西工大通信原理(期末复习、考研、求职必备)-第11章同步原理

1、第第11 11章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2022-6-201通通 信信 原原 理理 电电 子子 教教 案案第第1111章章 同步原理同步原理西西 北北 工工 业业 大大 学学 （2008.3）第第11 11章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2022-6-20211.1 11.1 引言引言同步：同步：是指收发双方在时间上保持步调一致。是指收发双方在时间上保持步调一致。 同步的分类：同步的分类： 载波同步载波同步同频同相相干载波；同频同相相干载波；位位（码元）（码元）同步同步节拍一致、相位可调；节拍一致、相位可调；群同步群同步 帧同步；帧同步；点对点点对点网同步（通信网中用）。网同

2、步（通信网中用）。 同步信号来自于接收信号；在通信系统中，通常都是同步信号来自于接收信号；在通信系统中，通常都是要求要求同步信息传输的可靠性高于信号传输的可靠性。同步信息传输的可靠性高于信号传输的可靠性。本章要求本章要求：掌握载波、位、群同步的工作原理和获取方法。掌握载波、位、群同步的工作原理和获取方法。 性能及影响作一般了解。性能及影响作一般了解。第第11 11章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2022-6-203研究的问题：研究的问题： 11.1 11.1 引言引言 11.2 11.2 载波同步的方法载波同步的方法 11.3 11.3 载波同步系统的载波同步系统的性能性能 11.4 1

3、1.4 载波相位误差对解调性能的影响载波相位误差对解调性能的影响 11.5 11.5 位同步的方法位同步的方法 11.6 11.6 位同步系统的位同步系统的性能性能及其相位误差的性能的影响及其相位误差的性能的影响 11.7 11.7 群同步群同步 11.8 11.8 扩频系统同步扩频系统同步 11.9 11.9 网同步网同步第第11 11章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2022-6-20411.2 11.2 载波同步的方法载波同步的方法 获取方法获取方法 插入导频法（外同步法）：插入导频法（外同步法）：在发送有用信号的同时，在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载频

4、的正弦波，接收适当的频率位置上插入一个或多个称作载频的正弦波，接收端由导频提取载波；端由导频提取载波； 直接法（自同步法）：直接法（自同步法）：不专门发送导频，在接收端直接不专门发送导频，在接收端直接从发送信号中提取载波。从发送信号中提取载波。第第11 11章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2022-6-2051.1.插入导频法插入导频法 适用：适用：DSB、SSB、2DSP、2DPSK信号频谱中皆不含载波成分信号频谱中皆不含载波成分.原理：原理：注：注：插入导频为插入导频为“正交载波正交载波”与加在调制器的那个载与加在调制器的那个载波移相波移相90。模型：模型：第第11 11章章 同步原

5、理同步原理现代通信系统原理2022-6-2060( )( )sincosccccu ta m ttat数学分析：数学分析：发端：发端： 222( )( )sincossin( )cos2sin2( )222cccccccccccav ta m ttatata m tattm t收端：收端：LPF输出：输出：2( )( )2ca m tm t 第第11 11章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2022-6-2072211ffffffffrcmc在在VSBVSB信号中插入导频（不讨论）：信号中插入导频（不讨论）： 注：注：二进制数字调相信号就是抑制载波的双边带信号。故上二进制数字调相信号就是抑制

6、载波的双边带信号。故上述插入导频法完全适用于述插入导频法完全适用于2DPSK； SSB导频插入原理与上讨论一样；导频插入原理与上讨论一样； 在在VSB中插入不讨论，自学。中插入不讨论，自学。第第11 11章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2022-6-2082. 2. 直接法（自同步法）直接法（自同步法）思路：思路：DSB信号虽不含载波分量，但对该信号进行某种非线信号虽不含载波分量，但对该信号进行某种非线性变换（如：平方）后派生新的频率分量，就可从中提性变换（如：平方）后派生新的频率分量，就可从中提取同步信息。取同步信息。第第11 11章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2022-6-2

