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1、第9章 同步原理, 1、主要内容:各种同步技术：包括载波同步、位同步、群同步 、扩频同步 、网同步等的实现；载波同步、位同步、群同步 等的性能分析。 2、基本要求:掌握载波同步和位同步的原理，分别包括插入导频法 、直接法的原理和实现；理解载波同步和位同步的性能分析及其对通信系统性能的影响；掌握连贯式插入法群同步的原理，了解起止式同步法群同步、间隔式插入法群同步、自群同步的实现方法；了解群同步系统的性能指标；了解网同步技术。,(参考学时为8学时),载波同步及其性能分析 位同及其性能分析 群同步及其性能分析 网同步技术,9.1 引言,通信系统的同步通常有载波同步、位同步、群同步（帧同步）和网同步等
2、。 。 同步是系统正常工作的前提，同步系统性能的降低会直接导致通信系统性能的降低，甚至使通信系统不能工作。 在数字通信系统中，要求同步系统具有比信息信号传输更高的可靠性。, 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。载波同步：又称载波恢复。 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。,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
3、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。 群同步：又称帧同步。 目的：将接收码元正确分组。 方法：通常需要在发送信号中周期性地插入一个同 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。,9.2 载波同步,模拟或数字通信采用相干解调时，接收端需要一个与发送端调制载波同频同相的相干载波。 接收端对这个相干载波的获取就称为载波同步，或称为载波提取。,载波同步方法: (1)插入导频法 ; (2)直接法,9.2 载波同步,插入导频法 定义：在发送端发送数据信号的同时，在适当的频率或时间位置上插入作为导频的正弦波，接收端提取导
4、频信号而得到相干载波。 插入导频的方法：频域插入法和时域插入法,9.2 载波同步,插入导频法应用：可以在两种信号传输中应用：一是对于本身不包含载波分量的信号，例如抑制载波的双边带信号、单边带信号以及等概率的二相数字相位调制信号等；二是虽然信号本身含有载波分量但却很难将其从中分离出来。,1. 在抑制载波的双边带信号中插入导频,实现框图:,2. 在残留边带信号中插入导频,3. 时域插入导频法（自学）,直接法 1. 平方变换法,2. 平方环法,3. M次方变换法和M次方环法 M次方变换法是对多进制调制信号提取载波的，对MPSK信号就可以采用M次方变换法。对QPSK来说，可以采用四次方变换法。 M次方
5、变换法在（0,2）范围内有M种可能相位状态，因而具有M重相位模糊。 用锁相环代替M次方变换法中的窄带滤波器和M分频器，就成为M次方环法。M次方环法同样具有M重相位模糊，常见的解决办法是采用M项相对移相。,4. 特殊锁相环法 特殊锁相环法也属于直接提取载波方法，常见的是同相正交环法 。,载波同步的性能指标载波同步的主要性能指标有效率、相位精度、同步建立时间和同步保持时间等 效率。为了获得载波信号而消耗的功率应尽量少。 相位精度。所提取的载波相对载波标准的相位误差应该尽量小。 同步建立时间。载波同步建立时间越短，同步建立就越快。 同步保持时间。同步保持时间越长，则载波同步的稳定性越好。,1. 相位
