通信原理(曹丽娜 福大课程使用版本)第13章

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1、通信原理第13 同步原理1第13章 同步原理同步是数字通信中一个重要的实际问同步是数字通信中一个重要的实际问 题，通信系统如果出现同步误差或失题，通信系统如果出现同步误差或失 去同步去同步, ,就会使通信系统性能降低或就会使通信系统性能降低或 通信失效。通信失效。所谓同步是指收发双方在时间上步调 一致，故又称定时。为什么要研究同步技术？13.1 概述2第13章 同步原理按照同步的不同功用分为：按照同步的不同功用分为： 载波同步载波同步：在接收设备中产生一个和接收信 号的载波同频同相的本地相干载波，用于相 干解调。又称为载波恢复或载波提取。 方法： 接收信号中有载频分量时：直接从接收信 号中提取

2、，但需要调整其相位。 接收信号中无载频分量时：需用较复杂的 方法从信号中提取载波。或者在发送端插入 辅助同步信息。注意：相干载波必须与接收信 号的载波严格地同频同相。3第13章 同步原理 码元同步码元同步：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抽 样判决或正确确定码元的积分区间（以求得码元 的能量）。这就要求接收端必须提供一个与接收 码元的重复频率和相位一致的时钟脉冲序列。提 取这种时钟脉冲序列的过程就称为码元同步。方法：从接收信号中获取同步信息，由其产生一 时钟脉冲序列，使后者和接收码元起止时刻保持 正确关系。或

3、插入辅助同步信息。它又称为时钟同步或时钟恢复。对于二进制码元 而言，码元同步又称为位同步。4第13章 同步原理 群同步群同步：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。因此，在接收端产生与“ 字”、“句” 起止时刻相一致的定时脉冲序 列的过程统称为群同步或帧同步。 网同步网同步：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。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

4、就是网同步。5第13章 同步原理总结一下实现同步的方法：总结一下实现同步的方法： 外同步法外同步法：由发送端发送专门的辅助同步信 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。 自同步法自同步法：发送端不发送专门的辅助同步信 息，接收端设法从接收到的信号中提取同步 信息的方法。 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，两种方法都有采用，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。6第13章 同步原理13.2 载波同步13.2.1 无辅助导频时的载波提取（自同步法）有些信号（如DSB-SC、等概PS

5、K等）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。常用的载波同步自同步方法有平方环法、科斯 塔斯环法和再调制法等。7第13章 同步原理 平方变换法和平方环法当m(t)取+1和-1的概率相等时，此信号的频谱中无角频率c的离散分量。将上式平方，得到由上式可见，其中包含2倍载频的频率分量。将此2倍频分量用 窄带滤波器滤出后再作2分频，即可得出所需载频。平方变换 法提取载波正是基于该思路，其解调原理框图如下：以2PSK信号为例进行讨论。设此信号为：式中，m(t) = 1 8带通平方窄带滤波二分频低通平方变换法提取载波在实际使用中，伴随信号一

6、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，上图中的窄带滤波器常用 锁相环代替，称为平方环法，其原理框图如下：第13章 同步原理9载频 输出带通滤波平 方压控振荡环路滤波锁相环s(t)二分频窄带滤波事实上就是一个窄带低通滤波 器，只是因其用于锁相环的环 路中，所以称之为环路滤波器自动跟踪输入信 号的频率和相位模拟乘法鉴相器，将输入 信号与压控振荡器输出信 号的相位差转换为电压差10平方环法的缺点：第13章 同步原理 相位含糊性：二分频器的输出电压有相差180的两种可 能相位，即其输出电压的相位决定于分频器的随机初始 状态。采用2DPSK调制可以避免

7、此缺点的影响。 错误锁定：平方后的接收电压中有可能存在其他的离散 频率分量，使锁相环锁定在错误的频率上。解决这个问 题的办法是降低环路滤波器的带宽。 频率高：在载波频率上进行平方运算后，由于频率倍增 ，使后面的锁相环工作频率加倍，增加了实现难度。1190相移环路滤波压控振荡 s(t)载频 输出低 通低 通解调 输出 abcedfg第13章 同步原理 科斯塔斯环法 又称同相正交环法或边环法。这是利用锁相环提取载波的 另一种常用方法。输入信号：a点电压：b点电压：两者同相正交， 所以该方法又称 为同相正交环( - )是提取的相干载 波和接收载波相位之差12coscos =1/2cos(+)+cos

8、(-) c点电压：d点电压：低通滤除90相移环路滤波压控振荡 s(t)载频 输出低 通低 通解调 输出 abcedfg13e 点电压：cossin =1/2sin(+)-sin(-)f 点电压：低通滤除90相移环路滤波压控振荡 s(t)载频 输出低 通低 通解调 输出 abcedfg14g 点电压：上式中的( - )是压控振荡电压（即提取的相干载波）和接收载波相位之差。将m(t) = 1代入上式，并考虑到当( - )很小时， sin( - ) ( - ) ，则上式变为：90相移环路滤波压控振荡 s(t)载频 输出低 通低 通解调 输出 abcedfg15第13章 同步原理电压vg 通过环路滤波

9、器（低通），控制压控振荡器的振荡频率。这个电压控制压控振荡器的输出电压相位，使 尽可能地小。当 时，vg = 0 ，压控振荡器的输出电压va 就是科斯塔斯环提取出的相干载波。 由上式可见，当 很小时，除了差一个常数因子外，电压vd 就近似等于解调输出电压m(t)。所以科斯塔斯环本身就同时兼有提取相干载波和相干解调的功能。16第13章 同步原理科斯塔斯环法的优缺点： 不需要对接收信号作平方运算，工作频率较低 ，降低实现难度。 由锁相环原理可知，锁相环在( - )值接近0 的稳定点有两个，在( - )等于0和 处。所 以，科斯塔斯环法提取出的载频也存在相位含 糊性。 为了得到科斯塔斯环法在理论上给

