第11章 同步原理-sxq

11.1

载波同步11.0

引言11.2

位同步第十一章同步原理11.3

帧同步2024/3/221为使整个通信系统有序、准确、可靠地工作，收、发必须有一个统一的时间标准，即定时系统。依靠定时系统去完成收、发双方时间的一致性，即同步。（数字，模拟）11.0

引言一、同步的目的2024/3/222载波同步：在接收端得到一个与发端同频同相的载波。

位同步：在接收端产生一个与接收码元频率和相位吻合的脉冲序列。

帧同步（群同步）：在接收端产生一个标志每帧首尾的定时脉冲。

网同步：为使数字通信网有一个统一的时间基准而进行的同步。使整个网有统一时间标准。1、按不同的功用分：二、同步的分类2024/3/223

2、按同步信息传输方式的不同：

外同步法：由发端插入专门的同步信息，接收端提取检测出同步信息的方法。

自同步法：收端直接从信号中提取同步信息的方法。2024/3/22411.1

载波同步11.0

引言11.2

位同步第十一章同步原理11.3

帧同步2024/3/22511.1

载波同步直接法也称自同步法，是指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后，将具有载波的谐波分量，因而可从中提取出载波分量来。

载波同步是指在相干解调时，接收端需要提供一个与接收信号中的调制载波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。一、直接提取法2024/3/2261、信号中含有载频分量带通

窄带滤波器

900相移低通2024/3/227非线性变换法2、信号中不含有载频分量

1)平方变换法带通低通平方部件2分频窄带滤波Φ(t)u0(t)2024/3/228接收端信号：经过平方律器件：含有载波分量二倍频,用窄带滤波器滤出后进行二分频，就可获得所需的相干载波。平方变换法提取载波2024/3/229实际中为了改善平方变换法的性能，使恢复的相干载波更为纯净，窄带滤波器常用锁相环代替。平方环法提取载波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。2)平方环法2024/3/2210多相移相信号（MPSK）的载波提取M次方环提取载波2024/3/22113)同相正交环法－科斯塔斯（Costas）环

压控振荡器（VCO）提供两路正交载波，与输入接收信号分别进行同相和正交鉴相后相乘，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。最终解调输出2024/3/2212平方环和Costas

环得鉴相特性

1、Costas环电路上复杂一些，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；

2、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。存在相位模糊2024/3/2213多相Costas环法的提取载波2024/3/2214对于不含载频分量的信号，如何在接收端提取出本地载波信号呢？采用的方法之一是在发送端的有用载波信号中插入一个导频信号，该导频信号在接收端被提取出来作为本地载波信号。导频信号的设计要考虑在接收端易于分离。在实际使用中，并不直接插入施加于调制器的那个载波作为导频信号，而是将该载波移相90º后得到所谓的“正交载波”再插入。插入导频法又分为频域插入导频法和时域插入导频法。二、插入导频法2024/3/2215sm(t)=Af(t)cos

0t+asin

0t例

DSB信号：

1、频域插入信号频谱为零的位置插入正交导频2024/3/2216

sm(t)asin

0t相乘调制器带通滤波器相加器振荡器-90º相移器

f(t)

Af(t)cos

0tAcos

0t采用正交滤波是为了防止恢复出来的原始信号中含有直流分量。频域插入导频法中的导频信号布满了整个时间轴.2024/3/2217收端仍采用窄带滤波器将asin

0t分离，相移π/2后成为本地载波。发送信号:Φ(t)=f(t)cos

0t+asin

0t2024/3/2218时域中的导频信号仅存在于时间轴的一定间隔上。2、时域插入位同步帧同步载波同步信息位同步帧同步载波同步信息第一帧第二帧2024/3/2219

时域插入导频法接收端提取载波2024/3/22201、直接法的优缺点（1）不占用导频功率，因此信噪功率比可以大一些；（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).三、直接法和插入法的比较2024/3/22212、插入导频法的优缺点

(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.(3)插入导频法要多消耗一部分不带消息的功率，因此与直接法比较，在总功率相同条件下信噪功率比还要小一些.2024/3/222211.1.3

