锁相与同步61

1、1 12 23 3 1. 1. 同步的应用同步的应用 同步是通信系统中一个重要的实际问题。同步是通信系统中一个重要的实际问题。 1 1）载波同步载波同步：当采用同步解调或相干检测时，接收端需要提供一：当采用同步解调或相干检测时，接收端需要提供一个与发射端调制载波同频同相的相干载波。这个个与发射端调制载波同频同相的相干载波。这个相干载波的获取就称相干载波的获取就称为载波提取，或称为载波同步为载波提取，或称为载波同步。 2 2）位同步位同步：数字通信中，传送的消息通常是一连串相继的信号码：数字通信中，传送的消息通常是一连串相继的信号码元的序列。解调时常需要每个码元的起止时刻，因此，接收端必须产元的

2、序列。解调时常需要每个码元的起止时刻，因此，接收端必须产生一个用作抽样判决的定时脉冲序列，它和接收码元的终止时刻应对生一个用作抽样判决的定时脉冲序列，它和接收码元的终止时刻应对齐。我们齐。我们把在接收端产生与接收码元的重复频率和相位一致的定时脉把在接收端产生与接收码元的重复频率和相位一致的定时脉冲序列的过程称为码元同步或位同步冲序列的过程称为码元同步或位同步。称这个定时脉冲续列为。称这个定时脉冲续列为码元同码元同步脉冲或位同步脉冲步脉冲或位同步脉冲。4 4 3 3）群同步或帧同步群同步或帧同步：数字通信中的消息数字流总是用若干码元组：数字通信中的消息数字流总是用若干码元组成一个成一个“字字”，

3、有用若干，有用若干“字字”组成一个组成一个“句句”。因此，在接收这些。因此，在接收这些数字流时，必须知道这些数字流时，必须知道这些“字字”、“句句”的起止时刻。在接收端产生的起止时刻。在接收端产生与与“字字 ” ”、“句句”起止时刻相一致的定时脉冲序列，称为起止时刻相一致的定时脉冲序列，称为“字字”同步同步和和“句句”同步，统称为同步，统称为群同步或帧同步群同步或帧同步。 4 4）网同步网同步：随着数字通信的发展，特别是计算机通信的发展，多：随着数字通信的发展，特别是计算机通信的发展，多个用户需相互通信而组成了数字通信网。个用户需相互通信而组成了数字通信网。为了保证通信网内各用户之为了保证通信

4、网内各用户之间可靠地进行数据交换，还必须实现网同步间可靠地进行数据交换，还必须实现网同步，使得在整个通信网内有，使得在整个通信网内有一个统一的时间节拍标准。一个统一的时间节拍标准。 同步系统性能的降低，会直接导致通信系统性能的降低，甚至使同步系统性能的降低，会直接导致通信系统性能的降低，甚至使通信系统不能正常的工作。通信系统不能正常的工作。 在同步通信系统中，在同步通信系统中，“同步同步”是进行信息传输的前提。是进行信息传输的前提。5 5 一、基本工作原理一、基本工作原理 在后面的内容中，我们在进行时钟同步信号的提取时，常常用到窄在后面的内容中，我们在进行时钟同步信号的提取时，常常用到窄带滤波

5、器。而窄带滤波器在通带内的相位带滤波器。而窄带滤波器在通带内的相位- -频率特性是陡峭的。如果接频率特性是陡峭的。如果接收到的载波或码元信号的频率相对于滤波器的中心频率产生漂移，将收到的载波或码元信号的频率相对于滤波器的中心频率产生漂移，将会出现很大的相位误差，使系统性能下降。会出现很大的相位误差，使系统性能下降。 如果采用的窄带滤波器的中心频率能跟踪输入信号频率的变化，就如果采用的窄带滤波器的中心频率能跟踪输入信号频率的变化，就可以避免上述问题的发生。锁相环的作用就相当于这样的一个窄带滤可以避免上述问题的发生。锁相环的作用就相当于这样的一个窄带滤波器。主要应用锁相环的跟踪、窄带滤波和记忆性能

6、。波器。主要应用锁相环的跟踪、窄带滤波和记忆性能。 跟踪性能跟踪性能：使载波和位同步提取频率相同，而且相位差也很小；：使载波和位同步提取频率相同，而且相位差也很小； 窄带滤波窄带滤波：改善同步系统的噪声性能；：改善同步系统的噪声性能； 记忆特性记忆特性：使输入信号中断后，在一定的时间内保持同步。：使输入信号中断后，在一定的时间内保持同步。 6 6 模拟锁相环模拟锁相环 组成组成：压控振荡器（：压控振荡器（VCOVCO）、）、鉴相器（鉴相器（PDPD）和环路滤波器（和环路滤波器（F F）三个三个部分构成反馈环路。见下图。部分构成反馈环路。见下图。 工作过程工作过程：在鉴相器中输入信号的相位：在鉴

