通信原理 第九章同步系统

1、指导教师指导教师:杨建国杨建国二零零七年十一月二零零七年十一月二零零八年三月二零零八年三月2盛威网：专业的计算机学习网站第九章 同步系统9.1 概述概述 9.2 载波同步技术载波同步技术 9.3 位同步技术位同步技术 9.4 群同步群同步(帧同步帧同步)技术技术3盛威网：专业的计算机学习网站9.1 概概 述述 9.1.1 9.1.1 不同功用的同步不同功用的同步按照同步的功用来区分， 有载波同步、 位同步(码元同步)、 群同步(帧同步)和网同步(通信网络中使用)等四种。1. 1. 载波同步载波同步数字调制系统的性能是由解调方式决定的。相干解调中， 首先要在接收端恢复出相干载波，这个相干载波应与

2、发送端的载波在频率上同频，在相位上保持某种同步关系。在接收端恢复这一相干载波的过程称为载波跟踪、载波提取或载波同步。 载波同步是实现相干解调的先决条件。 4盛威网：专业的计算机学习网站2. 2. 位同步位同步位同步又称码元同步。不管是基带传输，还是频带传输(相干或非相干解调)，都需要位同步。因为在数字通信系统中， 消息是由一连串码元传递的， 这些码元通常均具有相同的持续时间。由于传输信道的不理想，以一定速率传输到接收端的基带数字信号，必然是混有噪声和干扰的失真了的波形。为了从该波形中恢复出原始的基带数字信号，就要对它进行取样判决。 因此，要在接收端产生一个“码元定时脉冲序列”，这个码元定时序列

3、的重复频率和相位(位置)要与接收码元一致，以保证： 接收端的定时脉冲重复频率和发送端的码元速率相同; 取样判决时刻对准最佳取样判决位置。5盛威网：专业的计算机学习网站3.3.群同步群同步群同步又称为帧同步，它包含字同步、句同步、分路同步。对于数字信号传输来说，有了载波同步就可以利用相干解调解调出含有载波成分的基带信号包络，有了位同步就可以从不甚规则的基带信号中判决出每一个码元信号，形成原始的基带数字信号。然而，这些数字信号是按照一定的数据格式传送的，若干个码元代表一个字母（符号、数字），而若干个字母组成一“字”，若干“字”组成一“句”，若干“句”构成一帧，从而形成群的数字信号序列。要在接收端正

4、确地恢复出原来的信息，就必须识别出句或帧的起始时刻，否则接收端无法正确恢复出原来的信息。 6盛威网：专业的计算机学习网站在数字时分多路通信系统中，各路信码都安排在指定的时隙内传送，以形成一定的帧结构。在接收端为了正确地分离各路信号，首先要识别出每帧的起始时刻，从而找出各路时隙的位置。也就是说，接收端必须产生与字、句和帧起止时间相一致的定时信号。我们称获得这些定时序列的过程为帧(字、句、群)同步。比如在PCM30/32电话系统中，在一个采样间隔内，发送第1路到第30路的语言编码，构成一帧。这个按次序排队的一串码字不断地发送出去，在接收端必须区分哪个是第一路的码字，哪个是第二路的码字。为了使接收端

5、能够正确区分每一帧的起止位置，在发送端必须提供每帧的起止标记，而在接收端检测并获得这一标志的过程就是帧同步。 7盛威网：专业的计算机学习网站4. 4. 网同步网同步通信网也有模拟网和数字网之分。在一个数字通信网中，往往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。随着数字通信的发展，特别是计算机通信的发展，多点（多用户）之间的通信和数据交换构成了数字通信网，信息在网络中传输。为了保障数字通信网能够稳定可靠地进行通信和数据交换，全网必须有一个统一的时间标准时钟，即整个网络必须要同步工作。实现整个网的同步称为通信网的网同步。 8盛威网：专业

6、的计算机学习网站9.1.2 9.1.2 不同传输方式的同步不同传输方式的同步同步也是一种信息，按照传输同步信息方式的不同，可分为外同步法和自同步法。1. 1. 外同步法外同步法由发送端发送专门的同步信息，接收端把这个专门的同步信息检测出来作为同步信号的方法， 称为外同步法。 9盛威网：专业的计算机学习网站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中提取同步信息的方法，称为自同步法。由于外同步法需要传输独立的同步信号，因此，要付出额外功率和频带，在实际应用中， 二者都有采用。在载波同步中，采用两种同步方法，而自同步法用的较多；在位同步中，大多采用自同步法，外同

7、步法也有采用； 在群同步中，一般都采用外同步法。无论采用哪种同步方式， 对正常的信息传输来说，都是必要的，只有收发之间建立了同步才能开始传输信息。同步误差小、相位抖动小以及同步建立时间短、保持时间长等为其主要指标， 它是系统正常工作的前提，否则就会使数字通信设备的抗干扰性能下降，误码增加。如果同步丢失(或失步)，将会使整个系统无法工作。 10盛威网：专业的计算机学习网站9.2 载波同步技术载波同步技术 9.2.1非线性变换非线性变换-滤波法滤波法1.平方变换法平方变换法平方变换法适合于抑制载波的双边带信号。图9-1是平方变换法提取同步载波成分的方框图。假设输入信号是2PSK信号，其已调信号为x

