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通信原理课件同步原理现在学习的是第1页，共53页13.1 概述概述13.2 载波同步波同步13.3 码元同步元同步13.4 群同步群同步13.5 网同步网同步第第1313章章 同步原理同步原理现在学习的是第2页，共53页13.1 概述概述同步：指要求和建立系同步：指要求和建立系统的收的收发两端（或多端）在两端（或多端）在时间上保持步上保持步调一致，故又称定一致，故又称定时。分分类（按同步的功用分）：（按同步的功用分）：载波同步、位同步、群波同步、位同步、群同步和网同步。同步和网同步。载波同步：是指在相干解波同步：是指在相干解调时，接收端需要提供一，接收端需要提供一个与接收信号中的个与接收信号中的调制制载波同波同频同相的相干同相的相干载波。波。这个个载波的波的获取称取称为载波提取或波提取或载波同步。波同步。位同步：又称位同步：又称码元同步。把提取元同步。把提取这种定种定时脉冲序列的脉冲序列的过程称程称为位同步。位同步。现在学习的是第3页，共53页群同步：包含字同步、句同步、分路同步等，有群同步：包含字同步、句同步、分路同步等，有时也也称称帧同步。在接收端同步。在接收端产生与生与“字字”、“句句”及及“帧”起止起止时刻相一致的定刻相一致的定时脉冲序列的脉冲序列的过程程统称称为群同步。群同步。网同步：网同步：为了保了保证通信网内各用通信网内各用户之之间可靠地通可靠地通信和数据交信和数据交换，全网必，全网必须有一个有一个统一的一的时间标准准时钟，这就是网同步的就是网同步的问题。现在学习的是第4页，共53页二二.按按传输同步信息方式的不同来区分同步信息方式的不同来区分1.1.外同步外同步:由由发送端送端发送送专门的同步信息（常被称的同步信息（常被称为导频），接收端把，接收端把这个个导频提取出来作提取出来作为同步信号的方法，同步信号的方法，称称为外同步法。外同步法。自同步法是人自同步法是人们最希望的同步方法，因最希望的同步方法，因为可以把全可以把全部功率和部功率和带宽分配分配给信号信号传输。在。在载波同步和位同波同步和位同步中，两种方法都有采用，但自同步法正得到越来步中，两种方法都有采用，但自同步法正得到越来越广泛的越广泛的应用。而群同步一般都采用外同步法。用。而群同步一般都采用外同步法。2.2.自同步自同步:发送端不送端不发送送专门的同步信息，接收端的同步信息，接收端设法从收到的信号中提取同步信息。法从收到的信号中提取同步信息。现在学习的是第5页，共53页同步本身同步本身虽然不包含所要然不包含所要传送的信息，但只有收送的信息，但只有收发设备之之间建立了同步后才能开始建立了同步后才能开始传送信息，所以同送信息，所以同步是步是进行信息行信息传输的必要和前提。同步性能的好坏的必要和前提。同步性能的好坏又将直接影响着通信系又将直接影响着通信系统的性能。如果出的性能。如果出现同步同步误差或失去同步就会差或失去同步就会导致通信系致通信系统性能下降或通信中性能下降或通信中断。因此，断。因此，同步系同步系统应具有比信息具有比信息传输系系统更高更高的可靠性和更好的的可靠性和更好的质量指量指标，如同步，如同步误差小、相位差小、相位抖抖动小以及同步建立小以及同步建立时间短，保持短，保持时间长等。等。同步的重要性同步的重要性现在学习的是第6页，共53页13.2 载波同步波同步载波同步的方法：直接法波同步的方法：直接法(自同步法自同步法)、插入、插入导频法法(外同步法外同步法)插入插入导频法：在法：在发送信息的送信息的频谱中或中或频带外插入相外插入相关的关的导频，或在，或在时域插入（即在一定的域插入（即在一定的时段上段上传送送载波信息）。波信息）。直接法：也称自同步法。直接法：也称自同步法。设法从接收信号中提法从接收信号中提取同步取同步载波。波。对载波同步的要求：波同步的要求：发送送载波同步信息所占的功率波同步信息所占的功率尽量小，尽量小，频带尽量窄。