第7章 同步精选文档.ppt

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1、第第7章章 同步同步本讲稿第一页，共三十八页27.1 概述概述通信系统的同步是指在接收端必须具有或达到与发送通信系统的同步是指在接收端必须具有或达到与发送端一致（统一）的参数标准，端一致（统一）的参数标准，例如收、发两端例如收、发两端时钟时钟的一致；收、发两端的一致；收、发两端载波频率和载波频率和相位相位的一致；收、发两端的一致；收、发两端帧和复帧帧和复帧的一致等的一致等 同步按照其功能和作用可以分为载波同步、位同步同步按照其功能和作用可以分为载波同步、位同步(码码元同步元同步)、帧同步、帧同步(群同步群同步)以及网同步等四种以及网同步等四种（从底层（从底层-高层）高层）本讲稿第二页，共三十八

2、页3l载波同步载波同步接收端作相干解调，得接收端作相干解调，得低通滤波器后输出差频，得低通滤波器后输出差频，得本讲稿第三页，共三十八页4l位同步位同步n位同步也叫位同步也叫码元同步码元同步或或比特同步比特同步,在数字通信系统中在数字通信系统中,接收端不论采用什接收端不论采用什么解调方式么解调方式,都要用到码元同步都要用到码元同步n在模拟通信中在模拟通信中不存在不存在码元同步码元同步n数字通信中数字通信中,消息是通过一连串的码元来表示且传递的，这些码元消息是通过一连串的码元来表示且传递的，这些码元一般均具有一般均具有相同的持续时间相同的持续时间n接收端接收这些码元序列时，都必须知道每个码元的接收

3、端接收这些码元序列时，都必须知道每个码元的起止时刻起止时刻，以便判，以便判别。例如在抽样、判别、解码、解密等环节上，都要用到码元同别。例如在抽样、判别、解码、解密等环节上，都要用到码元同步步n接收端应该产生一个接收端应该产生一个码元定时脉冲序列码元定时脉冲序列，这个序列的重复，这个序列的重复频率和相位频率和相位(位置位置)必须与接收到的码元的重复频率和相位一致，以保证在接收端的定时脉冲重必须与接收到的码元的重复频率和相位一致，以保证在接收端的定时脉冲重复频率和发送端的码元速率相同复频率和发送端的码元速率相同n在译码、解密、取样判决等环节上，才能对准最佳位置，正确接收信号在译码、解密、取样判决等

4、环节上，才能对准最佳位置，正确接收信号n这个码元定时脉冲序列称为这个码元定时脉冲序列称为位同步脉冲或码元同步脉冲位同步脉冲或码元同步脉冲本讲稿第四页，共三十八页5l帧帧(群群)同步同步n建立在码元同步基础上的一种同步建立在码元同步基础上的一种同步n所谓所谓“帧帧”是指若干个码元的集合是指若干个码元的集合,也可以是指对每路信号都采样一次也可以是指对每路信号都采样一次后后,各路样值编码后的码元的集合。各路样值编码后的码元的集合。n对数字通信系统来说，有了载波同步和位同步，发端的代码可以在收端解调出对数字通信系统来说，有了载波同步和位同步，发端的代码可以在收端解调出来，但代码是一连串的来，但代码是一

5、连串的“1”“0”码，码，u例如电传机发出的例如电传机发出的5单位码，英文字母单位码，英文字母A,B,C分别为分别为11000，10011，01110；解调以后一定要把每个字母区别开，中间要加特殊的；解调以后一定要把每个字母区别开，中间要加特殊的起止码起止码，以，以便区分各个字母。便区分各个字母。n有时要把若干字组成的有时要把若干字组成的句句加以区分而插入加以区分而插入起止码起止码。在接收端产生一个与。在接收端产生一个与“字字”或或“句句”的起止时刻相一致的定时脉冲序列，称为的起止时刻相一致的定时脉冲序列，称为“字字”同步同步或或“句句”同步，统称为帧同步或群同步。同步，统称为帧同步或群同步。