8、(t)cosct，同时有加性高斯白噪声，经过带通滤波器以后滤除了带外噪声。其中，信号x(t)cosct经过平方律部件后输出e(t)为 ttxtxttxtecc2cos)(21)(21cos)()(222(9-1) 11盛威网：专业的计算机学习网站ttec2cos2121)(9-2)实际上，对于2PSK信号，x(t)是双极性矩形脉冲，设x(t) =1，则x2(t)=1，这样已调信号x(t) cosct经过非线性变换的平方律部件后得 由此可知，从e(t)中很容易通过窄带滤波器取出2fc频率成分，再经过一个二分频器就可得到fc的频率成分，这就是所需要的同步载波。如果二分频电路处理不当，将会使fc信号

9、倒相，造成的结果就是“相位模糊”，即“反向工作”。对2DPSK则不存在相位模糊的问题。 12盛威网：专业的计算机学习网站图9-1 平方变换法提取同步载波 13盛威网：专业的计算机学习网站2. 平方环法平方环法 为了改善平方变换的性能，使恢复的相干载波更为纯净， 常常在非线性处理之后加入锁相环。具体做法是在平方变换法的基础上，把窄带滤波器改为锁相环，其原理方框图如图9-2 所示，这样实现的载波同步信号的提取就是平方环法。由于锁相环具有良好的跟踪、窄带滤波和记忆功能，平方环法比一般的平方变换法的性能更好。因此，平方环法提取载波得到了广泛的应用。 14盛威网：专业的计算机学习网站图 9-2 平方环法

10、提取载波 鉴相器开路滤波器压控振荡器平方律部件二分频锁 相 环输入已调信号载波输出15盛威网：专业的计算机学习网站3.关于相位模糊问题的讨论关于相位模糊问题的讨论从图9-2所示的方框图中可以看出，由2fc窄带滤波器得到的是cos2ct，经过二分频以后得到的可能是cosct ，也可能是cos(ct+)。这种相位的不确定性称为相位模糊或相位含糊。相位模糊对模拟通信系统的影响不大，因为耳朵听不出相位的变化。但对于数字通信来说情况就不同了，相位不同将使解调后的码元反相，对于2PSK信号就可能出现“反向工作”的问题，因此要采用2DPSK系统。 16盛威网：专业的计算机学习网站3.关于相位模糊问题的讨论关

11、于相位模糊问题的讨论从图9-2所示的方框图中可以看出，由2fc窄带滤波器得到的是cos2ct，经过二分频以后得到的可能是cosct ，也可能是cos(ct+)。这种相位的不确定性称为相位模糊或相位含糊。相位模糊对模拟通信系统的影响不大，因为耳朵听不出相位的变化。但对于数字通信来说情况就不同了，相位不同将使解调后的码元反相，对于2PSK信号就可能出现“反向工作”的问题，因此要采用2DPSK系统。 17盛威网：专业的计算机学习网站9.2.2 特殊锁相环法特殊锁相环法 1. 同相同相正交环法正交环法(科斯塔斯环科斯塔斯环)科斯塔斯(Costas)环的原理图如图9-5所示。这种环路中，压控振荡器提供两

12、路相互正交的载波，与输入的二相PSK信号分别在同相和正交两个鉴相器中进行鉴相，经低通滤波器后得到v5,v6，再送到一个乘法器相乘，去掉v5,v6中的数字信号， 得到反映VCO与输入载波相位之差的误差控制信号v7。 18盛威网：专业的计算机学习网站图9-3同相-正交环法原理框图 x(t)cosct低通 相移压控振荡器低通环路滤波器x (t)v5v6v4v2v1v1v3v79019盛威网：专业的计算机学习网站假定环路已锁定，若不考虑噪声，则环路的输入信号为 ttxccos)(同相与正交两鉴相器的本地参考信号分别为 )sin()90cos()cos(cc2c1ttvtv(9-3) (9-4) 20盛

13、威网：专业的计算机学习网站那么输入信号与v1,v2相乘后得 )2sin()sin(21)sin(cos)()2cos()cos(21)cos(cos)(43ttxtttxvttxtttxvcccccc经过低通滤波器后分别得 cos)(21cos)(2165txvtxv(9-5)(9-6)21盛威网：专业的计算机学习网站v5, v6经过乘法器后得 )(412)(812sin)(81cossin)(412222657txtxtxtxvvv(9-7)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v1=cos(ct+)就是要提取的同步载波，而 就是解调器的输出。 )(21

14、cos)(215txtxv22盛威网：专业的计算机学习网站 2）同相-正交环法的优缺点 科斯塔斯环的优点有两个：一是科斯塔斯环工作在c频率上，比平方环工作频率低，且不用平方器件和分频器； 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。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。 23盛威网：专业的计算机学习网站2.2.直接法的特点直接法的特点直接法具有如下一些特点：（1）不占用导频功率，因此信噪功率比可以大一些。（2）可以防止插入导频法中导频和信号间由于滤波不好而引起的互相干扰，也可以防止因信道不理想而引起的导频相位