尽量窄。现在学习的是第7页，共53页一、插入导频法一、插入导频法抑制抑制载波的双波的双边带信号（如信号（如DSB、等概的、等概的2PSK）本身不含有）本身不含有载波，残留波，残留边带（VSB）信号）信号虽含有含有载波分量，但很波分量，但很难从从已已调信号的信号的频谱中把它分离出来。中把它分离出来。对这些些信号的信号的载波提取，可以用插入波提取，可以用插入导频法（外法（外同步法）。尤其是同步法）。尤其是单边带（SSB）信号，）信号，它既没有它既没有载波分量又不能用直接法提取波分量又不能用直接法提取载波，只能用插入波，只能用插入导频法。法。现在学习的是第8页，共53页在抑制载波的双边带信号中插入导频在抑制载波的双边带信号中插入导频所所谓插入插入导频，就是在已，就是在已调信号信号频谱中中额外插入一外插入一个低功率的个低功率的线谱，以便接收端作，以便接收端作为载波同步信号加波同步信号加以恢复，此以恢复，此线谱对应的正弦波称的正弦波称为导频信号。信号。抑制抑制载波双波双边带信号的信号的导频插入插入现在学习的是第9页，共53页插入导频法插入导频法在在fc附近的附近的频谱函数很小，且没有离散函数很小，且没有离散谱，这样可以在可以在fc处插入插入频率率为fc的的导频（这里里仅画出正画出正频域）。但域）。但应注意，在注意，在图 中中插入的插入的导频并不是加于并不是加于调制器的那个制器的那个载波，波，而是将而是将该载波移相波移相90后的所后的所谓“正交正交载波波”。现在学习的是第10页，共53页插入导频法发端框图插入导频法发端框图输出信号出信号为现在学习的是第11页，共53页插入导频法收端框图插入导频法收端框图接收信号接收信号为接收端用一个中心接收端用一个中心频率率为fc的窄的窄带滤波器提取波器提取导频-acosct，再将它，再将它经90移相后得到与移相后得到与调制制载波同波同频同相的相干同相的相干载波波 sinct，现在学习的是第12页，共53页解解调器器输出出经低通低通滤波后得波后得现在学习的是第13页，共53页发送端是以正交送端是以正交载波作波作为导频的原因的原因如果如果发送端加入的送端加入的导频不是正交不是正交载波，而是波，而是调制制载波，波，则接收端接收端v(t)中中还有一个不需要有一个不需要的直流成分，的直流成分，这个直流成分通个直流成分通过低通低通滤波器波器对数字信号数字信号产生影响，生影响，这就是就是发端正交插入端正交插入导频的原因。的原因。2PSK和和DSB信信号号都都属属于于抑抑制制载波波的的双双边带信信号号，所以上述插入所以上述插入导频方法方法对两者均适用。两者均适用。对于于SSB信号，信号，导频插入的原理也与上述相同。插入的原理也与上述相同。现在学习的是第14页，共53页2.在残留在残留边带信号中插入信号中插入导频残留残留边带频谱的特点的特点现在学习的是第15页，共53页插入插入导频f1、f2的的选择可在残留可在残留边带频谱的两的两侧插入插入f1和和f2;假假设:fr：滚降部分占用降部分占用带宽的一半的一半fm：基：基带信号的最高信号的最高频率率现在学习的是第16页，共53页现在学习的是第17页，共53页载波信号的提取波信号的提取接收的信号中包含有接收的信号中包含有VSB信号和信号和f1、f2两个两个导频。假。假设接收信号中两个接收信号中两个导频是是1：第一个：第一个导频的初相的初相 2：第二个：第二个导频的初相的初相发送端的送端的载波波为cos(ct+c)现在学习的是第18页，共53页13.2.2 13.2.2 无辅助导频时的载波提取无辅助导频时的载波提取设调制信号制信号m(t)无直流分量，无直流分量，则抑制抑制载波波的双的双边带信号信号为此方法广泛用于建立抑制此方法广泛用于建立抑制载波的双波的双边带信号信号的的载波同步。波同步。