6、n把在接收端产生一个与发端的帧信号的起止时刻相同的脉冲序列叫帧把在接收端产生一个与发端的帧信号的起止时刻相同的脉冲序列叫帧同步。帧同步是在码元同步的基础上，通常是对位同步脉冲进行计数同步。帧同步是在码元同步的基础上，通常是对位同步脉冲进行计数（分频）来获得的。在（分频）来获得的。在PCM30/32路数字终端设备中通常把路数字终端设备中通常把16帧又组帧又组成一个复帧成一个复帧本讲稿第五页，共三十八页6l网同步网同步n一般有了载波同步、位同步和帧同步就可以保证点与一般有了载波同步、位同步和帧同步就可以保证点与点的数字通信系统的正常工作点的数字通信系统的正常工作n对于通信容量更大的通信网络来说就不

7、够了，还必须对于通信容量更大的通信网络来说就不够了，还必须有要有有要有网同步网同步，使整个数字通信网内有一个，使整个数字通信网内有一个统一的时统一的时间节拍标准间节拍标准，这就是网同步需要讨论的问题，这就是网同步需要讨论的问题本讲稿第六页，共三十八页7l同步实现方式同步实现方式:n外同步外同步:在发送端一定要发送一个专门的同步信息，在发送端一定要发送一个专门的同步信息，接收端根据这个专门的同步信息来提取同步信号而实接收端根据这个专门的同步信息来提取同步信号而实现其同步的一种方法，有时也称为插入同步法，或插现其同步的一种方法，有时也称为插入同步法，或插入导频法入导频法n内同步内同步:发送端不发送

8、专门的同步信息，接收端则是发送端不发送专门的同步信息，接收端则是设法从收到的信号中提取同步信息的一种方法，通常设法从收到的信号中提取同步信息的一种方法，通常也称为直接法也称为直接法本讲稿第七页，共三十八页87.2 载波同步方法载波同步方法7.2.1 插入导频法插入导频法本讲稿第八页，共三十八页97.2 载波同步方法载波同步方法7.2.1 插入导频法插入导频法例：例：2PSK信号信号(信号不带载频信息信号不带载频信息)。u在发送端：插入在发送端：插入正交导频正交导频 m(t)频谱中的最高频率为频谱中的最高频率为fm f0 fmf0+fm0f0f导频导频本讲稿第九页，共三十八页10u在接收端：在接

9、收端：用窄带滤波器滤出导频分量，并将其移相用窄带滤波器滤出导频分量，并将其移相/2，变成变成sin 0t，然后用它和接收信号相乘。，然后用它和接收信号相乘。设接收信号仍用设接收信号仍用s0(t)表示，则此乘积为表示，则此乘积为 滤除滤除2 0频率分量，就可以恢复出原调制信号频率分量，就可以恢复出原调制信号m(t)。u若不用正交导频，接收端输出将增加直流分量。若不用正交导频，接收端输出将增加直流分量。本讲稿第十页，共三十八页11u原理方框图原理方框图相乘电路相乘电路带通滤波带通滤波相加电路相加电路/2相移相移载波产生载波产生(a)发送端原理方框图发送端原理方框图带通滤波带通滤波相乘电路相乘电路低

10、通滤波低通滤波/2相移相移窄带滤波窄带滤波(b)接收端原理方框图接收端原理方框图图图7.2.2 插入导频法原理方框图插入导频法原理方框图本讲稿第十一页，共三十八页127.2.2 直接提取法直接提取法u平方法平方法原理原理对于没有载波分量的信号，例如对于没有载波分量的信号，例如2PSK信号，信号，设接收信号为设接收信号为s(t)：式中，式中，m(t)为调制信号，它无直流分量。为调制信号，它无直流分量。将此接收信号平方后，得到将此接收信号平方后，得到用窄带滤波器将上式中用窄带滤波器将上式中2f0分量滤出，经过二分频，就得出载分量滤出，经过二分频，就得出载频频f0的分量的分量。原理方框图如下：。原理

11、方框图如下：本讲稿第十二页，共三十八页13用用锁相环代替窄带滤波器锁相环代替窄带滤波器的方案的方案原理方框图原理方框图优点：输出信号具有更好的稳定性，并且不必须有连续的输入信优点：输出信号具有更好的稳定性，并且不必须有连续的输入信号。号。平方平方二分频二分频压控振荡压控振荡相乘相乘环路滤波环路滤波2f0S(t)S2(t)f0锁锁 相相 环环两种方法都存在相位模糊（也称相位含糊）问题。从两个方框图可以看出，由窄带滤波器或锁相环路得到的是cos2ct,，经过二分频本讲稿第十三页，共三十八页14u科斯塔斯环法科斯塔斯环法 同相正交环法同相正交环法 原理方框图原理方框图原理原理设：接收信号仍为抑制载波

