第7章同步原理

7.1概述7.2载波同步7.3位同步7.4群（帧）同步7.5网同步概念第七章同步原理7.1概述发端收端（协调一致）节拍载波信号一致同步是指收发双方在时间上步调一致，故又称定时，是信息正确接收的前提。

载波同步位同步群同步网同步7.1概述1、按照同步的功用分为：载波同步是指在相干解调时，接收端需要获得一个与发送端同频同相的相干载波。这个载波的获取称为载波提取或载波同步。

位同步又称码元同步。为了得到抽样周期，保证相位一致。在数字通信系统中，任何消息都是通过一连串码元序列传送的，所以接收时需要知道每个码元的起止时刻，以便在恰当的时刻进行取样判决。(1)载波同步(2)位同步7.1概述(3)群同步群同步有时也称帧同步，包含字同步、句同步、分路同步。在数字通信中，信息流是用若干码元组成一个“字”，又用若干个“字”组成“句”。在接收这些数字信息时，必须知道这些“字”、“句”的起止时刻，否则接收端无法正确恢复信息。7.1概述在获得了以上讨论的载波同步、位同步、群同步之后，两点间的数字通信就可以有序、准确、可靠地进行了。然而，随着数字通信的发展，尤其是计算机通信的发展，多个用户之间的通信和数据交换，构成了数字通信网。显然，为了保证通信网内各用户之间可靠地通信和数据交换，全网必须有一个统一的时间标准时钟，这就是网同步的问题。(4)网同步7.1概述2、按照获取和传输同步信息方式分为：

外同步法自同步法7.1概述由发送端发送专门的同步信息（常被称为导频），接收端把这个导频提取出来作为同步信号的方法，称为外同步法。7.1概述(1)外同步法(2)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。例如曼彻斯特编码。

自同步法是人们最希望的同步方法，因为可以把全部功率和带宽分配给信号传输。在载波同步和位同步中，两种方法都采用，但自同步法正得到越来越广泛的应用。而群同步一般都采用外同步法。7.1概述

同步是进行信息传输的必要和前提。同步性能的好坏直接影响着通信系统的性能。如果出现同步误差或失去同步就会导致通信系统性能下降或通信中断。同步系统应具有比信息传输系统更高的可靠性和更好的质量指标，如同步误差小、相位抖动小以及同步建立时间短，保持时间长等。7.1概述7.2载波同步信道m(t)基带信号×滤波器h(t)滤波器×低通m(t)相干解调问题：中间有信道及滤波设备，如何如何保障一定得到同频同相的相干载波？载波同步的目的：获得同频同相的相干载波。载波同步的方法:7.2载波同步发—>信号+导频—>收外同步

插入导频法发—>信号—>收内同步

直接法1、何时用插入导频法?2、插在什么位置?3、插什么内容?研究问题：7.2.1插入导频法1、何时用插入导频法对于已调信号本身不含载波或接收端很难从已调信号的频谱中分离出载波这种情况，在发送有用信号的同时，在适当频率位置上，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，这类方法称为插入导频法，也叫外同步法。DSB-SC、SSB、VSB、PSK双边带抑制载波单边带残留边带移相键控无载波有但难提取P=1/2时无载波7.2.1插入导频法2、导频插在什么位置?(以双边带抑制载波为例)

尽量少影响原始信号。在此处频谱分量为0，即无原始信号。易于滤出相干载波。载频附近频谱分量很小。0ffcfc+fmfc-fm图6-1DSB-SC信号的导频插入7.2.1插入导频法3、插什么(以双边带抑制载波为例)载波移相900后的“正交载波”。7.2.1插入导频法m(t)调制信号带通滤波器相加器×输出900相移低通带通滤波器fc窄带滤波器×900相移图7-2插入导频法发端框图图7-3插入导频法收端框图7.2.1插入导频法导频信号的位置和信号的具体形式有关应易于滤出导频信号的形式是正交载波图7.2、7.3所示为插入导频法的系统框图，窄带滤波器可以用锁相环来替代。7.2.1插入导频法思考：既然收发所用载波一样，为何要用正交载波？7.2.1插入导频法思考提示：有直流分量，影响信号7.2.1插入导频法直接法也称自同步法。这种方法是设法从接收信号中提取同步载波。有些信号，如DSB-SC、PSK等，它们虽然本身不直接含有载波分量，但经过某种非线性变换（平方变换、平方环）后，可从中提取出载波分量来。7.2.2直接法直接法举例平方变换法平方环法同相正交环法7.2.2直接法此方法广泛用于建立抑制载波的双边带信号的载波同步。1、平方变换法s(t)图7–4平方变换法提取载波7.2.2直接法平方后双边带信号2fc窄带滤波器二分频7.2.2直接法在实际中，伴随信号一起进入接收机的还有加性高斯白噪声，为了改善平方变换法的性能，使恢复的相干载波更为纯净，图7-4中的窄带滤波器常用锁相环代替，称为平方环法提取载波。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具有更好的性能。因此，平方环法提取载波得到了较广泛的应用。7.2.2直接法2、平方环法图7-5平方环法提取载波7.2.2直接法

