通信原理第13章同步原理.

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1、13.1 13.1 概述概述 13.2 13.2 载波同步载波同步 13.3 13.3 位同步位同步 13.4 13.4 群（帧）同步群（帧）同步 13.5 13.5 网同步概念网同步概念 第13章 同步原理 1 第13章 同步系统 2 13.1 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。 2 第13章 同步系统 3 v 载波同步 v 位同步 v 群同步 v 网同步 13.1 概述 1、按照同步的功用分为： 3 第13章 同步系统 4 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

2、 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 13.1 概述 4 第13章 同步系统 5 (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。 13.1 概述 5 第13章 同步系统 6 在获得了以上讨

3、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 13.1 概述 6 第13章 同步系统 7 2、按照获取和传输同步信息方式分为： v 外同步法 v 自同步法 13.1 概述 7 第13章 同步系统 8 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。 13.1 概述 (

4、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。 8 第13章 同步系统 9 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。 13.1 概述 9 第13章 同步系统 10 v 同步是进行信息传输的必要和前提。 v 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。 v 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

5、步误差小、相位抖动小 以及同步建立时间短，保持时间长等。 13.1 概述 10 第13章 同步系统 11 13.2 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 11 第13章 同步系统 12 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: 13.2 载波同步 发信号+导频收 外同步 v 插入导频法 发信号收内同步 v 直接法 12 第13章 同步系统 13 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： 13.2.1 插入导频法 13 第1

6、3章 同步系统 14 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 13.2.1 插入导频法 14 第13章 同步系统 15 2、导频插在什么位置? (以双边带抑制载波为例) v 尽量少影响原始信号。在此处频谱分量为0，即 无原始信号。 v 易于滤出相干载波。载频附近频谱分量很

7、小。 0 f fcfc+fm fc-fm 图13-1 DSB-SC信号的导频插入 13.2.1 插入导频法 15 第13章 同步系统 16 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”。 13.2.1 插入导频法 16 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13-2 插入导频法发端框图 图13-3 插入导频法收端框图 17 第13章 同步系统 18 13.2.1 插入导频法 18 第13章 同步系统 19 v导频信号的位置和信号的具体形式有关 v应易于滤出 v导频信号的形式是正交载波 图6.2、6

8、.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。 13.2.1 插入导频法 19 第13章 同步系统 20 思考： 既然收发所用载波一样， 为何要用正交载波？ 13.2.1 插入导频法 20 第13章 同步系统 21 思考提示： 有直流分量 ，影响信号 13.2.1 插入导频法 21 第13章 同步系统 22 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。 13.2.2 直接法 22 第13章 同步系统 23 直接法举例

9、 v 平方变换法 v 平方环法 v 同相正交环法 13.2.2 直接法 23 第13章 同步系统 24 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 134 平方变换法提取载波 13.2.2 直接法 24 第13章 同步系统 25 平方后 双边带信号 2fc窄带滤波器 二分频 13.2.2 直接法 25 第13章 同步系统 26 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 13-4 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

10、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。 13.2.2 直接法 26 第13章 同步系统 27 2、平方环法 图13-5 平方环法提取载波 13.2.2 直接法 27 第13章 同步系统 28 v 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) 。 v 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。 v 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

11、差而锁定。 13.2.2 直接法 28 第13章 同步系统 29 平方变换法、平方环法存在的问题： v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，使其输出的载波相位对于接收信号相 位有180的相位模糊。 v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。 v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。 13.2.2 直接法 29 第13章 同步系统 30 3、 同相正交环法 同相正交环法又叫科斯塔斯(Costas)环。

12、 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。 13.2.2 直接法 30 第13章 同步系统 31 VCO 图13-6 Costas 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 v3v5 v1 v2 v4v6 v7 13.2.2 直接法 31 VCO输出 滤波后 相乘后 v5和v6相乘后 32 第13章 同步系统 33 如果我们把图1

13、3-6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。 13.2.2 直接法 33 第13章 同步系统 34 Costas环与平方环都是利用锁相环（PLL） 提取载波的常用方法。 v 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

14、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 v 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。 13.2.2 直接法 34 第13章 同步系统 35 v 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 35 第13章 同步系统 36 v 插入导频法的优缺点： (1)有些不能用直接法提取同步载波

15、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 36 第13章 同步系统 37 13.2.3 载波同步系统的性能指标 v高效率 v高精度 v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 37 第13章 同步系统 38 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

16、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。 13.2.3 载波同步系统的性能指标 38 第13章 同步系统 39 13.3 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。 39 第13章 同步系统 40 13.3 位同步 位同步的实现方法： 滤波法得到位同步信号