哈工程考研通信原理课件

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1、第七章第七章 同步原理同步原理引言引言载波同步的方法载波同步的方法载波同步系统的性能载波同步系统的性能载波相位误差对解调性载波相位误差对解调性能的影响能的影响位同步方法位同步方法位同步系统的性能及其位同步系统的性能及其相位误差对性能的影响相位误差对性能的影响群同步群同步本章小结本章小结思考题与作业思考题与作业1载波同步：载波同步：在相干接收中，在接收端必须具有一个与发端在相干接收中，在接收端必须具有一个与发端同频同相的参考载波，这种参考载波的产生技术就是载波同频同相的参考载波，这种参考载波的产生技术就是载波同步问题。同步问题。位同步位同步：为了对接收的码元进行整形，需有一个与发端同：为了对接收

2、的码元进行整形，需有一个与发端同频同相的码元时钟，这种码元时钟的产生就是位同步问题，频同相的码元时钟，这种码元时钟的产生就是位同步问题，又称码元同步。又称码元同步。群同步：群同步：在数字通信中一般都要对信号进行分组，如每组在数字通信中一般都要对信号进行分组，如每组组成一帧或每组组成一个字符等。在收端必须知道每个分组成一帧或每组组成一个字符等。在收端必须知道每个分组的起止时刻，这样才能区分出相邻的各组，这就是群同组的起止时刻，这样才能区分出相邻的各组，这就是群同步的问题。步的问题。27.1 载波同步的方法载波同步的方法一、一、 插入导频法插入导频法要求：为了避免信号与导频的相互干扰，要在信号载波

3、要求：为了避免信号与导频的相互干扰，要在信号载波分量为零的位置插入导频；还应避免插入的导频对信号分量为零的位置插入导频；还应避免插入的导频对信号解调有影响，常常采用正交插入导频方式。解调有影响，常常采用正交插入导频方式。插入导频位置示意图插入导频位置示意图 插入正交导频示意图插入正交导频示意图31、频域正交插入导频、频域正交插入导频在模拟调制中的在模拟调制中的DSB、SSB信号在信号在 附近信号频谱为附近信号频谱为0，所，所以可以直接插入以可以直接插入 作导频。设调制信号为作导频。设调制信号为 ,且且 中无直中无直流分量，被调载波为流分量，被调载波为 ，调制器假设为一相乘器，调制器假设为一相乘

4、器，插入导频是被调载波移相插入导频是被调载波移相900形成的，为形成的，为 ，其中，其中 是插入导频的振幅，于是输出信号为是插入导频的振幅，于是输出信号为4设收端收到的信号与发端输出信号相同，则收端用一个中心设收端收到的信号与发端输出信号相同，则收端用一个中心频率为频率为 的窄带滤波器就可取得导频的窄带滤波器就可取得导频 ，再将它移，再将它移相相/2，就可得到与调制载波同频同相的信号，就可得到与调制载波同频同相的信号 。插入的导频应为正交载波的原因：插入的导频应为正交载波的原因：收端相乘器的输出为收端相乘器的输出为框图中低通滤波器的截止频率为框图中低通滤波器的截止频率为fm，v(t)经低通滤波

5、器后，经低通滤波器后，就可以恢复出调制信号就可以恢复出调制信号m(t)。然而，如果发端加入的导频。然而，如果发端加入的导频不是正交载波，而是调制载波，则从收端相乘器的输出可以不是正交载波，而是调制载波，则从收端相乘器的输出可以发现，除了有调制信号外，还有直流分量，这个直流分量将发现，除了有调制信号外，还有直流分量，这个直流分量将通过低通滤波器对数字信号产生影响。通过低通滤波器对数字信号产生影响。52插入双导频插入双导频上图画出了残留边带信号形成滤波器的传输函数。它使下边上图画出了残留边带信号形成滤波器的传输函数。它使下边带信号绝大部分通过，而使上边带信号小部分残留。由于带信号绝大部分通过，而使

6、上边带信号小部分残留。由于 附近有信号分量，如果直接在附近有信号分量，如果直接在 处插入导频，该导频必然会处插入导频，该导频必然会受到附近信号的干扰。可以在信号频谱之外插入两个导频受到附近信号的干扰。可以在信号频谱之外插入两个导频 和和 ，使它们在接收端经过某些变换后产生所需要的，使它们在接收端经过某些变换后产生所需要的 。设。设两导频与信号频谱两端的间隔分别为两导频与信号频谱两端的间隔分别为 和和 ，则则 ， 是残留边带形成滤波器是残留边带形成滤波器传输函数中滚降部分所占带宽的一半；传输函数中滚降部分所占带宽的一半； 是调制信号的宽。是调制信号的宽。6设两导频分别为设两导频分别为 和和 ，其

7、中，其中 和和 是两导是两导频信号的初始相位。如果经信道传输后，使两个导频和已调频信号的初始相位。如果经信道传输后，使两个导频和已调信号中的载波都产生了频偏信号中的载波都产生了频偏 和相偏和相偏 ，那么提取出的，那么提取出的载波也应该有相同的频偏和相偏，才能达到真正的相干解载波也应该有相同的频偏和相偏，才能达到真正的相干解调。由此可见，两导频信号经相乘器相乘后的输出应为调。由此可见，两导频信号经相乘器相乘后的输出应为7滤波器输出差频信号为滤波器输出差频信号为令令 ，则上式可写为，则上式可写为 经经q q次分频后，得次分频后，得式中式中 为分频输出的初始相位，是一个常数。将它与为分频输出的初始相

