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1、通信原理通信原理新疆师范大学物理与电子工程学院主讲人：赵忠华 13319801893 新疆师范大学物理与电子工程学院2 2/55/55同步是数字通信系统，以及某些采用相干协 调的模拟通信中一个重要的实际问题。在数字 通信中，按照同步的功用分为：载波同步，位 同步，群同步和网同步。本章要了解同步的概念和作用；掌握常见同 步技术（载波同步、位同步、群同步、网同步 ）的实现方法。本章内容新疆师范大学物理与电子工程学院3 3/55/55重点： 1、载波同步的实现方法； 2、位同步的实现方法； 3、群同步的实现方法。难点： 1、载波相位误差； 2、位定时误差对系统性能的影响分析 。 本章内容新疆师范大学
2、物理与电子工程学院4 4/55/55章节目录引言引言13.113.1载波同步载波同步13.213.2码元同步码元同步13.313.3群同步群同步13.413.4网同步网同步13.513.5本章小结本章小结新疆师范大学物理与电子工程学院5 5/55/55第13章 同步原理13.1 概述1、什么是同步？p收发双方的时间标准 p数据通信的收发双方需要有一个统一 的时间标准，这个时间标准就是靠定 时系统去完成收发双方时间的一致性 。新疆师范大学物理与电子工程学院6 6/55/55第13章 同步原理2、同步系统重要性p同步是系统正常工作的前提，只有收发双方建 立了同步才能开始传输信息； p同步性能不好就
3、会使数字通信系统的抗干扰性 能下降，误码增加； p在数据通信同步系统中，要求同步信息的可靠 性高于信号信息传输的可靠性； p对同步系统的要求：同步误差小，相位抖动小 ，同步建立时间短、保持时间长；新疆师范大学物理与电子工程学院7 7/55/55第13章 同步原理点点两路PCM/2DPSK数字电话电话 系 统统新疆师范大学物理与电子工程学院8 8/55/55第13章 同步原理抽样时钟样时钟抽样时钟样时钟PCM信号PCM信号帧帧同步信号码码流信号恢复帧帧同步信 号 路1同步信号路2同步信号新疆师范大学物理与电子工程学院9 9/55/55第13章 同步原理3、按功能分类p载波同步 p位同步（码元同步
4、） p群同步（帧同步） p网同步（通信网络）（1）网同步：使通信网中各站点时钟时钟 之间间保持同步 。 （2）群同步：又称帧帧同步。 目的：将接收码码元正确分组组。 方法：通常需要在发发送信号中周期性地插入一个同 步码码元，标标示出分组组位置。新疆师范大学物理与电子工程学院1010/55/55第13章 同步原理（3）码码元同步：又称时钟同步或时钟恢复。对于二进制信号，又称位同步； 目的：得知每个接收码元准确的起止时刻，以便 决定积分和判决时刻； 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。或插入辅助同步信息。新疆师范大学物理与电子工程学院1
5、111/55/55第13章 同步原理目的：在接收设备中产生一个和接收信号的载波 同频、同相的本地振荡，用于相干解调； 方法：接收信号中有载频分量时：需要调整其相 位。接收信号中无载频分量时：需从信号中提取 载波，或插入辅助同步信息。（4）载波同步：又称载波恢复（相干解调）。p相干载波是在接收端恢复的。 p与发送端的载波同频，在相位上保持某种特 定关系。新疆师范大学物理与电子工程学院1212/55/55第13章 同步原理4、按传输同步信息方式不同分类p外同步法：由发送端发送专门的同步信息，接 收端把这个专门的同步信息检测出来作为同步 信号的方法需要传输同步信号，需付出额外的 功率和频带。 p自同