7、09（1 1）平方变换法和平方环法）平方变换法和平方环法 发端：发端：设调制信号中无直流分量，则设调制信号中无直流分量，则DSB信号为：信号为： ttmtsccos ttmtmttmtecc2cos212cos2222收端收端：平方变换法模型：平方变换法模型：经平方律部件后经平方律部件后:虽虽m(t)中无直流分量，但中无直流分量，但m2(t)却有直流分量却有直流分量，故，故e(t)中第中第二项包含有二项包含有2c频率分量，经窄带滤波器可获成分：频率分量，经窄带滤波器可获成分：2c二分频，得二分频，得:cosct第第11 11章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2022-6-2010好处：好处

8、：窄带、跟踪、记忆、维持。窄带、跟踪、记忆、维持。讨论：讨论：平方环平方环适于适于DSB，2PSK、2DPSKm2(t) k；对于对于4PSK图图119。问题：问题：二分频电路提取出的载波存在二分频电路提取出的载波存在相位模糊问题。相位模糊问题。解决？解决？ 问题：问题：窄带滤波器不易实现。窄带滤波器不易实现。改进：改进：用用PLL（锁相环）代替。（锁相环）代替。载波跟踪环载波跟踪环第第11 11章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2022-6-2011（2 2）同相）同相- -正交环法（科斯塔斯环）正交环法（科斯塔斯环） 31421coscoscoscos 221cossinsinsin

9、22ccccccvm tttm ttvvm tttm ttv 同相载波正交载波经低通后：经低通后：目标：目标：只需证得只需证得v7( (载波相位差载波相位差) )。同相载波同相载波正交载波正交载波双双PLL环环模型：模型： ttmccos第第11 11章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2022-6-2012 sin21cos2165tmvtmv 2814122657sincossintmtmvvv tmv2741经低通后的输出分别为经低通后的输出分别为 ：乘法器的输出为：乘法器的输出为：上式可以近似地表示为：上式可以近似地表示为：好处：好处：载波提取、相干解调一次完成！载波提取、相干解调一

10、次完成！v5; 工作频率为工作频率为fc，不是，不是2fc，当载波频率很高时易于实现；，当载波频率很高时易于实现； 无无相位模糊问题。相位模糊问题。第第11 11章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2022-6-201311.3 11.3 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包括：效率、精度、同步建立时间载波同步系统的主要性能包括：效率、精度、同步建立时间和同步保持时间。和同步保持时间。1 1、精度、精度 精度是指提取的同步载波与载波标准比较，它们之间的相精度是指提取的同步载波与载波标准比较，它们之间的相位误差大小。位误差大小。（1 1）稳态相位误差）稳态相位

11、误差 当利用窄带滤波器提取载波时，假设所用的窄带滤波器为一当利用窄带滤波器提取载波时，假设所用的窄带滤波器为一简单简单单调谐回路单调谐回路，其，其Q值一定。那么，当回路的中心频率值一定。那么，当回路的中心频率0与与载波频率载波频率c不相等时，就会使输出的载波同步信号引起一稳态不相等时，就会使输出的载波同步信号引起一稳态相差相差。若。若0与与c之差为之差为，且，且较小时，可得较小时，可得02Q可见：可见：Q值越高，所引起的稳态相差越大。值越高，所引起的稳态相差越大。 第第11 11章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2022-6-2014（2 2）随机相位误差）随机相位误差 从物理概念上讲，正

12、弦波加上随机噪声以后，相位变化是随从物理概念上讲，正弦波加上随机噪声以后，相位变化是随机的，它与噪声的性质和信噪功率比有关。经过分析当噪声为机的，它与噪声的性质和信噪功率比有关。经过分析当噪声为窄带高斯噪声时，随机相位差与信噪功率比之间的关系式为窄带高斯噪声时，随机相位差与信噪功率比之间的关系式为20021 22nnfrAQ其中：其中：f0回路的中心频率，回路的中心频率，A接收信号幅度。接收信号幅度。可见：可见：滤波器的滤波器的Q值越高，随机相位误差越小。值越高，随机相位误差越小。 第第11 11章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2022-6-20152 2、同步建立时间和保持时间、同步建

