第7章同步原理.ppt

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1、第第7 7章章 同步原理同步原理7.1 7.1 概概 述述7.2 7.2 载波同步载波同步7.3 7.3 位同步位同步7.4 7.4 群同步群同步在通信系统中，发同步器、收同步器分别为发射机、接收机提在通信系统中，发同步器、收同步器分别为发射机、接收机提供各种同步信号，使收、发设备能步调一致地进行工作，从而确保供各种同步信号，使收、发设备能步调一致地进行工作，从而确保了信息的正确传输。可见，同步（了信息的正确传输。可见，同步（SynchronousSynchronous）是通信系统（尤其）是通信系统（尤其是数字通信系统）中的关键技术，也是通信系统必不可少的重要组是数字通信系统）中的关键技术，也

2、是通信系统必不可少的重要组成部分之一。成部分之一。所谓同步，是指在通信系统中接收端必须具有或达到与发送端所谓同步，是指在通信系统中接收端必须具有或达到与发送端一致的参数标准。例如，收、发两端时钟的一致；收、发两端载波一致的参数标准。例如，收、发两端时钟的一致；收、发两端载波频率和相位的一致；收、发两端帧和复帧的一致等。频率和相位的一致；收、发两端帧和复帧的一致等。通信系统中同步的种类很多，按照其功能和作用可以分为载波同步、通信系统中同步的种类很多，按照其功能和作用可以分为载波同步、位同步、群同步和网同步四种。位同步、群同步和网同步四种。7.1 7.1 概概 述述下一页 返回1 1载波同步载波同

3、步 在前面的模拟调制和数字调制学习过程中，我们了解到要想实在前面的模拟调制和数字调制学习过程中，我们了解到要想实现相干解调，必须有相干载波。可见，载波同步是实现相干解调的现相干解调，必须有相干载波。可见，载波同步是实现相干解调的先决条件。因而，无论是在模拟通信还是在数字通信中，只要采用先决条件。因而，无论是在模拟通信还是在数字通信中，只要采用了相干解调，在接收端都需要提供一个与发送端完全同频同相的载了相干解调，在接收端都需要提供一个与发送端完全同频同相的载波信号，其获取方法就称为载波提取或载波同步。波信号，其获取方法就称为载波提取或载波同步。2 2位同步位同步 位同步又称码元同步或比特同步。在

4、数字通信系统中，接收端位同步又称码元同步或比特同步。在数字通信系统中，接收端无论采用什么解调方式，都要用到位同步，而在模拟通信中不存在无论采用什么解调方式，都要用到位同步，而在模拟通信中不存在位同步。数字通信中，任何消息都是通过一连串码元序列表示且传位同步。数字通信中，任何消息都是通过一连串码元序列表示且传送的，这些码元一般均具有相同的持续时间。送的，这些码元一般均具有相同的持续时间。7.1 7.1 概概 述述下一页 返回上一页接收端接收这些码元序列时，必须知道每个码元的起止时刻，接收端接收这些码元序列时，必须知道每个码元的起止时刻，以便在恰当的时刻进行抽样判决。例如在抽样、判别、解码、解密以

5、便在恰当的时刻进行抽样判决。例如在抽样、判别、解码、解密等环节上，都要用到码元同步。这就要求接收端必须提供一个码元等环节上，都要用到码元同步。这就要求接收端必须提供一个码元定时脉冲序列，该序列的重复频率和相位必须与接收到的码元重复定时脉冲序列，该序列的重复频率和相位必须与接收到的码元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与发送端的频率和相位一致，以保证在接收端的定时脉冲重复频率与发送端的码元速率相同，相位与最佳抽样判决时刻一致。我们把提取这种码码元速率相同，相位与最佳抽样判决时刻一致。我们把提取这种码元定时脉冲序列的过程称为位同步。元定时脉冲序列的过程称为位同步。3 3群同步群同

6、步数字通信的信息流是若干码元构成一个数字通信的信息流是若干码元构成一个“字字”，若干个，若干个“字字”组成一组成一“句句”，称为帧结构。接收时，须识别这些，称为帧结构。接收时，须识别这些“字字”、“句句”的起止时刻，的起止时刻，7.1 7.1 概概 述述下一页 返回上一页此识别方法称为此识别方法称为“字字”同步、同步、“句句”同步，否则接收端将无法同步，否则接收端将无法正确恢复信息。对于数字时分多路通信系统，如正确恢复信息。对于数字时分多路通信系统，如PCM30/32PCM30/32电话系统，电话系统，各路信码都安排在指定的时隙内传送，形成一定的帧结构。为了使各路信码都安排在指定的时隙内传送，

