第11章同步原理课件

11.1 载波同步载波同步11.0 引言引言11.2 位同步位同步第十一章 同步原理11.3 帧同步帧同步2024/7/81 1 为使整个通信系统有序、准确、可靠地工为使整个通信系统有序、准确、可靠地工作，收、发必须有一个统一的时间标准，即定作，收、发必须有一个统一的时间标准，即定时系统。依靠定时系统去完成收、发双方时间时系统。依靠定时系统去完成收、发双方时间的一致性，即同步。的一致性，即同步。（数字，模拟）数字，模拟）11.0 引言一、同步的目的一、同步的目的2024/7/82 2 载波同步载波同步：在接收端得到一个与发端同频同相的载：在接收端得到一个与发端同频同相的载波。波。位同步位同步：在接收端产生一个与接收码元频率和相位：在接收端产生一个与接收码元频率和相位吻合的脉冲序列。吻合的脉冲序列。帧同步（群同步）帧同步（群同步）：在接收端产生一个标志每帧首：在接收端产生一个标志每帧首尾的定时脉冲。尾的定时脉冲。网同步网同步：为使数字通信网有一个统一的时间基准而：为使数字通信网有一个统一的时间基准而进行的同步。使整个网有统一时间标准。进行的同步。使整个网有统一时间标准。1、按不同的功用分：、按不同的功用分：二、同步的分类二、同步的分类2024/7/83 3 2、按同步信息传输方式的不同：、按同步信息传输方式的不同：外同步法外同步法：由发端插入专门的同步信息，接收端提取检：由发端插入专门的同步信息，接收端提取检测出同步信息的方法。测出同步信息的方法。自同步法自同步法：收端直接从信号中提取同步信息的方法。：收端直接从信号中提取同步信息的方法。2024/7/84 411.1 载波同步载波同步11.0 引言引言11.2 位同步位同步第十一章 同步原理11.3 帧同步帧同步2024/7/85 511.1 载波同步 直直接接法法也也称称自自同同步步法法，是是指指从从接接收收信信号号中中提提取取同同步步载载波波。有有些些信信号号，如如DSB-SCDSB-SC、PSKPSK等等，它它们们虽虽然然本本身身不不直直接接含含有有载载波波分分量量，但但经经过过某某种种非非线线性性变变换换后后，将将具具有有载载波波的的谐谐波波分分量量，因因而可从中提取出载波分量来。而可从中提取出载波分量来。载波同步是指在相干解调时，接收端需要提供一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个载波的获取称为载波提取或载波同步载波提取或载波同步。一一、直接提取法直接提取法2024/7/86 61、信号中含有载频分量、信号中含有载频分量带通带通 窄带窄带滤波器滤波器 900相移相移低通低通2024/7/87 7非线性变换法非线性变换法2、信号中不含有载频分量、信号中不含有载频分量 1)平方变换法平方变换法带通带通低通低通 平方部件平方部件2分频分频 窄带滤波窄带滤波(t)u0(t)2024/7/88 8 接收端信号：接收端信号：经过平方律器件：经过平方律器件：含含有有载载波波分分量量二二倍倍频频,用用窄窄带带滤滤波波器器滤滤出出后后进进行行二二分分频频，就可获得所需的相干载波。就可获得所需的相干载波。平方变换法提取载波平方变换法提取载波2024/7/89 9 实实际际中中为为了了改改善善平平方方变变换换法法的的性性能能，使使恢恢复复的的相相干干载载波更为纯净，窄带滤波器常用锁相环代替。波更为纯净，窄带滤波器常用锁相环代替。平方环法提取载波平方环法提取载波 锁相环具有良好的跟踪、窄带滤波和记忆功能，平方环法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。因此，平方环法提取载比一般的平方变换法具有更好的性能。因此，平方环法提取载波得到了较广泛的应用。波得到了较广泛的应用。2)平方环法平方环法2024/7/81010多相移相信号（多相移相信号（MPSKMPSK）的载波提取）的载波提取M M 次方环提取载波次方环提取载波2024/7/811113)同相正交环法同相正交环法科斯塔斯科斯塔斯（Costas）环环 压压控控振振荡荡器器（VCOVCO）提提供供两两路路正正交交载载波波，与与输输入入接接收收信信号号分分别别进进行行同同相相和和正正交交鉴鉴相相后后相相乘乘，可可以以消消除除调调制制信信号号的的影影响响，经经环环路路滤滤波波器器得得到到仅仅与与相相位位差差有有关关的的控控制制压压控控，从从而而准准确确地地对对压压控振荡器进行调整。