计算机通信技术第6章 同步技术

1、6.1 同步的作用及分类6.2 载波同步6.3 位同步6.4 群同步6.5 网同步第6章 同步技术6.1 同步的作用及分类发端收端（协调一致）节拍载波信号一致在通信系统中，特别是在数字通信系统中，同步是一个非常重要的问题。由于收发双方往往不在同一地，要使它们能步调一致的协调工作，必须要有同步系统作为保障。同步系统性能的好坏将直接影响通信质量的好坏。本章主要介绍同步的基本原理、实现方法以及其性能指标6.1.1 按照同步的功能分为： 载波同步 位同步 帧(群)同步 网同步(1) 载波同步载波同步是在相干解调时，接收端需要一个和接收信号的载波同频同相的本地载波，以便解调器进行相干解调。我们把本地载波

2、的获取称作为载波提取或载波同步。(2) 位同步（码元同步）位同步又称码元同步，这是数字通信系统特有的一种同步。在数字通信系统中，由于传送的信号是由“0”和“1”组成的码元序列，当发送端每发送一个码元，接收端就需要接收对应的码元，这就必须要求收发两端必须保持步调一致。(3)群（帧）同步 群同步也称帧同步。在数字通信系统中，信息是按照一定数据格式传送的，接收端要正确区分出各帧并根据发送端各帧的规律进行正确分帧，就必须知道这些字、句及其帧的开始和结束，产生与此起、止时刻相一致的定时脉冲序列，我们把它们分别称为字同步、句同步及其帧同步。在一个通信网中相互通信的设备较多，而这些设备之间传送的信息流各不相

3、同。当这些信息进行交换、复接时，需要网同步系统对其进行统一协调，使整个网络能够有条不紊地工作。(4) 网同步 6.1.2 按实现方式 外同步法 自同步法（1）外同步法由发送端发送专门的同步信息（导频），接收端把这个导频提取出来作为同步信号的方法。（2）自同步法发送端不需要发送专门的同步导频，接收端从接收到的信息中直接提取同步信息的方法，称为自同步法。6.2 载波同步载波同步的目的：接收机提取相干解调的本地载波载波同步的方法:发信号+导频收外同步 插入导频法发信号收内（自）同步 直接法平方变换法、平方环法、同相正交环法6.2.1 自同步法 也称直接法。它是一种直接从接收信号中提取载波同步信息的方

4、法。它主要研究消息信号中不直接包含载频成分的情况，如DSB信号、PSK信号等。虽然这些信号本身不包含载波，但可通过对其进行非线性变换后从中设法提取出载波。常见的方法主要有平方变换法、平方环法、同相正交环法等直接法举例（以调相信号为例）： 平方变换法 平方环法 同相正交环法（1）平方变换法平方变换法提取同步载波的工作原理如图所示：设输入的信号为2PSK,即已调信号为：（2）平方环法其中，x(t)为双极性信号， 为载波频率。由于 中不含直流成分，致使已调信号中不包含载波成分，故无法从已调信号中直接提取载波。设高斯白噪声经带通滤波器后被滤除，信号 经过平方律部件后的输出信号为： 平方环法提取载波工作

5、原理（3）同相正交环法 （科斯塔斯环，Costas）其原理如图所示： 经低通滤波器之后分别可得：V5和V6经过乘法器后可得：6.2.2 外同步法在某些信号中不包含载频成分,为了用相干接收法接收这种信号，可以在发送信号中另外加入一个或几个导频信号。在接收端可以用窄带滤波器将其从中提取并产生本地载波。我们将这种方法称为插入导频法。常见的插入导频法主要有频率正交插入导频法和时域插入导频法。外同步法中对于导频的要求： 导频必须插在信号频谱为零的位置。这是为了避免信号与导频间的相互干扰；应避免插入的导频对信号解调产生影响，例如常采用正交插入导频方式。插入导频时还应考虑能很方便地提取 的信息。 1 频率正

6、交插入导频法插入导频的位置应该在信号频谱为0的位置，否则导频与信号频谱成分重叠在一起，接收时不易提取。插入导频法的发送端系统方框图如下图所示：发送端发送的信号，经信道传输后由接收端用相干解调器接收，插入导频法的接收端系统方框图如下图所示：假设接收端接收到的信号为 ， 中的导频经过 窄带滤波器滤出来，再经移相 后可得到载波信号 。 与 经过乘法器后得到 ，即：经过低通滤波器后得到 ，即：再经相关译码器译码后可得到发送端发送的信号 。因此可见，采用正交插入导频法可消除直流干扰。2 时域插入导频法除了可在频域中插入导频外，还可以在时域中插入导频以传送和提取同步载波，即时域插入法。时域插入法是指导频在