图13-2 平方环原理方框图载频输出带通滤波平 方压控振荡环路滤波锁相环s(t)2分频窄带滤波现在学习的是第19页，共53页接收端将信号接收端将信号S(t)经过非非线性性变换平方平方律器件后得到律器件后得到上式的第二上式的第二项包含有包含有载波的倍波的倍频2c的分量。的分量。若用一窄若用一窄带滤波器将波器将2c频率分量率分量滤出，出，再再进行二分行二分频，就可，就可获得所需的相干得所需的相干载波。波。现在学习的是第20页，共53页若若m(t)=1，则抑制抑制载波的双波的双边带信号就成信号就成为二相移相信号（二相移相信号（2PSK），），这时因而同因而同样可以通可以通过图中所示的方法提取中所示的方法提取载波。波。现在学习的是第21页，共53页相位模糊：相位模糊：2分分频器的器的输出出电压有相差有相差180 的两种可能相位，即其的两种可能相位，即其输出出电压的的相位决定于分相位决定于分频器的随机初始状器的随机初始状态。采用。采用2DPSK体制可以避免此缺点的影响。体制可以避免此缺点的影响。错误锁定：平方后的接收定：平方后的接收电压中有可能存在其中有可能存在其他的离散他的离散频率分量，使率分量，使锁相相环锁定在定在错误的的频率率上。解决上。解决这个个问题的的办法是降低法是降低环路路滤波器的波器的带宽。平方环法提取载波的缺点平方环法提取载波的缺点现在学习的是第22页，共53页2.2.同相正交环法同相正交环法(科斯塔斯环科斯塔斯环)在此在此环路中，路中，压控振控振荡器（器（VCO）提供两路互）提供两路互为正交的正交的载波，波，与与输入接收信号分入接收信号分别在同相和正交两个在同相和正交两个鉴相器中相器中进行行鉴相，相，经低低通通滤波之后的波之后的输出均含出均含调制信号，制信号，两者相乘后可以消除两者相乘后可以消除调制信制信号的影响，号的影响，经环路路滤波器得到波器得到仅与相位差有关的控制与相位差有关的控制压控，从而控，从而准确地准确地对压控振控振荡器器进行行调整。整。现在学习的是第23页，共53页设输入抑制入抑制载波双波双边带信号信号为假假定定环路路锁定定，且且不不考考虑噪噪声声的的影影响响，则VCO输出出的的两两路路互互为正正交交的的本本地地载波波分分别为为VCO输出信号与出信号与输入已入已调信号信号载波之波之间的相位差的相位差m(t)Cosct现在学习的是第24页，共53页 信信号号m(t)Cosct分分别与与v1、v2相相乘乘后后得得经过低通低通滤波器后分波器后分别得得现在学习的是第25页，共53页 v5、v6相乘相乘产生生误差信号差信号现在学习的是第26页，共53页三三.两种载波同步方法的比较两种载波同步方法的比较 1.直接法的直接法的优缺点缺点(1)不占用不占用导频功率，因此信号功率比可以大一些。功率，因此信号功率比可以大一些。(2)可防止插入可防止插入导频法中法中导频和信号由和信号由滤波不好引起的波不好引起的互相干互相干扰,也可防止信道不理想引起的也可防止信道不理想引起的导频相位相位误差。差。(3)有的有的调制系制系统不能用直接法不能用直接法(如如SSB系系统)。现在学习的是第27页，共53页 2.插入插入导频法的法的优缺点缺点(1)有有单独的独的导频信号，一方面可以提取同信号，一方面可以提取同步步载波，另一方面可以用它作自波，另一方面可以用它作自动增益控增益控制。制。(2)有些不能用直接法提取同步信息的有些不能用直接法提取同步信息的调制制系系统只能用插入只能用插入导频法。法。(3)要多消耗一部分不要多消耗一部分不带信息的功率，与直信息的功率，与直接法比接法比较在在总功率相同条件下信噪功率比功率相同条件下信噪功率比要小一些。要小一些。现在学习的是第28页，共53页13.2.3 13.2.3 载波同步系统的性能载波同步系统的性能v效率：指效率：指为了了获得得载波信号而尽量少消耗波信号而尽量少消耗发送功率。送功率。v精度：指接收端提取的精度：指接收端提取的载波与需要的波与需要的载波波标准比准比较，应该有尽量小的相位有尽量小的相位误差。差。v同步建立同步建立时间ts：指从开机或失步到同步：指从开机或失步到同步所需要的所需要的时间。