数字通信原理06-定时与同步课件

第第6章章 定定时与与同同步步数字信号由一些等长的码元序列组成，用数字信号由一些等长的码元序列组成，用这些码元在时间上的不规律性表示不同的信这些码元在时间上的不规律性表示不同的信息。要使这些数字信号不发生错误或保持这息。要使这些数字信号不发生错误或保持这些码元排列规律的正确性，发送端和接收端些码元排列规律的正确性，发送端和接收端都要有稳定而准确的定时脉冲。以控制接收都要有稳定而准确的定时脉冲。以控制接收端和发送端的各部分电路始终按规定的节拍端和发送端的各部分电路始终按规定的节拍工作，这就是定时。工作，这就是定时。6.16.1定时系统定时系统 第6章 定时与同步数字信号由一些等长的码元序列组成，用这些6.1.1 定定时时脉脉冲冲的的种种类类（1）主时钟：产生高稳定的时钟信号，为其他定时脉冲提供时钟源。）主时钟：产生高稳定的时钟信号，为其他定时脉冲提供时钟源。在在PCM30/32中，主时钟的频率为中，主时钟的频率为2048kHz。（2）位脉冲：在发送端，位脉冲用做编码控制脉冲，并产生路时钟、）位脉冲：在发送端，位脉冲用做编码控制脉冲，并产生路时钟、帧同步码、标志信号码等；在接收端，用做解码控制脉冲，产生同步系帧同步码、标志信号码等；在接收端，用做解码控制脉冲，产生同步系统需要的定时脉冲等。在统需要的定时脉冲等。在PCM30/32路系统中，位脉冲的频率为路系统中，位脉冲的频率为256kHz，通过主时钟，通过主时钟8分频而得。分频而得。（3）时隙时钟：发送端用于插入某些特殊码型或信息时钟，接收端用）时隙时钟：发送端用于插入某些特殊码型或信息时钟，接收端用作检出这些码，频率约为作检出这些码，频率约为8kHz。如。如TS0时隙用于帧同步码或监视码的插时隙用于帧同步码或监视码的插入和检出，入和检出，TS16时隙用于复帧同步码和信令的插入和检出。时隙用于复帧同步码和信令的插入和检出。（4）路脉冲：发送端控制抽样门实现时分多路复用，接收端控制分路）路脉冲：发送端控制抽样门实现时分多路复用，接收端控制分路门实现解复，频率约为门实现解复，频率约为8kHz。（5）半帧脉冲和复帧脉冲：用于信令逻辑，如）半帧脉冲和复帧脉冲：用于信令逻辑，如PCM复帧中的复帧中的TS16用来用来传送信令码，要用复帧同步码来保持复帧同步。传送信令码，要用复帧同步码来保持复帧同步。6.1.1 定时脉冲的种类（1）主时钟：产生高稳定的时钟信号6.1.2 收收发定定时系系统发定时系统就是产生各种定时脉冲的系统，发定时系统就是产生各种定时脉冲的系统，一般采用高精度的时钟脉冲发生器作为主时一般采用高精度的时钟脉冲发生器作为主时钟，然后经过分频，得到相应频率的路脉冲、钟，然后经过分频，得到相应频率的路脉冲、位脉冲等，如图位脉冲等，如图6-1所示。所示。目前使用的主时钟类型主要有原子钟、振荡目前使用的主时钟类型主要有原子钟、振荡器等，也可以采用器等，也可以采用GPS、北斗一号等定时系、北斗一号等定时系统的外基准定时信号。统的外基准定时信号。6.1.2 收发定时系统发定时系统就是产生各种定时脉冲的系统在点与点之间进行数字传输时，接收端为了在点与点之间进行数字传输时，接收端为了正确地再生所传递的信号，必须产生一个时正确地再生所传递的信号，必须产生一个时间上与发送端信号同步的、位于最佳取样判间上与发送端信号同步的、位于最佳取样判决位置的脉冲序列，这就是收定时系统，可决位置的脉冲序列，这就是收定时系统，可由收到的信码或锁相法获得。由收到的信码或锁相法获得。在点与点之间进行数字传输时，接收端为了正确地再生所传递的信号6.2 同同步步系系统同步指收发双方的载波、码元速率及各种定同步指收发双方的载波、码元速率及各种定时标志都应步调一致，不仅要求同频，还要时标志都应步调一致，不仅要求同频，还要求同相。求同相。模拟通信网的同步是传输系统中两端载波机模拟通信网的同步是传输系统中两端载波机间的载波频率的同步。间的载波频率的同步。数字通信网的同步是网内各数字设备内时钟数字通信网的同步是网内各数字设备内时钟间的同步。间的同步。同步按照作用的不同一般分为载波同步、位同步按照作用的不同一般分为载波同步、位同步、帧同步和网同步。同步、帧同步和网同步。