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1、*兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系通 信 原 理程琳程琳 兰州大学信息科学与工程学院M.P:+86-0931-6161799Email: or Address：Department of Electronics & Information Science, School of Information Science&Engineering, Lanzhou University, Tianshui Southern Road 222#， Gansu Province，P.R.ChinaPrinciples of Communications*兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系
2、2 第十二章 同步原理同步是数字通信系统，以及某些采用相干解调的模拟通信系统中一个重要的实际问题。主要内容提要： 载波同步 位同步 帧同步 网同步 *兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系3 本章基本要求 本章要求理解载波同步、位同步、帧同步、网同步的基本概念、基本工作原理及其实现方案，了解其各自的性能参数及其对通信系统性能的影响。*兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系4 1. 引 言 关于同步的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。同步也是一种信息，它的获取和传输可以采用不同的方式。外同步法：由发送端发送专门的同步信息（即导频信号），接收端把这个导频信号提取出来作为
3、同步信号的方法。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。*兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系5 1. 引 言 同步的基本类型（按功用分为）：载波同步： 当采用同步检测或相干解调时，接收端需要提供一个与接收信号中的调制载波同频同相的相干载波。这个载波获取的过程称为载波提取或载波同步。位同步（码元同步）： 在数字通信系统中，为了正确识别发送端传送的每一位码元，接收端需要对收到的信息码元进行判决。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。 帧同步（群同步）： 在数字时分多路通信系统中，为了能正确分离各路时隙信号，在发送
4、端必须提供每帧的起止标记，在接收端检测并获取这一标志的过程称为帧同步。网同步： 为保证通信网内各用户之间可靠地通信和进行数据交换 解决网中各站之间的载波同步、位同步和帧同步等问题。*兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系6 2. 载波同步 载波同步：直接提取法（自同步法）在接收端对已调信号（如DSB-SC、PSK等）进行某种非线性变换后，得到载波对应的谐波分量，再经过分频可以得到载波同步信号。插入导频法（外同步法）在发送端的已调信号频谱中额外插入一个导频信号，以便接收端作为载波同步信号加以恢复。*兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系7 2. 载波同步 直接提取法（自同步法）1、平方变
5、换法和平方环法广泛用于建立抑制载波的双边带信号（DSB）的载波同步。设抑制载波的双边带信号 Sm(t)=m(t)cosct若m(t)是不含直流的模拟基带信号，则Sm(t)为DSB-SC信号若m(t)=1，则Sm(t)为二进制相移键控信号2PSKSm2 (t) = m2 (t)cos2 （ ct ） =1/2 m2 (t)+1/2m2 (t)cos（2ct）用窄带滤波器将此二倍频分量滤出，再经二分频就可得到载波分量*兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系8 2. 载波同步 直接提取法（自同步法）平方变换法和平方环法示意图由于二分频电路的初始状态是随机的，使分频输出信号的初始相位有两种可能：0
6、 和载波相位模糊问题。（对于2PSK的解决办法就是采用2DPSK）平方窄带滤波器二分频Sm(t)Sm2 (t)2 c cSm(t)锁相环PLL平方鉴相器二分频Sm2 (t)2 c c环路滤波LPF压控振荡VCO*兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系9 2. 载波同步 直接提取法（自同步法）2、同相正交环法（科斯塔斯Costas环）90相移低通低通压控振荡器VCO环路滤波LPF解调输出输入已调信号Sm(t)= m(t)cosctvdv1v2v3v4v5v6 假定环路锁定，且不考虑噪声的影响，则VCO输出的两路互为正交的本地载波分别为：V1= cos(ct+ )，V2= sin(ct+) 其
7、中为VCO输出信号与输入已调信号载波之间的相位误差。 由于环路锁定后没有剩余频差(频率与c同频)，而相位误差 0，则此时VCO的输出V1 = cos(ct+ )就是所需的同步载波，而V5 = 1/2m(t)cos 1/2m(t)就是解调输出。同步载波输出*兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系10 科斯塔斯环法的工作原理本地载波信号 为已调信号载波和本地载波的相位差。输入信号s(t)和本地载波相乘后得到 *兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系11 科斯塔斯环法 的工作原理（续）经过低通滤波后，它们分别为上面这两个电压再相乘后得到vd 经环路滤波器后加到压控振荡器上。当 = 0时，vd
8、 = 0，振荡器的控制电压也等于0。v5 = 0.5 m(t) cos( )为解调输出电压。*兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系12 结论此压控振荡器的输出电压v2就是从接收信号中提取的载波，可以用来进行相干接收。电压v5就是解调输出电压，因为它近似等于m(t)/2。 优缺点：不需要平方电路在频率很高时较难实现若要求得到最佳性能，则需要两路低通滤波器的性能完全一致，这对于模拟电路来说较难做到，但是若用数字电路则不难做到。仍存在相位模糊问题。*兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系13 2. 载波同步 直接提取法（自同步法）Costas环与平方环的比较Costas环工作在载波频率，平
