现代通信技术（第二版）课件 第六章 同步系统

第6章同步系统学习目的与要求：通过本章学习，掌握同步的概念、作用、同步方式及性能。重点与难点内容：同步的概念、分类及作用载波同步、位同步、群同步及网同步的原理、特点及性能各种同步方式的外同步、自同步方法6.1载波同步6.2位同步6.3帧同步6.4网同步6.1载波同步

载波同步一般有两类方法：一类是插入导频法（外同步法），它是在发端发送信息码元的同时，再发送一个（或多个）包含载波信息的导频信号，并且要求这个导频信号不随传播的信息变化，在接收端根据导频提取出载波；另一类是直接提取法（自同步法），它是从接收到的有用信号中直接（或经变换）提取相干载波，而不需要另外传送载波或其他导频信号。什么是载波？载波的作用？在抑制载波的传输系统（如DSB双边带信号、SSB单边带信号等）中，信号中没有载波成分，接收端无法从接收到的信号中直接提取载波；而有的信号（如VSB残留边带信号）虽然含有载波但不易取出；为了获取载波同步信息，就要采用插入导频的方法。6.1载波同步

插入导频法为何要插入导频？插入导频的方法

就是发送端除了发送有用的信号外，还在适当的位置上插入一个供接收端恢复相干载波之用的正弦波信号（这个信号通常称为导频信号）。插入导频信号的方法可分为两种：一种是在频域插入导频另一种是在时域插入导频一、频域插入导频法

频域插入导频法是指在已调信号的频谱中加入一个低功率的线谱，该线谱对应的正弦波即称为导频信号。

6.1载波同步

插入导频的位置？以DSB信号(抑制载波双边带信号)为例，导频的插入位置应该在信号频谱为零处，否则导频与信号频谱成分重叠，接收时不易取出。在发送端，载波频率点fc处信号的能量为零，因而可在此点插入导频。导频的频率为fc，这一频率与加入调制器的载波频率是一致的，但它的相位一般与被调载波正交（即相差90o），称为“正交载波”。6.1载波同步

在接收端，只要用滤波器提取这一导频信号，再移相90o就可作为本地相干载波输出，进行相干解调。这个过程如图所示。6.1载波同步

导频插入导频提取二、时域插入导频法

时域插入导频法在时分多址通信卫星中应用较多，在一般数字通信中也有应用，插入导频信号与传输的信息在时间上加以区别。其原理如图所示。6.1载波同步

6.1载波同步

有些接收信号（如DSB信号、PSK信号等）本身就含有载波分量或载波的谐波分量，，在接受端如何提取载波同步信号呢？

因为对这些信号在接收端经过适当处理，就可以从中提取出所需要的相干载波。直接提取法的常用方式有：

平方变换法反调制环法同相正交环法判决反馈法。直接提取法6.1载波同步

平方变换法提取载波同步信号原理6.1载波同步

平方环法提取载波同步信号原理6.1载波同步

Castas环提取载波同步信号原理载波同步性能及其比较(1)效率：提高效率是指在能够获得载波的情况下，尽量减少发送载波的功率。(2)精度：提高精度是指提取到的相干载波与发送端载波之间的相位误差要越小越好。可以看出，载波同步系统的精度越高，则传输系统误码率就越小。这是影响传输系统误码率的主要因素。6.1载波同步

6.2位同步

这两个图为何提取的信号不一致？

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。例如在最佳接收机结构中，需要对积分器或匹配滤波器的输出进行抽样判决，判决时刻应对准每个接收码元的终止时刻。这就要求接收端必须提供一个位定时脉冲序列，该序列的重复频率与码元速率相同，相位与最佳取样判决时刻一致，提取这种定时脉冲序列的过程称为位同步。6.2位同步