7、形成一定的帧结构。为了使接收端能正确分离各路信号，在发送端必须提供每帧的起止标记，接收端能正确分离各路信号，在发送端必须提供每帧的起止标记，在接收端检测并获取这一标志的过程，称为在接收端检测并获取这一标志的过程，称为“帧帧”同步。因此，在同步。因此，在接收端产生与接收端产生与“字字”、“句句”及及“帧帧”起止时刻相一致的定时脉冲起止时刻相一致的定时脉冲序列的过程统称为群同步。序列的过程统称为群同步。4 4网同步网同步在获得了以上讨论的载波同步、位同步、群同步之后，在获得了以上讨论的载波同步、位同步、群同步之后，两点间两点间的数字通信就可以有序、准确而可靠地进行了。然而，随着数字通的数字通信就可

8、以有序、准确而可靠地进行了。然而，随着数字通信的发展，尤其是计算机通信的发展，信的发展，尤其是计算机通信的发展，7.1 7.1 概概 述述下一页 返回上一页多个用户之间的通信和数据交换，构成了数字通信网。显然，多个用户之间的通信和数据交换，构成了数字通信网。显然，为了保证通信网内各用户之间可靠地进行数据交换，全网必须有一为了保证通信网内各用户之间可靠地进行数据交换，全网必须有一个统一的时钟基准，这就是网同步需要讨论的问题，限于篇幅这里个统一的时钟基准，这就是网同步需要讨论的问题，限于篇幅这里不作介绍。不作介绍。同步也是一种信息，按照获取和传输同步信息方式的不同，可同步也是一种信息，按照获取和传

9、输同步信息方式的不同，可分为外同步法和自同步法。分为外同步法和自同步法。所谓外同步法是由发送端发送专门的同步信息（常被称为导频）所谓外同步法是由发送端发送专门的同步信息（常被称为导频），接收端把这个导频提取出来作为同步信号的方法，有时也称为插，接收端把这个导频提取出来作为同步信号的方法，有时也称为插入导频法。入导频法。7.1 7.1 概概 述述下一页 返回上一页所谓自同步法，是指发送端不发送专门的同步信息，接收端则所谓自同步法，是指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方法，通常也称为直接法。是设法从收到的信号中提取同步信息的方法，通常也称为直接法。自同步法是人

10、们最希望的同步方法，因为采用这种方法可以把自同步法是人们最希望的同步方法，因为采用这种方法可以把全部功率和带宽都分配给信号传输，从而提高传输效率。在载波同全部功率和带宽都分配给信号传输，从而提高传输效率。在载波同步和位同步中，两种方法都有采用，但自同步法正得到越来越广泛步和位同步中，两种方法都有采用，但自同步法正得到越来越广泛的应用；而群同步一般都采用外同步法。的应用；而群同步一般都采用外同步法。同步本身虽然不包含所要传送的信息，但通信系统只有在收、同步本身虽然不包含所要传送的信息，但通信系统只有在收、发两端之间建立了同步后才能开始传送信息，所以同步是进行信息发两端之间建立了同步后才能开始传送

11、信息，所以同步是进行信息传输的必要和前提。另外，同步性能的好坏又将直接影响着通信系传输的必要和前提。另外，同步性能的好坏又将直接影响着通信系统的性能，如果出现同步误差或失去同步就会导致通信系统性能下统的性能，如果出现同步误差或失去同步就会导致通信系统性能下降或通信中断。降或通信中断。7.1 7.1 概概 述述下一页 返回上一页因此，同步系统应具有比信息传输系统更高的可靠性和更好的因此，同步系统应具有比信息传输系统更高的可靠性和更好的质量指标，如同步误差小、相位抖动小以及同步建立时间短，保持质量指标，如同步误差小、相位抖动小以及同步建立时间短，保持时间长等。时间长等。7.1 7.1 概概 述述返

12、回上一页在模拟通信中，采用相干解调时要用到载波同步；在数字通信在模拟通信中，采用相干解调时要用到载波同步；在数字通信中，采用频带传输系统方式时，也一定要用到载波同步。可见，载中，采用频带传输系统方式时，也一定要用到载波同步。可见，载波同步是同步系统的一个重要方面。实现载波同步的方法有直接法波同步是同步系统的一个重要方面。实现载波同步的方法有直接法和插入导频法两种。和插入导频法两种。7.2.1 7.2.1 直接法直接法有些信号，如有些信号，如DSBDSB、2PSK2PSK等，虽然本身不直接含有载波分量，但等，虽然本身不直接含有载波分量，但经过某种非线性变换后，将具有载波的谐波分量，可从中提取出载

13、经过某种非线性变换后，将具有载波的谐波分量，可从中提取出载波分量，产生与载波有关的信息，从而完成载波的提取和系统的同波分量，产生与载波有关的信息，从而完成载波的提取和系统的同步，这就是直接法提取同步载波的基本原理。下面介绍几种常用的步，这就是直接法提取同步载波的基本原理。下面介绍几种常用的变换法。变换法。7.2 7.2 载波同步载波同步下一页 返回1 1平方变换法平方变换法此方法广泛用于建立抑制载波的双边带（此方法广泛用于建立抑制载波的双边带（DSBDSB）信号和二相移相）信号和二相移相（2PSK2PSK）信号的载波同步。设调制信号）信号的载波同步。设调制信号x(tx(t)无直流分量，则抑制载