7、时间上是断续传送的，即只在某些固定的时隙传送导频，其它时隙则传送信息。由于导频与信息在传送时间上是不同的，因而不会造成相互干扰。时域插入导频法的时间分配关系见下图所示：在每一帧的数据结构中，除了有一定位数的数字信息外，还要传送位同步信号、帧同步信号和载波同步信号。这种时域插入导频法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，如果用窄带滤波器来提取载波那么在实际中是不能用的。对于这种时域插入导频法常常采用锁相环技术来实现，其原理框图如下图

8、所示：在图中，接收端把载波标准提取出来，同本地振荡器进行比较，若二者相位不同，则产生误差电压，并用它来调整本地振荡信号的相位，使本振的信号和收到的载波同相。由于载波标准信号是断续的，因此调整也是断续的。所以，可以用调整过的本地振荡信号作为载波去解调接收信号。6.2.3载波同步的性能载波同步系统的主要性能指标： 高效率高精度高效率：在获得载波信号时，尽量少消耗发送功率（直接 法优于插入导频法）高精度指的是接收端提取的载波应是相位误差尽量小的相干载波。1相位误差载波同步的相位误差分为稳态相差和随机相差。稳态相位误差与提取电路密切相关，而随机相差则由噪声所引起。（1）稳态相差稳态相差主要是指载波信号

9、通过同步信号提取电路以后，在稳态下所引起的相位误差。对于不同的同步提取法，其稳态相差的计算方法也不同。在实际系统中，我们期望稳态相差越小越好。若采用窄带滤波器提取，则由窄带滤波器特性决定。若用单谐振电路作为窄带滤波器，则稳态相差和该谐振电路中心频率的准确度及回路的品质因素有关。根据单谐振电路知识，单谐振电路稳态相差为：式中，Q为回路品质因数； 为回路自然谐振频率； 为频率偏移，即 其中， 为载波频率。由上式可见，电路的Q值越大，附加相移也成比例地增大。若Q值恒定，则此附加相移也是恒定的。若用锁相环路提取载波，则稳态相差即为锁相环的剩余相差，即式中， 为锁相环路直流增益； 为压控振荡器中心频率与

10、载波频率之差。（2）随机相差随机相差 是由于随机噪声的影响而引起的同步信号的相位误差，它随噪声的起伏不断变化。在大信噪比的情况下，随机相差的方差 与信噪比成反比，即：其中，r为信噪比通常情况下，也用随机相差的标准偏差来描述随机相差的大小，我们称这个标准偏差为相位抖动，记为 。随机相差由滤波器特性或锁相环路特性来决定。一般而言，r 与信号功率、滤波器特性或环路等效噪声带宽及输入噪声噪声功率谱密度等有关。对于给定的噪声功率谱密度，窄带滤波器的通频带越窄，通过的噪声功率就越小，则信噪比就越大，那么此时所对应的随机相差就越小。另一方面，通频带越窄，要求滤波器的Q值就越大，那么此时所对应的稳态相差 就越

11、大。可见，稳态相差和随机相差对于Q值的要求是矛盾的。所以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。(3) 载波同步误差对2PSK信号误码率的影响由于载波提取系统的相位误差包括稳态相差和随机相差，即以PSK为例来分析相位误差对解调性能的影响。设已调的PSK信号为接收端所获得的相干载波为其中， 为相差。为了简化，假设 A=1，则经乘法器后的输出信号 为经低通滤波器后，第二项被滤出，所以低通滤波器后的输出信号为显然，当 时， ，解调后幅度最大；当 时， ，解调后幅度下降。这将影响信噪比 r，使信噪比 下降 倍，则由上式可见，相位

12、误差致使系统的误码率增大，所以在数字通信中应尽可能的减小 。2 载波同步建立时间从开始接收到信号（或从系统失步状态）至提取出稳定的载波所需要的时间称为载波同步建立时间。若用单谐振电路作为窄带滤波器提取载波时，根据单谐振电路特性，当 时，频率为 的高频振荡电流作用于单谐振电路，其输出电压表示式为式中， 是稳定后电压的幅度。通常电压幅度为 时，认为同步电压已建立。K 为某确定的系数，此时对应的时间为同步建立时间 ，即 （6.20）3 保持时间从开始失去信号到失去载频同步的时间称为同步保持时间。若仍然用单谐振电路作为窄带滤波器提取载波，在调频振荡电压稳定之后，当 时，高频振荡电流与单谐振电路切断，由