13、立时间和保持时间 建立时间建立时间 保持时间保持时间可见：可见：要使建立时间变短，要使建立时间变短，Q值需要减小；要延长保持时间，值需要减小；要延长保持时间，Q值要求增大，因此这两个参数对值要求增大，因此这两个参数对Q值的要求是矛盾的。值的要求是矛盾的。 00220.46()scQQtt第第11 11章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2022-6-2016 3 3、两种载波同步方法的比较、两种载波同步方法的比较 直接法的优缺点直接法的优缺点主要表现在以下几方面：主要表现在以下几方面：（1）不占用导频功率不占用导频功率，因此信噪功率比可以大一些；，因此信噪功率比可以大一些；（2）防止导频和信

14、号间的互相干扰，也可以防止信道不理想防止导频和信号间的互相干扰，也可以防止信道不理想引起导频相位的误差引起导频相位的误差 ;（3）但但有的调制系统不能用直接法（如有的调制系统不能用直接法（如SSB系统）。系统）。插入导频法的优缺点插入导频法的优缺点主要表现在；主要表现在； （1）有单独的导频信号，一方面可以提取同步载波，另一方）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；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）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；导频法；（2）与直接法比较，在总功率相同条件下实际

15、信噪功率比要）与直接法比较，在总功率相同条件下实际信噪功率比要小一些。小一些。 第第11 11章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2022-6-201711.4 11.4 载波相位差对载波性能的影响载波相位差对载波性能的影响( )( )cos( )cos()mcccstm ttv tt设设则则( )( )( )( )coscos()11( )cos( )cos()221( )( )cos2smccccov tst v tm tttm tm ttLPFv tm t第第11 11章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2022-6-2018讨论：讨论：希望：希望：解调出解调出m(t)，最好：最好：

16、cos = 1，即，即 = 0。若若 = 0，x(t) = m(t)/2 -正是可希望的正是可希望的 0，x(t)将衰减将衰减 cos 倍倍 对模拟信号，相当于功率下降对模拟信号，相当于功率下降cos2倍：倍：S/N; 对数字信号，相当于能量下降对数字信号，相当于能量下降cos2倍倍:1( )( )cos2ov tm t2012be pskEPerfcn最佳第第11 11章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2022-6-201911.5 11.5 位同步的方法位同步的方法要求：要求：与发端节拍一致、相位可调。与发端节拍一致、相位可调。获取方法：获取方法：插入导频法（外同步法）、直接法（自同步

17、法）。插入导频法（外同步法）、直接法（自同步法）。1.1.插入导频法插入导频法原理：原理：同于载波同步时导频插入法。同于载波同步时导频插入法。单单/ /双极性双极性NRZNRZ部分响应系统部分响应系统第第11 11章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2022-6-2020部分响应系统：部分响应系统：第第11 11章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2022-6-20212.2.自同步法自同步法 当系统的位同步采用自同步方法时，发端不专门发送导频当系统的位同步采用自同步方法时，发端不专门发送导频信号，而直接从数字信号中提取位同步信号。信号，而直接从数字信号中提取位同步信号。 自同步法具体又可

18、分为自同步法具体又可分为滤波法滤波法和和锁相法锁相法。（1 1）波形变换滤波法）波形变换滤波法波形变换：波形变换：由微分、整流电路构成由微分、整流电路构成 。移相：移相：正弦波，好实现。正弦波，好实现。第第11 11章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2022-6-2022（2 2）锁相法）锁相法本地：同相常态本地：同相常态 超前扣除超前扣除 滞后添加滞后添加接收码元频率：接收码元频率：F晶振频率晶振频率nF a、b两路脉冲相位相差两路脉冲相位相差180度度相位比较器：完成本地脉冲与接收码元比相相位比较器：完成本地脉冲与接收码元比相第第11 11章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2022

19、-6-2023若若相位相位相同：相同：无附加脉冲；无附加脉冲；若若超前：超前：超前脉冲超前脉冲减脉冲减脉冲 引起相位滞后：引起相位滞后：T/n；若若滞后：滞后：滞后脉冲滞后脉冲附加脉冲附加脉冲 引起相位超前：引起相位超前：T/n；直至相位相同、锁定。直至相位相同、锁定。本地同步脉冲本地同步脉冲T=1/Fnn-11 23n-1nabcdefnn-1n 1 23n 1 2nn4n原理时序：原理时序：第第11 11章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2022-6-202411.6.1 11.6.1 位同步系统的性能指标位同步系统的性能指标 位同步系统的性能指标除了效率以外，主要有以下几个：位同步系