14、无直流分量，则抑制载波的双边带信号为波的双边带信号为接收端将该信号经过非线性变换接收端将该信号经过非线性变换平方律部件后得到平方律部件后得到可以看出，虽然前面假设可以看出，虽然前面假设x(tx(t)中无直流分量，但中无直流分量，但x x2 2(t)(t)却一定却一定含有直流分量。这是因为含有直流分量。这是因为x x2 2(t)(t)必为大于等于必为大于等于0 0的数，因此，的数，因此，x x2 2(t)(t)的的均值也必大于均值也必大于0 0，而这个均值就是，而这个均值就是x x2 2(t)(t)的直流分量，这样的直流分量，这样e(te(t)的第的第二项中就只包含有载波倍频二项中就只包含有载波

15、倍频 的频率分量。的频率分量。7.2 7.2 载波同步载波同步下一页 返回上一页若用一窄带滤波器将若用一窄带滤波器将 频率分量滤出，再进行二分频，就可频率分量滤出，再进行二分频，就可获得所需的相干载波。基于这种构思的平方变换法提取载波的方框获得所需的相干载波。基于这种构思的平方变换法提取载波的方框图如图如图图7-17-1所示。所示。若若 ，则抑制载波的双边带信号就成为，则抑制载波的双边带信号就成为2PSK2PSK信号，这信号，这时时因此，同样能通过图因此，同样能通过图7-17-1所示的方法提取载波。所示的方法提取载波。2 2平方环法平方环法当然，在实际中伴随信号一起进入接收机的还有加性高斯白噪

16、当然，在实际中伴随信号一起进入接收机的还有加性高斯白噪声，为了改善平方变换法的性能，使恢复的相干载波更为纯净，图声，为了改善平方变换法的性能，使恢复的相干载波更为纯净，图7-1 7-1 中的窄带滤波器常用锁相环（中的窄带滤波器常用锁相环（PLLPLL）来实现，如）来实现，如图图7-37-3所示，称所示，称为平方环法。为平方环法。7.2 7.2 载波同步载波同步下一页 返回上一页锁相环是一个相位负反馈控制系统，即利用输入信号与输出锁相环是一个相位负反馈控制系统，即利用输入信号与输出信号的相位误差去控制输出信号的频率，从而具有良好的频率信号的相位误差去控制输出信号的频率，从而具有良好的频率跟踪、窄

17、带滤波和记忆功能。因此，平方环法比一般的平方变换法跟踪、窄带滤波和记忆功能。因此，平方环法比一般的平方变换法具有更好的性能，在提取载波方面得到了较广泛的应用。具有更好的性能，在提取载波方面得到了较广泛的应用。3 3同相正交环法同相正交环法同相正交环法又称科斯塔斯（同相正交环法又称科斯塔斯（CostasCostas）环，它的原理框图如）环，它的原理框图如图图7-47-4所示。在此环路中，压控振荡器（所示。在此环路中，压控振荡器（VCOVCO）提供两路互为正交的载）提供两路互为正交的载波，与输入接收信号分别在同相和正交两个鉴相器中进行鉴相，经波，与输入接收信号分别在同相和正交两个鉴相器中进行鉴相，

18、经低通滤波之后的输出均含调制信号，两者相乘后可以消除调制信号低通滤波之后的输出均含调制信号，两者相乘后可以消除调制信号的影响，经环路滤波器得到仅与相位差有关的控制压控，从而准确的影响，经环路滤波器得到仅与相位差有关的控制压控，从而准确地对压控振荡器进行调整。地对压控振荡器进行调整。7.2 7.2 载波同步载波同步下一页 返回上一页设输入的抑制载波双边带信号为设输入的抑制载波双边带信号为 ，并假定环路锁定，并假定环路锁定，且不考虑噪声的影响，则且不考虑噪声的影响，则VCOVCO输出的两路互为正交的本地载波分别为输出的两路互为正交的本地载波分别为式中，式中，是压控振荡器输出信号与输入已调信号载波之

19、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。位误差。那么，输入已调信号那么，输入已调信号 分别与分别与v v1 1、v v2 2相乘后得相乘后得7.2 7.2 载波同步载波同步下一页 返回上一页经低通滤波后的输出分别为经低通滤波后的输出分别为则乘法器的输出为则乘法器的输出为CostasCostas环与平方环都是利用锁相环提取载波的常用方法，也都环与平方环都是利用锁相环提取载波的常用方法，也都存在相位模糊的问题。存在相位模糊的问题。CostasCostas环与平方环相比，虽然在电路上要复环与平方环相比，虽然在电路上要复杂一些，杂一些，但它的工作频率即为载波频率，而平方环的工作频率