7、相器中输入信号的相位i i与与VCOVCO输出信号的相位输出信号的相位0 0 进行比较；鉴相器的输出电压进行比较；鉴相器的输出电压u ud d经过环路滤波器经过环路滤波器F F滤出高频分量及噪声，滤出高频分量及噪声，然后输出电压然后输出电压u uc c去控制去控制VCOVCO的振荡频率，使本地振荡频率锁定在输入信的振荡频率，使本地振荡频率锁定在输入信号的频率上，且锁定后输出信号的相位号的频率上，且锁定后输出信号的相位0 0与输入信号的相位与输入信号的相位i i误差很误差很小（此时，小（此时，VCOVCO的平均频率非常接近信号的参考频率）。的平均频率非常接近信号的参考频率）。 主要性能指标主要性

8、能指标： 跟踪特性跟踪特性：在环路锁定后，：在环路锁定后， 环路处于稳态（设这时的稳态相环路处于稳态（设这时的稳态相差很小，差很小，e e00）。）。当输入信号频率当输入信号频率变化变化 或相位变化或相位变化i i时，锁相环重新开始调整，这是处于瞬变时，锁相环重新开始调整，这是处于瞬变状态。瞬态结束后，处于新的稳态。这时：状态。瞬态结束后，处于新的稳态。这时：0 0 = =i i PDPDF FVCOVCOi i0 0u ud du uC C0 07 71 1、模拟锁相环、模拟锁相环 瞬态结束后，处于新的稳态。这时：瞬态结束后，处于新的稳态。这时：0 0 = =i i ，但这时本地输出但这时本

9、地输出必定与输入由一个相差必定与输入由一个相差v v ，由它产生一个电压去控制由它产生一个电压去控制VCOVCO的频率，使的频率，使之调整到之调整到i i 。用这个用这个 所引起的相差所引起的相差v v 来衡量锁相环路的跟踪来衡量锁相环路的跟踪性能。性能。v v 越小，性能越好。且：越小，性能越好。且：其中其中K Kv v为环路的直流增益。当为环路的直流增益。当K Kv v的值越大，的值越大，跟踪性能就会越好。当输入信号仅产生相位变化时，跟踪性能就会越好。当输入信号仅产生相位变化时，v v =0 =0。 锁相环的同步带宽锁相环的同步带宽：用下式可直接求得：用下式可直接求得： = = K KV

10、VV V 式中：若式中：若v v 取能够保证取能够保证VCOVCO正常跟踪的最大相差正常跟踪的最大相差vHvH ，则则就就是输入信号的最大允许的频率偏移是输入信号的最大允许的频率偏移H H。输入信号相对参考频率的频。输入信号相对参考频率的频偏小于偏小于H H 时，时，VCOVCO就能正常工作。称就能正常工作。称H H= = vHvH K Kv v为锁相环的最为锁相环的最大同步范围。但上式是在大同步范围。但上式是在v v值很小的时候才成立的。因此：值很小的时候才成立的。因此： H H= =K Kv vsinsinvHvH + +K Kv v最大允许输入的频偏，也就是同步带宽。最大允许输入的频偏，

11、也就是同步带宽。则锁相环路的直流增益则锁相环路的直流增益K Kv v越大，同步带宽越宽。与跟踪特性要求一致。越大，同步带宽越宽。与跟踪特性要求一致。vKv8 81 1、模拟锁相环、模拟锁相环 锁相环的捕捉时间：锁相环的捕捉时间：当捕捉带宽、捕捉时间信号频率与当捕捉带宽、捕捉时间信号频率与VCOVCO频率有误差时，频率有误差时，环路处于捕捉状态，经过一段时间的调整可以达到稳定，这段时间称环路处于捕捉状态，经过一段时间的调整可以达到稳定，这段时间称为捕捉时间。为捕捉时间。 越小，捕捉时间越短；越小，捕捉时间越短； 越大捕捉时间越大。越大捕捉时间越大。锁相环的同步保持时间锁相环的同步保持时间t tc

12、 c：同步保持时间是指锁相环已锁定的情况下，由同步保持时间是指锁相环已锁定的情况下，由于信号中断，失去基准而压控振荡器输出相位变化不超过某一允许值于信号中断，失去基准而压控振荡器输出相位变化不超过某一允许值所经历的时间。所经历的时间。t tc c越大越好。这是锁相环的记忆特性。越大越好。这是锁相环的记忆特性。 但捕捉时间和同步保持时间的要求是互相矛盾的。但捕捉时间和同步保持时间的要求是互相矛盾的。锁相环的噪声性能：锁相环的噪声性能：环路对高频噪声的滤除能力较强。当环路锁定后，环路对高频噪声的滤除能力较强。当环路锁定后，只有那些与锁定频率相差很小的噪声频率分量才可能通过环路，而绝只有那些与锁定频

