通信原理 第10章

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1、通 信 原 理第10章 同步原理1第10章 同步原理l10.1 概述同步是通信系统，特别是数字通信系统中 的关键技术和先决条件。同步的目的是使接收 信号与发射信号保持正确节拍，以保证接收系 统能正确地接收信息。 数字通信系统中的同步种类：载波同步、 码元同步、群同步和网同步。同步是进行信息传输的必要和前提，同步 性能的好坏将直接影响通信系统的性能。本章重点研究载波同步、码元同步、群同 步的概念、实现方法和性能。210.1 概述载波同步：又称载波恢复或载波提取。u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（相干载波），用于 相干解调。u方法：接收信号中有载频分量时：需要调整

2、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。310.1 概述码元同步：又称时钟同步或时钟恢复。对于二进制信号，又称位同步。u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。为同步就是在接收端产生与接收码元重复频率和 相位（位置）的时钟脉冲序列。u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。410.1 概述群同步：又称帧同步（字符同步）。u目的：在接收端产生与每“组”、每“帧”起止时 刻相一致的同步脉冲序列，以便对接收码元正 确分组。u方法：通常需要在发送信号中周期性地插入一

3、 个同步码元，标示出分组位置。网同步：使通信网中各站点时钟之间保持同步。 510.1 概述同步方法 同步也是一种信息，按照获取和传输同步信息方式的不同，又可分为外同步法和自同步法。 u外同步法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。特点：设备简单，建立同步的时间快，但需要占用一定的频率资源和功率资源。 610.1 概述u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。 特点：同步建立的时间较长，但可以把全部功率和带宽分配给信号传输。自同步法是人们最希望的同 步方法。在载波同步和位同步中，两种方法都

4、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。 7第10章 同步原理n10.2 载波同步u 10.2.1 有辅助导频时的载频提取（插入导频法）p适用范围：不包含载频分量的信号（如2PSK信号）。p方法：在发送信号中另外加入一个或几个导频信号（ 发端专门在发送信号中导入的含有载波信息的单频信 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810.2 载波同步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

5、只读存储器代替 鉴相器：可以是一组匹配滤波器 910.2 载波同步u10.2.2 无辅助导频时的载波提取p平方环法p设2PSK信号 式中，m(t) = 1 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。1010.2 载波同步载频输出带通滤波平 方压控振荡环路滤波锁相环s(t )2分频窄带滤波平方环原理方框图1110.2 载波同步此方案的缺点：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

6、。采用2DPSK体制可以避免此缺点的影响。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。1210.2 载波同步p科斯塔斯环法：又称同相正交环法或边环法。科斯塔斯环法原理方框图： 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abcdefgm(t)cos(ct +)1310.2 载波同步工作原理 a点的压控振荡电压：b点的压控振荡电压： c点的电压：d点的电压：e点的电压：f点的电压：g点的电压：上式中的( - )是压控振荡电压和接收载波相位之差。 1410.2 载波同步将m(t) = 1代

7、入上式，并考虑到当( - )很小时， sin( - ) ( - )，则上式变为电压vg 通过环路滤波器，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( - )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载波。 1510.2 载波同步当( - )很小时，除了差一个常数因子外，电压ve 就近似等 于解调输出电压m(t)。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。优缺点： 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、由锁相环原理可知，锁相

8、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。1610.2 载波同步p再调制器 第3种提取相干载波的方法 再调制器原理方框图载频 输出90相移环路滤波压控振荡低 通s(t)abcdefg1710.2 载波同步工作原理接收信号和a点振荡电压相乘后得到的c点电压它经过低通滤波后，在d 点的电压为 vd 实际上就是解调电压，它受b点的振荡电压在相乘器 中再调制后，得出的e 点电压等于上式的ve 和信号s(t)再次相乘，得到在f点的电压。1810.2 载波同步vf 经过窄带低通滤波后，得到压控振荡器的控制电压将上式的控制电压和科斯塔斯

9、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。1910.2 载波同步p多进制信号的载频恢复例：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2010.2 载波同步n10.2.3 载波同步的性能u相位误差p相位误差的种类恒定误差：由电路参量引起的随机误差：由噪声引起的p恒定误差分析当提取载波电路中存在窄带滤波器时，若其中心频 率fq和载波频率f0不相等，存在频率偏差f，则载波通过它时会有附加相移。设此窄带滤波器由一个单谐振电路组成，则由其引起的附加相移等于2110.2 载波同步当提取载频的电路中采用锁相环