6、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 。 自同步：载波同步，位同步 外同步：群同步新疆师范大学物理与电子工程学院1313/55/55第13章 同步原理13.2 载波同步分类 p插入导频法 p直接法发送端在发送数字信 息流的同时发送载波 或相关的导频信号。从接收的已调信号中 提取出载波。1313. .2 2. .1 1 有辅助导频时的载频提取有辅助导频时的载频提取 插入导频法（针对无载波分量的信号）发送端除了发送信号外还插入一个导频。新疆师范大学物理与电子工程学院1414/55/55第13章 同步原理正交导频DSB、SSB、VSB、2PSK（P=1/2，
7、载频载频 分量为为0 ）无载频载频 分量或无法从信号频谱频谱 中提取时时可用插 入导频导频 法； 导频导频 的插入可在频频域进进行，也可在时时域进进行； 1、频频域插入导频导频新疆师范大学物理与电子工程学院1515/55/55第13章 同步原理一般的导频信号为“正交载波”，如下图所示：基带信号 频谱变换调制并插 入导频新疆师范大学物理与电子工程学院1616/55/55第13章 同步原理p接收端接收到的信号p导频信号 p解调输入信号若插入同相载波作为导频，则在输出中有直流分量 ，会对数字信号产生影响。新疆师范大学物理与电子工程学院1717/55/55第13章 同步原理时域插入导频法常用在时分多址
8、或通信系统 中，其原理是在特定的时间片上传送导频信号 ，如下图所示:2、时域插入导频新疆师范大学物理与电子工程学院1818/55/55第13章 同步原理接收端多采用锁相环（PLL）提取载波环路滤波器的要求：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新疆师范大学物理与电子工程学院1919/55/55第13章 同步原理直接提取载波法抑制载波的双边带信号为：平方器的输出 ：图图13-2 平方环环原理方框图图载频载频 输输出带带通滤滤波平 方压压控振荡荡环环路滤滤波锁锁相环环s(t)2分频频窄带滤带滤 波为了改善 滤波性能 。1313. .2 2. .2 2 无无辅助导频时的载频提取
9、辅助导频时的载频提取1、平方环法新疆师范大学物理与电子工程学院2020/55/55第13章 同步原理缺点：缺点：1）相位含糊性：2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，对2PSK信号存 在相位模糊。可采用2DPSK体制。 2）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。新疆师范大学物理与电子工程学院2121/55/55第13章 同步原理2、科斯塔斯环同相正交环法图图13-3 科斯塔斯环环法原理方框图图90相移环环路滤滤 波压压控振 荡荡s(t)载频载频
10、 输输出低 通低 通解调调 输输出 abcdefg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。新疆师范大学物理与电子工程学院2222/55/55第13章 同步原理特点：特点：（1）不需要对接收信号作平方运算，工作频 率较低。 （2）为了得到科斯塔斯环法在理论上给出的 性能，要求两路低通滤波器的性能完全相同。 （3）科斯塔斯环法提取出的载频也存在相位含糊性。新疆师范大学物理与电子工程学院2323/55/55第13章 同步原理高效率；高精度；建立时间短，保持时间长。1313. .2 2. .3 3 性能指标性能指标1、相位误差稳态相差：由电路参量引起的 随机相差：由噪声引起的 窄带滤波
11、器的通频带越窄，使通过的噪声功率越 小，信噪比就越大，则随机相位误差越小。 通频带越窄，要求滤波器的Q值越大，则恒定相位 误差越大。 所以，恒定相位误差和随机相位误差对于Q值的要求是矛盾的。新疆师范大学物理与电子工程学院2424/55/55第13章 同步原理2、同步建立时间和保持时间 同步建立时间：从开始接收到信号（或从系统失步状 态）到提取出稳定的载频所需要的时间。要求越短越 好。 在同步建立时间内，由于相干载频的相位还没有调整 稳定，所以不能正确接收码元。 同步保持时间：从开始失去信号到失去载频同步的时 间。要求越长越好。 长的同步保持时间有可能使信号短暂丢失时，或接收 断续信号时，不需要