8、位，是一个常数。将它与 相乘，取差频，再通过中心频率为相乘，取差频，再通过中心频率为的窄带滤波器，就可得的窄带滤波器，就可得将上式通过移相电路，消除固定相移将上式通过移相电路，消除固定相移 ，就可获，就可获得所需的相干载波得所需的相干载波 。8由分频次数由分频次数q的表示式看出，可以通过调整的表示式看出，可以通过调整 和和 得到整数得到整数的的q。增大。增大 或或 ,有利于减小信号频谱对导频的干扰，然有利于减小信号频谱对导频的干扰，然而，所需信道的频带却要加宽。因此，应根据实际情况正确而，所需信道的频带却要加宽。因此，应根据实际情况正确选择选择 和和 。插入导频法提取载波要使用窄带滤波器。这个

9、窄带滤波器也插入导频法提取载波要使用窄带滤波器。这个窄带滤波器也可以用锁相环来代替，这是因为锁相环本身就是一个性能良可以用锁相环来代替，这是因为锁相环本身就是一个性能良好的窄带滤波器，因而使用锁相环后，载波提取的性能将有好的窄带滤波器，因而使用锁相环后，载波提取的性能将有改善。改善。9二、二、 直接法直接法直接法主要研究的是信号中不直接包含载频成分的情况，例直接法主要研究的是信号中不直接包含载频成分的情况，例如如DSB信号、信号、SSB信号，以及信号，以及“0”、“1”等概率的等概率的PSK信信号。这些信号虽然本身不包含载波，但对这些信号进行非线号。这些信号虽然本身不包含载波，但对这些信号进行

10、非线性变换后，可以从中设法提取出载波。性变换后，可以从中设法提取出载波。1平方变换法和平方环法平方变换法和平方环法设调制信号设调制信号 中无直流分量，则抑制载波的双边带信号可中无直流分量，则抑制载波的双边带信号可表示为表示为 ，对其进行平方变换后得到，对其进行平方变换后得到前面提到前面提到 中无直流分量，但中无直流分量，但 中却含有直流分量，而中却含有直流分量，而 表达式第二项中包含表达式第二项中包含 频率分量。若用一窄带滤波器将频率分量。若用一窄带滤波器将 频率分量滤出，再进行二分频就可获得载频频率分量滤出，再进行二分频就可获得载频 。 10平方变换法提取载波的方框图平方变换法提取载波的方框

11、图若若 为双极性数字信号，该抑制载波的双边带信号就成为为双极性数字信号，该抑制载波的双边带信号就成为二相移相信号，二相移相信号， ，利用上图同样可提取，利用上图同样可提取载波，只不过为解决载波，只不过为解决1800相位含糊问题，通常采用相对移相位含糊问题，通常采用相对移相。相。11如果用锁相环代替上中的如果用锁相环代替上中的 窄带滤波器，如下图所示，就窄带滤波器，如下图所示，就称为平方环法。由于锁相环具有良好的跟踪、窄带滤波等优称为平方环法。由于锁相环具有良好的跟踪、窄带滤波等优点，因此平方环法提取载波应用更为广泛。点，因此平方环法提取载波应用更为广泛。平方环法提取载波平方环法提取载波 122

12、、同相正交环法、同相正交环法同相正交环又称科斯塔斯（同相正交环又称科斯塔斯（costas）环，也是利用锁相环）环，也是利用锁相环来提取载波，加入两个相乘器的本地信号分别为压控振荡器来提取载波，加入两个相乘器的本地信号分别为压控振荡器（VCO）输出信号）输出信号 和它的正交信号和它的正交信号 。设输。设输入的抑制载波双边带信号为入的抑制载波双边带信号为则则13经低通后输出分别为经低通后输出分别为将将 加于相乘器，得到加于相乘器，得到 ，式中式中 是压控振荡器输出信号与输入已调信号载波之间的相是压控振荡器输出信号与输入已调信号载波之间的相位误差。当位误差。当 较小时，较小时， 。上式中。上式中V7

13、的大小与相的大小与相位误差位误差成正比，相当于鉴相器的输出，用成正比，相当于鉴相器的输出，用V7去调整去调整VCO输出信号的相位，最后使稳态相差减小到很小的数值。此时输出信号的相位，最后使稳态相差减小到很小的数值。此时VCO的输出的输出V1就是所需提取的载波。就是所需提取的载波。同相正交环法适用于载波频率较高的场合，但不适合载波经常变化的同相正交环法适用于载波频率较高的场合，但不适合载波经常变化的情况，因为对于任意载频均移相情况，因为对于任意载频均移相900是非常困难的，同时同相正交环是非常困难的，同时同相正交环也存在相位模糊问题。也存在相位模糊问题。143、从多相移相信号中提取载波、从多相移

14、相信号中提取载波对四相信号提取载波必须要用四次平方变换法和四相科斯塔对四相信号提取载波必须要用四次平方变换法和四相科斯塔斯环才能实现。四相信号的解调必须要用四次方变换法，即斯环才能实现。四相信号的解调必须要用四次方变换法，即对接收到的信号四次方，然后滤出对接收到的信号四次方，然后滤出 成分，再经四分频得到成分，再经四分频得到 15另一类方法类似于同相正交法，称为四相科斯塔斯环法，另一类方法类似于同相正交法，称为四相科斯塔斯环法，VCO输出即为所需的载波信号。输出即为所需的载波信号。167.3 载波同步系统的性能载波同步系统的性能高效率是指获得载波信号而尽量少消耗发送功率。主要是高效率是指获得载

