通信原理 第11章 同步原理.ppt

第第11章章 同步原理同步原理李志华同步可分为：同步可分为：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点对点通信11.1 载波同步载波同步 在采用相干解调的系统中，接收端在采用相干解调的系统中，接收端必须提供一个与发送端载波同频同相的必须提供一个与发送端载波同频同相的相干载波，在接收端获取这个同频同相相干载波，在接收端获取这个同频同相的相干载波，就称为的相干载波，就称为载波提取或载波同载波提取或载波同步步。相干载波的提取方法：相干载波的提取方法：1)直接提取：若接收到的已调波中含有载直接提取：若接收到的已调波中含有载波分量，则可直接提取波分量，则可直接提取2)若接收到的已调波中不含有载波分量，若接收到的已调波中不含有载波分量，就需要通过插入导频法来获取相干载波就需要通过插入导频法来获取相干载波11.1.1 插入导频法（外同步法）插入导频法（外同步法）对于抑制载波调制系统，如对于抑制载波调制系统，如DSB,VSB,SSB,PSK，其已调信号中不含其已调信号中不含有载波分量，无法从接收信号中提取有载波分量，无法从接收信号中提取载波，可以采用插入导频的方法，在载波，可以采用插入导频的方法，在已调信号的频谱为零的位置插入一个已调信号的频谱为零的位置插入一个低功率的线谱（其对应的正弦波形即低功率的线谱（其对应的正弦波形即为导频信号），在接收端用窄带滤波为导频信号），在接收端用窄带滤波器提取。器提取。以以DSB信号为例。发端方框图如下：信号为例。发端方框图如下：*f(t)无直流成分。插入的导频不是原载波，无直流成分。插入的导频不是原载波，而是将其移相而是将其移相900的正交载波。的正交载波。BPF接收机框图如下：接收机框图如下：BPFf0窄带滤波器窄带滤波器LPF11.1.2 非线性变换滤波法（自同步法）非线性变换滤波法（自同步法）有些信号本身不含载波信息，但有些信号本身不含载波信息，但对信号进行适当的非线性变换，然后对信号进行适当的非线性变换，然后通过窄带滤波，便可从中提取载波的通过窄带滤波，便可从中提取载波的频率和相位信息，从而恢复相干载波。频率和相位信息，从而恢复相干载波。以以DSB信号为例。信号为例。f(t)无直流，上式中无载波分量，无直流，上式中无载波分量，但如果对上式进行平方变换，得但如果对上式进行平方变换，得 尽管尽管f(t)无直流，但无直流，但f2(t)含有直流分量，含有直流分量，因此上式中含有因此上式中含有2W0成分，如果采用很窄成分，如果采用很窄的带通滤波器滤波，则可得的带通滤波器滤波，则可得2W0的的信号。信号。然后再经二分频，便可得所需的载波然后再经二分频，便可得所需的载波 根据上述分析得到根据上述分析得到平方变换法平方变换法提取载波提取载波的方框图如下：的方框图如下：若其中窄带滤波器改用锁相环若其中窄带滤波器改用锁相环PLL代替，代替，则得到另一种方法则得到另一种方法平方环法平方环法。因为。因为PLL不仅具有窄带滤波作用，而且可在不仅具有窄带滤波作用，而且可在一定范围自动跟踪和锁定频率的功能，一定范围自动跟踪和锁定频率的功能，从而使系统性能得到改善，框图如下。从而使系统性能得到改善，框图如下。()2窄带滤波器窄带滤波器2分频分频平方环法平方环法框图如下：框图如下：()2LPFVCOPLL211.1.3 同相正交法（科斯塔斯环）自同相正交法（科斯塔斯环）自同步法同步法 同相正交环框图如下：同相正交环框图如下：LPFVCOLPFLPF载波输出U2U1U3U4U5U6U7同相支路正交支路经过低通滤波器后得经过低通滤波器后得U5和和U6相乘得相乘得若若 很小，则有很小，则有 用用U7去调整去调整VCO的相位，的相位，使相位使相位 差差 趋于趋于0，在稳定状态下，在稳定状态下 。