15、误差（在信号和导频范围引起不同的畸变）。（3）有的调制系统不能用直接法，如SSB系统。 24盛威网：专业的计算机学习网站9.2.3插入导频法插入导频法(外同步法外同步法)1.在在DSB信号中插入导频信号中插入导频插入导频的位置应该在信号频谱为0的位置，否则导频与已调信号频谱成分会重叠在一起，接收时不易取出。对于模拟调制的信号，如双边带语音和单边带语音等信号，在载波fc附近信号频谱为0；但对于2PSK和2DPSK等数字调制的信号，在fc附近的频谱不但有，而且比较大，因此对于这样的数字信号，在调制以前应先对基带信号x(t)进行相关编码。相关编码的作用是把图9-4(a)所示的基带信号频谱函数变为图9

16、-4(b)所示的频谱函数，这样经过双边带调制以后可以得到图9-4(c)所示的频谱函数。此时，在fc附近频谱函数很小，且没有离散谱，这样可以在fc处插入频率为fc的导频(这里仅画出正频域)。 25盛威网：专业的计算机学习网站图9-4几种信号的正频域频谱图 (a)相关编码前的频谱；(b)相关编码后的频谱(c)双边带调制后的频谱 26盛威网：专业的计算机学习网站由正向频谱可以看出，由于插入的这个导频与传输的上下边带是不重叠的，接收端容易通过窄带滤波器提取导频作为相干载波。在DSB发射机中插入导频的方框图如图9-5所示。图中除正常产生双边带信号外，振荡器的载波经移相/2网络产生一个正交的导频信号，二者

17、叠加成输出信号。显然 tattAxtucccossin)()(/0由于x(t)中无直流成分，因此Ax(t)sinct中无fc成分，而acosct是插入的正交载波(导频)。 27盛威网：专业的计算机学习网站图9-5在DSB发射机中插入导频的方框图 28盛威网：专业的计算机学习网站图9-6相干解调器 29盛威网：专业的计算机学习网站假设接收到的信号就是uo(t), uo(t)中的导频经过fc窄带滤波器滤出来，再经过移相/2电路后得asinct, uo(t)与asinct加到乘法器输出 tattAaxtAaxttattAaxtatattAxccccccc2sin212cos)( 21)(21coss

18、insin)()sin(cossin)(2/22/c/经过低通滤波器以后，得Aax(t)/2。 30盛威网：专业的计算机学习网站2. 在残留边带信号中插入导频在残留边带信号中插入导频（1）残留边带频谱的特点。以取下边带为例，残留边带滤波器应具有如图9-7所示的传输特性。fc为载波频率，从(fc-fm)到fc的下边带频谱绝大部分可以通过，而上边带信号的频谱fc到(fc+fr)只有小部分通过。这样，当基带信号为数字信号时，残留边带信号的频谱中包含有载频分量fc，而且fc附近都有频谱，因此插入导频不能位于fc。 31盛威网：专业的计算机学习网站图9-7残留边带频谱 32盛威网：专业的计算机学习网站（

19、2）插入导频f1,f2的选择。图9-7画出了残留边带信号形成滤波器的传输函数。它使下边带信号绝大部分通过，而使上边带信号小部分残留。由于fc 附近有信号分量，所以，如果直接在fc处插入导频，那么，该导频必然会受到fc附近信号的干扰。由图可以看出f1和f2不能与(fc-fm)和(fc+fr)靠得太近，太近不易滤出f1和f2，但也不能太远，太远占用过多频带。然而，可以在信号频谱之外插入两个导频f1和f2，使它们在接收端经过某些变换后产生所需要的fc。假设两导频与信号频谱两端的间隔分别为f1和f2，如图9-7所示，则 33盛威网：专业的计算机学习网站f1=(fc-fm)-f1 (9-8)f2=(fc

20、+fr)+f2 (9-9) 其中,fr是残留边带信号形成滤波器滚降部分占用带宽的一半，而fm为基带信号的最高频率。 34盛威网：专业的计算机学习网站 （3）载波信号的提取。在插入导频的VSB信号中提取载波的方框图如图9-8所示。接收的信号中包含有VSB信号和f1,f2两个导频。假设接收信号中两个导频是 为第二导频的初相为第一导频的初相222111),cos(),cos(tt发送端的载波为cos(ct+c)，接收端提取的同步载波也应该是cos(ct+c)。 35盛威网：专业的计算机学习网站 如果两个导频经信道传输后，使其和已调信号中的载波都产生了频偏(t)和相偏(t) ，那么提取出的载波也应该有

21、相同频偏和相偏，才能达到真正的相干解调。从图9-9中我们可以看出，带通滤波器仅让VSB信号通过，而f1, f2被滤除。下面的两个窄带滤波器恰好让f1和f2分别通过，将f1和f2相乘后，得到一个频率成分较复杂的信号 coscos22111ttttttttv将这一信号再经过一个(f2-f1)的低通滤波器，得到仅含有(f2-f1)信号 2cos211222tqffvr（9-11） 36盛威网：专业的计算机学习网站图9-8 在插入导频的VSB信号中提取载波的方框图 37盛威网：专业的计算机学习网站其中 211ffffqrm（9-12） 将其再q次分频，得到信号 2cos23qrtffav（9-13）