控振荡器进行调整。最终解调输出最终解调输出2024/7/81212平方环和平方环和Costas Costas 环得鉴相特性环得鉴相特性 1 1、CostasCostas环环电电路路上上复复杂杂一一些些，但但它它的的工工作作频频率率即即为为载载波波频率，而平方环的工作频率是载波频率的两倍；频率，而平方环的工作频率是载波频率的两倍；2 2、当当环环路路正正常常锁锁定定后后，CostasCostas环环可可直直接接获获得得解解调调输输出出，而平方环则没有这种功能。而平方环则没有这种功能。存在相位模糊存在相位模糊2024/7/81313多相多相CostasCostas环法的提取载波环法的提取载波2024/7/81414 对于对于不含载频分量不含载频分量的信号，如何在接收端提取的信号，如何在接收端提取出本地载波信号呢？采用的方法之一是在发送端的出本地载波信号呢？采用的方法之一是在发送端的有用载波信号中插入一个导频信号，该导频信号在接收端有用载波信号中插入一个导频信号，该导频信号在接收端被提取出来作为本地载波信号。被提取出来作为本地载波信号。导频信号的设计要考虑在接收端易于分离。在实际使用导频信号的设计要考虑在接收端易于分离。在实际使用中，并不直接插入施加于调制器的那个载波作为导频信号，中，并不直接插入施加于调制器的那个载波作为导频信号，而是将该载波移相而是将该载波移相90后得到所谓的后得到所谓的“正交载波正交载波”再插入。再插入。插入导频法又分为插入导频法又分为频域插入导频法频域插入导频法和和时域插入导频法时域插入导频法。二、插入导频法二、插入导频法2024/7/81515sm(t)=Af(t)cos 0t+asin 0t 例例 DSB信号：信号：1、频域频域插入插入 信号频谱为零的位置插入正交导频信号频谱为零的位置插入正交导频2024/7/81616 sm(t)asin0t相乘调制器带通滤波器相加器振荡器-90相移器 f(t)A f(t)cos0tAcos 0t 采用正交滤波是为了防止恢复出来的原始信号中含有采用正交滤波是为了防止恢复出来的原始信号中含有直流分量。直流分量。频域插入导频法中的导频信号布满了整个时间轴频域插入导频法中的导频信号布满了整个时间轴.2024/7/81717 收端仍采用窄带滤波器将收端仍采用窄带滤波器将asin 0t分离，相移分离，相移/2后成为后成为本地载波。本地载波。发送信号发送信号:(t)=f(t)cos 0t+asin 0t2024/7/81818 时域中的导频信号仅存在于时间轴的一定间隔上。时域中的导频信号仅存在于时间轴的一定间隔上。2、时域插入时域插入位位同同步步帧帧同同步步载载波波同同步步信息信息位位同同步步帧帧同同步步载载波波同同步步信息信息第一帧第一帧第二帧第二帧2024/7/81919 时域插入导频法接收端提取载波时域插入导频法接收端提取载波2024/7/820201、直接法的优缺点直接法的优缺点（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）可以防止插入导频法中导频和信号间由于滤波）可以防止插入导频法中导频和信号间由于滤波 不好而引起的互相干扰，也可以防止信道不理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。想引起导频相位的误差。(3)有的调制系统不能用直接法有的调制系统不能用直接法(如如SSB系统系统).三、直接法和插入法的比较三、直接法和插入法的比较2024/7/821212、插入导频法的优缺点插入导频法的优缺点(1)有单独的导频信号，一方面可以提取同步载波有单独的导频信号，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；另一方面可以利用它作为自动增益控制；(2)有些不能用直接法提取同步载波的调制系统只能有些不能用直接法提取同步载波的调制系统只能 用插入导频法用插入导频法.