20、是载但它的工作频率即为载波频率，而平方环的工作频率是载波频率的两倍，显然当载波频率很高时，工作频率较低的波频率的两倍，显然当载波频率很高时，工作频率较低的CostasCostas环环易于实现；其次，当环路正常锁定后，易于实现；其次，当环路正常锁定后，CostasCostas环可直接获得解调输环可直接获得解调输出，而平方环则没有这种功能。出，而平方环则没有这种功能。7.2 7.2 载波同步载波同步下一页 返回上一页7.2.2 7.2.2 插入导频法插入导频法在模拟通信系统中，抑制载波的双边带（在模拟通信系统中，抑制载波的双边带（DSBDSB）信号本身不含有）信号本身不含有载波；残留边带（载波；残

21、留边带（VSBVSB）信号虽然一般都含有载波分量，但很难从已）信号虽然一般都含有载波分量，但很难从已调信号的频谱中将它分离出来；单边带（调信号的频谱中将它分离出来；单边带（SSBSSB）信号更是不存在载波）信号更是不存在载波分量。在数字通信系统中，二相移相（分量。在数字通信系统中，二相移相（2PSK2PSK）信号中的载波分量为）信号中的载波分量为零。对这些信号的载波提取，都可以用插入导频法，尤其是零。对这些信号的载波提取，都可以用插入导频法，尤其是SSBSSB信号，信号，只能用插入导频法提取载波。下面以只能用插入导频法提取载波。下面以DSBDSB信号为例，讨论如何在发送信号为例，讨论如何在发送

22、端插入导频和在接收端提取同步载波。端插入导频和在接收端提取同步载波。1 1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插入导频的位置应该在信号频谱为零的位置，否则导频和信号插入导频的位置应该在信号频谱为零的位置，否则导频和信号频谱成分叠加在一起，接收时不易取出。频谱成分叠加在一起，接收时不易取出。7.2 7.2 载波同步载波同步下一页 返回上一页对于模拟调制的对于模拟调制的DSBDSB信号或信号或SSBSSB信号，在载频信号，在载频f fc c附近信号频谱为附近信号频谱为零，但对于零，但对于2PSK2PSK或或2DPSK2DPSK等数字调制的信号，在等数字调制的信号，在f

23、fc c附近的信号频谱不附近的信号频谱不仅有，而且比较大。因此，对于这样的数字信号，在调制以前先对仅有，而且比较大。因此，对于这样的数字信号，在调制以前先对基带信号进行相关编码。相关编码的作用是把基带信号进行相关编码。相关编码的作用是把图图7-57-5（a a）所示的基所示的基带信号频谱函数变换成带信号频谱函数变换成图图 7-57-5（b b）所示的频谱函数，这样经过双边所示的频谱函数，这样经过双边带调制以后可以得到带调制以后可以得到图图7-67-6所示的已调信号的频谱函数。由图所示的已调信号的频谱函数。由图7-67-6可可知，在导频知，在导频f fc c附近的频谱函数很小，且没有离散谱，这样

24、可以在附近的频谱函数很小，且没有离散谱，这样可以在f fc c处处插入频率为插入频率为f fc c的导频（这里仅画出正频域）。不过应注意的是，这的导频（这里仅画出正频域）。不过应注意的是，这时插入的导频并不是加于调制器的那个载波，而是将该载波移相时插入的导频并不是加于调制器的那个载波，而是将该载波移相9090后的所谓后的所谓“正交载波正交载波”。7.2 7.2 载波同步载波同步下一页 返回上一页插入导频的发端方框图如插入导频的发端方框图如图图7-77-7所示。设调制信号所示。设调制信号x(tx(t)中无直流中无直流分量，被调载波为分量，被调载波为 ，将它经，将它经9090移相形成插入导频移相形

25、成插入导频-，其中，其中a ac c是插入导频的振幅。于是是插入导频的振幅。于是输出信号为输出信号为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率为f fc c的窄带滤波器就可以提取导频的窄带滤波器就可以提取导频-，再将它移相，再将它移相9090后得到与调制载波同频同相的相干载波后得到与调制载波同频同相的相干载波 ，接收端的，接收端的解调方框图如解调方框图如图图 7-87-8所示。所示。接收端相乘器的输出为接收端相乘器的输出为7.2 7.2 载波同步载波同步下一页 返回上一页这样，这样，v(tv(t)将经过低通滤除高频成分后，