22、将v3与f2再相乘，又得到v4信号，v4信号中含有载频成分，于是将其进行窄带滤波，得到仅含有的信号 cos212cqcttttaf（9-14）38盛威网：专业的计算机学习网站 将这一信号进行适当的相位调整，就得到了我们最终所需要的载波信号 ttttavcccos26（9-15） 这种插入导频法在提取同步载波时，由于用了q次分频器，因此也有相位模糊问题。 39盛威网：专业的计算机学习网站3. 时域中插入导频法时域中插入导频法除了在频域中插入导频的方法以外，还有一种在时域中插入导频以传送和提取同步载波的方法。时域插入法中对被传输数据信号和导频信号在时间上加以区别，例如按图9-9(a) 那样分配。把

23、一定数目的数字信号分作一组，称为一帧。在每一帧中，除有一定数目的数字信号外，在t0t1的时隙中传送位同步信号，在t1t2的时隙内传送帧同步信号，在t2t3的时隙内传送载波同步信号，而在t3t4时间内才传送数字信息；以后各帧都如此。这种时域插入导频只是在每帧的一小段时间内才作为载频标准，其余时间是没有载频标准的。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。但是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，因此如果用窄带滤波器取出这个间断的载波是不能应用的。对于这种时域中插入导频方式的载波提取往往采用锁相环路，其方框图如图 9-9(b)所示。 40盛威网：专

24、业的计算机学习网站图9-9时域中插入导频法(a)信号分配示意图；(b)采用锁相环路的方框图 41盛威网：专业的计算机学习网站4.4.插入导频法的特点插入导频法的特点插入导频法具有以下一些特点：（1）有单独的导频信号，一方面可以提取同步载波，另一方面可以利用它作为自动增益控制。（2）有些不能用直接法提取同步载波的调制系统只能用插入导频法。（3）插入导频法要多消耗一部分不带信息的功率，因此，与直接法比较，在总功率相同的条件下信噪功率比还要小一些。 42盛威网：专业的计算机学习网站9.2.49.2.4载波同步系统的性能指标载波同步系统的性能指标载波同步系统的主要性能指标有效率、精度、同步建立时间和同

25、步保持时间。这些指标与提取的电路、信号及噪声的情况有关。当采用性能优越的锁相环提取载波时，这些指标主要取决于锁相环的性能，如稳态相位误差就是锁相环的剩余误差，即 Ve43盛威网：专业的计算机学习网站1.1.效率效率为获得同步，载波信号应尽量少地消耗发送功率。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。载波同步追求的就是高效率。 44盛威网：专业的计算机学习网站2.精度精度精度是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cosct，提取的同步载波为cos(ct +)，就是相位误差，应尽

26、量小。通常又分为稳态相位误差e和随机相位误差两部分，即 e稳态相位误差主要是指载波信号通过同步信号提取电路以后，在稳态下所引起的相位误差。用不同方式提取载波同步信号，所引起的稳态相位误差就有所不同，我们期望越小越好。 45盛威网：专业的计算机学习网站随机相位误差是由随机噪声的影响而引起的同步信号的相位误差。实际上，随机相位误差的大小也与载波提取电路的形式有关，不同形式就会有不同的结果。例如使用窄带滤波器提取载波同步，假设所使用的窄带滤波器为一个简单的单调谐回路，其品质因数为Q，在考虑稳态相位误差时，我们希望Q值小，而保证较小的稳态相位误差；但在考虑随机相位误差时，我们却希望Q值高，以减小随机相

27、位误差。可见，这两种情况对Q值的要求是有矛盾的。因此，我们在选择载波提取电路时，要合理地选择参数，照顾主要因素，使相位误差减小到尽可能小的程度，以确保载波同步的高精度。 46盛威网：专业的计算机学习网站3 3 同步建同步建立时间立时间ts 指从开机或失步到同步所需要的时间。这样对ts的要求是越短越好，从而同步建立得快。4 4 同步保持时间同步保持时间tc 指同步建立后，若同步信号小时，系统还能维持同步的时间。这样对tc的要求是越长越好，从而一旦建立同步以后就可以保持较长的时间。 47盛威网：专业的计算机学习网站9.3位同步技术位同步技术 9.3.19.3.1位同步的概念位同步的概念1.1.位同

28、步与载波同步的区别位同步与载波同步的区别位同步是数字通信中非常重要的一种同步技术，它是指在接收端的基带信号中提取码元定时的过程。位同步与载波同步是截然不同的两种同步方式。在模拟通信中，没有位同步的问题，只有当接收机采用同步解调时才有载波同步的问题。但在数字通信中，一般都有位同步的问题。不论基带传输还是频带传输，在非相干解调中，不论是数字信号还是模拟信号都不需要同步载波；只有在相干解调中，才有同步载波提取的问题。 48盛威网：专业的计算机学习网站另外，在基带信号传输中也不需要同步载波的提取，因为基带传输时没有载波调制和解调的问题。载波同步信号一般要从频带信号中提取；而位同步信号一般可以在解调后的

29、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。 49盛威网：专业的计算机学习网站2.2.对位同步信号的要求对位同步信号的要求对位同步信号的要求有两方面：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。在一般接收时可在码元的中间位置抽样判决，而在最佳接收时则在码元的终止时刻抽样判决。 50盛威网：专业的计算机学习网站3.3.位同步方法的分类位同步方法的分类与载波同步方法相似，位同步方法也有直接法(自同步法)和插入导频法(外同步法)两种，而且直接法中也有滤波法和锁相法。 51盛威网：专业的计算机学习网站9.3.2 插入导频法插入导频法