13、率相差很小的噪声频率分量才可能通过环路，而绝大部分干扰噪声被抑制。使环路的带通滤波器变为性能良好的窄带滤大部分干扰噪声被抑制。使环路的带通滤波器变为性能良好的窄带滤波器。波器。9 9 对模拟已调信号和数字已调信号进行相干解调时，需要从接收信号对模拟已调信号和数字已调信号进行相干解调时，需要从接收信号中提取相干载波。中提取相干载波。一、载波同步方法一、载波同步方法 提取载波的方法一般分为两类：提取载波的方法一般分为两类： 一类是一类是插入导频法插入导频法：在发送有用信号的同时，在适当的频率位置：在发送有用信号的同时，在适当的频率位置上，插入一个或多个称作导频的正弦波，接收端就由导频提取出载波。上

14、，插入一个或多个称作导频的正弦波，接收端就由导频提取出载波。 另一类是另一类是直接法直接法：不专门发送导频，而在接收端直接从发送信号中：不专门发送导频，而在接收端直接从发送信号中提取载波。提取载波。10101 1 1 1、插入导频法、插入导频法 抑制载波的双边带信号本身是不含有载波的；二相数字相位调制抑制载波的双边带信号本身是不含有载波的；二相数字相位调制信号在发送信号的概率为信号在发送信号的概率为P=1/2P=1/2时，该信号的载波分量为零；单边带信时，该信号的载波分量为零；单边带信号不存在载波分量。号不存在载波分量。 对这些信号的载波提取，可以采用插入导频法。特别是单边带信对这些信号的载波

15、提取，可以采用插入导频法。特别是单边带信导中插入导频。导中插入导频。 当基带信号是模拟话音信号时，由于话音最低频率为当基带信号是模拟话音信号时，由于话音最低频率为300300HzHz，故故DSBDSB信号频谱图中，在载频信号频谱图中，在载频f fc c附近无连续谱，有利于插入导频。当基带附近无连续谱，有利于插入导频。当基带信号是数字信号时，必须进行相关编码变换（如第信号是数字信号时，必须进行相关编码变换（如第类、第类、第类部分类部分响应）再进行响应）再进行DSBDSB调制（如调制（如PSKPSK）。）。 插入导频法的发端方框图、收端方框图及插入导频后插入导频法的发端方框图、收端方框图及插入导频

16、后DSBDSB信号频谱信号频谱如下图所示如下图所示. .11 11 1 1、插入导频法、插入导频法 右图是抑制双边带信号的频谱图。右图是抑制双边带信号的频谱图。从图中可以看到，在载频处，已调信号的从图中可以看到，在载频处，已调信号的频谱分量为零，载频附近的频谱分量也很频谱分量为零，载频附近的频谱分量也很小，这样就便于插入导频以及解调时易于小，这样就便于插入导频以及解调时易于滤出。插入的导频并不是加于调制器的那滤出。插入的导频并不是加于调制器的那个载波，而是将该载波移相个载波，而是将该载波移相90900 0后的所谓的后的所谓的“正交载波正交载波”。这样就可以组成插入导频的发端和收端的方框图。这样

17、就可以组成插入导频的发端和收端的方框图。 设调制信号为设调制信号为m(t)m(t)，且且m(t)m(t)中无直流分量，被调载波为中无直流分量，被调载波为sinwsinwc ct tf fC C导频导频 频谱频谱f f12121 1、插入导频法、插入导频法 发端框图发端框图m(t)sin ctC- -cos ct(正交导频正交导频)u0(t) = m(t)sin ct- -cos ct90o o相移相移 相加相加 带通带通ud(t)m(t)V(t)sin ct收端框图收端框图 90o o相移相移 低通低通 带通带通fc窄带带通窄带带通tttmtmttutvccc2sin212cos)(21)(2

18、1sin)()(013131 1、插入导频法、插入导频法 插入正交导频的目的：如果插入的是调制载波，则收端相乘器的插入正交导频的目的：如果插入的是调制载波，则收端相乘器的输出输出V(t)V(t)中除了调制信号外，还有直流分量。这个直流分量将通过低中除了调制信号外，还有直流分量。这个直流分量将通过低通滤波器对数字信号产生影响。通滤波器对数字信号产生影响。 二进制数字调相信号就是一个抑制载波的双边带信号，上述方法二进制数字调相信号就是一个抑制载波的双边带信号，上述方法完全适用。完全适用。 1414 2 2、直接法直接法 抑制载波的双边带信号虽然不包含载波分量，但对该信号进行某抑制载波的双边带信号虽

