第11章同步原理1精.ppt
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1、第11章同步原理12022/12/31第1页,本讲稿共36页第第11章章 同步原理同步原理同步是通信信号传输的基本保证。同步是通信信号传输的基本保证。本章主要介绍同步的基本方法,并简单分析其性能。本章主要介绍同步的基本方法,并简单分析其性能。11.1 引言引言*11.2 锁相环的基本原理锁相环的基本原理 11.3 载波同步载波同步 11.4 位同步位同步11.5 帧同步帧同步 2022/12/32第2页,本讲稿共36页目的:目的:在通信系统中,都要解决信号传输的时间基准问题以保证收发两端的在通信系统中,都要解决信号传输的时间基准问题以保证收发两端的设备在时间上步调一致的工作,称为同步或定时,在
2、通信系统中通常要涉及设备在时间上步调一致的工作,称为同步或定时,在通信系统中通常要涉及到三种同步,即载波同步、位同步到三种同步,即载波同步、位同步(码元同步码元同步)和帧同步和帧同步(群同步群同步)。载波同步:载波同步:在相干解调中接收端必须能够提供一个与所接收到的载波信号同频同在相干解调中接收端必须能够提供一个与所接收到的载波信号同频同相的本地参考载波信号。相的本地参考载波信号。位同步位同步:在数字通信系统中,在接收端需要知道每个码元的起止时间,以便在恰在数字通信系统中,在接收端需要知道每个码元的起止时间,以便在恰当的时刻进行采样判决。当的时刻进行采样判决。帧同步:帧同步:在数字通信系统中,
3、接收端只有准确地区分开各个字、句和段,在数字通信系统中,接收端只有准确地区分开各个字、句和段,才能正确地恢复出原始的信息和数据。才能正确地恢复出原始的信息和数据。方法方法:外同步法外同步法:外加的专门同步信号来传输,即外加的专门同步信号来传输,即为了传输独立的同步信号,为了传输独立的同步信号,需要付出额外的传输功率和频带。需要付出额外的传输功率和频带。内同步法内同步法(自同步法自同步法):通过变换,通过变换,从传输的数字信号中直接提取。从传输的数字信号中直接提取。13.1 引言引言2022/12/33第3页,本讲稿共36页11.3 载波同步载波同步提取载波的方法:提取载波的方法:1.插入导频法
4、插入导频法(外同步法外同步法):在发送信号中专门插入一个载波分量,在发送信号中专门插入一个载波分量,或者与载波的频率及相位有关的一个信号。或者与载波的频率及相位有关的一个信号。2.直接法直接法(自同步法自同步法):从接收到的已调信号中直接提取,一种是已从接收到的已调信号中直接提取,一种是已调波中含有载波分量,这当然可以直接提取,另一种情况是已调波调波中含有载波分量,这当然可以直接提取,另一种情况是已调波中不包含载波分量,通过中不包含载波分量,通过非线性交换的方法非线性交换的方法提取参考载波提取参考载波。11.3.1 载波同步的方法载波同步的方法一一、插入导频法插入导频法插入导频法又分频域插入导
5、频法和时域插入导频法插入导频法又分频域插入导频法和时域插入导频法 2022/12/34第4页,本讲稿共36页插入正交导频后插入正交导频后:接收端收到该信号接收端收到该信号s(t)后,其中一路送到中心频率为后,其中一路送到中心频率为fo的窄带滤波器,滤除导频的窄带滤波器,滤除导频信号,并将其信号,并将其90移相,即得到移相,即得到cosot,这就是与发送端被调载波信号同频同,这就是与发送端被调载波信号同频同相的本地载波信号。相的本地载波信号。2022/12/35第5页,本讲稿共36页 为了提取导频信号需要用窄带滤波器。一般的窄带滤波器虽然带宽很窄,为了提取导频信号需要用窄带滤波器。一般的窄带滤波
6、器虽然带宽很窄,但总有一定的频带,所以得到的参考载波频率不可能很但总有一定的频带,所以得到的参考载波频率不可能很“干净干净”,另一方面,另一方面由于它的通带很窄,所以要求载波频率或导频相对于窄带滤波器的中心频由于它的通带很窄,所以要求载波频率或导频相对于窄带滤波器的中心频率不能有漂移,但在实际系统中由于各种原因率不能有漂移,但在实际系统中由于各种原因(如发送频率不稳或多卜勒如发送频率不稳或多卜勒效应等效应等),频率总有漂移,有时还漂移不少,这会使解调质量大大降低。,频率总有漂移,有时还漂移不少,这会使解调质量大大降低。为此,希望找到中心频率能跟随输入频率作相应变化的窄带滤波器,这可为此,希望找
