第十一章 同步原理

通信原理电子教案第11章同步原理学习目标： 载波同步方法，包括插入导频法和直接法，载波相位误差对解调性能的影响；位同步实现方法，包括插入导频法、直接法；位同步系统的性能及其相位误差对解调性能的影响；群同步实现方法，包括起止式同步法和插入特殊同步码组的同步法；群同步的保护；重点难点：载波相位误差对解调性能的影响；位同步系统的性能及其相位误差对解调性能的影响；巴克码；群同步系统的性能。载波同步系统的性能；群同步的保护。课外作业：11-1,11-2,11-3,11-4,11-5,11-7,11-8,11-9本章共分6讲（5459）第五十四讲载波同步（1）主要内容：同步的分类与实现方法；载波同步的实现方法，包括插入导频法和直接法。同步是数字通信系统，以及某些采用相干解调的模拟通信系统中一个重要的实际问题。本章主要讨论同步的基本原理，实现方法，同步的性能指标及其对通信系统性能的影响。所谓同步是指收发双方在时间上步调一致，故又称定时。一、同步分类载波同步载波同步是指在相干解调时，接收端需要提供一个与接收信号中的调制载波同频同相的相干载波。这个载波的获取称为载波提取或称载波同步。因此，载波同步是实现相干解调的先决条件。1. 位同步位同步又称码元同步。在数字通信系统中，任何消息都是通过一连串码元序列传送的，所以接收时需要知道每个码元的起止时刻，以便在恰当的时刻进行取样判决，提取这种定时脉冲序列的过程称为位同步。2. 群同步群同步也称帧同步。在数字通信中，信息流是用若干码元组成一个“字”，又用若干个“字”组成“句”。在接收这些数字信息时，必须知道这些“字”、“句”的起止时刻，在接收端产生与“字”、“句”及“帧”起止时刻相一致的定时脉冲序列的过程统称为群同步。3. 网同步为了保证通信网内各用户之间可靠地通信和数据交换，全网必须有一个统一的时间标准时钟，这就是网同步。二、同步的实现方法同步也是一种信息，按照获取和传输同步信息方式的不同，又可分为外同步法和自同步法。1. 外同步法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，称为外同步法。2. 自同步法发送端不发送专门的同步信息，接收端设法从收到的信号中提取同步信息的方法，称为自同步法。本章重点讨论载波同步、位同步、群同步的实现方法和性能。提取相干载波的方法有两种：插入导频法和直接法。三、直接法直接法也称自同步法。有些信号，如DSB-SC、PSK等，它们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，因而可从中提取出载波分量来。1. 平方变换法和平方环法设调制信号m(t)无直流分量，则抑制载波的双边带信号为s(t)二m(t)cocstmc接收端将该信号经过非线性变换平方律器件后得到11e(t)=m(t)cost2=m2(t)+m2(t)cos2ctc22c11.2-1)11.2-2)上式的第二项包含有载波的倍频2c的分量。若用一窄带滤波器将2c频率cc图11-1平方变换法提取载波分量滤出，再进行二分频，就可获得所需的相干载波。若m(t)=1，则信号就成为二相移相信号(2PSK)，这时e(t)=m(t)cosctc112=+22cos2ctc11.2-3)因而，同样可以通过图11-1所示的方法提取载波。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，窄带滤波器常用锁相环代替，构成平方环法。由于锁相环具有良好的跟踪、窄带滤波和记忆功能，平方环法比一般的平方变换法具有更好的性能。图11-2平方环法提取载波2PSK信号平方后得到e(t)=Cag(t-nT)2cos2ct(11.2-4)nscn当g(t)为矩形脉冲时，有11e(t)=+cos2t(11.2-5)22c假设环路锁定，VCO的频率锁定在2频率上，其输出信号为cv(t)二Asin(2t+20)(11.2-6)0ce为相位差。