10、时，若锁相环工作在 稳态，压控振荡电压的频率f0应当和信号载频fc相同，并且其相位误差应当很小。设锁相环压控振荡电压 的稳态相位误差为，则有式中，f 是fc和 f0之差，而Kd为锁相环路直流增益 。 为了减小误差，由上式可见，应当尽量增大环路的 增益Kd。2210.2 载波同步p随机误差分析设这种相位误差为n，它是由窄带高斯噪声引起的，所 以是一个随机量。当大信噪比时，此随机相位误差n的 方差与信号噪声功率比r的关系为所以，当大信噪比时，由窄带高斯噪声引起的随机相位 误差的方差大小直接和信噪比成反比。我们常将此随机 相位误差n的标准偏差称为相位抖动，并记为 。23第10章 同步原理p在提取载频

11、电路中的窄带滤波器对于信噪比有直接的影响。对于给定的噪声功率谱密度，窄带滤波器的通频带越窄，使通过的噪声功率越小，信噪比就越大，这样随机相位误差越小。另一方面，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。2410.2 载波同步u同步建立时间和保持时间p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。 此时间越短越好。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 。p同步保持时间：同步建立后，从开始失去信号到失 去载频同步的时间。 此时间越长越好。长的同步保持时间

12、有可能使信号 短暂丢失时，或接收断续信号时，不需要重新建立 同步，保持连续提供稳定的本地载频。2510.2 载波同步u载波同步误差对解调信号的影响p载波同步的相位误差：包括两部分：恒定误差和随机误 差（相位抖动） ，现在将其写为： p相位误差对于2PSK信号误码率的影响：由科斯塔斯环的输出电压其中，( - )为相位误差，ve即解调输出电压，而cos( - )就是由于相位误差引起的解调信号电压下降。因此信号噪 声功率比r下降至cos2( - )倍。将它代入误码率公式，得 到相位误差为( - )时的误码率等于2610.2 载波同步p相位误差对于单边带信号的影响 设有一单频基带信号 它对载波cosc

13、t进行单边带调制后，取出上边带信号若接收端的本地相干载波有相位误差，则两者相乘后得到经过低通滤波器滤出的低频分量为其中第1项是原调制基带信号，但是受到因子cos的衰减；第2项 是和第1项正交的项，它使接收信号产生失真。 27第10章 同步原理l10.3 码元同步u码元同步目的：在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。u码元同步方法：产生一个码元同步脉冲序列， 或称定时脉冲序列。u码元同步方法分类：p外同步法：它是一种利用辅助信息同步的方法 ，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。p自同步法，它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

14、，这种方 法要求在信息码元序列中含有码元定时信息。 2810.3 码元同步n 10.3.1 外同步法u于发送信号中插入频率为码元速率（1/T）或码元速率 的倍数的同步信号。在接收端利用一个窄带滤波器，将 其分离出来，并形成码元定时脉冲。 u优点是设备较简单；缺点是需要占用一定的频带宽带和 发送功率。 u插入码元同步信号的方法p时域：连续插入增加“同步头” p频域：在信息码元频谱之外占用一段频谱用于传输同步 信息。利用信息码元频谱中的“空隙”处，插入同步信息 .2910.3 码元同步n 10.3.2 自同步法u自同步法分类：p开环同步法：由于二进制等先验概率的不归零码元 序列中没有离散的码元速率

15、频谱分量，故需要在接 收时对其进行某种非线性变换，才能使其频谱中含 有离散的码元速率频谱分量，并从中提取码元定时 信息。 p闭环同步法：用比较本地时钟周期和输入信号码元 周期的方法，将本地时钟锁定在输入信号上。 3010.3 码元同步u开环码元同步法p延迟相乘法原理方框图p相乘器输入和输出的波形： 变换后的码元序列的频谱中就产生了码元速率的分量。p延迟时间等于码元时间一半 时，码元速率分量最强。c延迟T/2ab放大限幅窄带滤波(c)(b)(a)3110.3 码元同步p微分整流法原理p同步误差 若窄带滤波器的带宽等于1/KT，其中K为一个常数，则提取 同步的时间误差比例为：T 码元持续时间；Eb

16、 码元能量；n0 单边噪声功率谱密度。 只要接收信噪比大，上述方案能保证足够准确的码元同步。低 通微 分整 流窄带滤波放大限幅式中， 同步误差时间的均值；3210.3 码元同步u闭环码元同步法p基本原理：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。这种方法类似载频同步中的锁相环法。p“超前/滞后门”同步器：原理方框图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3310.3 码元同步工作原理Tdd+1-1超前门滞后门(a) 同步状态(b) 超前状态d+1-1超前门滞后门T2 积分时间3410.3 码元同步n10.3.3 码元同步