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第九章同步原理本讲稿第一页，共四十八页第第 九章九章 同步原理同步原理 同步是通信系统中一个重要的实际问题。其性能的降低直同步是通信系统中一个重要的实际问题。其性能的降低直接导致通信系统性能的降低，甚至通信系统不能正常工作。接导致通信系统性能的降低，甚至通信系统不能正常工作。同步技术的种类同步技术的种类载波同步载波同步位同步位同步帧同步帧同步网同步网同步本讲稿第二页，共四十八页9.1 载波同步方法载波同步方法抵制载波的双边带，单边带等信号中不含有抵制载波的双边带，单边带等信号中不含有载波分量，可以用插入异频法，来提取载波。尤载波分量，可以用插入异频法，来提取载波。尤其是其是SSB-SC只能用插入异频法提取载波。只能用插入异频法提取载波。一、插入异频法（外同步法）一、插入异频法（外同步法）本讲稿第三页，共四十八页.在在DSB-SC中插入异频法中插入异频法抑制载波双边带信号的导频插入抑制载波双边带信号的导频插入插入导频法发端框图插入导频法发端框图(1)工作原理工作原理本讲稿第四页，共四十八页(1)异频插入位置应该在信号频率谱为零的位置，否则异频与异频插入位置应该在信号频率谱为零的位置，否则异频与信号频谱重叠在一起，接收时不易取出。对于模拟信号信号频谱重叠在一起，接收时不易取出。对于模拟信号(如如DSB,SSB)载频附近信号频谱为零，但对于数字信号，有码序载频附近信号频谱为零，但对于数字信号，有码序列含有直流分量，必须进行相矢编码，使其不含有直流分量，才列含有直流分量，必须进行相矢编码，使其不含有直流分量，才能插入异频。能插入异频。(2)插入的异频不是加于调制器的载波，而是将载波插入的异频不是加于调制器的载波，而是将载波90移位后的移位后的“正交载波正交载波”。本讲稿第五页，共四十八页接收端方框图接收端方框图导频提取导频提取与解调与解调 本讲稿第六页，共四十八页经过经过LPF后后,输出输出:本讲稿第七页，共四十八页为什么要插入为什么要插入“正交载波正交载波”?接收端接收时接收端接收时,可以不用相移电路可以不用相移电路,直接将直接将asinct取出作为同步载波取出作为同步载波,即即经经 LDF输出输出:若插入异频为若插入异频为 其中直接成分其中直接成分会对数字信号接发产生影响。会对数字信号接发产生影响。本讲稿第八页，共四十八页2.在在VSB中插入异频法中插入异频法 前面介绍过前面介绍过VSB频谱。以下边带为例，频谱。以下边带为例，边带滤波器如图所示。边带滤波器如图所示。fc-fm至至fc使使LSB大部分通过，大部分通过，fc到到fc+fr让让USB小部分通小部分通过。由于过。由于fc附近有信号分量，不能在附近有信号分量，不能在fc处处来插入异频。来插入异频。(1)VSB频谱特点频谱特点本讲稿第九页，共四十八页设设 f1=(fcfm)f1 f2=(fcfr)f2_fr VSB滤波器传输函数中滚滤波器传输函数中滚 降部分所占带宽的一半降部分所占带宽的一半(2)插入异频插入异频f1,f2的选择的选择f1,f2可以在可以在H(f)的两侧插入的两侧插入；但但f1,f2不能与不能与fc-fm和和fc+fr靠靠得太近，以免不易游出；得太近，以免不易游出；f1,f2也不能靠得太远，否则占用也不能靠得太远，否则占用频带太宽。频带太宽。其中其中:fm调制信号的最高频率调制信号的最高频率本讲稿第十页，共四十八页(3)载波提取框图载波提取框图收信号收信号f1窄带窄带f2窄带窄带(f2-f1)低通低通q次分频次分频fc窄带窄带移移 相相载波输出载波输出本讲稿第十一页，共四十八页二、直接法二、直接法1.平方变换法和平方环法平方变换法和平方环法(1)平方变换法平方变换法本讲稿第十二页，共四十八页设：设：s(t)=m(t)cosct m(t)模拟调制信号模拟调制信号则：则：虽然虽然m(t)中无直流分量，中无直流分量，但但m2(t)中有直流分量，中有直流分量，这样在第二项中含有这样在第二项中含有2c分量，经滤波和分量，经滤波和3分频后分频后输出载波分量。输出载波分量。本讲稿第十三页，共四十八页由于用由于用3，2分频电路，提取载波存在分频电路，提取载波存在180相位模糊相位模糊问题。对移相信号而言，可采用相对移相克服载波的问题。对移相信号而言，可采用相对移相克服载波的0,相位模糊问题。