经鉴相器(由相乘器和低通滤波器组成)后输出的误差电压为v二Ksine(11.2-7)dd式中，K为鉴相灵敏度，是一个常数。v仅与相位差有关，它通过环路滤dd波器去控制压控振荡器的相位和频率，环路锁定之后，e一个很小的量。因此VCO的输出经过二分频后，就是所需的相干载波。应当注意，载波提取的方框图中用了一个二分频电路，由于分频起点的不确定性，使其输出的载波相对于接收信号相位有1800的相位模糊。相位模糊对模拟通信关系不大，因为人耳听不出相位的变化。但它有可能使2PSK相干解调后出现“反向工作”的问题，克服相位模糊度对相干解调影响的最常用而又有效的方法是采用相对移相(2DPSK)。2. 同相正交环法同相正交环法又叫科斯塔斯(Costas)环。压控振荡器(VCO)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。图11-3Costas环法提取载波设输入的抑制载波双边带信号为m(t)coswt，并假定环路锁定,cv二cos(wt+0)(11.2-8)1cv二sin(wt+0)(11.2-9)2c式中，e为vco输出信号与输入已调信号载波之间的相位误差。v=m(t)cost-cos(t+0)=m(t)cos0+cos(2wt+0)(11.2-10)3cc2c1v=m(t)cost-sin(t+0)=m(t)sin0+sin(2wt+0)(11.2-11)4cc2c经低通滤波后分别为1v=m(t)cos0(11.2-12)521v=m(t)sin0(11.2-13)62低通滤波器应该允许m(t)通过。v、v相乘产生误差信号561v=m2(t)sin0(11.2-14)d8m2(t)可以分解为直流和交流分量，由于锁相环作为载波提取环时，其环路滤波器的带宽设计的很窄，只有m(t)中的直流分量可以通过，因此v可写成dv二Ksi0(11.2-15)dd如果把图11-3中除环路滤波器(LF)和压控振荡器(VCO)以外的部分看成一个等效鉴相器(PD),其输出v正是我们所需要的误差电压，它通过环路滤波d器滤波后去控制VCO的相位和频率，最终使稳态相位误差减小到很小的数值，而没有剩余频差(即频率与w同频)。c此时VC0的输出v二cos(wt+0)就是所需的同步载波，而1c11v=m(t)cos0沁m(t)就是解调输出。522Costas环与平方环具有相同的鉴相特性(ve曲线)。由图可知，0二n兀(nd为任意整数)为PLL的稳定平衡点。PLL工作时可能锁定在任何一个稳定平衡点上,考虑到在周期n内e取值可能为0或n，这意味着恢复出的载波可能与理想载波同相，也可能反相。这种相位关系的不确定性，称为0,n的相位模糊度。图11-4平方环和科斯塔斯环的鉴相特性Costas环与平方环相比，虽然在电路上要复杂一些，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Costas环易于实现；其次，当环路正常锁定后，Costas环可直接获得解调输出，而平方环则没有这种功能。3. 多相移相信号（MPSK）的载波提取当数字信息通过载波的M相调制发送时，可将上述方法推广，采用M次方变换法或M方环法，但M次方环具有M重相位模糊度，即所提取的载波具有360/M的相位模糊。解决的方法是采用MDPSK。四、插入导频法抑制载波的双边带信号（如DSB、等概的2PSK）本身不含有载波；残留边带（VSB）信号虽含有载波分量，但很难从已调信号的频谱中把它分离出来；单边带（SSB）信号，没有载波分量，对这些信号的载波提取，可以用插入导频法（外同步法）。1. 在抑制载波的双边带信号中插入导频采用插入导频法应注意：1）导频的频率应当是与载频有关的或者就是载频的频率；2）在已调信号频谱中的零点插入导频，且要求其附近的信号频谱分量尽量小。