26、就可恢复调制信号将经过低通滤除高频成分后，就可恢复调制信号x(tx(t)。然而，如果发端加入的导频不是正交载波，而是调制载波，。然而，如果发端加入的导频不是正交载波，而是调制载波，此时发端的输出信号表示为此时发端的输出信号表示为则收端用窄带滤波器取出则收端用窄带滤波器取出 后直接作为同步载波，但后直接作为同步载波，但此时经过相乘器和低通滤波器解调后输出为此时经过相乘器和低通滤波器解调后输出为 ，多了，多了一个不需要的直流成分一个不需要的直流成分 ，而这个直流成分通过低通滤波器会对，而这个直流成分通过低通滤波器会对数字信号产生影响，这就是发端采用正交插入导频的原因。数字信号产生影响，这就是发端采

27、用正交插入导频的原因。2PSK2PSK就是一种抑制载波的双边带信号，所以上述插入导频方法就是一种抑制载波的双边带信号，所以上述插入导频方法也适用。也适用。对于对于SSBSSB信号，导频插入的原理也与上述相同。信号，导频插入的原理也与上述相同。7.2 7.2 载波同步载波同步下一页 返回上一页2 2直接法和插入导频法的比较直接法和插入导频法的比较直接法的优缺点主要表现在以下几方面：直接法的优缺点主要表现在以下几方面：（1 1）不占用导频功率因此信噪功率比可以大一些；）不占用导频功率因此信噪功率比可以大一些；（2 2）可以防止插入导频法中导频和信号间由于滤波不好而引起）可以防止插入导频法中导频和信

28、号间由于滤波不好而引起的互相干扰，也可以防止信道不理想引起导频相位的误差；的互相干扰，也可以防止信道不理想引起导频相位的误差；（3 3）有的调制系统不能用直接法（如）有的调制系统不能用直接法（如SSBSSB系统）。系统）。插入导频法的优缺点主要表现在以下几方面：插入导频法的优缺点主要表现在以下几方面：（1 1）有单独的导频信号，一方面可以提取同步载波，另一方面）有单独的导频信号，一方面可以提取同步载波，另一方面可以利用它作为自动增益控制；可以利用它作为自动增益控制；（2 2）有些不能用直接法提取同步载波的调制系统只能用插入导）有些不能用直接法提取同步载波的调制系统只能用插入导频法；频法；7.2

29、 7.2 载波同步载波同步下一页 返回上一页（3 3）插入导频法要多消耗一部分不带信息的功率。因此，与直）插入导频法要多消耗一部分不带信息的功率。因此，与直接法比较，在总功率相同条件下实际信噪功率比要小一些。接法比较，在总功率相同条件下实际信噪功率比要小一些。7.2 7.2 载波同步载波同步返回上一页位同步是数字通信系统中一个非常重要的问题，它是数字通信位同步是数字通信系统中一个非常重要的问题，它是数字通信系统的系统的“中枢神经中枢神经”，没有位同步，系统就会出现，没有位同步，系统就会出现“紊乱紊乱”，无法，无法正常工作。正常工作。在数字通信系统的接收端，位同步脉冲一般是通过位同步提取在数字通

30、信系统的接收端，位同步脉冲一般是通过位同步提取电路获得。在传输数字信号时，信号通过信道会受到噪声的影响，电路获得。在传输数字信号时，信号通过信道会受到噪声的影响，而引起信号波形的失真，因此数字通信系统中接收端都要对接收到而引起信号波形的失真，因此数字通信系统中接收端都要对接收到的基带信号进行抽样判决，以判别出是的基带信号进行抽样判决，以判别出是“1 1”码还是码还是“0 0”码。抽样码。抽样判决器判决的时刻都是由位同步脉冲来控制的。在频带传输系统中，判决器判决的时刻都是由位同步脉冲来控制的。在频带传输系统中，位同步信号一般可以从解调后的基带信号中提取，只有特殊情况下位同步信号一般可以从解调后的

31、基带信号中提取，只有特殊情况下才直接从频带信号中提取；在基带传输系统中，位同步信号是直接才直接从频带信号中提取；在基带传输系统中，位同步信号是直接从接收到的基带信号中提取。而上节讨论的载波同步信号一定要从从接收到的基带信号中提取。而上节讨论的载波同步信号一定要从载带信号中提取。载带信号中提取。7.3 7.3 位同步位同步下一页 返回可见，位同步是指在接收端的基带信号中提取码元定时的过程。可见，位同步是指在接收端的基带信号中提取码元定时的过程。它是正确抽样判决的基础，只有数字通信才需要，并且不论频带传它是正确抽样判决的基础，只有数字通信才需要，并且不论频带传输还是基带传输系统都涉及到位同步；所提

32、取的位同步信息是频率输还是基带传输系统都涉及到位同步；所提取的位同步信息是频率等于码元速率的定时脉冲，相位则根据判决时信号波形决定，可能等于码元速率的定时脉冲，相位则根据判决时信号波形决定，可能在码元中间，也可能在码元终止时刻或其他时刻。在码元中间，也可能在码元终止时刻或其他时刻。7.3.1 7.3.1 位同步的作用与分类位同步的作用与分类1 1对位同步信号的基本要求对位同步信号的基本要求（1 1）位同步脉冲的频率必须和发送端（接收到的数字信号）的）位同步脉冲的频率必须和发送端（接收到的数字信号）的码元速率相同。码元速率相同。（2 2）位同步脉冲的相位（起始时刻）必须和发送端（接收到的）位同步

