通信原理课件同步原理

第六章同步原理1/576.1概述6.2载波同步6.3位同步6.4帧同步6.5网同步6.6小结●——主要内容2/57§6.1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、载波信号等方面步调一致，是信息正确接收前提，同步系统应具有比信息传输系统更高可靠性和更加好质量指标。3/57一、按照同步功用分为：

载波同步位同步帧(群)同步网同步4/57(1)载波同步指在相干解调时，接收端需要取得一种与发送端同频同相相干载波。这个载波获取称为载波提取或载波同步。(2)位同步（码元同步）消息都是通过一连串码元序列传送，因此接收时需要懂得每个码元起止时刻，必须有精确抽样判决时刻，把在接收端产生与接收码元反复频率和相位一致定时脉冲序列过程5/57(3)帧（群）同步数字通信中，信息流总以一定数目标码元组成一种个字进行传输，称之为一帧。帧同步信号频率可很容易由位同步信号经分频得到，但每帧开头和结尾却无法由分频器决定。帧同步任务就是给出这个“开头”和“结尾”时刻。6/57当通信是点对点进行时，完成了载波同步、位同步和帧同步后，就能进行可靠通信了。但当代通信系统往往在多点之间实现互连，从而组成通信网。为了确保在通信网中各点之间可靠通信，则必须在网内建立一个统一时间标准。(4)网同步二、按照获取和传输同步信息方式分为：

外同步法自同步法7/57（1）外同步法由发送端发送专门同步信息（导频），接收端把这个导频提取出来作为同步信号办法。（2）自同步法发送端不发送专门同步信息，接收端设法从收到信号中提取同步信息办法。自同步法是人们最希望同步办法，由于能够把所有功率和带宽分派给信号传输8/57§6.2载波同步载波同步目标：取得同频同相相干载波载波同步办法: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9/57一、插入导频法何时用插入导频法?插在什么位置?插什么内容?研究问题：1、何时用插入导频法DSB、SSB、VSB、2PSK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

10/57对于已调信号本身不含载波或接收端很难从已调信号频谱中分离出载波这种情况2、导频插在什么位置?(以DSB为例)0ffcfc+fmfc-fm

尽可能少影响原始信号。在此处频谱分量为0，即无原始信号。易于滤出导频。插导频附近信号频谱分量很小。11/573、导频形式(以双边带抑制载波为例)导频为载波移相900后“正交载波”。低通带通滤波器fc窄带滤波器×900相移m(t)调制信号带通滤波器相加器×输出900相移插入导频法发端框图

插入导频法收端框图12/57其中，窄带滤波器能够用锁相环来替代，对于SSB原理同样13/57问题：导频为何要用正交载波？有直流分量，影响信号14/57二、直接法

也称自同步法。这种办法是设法从接收信号中提取同步载波。有些信号，如DSB、PSK等，它们虽然本身不直接具有载波信息，但通过某种非线性变换（平方变换、平方环）后，可从中提取出载波频率和相位信息，从而恢复相干载波。直接法举例（以DSB为例）：

平方变换法平方环法同相正交环法15/57（1）平方变换法DSB：f(t)无直流，上式中无载波分量。对上式进行平方变换，得上式具有2W0成份，假如采取一窄带滤波器滤出2W0分量，然后再经二分频，便可得所需载波16/57根据上述分析得到平方变换法提取载波方框图如下：u(t)（2）平方环法平方变换法提取载波在实际中，伴随信号一起进入接收机尚有加性高斯白噪声，为了改善平方变换法性能，使恢复相干载波更为纯净，常采取平方环法。17/57由于锁相环具有良好跟踪、窄带滤波和记忆功能，平方环法比一般平方变换法具有更加好性能,应用较为广泛平方环法提取载波18/57（3）同相正交环法（科斯塔斯环，Costas）LPFVCOLPFLPF载波输出U2U1U3U4U5U6U7同相支路正交支路VCO输出为两路正交信号U1，U219/57和输入已调信号相乘后得到通过低通滤波后得到20/57是VCO输出信号与输入已调信号载波之间相位差若很小，则有与相位误差成正比，相称于一种鉴相器输出