30、(外同步法外同步法) 在无线通信中，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，码元宽度为Tb。这种信号的功率谱在fb处为0，例如，双极性码的功率谱密度图 9-11 (a)所示，此时可以在fb处插入位定时导频。 如果将基带信号先进行相关编码，经相关编码后的功率谱密度如图 9-11 (b)所示，此时可在fb/2处插入位定时导频，接收端取出fb/2以后，经过二倍频得到fb。 52盛威网：专业的计算机学习网站图9-10双极性码的功率谱密度 (a)相关编码前；(b)相关编码后 53盛威网：专业的计算机学习网站图9-11(a)、(

31、b)分别画出了发送端和接收端插入和提取位定时导频的方框图。首先在发送端要注意插入导频的相位，使导频相位对于数字信号在时间上具体有如下关系：当信号为正、负最大值(即取样判决时刻)时，导频正好是零点。这样避免了导频对信号取样判决的影响。但即使在发送端做了这样的安排，接收端仍要考虑抑制导频的问题，这是因为对信道的均衡不一定完善，即所有频率的时延不一定相等，因而信号和导频在发送端所具有的时间关系会受到破坏。 54盛威网：专业的计算机学习网站图9-11插入和提取位定时导频的方框图(a)发送端；(b)接收端 55盛威网：专业的计算机学习网站9.3.39.3.3自同步法自同步法1.1.从基带数字信号中提取同

32、步信息从基带数字信号中提取同步信息1)微分、全波整流滤波法通常的基带数字信号是不归零的脉冲序列，如果传输系统的频率是不受限制的,则解调电路输出的基带数字信号是比较好的方波。于是可以采用微分、全波整流的方法将不归零序列变换成归零序列，然后用窄带滤波器来滤取位同步线谱分量。由于一般传输系统的频率总是受限的，因此解调电路输出的基带数字信号不可能是方波。所以在微分、全波整流电路之前通常加一放大限幅器，用它来形成方波。微分、全波整流滤波法是一种常规的位同步提取方法，其方框图和各点波形如图9-12所示。 56盛威网：专业的计算机学习网站图9-12微分、全波整流滤波法方框图及各点波形(a)方框图；(b)波形

33、图 57盛威网：专业的计算机学习网站2)从延迟解调的基带信号中滤取位同步分量频带受限的相对移相的PSK信号经延迟解调后，其频谱中就包含有位同步分量，这是因为在二相相对移相系统中，任何一个码的载波相位都是以它前一个码的载波相位为参考的。对于连1码，每个码的载波都有180的相位反转。由于传输频带是受限的，在相位反转处就会产生包络的“陷落”，经过延迟解调后，就在基带信号的下半部波形上形成了“凹陷”。而对于连0码，载波没有相位反转，所以下半部分不会出现“凹陷”。正是下半部波形上的“凹陷”，使得延迟解调的基带信号中含有位同步分量。从延迟解调的基带信号中提取位同步分量的方框图和波形如图9-13所示。图中窄

34、带滤波器前端的信号应是经过延迟解调而得到的基带数字信号。图中的后半部分对位同步信号的处理与上一方法基本相同，不同之处是首先取出信号中“凹陷”部分含有位同步信息的成分v2。 58盛威网：专业的计算机学习网站图9-13从延迟解调的基带信号中提取位同步分量的方框图和波形 (a)方框图；(b)波形图 59盛威网：专业的计算机学习网站3)延迟相乘滤波法对于频带不受限的方波基带信号或频带受限的基带信号，预先经过了方波形成电路将其变成了方波，可以采用延迟相乘滤波法来提取位同步信号。因为基带信号s(t)和延迟相乘基带信号s(t-)相乘后，就能产生归零的窄脉冲序列，所以经过窄带滤波器就能滤出位同步线谱分量。此法

35、的原理方框图及波形如图9-14所示。 60盛威网：专业的计算机学习网站图9-14延迟相乘滤波法的原理方框图及波形 (a)方框图；(b)波形图 61盛威网：专业的计算机学习网站2.从已调信号中提取位同步信息从已调信号中提取位同步信息从中频已调信号中提取位同步信息的方法在数字微波中继通信和数字卫星通信系统中也常采用。从解调基带信号中提取位同步信息要求先恢复载波同步，而从中频已调信号中提取位同步信息则可以和提取载波同步信息一起进行。下面介绍两种方法。 62盛威网：专业的计算机学习网站1)包络检波滤波法(1)采用包络检波滤波法从频带受限的中频PSK信号中提取位同步信息。由于频带受限的中频PSK信号在相

36、位反转点处形成幅度的“陷落”，因此采用包络检波滤波法来提取位同步信息。这种方法的方框图和波形如图9-15所示。已调中频PSK信号经过包络检波后获得包络信号s(t)，s(t)减去v1后可以得到v2。 v2是具有一定脉冲形状的归零码序列，它含有位同步的线谱分量，可以用窄带滤波器滤取之。 63盛威网：专业的计算机学习网站图9-15从中频PSK信号中提取位同步信息的方框图和波形 (a)方框图；(b)波形图 64盛威网：专业的计算机学习网站(2)采用包络检波滤波法从报头中提取位同步信息。在时分多址数字卫星通信系统中，各地球站的信息都是按子帧传送的。每一子帧都有一报头，用于载波和位定时恢复时间。通常地球站