33、脉冲的相位（起始时刻）必须和发送端（接收到的数字信号）的码元相位对准。数字信号）的码元相位对准。7.3 7.3 位同步位同步下一页 返回上一页2 2作用作用（1 1）为接收端抽样判决器提供抽样脉冲。）为接收端抽样判决器提供抽样脉冲。（2 2）为解码器、解密器提供脉冲信号）为解码器、解密器提供脉冲信号（3 3）在）在PCMPCM系统中，提供产生路脉冲信号。系统中，提供产生路脉冲信号。（4 4）提供产生帧同步码的脉冲信号。）提供产生帧同步码的脉冲信号。（5 5）提供产生各种标志信号的脉冲等。）提供产生各种标志信号的脉冲等。3 3分类分类为了得到码元同步的定时信号，首先要确定接收到的信息数据为了得到

34、码元同步的定时信号，首先要确定接收到的信息数据流中是否包含有位定时的频率分量。若存在此分量，就可以利用滤流中是否包含有位定时的频率分量。若存在此分量，就可以利用滤波器从信息数据流中把位定时信息提取出来；波器从信息数据流中把位定时信息提取出来；7.3 7.3 位同步位同步下一页 返回上一页而在无线通信中，数字基带信号一般都采用不归零的矩形脉冲，而在无线通信中，数字基带信号一般都采用不归零的矩形脉冲，并以此对高频载波作各种调制，解调后得到的也是不归零的矩形脉并以此对高频载波作各种调制，解调后得到的也是不归零的矩形脉冲，这种信号本身并不包含位同步信号，可在基带信号中插入位同冲，这种信号本身并不包含位

35、同步信号，可在基带信号中插入位同步导频信号，或者对该基带信号进行某种码型变换以得到位同步信步导频信号，或者对该基带信号进行某种码型变换以得到位同步信息。息。这样，位同步的实现方法与载波同步相似，也可以分为自同步这样，位同步的实现方法与载波同步相似，也可以分为自同步法（直接法）和外同步法（插入导频法）两种。法（直接法）和外同步法（插入导频法）两种。7.3.2 7.3.2 外同步法外同步法与载波同步时的插入导频法类似，这种方法是在基带信号频谱与载波同步时的插入导频法类似，这种方法是在基带信号频谱的零点处插入所需的位定时导频信号，如的零点处插入所需的位定时导频信号，如图图7-97-9所示。所示。7.

36、3 7.3 位同步位同步下一页 返回上一页其中，图（其中，图（a a）为常见的双极性不归零基带信号的功率谱，插入）为常见的双极性不归零基带信号的功率谱，插入导频的位置是导频的位置是 ；图；图(b)(b)表示经某种相关变换的基带信号，其表示经某种相关变换的基带信号，其频谱的第一个零点为频谱的第一个零点为 ，插入导频信号应在，插入导频信号应在 处。处。在接收端，对图在接收端，对图7-97-9（a a）所示的情况，经中心频率为）所示的情况，经中心频率为 的的窄带滤波器，就可从解调后的基带信号中提取出位同步所需的信号。窄带滤波器，就可从解调后的基带信号中提取出位同步所需的信号。这时，位同步脉冲的周期与

37、插入导频的周期是一致的；而对图这时，位同步脉冲的周期与插入导频的周期是一致的；而对图7-7-9 9（b b）所示的情况，窄带滤波器的中心频率应为）所示的情况，窄带滤波器的中心频率应为 ，因，因为这时位同步脉冲的周期为插入导频周期的，故需将插入导频二倍为这时位同步脉冲的周期为插入导频周期的，故需将插入导频二倍频，才获得所需的位同步脉冲。频，才获得所需的位同步脉冲。图图7-107-10给出了位同步插入导频法方给出了位同步插入导频法方框图。框图。7.3 7.3 位同步位同步下一页 返回上一页插入导频法的另一种形式是使数字信号的包络按位同步信号的插入导频法的另一种形式是使数字信号的包络按位同步信号的某

38、种波形变化。例如某种波形变化。例如PSKPSK信号和信号和FSKFSK信号都是包络不变的等幅波，因信号都是包络不变的等幅波，因此，可将位导频信号调制在它们的包络上，而接收端只要用普通的此，可将位导频信号调制在它们的包络上，而接收端只要用普通的包络检波器就可恢复位同步信号。包络检波器就可恢复位同步信号。事实上，同步信号也可以在时域内插入，这时载波同步信号、事实上，同步信号也可以在时域内插入，这时载波同步信号、位同步信号和数据信号等信息分别被配置在不同的时间段内传送。位同步信号和数据信号等信息分别被配置在不同的时间段内传送。接收端用锁相环路提取出同步信号并保持它，就可以对继之而来的接收端用锁相环路

