信号 群同步、帧同步4）为确保通信网内

2、各设备之间的可靠通信，需要各设备的系统时钟一致 网同步tccostcsin8.2 载波同步 相干载波是接收端相干解调所必需的。相干载波的提取效率和精度是比较不同获取方法的性能指标。相位误差对解调性能有较大影响。简介载波恢复的方法有两类：u 插入导频法： 在发端发送又用信号的同时，在适当的频率位置上插入载波或与之相关的“导频信号”，接收端便可通过窄带滤波器取出该导频信号以获取相干载波。u 直接提取法： 简称“直接法”，亦称“自同步法”，从接收的已调信号中直接提取相干载波。8.2.1 插入导频法（以抑制载波的双边带信号为例） ttAsecDSBcos)(u 在频率f fc c处插入一个幅度和相位恒

3、定的“正交”载波导频分量。在频域插入导频在频域插入导频 插入导频法发端方框图 u 设输入基带信号为s(ts(t) )，其频谱无直流分量（如归零码）。u 发送端的输出 cossinscccetAs ttat导频信号：正交载波 插入导频法收端方框图 假定接收端接收信号与发送端相同 tattAstecccssincos)()(u 收端乘法器的输出 cossincoscos2sin2222cccccccm tAs ttattaAAs ts ttt恢复出基带信号 在时域插入导频在时域插入导频 在一定的时段上传送载波信息。 如卫星通信的TDMA体制。 卫星通信TDMA系统帧结构 用锁相环提取时域插入的导频

4、 8.2.2 直接提取法1）非线性变换 - 滤波法 对已调信号进行非线性变换，可得载频的“倍频分量”，再利用窄带滤波器或等效锁相环提取，经过分频可得所要的相干载波。 平方变换法 平方环法：用锁相环替代窄带滤波器 2）同相正交环法（又称“科斯塔斯环法”CostasCostas） 同相、正交两路鉴相，得误差电压v vd d，作用于压控振荡器产生同相和正交两路载波。3）其他方法 逆调制环 判决反馈环平方变换法平方变换法 抑止载波的双边带信号 cosce ts tt 平方 22222coscos222ccststetsttt平方环法 u 输入2PSK信号经平方后（若g(t)为矩形） 22211cosc

5、os222nSccneta g tnTttu 压控振荡器的输出 0sin 22cvtAt锁定时，很小问题： 相位模糊 载波二倍频同相正交环 u 输入抑制载波的双边带信号 ttsteccos)()( 同相鉴相器和正交鉴相器 1coscvt2sincvt 3coscos1coscos 22cccvs ttts tt 4cossin1sinsin 22cccvs ttts tt 51cos2vs t 61sin2vs t 21sin28dvstu s(t)为矩形双极性数字基带信号，则 1sin28dv 否则，可分解为直流和交流分量，则 sin2ddvk逆调制环（四相） 判决反馈环（四相） 8.2.3

6、 载波同步系统的性能系统性能的主要指标： 效率 消耗的发送功率 精度 相位误差（包括稳态相差和随机相差） 稳态相差：无噪声条件下，载波同步系统在稳态时输出的信号与相干载波之间的相位差。 随机相差：由随机噪声的影响造成的载波同步系统输出与相干载波之间的相位误差。 ，回路的中心频率与载波频率的频差稳态相差 1）用窄带滤波器提取： 02tgQ 2）用锁相环提取： 0K回路的中心频率 0c环路的直流增益 随机相差（方差表示） 1）用窄带滤波器提取： 2）用平方环法提取： snQPfnv421002输出的信噪比 回路的品质因数 输出信号功率 噪声单边功率谱密度 2200222iLst nn BBst前置

7、带通滤波器的带宽环路的噪声带宽 同步同步的的建立时间建立时间t ts s和和保持时间保持时间t tc c1）用窄带滤波器提取： 021ln1sQtK输出电压包络达到KU时，同步建立 021lncQtK输出电压包络降至KU时，同步结束 2）用锁相环提取： 同步建立时间 = 锁相环的捕捉时间 快（速）捕（获）时间： 1Lnt 捕获时间： 232pnt 1cutctef 同步保持时间：锁相环原已锁定的情况下，由于信号中断，压控振荡器输出信号的相位变化不超过某一允许值 所得的时间。 环路滤波器电容放电支路的时间常数 028.2.4 载波相位误差对解调性能的影响1）双边带调幅信号 cosce ts tt

8、假设提取的载波为 ， 则相干解调输出为： cosccett cos2s tx t相位误差 影响：信噪比下降 2）单边带信号及残余边带信号 1cos2ctu 上边带： 111coscoscossinsin444x tttt 有效项畸变项u 相干解调输出为：信噪比下降信号畸变 3）调相信号 二进制数字调相信号的表示式与抑制载波的双边带信号相同。 u 相干解调输出： cos2s tx t 系统误码率： cos210nEerfcPce QPSK信号的误码率： 00111 11cos1cos2424eccPPEEerfcerfcnn 8.3 位同步 位同步也具有外同步法和内同步法两大类。位同步系统的性能