13、于回路储能元件的作用，回路输出信号保持过程的电压为 （6.21）同样，当幅度下降为 时，认为高频振荡已经消失，此时对应的时间为保持时间 ，即 ，则可得（6.22）(6.22)式为单调谐电路载波同步保持时间由式（6.20）和（6.22）可见， 和 与K 和Q 有关，通常取 。 和 随Q 值得增加而增大。但在实际中，我们希望 小， 而 大。因此在选取 Q值时， 和 是矛盾的，Q 值只能折衷选取。也可用建立时间和保持时间内的载波周期数 和 来表示建立时间和保持时间。则由式（6.20）和（6.22）可得（6.23）（6.24）当取 时，可得:6.3 位同步在数字通信系统中，发端按照确定的时间顺序，逐个

14、传输数码脉冲序列中的每个码元。而在接收端必须有准确的抽样判决时刻才能正确判决所发送的码元，因此，接收端必须提供一个确定抽样判决时刻的定时脉冲序列。这个定时脉冲序列的重复频率必须与发送的数码脉冲序列一致，同时在最佳判决时刻（或称为最佳相位时刻）对接收码元进行抽样判决。可以把在接收端产生这样的定时脉冲序列称为码元同步，或称位同步。滤波法锁相法插入导频法直接法位同步实现方法一、插入导频法 尽量少影响原始信号。在此处频谱分量为0，即无 信号。 易于滤出导频信息。导频附近频谱分量很小。 插在基带信号频谱的零点处 利用调制的方法插入 利用独立信道传送位定时信号1、导频插入在基带信号频谱的零点处导频插入方法

15、：在接收端，由窄带滤波器就可以从基带信号中提取位同步信号。一般基带信号的第一零点在f=1/T处。如果信号经过某种相关编码，其频谱的第一零点在f=1/2T处位同步插入导频法框图（对应于b)由窄带滤波器取出导频的另一路经过移相和放大限幅、微分全波整流、整形等电路，产生位定时脉冲，微分全波整流电路起到倍频器的作用，因此虽然导频是 fb /2，但定时脉冲的重复频率变为与码元速率fb相同。为减小导频对信号的影响，应从接收的总信号中减去导频信号。由窄带滤波器取出的导频（fb/2）经过移相和倒相后，再经过相加器把基带数字信号中的导频成分抵消。图中两个移相器都是用来消除由窄带滤波器等引起的相移，这两个移相器可

16、以合用。2、包络调制法所谓的包络调制法就是用位同步信号的某种波形（通常采用升余弦脉冲波形）对已调相载波进行附加的幅度调制，使其包络随位同步波形而变化。接收端再利用包络检波器和窄带滤波器就可以分离出位同步信号。适用于FSK、PSK中。都是包络不变的等幅波，因此，可将位同步导频信号调制在它们的包络上。以2PSK信号为例来介绍包络调制法的原理,其原理图如下：设已调的PSK信号为对它进行附加调幅后，可得信号为接收端对接收到的 进行包络检波，包络检波器的输出信号为 ，除去直流分量后，就可以获得位同步信号 。3、时域插入导频法插入位同步信息的方法有多种。从时域考虑，可以连续插入并随信号码元同时传输；也可以

17、在每组信号码元之前增加一个“位同步头”，由它在接收端建立位同步，并用锁相环使同步状态在相邻两个“位同步头”之间得以保持。插入导频法的优点是接收端提取位同步的电路简单；缺点是需要占用一定的频带带宽和发送功率，降低了传输的信噪比，减弱了抗干扰能力6.3.2 直接法不发送导频，直接从数字信号中提取位同步信号的方法 滤波法 包络“陷落”法 锁相法1、滤波法 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，但对该信号进行某种变换，变成归零脉冲，就会包含位同步分量，然后用窄带滤波器或锁相环可提取位同步信号.滤波法原理图特点就是：先形成含有同步信息的信号再用滤波器滤波微分整流法各点波形2 包络“陷落