6.2 同步系统同步指收发双方的载波、码元速率及各种定时标志6.2.1 载波波同同步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载波同步。载波同步是实现相干解调的先称为载波提取或载波同步。载波同步是实现相干解调的先决条件。决条件。有些调制信号，如有些调制信号，如PSK等，它们虽然本身不直接含有载波等，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，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。这种从接收信号中提取同因而可从中提取出载波分量来。这种从接收信号中提取同步载波的方法称为直接法（或自同步法）。步载波的方法称为直接法（或自同步法）。有些调制信号，本身不含有载波，或者虽含有载波分量，有些调制信号，本身不含有载波，或者虽含有载波分量，但很难从已调信号的频谱中把它分离出来。对这些信号的但很难从已调信号的频谱中把它分离出来。对这些信号的载波提取，可以用插入导频法（外同步法）。所谓插入导载波提取，可以用插入导频法（外同步法）。所谓插入导频，就是在已调信号频谱中额外插入一个低功率的线谱，频，就是在已调信号频谱中额外插入一个低功率的线谱，以便作为载波同步信号在接收端加以恢复，此线谱对应的以便作为载波同步信号在接收端加以恢复，此线谱对应的正弦波称为导频信号。正弦波称为导频信号。6.2.1 载波同步载波同步是指在相干解调时，接收端需要提供插入导频分为频域插入和时域插入两种。频域插入是插入插入导频分为频域插入和时域插入两种。频域插入是插入的导频在时间上是连续的，即信道中自始至终都有导频信的导频在时间上是连续的，即信道中自始至终都有导频信号传送，如图号传送，如图6-2（a）所示。时域插入导频方法是按照一定）所示。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，一般插入在帧同步脉冲之后，准插到每帧的数字序列中，一般插入在帧同步脉冲之后，如图如图6-2（b）所示。）所示。（a）频域插入（b）时域插入插入导频分为频域插入和时域插入两种。频域插入是插入的导频在时6.2.2 位位同同步步位同步又称码元同步。在数字通信系统中，任何消息都是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。要实现元的起止时刻，以便在恰当的时刻进行取样判决。要实现接收判决时刻对准每个接收码元的特定时刻，就要求接收接收判决时刻对准每个接收码元的特定时刻，就要求接收端必须提供一个位定时脉冲序列，该序列的重复频率与码端必须提供一个位定时脉冲序列，该序列的重复频率与码元速率相同，相位与最佳取样判决时刻一致。我们把提取元速率相同，相位与最佳取样判决时刻一致。我们把提取这种定时脉冲序列的过程称为位同步。这种定时脉冲序列的过程称为位同步。位同步是正确取样判决的基础，只有数字通信才需要，并位同步是正确取样判决的基础，只有数字通信才需要，并且不论基带传输还是频带传输都需要位同步；所提取的位且不论基带传输还是频带传输都需要位同步；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。刻或其他时刻。6.2.2 位同步位同步又称码元同步。在数字通信系统中，任何位同步的实现方法也有插入导频法和直接法位同步的实现方法也有插入导频法和直接法两种。插入导频法与载波同步时的插入导频两种。插入导频法与载波同步时的插入导频法类似，基带信号频谱的零点处插入所需的法类似，基带信号频谱的零点处插入所需的位定时导频信号，如图位定时导频信号，如图6-3所示。所示。位同步的实现方法也有插入导频法和直接法两种。插入导频法与载波直接提取位同步的方法又分滤波法（如图直接提取位同步的方法又分滤波法（如图6-4所示）和特殊锁相环法。所示）和特殊锁相环法。直接提取位同步的方法又分滤波法（如图6-4所示）和特殊锁相环6.2.3 帧同同步步在数字通信中，信息流是用若干码元组成一在数字通信中，信息流是用若干码元组成一个个“字字”，又用若干个，又用若干个“字字”组成组成“句句”。