载波同步系统的性能指标

相位误差通常由稳态相差和随机相差组成。稳态相差主要是指载波信号通过同步信号提取电路以后，在稳态下所引起的相差；随机相差是由于随机噪声的影响而引起同步信号的相位误差。载波同步系统的性能除了高效率、高精度外，还要求同步建立时间快、保持时间长等。2024/3/2223由于随机的高斯噪声叠加在载波信号上，会使载波同步信号产生随机的相位误差。（1）稳态相差用窄带滤波器提取载波，假设所用的窄带滤波器为一个简单的单调谐回路，其品质因素Q值一定。（2）随机相差（3）建立时间和保持时间载波同步系统的建立时间ts和保持时间tc，也以窄带滤波器提取载波为例来作讨论。2024/3/2224总的相位误差φ应是这两部分相位误差的代数和，即φ=Δφ+σφ4.载波相位误差对解调性能的影响（1）DSB

设已收到的双边带信号为S(t)=m(t)cosωct

提取出的相干载波为Sc(t)=cos(ωct+φ)

则解调时，相乘器的输出经低通滤波器后为X(t)=1/2m(t)cosφ2024/3/2225 （2）SSB

设基带信号m(t)=cosΩt，单边带信号取上边带为1/2cos(ωc+Ω)t，当解调相干载波有相位误差φ时，相干载波与已调信号相乘1/2cos(ωc+Ω)tcos(ωct+φ)=1/4［cos（2ωct+Ωt+φ）+cos（Ωt－φ）］2024/3/222611.1

载波同步11.0

引言11.2

位同步第十一章同步原理11.3

帧同步2024/3/222711.2

位同步对位同步信号要求：*位同步脉冲的频率与发端码元速率相同*位同步脉冲的相位对准最佳判决时刻位同步又称码元同步，收发码元同步，用以确定接收码元信号的取样判决时刻。通常从基带信号中提取定时信号。位同步的方法直接法插入导频法*滤波法*直接从频带信号中提取位同步信号*PLL提取位同步2024/3/2228相加调制位定时导频信道插入导频法时，一般是在基带数字信号功率谱的零点处插入所需要的位同步导频信号。一、插入导频法（外同步法）2024/3/2229发送端接收端去除插入载波的影响！倍频！2024/3/2230发送端不专门发送导频信号，而直接从接收的数字信号中提取位同步信号。这种方法在数字通信中得到了最广泛的应用。滤波法锁相法波形变换法包络检波法二、直接法（自同步法）2024/3/2231对没有位同步频率分量的序列，例如不归零二进制单极性序列等，可通过非线性变换使之包含位同步分量，然后通过滤波提取。1)滤波法-波形变换2024/3/22322）滤波法－包络检波PSK等信号，在数据变化时刻产生幅度“陷落”，使包络携带有位同步信息，故可检出。2024/3/2233在接收端利用鉴相器比较接收码元和本地产生的位同步信号的相位，若两者相位不一致（超前或滞后），鉴相器就产生误差信号去调整位同步信号的相位，直至获得准确的位同步信号为止。2.锁相法1、连续的调整位同步信号－－模拟锁相法2、调整不连续，存在最小的调整单位－－数字锁相法量化同步器2024/3/2234

2)

控制器与分频器

:分频器：n分频，计数式分频控制器：加、减脉冲鉴相器：比较位同步输出与输入数据信号的相位，产生误差电压。3）

1）信号钟：高稳定振荡器2024/3/22352024/3/2236加入一个数字滤波器，滤除这些随机的超前/滞后脉冲，提高环路的抗干扰能力。

常用的数字滤波器有“N先于M”滤波器和“随机徘徊”滤波器两种。

数字锁相环抗干扰性能的改善由于噪声的干扰，使接收到的码元转换时间产生随机抖动甚至产生虚假的转换，相应在鉴相器输出端就有随机的超前或滞后脉冲，这导致锁相环进行不必要的来回调整，引起位同步信号的相位抖动。解决方法2024/3/2237（a）N先于M滤波器;(b)随机徘徊滤波器2024/3/22381)相位误差θe