对于模拟调制中的DSB或SSB信号，在载频f附近信号频谱为0；但对于数c字调制中的2PSK或2DPSK信号，在f附近的频谱不但有，而且比较大，因此对c这样的信号，在调制以前先对基带信号进行相关编码，这样经过双边带调制以后可以在f处插入频率为f的导频。但应注意，在图11-8中插入的导频并不是加cc这样，就可组成插入导频的发端方框图11-9。图11-9插入导频法发端框图设调制信号m(t)中无直流分量，被调载波为asint,将它经90移相形成c插入导频(正交载波)-acost，其中a是插入导频的振幅。于是输出信号为cu(t)二am(t)sintacost(11.2-17)0cc设收到的信号就是发端输出u(t)，则收端用一个中心频率为f的窄带滤波0c器提取导频-acost，再将它经90移相后得到与调制载波同频同相的相干载c波sinot，收端的解调方框图如图11-10所示。c90相移图11-10插入导频法收端框图解调输出为v(t)=u(t)-smt=am(t)sm2t-acostsmt11.2-18)0ccccasm2t2caa=m(t)-m(t)cos2wt-22c经过低通滤除高频部分后，就可恢复调制信号m(t)。如果发端加入的导频不是正交载波，而是调制载波，则收端v(t)中还有一个不需要的直流成份，这个直流成份通过低通滤波器对数字信号产生影响，这就是发端正交插入导频的原因。2. 时域插入导频这种方法在时分多址通信卫星中应用较多。时域插入导频方法是按照一定的时间顺序，在指定的时间内发送载波标准，即把载波标准插到每帧的数字序列中，如图11-13(a)所示。图中tt就是插入导频的时间。这种插入的结果只是在23每帧的一小段时间内才出现载波标准，在接收端应用控制信号将载波标准取出。时域插入导频法常用锁相环来提取同步载波。息侥载波同步vi-t-illlllilla桢同步Iifk位同步Bl息载波同步VIi帧同步位同步3)f23卩4IX第一帧十第二帧S)图11-13时域插入导频法第五十五讲载波同步(2)主要内容：，载波同步系统的性能，载波相位误差对解调性能的影响。一、载波同步系统的性能载波同步系统的性能指标主要有效率、精度、同步建立时间和同步保持时间。载波同步追求的是高效率、高精度、同步建立时间快，保持时间长。1)高效率指为了获得载波信号而尽量少消耗发送功率。直接法由于不需要专门发送导频，因而效率高，而插入导频法由于插入导频要消耗一部分发送功率，因而效率要低一些。2)高精度指接收端提取的载波与需要的载波标准比较，应该有尽量小的相位误差。如需要的同步载波为cost,提取的同步载波为ccos(t+Ap)，人9就是载波相位误差。通常分为稳态相差9和随机相差b两cep部分，即Ap=9+b(11.3-1)ep稳态相差与提取的电路密切相关，而随机相差则是由噪声引起。3) 同步建立时间t指从开机或失步到同步所需要的时间。s同步保持时间t指同步建立后，若同步信号小时，系统还能c维持同步的时间。二、载波相位误差对解调性能的影响相位误差Ap对不同信号的解调所带来的影响是不同的。我们首先研究DSB和PSK的解调情况。设DSB信号为m(t)cost，所提取c的相干载波为cos(t+Ap)，这时解调输出m(t)为c1m(t)=m(t)cosAp(11.3-2)21若没有相位差，即Ap=0，cosAp=1，则解调输出m(t)=m(t)，这时信号2有最大幅度；若存在相位差，即HO时，解调后信号幅度下降，使功率和信噪功率比下降cos2A申倍。对于2PSK信号，信噪功率比下降将使误码率增加。若A=0时11.3-3)1.P二-erfcE/n0)则AH0时11.3-4)1,P=erfc(、：E/ncos申)e申20以上说明，载波相位误差A引起双边带解调系统的信噪比下降，误码率增加。当A近似为常数时，不会引起波形失真。F面分析单边带信号。设单音基带信号m(t)二cosGt，且单边带信号取上边1带cos(+G)t，所提取的相干载波为cost+A)，相干载波与已调信号相2cc乘得1cos(+tcost+A)2cc1cos(2t+Gt+A)+cos(GtA)4c经低通滤除高频即得解调输出111mf(t)cos(GtA)cosGtcosA+sinGtsinA(11.3-5)444显然，载波相位误差A引起单边带解调系统的信噪比下降，并使恢复的基带信号波形失真。