20、统的性能指标除了效率以外，主要有以下几个：（1）相位误差（精度）相位误差（精度）,（2）同步建立时间）同步建立时间,（3）同步保持）同步保持时间时间,（4）同步带宽。）同步带宽。1 1、相位误差、相位误差e 由上图可见一个码元周期内由晶振及整形电路来的脉冲数由上图可见一个码元周期内由晶振及整形电路来的脉冲数为为n个，因此，最大调整相位为：个，因此，最大调整相位为： ne 360可以看到，随着可以看到，随着n的增加，相位误差的增加，相位误差e将减小。将减小。 11.6 11.6 位同步系统的性能及相位误差对性能的影响位同步系统的性能及相位误差对性能的影响第第11 11章章 同步原理同步原理现代通

21、信系统原理2022-6-20252、同步建立时间、同步建立时间ts定义：定义：失去同步后重建同步最所需的长时间。失去同步后重建同步最所需的长时间。故故同步建立时间同步建立时间为：为：bbsnTNTt 23、同步保持时间、同步保持时间tc 系统因为没有输入，使得收端位同步信号的相位就会逐渐系统因为没有输入，使得收端位同步信号的相位就会逐渐发生漂移，时间越长，相位漂移量越大，直至漂移量达到某发生漂移，时间越长，相位漂移量越大，直至漂移量达到某一准许的最大值，就算失步了。一准许的最大值，就算失步了。为了使同步建立时间为了使同步建立时间ts减小，要求选用较小的减小，要求选用较小的n，这就和相位误，这就

22、和相位误差差e对对n的要求相矛盾的要求相矛盾 。第第11 11章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2022-6-202600122ctFFKF式中：式中：F0收发两端固有码元重复频率的几何平均值；收发两端固有码元重复频率的几何平均值；F收发两端存在频差。收发两端存在频差。说明：说明：要想延长同步保持时间要想延长同步保持时间tc，需要提高收发两端振荡器的，需要提高收发两端振荡器的频率稳定度。频率稳定度。 第第11 11章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2022-6-202711.6.2 11.6.2 位同步相位误差对性能的影响位同步相位误差对性能的影响假设：假设： 位同步相位误差位同步相位

23、误差c可用时间差可用时间差Te来表示；来表示； 解调器已解调出基带数字信号，并假定采用解调器已解调出基带数字信号，并假定采用MF法检测：法检测：即对基带信号进行积分、取样和判决；即对基带信号进行积分、取样和判决； 设位同步超前接收码元设位同步超前接收码元Te 。第第11 11章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2022-6-2028接收码元接收码元: :位同步位同步: :积分、清洗积分、清洗( (最佳接收最佳接收) )E 可充满，可充满，达最大值，获最达最大值，获最大能量；大能量；E不能充满，不能充满，能量损失能量损失可见：可见： 相邻码元无数据变化时，位同步误差不影响取样点的积相邻码元无数

24、据变化时，位同步误差不影响取样点的积分能量，获最大能量分能量，获最大能量E； 相邻码元有数据变化时，能量损失。相邻码元有数据变化时，能量损失。 E= (1 - 2Te / T )E第第11 11章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2022-6-2029设：设：相邻码元无数据变化的概率为相邻码元无数据变化的概率为P P，取样点积分能量达，取样点积分能量达E E； 相邻码元有数据变化的概率为相邻码元有数据变化的概率为(1-P),(1-P),取样点积分能量取样点积分能量EE。2PSK最佳接收时：最佳接收时：等概时：等概时：012eEPerfcn0011(1)22eEEPPerfcPerfcnn00

25、11(11.6.2)44eeEEPerfcerfcPnn2(1)eTEET其中：其中：所以：所以：可见：可见：位同步相位差位同步相位差Pe第第11 11章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2022-6-203011.7 11.7 群同步群同步-帧同步帧同步11.7.1 11.7.1 引言引言前提：前提：已实现已实现位同步。位同步。任务任务：识别出数字信息群的起止时刻，或者说给出每个群的：识别出数字信息群的起止时刻，或者说给出每个群的 “开头开头”和和“末尾末尾”时刻。时刻。实现方法：实现方法： 自同步：自同步：利用数据码组本身之间不同的特性来实现。利用数据码组本身之间不同的特性来实现。 外同