位同步信号的平均相位和最佳相位之间的偏差称为静态相差。对于数字锁相法提取位同步信号而言，相位误差主要是由于位同步脉冲的相位在跳变地调整所引起的。11.2.3

位同步系统的性能及相位误差的影响

1.位同步系统的性能2024/3/22392)同步建立时间ts

同步建立时间是指开机或失去同步后重新建立同步所需的最长时间。由于接收码元是随机的，对二进制码而言，相邻两个码元（01、10、11、00）中，有或无过零点的情况各占一半。3)同步保持时间tc

同步建立后，输入信号中断或出现长连“0”、连“1”码锁相环失去调整作用。而且收发双方位定时脉冲总存在频差，相位发生漂移，达到某一值时就算失去同步。由同步到失步所需要的时间，称为同步保持时间。2024/3/22404）同步带宽Δfs

同步带宽是指能够调整到同步状态所允许的收、发振荡器最大频差。由于数字锁相环平均每2周（2T）调整一次,每次所能调整的时间为T/n（T/n≈T0/n），一个码元周期内平均最多可调整的时间为T0/2n。2024/3/224111.1

载波同步11.0

引言11.2

位同步第十一章同步原理11.3

帧同步2024/3/2242数字通信时，一般总是以若干个码元组成一个字，若干个字组成一个句，即组成一个个的“群”进行传输。起止式同步法插入特殊同步码组的同步法连贯式插入法间隔式插入法11.3

帧同步(群同步)

载波同步解决了同步解调问题；位同步确定数字通信中各个码元的抽样判决问题；群同步的任务就是在位同步的基础上识别出这些数字信息群（字、句、帧）“开头”和“结尾”的时刻。2024/3/2243数字电传机中广泛使用的是起止式同步法。在电传机中常用的是五单位码，标志每个字的开头和结尾。在五单位码的前后分别加上1个单位的起码（低电平）和1.5个单位的止码（高电平），共7.5个码元组成一个字。收端根据高电平第一次转到低电平这一特殊标志来确定一个字的起始位置，从而实现字同步。一、

起止式同步法2024/3/2244对帧同步码的要求：易于检测，即具有尖锐单峰特性的局部自相关函数；同步建立时间短，保持时间长；假、漏同步概率小；接收端识别器尽量简单。漏同步:未检测出同步码组假同步:信息码误认为同步码组1、集中插入法帧同步码组检出即可确定帧，但也可能出错，导致:二、特殊同步码组的同步法2024/3/22452、分散插入法(等间隔插入)

优点：同步系统电路较简单，占用时隙少；缺点：同步时间长。常用的帧同步码组有巴克码、伪随机码和脉位码等。这里我们只介绍常用的巴克码。2024/3/2246巴克码是一种常用群同步码组，其自相关函数：例:7位巴克码：+++--+-nj=00,1,-10＜j＜nj表示两序列错开的位数.1)(

6,4,2;0)(

7,5,3,1;7)(

,0-=±±±==±±±±===jRjjRjjRj3、巴克码自相关函数在j=0时具有尖锐的单峰特性，这一特性也是连贯式插入群同步码组的重要要求。2024/3/2247巴克码组n巴克码组2＋＋(11)3＋＋－（110）4＋＋＋－(1110)；＋＋－＋(1101)5＋＋＋－＋(11101)7＋＋＋－－＋－(1110010)11＋＋＋－－－＋－－＋－(11100010010)13＋＋＋＋＋－－＋＋－＋－＋(1111100110101)2024/3/2248巴克码的产生01010101010101输出预置线移位寄存器的级数为巴克码的位数，七位巴克码组由七级移位寄存器组成。各移位寄存器的初始状态预置成巴克码组的数字，即1110010。图中的预置状态是从右达到左计的，经过七个移位脉冲后，预置的巴克码组1110010就全部从移位寄存器的最右端移出去了。2024/3/2249用7级移位寄存器、相加器和判决器就可以组成一个巴克码识别器。7位巴克码识别器

当输入码元的“1”进入某移位寄存器时，该移位寄存器的1端输出电平为+1，0端输出电平为-1。该识别器实际上是对输入的巴克码进行相关运算。2024/3/2250识别器的输出波形巴克码用于群同步是常见的，但并不是惟一的，只要具有良好特性的码组均可用于