39、提取出同步信号并保持它，就可以对继之而来的数据信息进行解调。数据信息进行解调。7.3.3 7.3.3 自同步法自同步法这一类方法是发端不专门发送位定时的导频信号，而直接从数这一类方法是发端不专门发送位定时的导频信号，而直接从数字信号中提取位同步信号。字信号中提取位同步信号。7.3 7.3 位同步位同步下一页 返回上一页这种方法在数字通信中经常采用且简单易行，可分为滤波法和这种方法在数字通信中经常采用且简单易行，可分为滤波法和锁相法两类。下面分别加以介绍。锁相法两类。下面分别加以介绍。1 1滤波法滤波法（1 1）波形变换）波形变换-滤波法滤波法根据基带信号的频谱分析可以知道，对于不归零的随机二进

40、制根据基带信号的频谱分析可以知道，对于不归零的随机二进制序列，不论是单极性还是双极性的，当序列，不论是单极性还是双极性的，当 时，都时，都没有没有 等线谱，因而不能直接滤出等线谱，因而不能直接滤出 的位同的位同步信号分量。但是，若对该信号进行某种变换，如变成归零的单极步信号分量。但是，若对该信号进行某种变换，如变成归零的单极性脉冲后，则该序列中就有性脉冲后，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位后，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。就可以形成位同步脉冲。7.3 7.

41、3 位同步位同步下一页 返回上一页这种方法的原理方框图如这种方法的原理方框图如图图7-117-11所示。它的特点是先形成含有所示。它的特点是先形成含有位同步信息的信号，再用滤波器将其滤出。而单极性归零脉冲序列，位同步信息的信号，再用滤波器将其滤出。而单极性归零脉冲序列，由于其包含由于其包含 的位同步信号分量，一般作为提取位同步信的位同步信号分量，一般作为提取位同步信号的中间变换过程。号的中间变换过程。在实际应用中，图在实际应用中，图7-117-11中的波形变换通常由微分、整流电路构中的波形变换通常由微分、整流电路构成。经微分、整流后的基带信号波形如成。经微分、整流后的基带信号波形如图图7-12

42、7-12所示，其中，图所示，其中，图7-7-1212（c c）为单极性归零信号，它包含有位同步信号分量，可以通过滤）为单极性归零信号，它包含有位同步信号分量，可以通过滤波器进行提取。波器进行提取。这是一种从频带受限的中频这是一种从频带受限的中频2PSK2PSK信号中提取位同步信息的方法，信号中提取位同步信息的方法，其原理框图及波形图如其原理框图及波形图如图图7-137-13所示。由于信道的频带宽度总是有限所示。由于信道的频带宽度总是有限的，对于的，对于2PSK2PSK信号，其包络是不变的等幅波，信号，其包络是不变的等幅波，7.3 7.3 位同步位同步下一页 返回上一页它具有极宽的载带宽度。因此

43、，经过频带有限的信道传输后，它具有极宽的载带宽度。因此，经过频带有限的信道传输后，会使会使2PSK2PSK信号在码元取值变化的时刻产生幅度平滑信号在码元取值变化的时刻产生幅度平滑“陷落陷落”。这对。这对传输的传输的2PSK2PSK信号是一种失真，但它正发生在码元取值变化或信号是一种失真，但它正发生在码元取值变化或PSKPSK信号信号相位变化的时刻，所以，它必然包含有位同步的信息。经包络检波相位变化的时刻，所以，它必然包含有位同步的信息。经包络检波后得到图后得到图7-137-13（b b）所示的波形）所示的波形b b，与一直流分量相减后，即可得到，与一直流分量相减后，即可得到具有一定脉冲形状的归

44、零脉冲序列，如图具有一定脉冲形状的归零脉冲序列，如图7-137-13（b b）的波形）的波形c c，它含，它含有位同步的线谱分量，再通过窄带滤波器（或锁相环），然后经脉有位同步的线谱分量，再通过窄带滤波器（或锁相环），然后经脉冲整形，就可得到位同步信号。冲整形，就可得到位同步信号。2.2.锁相法锁相法前面介绍的滤波法中的窄带滤波器可以是简单的单调谐回路或前面介绍的滤波法中的窄带滤波器可以是简单的单调谐回路或晶体滤波器，也可以是锁相环路。晶体滤波器，也可以是锁相环路。7.3 7.3 位同步位同步下一页 返回上一页我们把采用锁相环来提取位同步信号的方法称为锁相法。通常我们把采用锁相环来提取位同步信