18、”法在某些数字微波中继通信系统中,经常在中频上用对频带受限的2PSK信号进行包络检波的方法来提取位同步信号，图6所示为其原理框图。包络检波法各点波形图3、锁相法与载波同步的提取方法相类似，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，若二者相位不一致（超前或滞后），就会产生一个误差信号，通过定时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，这种锁相电路常采用数字锁相环来实现。采用数字锁相法提取位同步原理方框图如图6.3.3 位同步系统性能与载波同步系统相似，位同步系统的性能指标主要有

19、相位误差、同步建立时间、同步保持时间、同步带宽等，下面结合数字锁相环来介绍这些指标，并讨论相位误差对误码性能的影响。1 相位误差利用数字锁相环法提取位同步信号时，相位比较器比较出误差以后，立即加以调整，在一个码元周期 内加一个或扣除一个脉冲（相当于 相位内）。一个码元周期内由晶振及整形电路来的脉冲数为 n个，因此，最大调整相位为2 同步建立时间与载波同步相似，同步建立时间是指失去同步后重建同步所需要的最长时间，记为 。为了求得这个可能出现的最长时间，令位同步脉冲的相位与输出信号码元的相位误差为 , ，而锁相环每调整一步仅能调整 ,故所需的最大调整次数为由于数字信息是一个随机脉冲序列，可近似认为

20、两相邻码元中出现01、10、11和00的概率相等，其中有过零点的情况占一半。而数字锁相环法都是从数据过零点中提取标准脉冲，因此平均来说，每 可调整一次相位，故同步建立时间为上式可见同步建立时间和相位误差对n值的要求是矛盾的 3 同步保持时间同步建立之后，一旦输入信号中断，或者遇到长连0码，长连1码时，由于接收的码元没有过零脉冲，锁相系统就因为没有输入相位基准而起不到作用。另外，收发双方的固有位定时重复频率之间总是存在频差 ，接收端位同步信号的相位就会逐渐发生漂移，时间越长，相位漂移量就越大，直至漂移量达到某一准许的最大值，就算失步了.设收发两端固有的码元周期分别 为 和 ，则式 中， 为收发两

21、端固有码元重复频率的几何平均值，而且有这样（6.31）式可变为 （6.32） （6.31） 由上式可见，当收发两端存在频差 时，每经过时间 收发两端就会产生 的时间漂移。反过来，若规定两端容许的最大时间漂移为 秒（K为常数），达到此值所需要的时间就是同步保持时间 。即解得上式可得（6.33）（6.34） 若同步保持时间的指标给定，也可由（6.34）式求得对收发两端振荡器频率稳定度的要 求为 ，由于频率误差是由收发两端振荡器所引起。若假设两个振荡器的频率稳定度相同，则要求每个振荡器的频率稳定度不能低于显然，要想延长同步保持时间，需要提高接收、发送两端振荡器的频率稳定度。 4 同步带宽同步带宽是指

22、允许的收、发振荡器最大频差。由（6.31）式可见，若输入信号码元的重复频率和接收端固有位定时脉冲的重复频率不相等时，每经过 时间，该频差会引起 的时间漂移。根据锁相环的工作原理，锁相环每次所能调整的时间为 （ ）.如果对随机数字信号来说，平均每两个码元周期才能调整一次，那么平均一个码元周期内，锁相环能调整的时间只有 ，显然，如果输入信号码元的周期与接收端固有位定时脉冲的周期之差为（6.37）则锁相环将无法使接收端位同步脉冲的相位与输入信号的相位同步，这时，由频差所造成的相位差就会逐渐积累而使系统失去同步。因此，我们根据 可求得， 所以可得同步带宽表达式为5 位同步误差对性能的影响位同步相位误差

23、主要造成位同步脉冲的位移位同步脉冲的位移对接收性能的影响分为两种情况： 当信息无变化时，即0、1码之间没有转换，此时如有位移，对取样判决不会产生影响。 当信息交替时，则位移可能会产生影响。是否产生影响，还要看信号波形及取样判决的方式。如在最佳接收时，则会产生影响。因为最佳接收取样判决的参数为码元能量，而位定时位移影响码元的能量。6.4 群同步 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，但每帧的开头和结尾却无法由分频器决定。帧同步的任务就是给出这个“开头”和“结尾”的时刻。对群同步系统的基本要求是： 正确建立同步的概率要大

