《数字通信原理课件：第9章同步原理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字通信原理课件：第9章同步原理（59页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、9.1 概述概述9.2 载波同步载波同步9.3 位同步位同步9.4 群（帧）同步群（帧）同步第九章第九章第九章第九章 同步原理同步原理同步原理同步原理2v 载波同步载波同步v 位同步位同步v 群同步群同步v 网同步网同步 9.1 9.1 概述概述 1、按照同步的、按照同步的功用功用分为：分为：3相干解调时，接收端需要获得一个与发送端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。 位同步又称码元同步。要求：定时脉冲频率和码元速率相同 定时脉冲位置（相位）对准最佳抽样判决位置。这个位同步脉冲的取得称为位同步提取。(1) 载波同步载波同步(2) 位同步位同步 9.1 9.1 概述概述 4
2、9.3 9.3 位同步位同步zx5(3) 群同步群同步 也称帧同步，包含字同步、句同步等。 在数字通信中，信息流是用若干码元组成一个“字”，又用若干个“字”组成“句”。确定这些“字”、“句”的起止时刻，就称为群同步。 9.1 9.1 概述概述 62、按照获取和传输同步信息方式分为：、按照获取和传输同步信息方式分为：v 外同步法外同步法v 自同步法自同步法 9.1 9.1 概述概述 7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，称为外同步法。群同步群同步一般都采用外外同步法。 9.1 9.1 概述概述 (1) 外同步法外同步法 (2) 自同步法自同步法
3、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收到的信号中提取同步信息的方法，称为自同步法。载波同步和位同步载波同步和位同步中多采用自同步法自同步法。 8v 同步是进行信息传输的必要和前提。v 同步性能的好坏直接影响着通信系统的性能。v 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、相位抖动小以及同步建立时间短，保持时间长等。 9.1 9.1 概述概述 9载波同步的目的：载波同步的目的：获得同频同相的相干载波。载波同步的方法载波同步的方法:9.2 9.2 载波同步载波同步v 插入导频法（外同步法,略）v 直接法（自同步法）10直接法举例直接法举例v 平方变换法v
4、 平方环法v 同相正交环法9.2.1 9.2.1 直接法直接法111、平方变换法、平方变换法9.2.1 9.2.1 直接法直接法载波提载波提取电路取电路12平方后频带信号9.2.1 9.2.1 直接法直接法 对于2PSK信号，x(t)是双极性矩形脉冲，设x(t)=1，则x2(t)=1，这样已调信号x(t)cosct经过非线性变换平方律部件后得 132fc窄带滤波器二分频注：注： 由于分频起点的不确定性得到的可能是coswct也可能是cos(wct+)，称为相位模糊。它对于2PSK会出现“反相工作”问题，因此要采用2DPSK系统。14 为了改善平方变换法的性能，使恢复的相干载波更为纯净，图 中的
5、窄窄带带滤滤波波器器常用锁锁相相环环代替，称为平方环法提取载波。由于锁相环具有良好的跟跟踪踪、窄窄带带滤滤波波和和记记忆忆功能，平方环法比一般的平方变换法具有更好的性能。因此，平方环法提取载波得到了较广泛的应用。 锁相环输出也会有 180反相稳定输出的两种波形 9.2.1 9.2.1 直接法直接法152、平方环法、平方环法9.2.1 9.2.1 直接法直接法代替代替163、 同相正交环法：同相正交环法：又叫科斯塔斯(Costas)环 它不需要预先做平方处理，并且可以直接得到解调信号。9.2.1 9.2.1 直接法直接法17环路的输入信号为 若锁相环已锁定，则同相与正交载波信号分别为 是锁相环输
6、出信号与输入已调信号载波之间的相位误差，当锁相环锁定时，取值应较小。数学分析：数学分析：18那么输入信号与v1,v2相乘后得 经过低通滤波器后分别得 19v5, v6经过乘法器后得 此时：此时：为解调信号为解调信号20 Costas环与平方环法比较：v都是利用锁相环（PLL）提取载波的常用方法，都有180相位模糊问题。vCostas环与平方环相比，在电路上要复杂一些，但它的工作频率即为载波频率。v而平方环的工作频率是载波频率的两倍，显然当载波频率很高时，工作频率较低的Costas环易于实现v 当环路正常锁定后，Costas环可直接获得解调输出，而平方环则没有这种功能。 9.2.1 9.2.1