7、到中心频率能跟随输入频率作相应变化的窄带滤波器,这可用用PLL来实现。来实现。2022/12/36第6页,本讲稿共36页二二、直接法直接法由上式可见,由于采用了平方电路的非线性变换后,只要用由上式可见,由于采用了平方电路的非线性变换后,只要用一窄带滤波器,再进行二分频就可得到参考载波。一窄带滤波器,再进行二分频就可得到参考载波。1N次方环次方环抑制载波的抑制载波的DSB和和2PSK信号常用二次方环来获得参考载波信号常用二次方环来获得参考载波。2022/12/37第7页,本讲稿共36页注意:注意:分频电路的输出的载波存在分频电路的输出的载波存在180的相位模糊问题。对移相信号而言,的相位模糊问题
8、。对移相信号而言,解决这个问题的常用方法,是采用相对相移键控解决这个问题的常用方法,是采用相对相移键控。四次方电路四次方电路4f0锁相环锁相环四分频四分频4PSK信号信号图图11-12 4PSK信号信号4次方环法原理框图次方环法原理框图2022/12/38第8页,本讲稿共36页2.同相正交环同相正交环(科斯塔斯环科斯塔斯环Costas环环)下支路:下支路:上支路:上支路:2022/12/39第9页,本讲稿共36页当相位差当相位差e很小时,上式可近似为:很小时,上式可近似为:环路滤波器的输出信号,去控制压控振荡器的工作,使其输出信号的相环路滤波器的输出信号,去控制压控振荡器的工作,使其输出信号的
9、相角角2 发生变化,直到它与输入信号的相位发生变化,直到它与输入信号的相位1 基本相等即差值趋于零为止。结果,基本相等即差值趋于零为止。结果,压控振荡器输出的信号压控振荡器输出的信号sc(t)就是所需要提取的本地载波信号。同时就是所需要提取的本地载波信号。同时上支路还上支路还完成了信号的解调任务。完成了信号的解调任务。作为压控振荡器作为压控振荡器VCO的控制电压的控制电压ud是与相位误差是与相位误差e成正比的,因而这实际上是一个锁成正比的,因而这实际上是一个锁相环,但它是相环,但它是f 0 的锁相环,所以的锁相环,所以VCO的输出就是参考载波。的输出就是参考载波。或:或:2022/12/310
10、第10页,本讲稿共36页Costas环虽然电路复杂些,但它有以下优点环虽然电路复杂些,但它有以下优点:载波提取、相干解调一次完成!同相支路的基带输出载波提取、相干解调一次完成!同相支路的基带输出 工作频率是工作频率是f0,而平方环是,而平方环是2f0,所以当载波频率较高时,所以当载波频率较高时,Costas环容易实现。环容易实现。无无相位模糊问题。相位模糊问题。2022/12/311第11页,本讲稿共36页11.3.2 载波同步系统的性能及其对传输系统误码率的影响载波同步系统的性能及其对传输系统误码率的影响1.相位误差对数字信号解调性能的影响相位误差对数字信号解调性能的影响 当所提取出来的本地
11、载波信号的总相位误差为当所提取出来的本地载波信号的总相位误差为,只要将,只要将原有的各种误码率表示式中的信号能量或功率乘上这个下降因原有的各种误码率表示式中的信号能量或功率乘上这个下降因子,就可以估算出这个相位误差对解调性能或误码率的影响子,就可以估算出这个相位误差对解调性能或误码率的影响,如:,如:2PSK:修正为:修正为:2022/12/312第12页,本讲稿共36页*2.同步建立时间和保持时间同步建立时间和保持时间同步建立时间:同步建立时间:从开始接收信号从开始接收信号(或从系统失步状态或从系统失步状态)至提取出至提取出稳定的载频所需要的时间。稳定的载频所需要的时间。同步保持时间同步保持
12、时间:从开始失去信号到失去载频同步的时间。:从开始失去信号到失去载频同步的时间。若载波同步电路中所需的窄带滤波器是一简单的单调谐回路若载波同步电路中所需的窄带滤波器是一简单的单调谐回路(回回路振荡频率路振荡频率0和和Q值已定值已定)。在在t=0时刻信号接入回路,则输出电压时刻信号接入回路,则输出电压u(t)为:为:图图11-16 载波同步的建立和保持载波同步的建立和保持2022/12/313第13页,本讲稿共36页 从以上两式可以看出同步建立时间和和同步保持时间是相从以上两式可以看出同步建立时间和和同步保持时间是相互矛盾的。在同步电路中低通和环路滤波器都是通带很窄的电互矛盾的。在同步电路中低通