(3)插入导频法要多消耗一部分不带消息的功率，因此插入导频法要多消耗一部分不带消息的功率，因此 与直接法比较，在总功率相同条件下信噪功率比还与直接法比较，在总功率相同条件下信噪功率比还 要小一些要小一些.2024/7/8222211.1 载波同步载波同步11.0 引言引言11.2 位同步位同步第十一章 同步原理11.3 帧同步帧同步2024/7/8272711.2 位同步对位同步信号要求：对位同步信号要求：*位同步脉冲的频率与发端码元速率相同位同步脉冲的频率与发端码元速率相同*位同步脉冲的相位对准最佳判决时刻位同步脉冲的相位对准最佳判决时刻位同步又称码元同步，位同步又称码元同步，收发码元同步，用以确定接收码元信号收发码元同步，用以确定接收码元信号的取样判决时刻。的取样判决时刻。通常从基带信号中提取定时信号。通常从基带信号中提取定时信号。位同步的方法位同步的方法直接法直接法插入导频法插入导频法*滤波法滤波法*直接从频带信号中直接从频带信号中 提取位同步信号提取位同步信号*PLL提取位同步提取位同步2024/7/82828相加相加调制调制位定时位定时导导 频频信信道道 插入导频法时，一般是在基带数字信号功率谱的零点处插入导频法时，一般是在基带数字信号功率谱的零点处插入所需要的位同步导频信号。插入所需要的位同步导频信号。一、插入导频法一、插入导频法（外同步法）（外同步法）2024/7/82929发送端发送端接收端接收端去除插入载波的影响！去除插入载波的影响！倍频！倍频！2024/7/83030 发送端不专门发送导频信号，而直接从接收的数字发送端不专门发送导频信号，而直接从接收的数字信号中提取位同步信号。这种方法在数字通信中得到了信号中提取位同步信号。这种方法在数字通信中得到了最广泛的应用。最广泛的应用。滤波法滤波法锁相法锁相法波形变换法波形变换法包络检波法包络检波法二、二、直接法（自同步法）直接法（自同步法）2024/7/83131 对没有位同步频率分量的序列，例如不归零二进对没有位同步频率分量的序列，例如不归零二进制单极性序列等，可通过非线性变换使之包含位同步制单极性序列等，可通过非线性变换使之包含位同步分量，然后通过滤波提取。分量，然后通过滤波提取。1)滤波法滤波法-波形变换波形变换2024/7/832322）滤波法包络检波）滤波法包络检波PSK等等信信号号，在在数数据据变变化化时时刻刻产产生生幅幅度度“陷陷落落”，使使包包络络携携带有位同步信息，故可检出。带有位同步信息，故可检出。2024/7/83333 在在接接收收端端利利用用鉴鉴相相器器比比较较接接收收码码元元和和本本地地产产生生的的位位同同步步信信号号的的相相位位，若若两两者者相相位位不不一一致致（超超前前或或滞滞后后），鉴鉴相相器器就就产产生生误误差差信信号号去去调调整整位位同同步步信信号号的的相相位位，直直至至获获得得准准确确的的位位同同步步信信号为止。号为止。2.锁相法锁相法1、连续的调整位同步信号模拟锁相法、连续的调整位同步信号模拟锁相法2、调整不连续，存在最小的调整单位数字锁相法、调整不连续，存在最小的调整单位数字锁相法量化同步器量化同步器2024/7/83434 2)控制器与分频器控制器与分频器:分频器：分频器：n分频，计数式分频分频，计数式分频控制器：加、减脉冲控制器：加、减脉冲 鉴相器：比较位同步输出与输入数据信号的相位，产生鉴相器：比较位同步输出与输入数据信号的相位，产生 误差电压。误差电压。3）1）信号钟：高稳定振荡器信号钟：高稳定振荡器2024/7/8353511.1 载波同步载波同步11.0 引言引言11.2 位同步位同步第十一章 同步原理11.3 帧同步帧同步2024/7/84242 数数字字通通信信时时，一一般般总总是是以以若若干干个个码码元元组组成成一一个个字字，若若干干个个字组成一个句，即组成一个个的字组成一个句，即组成一个个的“群群”进行传输。进行传输。起止式同步法起止式同步法插入特殊同步码组的同步法插入特殊同步码组的同步法连贯式插入法连贯式插入法间隔式插入法间隔式插入法11.3 帧同步(群同步)载波同步解决了同步解调问题；位同步确定数字通信载波同步解决了同步解调问题；位同步确定数字通信中各个码元的抽样判决问题；群同步的任务就是在位同步的中各个码元的抽样判决问题；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）基础上识别出这些数字信息群（字、句、帧）“开头开头”和和“结尾结尾”的时刻。