在接收这些数字信息时，必须知道这些在接收这些数字信息时，必须知道这些“字字”、“句句”的起止时刻，否则接收端无法正的起止时刻，否则接收端无法正确恢复信息。为了使接收端能正确分离各路确恢复信息。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，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，称为帧同步，也称为群同步。帧同步，也称为群同步。实现帧同步，通常采用的方法是起止式同步实现帧同步，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。入法，另一种为间隔式插入法。6.2.3 帧同步在数字通信中，信息流是用若干码元组成一个“1.起起止止式式同同步步法法数字电传机中广泛使用的是起止式同步法。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个字的开头和结尾，在五单位码的前后分别加上加上 1 个单位的起码（低电平）和个单位的起码（低电平）和1.5个单位个单位的止码（高电平），共的止码（高电平），共7.5个码元组成一个字，个码元组成一个字，如图如图6-5所示。所示。1.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2.连贯式式插插入入法法连贯式插入法，又称集中插入法。它是指在每一信息帧的连贯式插入法，又称集中插入法。它是指在每一信息帧的开头集中插入作为帧同步码组的特殊码组，该码组应在信开头集中插入作为帧同步码组的特殊码组，该码组应在信息码中很少出现，即使偶尔出现，也不可能依照帧的规律息码中很少出现，即使偶尔出现，也不可能依照帧的规律周期出现。接收端按帧的周期连续数次检测该特殊码组，周期出现。接收端按帧的周期连续数次检测该特殊码组，这样便获得帧同步信息。这样便获得帧同步信息。连贯式插入法的特殊插入码组，要满足以下要求。连贯式插入法的特殊插入码组，要满足以下要求。（1）具有明显的可识别特征，以便接收端能够容易地将同）具有明显的可识别特征，以便接收端能够容易地将同步码和信息码区分开来；步码和信息码区分开来；（2）这个码组的码长应当既能保证传输效率高（不能太长）这个码组的码长应当既能保证传输效率高（不能太长），又能保证接收端识别容易（不能太短）。，又能保证接收端识别容易（不能太短）。符合上述要求的特殊码组有：全符合上述要求的特殊码组有：全0码、全码、全1码、码、1与与0交替码、交替码、巴克码、巴克码、PCM30/32基帧帧同步码基帧帧同步码0011011。2.连贯式插入法连贯式插入法，又称集中插入法。它是指在每一巴克码是一种有限长的非周期序列，目前已巴克码是一种有限长的非周期序列，目前已找到的巴克码组如表找到的巴克码组如表6-1所示，所示，n表示码组位表示码组位长。长。表表6-1 巴克巴克码组表表巴克码是一种有限长的非周期序列，目前已找到的巴克码组如表6-3.间隔隔式式插插入入法法间隔式插入法又称为分散插入法，它是将帧间隔式插入法又称为分散插入法，它是将帧同步码以分散的形式均匀插入信息码流中。同步码以分散的形式均匀插入信息码流中。如如PCM 24路基群设备以及一些简单的路基群设备以及一些简单的M系系统一般都采用统一般都采用1、0交替码型作为帧同步码间交替码型作为帧同步码间隔插入的方法。即一帧插入隔插入的方法。即一帧插入“1”码，下一码，下一帧插入帧插入“0”码，如此交替插入。由于每帧码，如此交替插入。由于每帧只插一位码，那么它与信码混淆的概率则为只插一位码，那么它与信码混淆的概率则为1/2，这样似乎无法识别同步码，但是这种这样似乎无法识别同步码，但是这种插入方式在同步捕获时不是检测一帧两帧，插入方式在同步捕获时不是检测一帧两帧，而是连续检测数十帧，每帧都符合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。交替的规律才确认同步。3.