6、精度及对解调性能的影响 相位误差通常由稳态相差和随机相差组成 载波同步的总相位误差是稳态相差和随机相差的代数和,稳态相差是指载波同步提取电路所引起的相位相差 窄带滤波器的稳态相差锁相环的稳态相差,Kv：环路直流增益 Kv上升， 下降,0 -C 上升， 上升,随机相差是由随机噪声引起的相位误差。载波信号叠加随机高斯噪声产生随机相位误差相位抖动 载波随机相差n的概率密度函数为与正态分布比较：随机相差的方差： 相位抖动：,结论： 载波同步中的相位误差将导致接收端解调性能的下降 。 导致双边带调制信号解调输出的信噪比下降、误码率上升。信号幅度下降cos倍，信号功率下降cos2 倍 导致残留边带和单边带
7、信号的信噪比下降、误码率上升，并且使得解调输出信号产生了畸变,2. 载波同步建立时间和保持时间 同步建立时间失去同步后重建同步所需的最长时间同步保持时间同步建立后，由于信号中断使接收端同步信号相位漂移直到失步的时间,9.3 位同步,在接收端产生与接收码元的重复频率和相位一致的定时脉冲序列的过程称为位同步或码元同步，而这个定时脉冲序列就称为位同步脉冲或码元同步脉冲。 位同步方法也有直接法和插入导频法两种。直接法也包括滤波法和锁相法。,插入导频法 这种方法与载波同步的插入导频法类似，它是在基带信号频谱的零点插入所需的导频信号。插入导频法还可以采用包络调制法和时域插入法,直接法 这类方法是发送端不专
8、门发送导频信号，接收端直接从数字信号中提取位同步信号。有的信号本身已包含位定时频率分量，这时只需用窄带滤波器或锁相环路提取即可；对于不具有位定时频率成分的信号，则先经过非线性变换产生位同步频率分量，再用窄带滤波或锁相环路提取。,滤波法 通常的不归零随机基带数字信号序列，不能直接从中滤出位同步信号。可以采用微分、全波整流的方法将不归零序列变换成归零序列，然后用窄带滤波器滤出位同步频率分量。 另一种常用的波形变换方法是对带限信号进行包络检波。频带受限的二相移相信号经包络检波后可提取位同步信号。,锁相法 位同步锁相法是在接收端利用鉴相器比较接收码元和本地产生的位同步信号的相位，若两者相位不一致，鉴相
9、器就产生误差信号去调整本地位同步信号的相位，直至获得准确的位同步信号。,数字锁相,数字锁相的位同步脉冲相位调整,数字锁相抗干扰性能的改善,或门,M,N,N,门或,滞后脉冲,滞后脉冲,超前脉冲,超前脉冲,（a） N先于M滤波器,置 “0”,置“0”,2N可逆 计数器,或门,2N,0,复位置,加计数,减计数,（b） 随机徘徊滤波器,超前脉冲,滞后脉冲,超前脉冲 滞后脉冲,数字锁相抗干扰性能的改善,数字锁相抗干扰性能的改善,早-迟门同步,压控 振荡器,环路 滤波器,绝对值,绝对值,基带信号输入,+,位同步 输出,早-迟门同步原理框图,早门,迟门,位同步的性能 位同步的性能主要有相位误差、建立时间和保
10、持时间等 相位误差及对系统性能的影响数字锁相法的相位误差主要由于位同步脉冲的跳变调整所导致。因为每调整一步的相位跳变为2/n，n是分频器的分频次数，所以最大的相位误差为,相位误差将影响接收机检测基带信号的性能,同步建立时间 指从失步状态到建立同步所需要的最长时间.数字锁相的同步建立时间越短越好。若位同步脉冲的相位与输入信号码元的相位相差T/2秒，由于数字锁相环每调整一步为T/n秒，因此所需要的调整次数为平均每2T秒调整一次相位，故同步建立时间为,同步保持时间接收端在输入信号中断的状态下能够保持相位同步的时间。 设数字锁相环的固有频率与接收码元重复频率之间的频差为F,两个频率的平均值为F0，相应