第五十六讲位同步（1）主要内容：位同步的实现方法，包括插入导频法、直接法，其中直接法包括滤波法和锁相环法。位同步是正确取样判决的基础，所提取的位同步信息是频率等于码速率的定时脉冲，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。实现方法也有插入导频法（外同步）和直接法（自同步）。一、插入导频法在基带信号频谱的零点处插入所需的位定时导频信号。其中，图（a）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1/T；图（b）表示经某种相关变换的基带信号，其谱的第一个零点为1/2T，插入导频应在1/2T处。在接收端，对图11-14（a）的情况，经中心频率为1/T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；对图11-14（b）的情况窄带滤波器的中心频率应为1/2T，所提取的导频需经倍频后，才得所需的位同步脉冲。图11-15画出了插入位定时导频的系统框图，它对应于图11-14（b）所示谱的情况。发端插入的导频为1/2T，接收端在解调后设置了1/2T窄带滤波器，其作用是取出位定时导频。移相、倒相和相加电路是为了从信号中消去插入导频，使进入取样判决器的基带信号没有插入导频。这样做是为了避免插入导频对取样判决的影响。(a)发送端(b)接收端图11-15插入位定时导频系统框图此外，由于窄带滤波器取出的导频为1/2T,图中微分全波整流起到了倍频的作用，产生与码元速率相同的位定时信号1/T。图中两个移相器都是用来消除窄带滤波器等引起的相移。另一种导频插入的方法是包络调制法。这种方法是用位同步信号的某种波形对移相键控或移频键控这样的恒包络数字已调信号进行附加的幅度调制，使其包络随着位同步信号波形变化；在接收端只要进行包络检波，就可以形成位同步信号。设移相键控的表达式为s(t)二cost+p(t)(11.3-1)1c利用含有位同步信号的某种波形对s(t)进行幅度调制，若这种波形为升余弦1波形，则其表示式为1m(t)=(1+cosGt)(11.3-2)2式中的G=2兀/T，T为码元宽度。幅度调制后的信号为1s(t)=(1+cosGt)cost+Q(t)(11.3-3)22c1接收端对s(t)进行包络检波，包络检波器的输出为-(1+cosGt)，除去直流221分量后，就可获得位同步信号cosGt。2除了以上两种在频域内插入位同步导频之外，还可以在时域内插入，其原理与载波时域插入方法类似。二、直接法直接提取位同步的方法又分滤波法和特殊锁相环法。1) 1.滤波法波形变换滤波法不归零的随机二进制序列，当P(0)=P(1)=1/2时，都没有f二1/T,2/T等线谱,因而不能直接滤出f二1/T的位同步信号分量。但是，若对该信号进行某种变换,其谱中含有f二1/T的分量，然后用窄带滤波器取出该分量，再经移相调整后就可形成位定时脉冲。这种方法的原理框图如图11-16所示。2) 图11-16滤波法原理图包络检波滤波法频带受限的2PSK信号在相邻码元相位反转点处形成幅度的“陷落”。经包络检波后得到图11-17(b)所示的波形，它可看成是一直流与图11-17(c)所示的波形相减，而图(c)波形是具有一定脉冲形状的归零脉冲序列，含有位同步的线谱分量,可用窄带滤波器取出。zrvr/2n则锁相环将无法使收端位同步脉冲的相位与输入信号的相位同步，这时由频差所造成的相位差就会逐渐积累。因此，我们根据AT=三=2n求得F20解出11.3-15)Af|=F/2n上式(11.3-15)就是求得的同步带宽表示式。1. 位同步相位误差对性能的影响位同步的相位误差8e主要是造成位定时脉冲的位移，使抽样判决时刻偏离最佳位置。