VCO输出即为提取的载波，而稳态时，输出即为提取的载波，而稳态时，同相支路输出同相支路输出U5就是解调出的原信号。就是解调出的原信号。11.1.4 载波同步系统的性能载波同步系统的性能 对载波同步系统的主要性能要求对载波同步系统的主要性能要求是是高效率高效率和和高精度高精度。高效率：高效率：指在获得载波信号时，尽量指在获得载波信号时，尽量少消耗发送功率。少消耗发送功率。高精度：高精度：指提取的相干载波与需要的指提取的相干载波与需要的标准载波比较应该有尽量小的标准载波比较应该有尽量小的相位误相位误差差。相位误差相位误差通常由通常由稳态相差稳态相差和和随机随机相差相差组成。组成。载波同步系统还要求具有载波同步系统还要求具有同步建立同步建立时间时间快，快，保持时间保持时间长等特点。长等特点。1稳态相差稳态相差 稳态相差指接收信号中的载波与同步电稳态相差指接收信号中的载波与同步电路提取出的参考载波，在稳态情况下的路提取出的参考载波，在稳态情况下的相位差。相位差。对于不同的同步提取方法，稳态相差的对于不同的同步提取方法，稳态相差的计算方法也不同。计算方法也不同。a)窄带滤波器窄带滤波器 假设窄带滤波器为单调谐回路，其假设窄带滤波器为单调谐回路，其品质因数为品质因数为Q。若滤波器的中心频率若滤波器的中心频率W0与载波频率与载波频率Wc不相等时，会使提取的不相等时，会使提取的同步载波信号产生一个稳态相差同步载波信号产生一个稳态相差 ：希望希望 小，则小，则Q小；但当小；但当Q小时，滤波小时，滤波器的带宽器的带宽B（）增加，不能保增加，不能保证窄带，相矛盾。此种方法不理想。证窄带，相矛盾。此种方法不理想。b)PLL 当用锁相环提取载波时，其稳态当用锁相环提取载波时，其稳态相差为：相差为：其中其中 为锁相环为锁相环VCO的输出频率与的输出频率与输入载波之间的频差，输入载波之间的频差，为环路直流为环路直流增益。增益。为了减小为了减小 ，应使，应使VCO的频率准的频率准确稳定，减小确稳定，减小 ，增大，增大 。只要。只要 足够大就可以保证足够大就可以保证 足够小。足够小。2随机相差随机相差 随机相差是由于随机噪声的影响而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。此种误差引起的同步信号的相位误差。此种误差分析较复杂，只给出一些结论。分析较复杂，只给出一些结论。通常用随机相差的均方根值通常用随机相差的均方根值 来来衡量，衡量，称为相位抖动。称为相位抖动。r为信噪比。显然，信噪比为信噪比。显然，信噪比r越大越好。越大越好。a)窄带滤波器窄带滤波器 功率谱密度为功率谱密度为n0/2的白噪声通过窄的白噪声通过窄带滤波器，其等效带宽为带滤波器，其等效带宽为Bn，则噪声功则噪声功率为：率为：若滤波器为单调谐回路，则若滤波器为单调谐回路，则 那么那么 滤波器的滤波器的Q值越高，相位抖动值越小。值越高，相位抖动值越小。但是在分析稳态相差时，要求但是在分析稳态相差时，要求Q要要小，小，而对于相位抖动要求而对于相位抖动要求Q要高，它们相矛盾。要高，它们相矛盾。Q值要适当选择。值要适当选择。b)PLL 当锁相环的直流增益当锁相环的直流增益Kv 增大时，环路增大时，环路带宽带宽Bn也增大，引起也增大，引起 的增加，与稳的增加，与稳态相差态相差 对对Kv的的要求矛盾。但锁相环要求矛盾。但锁相环可以合理地选择其他参数，使矛盾不象可以合理地选择其他参数，使矛盾不象窄带滤波器那样突出。窄带滤波器那样突出。3建立时间和保持时间建立时间和保持时间a)窄带滤波器窄带滤波器 建立时间建立时间ts 当采用单调谐回路滤波时，在当采用单调谐回路滤波时，在t=0时将时将信号接入回路，则表示输出电压建立过信号接入回路，则表示输出电压建立过程的表达式为程的表达式为 当当t=ts时，输出电压时，输出电压u(ts)达到达到KU时，认时，认为同步信号已经建立。