11、的周期为T0 ，则同步保持时间为：事先给定同步保持时间tc，则所允许的频率误差为 收发两端振荡器共同造成的。如果两振荡器的频率稳定度相同，则要求每个振荡器的稳定度不能低于,同步宽带 收发两端能够实现同步所允许的最大频率差，也就是同步宽带为,9.4 群同步,群同步通常有两类方法： 一类是在数字信息流中插入一些特殊码组作为每群的头尾标记，接收端根据这些特殊码组的位置实现群同步； 另一类方法不需要额外的特殊码组，而是利用数据码组之间彼此不同的特性来实现自同步。 群同步码码型选择原则： 具有特定的规律性，便于收端识别 尽量与信息码相区别,9.4 群同步,插入特殊码组实现群同步的方法主要有连贯式插入法和
12、间隔式插入法两种，此外，在电传机中曾经广泛使用起止式群同步法。 起止式同步法,连贯式插入法 连贯式插入法又称集中插入法，是将帧同步码集中插入到每群的开头部分。 这种方法的关键是构造作为群同步码组的特殊码组，这个特殊码组要求具有以下的特点：一是与之相同的组合在信息码流中出现的概率很小，以减小假同步的发生；二是具有良好的自相关特性，即尖锐单峰的自相关特性；三是要求识别器尽量简单。 最常用的一类群同步码是巴克码。,巴克码是一种非周期序列。一个n位的巴克码组为，其中 取值为+1或1，它的局部自相关函数为,间隔式插入法 间隔式插入法又称分散插入法，即将群同步码组各比特位按一定间隔分散地插入到信息流中。,
13、自群同步 自群同步方法是将信息进行适当编码，使这些码既代表信息又具有分群的能力。一般地，码字需要兼有两个基本特征： 唯一可译 可同步,群同步系统的性能指标 漏同步概率漏同步概率指由于干扰的影响导致同步码组中的一些码元发生错码，使识别器漏识别已达到的同步码组的概率 假同步概率假同步概率指由于消息码元中出现与同步码组相同的码序列而被识别器误认为同步码组，导致错误同步的概率 比较上面二式：P1与P2矛盾，判决门限的选择要兼顾两者,平均建立时间 连贯式插入法 间隔式插入法 采用逐码移位法检测同步码，其平均建立时间大致,群同步的保护 群同步过程中存在漏同步和假同步现象，这两种情况的出现概率越小越好。然而
14、，要求漏同步概率小和要求假同步概率小是相互矛盾的。 为了改善同步系统性能，常用的群同步保护措施是将群同步的工作划分为两种状态：捕捉态和维持态。处在捕捉态时，也就是未同步状态，以降低假同步概率为目的；处在维持态时，也就是同步建立之后，以降低漏同步概率为目的。,9.5 扩频同步,接收机本地生成的扩频序列与接收信号的同步通常经过两个步骤完成： 第一步是搜索和捕获接收信号的粗略相位，使得相位对准误差小于1个码元，通常称这一步为捕获或初始同步； 第二步是在捕获的前提下，使码相位误差进一步减小，使得所建立的同步持续保护下去，通常称这一步为跟踪。,捕获 捕获的任务是搜索不确定时间相位或频率的接收信号，使本地
15、生成的扩频序列粗略同步到所接收的扩频信号上。常用的捕获方法有串行搜索法，序贯估计法、前置同步法、发射参考信号、突发同步法和匹配滤波器同步法等,串行搜索法,跳频信号的串行搜索捕获,序贯估计法,跟踪 延迟锁定环跟踪，也称早-迟门环跟踪,9.6 网同步,为了保证数字信息的可靠复接和交换，必须使整个网各转接点的时钟频率和相位相互协调一致，即实现网同步。 数字通信网同步的主要方式有3种： 主从同步法 相互同步法 独立时钟同步法。,主从同步法 在整个通信网中设置一个高稳定度的主时钟源，它产生的时钟沿箭头所示方向逐站传送至网内的各站，使网内各站的频率和相位保持一致。 主从同步法的优点是时钟稳定高、设备简单。 主从同步法的缺点是，当时钟传递路径中的某一站发生故障时，不仅影响本站，还要影响它以下的各站。,相互同步法 网内各站都有自己的时钟，并把它们相互连接起来，使其相互影响，各站的时钟频率最终锁定在网内各站固有时钟频率的平均值上 。 相互同步法的优点当某一站出故障时，网频率将平滑过渡到一个新的平均值，其他站仍然能够正常工作。克服了主从同步法过分依赖主时钟源的缺点，提高了通信网工作的可靠性。 相互同步法的缺点是设备较复杂。,