实现位同步方法有两种：插入导频法（外同步法）直接法（自同步法）6.2位同步

外同步法外同步法是指在发送数字信息的同时，还发送位同步信号的一种同步方法。以下是两种应用较广泛的实现方式。(1)插入位定时导频法这种方法的原理与载波同步的插入导频法相类似。在无线通信中，数字基带信号一般都采用非归零（NRZ码）的矩形脉冲，并以此对高频载波作各种调制。解调后得到的也是非归零的矩形脉冲，码元速率为fb。6.2位同步

发送端位同步导频插入频谱在接收端如何提取这个导频信号？6.2位同步

1)收端需注意消除或减弱定时导频对原基带信号的影响。因为位定时导频分量不是原数字信号的成分，故在加入导频后，收端解调得到的基带信号与原来的不同。所以必须设法消除导频分量，恢复原始数字信息，否则将引起判决错误。解决这一问题的办法，一是在发端加入位定时导频时，在相位上使信息序列的取样判决时刻正好是位定时导频信号的过零点，这样可不产生对原信号的干扰。但这样安排，在信道群时延均衡不良时也会因接收信号的判决时刻与导频信号的过零点不重合，而产生干扰。为此，另一个办法是在接收端同时采取抵消导频分量的措施，这也是图设减法器的目的。2)导频信号有可能反过来受到原数字信号的影响。锁相环所起的作用就是进一步利用其跟踪和窄带的特性来提取信号，而移相电路的目的是为了抵消提取出的导频信号经窄带滤波器、限幅器和锁相环引起的相移。6.2位同步

(2)双重调制导频插入法在频移键控、相移键控的数字通信系统中，PSK信号、FSK信号都是包络不变的等幅波，所以导频的传送也可以采取浅调幅的方法。在发送端用位同步信号对已调信号再进行附加调幅，实现双重调制，在接收端进行包络检波，也可以取出位同步信号。6.2位同步

设调相信号为：

SPSK（t）=S（t）COS[

0t+

（t）]现在利用含有位同步信号的某种波形如升余弦波m（t）=（1+COSΩt）/2对调相载波进行调幅，则有

m（t）SPSK（t）=（1+COSΩt）S（t）COS[

0t+

（t）]其中Ω=2

/T=2

f，T为码元宽度，f为导频信号的频率。形成一个既调幅又调相的复合信号。由于二者差别大，便于接收端分离。在接收端对进行包络解调，输出为（1+COSΩt）/2，经滤除直流分量后，即得到位同步信号COSΩt

。6.2位同步

自同步法

自同步法也称作直接提取位同步法，是指发端不传送专门的位同步信息，而直接从接收信号或解调后的数字基带信号中提取位同步信号。

这种方法在数字通信系统中得到了广泛的应用具体实现直接提取位同步的方法有三种：

滤波法

脉冲锁相法

数字锁相法。6.2位同步

滤波法6.2位同步

包络检波法在数字微波的中继通信中，常用包络检波的方法从PSK信号中提取位同步信号。虽然PSK信号是包络不变的等幅波，具有极宽的频带，但由于信道频带宽度有限，所以在信道中传输后，会在相邻码元相位突变点附近产生幅度凹陷的失真，也称平滑陷落。因此在解调PSK信号时，用包络检波器检出这种幅度“平滑陷落”的包络（a），去掉其中的直流分量（b）后，即可得到归零的脉冲序列（c），最后用窄带滤波器提取包含于其中的位同步频谱分量，经脉冲整形即可得到位同步信号。6.2位同步

锁相环为克服滤波法在提取位同步时存在的缺点，可用锁相环来代替滤波器。这种方法称为锁相法，有脉冲锁相法和数字锁相法两种。6.2位同步

位同步的主要性能指标

1)相位误差衡量位同步性能最重要的指标就是相位误差。通信系统接收端的抽样判决时刻总是选取在接收信码的中央位置，因为在这一位置的信号能量是最大的，它可以保证当信号受到信道噪声干扰时也不至于造成判决错误。但如果相位误差过大致使判决时刻偏离信码中央过多，信道干扰的存在就很容易就引起误判。2)同步建立时间ts