12、的双边带信号设：接收信号仍为抑制载波的双边带信号s(t)，本地载波电压为，本地载波电压为 式中，式中，为信号和本地载波的相位差为信号和本地载波的相位差,通常很小。通常很小。bes(t)c/2移相移相相乘相乘压控压控振荡振荡环路环路滤波滤波低通低通相乘相乘低通低通相乘相乘adfg解调输出解调输出本讲稿第十四页，共三十八页15输入信号输入信号s(t)和本地载波相乘后得到和本地载波相乘后得到 经过低通滤波后，它们分别为：经过低通滤波后，它们分别为：和和上面这两个电压再相乘后得到上面这两个电压再相乘后得到上式中，上式中，是本地载波相位与接收信号载波相位之差是本地载波相位与接收信号载波相位之差。vg经过

13、环路滤波器后加到压控振荡器上，经过环路滤波器后加到压控振荡器上，控制其振荡频控制其振荡频率率。当当 =0时，时，vg=0，这时振荡器的控制电压也等于，这时振荡器的控制电压也等于0。本讲稿第十五页，共三十八页16结论：结论：此压控振荡器的输出电压此压控振荡器的输出电压va就是从接收信号中提取的载波，就是从接收信号中提取的载波，可以用来进行相干接收。可以用来进行相干接收。e点电压点电压ve就是解调输出电压，因为它近似等于就是解调输出电压，因为它近似等于m(t)/2。优缺点：优缺点：不需要用平方电路，它在频率很高时较难实现。不需要用平方电路，它在频率很高时较难实现。若要求得到最佳性能，则需要两路低通

14、滤波器的性能完全一若要求得到最佳性能，则需要两路低通滤波器的性能完全一致，这对于模拟电路来说较难做到，但是若用数字电路则不致，这对于模拟电路来说较难做到，但是若用数字电路则不难做到。难做到。仍存在相位模糊问题仍存在相位模糊问题。本讲稿第十六页，共三十八页177.3 位同步位同步 码元同步码元同步7.3.1 外同步法外同步法 辅助信息同步法辅助信息同步法 u原理：原理：于发送端信号中插入频率为码元速率（于发送端信号中插入频率为码元速率（1/T）或码元速率的）或码元速率的倍数的位同步信号倍数的位同步信号。在接收端利用一个窄带滤波器，将其分离出来，并形成在接收端利用一个窄带滤波器，将其分离出来，并形

15、成码元定时码元定时脉冲脉冲。u插入位同步信号的方法：插入位同步信号的方法：时域：连续插入、不连续插入（时域：连续插入、不连续插入（“位同步头位同步头”）频域：信号频带外插入、信号频带内频域：信号频带外插入、信号频带内“空隙空隙”处插入。处插入。u优缺点：设备较简单；但占用一定的带宽和发送功率。优缺点：设备较简单；但占用一定的带宽和发送功率。本讲稿第十七页，共三十八页187.3.2 自同步法自同步法 u开环码元同步法开环码元同步法 同步电路直接从输入码流中提取发送同步电路直接从输入码流中提取发送码流的时钟。码流的时钟。下面给出下面给出3个具体方案。个具体方案。本讲稿第十八页，共三十八页19波形变

16、换法波形变换法本讲稿第十九页，共三十八页20延迟相乘法延迟相乘法前一半当输入状态变化时为负；后一半永远为正在码元周期一半的时间可以得到码元速率分量本讲稿第二十页，共三十八页21微分整流法微分整流法u时间误差：若窄带滤波器的带宽等于时间误差：若窄带滤波器的带宽等于1/KT，则，则 当当式中，式中，同步误差时间；同步误差时间；T 码元持续时间；码元持续时间；Eb 码元能量；码元能量；n0 单边噪声功率谱密度。单边噪声功率谱密度。因此，只要接收信噪比大，上述方案能保证足够准确因此，只要接收信噪比大，上述方案能保证足够准确的码元同步。的码元同步。开环法主要缺点：存在非零平均同步跟踪误差。开环法主要缺点