用U7去调整VCO输出信号相位，使相位差趋于0，在稳定状态下。VCO输出即为提取载波，而稳态时，同相支路输出U5就是解调出原信号，同相正交环法同步还具有理解调功能21/57Costas环与平方环都是利用锁相环（PLL）提取载波常用办法。

Costas环与平方环相比，在电路上要复杂某些，但它工作频率为载波频率，而平方环工作频率是载波频率两倍。当环路正常锁定后，Costas环可直接取得解调输出，而平方环则没有这种功能。22/57三、两种载波同步办法比较

直接法优缺陷：

(1)不占用导频功率．因此信噪功率比大某些；

(2)能够避免插入导频法中导频和信号间由于滤波不好而引发互相干扰，也能够避免信道不抱负引发导频相位误差；

(3)有调制系统不能用直接法（如SSB系统）。23/57插入导频法优缺陷：

(1)有些不能用直接法提取同步载波调制系统只能用插入导频法（SSB)；

(2)有单独导频信号，一方面能够提取同步载波，另一方面能够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某些。24/57四、载波同步系统性能载波同步系统主要性能指标：高效率高精度同步建立时间、保持时间高效率：在取得载波信号时，尽可能少消耗发送功率（直接法优于插入导频法）高精度指是接收端提取载波应是相位误差尽可能小相干载波。25/57载波相位误差分为稳态相差和随机相差1、稳态相差主要是由系统决定，指接收信号中载波与同步电路提取出参照载波，在稳态情况下相位差a）窄带滤波器

假设窄带滤波器为单调谐回路，其品质因数为Q。若滤波器中心频率W0与载波频率Wc不相等时，会使提取载波同步信号产生一种稳态相差

对于不一样同步提取办法，相位误差分析办法也不一样26/57希望小，则Q小；但当Q小时，滤波器带宽B（）增加，不能确保窄带，相矛盾。此种办法不抱负。b)PLL

当用锁相环提取载波时，其稳态相差为：

其中为锁相环VCO输出信号频率与输入载波之间频差，为环路直流增益。为了减小，应使VCO频率精确稳定，减小，增大。只要足够大就能够确保足够小。27/572、随机相差是由于随机噪声影响而引发同步信号相位误差。此种误差分析较复杂，只给出某些结论。一般用随机相差均方根值来衡量，称为相位抖动。r为信噪比a)窄带滤波器功率谱密度为n0/2白噪声通过窄带滤波器，其等效带宽为Bn，则噪声功率为：28/57若滤波器为单调谐回路，则那么滤波器Q值越高，相位抖动值越小。不过在分析稳态相差时，要求Q要小，而对于相位抖动要求Q要高，它们相矛盾。Q值要合适选择29/57b)PLL当锁相环直流增益Kv增大时，环路带宽Bn也增大，引发增加，与稳态相差对Kv要求矛盾。但锁相环能够合理地选择其他参数，使矛盾不象窄带滤波器那样突出3、建立时间ts和保持时间tc建立时间：同步信号从无到有过程。保持时间：同步信号从最高到无过程。要求ts短，tc长30/57(a)窄带滤波器tUkUtstcU:同步信号峰值kU:输出电压包络达成此值，以为同步建立载波同步建立与保持31/57建立时间保持时间

建立时间短和保持时间长也是矛盾。Q值高，保持时间虽然长，但建立时间也长(b)PLL对于PLL提取载波法，建立时间即为环路捕捉时间，而保持时间，即为环路同步保持时间。分析表白，二者同样存在矛盾。但PLL优越之处于于，可通过变化锁定前后环路时间常数，从而减少捕捉时间而加长保持时间。32/57§6.3位同步接收端必须提供一种频率和相位与发送端码元序列相一致定期脉冲序列。若基带信号为随机二进制不归零码序列，这种信号本身不包括位同步信号，为了取得位同步信号，需在基带信号中插入位同步导频信号，或对基带信号进行某种码型变换以得到位同步信息。33/57滤波法锁相法插入导频法直接法位同步实现办法34/57一、插入导频法