将为同步信号已经建立。将u(ts)KU代代入上式，得入上式，得 保持时间保持时间tc 若在若在t=0时，将接入回路的信号断开，则时，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达表示回路输出信号保持过程的电压表达式为式为 设设t=tc时输出电压达到时输出电压达到KU时，认为此时时，认为此时同步信号已消失，将同步信号已消失，将u(tc)KU代入上式代入上式得得建立时间建立时间保持时间保持时间 建立时间建立时间短短和保持时间和保持时间长长也是矛盾的。也是矛盾的。Q值高，保持时间虽然长，但建立时间也值高，保持时间虽然长，但建立时间也长；反之，若长；反之，若Q值低，建立时间虽然短，值低，建立时间虽然短，但保持时间也短了。但保持时间也短了。b)PLL 对于对于PLL提取载波法，建立时间即提取载波法，建立时间即为环路捕捉时间，而保持时间，即为环为环路捕捉时间，而保持时间，即为环路的同步保持时间。分析表明，两者同路的同步保持时间。分析表明，两者同样存在矛盾。但样存在矛盾。但PLL优越之处在于，可优越之处在于，可通过改变锁定前后的环路时间常数，从通过改变锁定前后的环路时间常数，从而减少捕捉时间而加长保持时间。而减少捕捉时间而加长保持时间。11.2 位同步位同步 在数字通信系统中，发端按照确定在数字通信系统中，发端按照确定的时间间隔和顺序，传送脉冲序列中的的时间间隔和顺序，传送脉冲序列中的每个码元，在接收端也必须有准确的抽每个码元，在接收端也必须有准确的抽样判决时刻才能正确判决所发送的码元样判决时刻才能正确判决所发送的码元序列。因此，接收端必须提供一个频率序列。因此，接收端必须提供一个频率和相位与发送端脉冲序列相一致的定时和相位与发送端脉冲序列相一致的定时脉冲序列，将获取定时脉冲序列的过程脉冲序列，将获取定时脉冲序列的过程称为称为位同步位同步或或码元同步码元同步。位同步方法位同步方法插入导频法（外同步法）插入导频法（外同步法）直接法（自同步法）直接法（自同步法）11.2.1 插入导频法插入导频法 若基带信号位随机的二进制不归若基带信号位随机的二进制不归零码序列，这种信号本身不包含位同零码序列，这种信号本身不包含位同步信号，为了获得位同步信号，需在步信号，为了获得位同步信号，需在基带信号中插入位同步的导频信号，基带信号中插入位同步的导频信号，或对基带信号进行某种码型变换以得或对基带信号进行某种码型变换以得到位同步信息。到位同步信息。导频要插入在基带信号频谱的零点导频要插入在基带信号频谱的零点处，以便提取。处，以便提取。一般基带信号的第一零点在一般基带信号的第一零点在f=1/T处。处。如果信号经过某种相关编码，其频谱的如果信号经过某种相关编码，其频谱的第一零点在第一零点在f=1/2T处。处。在接收端，经中心频率在接收端，经中心频率f=1/T的滤波的滤波器就可以从基带信号中提取位同步信号。器就可以从基带信号中提取位同步信号。对于插入在对于插入在f=1/2T处的处的导频，则要由导频，则要由f=1/2T的的窄带滤波器取出导频，并进行窄带滤波器取出导频，并进行二倍频，可得到同步脉冲。二倍频，可得到同步脉冲。*注意消除或减弱定时导频对原基带信号注意消除或减弱定时导频对原基带信号的影响。的影响。下图位插入定时导频接收方框图：下图位插入定时导频接收方框图：相加器抽样判决窄带滤波器移相倒相定时形成输入基带信号输入基带信号 插入导频法的另一种形式是使数字插入导频法的另一种形式是使数字信号的包络根据位同步信号的某些波形信号的包络根据位同步信号的某些波形进行变化。在接收端利用包络检波器就进行变化。在接收端利用包络检波器就可恢复导频信号。可恢复导频信号。