7、直接法直接法219.2.3 9.2.3 载波同步系统的性能指标载波同步系统的性能指标 v高效率v高精度v同步的建立时间、保持时间载波同步系统的性能指标载波同步系统的性能指标注：这些指标与提取的电路、信号及噪声的情况有关。当采用性能优越的锁相环提取载波时 这些指标主要取决于锁相环的性能。22高精度:指接收端提取的载波与需要的载波标准比较，应该有尽量小的相位误差。如需要的同步载波为cosct，提取的同步载波为cos(ct+)，就是相位误差。载波相位误分为稳态误差和随机误差:稳态误差主要是由提取电路有关随机误差则是由随机噪声产生。9.2.3 9.2.3 载波同步系统的性能指标载波同步系统的性能指标
8、高效率：指的是为了获取载波信号而尽量少消耗发送功率。（直接法优于插入导频法）23同步建立时间ts和保持时间tc，要求ts短，tc长。 建立时间：保持时间：窄带滤波器窄带滤波器U:同步信号峰值kU:输出电压的包络达到此值，认为同步建立tUkUtstc指从开机或失步到同步所需要的时间指同步建立后，若同步信号小时，系统还能维持同步的时间。249.3 9.3 位同步位同步位同步的概念：位同步的概念： 位同步是指在接收端的基带信号基带信号中提取码元定时的过程。基带信号定时序列 对位同步信号的要求： (1) 位同步频率和发送端的码元速率相同。 (2)位同步的相位为最佳抽样判决时刻。259.3 9.3 位同
9、步位同步zx269.3 9.3 位同步位同步位同步的实现方法：位同步的实现方法：滤波法数字锁相法v插入导频法（外同步法，略）v直接法（自同步法）包络陷落法包络陷落法27原原理理：得得到到单单极极性性归归零零脉脉冲冲信信号号，其其功功率率谱谱密度函数为：密度函数为：滤波法：滤波法：位同步位同步分量分量28滤波法包含两部分：1、非线性变换电路非线性变换电路：使得基带信号经处理后含有位同步频率分量(通常采用微分和全波整流电路)；2、窄带滤波器或者锁相环窄带滤波器或者锁相环：滤除噪声和其他谱分量，提取纯净的位同步信号。 非线性变换电路29微分的作用：变为归零脉冲。全波整流电路的作用：变为单极性信号。3
10、0完整的滤波法框图和各点波形图：完整的滤波法框图和各点波形图：31包络陷落法：包络陷落法： 应用对象是频带受限的二相PSK 信号，因频带受限，在相邻码元的相位突变点附近会产生幅度平滑的“陷落”。陷落陷落频带受限：带通滤波器的带宽小于信号带宽频带受限：带通滤波器的带宽小于信号带宽取包络陷落分为：从基带信号中取；从频带信号中取取包络陷落分为：从基带信号中取；从频带信号中取32频带不受限的调制波形：相位翻转迅速频带不受限的调制波形：相位翻转迅速33频带不受限与频带受限的波形比较：频带不受限与频带受限的波形比较：频带不受限波形频带不受限波形频带受限波形频带受限波形34直流分量直流分量归零脉冲归零脉冲1
11、、从、从频带受限频带受限的的2PSK（2DPSK）频带信号）频带信号中取陷中取陷落落P250图图8-15352、从从频带频带受限的受限的2DPSK信号经信号经差分解差分解调调后的后的基带基带信信号中取号中取陷落陷落基带信号基带信号中含有同中含有同步分量步分量鉴相：相乘器鉴相：相乘器+低通低通P249图图8-1336v晶振产生信号经过整形成网络后，成为周期性脉冲；经过控制电路送入n次分频器，输出位同步脉冲；v如果输出位同步脉冲与输入的相位基准不一致（超前或滞后），则要根据相位比较器输出的误差信号。数字锁相法数字锁相法误差信号误差信号37控制电路控制电路具体电路：具体电路：常开门、常闭门的输入信号
12、常开门、常闭门的输入信号u1、u2为同频，但时间上为同频，但时间上差半个周期的脉冲信号。差半个周期的脉冲信号。误差信号为：滞后脉冲、超前脉冲误差信号为：滞后脉冲、超前脉冲101超前区超前区滞后区相位基准相位基准38u1u2无控制脉冲时无控制脉冲时分频器输出分频器输出有有超前脉冲超前脉冲时时或门或门输出输出有有超前脉冲超前脉冲时时分频器输出分频器输出有有滞后脉冲滞后脉冲时时分频器输出分频器输出有有滞后脉冲滞后脉冲时时或门或门输出输出相位滞后相位滞后相位超前相位超前39超前脉冲，作用于常开门（扣除门），通过扣除一个脉冲，将分频器输出脉冲相位推后1/n周期；滞后脉冲，作用于常闭门（添加门），通过插入
