通信系统原理：同步原理.

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1、第九章 同步原理,9.1 载波同步 9.2 位同步 9.3 帧同步 9.4 网同步,同步可分为： 载波同步 位同步 帧同步 网同步,9.1 载波同步,在采用相干解调的系统中，接收端必须提供一个与发送端载波同频同相的相干载波，在接收端获取这个同频同相的相干载波，就称为载波提取或载波同步。,相干载波的提取方法： 1) 直接提取：若接收到的已调波中含有载波分量，则可直接提取 2) 若接收到的已调波中不含有载波分量， 就需要通过a)插入导频法（外同步法）或b)自同步法（内同步法）来获取相干载波,一、插入导频法（外同步法） 对于抑制载波调制系统，如DSB , VSB , SSB , PSK，其已调信号中

2、不含有载波分量，无法从接收信号中提取载波，可以采用插入导频的方法，在已调信号的频谱为零的位置插入一个低功率的线谱（其对应的正弦波形即为导频信号），在接收端用窄带滤波器提取。,以DSB信号为例。发端方框图如下： *插入的导频不是原载波，而是将其移相900的正交载波。而且f(t)无直流成分。,接收机框图如下：,二、非线性变换滤波法（自同步法） 有些信号本身不含载波信息，但对信号进行适当的非线性变换，然后通过窄带滤波，便可从中提取载波的频率和相位信息，从而恢复相干载波。以DSB信号为例。 f(t)无直流，上式中无载波分量，但如果对上式进行平方变换，得,尽管f(t)无直流，但f2(t)含有直流分量，因

3、此上式中含有2W0成分，如果采用很窄的带通滤波器滤波，则可得2W0的信号。然后再经分频，便可得所需的载波,根据上述分析得到平方变换法提取载波的方框图如下： 若其中窄带滤波器改用锁相环PLL代替，则得到另一种方法平方环法。因为PLL不仅具有窄带滤波作用，而且可在一定范围自动跟踪和锁定频率的功能，从而使系统性能得到改善，框图如下。,平方环法框图如下：,三、同相正交法（科斯塔斯环）自同步法 同相正交环框图如下：,经过低通滤波器后得,U5和U6相乘得 若 很小，则有,用U7去调整VCO的相位， 使相位 差 趋于0，在稳定状态下 。VCO输出即为提取的载波，而稳态时，同相支路输出U5就是解调出的原信号。

4、,四、载波同步系统的性能 对载波同步系统的主要性能要求是高效率和高精度。 高效率：指在获得载波信号时，尽量少消耗发送功率。 高精度：指提取的相干载波与需要的标准载波比较应该有尽量小的相位误差。相位误差通常由稳态相差和随机相差组成。,载波同步系统还要求具有同步建立时间快，保持时间长等特点。 1. 稳态相差 稳态相差指接收信号中的载波与同步电路提取出的参考载波，在稳态情况下的相位差。 对于不同的同步提取方法，稳态相差的计算方法也不同。,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。若滤波器的中心频率W0与载波频率Wc不相等时，会使提取的同步载波信号产生一个稳态相差 ： 希望 小，则Q

5、小；但当Q小时，滤波器的带宽B（ ）增加，不能保证窄带，相矛盾。此种方法不理想。,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的输出频率与输入载波之间的频差， 为环路直流增益。 为了减小 ，应使VCO的频率准确稳定，减小 ，增大 。只要 足够大就可以保证 足够小。,2. 随机相差 随机相差是由于随机噪声的影响而引起的同步信号的相位误差。此种误差分析较复杂，只给出一些结论。 通常用随机相差的均方根值 来衡量， 称为相位抖动。 r为信噪比。显然，信噪比r越大越好。,a) 窄带滤波器 功率谱密度为n0/2的白噪声通过窄带滤波器，其等效带宽为Bn，则噪声功率为： 若滤波器为

6、单调谐回路，则 那么,滤波器的Q值越高，相位抖动值越小。 但是在分析稳态相差时，要求Q要小，而对于相位抖动要求Q要高，它们相矛盾。Q值要适当选择。,b) PLL 当锁相环的直流增益Kv 增大时，环路带宽Bn也增大，引起 的增加，与稳态相差 对Kv的要求矛盾。但锁相环可以合理地选择其他参数，使矛盾不象窄带滤波器那样突出。,3. 建立时间和保持时间,窄带滤波器 建立时间ts 当采用单调谐回路滤波时，在t=0时将信号接入回路，则表示输出电压建立过程的表达式为 当t=ts时，输出电压u(ts)达到KU时，认为同步信号已经建立。将u(ts) KU代入上式，得,保持时间tc 若在t=0时，将接入回路的信号

7、断开，则表示回路输出信号保持过程的电压表达式为 设t=tc时输出电压达到KU时，认为此时同步信号已消失，将u(tc) KU代入上式得,建立时间 保持时间 建立时间短和保持时间长也是矛盾的。Q值高，保持时间虽然长，但建立时间也长；反之，若Q值低，建立时间虽然短，但保持时间也短了。,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，即为环路的同步保持时间。分析表明，两者同样存在矛盾。但PLL优越之处在于，可通过改变锁定前后的环路时间常数，从而减少捕捉时间而加长保持时间。,9.2 位同步,在数字通信系统中，发端按照确定的时间间隔和顺序，传送脉冲序列中的每个码元，在接收端也必须