45、号的方法称为锁相法。通常分两类：一类是环路中的误差信号是连续地调整位同步信号的相位，分两类：一类是环路中的误差信号是连续地调整位同步信号的相位，称为模拟锁相法；另一类是采用了高稳定振荡器（晶振），环路中称为模拟锁相法；另一类是采用了高稳定振荡器（晶振），环路中的误差信号不直接用于调整振荡器，而是通过一个控制器在晶振输的误差信号不直接用于调整振荡器，而是通过一个控制器在晶振输出的脉冲序列中附加或扣除一个或几个脉冲，同样可以调整加到鉴出的脉冲序列中附加或扣除一个或几个脉冲，同样可以调整加到鉴相器上的位同步脉冲序列的相位，以达到同步的目的，称为数字锁相器上的位同步脉冲序列的相位，以达到同步的目的，称

46、为数字锁相法。在数字通信中经常采用数字锁相法，下面介绍该方法提取位相法。在数字通信中经常采用数字锁相法，下面介绍该方法提取位同步信号的原理。同步信号的原理。常见的数字锁相环位同步器的原理方框图如常见的数字锁相环位同步器的原理方框图如图图7-147-14所示，它由所示，它由晶振、控制器、分频器、相位比较器组成。其中，控制器包括图中晶振、控制器、分频器、相位比较器组成。其中，控制器包括图中的的“扣除门扣除门”、“附加门附加门”和和“或门或门”，7.3 7.3 位同步位同步下一页 返回上一页它根据相位比较器输出的控制脉冲（它根据相位比较器输出的控制脉冲（“超前脉冲超前脉冲”或或“滞后脉滞后脉冲冲”）

47、对晶振经整形电路输出的序列实施扣除或附加脉冲；图中的）对晶振经整形电路输出的序列实施扣除或附加脉冲；图中的分频器是一个计数器，每当控制器输出分频器是一个计数器，每当控制器输出n n个脉冲时，它就输出一个脉个脉冲时，它就输出一个脉冲。这样，控制器与分频器共同作用的结果就调整了加至相位比较冲。这样，控制器与分频器共同作用的结果就调整了加至相位比较器的位同步信号的相位。这种相位前、后移的调整量取决于晶振的器的位同步信号的相位。这种相位前、后移的调整量取决于晶振的周期，若接收码元的速率为周期，若接收码元的速率为 ，那么振荡器频率设定在，那么振荡器频率设定在nfnf，经整形电路之后，输出周期性脉冲序列，

48、其周期为经整形电路之后，输出周期性脉冲序列，其周期为 ，相应的相位最小调整量为相应的相位最小调整量为 。位同步数字环的具体工作过程简述如下：由晶振产生的信号，位同步数字环的具体工作过程简述如下：由晶振产生的信号，经整形后得到周期为经整形后得到周期为T T0 0和相位差为和相位差为T T0 0/2/2的两个脉冲序列，如的两个脉冲序列，如图图7-7-15(a)15(a)、(b)(b)所示。所示。7.3 7.3 位同步位同步下一页 返回上一页脉冲序列脉冲序列a a通过通过“扣除门扣除门”、“或门或门”并经并经n n次分频后，输出本次分频后，输出本地位同步信号，如地位同步信号，如图图7-15(c)7-

49、15(c)所示。为了与发送端时钟同步，分频器所示。为了与发送端时钟同步，分频器输出与接收到的码元序列同时加到相位比较器进行相位比较，若两输出与接收到的码元序列同时加到相位比较器进行相位比较，若两者完全同步，此时相位比较器没有误差信号，本地位同步信号作为者完全同步，此时相位比较器没有误差信号，本地位同步信号作为同步时钟；若本地位同步信号相位超前于接收码元序列时，相位比同步时钟；若本地位同步信号相位超前于接收码元序列时，相位比较器输出一个超前脉冲加到较器输出一个超前脉冲加到“扣除门扣除门”的禁止端将其关闭，扣除一的禁止端将其关闭，扣除一个个a a路脉冲，如路脉冲，如图图7-15(d)7-15(d)

50、所示，使分频器输出脉冲的相位滞后所示，使分频器输出脉冲的相位滞后1/n1/n周周期（期（3603600 0/n/n），如），如图图7-15(e)7-15(e)所示；若本地同步脉冲相位滞后于接收所示；若本地同步脉冲相位滞后于接收码元脉冲时，相位比较器输出一个滞后脉冲去打开码元脉冲时，相位比较器输出一个滞后脉冲去打开“附加门附加门”，使，使脉冲序列脉冲序列b b中的一个脉冲能通过此门及中的一个脉冲能通过此门及“或门或门”，正因为两脉冲序列，正因为两脉冲序列a a和和b b相差半个周期，所以脉冲序列相差半个周期，所以脉冲序列b b中的一个脉冲能插到中的一个脉冲能插到“扣除门扣除门”输出脉冲序列输出脉