17、：存在非零平均同步跟踪误差。变换后脉冲序列的频谱包含码元速率本讲稿第二十一页，共三十八页22u闭环码元同步法闭环码元同步法 “超前超前/滞后门滞后门”同步器同步器 相乘相乘门波形门波形产生产生超前门超前门滞后门滞后门m(t)相乘相乘压控振荡压控振荡u1u2环路滤波环路滤波|+-|u1|u2|e=|u2|-|u1|Tdd+1-1超前门超前门滞后门滞后门(a)同步状态同步状态(b)超前状态超前状态d+1-1超前门超前门滞后门滞后门T2 积分时间积分时间本讲稿第二十二页，共三十八页237.4 群同步群同步 7.4.1 概述概述u群同步信息的传递群同步信息的传递 1.码组本身自带分组信息码组本身自带分

18、组信息 2.插入群同步码插入群同步码 分散插入分散插入 集中插入集中插入(a)分散插入法分散插入法 群同步序列群同步序列群同步码元群同步码元群同步码元群同步码元群同步码元群同步码元信号码元群信号码元群信号码元群信号码元群群同步码元群同步码元信号码元群信号码元群(a)集中插入法集中插入法群同步码组群同步码组群同步码组群同步码组群同步码组群同步码组群同步码组群同步码组信号码元群信号码元群信号码元群信号码元群信号码元群信号码元群 本讲稿第二十三页，共三十八页24u集中插入集中插入：适用于要求快速建立同步的地方，或间断传输信：适用于要求快速建立同步的地方，或间断传输信息并且每次传输时间很短的场合息并且

19、每次传输时间很短的场合 u分散插入分散插入：需要较长的同步建立时间。故适用于连续传输信：需要较长的同步建立时间。故适用于连续传输信号之处，例如数字电话系统中号之处，例如数字电话系统中 u同步电路的两种状态：捕捉态和保持态。同步电路的两种状态：捕捉态和保持态。u起止式同步法：起止式同步法：主要适用于低速的手工操作的电传打字机中。主要适用于低速的手工操作的电传打字机中。起止式同步通信有时也称为异步式通信，因为其码元起止式同步通信有时也称为异步式通信，因为其码元间隔不等。间隔不等。起起止止止止12345本讲稿第二十四页，共三十八页25 7.4.2 集中插入法集中插入法u原理原理设有一个码组，它包含设

20、有一个码组，它包含N个码元个码元x1,x2,xN，则，则其局部自相关函数（下面简称自相关函数）等于：其局部自相关函数（下面简称自相关函数）等于：式中，式中，N 码组中的码元数目；码组中的码元数目；xi 码元的取值，可以取码元的取值，可以取+1或或-1。当当j=0时，时，上式在运算中，已假定当上式在运算中，已假定当1 i 和和i N时，时，xi=0。若一个码组仅在若一个码组仅在R(0)处出现峰值，其他处的处出现峰值，其他处的R(j)均很均很小，则可以用求自相关函数的方法对于接收码元序列小，则可以用求自相关函数的方法对于接收码元序列运算，寻找峰值，从而确定此码组的位置运算，寻找峰值，从而确定此码组

21、的位置。本讲稿第二十五页，共三十八页26u巴克码巴克码定义：定义：巴克码尚未找到一般构造方法巴克码尚未找到一般构造方法 N巴克码12或34或571113本讲稿第二十六页，共三十八页27本讲稿第二十七页，共三十八页28自相关函数值：以自相关函数值：以N=5的巴克码为例：的巴克码为例：11101 R(0)=5xixixi2xi+1xixi+1xiR(1)=0 xi+2xixixi+2R(2)=1xi+3xixixi+3R(3)=0 xi+4xixixi+4R(4)=1 0 -153214123-4-1-3-2jR(j)本讲稿第二十八页，共三十八页29u集中插入法集中插入法 的实现的实现一旦发现自相