相位模糊问题。若若m(t)=1时，则时，则s(t)PSK信号信号经滤波和经滤波和2分频，提取载波分量。分频，提取载波分量。本讲稿第十四页，共四十八页(2)平方环法平方环法用用PLL代替平方变换法中的代替平方变换法中的2fc窄带滤波器。由于窄带滤波器。由于PLL具有良好具有良好的跟踪，窄带滤波和记忆性能，具有比平方变换法更好的跟踪，窄带滤波和记忆性能，具有比平方变换法更好的性能。平方环法提取载波应用较为广泛。的性能。平方环法提取载波应用较为广泛。本讲稿第十五页，共四十八页2.用相正交环法（科斯塔斯用相正交环法（科斯塔斯costas)环环m(t)cosct输入输入已调信号已调信号VCOLPFLPFLPV7V5-90V4V6V3本讲稿第十六页，共四十八页加入两个乘法器的本地信号为加入两个乘法器的本地信号为VCO的输出的输出cos(ct+)和正交信号和正交信号sin(ct+)，故称其为同故称其为同相正交环。相正交环。设输入为设输入为DSB:m(t)cosct，则则经经LPF后后 由于由于是是VCO信号与输入已调信号载波之间的相位差。信号与输入已调信号载波之间的相位差。当环路确定时当环路确定时,很小。很小。本讲稿第十七页，共四十八页用用V7控制控制VCO,使其输出信号相位使其输出信号相位减小到最小值减小到最小值(剩余稳剩余稳态相差态相差)，V1就是所需提取的载波。就是所需提取的载波。同相正交环的工作频率是载频同相正交环的工作频率是载频,而平方环的工作频率是载而平方环的工作频率是载频的两倍频的两倍.显然当载频很高时显然当载频很高时,同相正交环比平方环易于实现。同相正交环比平方环易于实现。相当于相当于PD器输出器输出本讲稿第十八页，共四十八页9.2 载波相位误差对解调性能影响载波相位误差对解调性能影响载波同步系统提供的载波存在稳态相差和随机相差载波同步系统提供的载波存在稳态相差和随机相差,使得相干载波相位使得相干载波相位和已调信号载波相位不完全相同。和已调信号载波相位不完全相同。l稳态相差稳态相差载波提取电路在稳态下引起的相差载波提取电路在稳态下引起的相差l随机相差随机相差n因随机噪声引起的同步信号的相差，则因随机噪声引起的同步信号的相差，则总相位差总相位差本讲稿第十九页，共四十八页一、相位误差对双边带调制信号的影响一、相位误差对双边带调制信号的影响设收到的双边带信号为设收到的双边带信号为S(t)=m(t)cosct相干载波为相干载波为Sc(t)=cos(ct+)解调后，经解调后，经LPF得到输出为得到输出为可见，相位误差可见，相位误差对双边带信号解调性能的影响只对双边带信号解调性能的影响只是引起信噪比下降。是引起信噪比下降。本讲稿第二十页，共四十八页二、二、对单边带调制信号的影响对单边带调制信号的影响对单边带调制信号的影响不仅引起信噪比下降，而且还对单边带调制信号的影响不仅引起信噪比下降，而且还引起信号畸变。引起信号畸变。设单边带信号设单边带信号(上边带上边带)：与相干载波相乘与相干载波相乘:取低频分量取低频分量:本讲稿第二十一页，共四十八页可见：第一项可见：第一项第二项与第二项与原基信号正交，使基本信号畸变原基信号正交，使基本信号畸变,越大越大,畸变越大。畸变越大。由于由于cos存在，使信号噪比下降。存在，使信号噪比下降。本讲稿第二十二页，共四十八页9.3 位同步的方法位同步的方法直接法（自同步法）直接法（自同步法）当基带信号为随机的二进制不归零的脉冲当基带信号为随机的二进制不归零的脉冲序列，其本身不包含位同步信号，为此要提序列，其本身不包含位同步信号，为此要提取位同步。取位同步。位同步的方法位同步的方法插入异频法（外同频法）插入异频法（外同频法）本讲稿第二十三页，共四十八页一、插入异频法一、插入异频法1.类似于载波同步的插入异频法，它是在基类似于载波同步的插入异频法，它是在基带信号频谱的零点插入异频信号。如图带信号频谱的零点插入异频信号。如图:本讲稿第二十四页，共四十八页图图(a)提取出位同步时钟与插入异频周期（或频率相提取出位同步时钟与插入异频周期（或频率相同）同）图图(b)经相关编码后波形频谱提取出异频频率为经相关编码后波形频谱提取出异频频率为位同步时钟频率一半，要经过信频。位同步时钟频率一半，要经过信频。2.双垂调制法双垂调制法:对对PSK,FSK发送时进行幅度调制发送时进行幅度调制本讲稿第二十五页，共四十八页二、直接法二、直接法即直接从数字信号中提取出位同步信号的一种方法。