26、步：外同步：在数字信息流中插入一些特殊码字作为每个群的在数字信息流中插入一些特殊码字作为每个群的头尾标记，接收端据其位置实现群同步。头尾标记，接收端据其位置实现群同步。连贯式插入法连贯式插入法间隔式插入法间隔式插入法重点：重点：外同步。外同步。第第11 11章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2022-6-203111.7.1 11.7.1 起止同步法起止同步法结构：结构：缺点：缺点：止脉冲与码元宽度不同，给同步数字传输带来不便；止脉冲与码元宽度不同，给同步数字传输带来不便；传输效率低：传输效率低：67% 。第第11 11章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2022-6-203211.7.

27、2 11.7.2 连贯式插入法连贯式插入法 连贯式插入法：连贯式插入法：在在每群的开头集中插入每群的开头集中插入群同步码字的同步方法。群同步码字的同步方法。例：例：PCM30/32同步码字同步码字特殊码字：特殊码字：局部自相关特性有尖锐的峰值；局部自相关特性有尖锐的峰值；在信息码元序列中不易出现以便识别；在信息码元序列中不易出现以便识别；识别器要简单。识别器要简单。最常用的群同步码字最常用的群同步码字：“巴克码巴克码”。 1 1、巴克码、巴克码 定义：定义：一个长为一个长为n的码组的码组x1, x2, x3, xn，其中，其中xi 取值取值1，其，其局局部自相关函数部自相关函数满足满足10(

28、)0, 1, 10njiijinjR jx xjn 当当则称该码组为巴克码。则称该码组为巴克码。 信信 息息 码码标标 识识 码码一帧一帧第第11 11章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2022-6-2033表表11-1巴克码字巴克码字位数位数n巴克码字巴克码字2+ +；+3+ +4+ + +；+ +5+ + +7+ + + +11+ + + + +13+ + + + + + +表中表中+表示表示+1，表示表示1 10( )0, 1, 10njiijinjR jx xjn 当当例：例：7位巴克码位巴克码第第11 11章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2022-6-20342 2、巴克码

29、识别器、巴克码识别器第第11 11章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2022-6-203511.7.3 11.7.3 间歇式插入法间歇式插入法 定义：定义：将群同步码字分散地插入到信息之中，即每隔一定数量将群同步码字分散地插入到信息之中，即每隔一定数量的信息码元，插入的信息码元，插入一个一个群同步码字。群同步码字。例：例：PCM 24群同步则采用间歇式插入法。群同步则采用间歇式插入法。 收端收端要确定群同步码位置的方法：要确定群同步码位置的方法： （1 1）逐码移位法；）逐码移位法； （2 2）RAM帧码检测法。帧码检测法。 第第11 11章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2022-6

30、-2036 逐码移位法的基本原理：逐码移位法的基本原理：由位同步脉冲经过由位同步脉冲经过n次分频以后的本次分频以后的本地群码与接收到码元中间歇式插入的群同步码进行逐码移位比地群码与接收到码元中间歇式插入的群同步码进行逐码移位比较，使本地群码与发送来的群同步码同步。较，使本地群码与发送来的群同步码同步。 第第11 11章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2022-6-2037bsTNt2例：等间隔插入例：等间隔插入全全“1”码！码！a位同步码；位同步码；c收到的码：信收到的码：信码、同步码；码、同步码；N同步位信同步位信息位息位=1+3=4;异或门不一致异或门不一致门门经过计算，群同步平均经过计算，群同步平均建立的时间近似为：建立的时间近似为：第第11 11章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2022-6-203811.7.4 11.7.4 群同步系统的性能群同步系统的性能要求：要求：同步时间要短，即捕获时间要短；同步时间要短，即捕获时间要短；同步性要可靠。同步性要可靠。影响同步性能的两个错误：影响同步性能的两个错误： 漏同步：如