12、重新建立同步，保持连续提供稳 定的本地载频新疆师范大学物理与电子工程学院2525/55/55第13章 同步原理同步建立时间和保持时间的关系：在同步电路中的低通滤波器和环路滤波器都是通频 带很窄的电路。滤波器的通频带越窄，其惰性越大。当在其输入端 加入一个正弦振荡时，它输出端振荡的建立时间越 长；当输入振荡截止时，输出端振荡的保持时间也 越长。 显然，建立时间短和保持时间长是互相矛盾的要求 。在设计同步系统时只能折中处理。新疆师范大学物理与电子工程学院2626/55/55第13章 同步原理13.3 码元同步1、码元同步、比特同步p在接收端产生一个码元定时脉冲序列，其频 率和相位要和接收码元一致。
13、基带传输和频带传输都需要位同步新疆师范大学物理与电子工程学院2727/55/55第13章 同步原理p在接收端产生一个与发送端发来的码元速率相同 ，且在时间上对准最佳判决点的定时脉冲序列2、性能指标标 p相位误误差 p同步建立时间时间 p保持时间时间 p同步带宽带宽失去同步后重建 同步所需的最长 时间。同步建立后，一 旦输入信号中断 ，收发双方仍能 保持同步的最长 时间。输入码元重复频 率和位定时脉冲 的重复频率之差 。新疆师范大学物理与电子工程学院2828/55/55第13章 同步原理3、目的：准确的时刻对接收码元进行判决，以及对接收码元能量正确积分。 4、方法：从接收码元的起止时刻产生一个码
14、元同 步脉冲序列，或称定时脉冲序列。 5、分类外同步法：又称辅助信息同步法，需要在信号中另 外加入包含码元定时信息的导频或数据序列。 自同步法：不需要辅助同步信息，直接从信息码元 中提取出码元定时信息。显然，这种方法要求在信 息码元序列中含有码元定时信息。新疆师范大学物理与电子工程学院2929/55/55第13章 同步原理零频点外同步法与载波同步的插入导频法类似，也是在基带信号频谱的零点处插入所需的位 定时导频信号。1313. .3 3. .1 1 外同步法外同步法插入导频法新疆师范大学物理与电子工程学院3030/55/55第13章 同步原理位同步导频信号在时间轴上的零点要恰好 与数据信号的抽
15、样时刻重合，以避免对数据 的传输产生影响： 新疆师范大学物理与电子工程学院3131/55/55第13章 同步原理接收端发送端 消除导频对 信号的干扰新疆师范大学物理与电子工程学院3232/55/55第13章 同步原理1313. .3 3. .2 2 自同步法自同步法 1、开环同步法：c延迟T/2ab放大限幅窄带滤波（1）延迟迟相乘法p归零脉冲频谱中包含定时分量，滤波器 p不归零脉冲频谱中不包含定时分量(c)(b)(a)新疆师范大学物理与电子工程学院3333/55/55第13章 同步原理（2）微分整流滤波法新疆师范大学物理与电子工程学院3434/55/55第13章 同步原理2、闭环码元同步法基本
16、原理：将接收信号和本地产生的码元定时信 号相比较，使本地产生的定时信号和接收码元波 形的转变点保持同步。 “超前/滞后门”同步器超前门滞后门环路 滤波| | |+压控 振荡 +-u1u2|u1|u2|e=|u2|-|u1|m(t)门波形 产生新疆师范大学物理与电子工程学院3535/55/55第13章 同步原理13.4 群同步1313. .4 4. .1 1 概述概述p帧的数字信号序列字句帧（群）p在接收端要正确地恢复消息，就必须识别群或 帧的起始时刻。 p在时分多路系统中，各路信码都安排在指定的 时隙内传送。 p帧同步：接收端必须产生与字、句、帧起止时 间相一致的定时信号。新疆师范大学物理与电子工程学院3636/55/55第13章 同步原理1、对群同步系统的要求 （1）正确建立同步的概率要大，错误同步的概率要小； （2）初始捕获同步的时间短； （3）即能迅速发现失步以便恢复同步，又要能长期保持正确的同步； （4）专为群同步目的插入的冗余比特要少。新疆师范大学物理与