9、通常利用相位误差、建立时间、保持时间等指标来衡量。 简介8.3.1 外同步法 外同步法：发送端在传送数字信息的同时，或采用单独的信道，或与数字信号共用同一个信道，向接收端传送位同步信息。 1）频域插入导频法： - 频域插入位同步导频法：在基带信号频谱的第一个零点插入所需的导频。- 包络调制法：在发端将位同步信号的某种波形（通常采用升余弦脉冲波形）对调相载波进行附加幅度调制，使其包络随位同步波形而变化；在接收端，利用包络检波器和窄带滤波器分离位同步信号。 2）时域插入导频法： 在传送数字信息信号之前先传送位同步信息。 频域插入位同步导频法发端收端包络调制法发端收端8.3.2 自同步法 自同步法：

10、直接从数字信号中提取位定时信号的方法，也叫直接法。 1）滤波法：直接从数字码流中用窄带滤波器提取位定时频率，从而得到位定时脉冲。2）锁相法：锁相环来提取位同步信号的方法。 可分为模拟锁相法和数字锁相法。 从基带数字信号中提取位同步 微分、全波整流滤波法 从已调中频信号中提取位同步 包络检波滤波法 模拟锁相法 过零检测输出信号 数字锁相法08FF8.3.3 位同步系统的性能及其相位误差对性能的影响 相位误差：（最大相位误差） 360en 同步建立时间：失步后再重建同步所需的最长时间。 2ssstTNnT1ctF K 同步保持时间：信号中断后，收端同步信号相位漂移达到某值的时间。 同步带宽：锁相环

11、在锁定后能跟踪输入信号的最大频率范围。 02sFfn1）数字锁相法位同步系统的性能 2）位同步相位误差对性能的影响 相位误差一般用时间差T Te e来表示。 2PSK的误码率 00112/1/44eesTPerfcE nerfc EnT8.4 群同步 “字”、“句”、“群”同步统称为群同步。其同步方法也包括外同步法和自同步法。常见的外同步法有起止式同步法、加高或加宽式同步法和插入特殊码组等。 简介群同步的方法分为： 1）外同步法：在发送的数字序列中插入专门的群同步脉冲或群同步码组。 - 起止式同步法 - 加高或加宽式同步法 - 插入特殊码组法：连贯插入法和间隔式插入法。 2）自同步法：利用数字

12、序列本身的特性来提取群同步脉冲。如：有纠错能力的抗干扰编码，为了能纠正接收数字序列中的错码，加入一些监督码，在接收端有可能根据这些监督码的位置恢复出群同步信号，从而不再需要发送另外的群同步信号。8.4.1 起止式同步法 在每一组信号码元的前面和末尾都加一个同步码元。 在实际应用中常常是通过增加一个专用的码元变换装置来解决脉冲宽度不一致问题。 8.4.2 加高或加宽式同步法 在每组信码前增加一个幅度或宽度特别大的群同步脉冲。 8.4.3 连贯式插入法 在每群的开头集中插入群同步码组（易识别的特殊码组）的方法。 应用最广泛的是“巴克码”(BarkerBarker) 。 非周期序列，具有尖锐的局部自

13、相关函数。12,11nix xxx 或 自相关函数为 10010njiijinjR jx xjn，当或，当如七位巴克码组1110010，若j=1，则： 6111 1 1 1 1 10iiiR jx x 7位巴克码的自相关函数 7位巴克码发生器串行式串行式 反馈式反馈式 7位巴克码识别器七位巴克码识别器七位巴克码识别器输入输出关系输入输出关系 8.4.4 间隔式插入法 分散插入的方式，即每隔一定数量的信息码元，插入一个群同步码元。逐码移位法群同步逐码移位法群同步 8.4.5 群同步系统的性能 性能衡量指标： - 漏同步概率PP1 1： 干扰导致同步码组发生误码，产生漏识别现象的概率。 - 假同步

14、概率PP2 2： 信息码中出现与群同步码组一致的码，产生误识别现象的概率。 - 群同步平均建立时间t ts s漏同步概率- n位同步码组，单个码元出错概率PPe e。- 收到符号中，相符个数为y y，则不相符个数为n=yn=y。- 同步码组识别器允许的错码个数k k。 在群同步码组识别器所允许的错误范围内，识别器能正确识别同步码的概率为： 001kn xxxneexPCPP 漏识别概率(即漏同步概率)： 10101111nkn xn xxxxxneeneex kxPCPPPCPP 假同步概率消息码元中能被判为同步码组的组合数与所有可能码组合数之比。 设二进制消息码元现出“0”和“1”的概率相等

15、。 假同步概率： 2012nkxnxPC当判决门限值取定后，漏同步概率随着码组长度n的增加而增加，近似成正比关系；而假同步概率随着码组长度n增加而减小。同步平均建立时间 设每群的码元数为NN (其中n n位为群同步码)，每个码元时间为T Ts s，一群的时间为NTNTs s。 连贯插入法群同步的平均建立时间： 121sstNTPP逐位移位法群同步建立时间逐位移位法群同步建立时间 111ssssPtNtNTNTP最佳同步码 在给定误码率PPe e和同步码识别器允许的误码个数k k的条件下，长度为n n的各种码型在覆盖区内，假同步概率最小的码型。 覆盖区：也叫重叠区，由部分信息码元和部分同步信号码元共同组成的假同步码组所出现的区域。群同步码长度n 左侧n-1右侧n-1覆盖区长