以以PSK为例：为例：用位同步信号对其调幅用位同步信号对其调幅其中其中 T为码元宽度为码元宽度 已调信号为已调信号为 接收端对它进行包络检波，可得包络为接收端对它进行包络检波，可得包络为 ，滤除直流成分即可得到位同，滤除直流成分即可得到位同步信号步信号 。11.2.2 直接法直接法 这一类方法是直接从数字信号中这一类方法是直接从数字信号中提取位同步信号的方法，是数字通信提取位同步信号的方法，是数字通信中经常采用的一种方法。中经常采用的一种方法。1非线性变换滤波法非线性变换滤波法 对于不归零的随机二进制序列，对于不归零的随机二进制序列，不能直接从中滤出位同步信号，但对不能直接从中滤出位同步信号，但对该信号进行某种变换，就会出现离散该信号进行某种变换，就会出现离散的位同步分量，然后用窄带滤波器或的位同步分量，然后用窄带滤波器或锁相环提取，便可得到位同步信号。锁相环提取，便可得到位同步信号。a)微分整流法微分整流法 b)包络检波法包络检波法 对对PSK信号，包络为不变等幅波，信号，包络为不变等幅波，但因频带有限，在调相点出现幅度但因频带有限，在调相点出现幅度“平平滑陷落滑陷落”，而这种变化正出现在码元取，而这种变化正出现在码元取值变化的时刻，因此必然包含位同步信值变化的时刻，因此必然包含位同步信息，经包检、去直流、滤波、整形等步息，经包检、去直流、滤波、整形等步骤，便可得位同步信号。骤，便可得位同步信号。c)延迟相干法延迟相干法 2数字锁相法数字锁相法 此种方法是采用稳定频率的振荡器，此种方法是采用稳定频率的振荡器，从鉴相器所获得的与同步误差成比例的从鉴相器所获得的与同步误差成比例的误差电压，不用于直接调整振荡器，而误差电压，不用于直接调整振荡器，而是通过控制器在信号钟输出的脉冲序列是通过控制器在信号钟输出的脉冲序列中附加或扣除一个或几个脉冲，调整加中附加或扣除一个或几个脉冲，调整加到鉴相器上的位同步脉冲序列的相位达到鉴相器上的位同步脉冲序列的相位达到同步的目的。到同步的目的。3位同步系统的性能位同步系统的性能(不要求不要求)11.3 帧同步帧同步 数字通信中，一般总以一定数目的数字通信中，一般总以一定数目的码元组成一个个字进行传输，称之为一码元组成一个个字进行传输，称之为一帧。帧同步信号的频率可很容易由位同帧。帧同步信号的频率可很容易由位同步信号经分频得到，但每帧的开头和结步信号经分频得到，但每帧的开头和结尾却无法由分频器决定。帧同步的任务尾却无法由分频器决定。帧同步的任务就是给出这个就是给出这个“开头开头”和和“结尾结尾”的时的时刻。刻。实现方法有两种：实现方法有两种：1)插入法插入法：在数字信息流中插入一些特殊：在数字信息流中插入一些特殊码组作为头尾标记，接收端根据这些特码组作为头尾标记，接收端根据这些特殊码组的位置实现帧同步。插入法又分殊码组的位置实现帧同步。插入法又分为集中插入式和分散插入式。为集中插入式和分散插入式。2)直接法直接法：采用某种特殊的编码方式达到：采用某种特殊的编码方式达到自同步目的。自同步目的。11.3.1 起止式同步法起止式同步法 电传机传输的信息码字由电传机传输的信息码字由7.5个码元组成，个码元组成，一个码元的负脉冲，五个码元的信息，最后一个码元的负脉冲，五个码元的信息，最后是是1.5个码元的正脉冲作为结束位。接收端个码元的正脉冲作为结束位。接收端根据根据1.5码元正电平转到一个负电平的特殊码元正电平转到一个负电平的特殊规律确定字的起始位置，实现帧同步。这种规律确定字的起始位置，实现帧同步。这种方式传输不便，效率低。方式传输不便，效率低。11.3.2 集中插入法集中插入法 这种方法就是在每帧的开头集中这种方法就是在每帧的开头集中插入帧同步码组的方法。作为帧同步插入帧同步码组的方法。作为帧同步码组的特殊码组应具有尖锐单峰特性码组的特殊码组应具有尖锐单峰特性的局部自相关函数。局部自相关函数的局部自相关函数。