37、发射报头时功率大，发射信息部分时功率小，分帧结构及对应的调幅波形如图9-16(a)所示。由于报头的宽度是一个码元宽度的整数倍，故可以用包络检波滤波法来提取位同步信号。为确保位同步恢复能在报头内实现，并一直保持到分帧结束，可在滤波之前加一个冲击激励振荡器。这种方案的方框图如图9-16(b)所示。 65盛威网：专业的计算机学习网站图9-16从报头中提取位同步信息 (a)分帧结构及对应的调幅波形；(b)方框图 66盛威网：专业的计算机学习网站2)延迟相干滤波法当中频滤波器的带宽远大于信号频谱宽度或由于在中频放大器中采用了对称限幅器而将包络削平时，无法采用包络检波滤波法来提取位同步信息。在这种频带不受

38、限的情况下，采用延迟相干滤波法从中频PSK信号中提取位同步信息是一种可行的方案，其方框图和波形图如图9-17所示。这里延迟时间为,Ts。从波形图中可以看出，经移相的中频二相PSK信号e1(t)和经过延迟时间的信号e2(t)在相位检波器中相乘后，得到一组脉冲宽度为的归零序列v(t)，它包含有位同步频率分量，可以用窄带滤波器滤取。 67盛威网：专业的计算机学习网站图9-17延迟相干滤波法 (a)方框图；(b)波形图 68盛威网：专业的计算机学习网站很显然，v(t)归零脉冲序列所含位同步分量的大小与归零脉冲的幅度和宽度有关，而脉冲的宽度决定延迟时间，脉冲的幅度在一定的延迟时间的情况下和移相器的移相值

39、有关。当Ts时，v(t)将变为非归零码，它将不再含有位同步分量；当0时，v(t)的每个宽度趋于零，它含的位同步分量也将趋于无穷小。可见在0Ts之间，延迟时间有最佳值，它能使v(t)中的位同步分量达到最大值。实际上，当值等于码元长度Ts的一半(即Ts/2)时，所含的位同步分量达到最大值。所以采用延迟相干滤波法从频带不受限的中频PSK信号中提取位同步信息时，应该选取延迟时间等于码长Ts的1/2。69盛威网：专业的计算机学习网站 由正向频谱可以看出，由于插入的这个导频与传输的上下边带是不重叠的，接收端容易通过窄带滤波器提取导频作为相干载波。关于在DSB中插入导频的方框图如图 9-9 所示。图中除正常

40、产生双边带信号外，振荡器的载波经移相/2 网络产生一个正交的导频信号，二者叠加成输出信号。显然 tattAxtucccossin)( )(0由于x(t)中无直流成分，因此Ax(t)sinct中无fc成分， 而acosct是插入的正交载波(导频)。 70盛威网：专业的计算机学习网站3.3.锁相法提取位同步信号锁相法提取位同步信号前面介绍的滤波法中的窄带滤波器可以用简单谐振电路等滤波电路，也可以用锁相环路。用锁相环路替代一般窄带滤波器以提取位同步信号的方法就是锁相法。锁相法的基本原理是在接收端利用一个相位比较器，比较接收码元与本地码元定时(位定时)脉冲的相位，若两者相位不一致，即超前或滞后，就会产

41、生一个误差信号，通过控制电路去调整定时脉冲的相位，直至获得精确的同步为止。在数字通信中，常用数字锁相法，其原理方框图如图9-18所示。 71盛威网：专业的计算机学习网站图9-18数字锁相法的原理方框图 72盛威网：专业的计算机学习网站9.3.4位同步系统的性能指标位同步系统的性能指标1.相位误差相位误差位同步信号的平均相位和最佳取样点的相位之间的偏差称为静态相差。静态相差越小，误码率越低。对于用数字锁相法提取位同步信号而言，相位误差主要是由于位同步脉冲的相位在跳变地调整时所引起的。因此调整一次，相位改变2/n(n是分频器的分频次数)，故最大的相位误差为2/n，用角度表示为360n。若用时间差T

42、e来表示相位误差，因每码元的周期为T，故得 nTT e（9-16） 可见，n越大，最大的相位误差越小。 73盛威网：专业的计算机学习网站2.同步建立时间同步建立时间同步建立时间即为失去同步后重建同步所需的最长时间。通常要求同步建立的时间要短。为了求这个最长时间，令位同步脉冲的相位与输入信号码元的相位相差T/2秒，而锁相环每调整一步仅为T/n秒，故所需最大的调整次数为 22nnTTN（9-17） 74盛威网：专业的计算机学习网站由于接收码元是随机的，对二进制码而言，相邻两个码元（01、10、11、00）中，有或无过零点的情况各占一半。我们在前面所讨论的两种数字锁相法中都是从数据过零点中提取作比相

43、用的基准脉冲的，因此平均来说，每两个脉冲周期（2T）可能有一次调整，所以同步建立时间为 ts=2TN=nT(s) （9-18） 75盛威网：专业的计算机学习网站3. 3. 同步保持时间同步保持时间当同步建立后，一旦输入信号中断，或者遇到长连0码、长连1码时，由于接收码元过零脉冲没有，锁相系统因为没有输入相位基准而不起作用，此时由于收、发双方的固有位定时重复频率f和f1 （由晶体振荡器决定）有误差，即T=1/f和T1=1/ f1有误差。 20111111ffffffffTT（9-19） 其中 ,10fff fff1（9-20） 76盛威网：专业的计算机学习网站令 001fT （9-21） 010