19、然不包含载波分量，但对该信号进行某种非线性变换后，就可以直接从其中提取出载波分量来。种非线性变换后，就可以直接从其中提取出载波分量来。 介绍如何从介绍如何从2 2PSKPSK信号（同信号（同DSBDSB）中直接提取相干载波。中直接提取相干载波。 （1 1）平方变换法）平方变换法 设调制信号为设调制信号为m(t)m(t)，m(t)m(t)中无直流分量。中无直流分量。 m(t)m(t)中无直流分量，但平方后却有直流分量。而中无直流分量，但平方后却有直流分量。而e(t)e(t)的表示式的的表示式的第二项中包含有第二项中包含有2 2w wc c频率的分量。频率的分量。已调信号已调信号e(t)e(t)c

20、os2cos2 c ct tcoscos c ct t- -coscos c ct t 2 2f fc c窄带窄带 带通带通 平方平方二分频二分频ttmtmttmtecc2cos)(21)(21cos)()(22221515 2 2、直接法直接法 调制信号调制信号m(t)=m(t)=+ +1 1，该抑制载波的双边带信号就成为二相移相信号。该抑制载波的双边带信号就成为二相移相信号。 由于提取载波的方框图中用了一个二分频电路，因此提取出的载波由于提取载波的方框图中用了一个二分频电路，因此提取出的载波存在存在1801800 0相位模糊问题。解决这个问题常用方法就是采用前面讲过的相相位模糊问题。解决这

21、个问题常用方法就是采用前面讲过的相对移相。对移相。 平方交换法提取载波方框图中的平方交换法提取载波方框图中的2 2f fc c窄带滤波器若用锁相环代替，就窄带滤波器若用锁相环代替，就成了另一种方法成了另一种方法-平方环法提取载波。平方环法提取载波。tttmtecc2cos2121cos)()(216162 2、直接法、直接法 （2 2） 平方环法平方环法 一般采用模拟环，一般采用模拟环，u uo o(t) (t) 二分频、移相后得到二分频、移相后得到coscos c ct t或或- -coscos c ct t 。 由于我们主要讨论的是数字信号，并且对于由于我们主要讨论的是数字信号，并且对于2

22、 2PSKPSK信号我们也可以用信号我们也可以用相对移相的方法来做，模拟环的工作原理在这里就不再多述了。相对移相的方法来做，模拟环的工作原理在这里就不再多述了。2PSK信信 号号ui(t)PDLFVCOu0(t)cos ct- -cos ct平方平方鉴相器鉴相器 环路环路滤波器滤波器 压控压控振荡器振荡器二分频二分频移相移相1717uiu1u2u3u4u6u5u7 低通低通 900移相移相 压控压控振荡器振荡器 环路环路 LPF 低通低通2 2、直接法、直接法 （3 3）同相正交环（）同相正交环（CostasCostas环）环） ecettmu2sinsin)(4ecettmu2coscos)

23、(3)sin(,)cos(,cos)(21ececcitututtmueetmutmusin)(,cos)(65edUu2sin7 此即为环路的鉴相特性此即为环路的鉴相特性。输出输出18182 2、直接法、直接法 （3 3）同相正交环（）同相正交环（CostasCostas环）环） 其中的其中的 是压控振荡器输出信号与输入已调信号载波之间的相是压控振荡器输出信号与输入已调信号载波之间的相位误差。当位误差。当 较小时，较小时， 用用v v7 7去调整压控振荡器输出信号的相位，最后使稳态相位误差减去调整压控振荡器输出信号的相位，最后使稳态相位误差减小到很小的数值。这样压控振荡器的输出小到很小的数值

24、。这样压控振荡器的输出v v1 1就是所需提取的载波。就是所需提取的载波。 同相正交环的工作频率是载波频率本身，而平方环的工作频率是同相正交环的工作频率是载波频率本身，而平方环的工作频率是载波频率的两倍。显然同相正交环路易于实现。载波频率的两倍。显然同相正交环路易于实现。 从从4 4PSKPSK信号中提取相干载波的方法与信号中提取相干载波的方法与2 2PSKPSK相似，可用四次方变换，相似，可用四次方变换，四次方环及四相四次方环及四相CostasCostas环。环。 用用CostasCostas环提取相干载波时，环路的工作频率等于信号载频，用环提取相干载波时，环路的工作频率等于信号载频，用其它

25、方法时电路工作频率等于信号载频的二倍或四倍。其它方法时电路工作频率等于信号载频的二倍或四倍。 eeetmv)(412719192 2、直接法、直接法 二、载波同步系统的性能二、载波同步系统的性能 载波同步系统的主要性能指标是高效率及高精度。载波同步系统的主要性能指标是高效率及高精度。 所谓所谓高效率高效率，即是指在获得载波的情况下，尽量减少发送功率的，即是指在获得载波的情况下，尽量减少发送功率的消耗。直接法不需专门发送导频，因而效率高。所谓消耗。直接法不需专门发送导频，因而效率高。所谓高精度高精度，即是要，即是要求所提取的相干载波的相位误差尽量小。求所提取的相干载波的相位误差尽量小。 还有其他

