西工大通信原理(期末复习、考研、求职必备)- 同步原理

1、通 信 原 理 电 子 教 案第11章 同步原理西 北 工 业 大 学 （2008.3）8/27/2022111.1 引言同步：是指收发双方在时间上保持步调一致。 同步的分类： 载波同步同频同相相干载波；位（码元）同步节拍一致、相位可调；群同步 帧同步；点对点网同步（通信网中用）。 同步信号来自于接收信号；在通信系统中，通常都是要求同步信息传输的可靠性高于信号传输的可靠性。本章要求：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。8/27/20222研究的问题： 引言 载波同步的方法 载波同步系统的性能 载波相位误差对解调性能的影响11.5 位同步的方法 11.6 位同步系统

2、的性能及其相位误差的性能的影响11.7 群同步11.8 扩频系统同步11.9 网同步8/27/2022311.2 载波同步的方法 获取方法 插入导频法（外同步法）：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的正弦波，接收端由导频提取载波； 直接法（自同步法）：不专门发送导频，在接收端直接从发送信号中提取载波。8/27/20224 适用：DSB、SSB、2DSP、2DPSK信号频谱中皆不含载波成分.原理：注：插入导频为“正交载波”与加在调制器的那个载波移相90。模型：8/27/20225数学分析：发端： 收端：LPF输出：8/27/20226（1）平方变换法和平方环法 发端：

3、设调制信号中无直流分量，则DSB信号为：收端：平方变换法模型：经平方律部件后:注：虽m(t)中无直流分量，但m2(t)却有直流分量，故e(t)中第二项包含有2c频率分量，经窄带滤波器可获成分：二分频，得:8/27/20229好处：窄带、跟踪、记忆、维持。讨论：平方环适于DSB，2PSK、2DPSKm2(t) k；对于4PSK图119。问题：二分频电路提取出的载波存在相位模糊问题。解决？ 问题：窄带滤波器不易实现。改进：用PLL（锁相环）代替。载波跟踪环8/27/202210（2）同相-正交环法（科斯塔斯环） 经低通后：目标：只需证得v7(载波相位差)。同相载波正交载波双PLL环模型：8/27/

4、202211经低通后的输出分别为 ：乘法器的输出为：上式可以近似地表示为：好处：载波提取、相干解调一次完成！v5; 工作频率为fc，不是2fc，当载波频率很高时易于实现； 无相位模糊问题。8/27/20221211.3 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、同步建立时间和同步保持时间。1、精度 精度是指提取的同步载波与载波标准比较，它们之间的相位误差大小。（1）稳态相位误差 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简单单调谐回路，其Q值一定。那么，当回路的中心频率0与载波频率c不相等时，就会使输出的载波同步信号引起一稳态相差。若0与c之差为，且较小时，可得

5、可见：Q值越高，所引起的稳态相差越大。 8/27/202213（2）随机相位误差 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其中：f0回路的中心频率，A接收信号幅度。可见：滤波器的Q值越高，随机相位误差越小。 8/27/2022142、同步建立时间和保持时间 建立时间 保持时间可见：要使建立时间变短，Q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Q值的要求是矛盾的。 8/27/202215 3、两种载波同步方法的比较 直接法的优缺点主要表现在以下几方面：（1）不占用

6、导频功率，因此信噪功率比可以大一些；（2）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 ;（3）但有的调制系统不能用直接法（如SSB系统）。插入导频法的优缺点主要表现在； （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；（2）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。 8/27/20221611.4 载波相位差对载波性能的影响设则8/27/202217讨论：希望：解调出m(t)，最好：cos = 1，即 = 0。若 = 0，x(t) = m(t)/2 -正是可希

7、望的 0，x(t)将衰减 cos 倍 对模拟信号，相当于功率下降cos2倍：S/N; 对数字信号，相当于能量下降cos2倍:8/27/20221811.5 位同步的方法要求：与发端节拍一致、相位可调。获取方法：插入导频法（外同步法）、直接法（自同步法）。1.插入导频法原理：同于载波同步时导频插入法。单/双极性NRZ部分响应系统8/27/202219部分响应系统：8/27/202220 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。 自同步法具体又可分为滤波法和锁相法。（1）波形变换滤波法波形变换：由微分、整流电路构成 。移相：正弦波，好实现。8/27