鉴相器是个相位比较装置。它把输入信号Si(t)和压控振荡器的输出信号So(t)的相位进行比较，产生对应于两个信号相位差的误差电压Se(t)。

环路滤波器的作用是滤除误差电压Se(t)中的高频成分和噪声，以保证环路所要求的性能，增加系统的稳定性。

压控振荡器受控制电压Sd(t)的控制，使压控振荡器的频率向输入信号的频率靠拢，直至消除频差而锁定。7.2.2直接法平方变换法、平方环法存在的问题：载波提取的方框图中用了一个二分频电路，由于分频起点的不确定性，使其输出的载波相对于接收信号相位有180°的相位模糊。相位模糊对模拟通信关系不大，因为人耳听不出相位的变化。相位模糊对数字通信的影响有可能使2PSK相干解调后出现“反向工作”的问题，克服相位模糊度对相干解调影响的最常用而又有效的方法是采用相对移相（2DPSK），并且在解调后进行差分译码恢复信息。7.2.2直接法3、同相正交环法同相正交环法又叫科斯塔斯(Costas)环。在此环路中，压控振荡器(VCO)提供两路互为正交的载波，与输入接收信号分别在同相和正交两个鉴相器中进行鉴相，经低通滤波之后的输出均含调制信号，两者相乘后可以消除调制信号的影响，经环路滤波器得到仅与相位差有关的控制压控，从而准确地对压控振荡器进行调整。7.2.2直接法VCO图7-6Costas环法提取载波低通压控振荡器低通环路滤波器90°相移载波输出输入已调信号v3v5v1v2v4v6v77.2.2直接法VCO输出滤波后相乘后v5和v6相乘后如果我们把图7-6中除环路滤波器(LF)和压控振荡器(VCO)以外的部分看成一个等效鉴相器(PD)，其输出v7正是我们所需要的误差电压。用v7去调整压控振荡器输出信号的相位，最后就可以使稳态相位误差θ减小到很小的数值。这样压控振荡器的输出v1

就是所需要提取的载波。不仅如此，当θ减小到很小的时候，v5就接近于调制信号m(t)，因此，同相正交环法同时还具有了解调功能，目前在许多接收机中已经到了使用。7.2.2直接法Costas环与平方环都是利用锁相环（PLL）提取载波的常用方法。

Costas环与平方环相比，在电路上要复杂一些，但它的工作频率即为载波频率，而平方环的工作频率是载波频率的两倍，显然当载波频率很高时，工作频率较低的Costas环易于实现当环路正常锁定后，Costas环可直接获得解调输出，而平方环则没有这种功能。7.2.2直接法

直接法的优缺点：

(1)不占用导频功率．因此信噪功率比大一些；

(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，也可以防止信道不理想引起导频相位的误差；

(3)有的调制系统不能用直接法（如SSB系统）。两种载波同步方法的比较

插入导频法的优缺点：

(1)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)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；

(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，在总功率相同条件下实际信噪功率比要小一些。两种载波同步方法的比较7.2.3载波同步系统的性能指标高效率高精度同步的建立时间、保持时间高效率指的是为了获取载波信号而尽量少消耗发送功率。（直接法优于插入导频法）载波同步系统的性能指标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。载波相位误分为稳态误差和随机误差:稳态误差主要是由系统决定，随机误差则是由随机噪声产生。同步建立时间ts和保持时间tc，要求ts短，tc长。建立时间：同步信号从无到有的过程。保持时间：同步信号从最高到无的过程。7.2.3载波同步系统的性能指标窄带滤波器U:同步信号峰值kU:输出电压的包络达到此值，认为同步建立tUkUtstc7.2.3载波同步系统的性能指标7.3位同步位同步的概念：在数字通信系统中，发端按照确定的时间顺序，逐个传输数码脉冲序列中的每个码元。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。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。7.3位同步位同步的实现方法：滤波法得到位同步信号有两种方法：对信号进行某种变换后滤出位同步信号；对带限信号进行包络检波，利用幅度的“陷落”进而恢复出位同步信号。滤波法锁相法位同步锁相法是指利用锁相环来提取位同步信号，根据数字通信的需要，常采用数字锁相环。插入导频法直接法例如：随机的二进制不归零码基带信号序列，本身不包含位同步信号导频插入的方法?问题：7.3.1插入导频法1、插在基带信号频谱的零点处2、利用调制的方法插入3、利用独立信道传送位定时信号1、导频插在插在基带信号频谱零点处图7-7导频插入位置示意（1）插入位置示意7.3.1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。易于滤出载波。载频附近频谱分量很小。7.3.1插入导频法（2）接收端如何提取导频信号（对应图6-7b）图7-8位同步插入导频法框图7.3.1插入导频法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相同的。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，这两个移相器可以合用。7.3.1插入导频法2、用调制的方法插入—双重调制导频插入法