为了方便起见，我们用时差Te代替相差8e对系统误码率的影响。设解调器输出的基带数字信号如图11-24(a)所示，并假设采用匹配滤波器法检测，即对基带信号进行积分、取样和判决。若位同步脉冲有相位误差Te图11-24(b),则脉冲的取样时刻就会偏离信号能量的最大点。从图11-24(c)可以看到，相邻码元的极性无交变时，位同步的相位误差不影响取样点的积分输出能量值，在该点的取样值仍为整个码元能量E。而当相邻码元的极性交变时，位同步的相位误差使取样点的积分能量减小，积分能量减小为(1-2Te/T)E。第3釘兀!弟1蚪兀-:R2码无图11-24相位误差对性能的影响通常，随机二进制数字信号相邻码元有变化和无变化的概率各占1/2，所以相邻码元无变化时，仍按原来相应的误码率公式计算；相邻码元有变化时，按信噪比（或能量）下降后计算。以2PSK信号最佳接收为例，考虑到相位误差影响时，其误码率为P=(1/4)erfcE/n+(l/4)erfC2T11.3-16)第五十八讲群同步（1）主要内容：群同步的实现方法，包括起止式同步法和插入特殊同步码组的同步法，其中插入特殊同步码组的方法有两种：一种为连贯式插入法，另一种为间隔式插入法。数字通信时，一般总是以若干个码元组成一个字、若干个字组成一个句，即组成一个个的“群”进行传输。群同步的任务就是在位同步的基础上识别出这些数字信息群（字、句、帧）“开头”和“结尾”的时刻，使接收设备的群定时与接收到的信号中的群定时处于同步状态。实现群同步，通常采用的方法是起止式同步法和插入特殊同步码组的同步法。而插入特殊同步码组的方法有两种：一种为连贯式插入法，另一种为间隔式插入法。一、起止式同步法数字电传机中广泛使用的是起止式同步法。在电传机中，常用的是五单位码。为标志每个字的开头和结尾，在五单位码的前后分别加上一个单位的起码（低电平）和1.5个单位的止码（高电平），共7.5个码元组成一个字，如图5-24所示。收端根据高电平第一次转到低电平这一特殊标志来确定一个字的起始位置，从而实现字同步。图11-25起止式同步波形这种7.5单位码（码元的非整数倍）给数字通信的同步传输带来一定困难。另外，在这种同步方式中，7.5个码元中只有5个码元用于传递消息，因此传输效率较低。二、连贯式插入法连贯插入法，又称集中插入法。它是指在每一信息群的开头集中插入作为群同步码组的特殊码组。对该码组的基本要求是：1)具有尖锐单峰特性的自相关函数；2)便于与信息码区别；3) 码长适当，以保证传输效率。目前常用的群同步码组是巴克码。1.巴克码巴克码是一种有限长的非周期序列。它的定义如下：一个n位长的码组xxx3x，其中x.的取值为+1或一1,若它的局部相关函数R(j)=TJxx满123n1ii+ji=1足：nj=0R(j)=xx=0或土10jn表11-1巴克码组巴克码组N+(11)2+(110)3+(1110)；+(1101)4+(11101)5+(1110010)7+1(11100010010)11+13(1111100110101)则称这种码组为巴克码。目前已找到的所有巴克码组如表11-1所示。其中的+、一号表示台的取值+1或一1,分别对应二进码的“1”或“0”。以7位巴克码组+-+-为例，它的局部自相关函数如下：当j=0时，R(j)=工x2=1+1+1+1+1+1+1=7ii=1当j=1时，R(j)=1Lxx=1+1-1+1-1-1=0ii+1i=1同样可求出j=3,5,7时R(j)=0,j=2,4,6时R(j)=-1。根据这些值，利用偶函数性质，可以作出7位巴克码的R(j)与j的关系曲线，如图11-26。由图可见，其自相关函数在j=0时具有尖锐的单峰特性。图11-267位巴克码的自相关函数個j、7-6-5-4-32-1-6123456711tQ*11*I*1图11-27巴克码识别器2.巴克码识别器仍以7位巴克码为例。用7级移位寄存器、相加器和判决器就可以组成一个巴克码识别器。