8、/202221（2）锁相法本地：同相常态 超前扣除 滞后添加接收码元频率：F晶振频率nF a、b两路脉冲相位相差180度相位比较器：完成本地脉冲与接收码元比相8/27/202222若相位相同：无附加脉冲；若超前：超前脉冲减脉冲 引起相位滞后：T/n；若滞后：滞后脉冲附加脉冲 引起相位超前：T/n；直至相位相同、锁定。本地同步脉冲T=1/Fnn-1123n-1nabcdefnn-1n123n12nn4n原理时序：8/27/20222311.6.1 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：（1）相位误差（精度）,（2）同步建立时间,（3）同步保持时间,（4）同步带宽

9、。1、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为n个，因此，最大调整相位为： 可以看到，随着n的增加，相位误差e将减小。 11.6 位同步系统的性能及相位误差对性能的影响8/27/2022242、同步建立时间ts定义：失去同步后重建同步最所需的长时间。故同步建立时间为：3、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。为了使同步建立时间ts减小，要求选用较小的n，这就和相位误差e对n的要求相矛盾 。8/27/202225式中：F0收发两端固有码元重复频率的几何平均值；F收

10、发两端存在频差。说明：要想延长同步保持时间tc，需要提高收发两端振荡器的频率稳定度。 8/27/20222611.6.2 位同步相位误差对性能的影响假设： 位同步相位误差c可用时间差Te来表示； 解调器已解调出基带数字信号，并假定采用MF法检测：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Te 。8/27/202227接收码元:位同步:积分、清洗(最佳接收)E 可充满，达最大值，获最大能量；E不能充满，能量损失可见： 相邻码元无数据变化时，位同步误差不影响取样点的积分能量，获最大能量E； 相邻码元有数据变化时，能量损失。 E= (1 - 2Te / T )E8/27/202228设

11、：相邻码元无数据变化的概率为P，取样点积分能量达E； 相邻码元有数据变化的概率为(1-P),取样点积分能量E。2PSK最佳接收时：等概时：其中：所以：可见：位同步相位差Pe8/27/20222911.7 群同步-帧同步11.7.1 引言前提：已实现位同步。任务：识别出数字信息群的起止时刻，或者说给出每个群的 “开头”和“末尾”时刻。实现方法： 自同步：利用数据码组本身之间不同的特性来实现。 外同步：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。连贯式插入法间隔式插入法重点：外同步。8/27/20223011.7.1 起止同步法结构：缺点：止脉冲与码元宽度不同，给

12、同步数字传输带来不便；传输效率低：67% 。8/27/20223111.7.2 连贯式插入法 连贯式插入法：在每群的开头集中插入群同步码字的同步方法。例：PCM30/32同步码字特殊码字：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；识别器要简单。最常用的群同步码字：“巴克码”。 1、巴克码 定义：一个长为n的码组x1, x2, x3, xn，其中xi 取值1，其局部自相关函数满足则称该码组为巴克码。 信 息 码标 识 码一帧8/27/202232表11-1巴克码字位数n巴克码字2+ +；+3+ +4+ + +；+ +5+ + +7+ + + +11+ + + + +13+ +

13、 + + + + +表中+表示+1，表示1 例：7位巴克码8/27/2022332、巴克码识别器8/27/20223411.7.3 间歇式插入法 定义：将群同步码字分散地插入到信息之中，即每隔一定数量的信息码元，插入一个群同步码字。例：PCM 24群同步则采用间歇式插入法。 收端要确定群同步码位置的方法： （1）逐码移位法； （2）RAM帧码检测法。 8/27/202235 逐码移位法的基本原理：由位同步脉冲经过n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较，使本地群码与发送来的群同步码同步。 8/27/202236例：等间隔插入全“1”码！a位同步码；c收到的码：信码、同步码；N同步位信息位=1+3=4;异或门不一致门经过计算，群同步平均建立的时间近似为：8/27/20223711.7.4 群同步系统的性能要求：同步时间要短，即捕获时间要短；同步性要可靠。影响同步性能的两个错误： 漏同步：如7位巴克码错1位，输出和将减为5；假同步：信息码中有同与巴克码的码形。1和参数的关系设：巴克码中每码元出错的概率为Pe，则正确的概率为1- Pe ； n巴克码的长度； m识别器允许巴克码出错的最大个数。8/27/202238 m = 0 ：未漏概率：(1-Pe)n漏概率: P1=1-(1-Pe)n m =1，m = 0 - 至多错一位 通式：n-巴