同步建立时间为失去同步后重建同步所需的最长时间。

最差情况是位同步脉冲与输入信号相位相差T/2，数字锁相环每调整一步仅能移T/N秒，故最大调整次数为N/2。在随机信号中，“0”、“1”近似等概率，所以过零点的情况占一半。平均起来，相当于两个周期可调整一次相位，故同步建立时间为ts=NT。6.2位同步

3)同步保持时间t0

除了相位误差外，同步保持时间也是同步系统的一个重要指标。从接收信号消失或接收信号中的位同步信息消失开始，到位同步电路输出的位同步信号中断为止，这段时间称为位同步的保持时间。同步保持时间越长，就越有利于位同步，这首先需要收、发两端振荡器的振荡频率有较高的稳定度。4)同步门限信噪比在保证一定的位同步质量的前提下，接收机输入端所允许的最小信噪比，称为同步门限信噪比。这个指标规定了位同步对深衰落信道的适应能力。与这项指标对应的是接收机的同步门限电平，它是保证位同步门限信噪比所需的最小收信电平。6.2位同步

(1)集中插入同步码法集中插入是指把事先约定的帧同步码组集中插入在一帧的特定位置，一般插在帧的开始，接收端一旦检测到这个特定的码组，就确定了帧的起始位置，从而获得帧同步。根据对帧同步系统的要求，为了可靠稳定地检测帧同步而不受干扰，这个具有一定长度的特定同步码组必须具有与传送的信息流不同的规律，使得同步识别是将信息码误判为同步码的可能尽量小。另外，识别器也要尽量地简单。6.3群同步

群同步包含字同步、句同步、分路同步，也称为帧同步。群同步通常采用起止同步法和插入同步码方式，而插入同步码方式一般有两种，分别是连贯（集中）插入法和间隔插入法。插入同步码方式(2)间隔插入同步码法间隔插入同步码法是指将帧同步码分散穿插在一帧或几帧数字信号中进行传送。这里的帧同步码一般选用比较简单的码型，如24路PCM系统和30/32增量编码系统一般都采用“1”、“0”交替码。即一帧插入“1”作同步码，另一帧插入“0”作同步码。在接收端为了确定这些同步码的位置，就需要对接收到的所有信码逐位进行检测，故这种检测方法称为逐码移位法。6.3群同步

6.3帧同步

6.3群同步

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。这种非整数倍的码元方式传输不便，效率低。起止同步法6.3群同步

两种群同步方法的性能比较在目前的通信系统中，普遍采用集中插入帧同步码法来实现帧同步。

这种方法的优点是一旦失步后即能迅速恢复，即只要收到下一帧同步码组就能恢复同步；而间隔插入法的缺点也恰在于此：失步后它必须逐位调整本地帧同步码相位，也就是说，同步恢复时间较长，这一点不符合现代通信的要求。集中插入法也有缺点，由于帧同步码需要一定的长度，故而占用了信道资源，降低了传输效率；另外，设备相对比较复杂。间隔插入法占用码位少，且设备简单，在一些对同步性能要求不高的场合可以采用。6.3群同步

6.3群同步

群同步系统的性能指标漏同步与假同步概率同步捕获时间有效信息传输效率

随着通信技术的不断发展，通信的目的越来越倾向于各种信息资源的共享。能够实现这种共享的通信网必须具备以下条件：

1)网中传送的信息形式以及信号格式必须是多种多样的。

2)通信网的频带宽度必须满足各种信息传递的要求。

3)通信网的终端设备类型必须多样化。6.4网同步

网同步所要实现的功能是要使不同数码率的信息码在同一通信网中正确传输、交换和接收，实现全网的网路同步，防止信息丢失。网同步技术的着眼点是在于使通信网中各转接点的时钟频率和相位保持协调一致。它有如下三种同步方式：

1.准同步方式2.主从同步方式

6.4网同步

1.准同步方式又称为独立时钟同步方式，或称异步复接。这种同步方式适用于准同步数字通信系统。

准同步系统，指各转接点的时钟是相互独立的，它们都采用高稳定度的时钟源，基准频率相同，但其频率并不完全一致，这就导致从各站送来的信息数码率不是完全一致的。要使送来的信息频率和本站钟频保持一致，可以采用正码速调整法或水库法来实现。