15、波信号而尽量少消耗发送功率。主要是针对外同步法而提出的，外同步需要单独发送导频信号，针对外同步法而提出的，外同步需要单独发送导频信号，要占用功率、时间及频带资源，效率低；自同步法无需单要占用功率、时间及频带资源，效率低；自同步法无需单独发送导频，效率高。独发送导频，效率高。高精度是指提取的载波与标准的载波同频同相，但实际上高精度是指提取的载波与标准的载波同频同相，但实际上两者之间可能有误差。精度越高，相差越小。相位误差可两者之间可能有误差。精度越高，相差越小。相位误差可分为稳态相差和随机相差两种。稳态相差与提取的电路密分为稳态相差和随机相差两种。稳态相差与提取的电路密切相关，由窄带滤波器的特性

16、决定。随机相差是由于随机切相关，由窄带滤波器的特性决定。随机相差是由于随机噪声的影响而引起的同步信号的相位误差。噪声的影响而引起的同步信号的相位误差。同步建立时间同步建立时间ts是指从开机或失步到同步所需的时间，是指从开机或失步到同步所需的时间，ts越小越好。越小越好。同步保持时间同步保持时间tc是指同步建立后，如果导频信号突然消失，是指同步建立后，如果导频信号突然消失，系统还能保持同步的时间，系统还能保持同步的时间，tc越大越好。越大越好。171、稳态相差、稳态相差若用单谐振电路窄带滤波器，则稳态相差和该谐振电路中心若用单谐振电路窄带滤波器，则稳态相差和该谐振电路中心频率的准确度及回路的品质

17、因数有关，根据单谐振电路知频率的准确度及回路的品质因数有关，根据单谐振电路知识，单谐振电路稳态相差为识，单谐振电路稳态相差为式中式中 为回路中心频率，为回路中心频率， 为为 与载频与载频 之差，可见之差，可见Q值越值越高，所引起的稳态相差越大。高，所引起的稳态相差越大。若用锁相环提取载波时，当锁相环压控振荡器与输入载波信若用锁相环提取载波时，当锁相环压控振荡器与输入载波信号之间有频率差号之间有频率差 时，也会引起一稳态相差，即时，也会引起一稳态相差，即 式中式中 为环路直流增益，只要为环路直流增益，只要 足够大，足够大， 就可以足够小就可以足够小182、随机相差、随机相差随机相差是由噪声引起的

18、，它随着噪声的起伏不断地变化。随机相差是由噪声引起的，它随着噪声的起伏不断地变化。把随相相差的均方根即随机相位方差的平方根，称为相位抖把随相相差的均方根即随机相位方差的平方根，称为相位抖动动 ，即，即 式中式中 为信噪比，它与信号功率、滤波器特性或环路等效噪为信噪比，它与信号功率、滤波器特性或环路等效噪声带宽及输入噪声功率谱密度有关。声带宽及输入噪声功率谱密度有关。若已知某窄带滤波器的电压传输函数，噪声为高斯白噪声，若已知某窄带滤波器的电压传输函数，噪声为高斯白噪声，其单边功率谱密度为其单边功率谱密度为n。，则可求出该滤波器的等效带宽。，则可求出该滤波器的等效带宽。19例如，对于由例如，对于由

19、LC元件组成的单回路，其等效噪声带宽为元件组成的单回路，其等效噪声带宽为式中式中f0为窄带滤波器中心频率。经过窄带滤波器后的噪声功为窄带滤波器中心频率。经过窄带滤波器后的噪声功率为率为noBn，在高斯白噪声下，窄带滤波器输出信噪比为，在高斯白噪声下，窄带滤波器输出信噪比为代入代入 表达式即可求出随机相差。表达式即可求出随机相差。由上面分析可知，滤波器的由上面分析可知，滤波器的Q值越高，随机相差越小，但值越高，随机相差越小，但Q值越高，稳态相差越大，可见用窄带滤波器提取载波时，稳值越高，稳态相差越大，可见用窄带滤波器提取载波时，稳态相差与随机相差对态相差与随机相差对Q值的要求是互相矛盾的，所以在

20、选择值的要求是互相矛盾的，所以在选择参数的时候要折衷考虑。参数的时候要折衷考虑。203、建立时间和保持时间、建立时间和保持时间载波的同步建立时间载波的同步建立时间ts和保持时间和保持时间tc与所采用的电路密切相与所采用的电路密切相关。关。若用单调谐电路作窄带滤波器提取载波时，根据单调谐电路若用单调谐电路作窄带滤波器提取载波时，根据单调谐电路特性，当特性，当 时，频率为时，频率为 的高频振荡电流作用于单调谐的高频振荡电流作用于单调谐电路，其输出电压表示式为电路，其输出电压表示式为 ，曲线如，曲线如下图，图中起始部分，包络逐渐增大，当增加到下图，图中起始部分，包络逐渐增大，当增加到KU时，认时，认

21、为同步电压已建立。此时对应的时间为建立时间为同步电压已建立。此时对应的时间为建立时间21同理，如果在同理，如果在t0时将接入回路的信号断开，则表示回路输时将接入回路的信号断开，则表示回路输出信号保持过程的电压表示式为出信号保持过程的电压表示式为 ，此式见，此式见曲线图的末尾部分，其包络逐渐衰减，当幅度下降至曲线图的末尾部分，其包络逐渐衰减，当幅度下降至KU时，认为同步信号已消失。此时对应的保持时间为时，认为同步信号已消失。此时对应的保持时间为由表达式可看出，由表达式可看出， 都与都与k有关，通常取有关，通常取 如果如果用建立时间和保持时间内的载波周期数用建立时间和保持时间内的载波周期数 表示建