26、一些指标，主要取决于提取载波的锁相环的性能。还有其他一些指标，主要取决于提取载波的锁相环的性能。 当实现相干解调时，由于载波同步系统所提取的载波存在稳态相当实现相干解调时，由于载波同步系统所提取的载波存在稳态相差和随机相差，使得相干载波的相位和已调信号的载波相位不完全相差和随机相差，使得相干载波的相位和已调信号的载波相位不完全相同。同。2020 位同步方法可分为插入导频法和直接法两类。也分别称为外同步位同步方法可分为插入导频法和直接法两类。也分别称为外同步法和自同步法。法和自同步法。 若基带信号为随机二进制不归零脉冲序列，这样信号本身不包含若基带信号为随机二进制不归零脉冲序列，这样信号本身不包

27、含位同步信号。当对该信号进行码型变换后就可以使得信号中包含有同位同步信号。当对该信号进行码型变换后就可以使得信号中包含有同步信号。这里我们在基带信号中插入位同步导频信号来实现。步信号。这里我们在基带信号中插入位同步导频信号来实现。1 1、插入导频法插入导频法 1 1）方法：在基带信号的频谱零点处插入所需的导频信号。）方法：在基带信号的频谱零点处插入所需的导频信号。 如右图在如右图在f=1/Tf=1/T处插入导频。处插入导频。接收端经中心频率接收端经中心频率f=1/Tf=1/T的窄带滤波器，的窄带滤波器，就可从解调后的基带信号中提取出位同就可从解调后的基带信号中提取出位同步所需的信号。此时，位同

28、步脉冲的周步所需的信号。此时，位同步脉冲的周期与插入导频的周期是一致的。期与插入导频的周期是一致的。1/1/T T (a)(a)f fM(w)M(w)0 02121 1 1、插入导频法插入导频法 1 1）形式）形式1 1：在基带信号的频谱零点处插入所需的导频信号。（续）：在基带信号的频谱零点处插入所需的导频信号。（续） 如右图在如右图在f=1/2Tf=1/2T处插入导频。处插入导频。接收端经中心频率接收端经中心频率f=1/2Tf=1/2T的窄带滤波器，的窄带滤波器，因为位同步脉冲的周期为插入导频周期因为位同步脉冲的周期为插入导频周期的的1/21/2，故需将插入导频倍频。才能从解，故需将插入导频

29、倍频。才能从解调后的基带信号中提取出位同步所需的调后的基带信号中提取出位同步所需的信号。信号。 2 2）形式形式2 2：数字信号的包络按位同步信号的某种波形变化。：数字信号的包络按位同步信号的某种波形变化。 在相移键控或频移键控的通信系统中，对已调信号进行附加的幅在相移键控或频移键控的通信系统中，对已调信号进行附加的幅度调制后，接收端只要进行包络检波，就可以形成位同步信号。度调制后，接收端只要进行包络检波，就可以形成位同步信号。0 1/20 1/2T fT f22221 1、插入导频法插入导频法 2 2）形式形式2 2：数字信号的包络按位同步信号的某种波形变化。（续）：数字信号的包络按位同步信

30、号的某种波形变化。（续） 设相移信号的表示式为：设相移信号的表示式为： 现用某种波形的位同步信号对现用某种波形的位同步信号对s s1 1(t)(t)进行幅度调制，若该波形为进行幅度调制，若该波形为升余弦波形，则其表示式为：升余弦波形，则其表示式为： 其中的其中的 ，T T为码元宽度。幅度调制后的信号为：为码元宽度。幅度调制后的信号为：接收端对接收端对s s2 2(t)(t)进行包络检波，包络检波器的输出为除去直流分量后，进行包络检波，包络检波器的输出为除去直流分量后，就可获得位同步信号就可获得位同步信号 。)(cos)(1tttsc)cos1 (21)(ttmT/2)(cos)cos1 ()(

31、212ttttsctcos2123231 1、插入导频法插入导频法 载波同步和位同步中所采用的导频插入法都是在频域内的插入。载波同步和位同步中所采用的导频插入法都是在频域内的插入。 同步信号也可以在时域内插入，这时载波同步信号、位同步信号同步信号也可以在时域内插入，这时载波同步信号、位同步信号和数据信号分别被配置在不同的时间内传送。接收端用锁相环路提取和数据信号分别被配置在不同的时间内传送。接收端用锁相环路提取出同步信号并保持它，就可以对继之而来的数据进行调解。出同步信号并保持它，就可以对继之而来的数据进行调解。2 2、直接法、直接法 特点：发送端不专门发送导频信号，而是直接从数字信号中提取特