即直接从数字信号中提取出位同步信号的一种方法。1.滤波法滤波法由于不归零的随机二进制序列由于不归零的随机二进制序列,不能直接从其中滤出位同不能直接从其中滤出位同步信号，但经过波形变换后，再经滤波即可。如图所示：步信号，但经过波形变换后，再经滤波即可。如图所示：本讲稿第二十六页，共四十八页归零基带信号归零基带信号位同步脉冲位同步脉冲本讲稿第二十七页，共四十八页2.锁相法锁相法在数字通信中采用的数字锁相法提取位同步在数字通信中采用的数字锁相法提取位同步(1)数字锁相原理方框图数字锁相原理方框图本讲稿第二十八页，共四十八页(2)位同步信号提取原理位同步信号提取原理同步时：若接收码元的速率为同步时：若接收码元的速率为F(B),则要求位同步则要求位同步脉冲重复速率为脉冲重复速率为F(HZ)由于晶振频率设计为由于晶振频率设计为nF(HZ),经套形后得到重复频率为经套形后得到重复频率为nF(HZ)的窄带脉冲的窄带脉冲经扣除门、或门并经扣除门、或门并n次分频后，就可得到频率为次分频后，就可得到频率为F(HZ)的位同步信号。的位同步信号。本讲稿第二十九页，共四十八页不同步时，调态原理不同步时，调态原理:a:当频器输出的位同步时钟超前于接收码元的相位时，相当频器输出的位同步时钟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（常开）的禁止端，位比较器送出一超前脉冲，加到扣除门（常开）的禁止端，扣除一个扣除一个a路脉冲，这样分频器输出的脉冲相位就推后路脉冲，这样分频器输出的脉冲相位就推后1/n周期。周期。本讲稿第三十页，共四十八页b.当分频器输出的位同步脉冲滞后于接收码元的相位当分频器输出的位同步脉冲滞后于接收码元的相位时，相位比较器送出一滞后脉冲，加到附加门（常闭时，相位比较器送出一滞后脉冲，加到附加门（常闭的），使的），使b路输出一个脉冲通过路输出一个脉冲通过“或门或门”插入到原插入到原a路之间，使分频器输出相位就提前路之间，使分频器输出相位就提前1/n周期。周期。经过这样反复调态，即实现了同步。经过这样反复调态，即实现了同步。本讲稿第三十一页，共四十八页三、位同步误差对性能的影响三、位同步误差对性能的影响本讲稿第三十二页，共四十八页9.4 群同步群同步群：数字通信中，一定数目的码元组成的一个个群：数字通信中，一定数目的码元组成的一个个“字字”或或“句句”，来进行传输。这些，来进行传输。这些“字字”或或“句句”称之为称之为“群群”。群同步：提供每个群的群同步：提供每个群的“开头开头”和和“结尾结尾”的时刻。虽然的时刻。虽然群同步信号可以由位同步信号分频获得，但每群的群同步信号可以由位同步信号分频获得，但每群的“开始开始”无法由分频器输出决定。无法由分频器输出决定。本讲稿第三十三页，共四十八页连续式插入法连续式插入法间隔式插入法间隔式插入法群同步方法群同步方法:插入特殊码组作为群的插入特殊码组作为群的“头头”“尾尾”标记标记自同步法：利用数据码组之间特性实现群同步自同步法：利用数据码组之间特性实现群同步本讲稿第三十四页，共四十八页一、连贯式插入法在每群开头集中插入群同步码组一、连贯式插入法在每群开头集中插入群同步码组1.群同步码：群同步码：要求要求:(1)具有尖锐单峰特性的局部自相关函数。具有尖锐单峰特性的局部自相关函数。(2)识别器尽量简单识别器尽量简单本讲稿第三十五页，共四十八页(2)设特殊码组设特殊码组x1,x2.xn是一个非周期序列，其局是一个非周期序列，其局部自相关函数表示为：部自相关函数表示为：它它相相当当于于在在时时延延j=0时时,序序列列中中全全部部元元素素都都参参加加相相关关运运算算,而而j 0时时,只有部分元素参加相关运算。只有部分元素参加相关运算。本讲稿第三十六页，共四十八页2.巴克码巴克码一种常用的群同步码组一种常用的群同步码组(1)局部自相关函数局部自相关函数一个一个n位巴克码组为位巴克码组为x1,x2.xn,其中其中xi取值为取值为 1，其局部自相关函数为：，其局部自相关函数为：n 0或或 10 j=0n j本讲稿第三十七页，共四十八页目前已找到的巴克码组如图：目前已找到的巴克码组如图：n巴克码组2 (11)3 （110）4(1110)；(1101)5(11101)7(1110010)11(11100010010)13(1111100110101)本讲稿第三十八页，共四十八页同同样样可可求求出出j=3,5,7时时R(j)=0；j=2,4,6时时R（j）=-1。