22、关值等于同步码组的长度一旦发现自相关值等于同步码组的长度N时，就认为捕捉到了同时，就认为捕捉到了同步，并将系统从捕捉态转换为保持态。步，并将系统从捕捉态转换为保持态。继续考察同步位置上的接收码组是否仍然具有等于继续考察同步位置上的接收码组是否仍然具有等于N的自相关值。的自相关值。当系统失去同步时，自相关值立即下降。当系统失去同步时，自相关值立即下降。因为噪声也可能引起自相关值下降。所以为了保护同步状态不易因为噪声也可能引起自相关值下降。所以为了保护同步状态不易被噪声等干扰打断，在保持状态时要降低对自相关值的要求。被噪声等干扰打断，在保持状态时要降低对自相关值的要求。判定系统失步后，系统转入捕捉

23、态，从新捕捉同步码组。判定系统失步后，系统转入捕捉态，从新捕捉同步码组。本讲稿第二十九页，共三十八页307.4.3 分散插入法分散插入法 间隔式插入法间隔式插入法u例：在数字电话系统中常采用的例：在数字电话系统中常采用的“1/0”交替码交替码 群同步序列群同步序列.1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 群同步码元群同步码元群同步码元群同步码元群同步码元群同步码元信号码元群信号码元群信号码元群信号码元群群同步码元群同步码元信号码元群信号码元群PPP本讲稿第三十页，共三十八页31存储检测法存储检测法 01 02 03 04 05 06 07 08x x x x x x x 009 10 11 1

24、2 13 14 15 16x x x x x x x 117 18 19 20 21 22 23 24x x x x x x x 025 26 27 28 29 30 31 32x x x x x x x 133 34 35 36 37 38 39 40 x x x x x x x 0新码元进入新码元进入老码元输出老码元输出检验是否检验是否“1/0”交替交替本讲稿第三十一页，共三十八页327.5 网同步网同步 7.5.1 概述概述u目的：解决网中各站的载波同步、位同步和群同步等问题目的：解决网中各站的载波同步、位同步和群同步等问题u单向通信：由接收机解决网同步问题。单向通信：由接收机解决网同步

25、问题。u多用户系统：由整个地面终端站（发射机和接收机）解决多用户系统：由整个地面终端站（发射机和接收机）解决同步问题。同步问题。u终端站发射机同步方法：有开环和闭环两种。终端站发射机同步方法：有开环和闭环两种。开环法：不需依靠对中心站上接收信号参量的测度，开环法：不需依靠对中心站上接收信号参量的测度，它依靠的是准确的它依靠的是准确的可以预测的链路参量可以预测的链路参量。优点：捕捉快、不需要反向链路也能工作和实时算量小。优点：捕捉快、不需要反向链路也能工作和实时算量小。缺点：需要外部有关部门提供所需的链路参量数据，并且缺乏缺点：需要外部有关部门提供所需的链路参量数据，并且缺乏灵活性。灵活性。本讲

26、稿第三十二页，共三十八页33闭环法：不需要预先得知链路参量的数据闭环法：不需要预先得知链路参量的数据，卫星上中心站需要卫星上中心站需要度量来自终端站的信号的同步准确度，并将度量结果通过反向度量来自终端站的信号的同步准确度，并将度量结果通过反向信道送给终端站，使其作出调整信道送给终端站，使其作出调整。优点：不需要外部供给有关链路参量的数据，能及时适应路优点：不需要外部供给有关链路参量的数据，能及时适应路径和链路情况的变化径和链路情况的变化。缺点：终端站需要有较高的实时处理能力，并且每个终端站缺点：终端站需要有较高的实时处理能力，并且每个终端站和卫星上中心站之间要有双向链路。此外，捕捉同步也需要和

27、卫星上中心站之间要有双向链路。此外，捕捉同步也需要较长的时间。较长的时间。本讲稿第三十三页，共三十八页347.5.1 开环法开环法u两类开环法：两类开环法：1.不利用反向链路提供的信息，不利用反向链路提供的信息，2.利用反向链路提供的信息。利用反向链路提供的信息。u例：例：1.卫星通信系统卫星通信系统 不利用反向链路提供的信息时不利用反向链路提供的信息时预先校正时间预先校正时间：终端站发射机需要计算信号到达中心站的时间：终端站发射机需要计算信号到达中心站的时间：式中，式中，Tt 实际发送开始时间；实际发送开始时间；d 传输距离；传输距离；c 光速。光速。预先校正发送频率预先校正发送频率：考虑多

