计算机网络通信原理同步技术

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1、1,第十一章 同步技术,同步的基本概念 载波同步技术 位同步技术 群同步(帧同步)技术 网同步技术,2,同步的基本概念,所谓同步是指收发双方在时间上步调一致，故又称定时。 在计算机通信系统中，同步技术是保证通信系统正常工作的关键技术。 在数字通信系统中，按照传输数据的速率是否恒定分为异步传输和同步传输。 按照同步的功用分为：载波同步、位同步、群同步和网同步。 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。,3,同步传输与异步传输,在数字通信系统中，按照传输数据的速率是否恒定分为： 异步传输方式 收发双方独立产生同步时钟，但定期进行校准。 同步传输方式 接收方的时钟完全由发送方控

2、制。,4,异步传输,异步传输采用字符同步方式进行传输时，由于字符短，时钟的漂移不会影响脉冲信号的正确接收，收发双方不需要严格的时间标准。 字符内部的每一位采用固定的时间模式，字符之间间隔可以任意。因此，传输数据的速率不是恒定的。 异步传输又称起止式传输，它采用独特的起始信号（起始位）和终止信号（结束位）来限定每个字符，按位逐次地传输，因此其传输效率较低。,5,同步传输,在同步传输中以数据块为单位发送比特流。数据块加上前缀、后缀和控制信息形成了帧。 为了防止时钟漂移，保证接收端接收的每一位数据都和发送端准确地保持同步，常用的方式有内同步和外同步。 内同步： 在传输的信号中嵌入时钟信息，使接收端能

3、从接收的信号波形中提取时钟信息。 外同步： 在发送端和接收端之间提供单独的时钟线路，或发送端在发送数据前先发一串同步时钟脉冲（同步字符串），接收端按这个时钟频率调整采样频率。,6,不同功用的同步：载波同步,在数字频带传输系统中，采用相干解调时，接收端需要产生一个与接收信号中的调制载波同频同相的相干载波。这个载波的获取称为载波提取或载波同步。 在学习数字调制技术过程中，我们了解到要想实现相干解调，必须有相干载波。因此，载波同步是实现相干解调的先决条件。,7,不同功用的同步：位同步,位同步又称码元同步。在数字通信系统中，不管采用基带传输，还是频带传输，都需要位同步。 任何消息都是通过一连串码元序列

4、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采样判决。 接收端必须提供一个位同步脉冲序列，该序列的重复频率与码元速率相同，相位与最佳取样判决时刻一致。我们把提取这种定时脉冲序列的过程称为位同步。,8,不同功用的同步：群同步,在数字通信中，信息流是用若干码元组成一个个“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。 在数字时分多路通信系统中，各路信码都安排在指定的时隙内传送，形成一定的帧结构。在接收端为了正确地分离各路信号，首先要识别出每帧的起始时刻，从而找出各路时隙的位置。 接收端必须产生与字、

5、句和帧起止时间相一致的定时信号。我们称获得这些定时序列的过程为群(字、 句、帧)同步。,9,不同功用的同步：网同步,上述的载波同步、位同步、群同步技术可以保证两点间的数字通信有序、准确、可靠地进行。 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交换数据，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。,10,同步信号的获取方式,同步也是一种信息，按照获取和传输同步信息方式的不同可分为： 外同步法 由发送端发送专门的同步信息（常被称为导频），接收端把这个专门的同步信息检测出来作为同步信号的方法， 称为外

6、同步法。 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。,11,不同场合的同步方式,由于外同步法需要传输独立的同步信号，因此，要付出额外功率和频带，而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，二者都有采用，而自同步法用得较多；在群同步中，一般都采用外同步法。,12,同步技术的重要性,同步本身虽然不包含所要传送的信息，但只有收发设备之间建立了同步后才能开始传送信息，所以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着通信系统的性能。如果出现同步误差或失去同步就会直接导致通信质量下降