44、ffTTf （9-22） 001ffTTT（9-23） 当f1f时，每经过一个周期T0，产生时间上的位移（误差）为|T-T1|,单位时间内产生的误差为| T-T1 |/T0。 77盛威网：专业的计算机学习网站 若允许总的时间误差为T0/K(s),则达到此误差的时间，即“同步保持时间”为 sfKfKfTTTKTTTTKTtc100120010或 cKtf1（9-24） （9-25） 78盛威网：专业的计算机学习网站由f=|f-f1|,设收发两端的频率稳定度相同，每个振荡器的频率误差均为f/2，则每个振荡器的频率稳定度为 cKtfffff0002122（9-26） 00221ffKftc或 （9-

45、27） 其中，K和f0是常数。显然，同步保持时间越长越好。 79盛威网：专业的计算机学习网站4.同步带宽同步带宽由式（9-23）知，当TT1时，每经过T0时间（T0T）,该误差会引起T=f/f02的时间漂移。而根据数字锁相环的工作原理，锁相环每次所能调整的时间为T/n(T/nT0/n)。对于随机的数字信号来说，由于连0、连1码时没有过零点脉冲不能调整，因此平均每两个码元周期调整一次。这样平均每一个码元时间内，锁相环能调整的时间只有T0/（2n）。显然，如果输入信号码元的周期与收端固有定位脉冲的周期之差为 nTTTT20180盛威网：专业的计算机学习网站则锁相环将无法使收端位同步脉冲的相位与输入

46、信号的相位同步，这时由误差所造成的相位差就会逐渐积累。因此，我们根据 00212nfnTT可求得 02021nfff即 nfnfff220020（9-28） 81盛威网：专业的计算机学习网站9.4群同步群同步(帧同步帧同步)技术技术 9.4.19.4.1对群同步系统的基本要求对群同步系统的基本要求群同步问题实质上是一个对群同步标志进行检测的问题。群同步系统通常应满足以下基本要求：(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；(2)捕获时间要短，即同步建立的时间要短；(3)稳定地保持同步，采取保持措施，使同步保持时间持久稳定；(4)在满足群同步性能要求的条件下，群同

47、步码的长度应尽可能短些，这样可以提高信息传输效率。 82盛威网：专业的计算机学习网站在通信设备中同步系统的工作稳定可靠是十分重要的，但数字信号在传输过程中会因出现误码而影响同步。其中一种是由信道噪声等引起的随机误差，此类误码造成群同步码的丢失往往是一种假失步现象，在满足一定误码率条件下，此种假失步系统能自动地迅速恢复正常，同步系统此时并不动作；另一种是突发干扰造成的误码，当出现突发干扰或传输信道性能劣化时，往往会造成码元大量丢失，使同步系统因连续检不出群同步码而处于真失步状态。此时，同步系统必须重新捕捉，从恢复的码流中捕捉群同步码，重新建立同步。为了使群同步系统具有识别假失步的能力，特别引入了

48、前方保护时间的概念。前方保护时间是指从第一个同步码丢失起到同步系统进入捕捉状态为止的一段时间。 83盛威网：专业的计算机学习网站在同步系统处于捕捉状态后，要从码流中重新检出同步码以完成群同步。但是，无论选择何种同步码型，信息码流中都有可能出现与同步码图案相同的码组，而造成同步动作，这种码组称为伪同步码。若群同步系统不能识别伪同步码，将导致系统进入误同步状态，使整个通信系统不稳定。为了避免进入伪同步而引入了后方保护时间的概念。后方保护时间是指从同步系统捕捉到第一个真同步码到进入同步状态的一段时间。前方保护时间和后方保护时间的长短与同步码的插入方式有关。 84盛威网：专业的计算机学习网站9.4.2

49、9.4.2起止式同步法起止式同步法数字电传机中广泛使用起止式同步法。它用5个码元代表一个字母(或符号等)，在每个字母开始时，先发送一个码元宽度的负值脉冲，再传输5个单元编码信息，接着再发送一个宽度为1.5个码元的正值脉冲。开头的负值脉冲称为“起脉冲”，它起着同步的作用；末尾的正值脉冲称为“止脉冲”，它使得在下一个字母开始传送之前产生一个间歇。接收端就是根据1.5个码元宽度的正电平第一次转换到负电平这一特殊规律来确定一个字的起始位置的，从而实现了群同步。一个字母实际上由图9-19所示的占有7.5个码元宽度的波形组成。 85盛威网：专业的计算机学习网站图9-19电传机编码波形 86盛威网：专业的计

50、算机学习网站由于这种同步方式中的止脉冲宽度与码元宽度不一致，因此会给同步数字传输带来不便。另外，在这种起止式同步方式中，7.5个码元中只有5个码元用于传输信息，所以效率较低。但起止同步法有简单易行的优点。 87盛威网：专业的计算机学习网站9.4.39.4.3连贯式插入法连贯式插入法连贯式插入法又称为集中插入法。这种方法就是将帧同步码以集中的形式插入到信息码流一帧的开始处。此方法的关键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。最常用的群同步码组是巴克码或其他码型。例如在PCM30/32路系统中，群同步的方式采用的就是连贯式插