显然然ts越小越好。越小越好。v同步保持同步保持时间tc：指同步建立后，若同步：指同步建立后，若同步信号小信号小时，系，系统还能能维持同步的持同步的时间。现在学习的是第29页，共53页v稳态相位相位误差差当当滤波器中心波器中心频率与率与载波波频率不相等率不相等时就会使提取的就会使提取的同步同步载波信号引起一个波信号引起一个稳态相位相位误差差。锁相相环的剩余相差的剩余相差：锁相相环压控振控振荡角角频率与率与输入入载波角波角频率之率之差差KV：环路直流路直流总增益增益v随机相位随机相位误差差现在学习的是第30页，共53页13.3 13.3 码元同步码元同步在数字通信中，信号的在数字通信中，信号的码元元组成序列向成序列向对方方传送，接收端解送，接收端解码时必必须知道各个知道各个码元的起止元的起止时刻。刻。产生与生与码元的元的频率和率和相位一致的定相位一致的定时脉冲序列的脉冲序列的过程称程称为位位同步。同步。为获得位同步信号，可以在基得位同步信号，可以在基带信号中信号中插入位同步插入位同步导频信号，也可以通信号，也可以通过对基基带信号信号进行行处理来提取。理来提取。现在学习的是第31页，共53页1.1.位同步与位同步与载波同步的区波同步的区别：模：模拟通信没有位同通信没有位同步，数字通信一般都有位同步；位同步信号从步，数字通信一般都有位同步；位同步信号从基基带中提取，特殊情况在中提取，特殊情况在频带信号中提取，而信号中提取，而载波同步一定在波同步一定在频带信号中提取。信号中提取。2.2.对位同步信号的要求：位同步信号的要求：(1)(1)使收端的位同步脉冲使收端的位同步脉冲频率和率和发送端的送端的码元速率相元速率相同。同。(2)(2)使收端最佳判决使收端最佳判决时对接收接收码元作抽元作抽样判决。判决。3.3.位同步方法的分位同步方法的分类：直接法和插入：直接法和插入导频法。直法。直接法中也分接法中也分滤波法和波法和锁相法。相法。现在学习的是第32页，共53页位同步是正确取位同步是正确取样判决的基判决的基础，只有数，只有数字通信才需要，并且不字通信才需要，并且不论基基带传输还是是频带传输都需要位同步；所提取的位同都需要位同步；所提取的位同步信息是步信息是频率等于率等于码速率的定速率的定时脉冲，脉冲，相位相位则根据判决根据判决时信号波形决定，可能信号波形决定，可能在在码元中元中间，也可能在，也可能在码元元终止止时刻或刻或其他其他时刻。刻。现在学习的是第33页，共53页一、插入导频法一、插入导频法(外同步法外同步法)v插入位定插入位定时导频法法这种方法与种方法与载波同步波同步时的插入的插入导频法法类似，也是在似，也是在基基带信号信号频谱的零点的零点处插入所需的位定插入所需的位定时导频信号信号现在学习的是第34页，共53页插入位定时导频系统框图插入位定时导频系统框图(a)发送端；发送端；(b)接收端接收端现在学习的是第35页，共53页接收端在解接收端在解调后后设置了置了窄窄带滤波波器，其作用是取出位定器，其作用是取出位定时导频。移相、倒相和相加移相、倒相和相加电路是路是为了从信号中了从信号中消去插入消去插入导频，使，使进入取入取样判决器的基判决器的基带信号没有插入信号没有插入导频。这样做是做是为了避了避免插入免插入导频对取取样判决的影响。判决的影响。现在学习的是第36页，共53页与与插插入入载波波导频法法相相比比，它它们消消除除插插入入导频影影响响的的方方法法各各不不相相同同，载波波同同步步中中采采用用正正交交插插入入，而而位位同同步步中中采采用用反相相消的反相相消的办法。法。这是是因因为载波波同同步步在在接接收收端端进行行相相干干解解调时，相相干干解解调器器有有很很好好的的抑抑制制正正交交载波波的的能能力力，它它不不需需另另加加电路路就就能能抑抑制制正正交交载波波，因因此此载波波同同步步采采用用正正交交插插入入。