22、立时表示建立时间和保持时间，则有间和保持时间，则有得出结论，得出结论，Q值增大，值增大，ts与与tc都增大，但我们希望都增大，但我们希望ts 小而小而tc大，相互矛盾，因此在选择时，大，相互矛盾，因此在选择时，Q值只能折衷选取。值只能折衷选取。227.4 载波相位误差对解调性能的影响载波相位误差对解调性能的影响载波提取系统总的相位误差为稳态相差和随机相差两部分载波提取系统总的相位误差为稳态相差和随机相差两部分相位误差之和，即相位误差之和，即 。DSB和和PSK解调解调 情况情况由于由于DSB信号和信号和PSK信号形式相似，可采用同一表达式表示信号形式相似，可采用同一表达式表示收到信号为收到信号

23、为 ，提取出的相干载波为，提取出的相干载波为 ，解调时，相乘器的输出经低通滤波器后，解调时，相乘器的输出经低通滤波器后为为 ，显然，当，显然，当 时，时， ，解调幅度，解调幅度最大为最大为 ，因而当，因而当 时，时， ，信号幅值下降，信号幅值下降，信噪比信噪比 将下降将下降 倍，以倍，以2PSK 信号为例，将信号为例，将 值代入误值代入误码率公式可得误码率为码率公式可得误码率为23然而相位误差对然而相位误差对VSB信号和信号和SSB信号不仅引起信噪比下降而信号不仅引起信噪比下降而且还会引起信号畸变，下面以且还会引起信号畸变，下面以SSB信号为例，说明畸变是如信号为例，说明畸变是如何产生的。设基

24、带信号何产生的。设基带信号 ，单边带信号取上边带，单边带信号取上边带为为 ，则解调后，则解调后经低通滤波器后，信号为经低通滤波器后，信号为由此可得出结论，上式中由此可得出结论，上式中 的存在，使的存在，使 的幅度下降的幅度下降了，以至于信噪比下降，而第二项是与基带信号正交的项，了，以至于信噪比下降，而第二项是与基带信号正交的项，它使基带信号产生畸变，且它使基带信号产生畸变，且 值越大，畸变越大。值越大，畸变越大。247.5 位同步方法位同步方法实现位同步的方法与载波同步相类似，也分为插入导频法实现位同步的方法与载波同步相类似，也分为插入导频法和直接法两类。和直接法两类。假设基带信号为随机的二进

25、制不归零码，此信号本身不包假设基带信号为随机的二进制不归零码，此信号本身不包含位同步信号，因此为了获得位同步信号就必须在其中插含位同步信号，因此为了获得位同步信号就必须在其中插入位同步信号或对其进行某种变换而获取位同步信号。入位同步信号或对其进行某种变换而获取位同步信号。25一、插入导频法一、插入导频法位定时导频必须在基带信号频谱的零点插入，以保证接收端位定时导频必须在基带信号频谱的零点插入，以保证接收端提取导频的纯度，如下图（提取导频的纯度，如下图（a）所示。经某种相关编码的基）所示。经某种相关编码的基带信号，其频谱第一个零点在带信号，其频谱第一个零点在 处，插入导频就应在处，插入导频就应在

26、 处，如下图（处，如下图（b）所示。）所示。26对应于图（对应于图（b）所示频谱的情况，发送端插入位定时导频）所示频谱的情况，发送端插入位定时导频为为 ，接收端在解调后设置了，接收端在解调后设置了 窄带滤波器，其作用是窄带滤波器，其作用是提取出位定时导频。位定时导频是在基带加入，它没有相干提取出位定时导频。位定时导频是在基带加入，它没有相干解调器，故不能采用正交插入。为了避免插入导频对信号取解调器，故不能采用正交插入。为了避免插入导频对信号取样判决的影响，就必须从信号中消去插入的导频，使进入取样判决的影响，就必须从信号中消去插入的导频，使进入取样判决器的信号没有插入导频。图中移相、倒相及信号相

27、加样判决器的信号没有插入导频。图中移相、倒相及信号相加电路是采用的位同步反相相消法，这种方法的电路简单方电路是采用的位同步反相相消法，这种方法的电路简单方便。需要指出的是框图中插入导频为便。需要指出的是框图中插入导频为 ，图中微分全波，图中微分全波整流起到倍频作用，因此提取的位同步信号为整流起到倍频作用，因此提取的位同步信号为 。27插入位定时导频方框图插入位定时导频方框图 28插入导频的另一种形插入导频的另一种形式是包络调制法，即式是包络调制法，即让数字信号的包络按让数字信号的包络按位同步信号的某种波位同步信号的某种波形变化。此法主要用形变化。此法主要用于于2PSK和和2FSK等恒等恒定包络

28、数字调制方式，定包络数字调制方式，对已调信号进行附加对已调信号进行附加的幅度调制后，接收的幅度调制后，接收端只要进行包络检波，端只要进行包络检波，就可以生成位同步信就可以生成位同步信号。号。包络调制法原理图包络调制法原理图 29设设2PSK信号表达式为信号表达式为现在用某种波形的位同步信号对现在用某种波形的位同步信号对 进行幅度调制如框图进行幅度调制如框图（a）所示，若这种波形为升余弦波形，表达为）所示，若这种波形为升余弦波形，表达为式中式中 ，T为码元宽度，幅度调制后的信号为为码元宽度，幅度调制后的信号为由接收端对由接收端对 进行包络检波如框图（进行包络检波如框图（b）所示。然后滤去）所示。

29、然后滤去直流分量后可得到位同步信号为直流分量后可得到位同步信号为 。位同步也可采用时域插入法，即在基带信号中断续传送同步位同步也可采用时域插入法，即在基带信号中断续传送同步信息，在接收端用锁相环提取同步信号并保持它，实现位同信息，在接收端用锁相环提取同步信号并保持它，实现位同步。步。30二、直接法二、直接法为了提高发送信号功率效率，一般不专门发送导频，而直接为了提高发送信号功率效率，一般不专门发送导频，而直接从数字信号中获取位同步信号。其基本方法有滤波法，包络从数字信号中获取位同步信号。其基本方法有滤波法，包络陷落法和锁相提取法等。陷落法和锁相提取法等。1、滤波法、滤波法对于不归零的随机二进制