32、点：发送端不专门发送导频信号，而是直接从数字信号中提取位同步信号。位同步信号。 1 1）滤波法滤波法 对不归零的随机二进制序列，不能直接从其中滤出位同步信号，对不归零的随机二进制序列，不能直接从其中滤出位同步信号，通过对该信号进行某种变换，例如，变成归零脉冲后，该序列中就有通过对该信号进行某种变换，例如，变成归零脉冲后，该序列中就有f=1/Tf=1/T的位同步信号分量。经一个窄带滤波器，可滤出此信号分量，在的位同步信号分量。经一个窄带滤波器，可滤出此信号分量，在将它通过一移相器调整相位后，就可以形成位同步脉冲。将它通过一移相器调整相位后，就可以形成位同步脉冲。 它的特点是先形成含有位同步信息的

33、信号，再用滤波器将其滤出它的特点是先形成含有位同步信息的信号，再用滤波器将其滤出（如下图）。（如下图）。24242 2、直接法、直接法 波形变换：微分、整流电路等。（见波形变换：微分、整流电路等。（见P172P172图图5-165-16） 另一种波形变换：对带限信号进行包络检波。这种方法常用于数字另一种波形变换：对带限信号进行包络检波。这种方法常用于数字微波的中继通信系统中。频带受限的二相微波的中继通信系统中。频带受限的二相PSKPSK信号如图信号如图5-17(5-17(P173)P173)所示。所示。因频带受限，在相邻码元的相位变换点附近会产生幅度的平滑因频带受限，在相邻码元的相位变换点附近

34、会产生幅度的平滑“陷陷落落”，如图（，如图（a a）。）。经包络检波后，如图（经包络检波后，如图（b b）所示，该波形可以看作所示，该波形可以看作是一个直流信号和图（是一个直流信号和图（c c）所示的波形相减而组成的。因此包络检波后所示的波形相减而组成的。因此包络检波后的波形中包含图（的波形中包含图（c c）所示的波形，而该波形中已含有位同步信号分量。所示的波形，而该波形中已含有位同步信号分量。因此，将它经滤波器后就可提取出位同步信号。因此，将它经滤波器后就可提取出位同步信号。 r(t)ui(t)u0(t)cp(t) 波形 变换 窄带带通滤波器移 相脉冲形成25252 2、直接法、直接法 2

35、2）锁相法）锁相法 同载波同步的锁相法类似。在接收端利用鉴相器比较接收码元和同载波同步的锁相法类似。在接收端利用鉴相器比较接收码元和本地产生的位同步信号的相位，若两者相位不一致（超前或滞后），本地产生的位同步信号的相位，若两者相位不一致（超前或滞后），鉴相器就产生误差信号去调整位同步信号的相位，直至获得准确地位鉴相器就产生误差信号去调整位同步信号的相位，直至获得准确地位同步信号为止。把采用锁相环来提取位同步信号的方法称为同步信号为止。把采用锁相环来提取位同步信号的方法称为锁相法锁相法。 a a、数字锁相数字锁相 数字锁相原理如下图所示。它由高稳度振荡器（晶振）、分频器、数字锁相原理如下图所示。

36、它由高稳度振荡器（晶振）、分频器、相位比较器和控制器组成。相位比较器和控制器组成。2626相位相位比较器比较器接收码元接收码元n n次次分频器分频器或或门门位同步脉冲位同步脉冲输出输出扣除门扣除门（常开）（常开）附加门附加门（常闭）（常闭）整形整形晶振晶振超超前前脉脉冲冲滞滞后后脉脉冲冲a a路路b b路路2 2、直接法、直接法 2 2）锁相法）锁相法 a a、数字锁相（续）数字锁相（续）- -简述简述 过程：由晶振输出（振荡频率为过程：由晶振输出（振荡频率为nFnF）经整形得到重复频率为经整形得到重复频率为nFnF的的窄脉冲，经扣除门、或门并窄脉冲，经扣除门、或门并n n次分频后，就可得重复

37、频率为次分频后，就可得重复频率为F F的位同步的位同步信号。如果接收端晶振输出经信号。如果接收端晶振输出经n n次分频后，不能准确地和接收到的码元次分频后，不能准确地和接收到的码元 同频同相，这是就要根据相位比较器输出的误差信号，通过控制器对同频同相，这是就要根据相位比较器输出的误差信号，通过控制器对分频器进行调整。分频器进行调整。 2727 a a、数字锁相（续）数字锁相（续）- -微分整流型数字锁相法微分整流型数字锁相法 1 1）组成组成：过零检测器，数字鉴相器，高稳定振荡器和可变分频器等四：过零检测器，数字鉴相器，高稳定振荡器和可变分频器等四 部分。部分。2 2）工作原理工作原理：输入基