而而位位定定时导频是是在在基基带加加入入，它它没没有有相相干干解解调器器，故故不不能能采采用用正正交交插插入入。为了了消消除除导频对基基带信信号号取取样判判决决的影响，的影响，位同步采用了反相相消。位同步采用了反相相消。现在学习的是第37页，共53页包络调制法包络调制法v包包络调制法主要用于制法主要用于2PSK和和2FSK等包等包络恒定的数字恒定的数字调制方式。在制方式。在发送端送端对恒恒定包定包络调制附加幅度制附加幅度调制，其制，其调制制频率率为f fs s，则在接收端采用包在接收端采用包络解解调就可以就可以取出取出f fs s，作作为位同步信号。位同步信号。现在学习的是第38页，共53页v以以2PSK信号信号为例例2PSK信号信号s(t)=cosct+(t)调制信号制信号cos2f fs st已已调信号信号(1+cos2f fs st)cosct+(t)接收端接收端进行包行包络检波，包波，包络检波器的波器的输出出为(1+cos2f fs st)，除去直流分量后，就可，除去直流分量后，就可获得位同步得位同步信号信号 cos2f fs st现在学习的是第39页，共53页二、直接法二、直接法(自同步法自同步法)这一一类方法是方法是发送端不送端不专门发送送导频信信号，而直接从接收的数字信号中提取位号，而直接从接收的数字信号中提取位同步信号。同步信号。这种方法在数字通信中得到种方法在数字通信中得到了最广泛的了最广泛的应用。用。现在学习的是第40页，共53页滤波法滤波法不不归零的随机二零的随机二进制序列，不制序列，不论是是单极性极性还是双极是双极性的，当性的，当P(0)=P(1)=1/2时，都没有，都没有f=1/T，2/T等等线谱，因而不能直接，因而不能直接滤出出f=1/T的位同步信号分量。的位同步信号分量。但若但若对该信号信号进行某种行某种变换，如，如变成成归零的零的单极极性脉冲，其性脉冲，其谱中含有中含有f=1/T的分量，然后用窄的分量，然后用窄带滤波器取出波器取出该分量，再分量，再经移相移相调整后就可形成位定整后就可形成位定时脉冲。脉冲。现在学习的是第41页，共53页滤波法的原理方框图它的特点是先形成含有位同步信息的信号，再用它的特点是先形成含有位同步信息的信号，再用滤波器将其取出。波器将其取出。图中的波形中的波形变换电路可以用微分、全路可以用微分、全波整流来波整流来实现。现在学习的是第42页，共53页波形波形变换器可由比器可由比较器、微分器及整流器器、微分器及整流器构成。考构成。考虑到噪声的影响，波形到噪声的影响，波形变换器各器各单元元输出波形示意出波形示意图如下如下图所示。所示。现在学习的是第43页，共53页包络检波包络检波-滤波法滤波法这是一种从是一种从频带受限的中受限的中频PSK信号中提取信号中提取位同步信息的方法。当接收端位同步信息的方法。当接收端带通通滤波器的波器的带宽小于信号小于信号带宽时，使，使频带受限的受限的2PSK信号信号在相在相邻码元相位反元相位反转点点处形成幅度的形成幅度的“陷落陷落”。经包包络检波后得到波后得到图(b)所示的波形，它可看成所示的波形，它可看成是一直流与是一直流与图(c)所示的波形相减，而所示的波形相减，而图(c)波波形是具有一定脉冲形状的形是具有一定脉冲形状的归零脉冲序列，含零脉冲序列，含有位同步的有位同步的线谱分量，可用窄分量，可用窄带滤波器取出。波器取出。现在学习的是第44页，共53页从从2PSK2PSK信号中提取位同步信息信号中提取位同步信息现在学习的是第45页，共53页2.2.锁相法锁相法位同步位同步锁相法的基本原理与相法的基本原理与载波同步的波同步的类似，在接收端利用似，在接收端利用鉴相器比相器比较接收接收码元和元和本地本地产生的位同步信号的相位，若两者相生的位同步信号的相位，若两者相位不一致（超前或滞后），位不一致（超前或滞后），鉴相器就相器就产生生误差信号去差信号去调整位同步信号的相位，直至整位同步信号的相位，直至获得准确的位同步信号得准确的位同步信号为止。止。