30、序列，不能直接从其中滤出位同步对于不归零的随机二进制序列，不能直接从其中滤出位同步信号。但若对该信号进行某种变换，例如，变成归零脉冲信号。但若对该信号进行某种变换，例如，变成归零脉冲后，则该序列中就有后，则该序列中就有 的位同步信号分量，经一个窄的位同步信号分量，经一个窄带滤波器，可滤出此信号分量，再将它通过一移相器调整相带滤波器，可滤出此信号分量，再将它通过一移相器调整相位后，就可以形成位同步脉冲。位后，就可以形成位同步脉冲。31滤波法原理图滤波法原理图上图中的波形变换是由微分、全波整流两个过程组成的，缺上图中的波形变换是由微分、全波整流两个过程组成的，缺一不可。其输出波形如下图所示，微分的

31、作用是将不归零信一不可。其输出波形如下图所示，微分的作用是将不归零信号变换为归零信号，全波号变换为归零信号，全波整流作用是将双极性随机整流作用是将双极性随机序列变为单极性随机序列。序列变为单极性随机序列。若不进行整流则正、负脉冲若不进行整流则正、负脉冲相等，在相等，在 处谱线为零，处谱线为零，无法获取同步信息。无法获取同步信息。322、包络陷落法、包络陷落法包络陷落法用于包络陷落法用于PSK等信号的接收。因为等信号的接收。因为PSK信号带宽为信号带宽为 当接收端带通滤波器带宽当接收端带通滤波器带宽 时，在相邻码元信号相位时，在相邻码元信号相位有突变点附近将会产生幅度平滑的有突变点附近将会产生幅

32、度平滑的“陷落陷落”。频带受限的。频带受限的PSK信号如下图（信号如下图（a）所示，经包络检波后，可得图（）所示，经包络检波后，可得图（b）所示波形，可以看出，它是一直流和图（所示波形，可以看出，它是一直流和图（c）所示波形相减）所示波形相减而成。因此，包络检波后而成。因此，包络检波后波形中含有图（波形中含有图（c）所示波）所示波形，且这个波形含有位同步形，且这个波形含有位同步分量，经滤波器后可提取出分量，经滤波器后可提取出位同步信号。位同步信号。333、锁相法、锁相法锁相法实现位同步的原理与其实现载波同步的原理相似，它锁相法实现位同步的原理与其实现载波同步的原理相似，它用锁相环代替上述滤波法

33、中的窄带滤波器，从而提取位同步用锁相环代替上述滤波法中的窄带滤波器，从而提取位同步信号。信号。数字锁相原理方框图数字锁相原理方框图 34数字锁相由高稳定度振荡器数字锁相由高稳定度振荡器(晶振晶振)、分频器、相位比较器和、分频器、相位比较器和控制器组成。其中，控制器包括图中的扣除门、附加门和控制器组成。其中，控制器包括图中的扣除门、附加门和“或或”门。高稳定度振荡器产生的信号经整形电路变成周期门。高稳定度振荡器产生的信号经整形电路变成周期性性脉冲，然后经控制器再送入分频器，输出位同步脉冲序列。脉冲，然后经控制器再送入分频器，输出位同步脉冲序列。若接收码元的速率为若接收码元的速率为F(波特波特)，

34、则要求位同步脉冲的重复速，则要求位同步脉冲的重复速率也为率也为F(赫赫)。这里，晶振的振荡频率设计在。这里，晶振的振荡频率设计在nF(赫赫)，由晶，由晶振输出经整形得到重复频率为振输出经整形得到重复频率为nF(赫赫)的窄脉冲，经扣除的窄脉冲，经扣除门、或门并门、或门并n次分频后，可得重复频率为次分频后，可得重复频率为F(赫赫)的位同步信的位同步信号。如果接收端晶振输出经号。如果接收端晶振输出经n次分频后，不能准确地和收到次分频后，不能准确地和收到的码元同频同相，这时就要根据相位比较器输出的误差信的码元同频同相，这时就要根据相位比较器输出的误差信号，通过控制器对分频器进行调整。号，通过控制器对分

35、频器进行调整。 35调整的原理是当分频器输出的位同步脉冲超前于接收码元的调整的原理是当分频器输出的位同步脉冲超前于接收码元的相位时，相位比较器送出一超前脉冲，加到扣除门相位时，相位比较器送出一超前脉冲，加到扣除门(常开常开)的的禁止端，扣除一个禁止端，扣除一个a路脉冲，这样，分频器输出脉冲的相位路脉冲，这样，分频器输出脉冲的相位就推后就推后1/n周期周期(3600/n)；若分频器输出的位同步脉冲相位；若分频器输出的位同步脉冲相位滞后于接收码元的相位，晶振的输出整形后除滞后于接收码元的相位，晶振的输出整形后除a路脉冲加于路脉冲加于扣除门外，同时还有与路扣除门外，同时还有与路a相位相差相位相差18

36、00的的b路脉冲序列加路脉冲序列加于附加门。附加门在不调整时是封闭的，对分频器的工作不于附加门。附加门在不调整时是封闭的，对分频器的工作不起作用。当位同步脉冲相位滞后时，相位比较器送出一滞后起作用。当位同步脉冲相位滞后时，相位比较器送出一滞后脉冲，加于附加门，使脉冲，加于附加门，使b路输出的一个脉冲通过路输出的一个脉冲通过“或门或门”，插插入在原入在原a路脉冲之间，使分频器的输入端添加了一个脉冲。路脉冲之间，使分频器的输入端添加了一个脉冲。于是，分频器的输出相位就提前于是，分频器的输出相位就提前1/n周期。经这样的反复调周期。经这样的反复调整相位，即实现了位同步。整相位，即实现了位同步。36位