间隔式插入法间隔式插入法又称为分散插入法，它是将帧同步码【案例案例】在在24路路PCM系统中，采用系统中，采用“1”“0”交替码作为帧同步码，即帧同步交替码作为帧同步码，即帧同步码为码为1010，将它插在每一帧的最后，设奇帧，将它插在每一帧的最后，设奇帧的同步码为的同步码为“1”码，则偶帧的同步码为码，则偶帧的同步码为“0”码。一个抽样值用码。一个抽样值用8位码表示，此时位码表示，此时24路电话都抽样一次，共有路电话都抽样一次，共有24个抽样值，即个抽样值，即192个信息码元。这个信息码元。这192个信息码元作为一帧，个信息码元作为一帧，在这一帧的最后插入一个群同步码元，这样在这一帧的最后插入一个群同步码元，这样一帧共有一帧共有193个码元。位同步频率是帧同步个码元。位同步频率是帧同步频率的频率的193倍，因此可由位同步频率经倍，因此可由位同步频率经193次次分频得到帧同步频率。分频得到帧同步频率。【案例】在24路PCM系统中，采用“1”“0”交替码作为帧同6.2.4 网网同同步步同步网是由节点时钟设备和定时链路组成的同步网是由节点时钟设备和定时链路组成的一个实体网，负责为各种业务网提供定时，一个实体网，负责为各种业务网提供定时，以实现各种业务网的同步，是电信网能够正以实现各种业务网的同步，是电信网能够正常运行的支撑系统。常运行的支撑系统。同步网的基本功能是准确地将同步信息从基同步网的基本功能是准确地将同步信息从基准时钟向同步网的各下级或同级节点传递，准时钟向同步网的各下级或同级节点传递，从而建立并保持全网同步。从而建立并保持全网同步。6.2.4 网同步同步网是由节点时钟设备和定时链路组成的一个1.节点点时钟设备节点时钟设备主要包括独立型定时供给设备节点时钟设备主要包括独立型定时供给设备和混合型定时供给设备。和混合型定时供给设备。独立型节点时钟设备是数字同步网的专用设独立型节点时钟设备是数字同步网的专用设备，主要包括：铯原子钟、铷原子钟、晶体备，主要包括：铯原子钟、铷原子钟、晶体钟、大楼综合定时系统（钟、大楼综合定时系统（BITS）以及由全球）以及由全球定位系统（定位系统（GPS和和GLONASS）或北斗一号）或北斗一号定位系统组成的定时系统。定位系统组成的定时系统。混合型定时供给设备是指通信设备中的时钟混合型定时供给设备是指通信设备中的时钟单元，它的性能满足同步网设备指标要求，单元，它的性能满足同步网设备指标要求，可以承担定时分配任务，如交换机时钟等。可以承担定时分配任务，如交换机时钟等。1.节点时钟设备节点时钟设备主要包括独立型定时供给设备和混2.定定时分分配配定时分配就是将基准定时信号逐级传递到同步通信网中的各种设备。定时分配就是将基准定时信号逐级传递到同步通信网中的各种设备。（1)局内定时分配局内定时分配局内定时分配是指在同步网节点上直接将定时信号送给各个通信设备。局内定时分配是指在同步网节点上直接将定时信号送给各个通信设备。即在通信楼内直接将同步网设备（即在通信楼内直接将同步网设备（BITS）的输出信号连接到通信设备）的输出信号连接到通信设备上。上。（2)局间定时分配局间定时分配局间定时分配是指在同步网节点间的定时信号的传递。局间定时信号的局间定时分配是指在同步网节点间的定时信号的传递。局间定时信号的传递是通过在同步网节点间的定时链路，将来自基准时钟的定时信号逐传递是通过在同步网节点间的定时链路，将来自基准时钟的定时信号逐级向下传递。上游时钟通过定时链路将定时信号传递给下游时钟。下游级向下传递。上游时钟通过定时链路将定时信号传递给下游时钟。下游时钟提取定时，滤除传输损伤，重新产生高质量的定时信号提供给局内时钟提取定时，滤除传输损伤，重新产生高质量的定时信号提供给局内设备，并再通过定时链路将定时信号传递给它的下游时钟。设备，并再通过定时链路将定时信号传递给它的下游时钟。2.定时分配定时分配就是将基准定时信号逐级传递到同步通信网3.我我国国数数字字同同步步网网我国同步网等级结构，如图我国同步网等级结构，如图6-6所示。所示。3.我国数字同步网我国同步网等级结构，如图6-6所示。第一级是基准时钟，由铯原子钟或第一级是基准时钟，由铯原子钟或GPS配铷钟组成。配铷钟组成。第二级为有保持功能的高稳时钟（受控铷钟和高稳定度晶体钟），分为第二级为有保持功能的高稳时钟（受控铷钟和高稳定度晶体钟），分为A类和类和B类。