38、准定位脉冲与本地产生的位同步定时脉冲在鉴相：输入基准定位脉冲与本地产生的位同步定时脉冲在鉴相器中进行相位比较。若两者相位不一致（超前或滞后），鉴相器输出器中进行相位比较。若两者相位不一致（超前或滞后），鉴相器输出误差信息，并去控制调整分频器输出的脉冲相位，直到使输出信号的误差信息，并去控制调整分频器输出的脉冲相位，直到使输出信号的频率、相位与输入信号的一致时，才停止调整。频率、相位与输入信号的一致时，才停止调整。 过零检测器：过零检测器：从接收的二进制序列中得到正确的相位基准。从接收的二进制序列中得到正确的相位基准。如图如图5-35-3（P162P162）所示。它将接收到的所示。它将接收到的“

39、0”“0”或或“1”“1”随机信号进行限幅、随机信号进行限幅、微分、整流得到信号过零点的位置脉冲，经过单稳态电路，形成相位微分、整流得到信号过零点的位置脉冲，经过单稳态电路，形成相位基准脉冲。这些过零点的间隔总是码元脉冲周期的整数倍。用这些出基准脉冲。这些过零点的间隔总是码元脉冲周期的整数倍。用这些出现在码元整数倍周期的间隔上的脉冲，可以衡量本地定时脉冲的相位现在码元整数倍周期的间隔上的脉冲，可以衡量本地定时脉冲的相位是否合乎标准。是否合乎标准。高稳定振荡器高稳定振荡器：晶振，振荡频率：晶振，振荡频率F F是接收信号速率的是接收信号速率的n n倍。振荡信号经倍。振荡信号经过整形，分为过整形，分

40、为0 0相（相（a a路）和路）和相（相（b b路），分频后提供本地定时时钟。路），分频后提供本地定时时钟。2828 a a、数字锁相（续）数字锁相（续）- -微分整流型数字锁相法微分整流型数字锁相法 数字鉴相器数字鉴相器：又称相位误差检测器。由超前门：又称相位误差检测器。由超前门M M1 1和滞后门和滞后门M M2 2及三个单稳及三个单稳态电路构成。当本地定时与接收定时基准在鉴相器比较相位时，产生态电路构成。当本地定时与接收定时基准在鉴相器比较相位时，产生超前或滞后脉冲，控制可变分频器去调节本地定时的相位，使本地定超前或滞后脉冲，控制可变分频器去调节本地定时的相位，使本地定时相位与接收定时相

41、位一致。时相位与接收定时相位一致。可变分频器可变分频器：由固定除：由固定除n n的分频器、扣除门（常开）和附加门（常闭）的分频器、扣除门（常开）和附加门（常闭）组成。根据鉴相器相位比较的结果，当超前脉冲到来是，常开门扣除组成。根据鉴相器相位比较的结果，当超前脉冲到来是，常开门扣除一个脉冲，使本地定时相位推后；当滞后脉冲到来是，常闭门打开，一个脉冲，使本地定时相位推后；当滞后脉冲到来是，常闭门打开，附加一个脉冲，使分频器输出定时相位提前。附加一个脉冲，使分频器输出定时相位提前。 过程过程：设接收信号为不归零脉冲。将每个码元的宽度分为两个区，：设接收信号为不归零脉冲。将每个码元的宽度分为两个区，前

42、半码元称为前半码元称为“滞后区滞后区”，后半码元称为，后半码元称为“超前区超前区”。接收码元经微。接收码元经微分整流，并经单稳分整流，并经单稳4 4电路后，输出如波形电路后，输出如波形e e所示。当位同步脉冲波形所示。当位同步脉冲波形b b（取其上升沿形成脉冲）位于超前区时，波形取其上升沿形成脉冲）位于超前区时，波形e e和分频器和分频器d d端的输出波端的输出波形形d d使与门使与门A A有输出，该输出在经过单稳有输出，该输出在经过单稳1 1就产生一超前脉冲就产生一超前脉冲f f。若位同若位同步脉冲波形步脉冲波形bb落后于滞后区，分频器落后于滞后区，分频器c c端的输出波形（端的输出波形（c

43、 c与与d d反相关系）反相关系）如波形如波形cc所示。则与门所示。则与门B B有输出，再经过单稳有输出，再经过单稳2 2产生一滞后脉冲产生一滞后脉冲g g。这这样，无论位同步超前或滞后，对加于分频器的脉冲进行扣除或附加，样，无论位同步超前或滞后，对加于分频器的脉冲进行扣除或附加，来调整相位。来调整相位。 2929 a a、数字锁相（续）数字锁相（续）- -微分整流型数字锁相法微分整流型数字锁相法 从波形上看，为同步脉冲是由分频器从波形上看，为同步脉冲是由分频器d d端输出波形的正沿而形成的。端输出波形的正沿而形成的。所以相位调整的最后结果应该使波形所以相位调整的最后结果应该使波形d d的上升