的时刻。2024/7/84343 数数字字电电传传机机中中广广泛泛使使用用的的是是起起止止式式同同步步法法。在在电电传传机机中中 常常用用的的是是五五单单位位码码，标标志志每每个个字字的的开开头头和和结结尾尾。在在五五单单位位码码的的前前后后分分别别加加上上 1 个个单单位位的的起起码码（低低电电平平）和和1.5个个单单位位的的止止码码（高高电电平平），共共7.5个个码码元元组组成成一一个个字字。收收端端根根据据高高电电平平第第一一次次转转到到低低电电平平这这一一特特殊殊标标志志来来确确定定一一个个字字的的起起始始位位置置，从从而而实实现现字字同同步。步。一、一、起止式同步法起止式同步法2024/7/84444 对帧同步码的要求：易于检测，即对帧同步码的要求：易于检测，即具有尖锐单峰特性具有尖锐单峰特性的局部自相关函数的局部自相关函数；同步建立时间短，保持时间长；假、；同步建立时间短，保持时间长；假、漏同步概率小；漏同步概率小；接收端识别器尽量简单接收端识别器尽量简单。漏同步漏同步:未检测出同步码组未检测出同步码组假同步假同步:信息码误认为同步码组信息码误认为同步码组1、集中插入法、集中插入法 帧同步码组检出即可确定帧，但也可能出错，导致帧同步码组检出即可确定帧，但也可能出错，导致:二、特殊同步码组的同步法二、特殊同步码组的同步法2024/7/845452、分散插入法、分散插入法(等间隔插入等间隔插入)优点：同步系统电路较简单，占用时隙少；优点：同步系统电路较简单，占用时隙少；缺点：同步时间长。缺点：同步时间长。常用的帧同步码组有巴克码、伪随机码和脉位码等。常用的帧同步码组有巴克码、伪随机码和脉位码等。这里我们只介绍常用的这里我们只介绍常用的巴克码。巴克码。2024/7/84646巴克码是一种常用群同步码组，其自相关函数：巴克码是一种常用群同步码组，其自相关函数：例例:7位巴克码：位巴克码：+-+-n j=00,1,-1 0jnj表示两序列错开的位数表示两序列错开的位数.1)(6,4,2;0)(7,5,3,1;7)(,0-=jRjjRjjRj3、巴克码、巴克码 自自相相关关函函数数在在j=0时时具具有有尖尖锐锐的的单单峰峰特特性性，这这一一特特性性也也是是连贯式插入群同步码组的重要要求。连贯式插入群同步码组的重要要求。2024/7/84747巴巴 克克 码码 组组 n巴克码组巴克码组2 (11)3 （110）4(1110)；(1101)5(11101)7(1110010)11(11100010010)13(1111100110101)2024/7/84848巴克码的产生巴克码的产生01010101010101输出输出预置线预置线 移位寄存器的级数为巴克码的位数，七位巴克码组由七移位寄存器的级数为巴克码的位数，七位巴克码组由七级移位寄存器组成。各移位寄存器的初始状态预置成巴克码级移位寄存器组成。各移位寄存器的初始状态预置成巴克码组的数字，即。图中的预置状态是从右达到左计的，组的数字，即。图中的预置状态是从右达到左计的，经过七个移位脉冲后，预置的巴克码组就全部从移位经过七个移位脉冲后，预置的巴克码组就全部从移位寄存器的最右端移出去了。寄存器的最右端移出去了。2024/7/84949 用用7级级移移位位寄寄存存器器、相相加加器器和和判判决决器器就就可可以以组组成成一一个个巴巴克克码码识识别器。别器。7 7位巴克码识别器位巴克码识别器 当当输输入入码码元元的的“1”进进入入某某移移位位寄寄存存器器时时，该该移移位位寄寄存存器器的的1端端输输出出电电平平为为+1，0端端输输出出电电平平为为-1。该该识识别别器器实实际际上上是是对对输输入的巴克码进行相关运算。入的巴克码进行相关运算。2024/7/85050识别器的输出波形识别器的输出波形 巴巴克克码码用用于于群群同同步步是是常常见见的的，但但并并不不是是惟惟一一的的，只只要要具具有有良良好好特特性性的的码码组组均均可可用用于于群群同同步步，例例如如PCM30/32路路电电话话基基群的连贯隔帧插入的帧同步码为。群的连贯隔帧插入的帧同步码为。2024/7/85151同步按照功能分可以分为哪几类？按照同步信息的传输方式分为哪几类？（了解每类同步的基本概念）思考题思考题2024/7/85555