1)正码速调整法正码速调整法已第六章第四节《数字复接技术》中详细介绍，在此从略。2)水库法准同步系统中的各站点都采用高稳定度的时钟源，这使得站与站之间的频率误差是相当小的。如果在极高稳定度时钟源的基础上再在各转接点设置足够大容量的的缓冲存储器，就能够在很长一段时间间隔内既不会“取空”也不会“溢出”。大容量的缓冲存储器就象水库一样，既不容易将水抽干，也不容易将水灌满。6.4网同步

2.主从同步方式主从同步方式适用的条件与准同步方式不同，后者适用于各转接站使用独立时钟源的场合，而前者在整个通信网中只有一个时钟源。该时钟源一般是一个极高稳定度的频率振荡器或原子钟，备有该时钟源的站点成为本通信网的主站。主站将本时钟信号作为网内唯一的标准频率发往其它各站（称为从站），各从站通过锁相环来使本站频率与主站频率保持一致而获得同步。

主从同步方式又可分为

简单主从式等级主从式6.4网同步

(1)简单主从方式每一从站的时钟直接由主站供给，并通过本站的锁相环保持与主站一致。由于各从站到主站的时延不同，故而各站来的信号时延也不同，即存在一定的相位差。这一问题可以通过在各从站设弹性存储器来解决。6.4网同步

6.4网同步

一个从站的同步原理框图。

简单主从方式的主要优点是时钟稳定度高，设备简单；主要缺点是当主站时钟出现故障时将导致全网中断。(2)等级主从方式这种方式与简单主从方式相仿，但各从站并不单纯依赖主站时钟。具体的做法是在全网内对所有的转接站进行等级分类。

如图中6个站点可分为A、B、C三个等级。在正常情况下，全网均由主站A提供时钟；若A时钟源故障，则分别由副时钟B、C向D、E站和F、G站提供时钟；若副时钟B再发生故障，则B、D、E、F、G各站时钟均由C站提供，以此类推。6.4网同步

等级主从方式与简单主从式相比改善了整个通信网的可靠性，但同时也使设备复杂化，且各从站的时钟误差随传输途径的不同逐级累加，影响传输质量。主从同步方式由于其自身特点广泛应用于规模小、距离近、交换点较少的星形或树形数字通信网；而当通信网为分布式网状结构的大系统时，主从同步方式就不再适用了。6.4网同步

3.相互同步方式相互同步方式就是为了克服主从方式的缺点而提出的。

各站没有主站和从站之分，各节点都设有时钟源且互相控制、互相影响，实现各时钟都达到某一个稳定的平均频率，这个频率即为该通信网的网频。6.4网同步

6.4网同步

相互同步方式优于主从同步方式的主要一点在于当某一站时钟或某一传输链路发生故障时，本通信网仍然可以同步工作，它的网频可以由其它正常的站点来产生；而且，由于网频受多个站点的频率控制，每个站点的时钟频率波动对网频的影响微乎其微，故通信网中的站点越多，其稳定性就越高。因此相互同步方式适用于网络节点较多的大规模通信网。6.4网同步

同步网的等级与时钟要求

我国现行的数字通信网主要采用上面所述的的等级同步方式，同步网的等级根据其时钟性能及所起作用分为四级。6.4网同步

1)第一级：基准时钟，是全网中等级最高的标准时钟，使用稳定度极高的铯原子钟，一般设置在一级长途交换中心。为可靠起见，还需另设备用钟以便主钟故障时切换；2)第二级：有记忆功能的高稳定度晶体时钟，一般设置在各级长途交换中心，在正常情况下接收一级时钟信号并与之保持同步；3)第三级：有记忆功能的一般高稳晶体时钟，通常设置在本地网的端局和汇接局，它受二级时钟的控制；4)第四级：一般晶体时钟，设置在本地网中的远端模块