37、同步脉冲的相位调整位同步脉冲的相位调整 37 4、锁相法抗干扰性能的改善、锁相法抗干扰性能的改善在锁相法电路中，如果由于干扰的影响，使鉴相器送出超前在锁相法电路中，如果由于干扰的影响，使鉴相器送出超前或滞后脉冲，根据以前进述的工作原理，锁相环立即进行调或滞后脉冲，根据以前进述的工作原理，锁相环立即进行调整。若干扰时常存在，则锁相环常常进行不必要的来回调整。若干扰时常存在，则锁相环常常进行不必要的来回调整，这会使提取的位同步信号相位产生抖动。为了克服这个整，这会使提取的位同步信号相位产生抖动。为了克服这个缺点，依照模拟锁相环中鉴相器后加有环路滤波器的方法，缺点，依照模拟锁相环中鉴相器后加有环路滤

38、波器的方法，在数字锁相环的鉴相器后加一个数字式滤波器。在数字锁相环的鉴相器后加一个数字式滤波器。38（a）N先于先于M滤波器滤波器 （b）随机徘徊式滤波器）随机徘徊式滤波器 39由于以上两种电路插在相位比较器后面，则相位比较器输出由于以上两种电路插在相位比较器后面，则相位比较器输出的超前或滞后脉冲不能直接加到扣除门和附加门，从而不能的超前或滞后脉冲不能直接加到扣除门和附加门，从而不能马上进行相位调整，例如图（马上进行相位调整，例如图（a）中）中NM2N，设，设N=3，M=4，若是数字锁相原理方框图中，若是数字锁相原理方框图中n次分频器输出的位同步次分频器输出的位同步信号的确是超前（或滞后）了，

39、则相位比较器会连续输出超信号的确是超前（或滞后）了，则相位比较器会连续输出超前（或滞后）脉冲，因为前（或滞后）脉冲，因为N设为设为3，相位比较器连续输出三，相位比较器连续输出三个超前（或滞后）脉冲，使框图中的上面（或下面）的个超前（或滞后）脉冲，使框图中的上面（或下面）的N计计数器计满数器计满N，计数器则输出超前（或滞后）脉冲到扣除门，计数器则输出超前（或滞后）脉冲到扣除门（或附加）进行调节，使位同步相位趋于正常。如果是干扰（或附加）进行调节，使位同步相位趋于正常。如果是干扰影响相位比较器的工作，相位比较器作出错误判决，送出超影响相位比较器的工作，相位比较器作出错误判决，送出超前或滞后脉冲，由

40、于干扰是随机的，它作用于相位比较器常前或滞后脉冲，由于干扰是随机的，它作用于相位比较器常常使相位比较器有时超前，有时滞后，很少出现连续三次超常使相位比较器有时超前，有时滞后，很少出现连续三次超前或连续三次滞后情况。前或连续三次滞后情况。40在框图中在框图中M计数器输入接有或门，因此它对相位比较器输出计数器输入接有或门，因此它对相位比较器输出的超前脉冲和滞后脉冲均计数，虽然的超前脉冲和滞后脉冲均计数，虽然M=4，但只要是超前，但只要是超前和滞后脉冲有交替出现的情况，则和滞后脉冲有交替出现的情况，则M首先计满，首先计满，M计满后使计满后使两个两个N计数器均复位，所以两个计数器均复位，所以两个N计数

41、器不会计满，因此它计数器不会计满，因此它们不会有信号输出，这样同步调节电路不工作，保持原来的们不会有信号输出，这样同步调节电路不工作，保持原来的相位，从而克服了干扰的影响。图（相位，从而克服了干扰的影响。图（b）的工作原理与（）的工作原理与（a）相似，当位同步信号相位正常时，使可逆计数器停在相似，当位同步信号相位正常时，使可逆计数器停在N，如，如N=3，只有当连续三个超前脉冲或连续三个滞后脉冲送入时，只有当连续三个超前脉冲或连续三个滞后脉冲送入时可逆计数器才计为可逆计数器才计为6或或0，这时图（，这时图（b）电路才有超前或滞后）电路才有超前或滞后脉冲输出。如果干扰影响相位比较器，它输出的超前或

42、滞后脉冲输出。如果干扰影响相位比较器，它输出的超前或滞后脉冲交替出现，因此可逆计数器围绕着脉冲交替出现，因此可逆计数器围绕着3左右徘徊，它既不左右徘徊，它既不计满也不减到计满也不减到0，故没有脉冲输出，调节电路不会进行相位，故没有脉冲输出，调节电路不会进行相位调节。调节。41数字滤波电路的确提高了锁相环抗干扰能力，但是它增加了数字滤波电路的确提高了锁相环抗干扰能力，但是它增加了锁相环的惰性，使得锁相环调整的速率下降，例如锁相环的惰性，使得锁相环调整的速率下降，例如N=3，则调整速度下降则调整速度下降3倍。要提高抗干扰能力则希望倍。要提高抗干扰能力则希望N大，但要大，但要使调整速度快则希望使调整

43、速度快则希望N小，所以选择小，所以选择N时要两者兼顾。当时要两者兼顾。当然，还可设计性能更好的电路以缓和两者之间的矛盾。然，还可设计性能更好的电路以缓和两者之间的矛盾。427.6 群群 同同 步步两类方法；一类是在数字信息流中插入一些特殊码组作为两类方法；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；另一类方法不需要外加的特殊码组，它每群的头尾标记；另一类方法不需要外加的特殊码组，它类似于载波同步相位同步中的直接法，利用数据码组本身类似于载波同步相位同步中的直接法，利用数据码组本身之间彼此不同特性来实现自同步。之间彼此不同特性来实现自同步。插入特殊码组实现群同步的方法有两种，即连贯式