7、，降低通信系统性能，甚至使通信中断。,13,同步的技术指标,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： 同步误差小 相位抖动小 同步建立时间短 同步保持时间长,14,第十一章 同步技术,同步的基本概念 载波同步技术 位同步技术 群同步(帧同步)技术 网同步技术,15,载波同步技术,载波同步的方法通常有以下两种： 插入导频法（外同步法） 所谓插入导频，就是在已调信号频谱中额外插入一个低功率的线谱，以便接收端作为载波同步信号加以恢复，此线谱对应的正弦波称为导频信号。 直接法（自同步法） 这种方法是设法从接收信号中提取同步载波。,16,（1）插入导频法（外同步法）,插入导频法也可

8、以分为两种： 一种是在频域插入，即在发送信息的频谱中或频带外插入相关的导频； 另一种是在时域插入， 即在一定的时段上传送载波信息。 对载波同步的要求是：发送载波同步信息所占的功率尽量小，频带尽量窄。,17,插入导频法的使用场合,抑制载波的双边带信号（如DSB、等概的2PSK）本身不含有载波，残留边带（VSB）信号虽含有载波分量，但很难从已调信号的频谱中把它分离出来。对这些信号的载波提取，可以用插入导频法（外同步法）。 尤其是单边带（SSB）信号， 它既没有载波分量又不能用直接法提取载波，只能用插入导频法。,18,SSB、DSB信号简介,假设无线电音频信号频率为500Hz，载波频率为10MHz，

9、那么调制后信号将产生的主要频率： 10MHz + 500Hz=10.0005MHz 上边带（USB） 10MHz - 500Hz= 9.9995MHz 下边带（LSB） 若在调幅波频谱中的上下两个边带都含有相同的信息，只传送一个边带也就可以完成信息的传送,为了提高发射功率的效率,而把其中一个边带和载波都消除掉。这个过程就叫做单边带调制，而最终输出的无线电信号就叫做单边带信号（SSB）。 若在调制时上下两个边带含有不同的信息，称为双边带调制，输出的信号就叫做双边带信号（DSB）。,19,频域插入导频,在DSB信号中插入导频： 插入导频的位置应该在信号频谱为零的位置，否则导频与信号频谱成分重叠在一

10、起，接收时不易取出。 对于2PSK和2DPSK等数字调制的信号，在载波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，在调制以前先对基带信号x(t)进行相关编码。 相关编码的作用是把如图 (a)所示的基带信号频谱函数变为如图(b)所示的频谱函数，这样经过双边带调制以后可以得到图(c)所示的频谱函数，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fc的导频(这里仅画出正频域)。,20,2PSK的正频域频谱图,从下图所示的频谱图可以看出，在载频处，已调信号的频谱分量为零，载频附近的频谱分量也很小且没有离散谱，这样就便于插入导频以及解调时易于滤出它。 （a）基带信号x(t

11、)频谱函数 （b）对x(t)进行相关编码得到的频谱函数 （c）双边带调制后得到的频谱函数,插入导频,21,双边带调制系统发送端电路框图,码变换器将Sd(t)频谱中的直流和相邻的低频信号滤掉或衰减。 经低通滤波器加给环行调制器，由带通滤波器取出上、下边带送给加法器。 同时送给加法器的还有载波移相90的Acsinct。（发送端必须正交插入导频，不能加入Acost导频信号，否则接收端解调后会出现直流分量，这个直流分量无法用低通滤波器滤除，将对基带信号的提取产生影响。）,22,在残留边带信号中插入导频,残留边带频谱的特点： 以取下边带为例，fc为载波频率，从(fc -fm)到fc的下边带频谱绝大部分可