44、沿对齐窄脉冲的上升沿对齐窄脉冲e e。若若d d端的端的输出波形最后调整到如波形图输出波形最后调整到如波形图dd所示的位置，则所示的位置，则A A、B B两个与门都有输两个与门都有输出；先是一个滞后脉冲，后是一个超前脉冲。这样调整的结果是位同出；先是一个滞后脉冲，后是一个超前脉冲。这样调整的结果是位同步信号的相位稳定在这个位置。这是我们希望的结果。步信号的相位稳定在这个位置。这是我们希望的结果。 但是，如果但是，如果d d端输出的波形调整到端输出的波形调整到dd的位置，此时的位置，此时A A、B B门都有输门都有输出，只是先是一个超前脉冲，后是一个滞后脉冲，位同步信号的相位出，只是先是一个超前

45、脉冲，后是一个滞后脉冲，位同步信号的相位也可以稳定在这一位置，则输出的位同步脉冲也可以稳定在这一位置，则输出的位同步脉冲b b就会与接收码元的相位就会与接收码元的相位相差相差1801800 0。克服这种不正确锁定的方法，就是利用。克服这种不正确锁定的方法，就是利用A A门先有输出的特点。门先有输出的特点。当当A A门先有输出时，一方面产生超前脉冲进行相位调整，另一方面该输门先有输出时，一方面产生超前脉冲进行相位调整，另一方面该输出经单稳出经单稳3 3产生移脉冲将与门产生移脉冲将与门B B封闭，不产生滞后脉冲。这样不断的让封闭，不产生滞后脉冲。这样不断的让A A门有输出超前脉冲，就可以调整分频器

46、输出信号的相位，直至波形门有输出超前脉冲，就可以调整分频器输出信号的相位，直至波形d d的的上升沿对齐窄脉冲上升沿对齐窄脉冲e e为止。为止。b b、同相正交积分型数字锁相同相正交积分型数字锁相 针对信噪比较低的系统而提出的。（略）针对信噪比较低的系统而提出的。（略）3030 数字通信中，一般是以一定数目的码元组成一个个的数字通信中，一般是以一定数目的码元组成一个个的“群群”进行进行传输，因此群同步信号的频率很容易由位同步信号经分频而得出。但传输，因此群同步信号的频率很容易由位同步信号经分频而得出。但是每群的开头和末尾时刻是无法由分频器的输出决定的。因此，是每群的开头和末尾时刻是无法由分频器的

47、输出决定的。因此，群同群同步的任务步的任务就是要给出这个就是要给出这个“开头开头”和和“末尾末尾”的时刻。的时刻。 通常有两种方法：通常有两种方法：一类一类是在数字信息流中插入一些是在数字信息流中插入一些特殊码组特殊码组作为作为每群的头尾标记，接收端根据这些特殊码组的位置就可以实现群同步。每群的头尾标记，接收端根据这些特殊码组的位置就可以实现群同步。另一类另一类，不使用特殊码组，而是，不使用特殊码组，而是利用数据本身之间彼此不同利用数据本身之间彼此不同的特性来的特性来实现自同步。实现自同步。 插入特殊码实现群同步的方法有两种：连贯式插入法和间隔式插插入特殊码实现群同步的方法有两种：连贯式插入法

48、和间隔式插入法。入法。1 1集中插入（连贯插入）集中插入（连贯插入） 在一帧开始的在一帧开始的n n位集中插入位集中插入n n比特帧同步码，比特帧同步码，PDHPDH中的中的A A律律PCMPCM基群、基群、二次群、三次、四次群，二次群、三次、四次群，律律PCMPCM二次群、三次群、四次群以及二次群、三次群、四次群以及SDHSDH中中各个等级的同步传输模块都采用集中插入式。各个等级的同步传输模块都采用集中插入式。 3131连贯式插入的特殊码字的特点：连贯式插入的特殊码字的特点： 码组尽可能短，以保证传输速度，使传输信息的有效时间长；码组尽可能短，以保证传输速度，使传输信息的有效时间长； 尽可能

49、避免信息数据中出现和它相同的码字，以减少假同步；尽可能避免信息数据中出现和它相同的码字，以减少假同步； 码字易产生，设备简单；码字易产生，设备简单； 要有尖锐的自相关函数；要有尖锐的自相关函数；这样的码字有如下几种：这样的码字有如下几种： 全全1 1码；全零码；码；全零码；1 1与与0 0交替码；巴克码交替码；巴克码; ;电话基群帧同步码电话基群帧同步码001101100110112 2分散插入式（间隔插入式）分散插入式（间隔插入式） n n比特帧同步码分散地插入到比特帧同步码分散地插入到n n帧内，每帧插入帧内，每帧插入1 1比持，比持，律律PCMPCM基基群及群及M M系统采用分散插入式。系统采用