9、方环工作在二倍频，所以当载波频率较高时，Costas环易于实现；当环路锁定时，Costas环可直接获得解调输出，而平方环则无此功能；Costas环与平方环具有相同的鉴相特性vd=Kdsin2, =n（n为任意整数）为PLL的稳定平衡点。所以恢复出来的载波可能与理想载波同相，也可能反相即0 、相位模糊问题。*兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系14 2. 载波同步 插入导频法（外同步法）主要用于接收信号频谱中没有离散载频分量，且在载频附近频谱幅度分布很小的情况，如DSB-SC、等概率的2PSK、VSB、SSB信号等，尤其是单边带SSB信号(它既没有载波分量又不能直接提取载波，所以只能用插入
10、导频法）。导频插入的原则在已调信号频谱中的零点插入导频，且要求其附近的信号频谱分量尽量小，以便于插入以及解调时易于滤出它。 导频的频率应当是与载频有关的或者就是载频的频率； 插入导频的位置与已调信号的频谱结构有关。*兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系15 Of(a)相关编码前信号频谱Of(b)相关编码后信号频谱(c) 抑制载波双边带信号的导频载波插入*兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系16 2. 载波同步 插入导频法（外同步法）发送框图接收框图m(t)sinct-cos（ct）(正交导频)u0(t) = m(t)sinct-cosct90o相移 相 加 带 通输出ud(t)m(
11、t)V(t)sinct 90o相移 低通 带通fc窄带滤波器正交插入的原因：为了避免解调输出的附加直流分量对信号产生影响-fC导频频谱fC*兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系17 载波同步的性能参数分析 载波同步追求的是高效率、高精度、同步建立时间快，保持时间长。 1、载波同步的精确度要求提取的载频和接收信号的载频保持同频同相所提取的载波频率一般是没有误差的相位误差电路参量引起的恒定误差噪声引起的随机误差恒定相位误差与随机相位误差对电路Q值的要求是有区别的*兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系18 载波同步的性能参数分析 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
12、从系统失步状态到提取出稳定的载频所需的时间此时间越短越好同步保持时间:从开始失去信号到失去载频同步的时间此时间越长越好同步建立时间和保持时间是相互矛盾的因为一个滤波器的通频带越窄，其惰性越大*兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系19 载波同步的性能参数分析3、载波同步误差对解调性能的影响载波相位误差对不同信号的解调所带来的影响是不同的对双边带调制信号，相位误差只引起解调系统的信噪比下降 倍对PSK信号，导致误码率增加对单边带和残留边带信号，相位误差不仅引起信噪比下降，而且当不是常数时还引起输出波形失真。*兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系20 3. 位同步 位同步是正确取样判决的
13、基础，只有数字通信才需要，所提取的位同步信息是频率等于码速率的定时脉冲。 位同步的方法分类：插入导频法（外同步法）类似于载波同步中的插入导频法在正常信息码元序列之外附加位同步用的辅助信息位，以达到提取位同步信息的目的直接法（自同步法）直接从接收的数字信号中提取位同步信号可分为滤波法和锁相环法*兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系21 3. 位同步 1、插入导频法（外同步法）时域插入：可以连续插入，并随信号码元同时传输也可以在每组信号码元之前增加一个“位同步头”，由它在接收端建立位同步，并用锁相环使同步状态在相邻两个“位同步头”之间得以保持频域插入：可以在信号码元频谱之外占有一段频谱，专门
14、用于传输同步信息也可以利用信号码元频谱中的“空隙”处，插入同步信息*兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系22 时域插入导频法：(a) 帧头中插入位同步信息（b）位同步的提取*兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系23 3. 位同步 载波同步和位同步中插入导频法的不同之处:载波同步中采用正交插入载波同步在接收端进行相干解调时，相干解调器有很好的抑制正交载波的能力，而不需另加电路就能抑制正交载波，从而避免解调输出的附加直流分量位同步中采用反相相消法位同步导频是在基带中加入，它没有相干解调器，所以不能采用正交插入，所以为了消除导频对基带信号取样判决的影响，采用了反向相消的办法*兰州大学信息
15、科学与工程学院电子与信息科学系24 插入位定时导频系统框图 (a)相关编码器相加调制位定时导频12Tcos wct信道发送端带通相乘低通同步载波提取窄带滤波移相倒相相加波形反变换取样判决12T移相放大限幅微分全波整流整形输入信号1T12Tfc(b)接收端S( f )1 / TfOOf1 / (2T)S( f )*兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系25 3. 位同步 2、直接法（自同步法）滤波法一输入基带码元通过一种非线性变换和滤波，从而得到码元速率的频率分量。例如：将非归零码元变成归零码元，这样在码元序列频谱中就有了码元速率的分量；然后用窄带滤出，经过移相电路调整其相位后就可以由脉冲形
16、成器产生出所需要的码元同步脉冲。波形变换窄带 滤波器移相脉冲形成输入基带信号1 0 1 1非归零码1 0 1 1归零码*兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系26 3. 位同步 直接法（自同步法）滤波法二还可以采用延迟相乘的方法使接收码型得到变换或者采用微分电路去检测矩形码元脉冲的边沿相乘窄带滤波放大限幅输入基带信号延迟T/2低通微分整流窄带滤波放大限幅*兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系27 7.3 位同步（码元同步） 延迟相乘法延迟 T/2相乘窄带滤波放大限幅abcbcattt*兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系28 7.3 位同步（码元同步） 微分整流法整流窄带滤波放大限幅bca微分低通abcttt*兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系29 3. 位同步 直接法（自同步法）锁相环法相位 比较器n次分频器或门扣除门（常开）附加门（常闭）整形晶振超前脉冲滞后脉冲位同步脉冲输出接收码元 “超前/滞后门”同步器原理示意图F=1/TNF=n/T控制器*兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系30 位同步的性能参数分析 1、相位误差e ：由于位同步脉冲的相位在跳