13、和环路滤波器都是通带很窄的电路,一个滤波器的通带越窄,其惰性越大,这时当输入端加入路,一个滤波器的通带越窄,其惰性越大,这时当输入端加入一正弦振荡信号时,输出端振荡的建立时间越长;当输入振荡一正弦振荡信号时,输出端振荡的建立时间越长;当输入振荡信号截止时,输出端振荡的保持时间也越长。信号截止时,输出端振荡的保持时间也越长。当用载波周期数当用载波周期数Ns和和Nc来表示建立时间和保持时间,则由来表示建立时间和保持时间,则由式式(11.3-21)和式和式(11.3-23)可得:可得:令令k=1/e,则可得:,则可得:2022/12/314第14页,本讲稿共36页11.4 位同步(码元同步)位同步(
14、码元同步)一、插入法(外同步法)一、插入法(外同步法)频域插入导频法:位同步导频的插入位置应在基带信号频谱的第一零点处,对不归零频域插入导频法:位同步导频的插入位置应在基带信号频谱的第一零点处,对不归零脉冲,码元基带信号频谱的第一个零点在脉冲,码元基带信号频谱的第一个零点在1/Tb处,因而可插入处,因而可插入f b 的导频。的导频。目的:目的:在接收端就需要产生一个与发射端码序列同频同相的同步或定时脉在接收端就需要产生一个与发射端码序列同频同相的同步或定时脉冲序列,供采样判决及其它方面的需要。这就是位冲序列,供采样判决及其它方面的需要。这就是位(或码元或码元)同步或定时系同步或定时系统任务。统
15、任务。同样分为插入导频法和直接提取法。同样分为插入导频法和直接提取法。11.4.1 位同步的方法位同步的方法图图11-18 消除位导频信号的原理方框图消除位导频信号的原理方框图2022/12/315第15页,本讲稿共36页二、二、直接法直接法自同步法自同步法不归零码转换成归零码不归零码转换成归零码从所收到的数字基带信号中直接提取出位同步信息的方法。从所收到的数字基带信号中直接提取出位同步信息的方法。一个单极性不归零码中一定含有离散谱,如占空比为一个单极性不归零码中一定含有离散谱,如占空比为1/2的单极性归零码其功率谱密度在的单极性归零码其功率谱密度在fb的奇数倍处有离散谱,如的奇数倍处有离散谱
16、,如图图11-19所示,因此只要把接收到的数字信号转换为单极性所示,因此只要把接收到的数字信号转换为单极性的不归零码,再用窄带滤波器提取出与位同步信号相同频率的不归零码,再用窄带滤波器提取出与位同步信号相同频率分量,从而达到位同步的目的。分量,从而达到位同步的目的。图图11-19 占空比为占空比为1/2单极性归零码的功率谱单极性归零码的功率谱2022/12/316第16页,本讲稿共36页1.用模拟锁相环提取位同步用模拟锁相环提取位同步(1)微分整流法理想基带信号的位同步提取微分整流法理想基带信号的位同步提取2022/12/317第17页,本讲稿共36页(2)基带带限信号的位同步提取基带带限信号
17、的位同步提取图图11-21 带限整流法提取位同步信号的示意图带限整流法提取位同步信号的示意图2022/12/318第18页,本讲稿共36页(3)包络检波法:窄带调制信号的位同步提取包络检波法:窄带调制信号的位同步提取包络包络检波检波隔隔 直直窄带窄带滤波滤波脉冲脉冲形成形成2022/12/319第19页,本讲稿共36页(4)窄带滤波器的模拟锁相环实现窄带滤波器的模拟锁相环实现 图图11-20 脉冲锁相法形成位同步信号示意图脉冲锁相法形成位同步信号示意图2022/12/320第20页,本讲稿共36页2.用数字锁相环提取位同步信号用数字锁相环提取位同步信号附加脉冲附加脉冲扣除脉冲扣除脉冲T0T0/
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- 11 同步 原理
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