适用于FSK、PSK中。都是包络不变的等幅波，因此，可将位导频信号调制在它们的包络上。

对已调信号再进行附加的幅度调制，调幅用的信号即位同步信号

接收端用包络检波得到位同步信号7.3.1插入导频法7.3.1插入导频法3、利用独立信道传送位定时信号

常用于多路并发系统。不经济。7.3.1插入导频法直接法也称自同步法。这种方法是设法从接收信号中提取同步信号。自同步法分为：

滤波法锁相法7.3.2直接法1、采用滤波法提取位同步7.3.2直接法根据基带信号的频谱分析，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。但是，若对该信号进行某种变换，例如，变成单极性归零脉冲后，则该序列中就有的位同步信号分量，经一个窄带滤波器，可滤出此信号分量，再将它通过一移相器调整相位后，就可以形成位同步脉冲。这种方法的方框图如图6-9所示。1、采用滤波法提取位同步波形变换

窄带滤波器移相脉冲形成全占空码单极性归零码fb位同步图7–9滤波法原理图1011微分、整流7.3.2直接法2、采用数字锁相法提取位同步图7–10数字锁相法原理图7.3.2直接法晶振产生信号经过整形电路后，成为周期信脉冲；经过控制电路送入n次分频器，输出位同步脉冲；分频器输出位同步脉冲超前于接收码元的相位时，通过扣除门扣除一个脉冲，将分频器输出脉冲相位推后1/n周期；如果输出位同步脉冲与码元不同频同相，则要根据相位比较器输出的误差，通过控制器反复调整分频器，得到位同步脉冲。分频器输出位同步脉冲滞后滞后于接收码元的相位时，通过添加门插入一个脉冲，将分频器输出脉冲相位提前1/n周期；位同步系统的性能指标主要有以下几个：

相位误差（精度）

同步建立时间

同步保持时间同步带宽7.3.3位同步系统的性能指标1、相位误差θe

利用数字锁相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（相当于360°相位内）加一个或扣除一个脉冲。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：7.3.3位同步系统的性能指标nθe同步建立时间：失去同步后重建同步最所需的最长时间。2、同步建立时间ts、保持时间tc7.3.3位同步系统的性能指标令位同步脉冲的相位与输入信号码元的相位相差为Tb/2秒，而锁相环每调整一步仅能调整Tb/n

秒，故所需最大的调整次数为:2、同步建立时间ts、保持时间tc7.3.3位同步系统的性能指标由于数字信息是一个随机的脉冲序列，可近似认为两相邻码元中出现01、10、11、00的概率相等，其中有过零点的情况占一半。而数字锁相法都是从数据过零点中提取标准脉冲的，因此平均来说，每2Tb秒可调整一次相位，故同步建立时间为:

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

对n的要求相矛盾。3、同步保持时间tc7.3.3位同步系统的性能指标同步建立后，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不起作用，另外收发双方的固有位定时重复频率之间总存在频差，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。T1:收端固有码元周期T2:发端固有码元周期设最大允许漂移量为T0/K7.3.3位同步系统的性能指标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。

如果输入信号码元的重复频率和收端固有位定时脉冲的重复频率不相等时，每经过T0时间该频差会引起的时间漂移。锁相环每次所能调整的时间为Tb/n,如果对随机数字来说，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Tb/2n

。则：4、同步带宽Δf

7.3.3位同步系统的性能指标7.4群（帧）同步技术

群同步的任务就是在位同步信息的基础上，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。实现群同步方法：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。实现方式：连贯式插入法和间隔式插入法。7.4.1起止同步法例如电传机。11.5负脉冲正脉冲图7–11起止式同步

不发信号时，一直发送停止位。收端根据正电平第一次转到负电平，确定一个字的起始位置。缺点：止脉冲宽度与码元宽度不一致，同步传输不便；效率低，一般用在异步低速传送方式中。7.4.1起止同步法连贯式插入法就是在每群的开头集中插入群同步码字的同步方法。7.4.2连贯式插入法群同步码的选择：1)能很快地被识别检出，且位置准确；2)尽量无假同步和漏同步。