8、有准确的抽样判决时刻才能正确判决所发送的码元序列。因此，接收端必须提供一个频率和相位与发送端脉冲序列相一致的定时脉冲序列，将获取定时脉冲序列的过程称为位同步或码元同步。,位同步方法 插入导频法（外同步法） 直接法（自同步法）,一、插入导频法 若基带信号位随机的二进制不归零码序列，这种信号本身不包含位同步信号，为了获得位同步信号，需在基带信号中插入位同步的导频信号，或对基带信号进行某种码型变换以得到位同步信息。,导频要插入在基带信号频谱的零点处，以便提取。 一般基带信号的第一零点在f=1/T处。如果信号经过某种相关编码，其频谱的第一零点在f=1/2T处。,在接收端，经中心频率f=1/T的滤波器就

9、可以从基带信号中提取位同步信号。对于插入在f=1/2T处的导频，则要由f=1/2T的窄带滤波器取出导频，并进行二倍频，可得到同步脉冲。 *注意消除或减弱定时导频对原基带信号的影响。,下图位插入定时导频接收方框图：,插入导频法的另一种形式是使数字信号的包络根据位同步信号的某些波形进行变化。在接收端利用包络检波器就可恢复导频信号。 以PSK为例： 用位同步信号对其调幅 其中 ， T为码元宽度,已调信号为 接收端对它进行包络检波，可得包络为 ，滤除直流成分即可得到位同步信号 。,二、直接法 这一类方法是直接从数字信号中提取位同步信号的方法，是数字通信中经常采用的一种方法。 1. 非线性变换滤波法 对

10、于不归零的随机二进制序列，不能直接从中滤出位同步信号，但对该信号进行某种变换，就会出现离散的位同步分量，然后用窄带滤波器或锁相环提取，便可得到位同步信号。,a) 微分整流法,b) 包络检波法 对PSK信号，包络为不变等幅波，但因频带有限，在调相点出现幅度“平滑陷落”，而这种变化正出现在码元取值变化的时刻，因此必然包含位同步信息，经包检、去直流、滤波、整形等步骤，便可得位同步信号。,c) 延迟相干法,2. 数字锁相法 此种方法是采用稳定频率的振荡器，从鉴相器所获得的与同步误差成比例的误差电压，不用于直接调整振荡器，而是通过控制器在信号钟输出的脉冲序列中附加或扣除一个或几个脉冲，调整加到鉴相器上的

11、位同步脉冲序列的相位达到同步的目的。,三、位同步系统的性能 略,9.3 帧同步,数字通信中，一般总以一定数目的码元组成一个个字进行传输，称之为一帧。帧同步信号的频率可很容易由位同步信号经分频得到，但每帧的开头和结尾却无法由分频器决定。帧同步的任务就是给出这个“开头”和“结尾”的时刻。,实现方法有两种： 1) 插入法：在数字信息流中插入一些特殊码组作为头尾标记，接收端根据这些特殊码组的位置实现帧同步。插入法又分为集中插入式和分散插入式。 2) 直接法：采用某种特殊的编码方式达到自同步目的。,一、起止式同步法 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

12、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字的起始位置，实现帧同步。这种方式传输不便，效率低。,二、集中插入法 这种方法就是在每帧的开头集中插入帧同步码组的方法。作为帧同步码组的特殊码组应具有尖锐单峰特性的局部自相关函数。局部自相关函数按下式计算：,常用的帧同步码组是巴克码。 巴克码具有很理想的局部自相关函数： 7位的巴克码组为,自相关函数在j0时具有尖锐的单峰特性。,用巴克码作帧同步码组时，接收端识别器也很简单。识别过程就是将接收码组与已知的巴克码求相关运算，当最大峰值出现并超过一定门限时，识别器输出一帧同步脉冲表示一帧的开头。,分散插入法 此种方法是将帧

13、同步码分散地插入到信息码元中，即每隔一定数量的信息码插入一个帧同步码元。为了便于提取，码组不宜复杂，且具有特定的规律性，并与信息码能区别开，比如采用全“1”、全“0”等码型。特点：不占用信息时隙，系统结构较简单，但同步引入时间长。,四、帧同步系统的性能 一般要求：同步建立时间短，稳定可靠，具有较强抗干扰能力等。 衡量帧同步系统的主要指标有漏同步概率、假同步概率和帧同步平均建立时间。,9.4 网同步,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。但现代通信系统往往在多点之间实现互连，从而构成通信网。为了保证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的时间标

14、准，即实现网同步。,实现网同步的方法主要有两大类： 1. 全网同步系统：网中各站时钟彼此同步，频率和相位都保持一致。 1) 主从同步法：通信网中主站将高稳定度的主时钟传送到网内的各个站去。缺点是可靠性差。 2) 相互同步法：网中各站有自己的时钟，频率锁定在各站固有频率的平均值上，这个平均值称为网频频率，从而实现网同步。,2. 准同步系统：也称独立时钟法，即各站均采用高稳定性的时钟，相互独立，允许其速率偏差在一定的范围内，各站设法对输入信号进行处理，使其速率与本站的速率相同。 1) 码速调整法：各站对输入的码流首先进行码速调整，使之变成与本站同步的码流。 2) 水库法：各站均设置高稳定度的时钟源和大容量的缓冲存储器，先将传来的信息码存入缓冲存储器，然后逐位取出，这样输出的码流就与本站同步。,