44、插入法插入特殊码组实现群同步的方法有两种，即连贯式插入法和分散式插入法。在介绍这两种方法以前，先简单介绍一和分散式插入法。在介绍这两种方法以前，先简单介绍一种起止式群同步法。种起止式群同步法。431、起止式同步法、起止式同步法又称异步传输，数据通信中被传输的单位是字符，每个字符又称异步传输，数据通信中被传输的单位是字符，每个字符由由58位码元组成，每个字符前面加一位起始位，用位码元组成，每个字符前面加一位起始位，用“0”代代表，在字符后面加一位或表，在字符后面加一位或15位或位或2位停止位用位停止位用“1”代表。代表。在不发信号时，一直发送停止位。例如，在电传机发送的电在不发信号时，一直发送停

45、止位。例如，在电传机发送的电传报中一个字由传报中一个字由7.5个码元组成，如下图所示。一个码元是个码元组成，如下图所示。一个码元是起始位，中间起始位，中间5个码元是消息，末尾是个码元是消息，末尾是1.5码元宽度的停止码元宽度的停止位。位。44收端根据正电平第一次转到负电平这一特殊规律，确定一个收端根据正电平第一次转到负电平这一特殊规律，确定一个字的起始位置，就实现了群同步。由于这种同步方式中的止字的起始位置，就实现了群同步。由于这种同步方式中的止脉冲宽度与码元宽度不一致，会给同步数字传输带来不便。脉冲宽度与码元宽度不一致，会给同步数字传输带来不便。另外，在这种同步方式中，另外，在这种同步方式中

46、，7.5个码元中只有个码元中只有5个码元用于个码元用于传递消息，效率较低，所以一般用于低速传输方式中。传递消息，效率较低，所以一般用于低速传输方式中。2、连贯式插入法、连贯式插入法选择一些特殊的码组集中地插入到一帧的开头和结尾，以便选择一些特殊的码组集中地插入到一帧的开头和结尾，以便收端很容易识别帧的开头和结尾，这种方法称连贯式插入法收端很容易识别帧的开头和结尾，这种方法称连贯式插入法提取群同步信号。作群同步码组用的特殊码组首先应该具有提取群同步信号。作群同步码组用的特殊码组首先应该具有尖锐单峰特性的局部自相关函数。对同步码组的另一个要求尖锐单峰特性的局部自相关函数。对同步码组的另一个要求是识

47、别器应该尽量简单。目前，一种常用的群同步码组是巴是识别器应该尽量简单。目前，一种常用的群同步码组是巴克码。克码。45巴克码是一种非周期序列。一个巴克码是一种非周期序列。一个n位的巴克码组为位的巴克码组为x1,x2,x3,xn，其中，其中xi取值为取值为+1或或-1，它的局部相，它的局部相关函数为关函数为目前已找到的所有巴克码组如下表所列目前已找到的所有巴克码组如下表所列 。位位 数数巴克码组巴克码组2 23 34 45 57 711111313+；-+-+-+-+-+-；+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+46以七位巴克码组以七位巴克码组1,1,1

48、,-1,-1,1,-1为例，求出它的自相为例，求出它的自相关函数如下关函数如下当当j=0时时 ，当当j=1时时 ，同理，可求出同理，可求出j=2,3,4,5,6,7时的时的R(j)值分别为值分别为-1,0,-1,0,-1,0；另外，再求出；另外，再求出j为负值时的自相关函数值，两者一起画为负值时的自相关函数值，两者一起画在下图中。可见，其自相关函数在在下图中。可见，其自相关函数在j0时出现尖锐的单峰。时出现尖锐的单峰。47巴克码识别器是比较容易实现的，以七位巴克码为例，用巴克码识别器是比较容易实现的，以七位巴克码为例，用7级移位寄存器、相加器和判决器就可以组成一识别器，如下级移位寄存器、相加器

49、和判决器就可以组成一识别器，如下图所示。当输入数据图所示。当输入数据“1”存入移位寄存器时，存入移位寄存器时，“1”端的输端的输出电出电平为平为+1，“0”端的输出电平为端的输出电平为-1；反之，存入数据；反之，存入数据“0”时，时，“0”端的输出电平为端的输出电平为+1，“1”端的电平为端的电平为-1。各移位寄。各移位寄存器存器输出端的接法和巴克码的规律一致，识别器实际上是对输入输出端的接法和巴克码的规律一致，识别器实际上是对输入的巴克码进行相关运算。的巴克码进行相关运算。48巴克码用于群同步是常见的，但群同步码并不是唯一的，只巴克码用于群同步是常见的，但群同步码并不是唯一的，只要是便于识别

50、的码组均可用于群同步，例如，要是便于识别的码组均可用于群同步，例如，PCM30/32系统就是采用连贯插入隔帧传送群同步，同步码为系统就是采用连贯插入隔帧传送群同步，同步码为0011011，其帧结构如下图所示。，其帧结构如下图所示。PCM30/32群同步帧结构群同步帧结构 493、分散式插入法、分散式插入法（1）分散插入原理）分散插入原理连贯插入法插入的同步码是一个码组，要使同步可靠，同步连贯插入法插入的同步码是一个码组，要使同步可靠，同步码组要有一定的长度，使传输效率低。分散插入则是每帧只码组要有一定的长度，使传输效率低。分散插入则是每帧只插一位码作为同步码，例如，某插一位码作为同步码，例如，