上海、南京、西安、沈阳、广州、成都等六个大区中心及类。上海、南京、西安、沈阳、广州、成都等六个大区中心及乌鲁木齐、拉萨、昆明、哈尔滨、海口等五个边远省会中心配置地区级乌鲁木齐、拉萨、昆明、哈尔滨、海口等五个边远省会中心配置地区级基准时钟（基准时钟（LPR，Local Primary Reference，二级标准时钟），此外还，二级标准时钟），此外还增配增配GPS定时接收设备，它们均属于定时接收设备，它们均属于A类时钟。全国类时钟。全国30个省、市、自治个省、市、自治区中心的长途通信大楼内安装的大楼综合定时供给系统，以铷（原子）区中心的长途通信大楼内安装的大楼综合定时供给系统，以铷（原子）钟或高稳定度晶体钟作为二级钟或高稳定度晶体钟作为二级B类标准时钟。类标准时钟。各省内设置在汇接局（各省内设置在汇接局（Tm）和端局（）和端局（C5）的时钟是第三级时钟，采用）的时钟是第三级时钟，采用有保持功能的高稳定度晶体时钟，其频率偏移率可低于二级时钟。有保持功能的高稳定度晶体时钟，其频率偏移率可低于二级时钟。另外第四级时钟是一般晶体时钟，通过同步链路与第三级时钟同步，设另外第四级时钟是一般晶体时钟，通过同步链路与第三级时钟同步，设置在远端模块、数字终端设备和数字用户交换设备当中。置在远端模块、数字终端设备和数字用户交换设备当中。第一级是基准时钟，由铯原子钟或GPS配铷钟组成。我国数字同步网的工作方式为基准时钟之间是准同步方式，我国数字同步网的工作方式为基准时钟之间是准同步方式，同步区内采用主从同步方式。同步区内采用主从同步方式。（1）准同步方式是指各交换节点的时钟彼此是独立的，但）准同步方式是指各交换节点的时钟彼此是独立的，但它们的频率精度要求保持在极窄的频率容差之中，网络接它们的频率精度要求保持在极窄的频率容差之中，网络接近于同步工作状态。近于同步工作状态。（2）主从同步方式指数字网中所有节点都以一个规定的主）主从同步方式指数字网中所有节点都以一个规定的主节点时钟作为基准，主节点之外的所有节点或者是从直达节点时钟作为基准，主节点之外的所有节点或者是从直达的数字链路上接收主节点送来的定时基准，或者是从经过的数字链路上接收主节点送来的定时基准，或者是从经过中间节点转发后的数字链路上接收主节点送来的定时基准，中间节点转发后的数字链路上接收主节点送来的定时基准，然后把节点的本地振荡器相位锁定到所接收的定时基准上，然后把节点的本地振荡器相位锁定到所接收的定时基准上，使节点时钟从属于主节点时钟。使节点时钟从属于主节点时钟。我国数字同步网的工作方式为基准时钟之间是准同步方式，同步区内6.2.4 同同步步仿仿真真插入导频法主要用于接收信号频谱中没有离插入导频法主要用于接收信号频谱中没有离散载频分量，或即使含有一定的载频分量，散载频分量，或即使含有一定的载频分量，也很难从接收信号中分离出来的情况。对这也很难从接收信号中分离出来的情况。对这些信号的载波提取，可以用插入导频法。些信号的载波提取，可以用插入导频法。插入导频同步法仿真模型如图插入导频同步法仿真模型如图6-7所示。所示。6.2.4 同步仿真插入导频法主要用于接收信号频谱中没有离散表6-2 插入导频同步法仿真模型图中各图符参数设置表 表6-2 插入导频同步法仿真模型图中各图符参数设置表 插入正交导频时接收端解调出不含直流成分插入正交导频时接收端解调出不含直流成分的调制信号，插入非正交导频信号时接收端的调制信号，插入非正交导频信号时接收端解调出含有直流成分的调制信号，如图解调出含有直流成分的调制信号，如图6-8所所示。示。插入正交导频时接收端解调出不含直流成分的调制信号，插入非正交6.3 实做做项目目与与教教学学情情境境实做项目一：用实做项目一：用SystemView软件进行定时脉冲仿真。软件进行定时脉冲仿真。目的要求：通过使用目的要求：通过使用SystemView软件，产生定时脉冲，理软件，产生定时脉冲，理解定时的作用。解定时的作用。实做项目二：用实做项目二：用SystemView软件进行同步仿真。软件进行同步仿真。目的要求：通过软件仿真，直观理解各种同步过程。目的要求：通过软件仿真，直观理解各种同步过程。6.3 实做项目与教学情境实做项目一：用SystemView