28、谱勒频移后，发送频率应该等于：考虑多谱勒频移后，发送频率应该等于 式中，式中，V 相对速度（距离缩短时为正）；相对速度（距离缩短时为正）；f0 标称发送频率。标称发送频率。本讲稿第三十四页，共三十八页35时间预测的误差时间预测的误差 式中，式中，re 距离估值的误差；距离估值的误差；t 发射机处和接收机处参考时间之差。发射机处和接收机处参考时间之差。频率预测误差频率预测误差式中，式中，Ve 发射机和接收机间相对速度的测量值误差发射机和接收机间相对速度的测量值误差 或预测值的误差；或预测值的误差；f 发射机和接收机参考频率间的误差。发射机和接收机参考频率间的误差。参考频率最大容许误差参考频率最大

29、容许误差(Hz/Hz/day)本讲稿第三十五页，共三十八页36频率偏移随时间线性增大值频率偏移随时间线性增大值 式中，式中，f(T)在时间在时间T 内增大的频率偏移；内增大的频率偏移；f(0)初始（初始（t=0时）频率偏移；时）频率偏移；T 时间（天）。时间（天）。积累的时间偏差积累的时间偏差 t(T)由上式可以看出，参考时间误差随时间按平方律增长。由上式可以看出，参考时间误差随时间按平方律增长。通常必须定期地更新终端站的接收机定时数据，或重新将接收机通常必须定期地更新终端站的接收机定时数据，或重新将接收机和发射机的参考时间设置到标称时间和发射机的参考时间设置到标称时间。本讲稿第三十六页，共三

30、十八页372.卫星通信系统卫星通信系统 利用反向链路提供的信息时利用反向链路提供的信息时对下行链路信号测量得到的对下行链路信号测量得到的 t 和和 f 的误差，可以用于计算对上的误差，可以用于计算对上行传输的校正。行传输的校正。若终点站有来自中心站的反向（下行）链路，并能够将本地参若终点站有来自中心站的反向（下行）链路，并能够将本地参考和输入信号参量作比较，则两次校准的时间间隔可以更长些。考和输入信号参量作比较，则两次校准的时间间隔可以更长些。终端站能够利用对反向链路信号测量进行同步的方法有时称为终端站能够利用对反向链路信号测量进行同步的方法有时称为准闭环发射机同步法。准闭环发射机同步法。若已

31、知参考时间和参考频率是准确的，但是链路的路径有变动，若已知参考时间和参考频率是准确的，但是链路的路径有变动，则对下行链路的同样测量也可以用于解决距离或速度不确定的则对下行链路的同样测量也可以用于解决距离或速度不确定的问题，从而预先校正上行信号的定时和频率。问题，从而预先校正上行信号的定时和频率。本讲稿第三十七页，共三十八页387.5.2 闭环法闭环法u闭环法闭环法需要终端站发送特殊的同步信号需要终端站发送特殊的同步信号，用以，用以在中心站决定在中心站决定信号的时间和频率误差信号的时间和频率误差。所得结果并在反向（下行）链路上。所得结果并在反向（下行）链路上反馈给终端站发射机。反馈给终端站发射机

32、。u若中心站具有足够的处理能力，则中心站可以进行实际的误若中心站具有足够的处理能力，则中心站可以进行实际的误差测量；并将误差送回给终端站发射机。差测量；并将误差送回给终端站发射机。优点：优点：1.在反向链路上传送的误差测量结果很短。在反向链路上传送的误差测量结果很短。2.在中心站上的误差测量手段能够被所有终端共在中心站上的误差测量手段能够被所有终端共 享。这大量节省了系统的处理能力。享。这大量节省了系统的处理能力。u若中心站没有处理能力，则此特殊同步信号可以直接由反向若中心站没有处理能力，则此特殊同步信号可以直接由反向链路送回终端站发射机；由发射机处理。链路送回终端站发射机；由发射机处理。优点：优点：1.中心站不需要易于接入。中心站不需要易于接入。2.中心站可以设计得较简单。中心站可以设计得较简单。3.响应更快，因为没有中心站处理带来的迟延。响应更快，因为没有中心站处理带来的迟延。本讲稿第三十八页，共三十八页