当输入码元的“1”进入某移位寄存器时，该移位寄存器的1端输出电平为+1，0端输出电平为-1。反之，进入“0”码时，该移位寄存器的0端输出电平为+1，1端输出电平为-1。各移位寄存器输出端的接法与巴克码的规律一致。这样识别器实际上是对输入的巴克码进行相关运算。只有当7位巴克码在某一时刻正好已全部进入7位寄存器时，7位移位寄存器输出端都输出+1，相加后得最大输出+7，若判别器的判决门限电平定为+6，那么就在7位巴克码的最后一位0进入识别器时，识别器输出一个同步脉冲表示一群的开头，如图11-28(b)。图11-28识别器的输出波形三、间隔式插入法间隔式插入法又称为分散插入法，它是将群同步码以分散的形式均匀插入信息码流中。这种方式比较多地用在多路数字电路系统中，一般都采用1、0交替码型作为帧同步码间隔插入的方法。这种插入方式在同步捕获时我们不是检测一帧两帧，而是连续检测数十帧，每帧都符合“1”、“0”交替的规律才确认同步。分散插入的最大特点是同步码不占用信息时隙，每帧的传输效率较高，但是同步捕获时间较长，它较适合于连续发送信号的通信系统。第五十九讲群同步（2）主要内容：群同步系统的性能，群同步保护的基本思想。一、群同步系统的性能群同步性能主要指标是包括漏同步概率P、假同步概率P及同步建立时间12t。下面，我们主要以连贯插入法为例进行分析。s漏同步概率P1由于干扰的影响，接收的同步码组中可能出现一些错误码元，从而使识别器漏识已发出的同步码组，出现这种情况的概率称为漏同步概率，记为P。1以n位巴克码识别器为例，设判决门限为6,此时七位巴克码只要有一位码出错，七位巴克码全部进入识别器时相加器输出由7变为5，因而出现漏同步。如果将判决门限由6降为4，则不会出现漏识别，这时判决器容许七位巴克码中有一位错码出错。对于连贯式插入法，设n为同步码组的码元数，Pe为码元错误概率，m为判决器容许码组中的错误码元最大数，则Pr（1-P）n-r表示n位同步码组中，r位错码和（n-r）位正确码同时发生的概率。当rm时，都能被识别器识别，因此未漏概率为龙CrPr（1P）n-r（11.4-1）nr=0故漏同步概率为P=1区Crpr（1p）nr（11.4-2）1nr=0假同步概率P2假同步是指信息的码元中出现与同步码组相同的码组，这时信息码会被识别器误认为同步码，从而出现假同步信号。发生这种情况的概率称为假同步概率，记为P。2假同步概率P是信息码元中能判为同步码组的组合数与所有可能的码组数2之比。设二进数字码流中1、0码等概率出现，则由其组合成n位长的所有可能的码组数为2n个，而其中能被判为同步码组的组合数显然与m有关。如果错0位时被判为同步码，则只有C0个（即一个）；如果出现r位错也被判为同步码的n组合数为Cr；则出现rm种错都被判为同步码的组合数为瓦Cr，因而可得假nnr=0同步概率为P=2一niLCr（11.4-3）2nr=0m增大（即判决门限电平降低），P减小，但P增大，所以两者对判决门12限电平的要求是矛盾的。同步平均建立时间ts对于连贯式插入法，假设漏同步和假同步都不出现，在最不利的情况，实现群同步最多需要一群的时间。设每群的码元数为N（其中n位为群同步码），每码元的时间宽度为T,则一群的时间为NT。在建立同步过程中，如出现一次漏同步，则建立时间要增加NT；如出现一次假同步，建立时间也要增加NT,因此,帧同步的平均建立时间为tu（1+P+P）NT（11.4-4）s12二、群同步的保护同步系统的稳定可靠对于通信设备是十分重要的。我们希望在同步建立时，应尽量防止假同步混入；在建立同步后，要防止真同步漏掉。为了满足以上要求，改善同步性能，提高抗干扰能力，在实际系统中要有相应的保护措施。我们把同步过程分为两种不同的状态，以便在不同状态对识别器的判决门限电平提出不同的要求，达到降低漏同步和假同步的目的。最常用的保护措施是将群同步的工作划分为两种状态，即捕捉态和维持态。捕捉态：判决门限提高，即m减小，使假同步概率P2下降。维持态：判决门限降低，即m增大，使漏同步概率P下降。