12、以通过，而上边带信号的频谱fc到(fc+fr)只有小部分通过。这样，当基带信号为数字信号时， 残留边带信号的频谱中包含有载频分量fc，而且fc附近都有频谱，因此插入导频不能位于fc 。,23,在残留边带信号中插入导频,插入导频f1、f2的选择： 可以在残留边带频谱的两侧插入f1和f2；f1和f2不能与（fc-fm）和（fc+fr）靠得太近，太近不易滤出f1和f2，但也不能太远，太远占用过多频带。,24,插入导频法接收端电路框图,25,2PSK载波信号的提取,假定接受端收到的信号与发送端完全相同e(t) = ASc(t)cosct+Acsinct 接受信号中含有频率fc，移相90得到Accosc

13、t 相乘器完成 （ASc(t)cosct+Acsinct） Accosct= AAcSc(t) /2+ AAcSc(t)/2+cos2cosct+ Ac2sin2ct 通过低通滤波器得到 AAcSc(t)/2 如果用Accosct时，得到 AcSc(t)/2+ Ac /2注意：直流分量Ac /2对抽样判决有干扰。,26,时域插入导频法,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。 把一定数目的数字信号分作一组，称为一帧。 t0t1 的时隙中传送位同步信号；t1t2 的时隙内传送帧同步信号； t2t3 的时隙内传送载波同步信号；t3t4 的时间内传送数字信息。,27,时域插入导频法接

14、收端电路框图,28,（2）直接法（自同步法）,直接法可分为:非线性变换（滤波法）和特殊锁相环法。 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后，将具有载波的谐波分量，因而可从中提取出载波分量来。,29,非线性变换平方变换法,平方变换法广泛用于建立抑制载波的双边带信号的载波同步。 已调信号x(t)cosct,其中x(t)为2PSK信号，双极性矩形脉冲。,30,平方变换法,已调信号x(t)cosct为2PSK信号，双极性矩形脉冲。 接收端经过平方律部件后得到e(t)=x(t)cosct2= x2(t)/2+ x2(t) cos2ct/2 x(t)=1

15、e(t)= (1+cos2ct)/2 由此，通过窄带滤波器取出2fc，经过二分频得到的频率就是所需要的载波频率。,31,平方环法,为了改善平方变换的性能，使恢复的相干载波更为纯净， 常常在非线性处理之后加入锁相环。具体做法是在平方变换法的基础上，把窄带滤波器改为锁相环。 由于锁相环具有良好的跟踪、窄带滤波和记忆功能，平方环法比一般的平方变换法的性能更好，因此得到了广泛应用。,32,特殊锁相环路法,通常采用的特殊环路有：同相正交环、逆调制环、判决反馈环和基带数字处理载波跟踪环等。 特点：特殊锁相环具有从已调信号中消除调制和滤除噪声的功能，所以能鉴别接收已调信号中被抑制了的载波分量与本地压控振荡器

16、VCO输出信号之间的相位误差，从而恢复出相应的相干载波。,33,第十一章 同步技术,同步的基本概念 载波同步技术 位同步技术 群同步(帧同步)技术 网同步技术,34,位同步技术,位同步是数字通信中非常重要的一种同步技术。位同步与载波同步是截然不同的两种同步方式。 在模拟通信中，没有位同步的问题，只有载波同步的问题，而且只有接收机采用同步解调时才有载波同步的问题。但在数字通信中，一般都有位同步的问题。 对位同步信号的要求有两点：一是使收信端的位同步脉冲频率和发送端的码元速率相同；二是使收信端在最佳接收时刻对接收码元进行抽样判决。,35,（1）外同步法（插入导频法）,在无线通信中，数字基带信号一般都采用不归零的矩形脉冲，并以此对高频载波作各种调制。解调后得到的也是不归零的矩形脉冲，码元速率为fs，码元宽度为Ts，这种信号的功率谱在fs处为零，例如双极性码的功率谱密度如下图(a)所示。 如果将基带信号先进行相关编码，经相关编码后的功率谱密度如图 (b)所示，此时可在fs /2处插入位定时导频， 接收端取出fs /2以后，经过二倍频得到fs 。,