尽可能少影响原始信号。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。

插在基带信号频谱零点处利用调制办法插入利用独立信道传送位定期信号1、导频插入在基带信号频谱零点处导频插入办法：35/57在接收端，由窄带滤波器就能够从基带信号中提取位同步信号。一般基带信号第一零点在f=1/T处。假如信号通过某种有关编码，其频谱第一零点在f=1/2T处36/57位同步插入导频法框图（对应于b)37/57由窄带滤波器取出导频另一路通过移相和放大限幅、微分全波整流、整形等电路，产生位定期脉冲，微分全波整流电路起到倍频器作用，因此虽然导频是fb/2，但定期脉冲反复频率变为与码元速率fb相同。为减小导频对信号影响，应从接收总信号中减去导频信号。由窄带滤波器取出导频（fb/2）通过移相和倒相后，再通过相加器把基带数字信号中导频成份抵消。图中两个移相器都是用来消除由窄带滤波器等引发相移，这两个移相器能够适用。38/572、用调制办法插入—双重调制导频插入法

适用于FSK、PSK中。都是包络不变等幅波，因此，可将位同步导频信号调制在它们包络上。

对已调信号再进行附加幅度调制，调幅用信号即位同步信号

接收端用包络检波得到位同步信号39/573、利用独立信道传送位定期信号（时域）同步信号也能够在时域内插入，这时载波同步信号、位同步信号和数据配备在不一样时间段内传送。40/57二、直接法不发送导频，直接从数字信号中提取位同步信号办法

滤波法

锁相法1、滤波法

对于不归零随机二进制序列，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，就会包括位同步分量，然后用窄带滤波器或锁相环可提取位同步信号.41/57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1011微分、整流滤波法原理图特点就是：先形成具有同步信息信号再用滤波器滤波42/572、数字锁相法基本原理：利用鉴相器比较接收码元和本地产生位同步信号相位，产生误差电压，不用于直接调整振荡器，而是通过控制器在信号钟输出脉冲序列中附加或扣除一种或几个脉冲，调整加到鉴相器上位同步脉冲序列相位达成同步目标。三、位同步系统性能（略）43/57§6.4帧同步

数字通信中，一般总以一定数目标码元组成一种个字进行传输，称之为一帧。帧同步信号频率可很容易由位同步信号经分频得到，但每帧开头和结尾却无法由分频器决定。帧同步任务就是给出这个“开头”和“结尾”时刻。44/57实现办法有两种：1)

插入同步码组法：在数字信息流中插入某些特殊码组作为头尾标识，接收端根据这些特殊码组位置实现帧同步。插入法又分为连贯式(集中）插入法和间隔式（分散）插入法。2)

直接法：不需要外加特殊码组，利用数据码组本身之间彼此不一样特性来实现自同步45/57一、起止式同步法

电传机传输信息码字由7.5个码元组成，一种码元负脉冲，五个码元信息，最后是1.5个码元正脉冲作为结束位。接收端根据1.5码元正电平转到一种负电平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。46/57二、连贯式（集中）插入法

这种办法就是在每帧开头集中插入帧同步码组办法。作为帧同步码组特殊码组首先应具有尖锐单峰特性局部自有关函数。局部自有关函数按下式计算：对同步码组另外一种要求是识别器应当尽可能简单47/57常用帧同步码组是巴克码。巴克码具有很抱负局部自有关函数：7位巴克码组为48/57

自有关函数在j＝0时具有尖锐单峰特性。49/57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，详细构造如图所示。50/57

各移位寄存器输出端接法与巴克码一致。当输入数据“1”存入移位寄存器时，“1”端输出电平为+1，而“0”端输出电平为-1；反之，存入数据“0”时，“0”端输出电平为+1，“1”端电平为-1。假如输入移位寄存器数字有一位或多位与巴克码不一致，则相加器输出就一定不大于7；只有输入为巴克码时，相加器输出才为7。51/57将判决器判决门限电平定为+6，当在t1时刻7位巴克码所有进入移位寄存器，识别器输出一种帧同步脉冲。输出两个脉冲之间数据，称为一帧数据或称为一群数据。52/57三、间隔式（分散）插入法

此种办法是将帧同步码分散地插入到信息码元中，即每隔一定数量信息码插入一种帧同