24、，即漏同步概率要小，错误同步或假同步的概率要小。 捕获时间要短，即同步建立的时间要短； 稳定地保持同步。采取保持措施，使同步保持时间持久稳定； 在满足群同步性能要求的条件下，群同步码的长度应尽可能的短些，这样可以提高信息传输效率。实现方法有两种：1)起止式同步法：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码组的位置实现帧同步。插入法又分为连贯式(集中）插入法和间隔式（分散）插入法。2)连贯插入法：连贯插入法又称集中插入法。它是指在每一信息群的开头集中插入作为群同步码组的特殊码组，该码组应在信息码中很少出现，即使偶尔出现，也不可能依照群的规律周期出现。接收端按群的周期连续数次

25、检测该特殊码组，这样便获得群同步信息。集中插入法的关键是寻找实现群同步的特殊码组。6.4.1 起止式同步法 电传机传输的信息码字由7.5个码元组成，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1.5码元正电平转到一个负电平的特殊规律确定起始位置，实现帧同步。这种方式传输不便，效率低。6.4.2连贯插入法 这种方法就是在每帧的开头集中插入帧同步码组的方法。作为帧同步码组的特殊码组 首先应具有尖锐单峰特性的局部自相关函数。局部自相关函数按下式计算：对同步码组另外一个要求是识别器应该尽量简单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：7位的巴克码

26、组为 自相关函数在j0时具有尖锐的单峰特性。以7位巴克码为例。识别器用7级移位寄存器、相加器和判决器就组成，具体结构如图所示。 各移位寄存器输出端的接法与巴克码一致。当输入数据的“1”存入移位寄存器时，“1”端的输出电平为+1，而“0”端的输出电平为-1；反之，存入数据“0”时，“0”端的输出电平为+1，“1”端的电平为-1。 如果输入移位寄存器的数字有一位或多位与巴克码不一致，则相加器输出就一定小于7；只有输入为巴克码时，相加器输出才为7。将判决器的判决门限电平定为+6，当在t1时刻7位巴克码全部进入移位寄存器，识别器输出一个帧同步脉冲。 输出的两个脉冲之间的数据，称为一帧数据或称为一群数据

27、。 6.4.3 分散插入法 此种方法是将帧同步码分散地插入到信息码元中，即每隔一定数量的信息码插入一个帧同步码元。为了便于提取，帧同步码选择原则是：便于收端识别，要求码组具有特定的规律性码型与信息码能区别开。分散插入的示意图如图所示这种方式比较多的用在多路数字通信系统中，如PCM 24路基群设备以及一些简单的M系统中，一般都采用1、0交替码型作为帧同步码间隔插入的方法。即一帧插入“1”码，下一帧插入“0”码，如此交替插入。由于每帧只插一位码，那么它与信码混淆的概率则为1/2，这样似乎无法识别同步码，但是这种插入方式在同步捕获时我们不是检测一帧两帧，而是连续检测数十帧，每帧都符合“1”、“0”交

28、替的规律才确认同步。分散插入法的缺点是当失步时，同步恢复时间较长，设备较复杂6.4.4 群同步系统的性能群同步系统的主要指标是同步可靠性（包括漏同步概率 和 假同步概率 ）及同步建立时间。1、漏同步概率数字信号在传输过程中由于干扰的影响使接收的同步码组产生误码，从而使群同步信息丢失，造成假失步现象，通常称为漏同步。出现这种现象的可能性称为漏同步概率漏同步的概率2 假同步概率被传输的信息码元是随机的，完全可能出现与帧同步相同的码组，这时识别器会把它当作帧同步码组来识别而造成假同步（或称为伪同步）。出现这种情况的可能性成为假同步概率假同步的总概率为 3 同步建立时间所谓建立时间是指从在捕捉态开始捕

29、捉转变到保持态所需的时间。在计算机通信中改善同步字符的识别特性常采用的有效措施有：(1)为了降低漏同步概率，连续用24个同步字符放在码组前面。当第一个SYN由于错码没有识别出来时，还可以识别第二个SYN如果有4个SYN规定须连续识别2个SYN才算获得了群同步。(2)为了降低假同步概率，在通信控制器处于寻找同步时，使识别器中的移位寄存器清零.(3)采用译码器或比较器作识别电路，取 ，就不易造成假同步，使假同步概率得到改善。6.4.5 群同步的保护对帧同步系统常采用的保护措施是将帧同步的工作状态划分为两种状态，即捕捉态和维持态。即在系统开始时或处于捕捉态(搜索态，也叫失步态)时，通过一定规律多次检测到帧同步信号时，系统才由捕捉态转换到维持态(同步态)；在维持态时，系统不会因一次偶然的无帧同步信号而转换工作状态，而是经过多次按规律的检测，的确发现系统已经失步才转换到捕捉态，重新