假同步：输入信息码可能与群同步码相同，而被错判为群同步码。

漏同步：群同步码受干扰后产生错码不能检出。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，则它必然满足局部自相关函数R(j)：1、巴克码n:码组长度j:不重合的码元数7.4.2连贯式插入法表6-1已有巴克码组n巴克码组234571113++；-+++-+++-或++-++++-++++--+-+++---+--+-+++++--++-+-+7.4.2连贯式插入法图7-12七位巴克码的自相关函数246-2-4-62467jR(j)-1在j=0时出现尖锐峰值。7.4.2连贯式插入法以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7-13所示。2、巴克码识别器7.4.2连贯式插入法图7–137位巴克码识别器

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。7.4.2连贯式插入法

aa=bb巴克码进入（或留下）位数1234567654321相加器输出-10-10-1070-10-10-17.4.2连贯式插入法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，识别器输出一个群同步脉冲。输出的两个脉冲之间的数据，称为一群数据或称为一帧数据。7.4.2连贯式插入法

将群同步码字分散地插入道信息之中，即每隔一定数量的信息码元，插入一个群同步码字。这种群同步码字的插入方式被称为间隔式插入法。24路PCM系统中，群同步则采用间隔式插入法。7.4.3间隔式插入法

便于识别；和信息码相区别。图7-1424路PCM系统群同步方式示意图7.4.3间隔式插入法1、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。7.4.3间隔式插入法

逐码移位法的基本原理：由位同步脉冲（位同步码）经过n次分频以后的本地群码（频率是正确的，但相位不确定）与接收到码元中间歇式插入的群同步码进行远码移位比较，使本地群码与发送来的群同步码同步。2、逐码移位法7.4.3间隔式插入法图7-15逐码移位法7.4.3间隔式插入法对于群同步系统而言，我们希望其建立的时间要短、建立同步以后应该具有较强的抗干扰能力。7.4.4群同步系统的性能指标漏同步概率P1

假同步概率P2群同步平均建立时间ts

通常用以下三个性能指标来表示：

同步码字中一些码元发生错误，从而使识别器漏识别已发出的群同步码字，出现这种情况的概率称为漏识概率。1、漏同步概率P1

P：单个码元错误概率n：同步码组的码元数m：识别器允许码元错误数r：收到n长度序列中与同步码组不相等的码元个数7.4.4群同步系统的性能指标在信息码中也可能出现与所要识别的群同步码字相同的码字，这时识别器会把它误认为群同步码字而出现假同步。2、假同步概率P2

7.4.4群同步系统的性能指标

假同步概率的表达式为：

判决门限电平确定时，码组长度n增加，P1增大，P2减小；

n确定时，m增大，即降低判决门限，P1减小，P2增大。7.4.4群同步系统的性能指标连贯式群同步平均建立时间：

3、群同步平均建立时间ts

间歇式插入法平均建立时间：N:每群码元数n:群同步码位数Tb:码元周期7.4.4群同步系统的性能指标

群同步的保护措施，通常将群同步的工作过程划分为两种状态，即捕捉态和维持态。（1）当系统处于捕捉态时，需要减小假同步概率P2，以提高判决门限；（2）当系统处于维持态时，需要减小漏同步概率P1，以降低判决门限。7.4.5群同步的保护（略）1、间歇式插入法中群同步的保护图7-16逐码移位法群同步保护原理7.4.5群同步的保护（略）2、连贯式插入法中的群同步保护图7-17逐码移位法群同步保护原理6.4.5群同步的保护（略）7.5网同步的概念合群器分路器ABC低速数字流高速数字流A’B’C’图7-18复接系统在通信网中，三个支路不同速率的数字流在合群器中合并，然后传入分路器，合群器对各支路的抽样频率按哪一个支路数字流的速率来决定？问题的提出假设抽样速率与A支路一致，则A支路抽样后可以准确的参加合群；B支路速率高于抽样速率，抽样后参与合群会丢失信息；C支路速率低于抽样速率，抽样后参与合群会有信息重叠；7.5网同步的概念问题的解决：网同步实现网同步的方法：全网同步主从同步相互同步异步复接码速调整水库法7.5网同步的概念7.5.1主从同步法在整个通信网中的某一站设置一个高稳定的主时钟源，将它产生的时钟逐站传送至网内的各站，从而保证网内各站同频同相。如图6-19。主时钟源ABFCD图7-19主从同步时钟传送

在每个站内，本站的信号时钟通过锁相环与主时钟保持一致；交换站内转接的时钟由主时钟控制；时延问题：通过时延调整电路（如缓冲器）解