13、一个脉冲，将分频器输出脉冲相位提前1/n周期；经过多次比较，反复调整分频器输出脉冲的相位，最终得位同步信号。在数字锁相法中都是从数据过零点中提取相位基准接收码元接收码元101超前区超前区滞后区40位同步系统的性能指标主要有以下几个：v 相位误差（精度）v 同步建立时间v 同步保持时间v 同步带宽 9.3.3 9.3.3 位同步系统的性能指标位同步系统的性能指标 注：讨论的是数字锁相环法的上述指标注：讨论的是数字锁相环法的上述指标411、相位误差、相位误差e ：位同步的相位和最佳抽样点的：位同步的相位和最佳抽样点的偏差偏差 ： 9.3.3 9.3.3位同步系统的性能指标位同步系统的性能指标n T
14、eTe =Tb/nts ：失步后重建同步最所需的最长时间，要求ts要短。2、同步建立时间、同步建立时间ts、保持时间、保持时间tc tc：由同步到失步所需要的时间，要求由同步到失步所需要的时间，要求tc要长。要长。失步原因：同步建立后，一旦基带信号中断，或者遇到长连0码、长连1码时，由于接收的码元没有过零脉冲，比相器就因为没有输入相位基准而不起作用，将出现失步。423、同步带宽、同步带宽f 同步带宽是指能够调整到同步状态所允许的同步频率同步带宽是指能够调整到同步状态所允许的同步频率与码元速率之差。要求与码元速率之差。要求f 越小越好。越小越好。 9.3.3 9.3.3位同步系统的性能指标位同步
15、系统的性能指标43载波同步、位同步比较：载波同步、位同步比较： 位同步与载波同步有一定的相似和区别。位同步与载波同步有一定的相似和区别。1、载载波波同同步步是是相相干干解解调调的的基基础础，不不论论模模拟拟通通信信还还是是数数字字通通信信只只要要是是采采用用相相干干解解调调都都需需要要载载波波同同步步，载载波波同同步步信信号号一一般般从从频频带带信信号号中中提提取取。实实现现方方法法有有插插入入导导频法和直接法。频法和直接法。 2、位位同同步步是是正正确确取取样样判判决决的的基基础础，只只有有数数字字通通信信中中需需要要（不不论论基基带带传传输输还还是是频频带带传传输输）， 位位同同步步信信号
16、号一一般般从从基基带带信信号号中中提提取取。实实现现方方法法也也有有插插入入导导频频法法和和直直接法。接法。449.4 9.4 群（帧）同步技术群（帧）同步技术 数字通信时，一般总是以若干个码元组成一个字，若干个字组成一个句，即组成一个个的“群”进行传输。群同步的任务就是在位位同同步步的的基基础础上识别出这些数字信息群（字、句）“开头”和“结尾”的时刻。 实现群同步，通常采用的方法是起起止止式式同同步步法法和插插入入特特殊殊同同步步码码组组的同步法。而插入特殊同步码组的方法有两种：一种为连贯式插入法连贯式插入法，另一种为间隔式插入法间隔式插入法。 45 9.4.1 9.4.1 起止同步法起止同
17、步法 例如电传机。11.5负脉冲正脉冲图图 起止式同步起止式同步46v 不发信号时，一直发送停止位（正电平）。v 收端根据正电平（大于或等于1.5倍的时间长）第一次转到负电平，确定一个字的起始位置。v收端收到1.5倍码元周期长的正电平表示一个字的结束缺点：v 止脉冲宽度与码元宽度不一致，同步传输不便；v 效率低，一般用在异步低速传送方式中。 9.4.1 9.4.1 起止同步法起止同步法 479.4.2 9.4.2 连贯式插入法连贯式插入法 连连贯贯插插入入法法，又又称称集集中中插插入入法法。它它是是指指在在每每一一信信息群的开头集中插入作为息群的开头集中插入作为群同步码组的特殊码组群同步码组的
18、特殊码组，1、该该码码组组应应在在信信息息码码中中很很少少出出现现，即即使使偶偶尔尔出出现现，也也不不可可能能依依照照群群的的规规律律周周期期出出现现。 接接收收端端按按群群的的周周期期连连续续数数次次检检测测该该特特殊殊码码组组，这这样样便便获获得得群群同同步步信信息息。 2、具有尖锐单峰特性的、具有尖锐单峰特性的自相关函数自相关函数；3、码长适当，以保证传输效率。、码长适当，以保证传输效率。4、目前常用的群同步码组是、目前常用的群同步码组是巴克码巴克码。 48它的特殊规律是：若一个n位的巴克码x1, x2, x3, xn，每个码元xi 只可能取值+1或-1，则它必然满足局部自相关函数R(j