现在学习的是第46页，共53页前面介前面介绍的的滤波法中的窄波法中的窄带滤波器可以是波器可以是简单的的单调谐回路或晶体回路或晶体滤波器，也可以波器，也可以是是锁相相环路。路。采用采用锁相相环来提取位同步信号的方法称来提取位同步信号的方法称为锁相法。相法。锁相法的分相法的分类：模：模拟锁相法、数字相法、数字锁相相环模模拟锁相法：用相法：用环路中路中误差信号去差信号去连续地地调整位同步信号的相位；整位同步信号的相位；现在学习的是第47页，共53页数字数字锁相相环：采用高：采用高稳定度的振定度的振荡器（信号器（信号钟），），从从鉴相器所相器所获得的与同步得的与同步误差成比例的差成比例的误差信号差信号不是直接用于不是直接用于调整振整振荡器，而是通器，而是通过一个控制器一个控制器在信号在信号钟输出的脉冲序列中附加或扣除一个或几出的脉冲序列中附加或扣除一个或几个脉冲，个脉冲，这样同同样可以可以调整加到减相器上的位同整加到减相器上的位同步脉冲序列的相位，达到同步的目的。步脉冲序列的相位，达到同步的目的。这种种电路路可以完全用数字可以完全用数字电路构成全数字路构成全数字锁相相环路。路。由于由于这种种环路路对位同步信号相位的位同步信号相位的调整不是整不是连续的，的，而是存在一个最小的而是存在一个最小的调整整单位，也就是位，也就是说对位同步信号相位位同步信号相位进行量化行量化调整，故整，故这种位同步种位同步环又称又称为量化同步器。量化同步器。现在学习的是第48页，共53页数字锁相原理框图数字锁相原理框图现在学习的是第49页，共53页位同步脉冲的相位调整位同步脉冲的相位调整现在学习的是第50页，共53页这种构成量化同步器的全数字种构成量化同步器的全数字环是数字是数字锁相相环的一种典的一种典型型应用。用。用于位同步的全数字用于位同步的全数字锁相相环的原理框的原理框图组成成:信号信号钟、控制器、分、控制器、分频器、相位比器、相位比较器等。器等。信号信号钟:包括一个高包括一个高稳定度的振定度的振荡器（晶体）和整器（晶体）和整形形电路。若接收路。若接收码元的速率元的速率为F=1/T，那么振，那么振荡器器频率率设定在定在nF，经整形整形电路之后，路之后，输出周期性脉冲出周期性脉冲序列，其周期序列，其周期T0=1/(nF)=T/n。现在学习的是第51页，共53页分分频器器:是一个是一个计数器，每当控制器数器，每当控制器输出出n个脉冲个脉冲时，它就，它就输出一个脉冲。出一个脉冲。控制器与分控制器与分频器的共同作用的器的共同作用的结果就果就调整了加至相整了加至相位比位比较器的位同步信号的相位。器的位同步信号的相位。这种相位前、后移种相位前、后移的的调整量取决于信号整量取决于信号钟的周期，每次的的周期，每次的时间阶跃量量为T0，相，相应的相位最小的相位最小调整量整量为=2T0/T=2/n。控制器控制器:扣除扣除门（常开）、附加（常开）、附加门（常（常闭）和）和“或或门”，它根据比相器，它根据比相器输出的控制脉冲（出的控制脉冲（“超前超前脉冲脉冲”或或“滞后脉冲滞后脉冲”）对信号信号钟输出的序列出的序列实施扣除（或添加）脉冲。施扣除（或添加）脉冲。现在学习的是第52页，共53页相位比相位比较器器:将接收脉冲序列与位同步信号将接收脉冲序列与位同步信号进行相位比行相位比较，以判，以判别位同步信号究竟是位同步信号究竟是超前超前还是滞后，若超前就是滞后，若超前就输出超前脉冲，出超前脉冲，若滞后就若滞后就输出滞后脉冲。出滞后脉冲。位同步数字位同步数字环的工作的工作过程程简述如下：述如下：由由高高稳定晶体振定晶体振荡器器产生的信号，生的信号，经整形后整形后得到周期得到周期为T0和相位差和相位差T0/2的两个脉冲序的两个脉冲序列，如列，如图 11-17(a)、(b)所示。脉冲序所示。脉冲序列列(a)通通过常开常开门、或、或门并并经n次分次分频后，后，输出本地位同步信号，如出本地位同步信号，如图 11-17(c)。现在学习的是第53页，共53页