51、入法，它们的码型是“0011011”。连贯式插入法的优点是能够迅速地建立群同步。下面重点论述巴克码。 88盛威网：专业的计算机学习网站1 巴克码巴克码巴克码是一种具有特殊规律的二进制码组，是有限长的非周期序列。它的特殊规律是： 若一个n位的巴克码x1,x2,x3,xn，每个码元xi只可能取值+1 或 -1，则它必然满足条件 njjnxxjRjnijii01, 1, 00)(1当当(9-29) 式中,称为局部自相关函数。目前已找到的巴克码组如表9-1 所示。表中“+”表示+1, “-”表示-1。 jnijiixxjR1)(89盛威网：专业的计算机学习网站表表9-1巴克码组巴克码组 90盛威网：专

52、业的计算机学习网站612611712. 111111)(1; 0111111)(1; 71111111)(0iiiiiiiixxjRjxxjRjxjRj时当时当时当以n=7为例，它的局部自相关函数如下： 91盛威网：专业的计算机学习网站同样可以求出j=3,4,5,6,7 以及j=-1,-2,-3,-4,-5,-6,-7 时R(j)的值为 j =0, R(j) =7j=1,3,5,7， R(j)=0 j =2,4,6, R(j) =-1 根据这些值，可以作出 7 位巴克码的R(j)与j的关系曲线，见图 9-20。 92盛威网：专业的计算机学习网站图9-20 7位巴克码的R(j)与j的关系曲线 9

53、3盛威网：专业的计算机学习网站2. 2. 巴克码识别器巴克码识别器仍以7位巴克码为例。用7级移相寄存器、相加器和判决器就可以组成一个巴克码识别器，如图9-21所示。7 级移位寄存器的 1、0 按照 1110010 的顺序接到相加器，接法与巴克码的规律一致。当输入码元加到移位寄存器时，如果图中某移位寄存器进入的是 1 码，该移位寄存器的 1 端输出为+1,0 端输出为-1。 反之当某移位寄存器进入的是 0 码，该移位寄存器的 1 端输出为-1, 0 端输出为+1。 实际上巴克码识别器是对输入的巴克码进行相关运算，当一帧信号到来时， 首先进入识别器的是群同步码组，只有当 7 位巴克码在某一时刻正好

54、全部进入 7 位寄存器时，7个移位寄存器输出端都输出+1， 相加后的最大输出为+7，其余情况相加结果均小于+7。对于数字信息序列，几乎不可能出现与巴克码组相同的信息，故识别器的相加输出也只能小于+7。94盛威网：专业的计算机学习网站若判别器的判决门限电平定为+6, 那么就在 7 位巴克码的最后一位 0 进入识别器时，识别器输出一个同步脉冲表示一群的开头。一般情况下，信息码不会正好都使移位寄存器的输出为+1，因此实际上更容易判定巴克码全部进入移位寄存器的位置。 95盛威网：专业的计算机学习网站图 9-21 7位巴克码识别器 96盛威网：专业的计算机学习网站9.4.4 9.4.4 间歇式插入法间歇

55、式插入法 间歇式插入法又称为分散插入法，它是将群同步码以分散的形式插入信息码流中。 这种方式比较多地用在多路数字电路系统中。 间歇式插入的示意图如图9-22所示，群同步码均匀地分散插入在一帧之内。 帧同步码可以是 1、 0 交替码型。例如 24 路PCM系统中，一个抽样值用 8 位码表示，此时 24 路电话都抽样一次共有 24 个抽样值，192 个信息码元。 192 个信息码元作为一帧， 在这一帧插入一个群同步码元， 这样一帧共有 193 个码元。 接收端检出群同步信息后， 再得出分路的定时脉冲。 97盛威网：专业的计算机学习网站图 9-22 间歇插入群同步方式 98盛威网：专业的计算机学习网

56、站 间歇式插入法的缺点是当失步时，同步恢复时间较长， 因为如果发生了群失步，则需要逐个码位进行比较检验， 直到重新收到群同步的位置， 才能恢复群同步。 此法的另一缺点是设备较复杂， 因为它不像连贯式插入法那样， 群同步信号集中插入在一起，而是要将群同步在每一子帧里插入一位码， 这样群同步码编码后还需要加以存储。 99盛威网：专业的计算机学习网站9.4.5群同步系统的性能指标群同步系统的性能指标 1.1.群同步可靠性群同步可靠性 群同步可靠性受两个因素的影响：第一，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，出现这种情况的概率称为漏同步概率，记为P1

57、；第二，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。这两种概率是衡量群同步可靠性的主要指标。 100盛威网：专业的计算机学习网站为使漏同步概率下降，例如在连贯式插入法中，要识别群同步信号而不致产生漏同步，可将识别器的判决门限电平由+6V降为+4V，这样在同步码组中存在一个错误码元时，仍可识别出来。但是，这样就会使假同步的概率增大，因为任何仅与同步码组有一码元差别的消息码元，都可以被当作同步码组识别出来。所以，P1与P2这两个指标之间是矛盾的，判决门限的选值必须兼顾二者的要求。 101盛威网：专业的计算机学习网站设Pe为码元错误概率，n为同步码组的码组元数，m为判决器容许码组中的