19、)： 1、巴克码 9.4.2 9.4.2 连贯式插入法连贯式插入法 499.4.2 9.4.2 连贯式插入法连贯式插入法 n巴克码组2 (11) 3 （110） 4(1110)； (1101) 5 (11101) 7(1110010) 11(11100010010) 13(1111100110101) 50以以n=7 为例，它的局部自相关函数如下：为例，它的局部自相关函数如下： 51246-2-4-62467jR(j)-1自相关函数在自相关函数在j=0时具有尖锐的单峰特性。时具有尖锐的单峰特性。 这正是这正是连贯式插入群同步码组的主要要求之一。连贯式插入群同步码组的主要要求之一。 9.4.2
20、9.4.2 连贯式插入法连贯式插入法 52以7位巴克码为例。识别器用7级移位寄存器、相加器和判决器就组成，具体结构如图6-13所示。 2、巴克码识别器9.4.2 9.4.2 连贯式插入法连贯式插入法 53v 各移位寄存器输出端的接法与巴克码一致。当输入数据的“1”存入移位寄存器时，“1”端的输出电平为+1，而“0”端的输出电平为-1；反之，存入数据“0”时，“0”端的输出电平为+1，“1”端的电平为-1。v 如果输入移位寄存器的数字有一位或多位与巴克码不一致，则相加器输出就一定小于7；只有输入为巴克码时，相加器输出才为7。9.4.2 9.4.2 连贯式插入法连贯式插入法 54v将判决器的判决门
21、限电平定为+6，当在t1时刻7位巴克码全部进入移位寄存器，识别器输出一个群同步脉冲。v 输出的两个脉冲之间的数据，称为一群数据或称为一帧数据。 9.4.2 9.4.2 连贯式插入法连贯式插入法 551.漏同步（假失步）：由于干扰的影响，漏同步（假失步）：由于干扰的影响， 接收的同步接收的同步码组中可能出现一些错误码元，从而使识别器漏识已码组中可能出现一些错误码元，从而使识别器漏识已发出的同步码组。发出的同步码组。2.假同步：在信息码中也可能出现与所要识别的群同步假同步：在信息码中也可能出现与所要识别的群同步码字相同的码字，这时识别器会把它误认为群同步码码字相同的码字，这时识别器会把它误认为群同
22、步码字。字。3.减小减小判决电平可以减小漏同步，但会增加假同步；判决电平可以减小漏同步，但会增加假同步；4.增加增加判决电平可以减小假同步；但会增加漏同步。判决电平可以减小假同步；但会增加漏同步。5.漏同步与假同步漏同步与假同步是一对矛盾。是一对矛盾。漏同步和假同步：漏同步和假同步：56将系统分成扑捉态和维持态。捕捉态：提高判决门限，捕捉态：提高判决门限， 减少假同步概率。减少假同步概率。维持态：降低判决门限，维持态：降低判决门限， 减少漏同步概率。减少漏同步概率。具体的电路见P257图8-23帧同步提取电路帧同步提取电路：巴克码提取电路保护电路：巴克码提取电路保护电路57 间间隔隔式式插插入
23、入法法是是将将群群同同步步码码以以分分散散的的形形式式均均匀匀插插入入信息码流中。信息码流中。1、这这种种方方式式比比较较多多地地用用在在多多路路数数字字电电路路系系统统中中，如如PCM 24路路基基群群设设备备采采用用1、0交交替替码码作作为为帧帧同同步步码码。 即即一帧插入一帧插入“1”码，下一帧插入码，下一帧插入“0”码，如此交替插入。码，如此交替插入。2、这这种种插插入入方方式式在在同同步步捕捕获获时时我我们们不不是是检检测测一一帧帧两两帧帧，而而是是连连续续检检测测数数十十帧帧，每每帧帧都都符符合合“1”、 “0”交交替替的规律才确认同步。的规律才确认同步。 9.4.3 9.4.3
24、间隔式插入法间隔式插入法589.4.4 帧同步提取电路的性能指标：帧同步提取电路的性能指标：同步可靠性：同步可靠性：正确建立同步的概率大，错误同步的概率小（包括漏同步概率包括漏同步概率P1和假同步概率和假同步概率P2）同步建立时间同步建立时间ts，即捕捉时间要短。例如：人耳对于小于例如：人耳对于小于100ms的中断现象不易感觉，所以要求数字的中断现象不易感觉，所以要求数字电话系统一旦帧失步后，重新建立同步的时间（又称捕捉时间）电话系统一旦帧失步后，重新建立同步的时间（又称捕捉时间）应小于应小于100ms。59本章小结：本章小结：1、载波同步：平方法、平方环法、同相正交、载波同步：平方法、平方环法、同相正交环法环法2、位同步：滤波法、数字锁相环法、包络陷、位同步：滤波法、数字锁相环法、包络陷落法。落法。3、群同步：巴克码、巴克码识别电路、假同、群同步：巴克码、巴克码识别电路、假同步、漏同步的概念。步、漏同步的概念。4、同步的性能指标、同步的性能指标