51、某PCM-24设备每帧有设备每帧有824=192个信息码元，在其后插一位群同步码。群同步个信息码元，在其后插一位群同步码。群同步码一帧插码一帧插“1”码，下一个帧插码，下一个帧插“0”码，如此交替插入。由码，如此交替插入。由于每于每帧只插一位码，那么它与信码混淆的概率为帧只插一位码，那么它与信码混淆的概率为1/2，这样似乎，这样似乎无法识别同步码，但是这种插入方式在同步捕获时不是检测无法识别同步码，但是这种插入方式在同步捕获时不是检测一帧两帧，而是连续检测数十帧，每帧都符合一帧两帧，而是连续检测数十帧，每帧都符合“1”、“0”交替交替的规律才确认同步，如检测的规律才确认同步，如检测10帧都正确

52、，误同步概率则帧都正确，误同步概率则为为 ，误同步概率很小。，误同步概率很小。分散插入每帧的传输效率较高，但是同步捕获时间较长，较分散插入每帧的传输效率较高，但是同步捕获时间较长，较适合于连续发送信号的通信系统，若是断续发送信号，每次适合于连续发送信号的通信系统，若是断续发送信号，每次捕获同步需要较长时间，反而降低效率。捕获同步需要较长时间，反而降低效率。50（2）滑动同步检测原理）滑动同步检测原理分散插入常用滑动同步检测电路，其基本原理是接收电路开分散插入常用滑动同步检测电路，其基本原理是接收电路开机时处于捕捉态，当收到第一个与同步码相同的码元，先暂机时处于捕捉态，当收到第一个与同步码相同的

53、码元，先暂认为它就是群同步码，按码同步周期检测下一帧相应位码认为它就是群同步码，按码同步周期检测下一帧相应位码元，若也符合插入的同步码规律，则再检测第三帧相应位码元，若也符合插入的同步码规律，则再检测第三帧相应位码元，如果连续检测元，如果连续检测M帧（数十帧），每帧均符合同步码规帧（数十帧），每帧均符合同步码规律，则同步码已找到，电路进入同步状态。若在捕捉态接收律，则同步码已找到，电路进入同步状态。若在捕捉态接收到的某个码元不符合同步码规律则码元滑动一位，仍按上述到的某个码元不符合同步码规律则码元滑动一位，仍按上述规律周期性地检测，看它是否符合同步码规律，一旦检测不规律周期性地检测，看它是否符

54、合同步码规律，一旦检测不符合，又滑动一位，反复进行下去。若一帧共有符合，又滑动一位，反复进行下去。若一帧共有N个码元，个码元，则最多滑动则最多滑动N1位，一定能把同步码找到。位，一定能把同步码找到。51滑动同步检测可用硬件电路实现，下图所示是实现滑动检测滑动同步检测可用硬件电路实现，下图所示是实现滑动检测的方框图，假设群同步码每帧均为的方框图，假设群同步码每帧均为“1”码，码，N为每帧的码为每帧的码元元个数，个数，M为确认同步时需检测帧的个数。为确认同步时需检测帧的个数。52框图中框图中“1”码检测器是在本地群同步码到来时检测信码，码检测器是在本地群同步码到来时检测信码，若若信码为信码为“1”

55、则输出正脉冲，信码为则输出正脉冲，信码为“0”则输出负脉冲。如则输出负脉冲。如果本果本地群码与收码中群同步码对齐，则地群码与收码中群同步码对齐，则“1”码检测器将连续输码检测器将连续输出出正脉冲，计数器计满正脉冲，计数器计满M个正脉冲后输出高电位并锁定，它使个正脉冲后输出高电位并锁定，它使与门与门3打开，本地群码输出，系统处于同步态。如果本地群打开，本地群码输出，系统处于同步态。如果本地群码与收信码中群同步码尚未对齐，码与收信码中群同步码尚未对齐，“1”码检测器只要检测码检测器只要检测到到信码中的信码中的“0”码，便输出出负脉冲，该负脉冲经非门码，便输出出负脉冲，该负脉冲经非门2使计使计数数器

56、器M复位，从而使与门复位，从而使与门3关闭，本地群码不输出，系统处于关闭，本地群码不输出，系统处于捕捉态。同时非门捕捉态。同时非门2输出的正脉冲延时后封锁一个位脉冲，输出的正脉冲延时后封锁一个位脉冲，使本地群码滑动一位，随后使本地群码滑动一位，随后1码检测器继续检测信码，若遇码检测器继续检测信码，若遇“0”码，本地群码又滑动一位，直到滑动到与信息码中群码，本地群码又滑动一位，直到滑动到与信息码中群同同步码对齐，并连续检验步码对齐，并连续检验M帧后进入同步态。帧后进入同步态。53本章小结本章小结载波同步、位同步和群同步三种同步实现的原理和方法，载波同步、位同步和群同步三种同步实现的原理和方法，及

57、其性能指标。及其性能指标。三种同步各自的作用，它们相互的区别与联系。三种同步各自的作用，它们相互的区别与联系。 54思考题与作业思考题与作业思考题思考题1.对抑制载波的双边带信号、残留边带信号和单边带信号用对抑制载波的双边带信号、残留边带信号和单边带信号用插入导频法实现载波同步时，所插入的导频信号形式有何插入导频法实现载波同步时，所插入的导频信号形式有何异同点？异同点？2.一个采用非相干解调方式的数字通信系统是否必须有载波一个采用非相干解调方式的数字通信系统是否必须有载波同步和位同步？其同步性能的好坏对通信系统的性能有何同步和位同步？其同步性能的好坏对通信系统的性能有何影响？影响？作业作业7-4，7-6，7-7，7-855