局部自相关函数按下式计算：按下式计算：常用的帧同步码组是巴克码。常用的帧同步码组是巴克码。巴克码具有很理想的局部自相关函数：巴克码具有很理想的局部自相关函数：7位的巴克码组为位的巴克码组为 自相关函数在自相关函数在j0时具有尖锐的单峰特性。时具有尖锐的单峰特性。用巴克码作帧同步码组时，接收端用巴克码作帧同步码组时，接收端识别器也很简单。识别过程就是将接收识别器也很简单。识别过程就是将接收码组与已知的巴克码求相关运算，当最码组与已知的巴克码求相关运算，当最大峰值出现并超过一定门限时，识别器大峰值出现并超过一定门限时，识别器输出一帧同步脉冲表示一帧的开头。输出一帧同步脉冲表示一帧的开头。移位寄存器移位寄存器相加器相加器判决器判决器输入11.3.3 分散插入法分散插入法 此种方法是将帧同步码分散地插此种方法是将帧同步码分散地插入到信息码元中，即每隔一定数量的入到信息码元中，即每隔一定数量的信息码插入一个帧同步码元。为了便信息码插入一个帧同步码元。为了便于提取，码组不宜复杂，且具有特定于提取，码组不宜复杂，且具有特定的规律性，并与信息码能区别开，比的规律性，并与信息码能区别开，比如采用全如采用全“1”、全、全“0”等码型。特等码型。特点：不占用信息时隙，系统结构较简点：不占用信息时隙，系统结构较简单，但同步引入时间长。单，但同步引入时间长。11.3.4 帧同步系统的性能帧同步系统的性能 一般要求：同步建立时间短，稳一般要求：同步建立时间短，稳定可靠，具有较强抗干扰能力等。定可靠，具有较强抗干扰能力等。衡量帧同步系统的主要指标有漏衡量帧同步系统的主要指标有漏同步概率、假同步概率和帧同步平均同步概率、假同步概率和帧同步平均建立时间。建立时间。11.4 网同步网同步 当通信是点对点进行时，完成了载当通信是点对点进行时，完成了载波同步、位同步和帧同步后，就能进行波同步、位同步和帧同步后，就能进行可靠通信了。但现代通信系统往往在多可靠通信了。但现代通信系统往往在多点之间实现互连，从而构成通信网。为点之间实现互连，从而构成通信网。为了保证在通信网中各点之间可靠通信，了保证在通信网中各点之间可靠通信，则必须在网内建立一个统一的时间标准，则必须在网内建立一个统一的时间标准，即实现网同步。即实现网同步。实现网同步的方法主要有两大类：实现网同步的方法主要有两大类：11.4.1 全网同步系统全网同步系统 网中各站时钟彼此同步，频率和相位网中各站时钟彼此同步，频率和相位 都保持一致。都保持一致。1)主从同步法：通信网中主站将高稳定度主从同步法：通信网中主站将高稳定度的主时钟传送到网内的各个站去。缺点的主时钟传送到网内的各个站去。缺点是可靠性差。是可靠性差。2)相互同步法：网中各站有自己的时钟，相互同步法：网中各站有自己的时钟，频率锁定在各站固有频率的平均值上，频率锁定在各站固有频率的平均值上，这个平均值称为网频频率，从而实现网这个平均值称为网频频率，从而实现网同步。同步。11.4.2 准同步系统准同步系统 也称独立时钟法，即各站均采用高稳定性的也称独立时钟法，即各站均采用高稳定性的 时钟，相互独立，允许其速率偏差在一定的时钟，相互独立，允许其速率偏差在一定的 范围内，各站设法对输入信号进行处理，使范围内，各站设法对输入信号进行处理，使 其速率与本站的速率相同。其速率与本站的速率相同。1)码速调整法：各站对输入的码流首先进行码码速调整法：各站对输入的码流首先进行码速调整，使之变成与本站同步的码流。速调整，使之变成与本站同步的码流。2)水库法：各站均设置高稳定度的时钟源和大水库法：各站均设置高稳定度的时钟源和大容量的缓冲存储器，先将传来的信息码存入容量的缓冲存储器，先将传来的信息码存入缓冲存储器，然后逐位取出，这样输出的码缓冲存储器，然后逐位取出，这样输出的码流就与本站同步。流就与本站同步。本章小结点对点通信的同步载波同步帧帧同步的集中插入式，巴克码