根根据据这这些些值值,利利用用偶偶函函数数性性质质,可可以以作作出出7位位巴巴克克码码的的R(j)与与j的关系曲线，的关系曲线，当当j=0时，时，当当j=1时时以以7位巴克码组位巴克码组+-+-为例，为例，它的局部自它的局部自相关函数如下：相关函数如下：本讲稿第三十九页，共四十八页由图可见，其自相关函数在由图可见，其自相关函数在j=0时具有时具有尖锐的单峰尖锐的单峰特性。特性。这一特性正是连贯式插入群同步码组的主要要求之一。这一特性正是连贯式插入群同步码组的主要要求之一。本讲稿第四十页，共四十八页(2)巴克码识别器及工作原理巴克码识别器及工作原理用用7级移位寄存器、相加器和判决器就可以组成一级移位寄存器、相加器和判决器就可以组成一个巴克码识别器。个巴克码识别器。本讲稿第四十一页，共四十八页当输入码元的当输入码元的“1”进入某移位寄存器时，该移位寄存进入某移位寄存器时，该移位寄存器的器的1端输出电平为端输出电平为+1，0端输出电平为端输出电平为-1。反之，进。反之，进入入“0”码时，该移位寄存器的码时，该移位寄存器的0端输出电平为端输出电平为+1，1端端输出电平为输出电平为-1。各移位寄存器输出端的接法与巴克码的规律一致各移位寄存器输出端的接法与巴克码的规律一致,这样这样识别器实际上是对输入的巴克码进行相关运算。识别器实际上是对输入的巴克码进行相关运算。本讲稿第四十二页，共四十八页只有当只有当7位巴克码在某一时刻位巴克码在某一时刻,正好已全部进入正好已全部进入7位寄存器时，位寄存器时，7位移位寄存器输出端都输出位移位寄存器输出端都输出+1，相加后得最大输出，相加后得最大输出+7，其余情况相加结果均小于，其余情况相加结果均小于+7。若判别器的判决门限。若判别器的判决门限电平定为电平定为+6，那么就在，那么就在7位巴克码的最后一位位巴克码的最后一位0进入识进入识别器时，识别器输出一个同步脉冲表示一群的开头。别器时，识别器输出一个同步脉冲表示一群的开头。本讲稿第四十三页，共四十八页二、间隔式插入法群同步码组不是集中插入在信息二、间隔式插入法群同步码组不是集中插入在信息码流中而是分散地插入，即每隔一定的数量信息码元，码流中而是分散地插入，即每隔一定的数量信息码元，插入一个群同步码。插入一个群同步码。1.逐码移位法逐码移位法.AM帧码检测法帧码检测法本讲稿第四十四页，共四十八页三、群同步系统的性能三、群同步系统的性能群同步系统应该建立时间短群同步系统应该建立时间短,并且在群同步建立后应有较并且在群同步建立后应有较强的抗干扰能力。强的抗干扰能力。.漏同步概率漏同步概率P设设P为码元错误概率为码元错误概率,n 为同步码组的码元数为同步码组的码元数,m为判决为判决器容许码组中的错误码元最大数，则同步码组码元器容许码组中的错误码元最大数，则同步码组码元n中中所有不超过所有不超过m个错误码元的码组都能被识别器识别个错误码元的码组都能被识别器识别本讲稿第四十五页，共四十八页其同步未漏概率为其同步未漏概率为：故漏同步概率为：故漏同步概率为：本讲稿第四十六页，共四十八页 2.假同步概率假同步概率P2在信息码元中，也可能出现与群同步码组在信息码元中，也可能出现与群同步码组相同码组，而被识别器认为是同步码组实现假同步。相同码组，而被识别器认为是同步码组实现假同步。若设二进制消息码元出现若设二进制消息码元出现“0”“1”概率相等，为概率相等，为1/2，则，则由该二进制码元组成的由该二进制码元组成的n位码组的所有可能码组为位码组的所有可能码组为2n个，个，其中被判为同步码组的组合数与其中被判为同步码组的组合数与m有关。有关。本讲稿第四十七页，共四十八页3.同步平均建立时间同步平均建立时间ts设每群的码元速率为设每群的码元速率为N(包括包括n位群同步码位群同步码)，每码元时间为，每码元时间为T,一群时间为一群时间为NT。当漏同步和假同步均不发生时，在最不利情况下，实当漏同步和假同步均不发生时，在最不利情况下，实现群同步最多需要一群时间现群同步最多需要一群时间NT。若考虑出现一次漏同。若考虑出现一次漏同步或一次假同步大致要多花费步或一次假同步大致要多花费NT时间才能建立起群同时间才能建立起群同步。步。因此因此:本讲稿第四十八页，共四十八页