10、出的性能， 要求两路低通滤波器的性能完全相同。17第13章 同步原理 再调制器输入信号：a点电压：b点电压：载频 输出90相移环路滤波压控振荡低 通s(t) abcdefg解调 输出18c点电压：载频 输出90相移环路滤波压控振荡低 通s(t) abcdefg解调 输出d点电压：该点电压就 是解调输出19载频 输出90相移环路滤波压控振荡低 通s(t) abcdefg解调 输出e点电压：f 点电压：cossin =1/2sin(+)-sin(-)20载频 输出90相移环路滤波压控振荡低 通s(t) abcdefg解调 输出经过环路窄带低通滤波后，得到压控振荡器的控制电压：将上式的控制电压和科斯

11、塔斯环的控制电压式比较可见，这两 个方案中的压控振荡器的控制电压相同。 21第13章 同步原理 多进制信号的载频恢复对于多进制信号（如QPSK，8PSK），当它们 以等概率取值时，也没有载频分量。为了恢复 其载频，可将上述二进制方法推广到多进制。 例如，对于QPSK信号，平方环法需要将对信 号的平方运算改成4次方运算。22第13章 同步原理下图为QPSK信号提取载频的科斯塔斯环法原理 方框图s(t )45移相低通压控振荡环路滤波低通解调输出90移相135移相低通低通载波输出23第13章 同步原理自同步法的特点： 不占用导频功率，因此信噪功率比可以大一些。 可以防止插入导频法中导频和信号间由于滤

12、波不 好而引起的互相干扰，也可以防止因信道不理想 而引起的导频相位误差（在信号和导频范围引起 不同的畸变） 。 有的调制系统不能用直接法，如SSB系统。24第13章 同步原理p用于不包含载频分量的信号。p在发送信号中另外加入一个或几个导频信号。 p多采用锁相环（PLL）提取载波。p锁相环原理方框图：环路滤波器压控振荡器输出导频输入信号鉴相器13.2.2 有辅助导频时的载频提取25第13章 同步原理p对环路滤波器的要求：通带越窄，能够通过的噪声越少，但是对导频相位漂移的限制越大。 p数字化接收机中锁相环的实现方法：窄带滤波器：改用数字滤波器压控振荡器：用只读存储器代替 鉴相器：可以是一组匹配滤波

13、器 261.在DSB信号中插入导频插入导频的位置应该在信号频谱为0的位置，否则导频与已调信号频谱成分会重叠在一起，接收时不易取出。对于模 拟调制的信号，如双边带语音和单边带语音等信号，在载波fc 附近信号频谱为0；但对于2PSK和2DPSK等数字调制的信号 ，在fc附近的频谱不但有，而且比较大，因此对于这样的数字 信号，在调制以前应先对基带信号x(t)进行相关编码。相关编 码的作用是把图13-4(a)所示的基带信号频谱函数变为图13- 4(b)所示的频谱函数，这样经过双边带调制以后可以得到图13 -4(c)所示的频谱函数。此时，在fc附近频谱函数很小，且没有 离散谱，这样可以在fc处插入频率为

14、fc的导频(这里仅画出正频 域)。 27图13-4几种信号的正频域频谱图 (a)相关编码前的频谱；(b)相关编码后的频谱 (c)双边带调制后的频谱 28由正向频谱可以看出，由于插入的这个导频与传输的上下边带是不重叠的，接收端容易通过窄带滤波器提取导频作为相干载波。在DSB发射机中插入导频的方框图如图13-5所示。图中除正常产生双边带信号外，振荡器的载波经移相/2网络产生一个正交的导频信号，二者叠加成输出信号。显然 由于x(t)中无直流成分，因此Ax(t)sinct中无fc成分，而acosct是插入的正交载波(导频)。 29图13-5 在DSB发射机中插入导频的方框图 30图13-6 相干解调器

15、 31假设接收到的信号就是uo(t), uo(t)中的导频经过fc窄带滤波器滤出来，再经过移相/2电路后得asinct, uo(t)与asinct加到乘法器输出 经过低通滤波器以后，得Aax(t)/2。 322. 时域中插入导频法除了在频域中插入导频的方法以外，还有一种在时域中插 入导频以传送和提取同步载波的方法。时域插入法中对被传输 数据信号和导频信号在时间上加以区别，例如按图13-7(a) 那样 分配。把一定数目的数字信号分作一组，称为一帧。在每一帧 中，除有一定数目的数字信号外，在t0t1的时隙中传送位同步 信号，在t1t2的时隙内传送帧同步信号，在t2t3的时隙内传送 载波同步信号，而

16、在t3t4时间内才传送数字信息；以后各帧都 如此。这种时域插入导频只是在每帧的一小段时间内才作为载 频标准，其余时间是没有载频标准的。在接收端用相应的控制 信号将载频标准取出以形成解调用的同步载波。但是由于发送 端发送的载波标准是不连续的，在一帧内只有很少一部分时间 存在，因此如果用窄带滤波器取出这个间断的载波是不能应用 的。对于这种时域中插入导频方式的载波提取往往采用锁相环 路，其方框图如图 13-7(b)所示。 33图13-7时域中插入导频法 (a)信号分配示意图；(b)采用锁相环路的方框图 343.插入导频法的特点插入导频法具有以下一些特点：（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。