西电《通信原理》课件第十一章

第十一章第十一章 同步原理同步原理内容提要内容提要11.1 概述概述 11.2 载波同步载波同步11.3 位同步位同步11.4 群同步群同步作业：作业：1、2、3、4、5、7、8、9211.1 概述概述n同步是数字通信系统，以及某些采用相干解调的模拟通信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。系统中一个重要的实际问题。n本章主要讨论同步的基本原理，实现方法，同步的性能指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。标及其对通信系统性能的影响。n按照同步的按照同步的作用作用分为：分为：n载波同步载波同步n位同步位同步n群同步群同步n网同步网同步 3载波同步载波同步n载波同步是指在载波同步是指在相干解调相干解调时，接收端需要提供一个与接收时，接收端需要提供一个与接收信号中的调制载波信号中的调制载波同频同相同频同相的相干载波。的相干载波。n这个载波的获取称为载波提取或载波同步。这个载波的获取称为载波提取或载波同步。n在第在第4章的模拟调制以及第章的模拟调制以及第 7 章的数字调制学习过程中，章的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。我们了解到要想实现相干解调，必须有相干载波。n载波同步是实现相干解调的先决条件。载波同步是实现相干解调的先决条件。n模拟通信或数字通信，相干解调需要。模拟通信或数字通信，相干解调需要。4位同步位同步n位同步又称码元同步。位同步又称码元同步。n在数字通信系统中，任何消息都是通过一连串码元序列传在数字通信系统中，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。恰当的时刻进行取样判决。n这就要求接收端必须提供一个位定时脉冲序列，这就要求接收端必须提供一个位定时脉冲序列，n该序列的该序列的重复频率与码元速率相同重复频率与码元速率相同，n相位与最佳取样判决时刻一致相位与最佳取样判决时刻一致。n我们把提取这种定时脉冲序列的过程称为位同步。我们把提取这种定时脉冲序列的过程称为位同步。n数字通信需要，基带或频带传输均需要位同步。数字通信需要，基带或频带传输均需要位同步。5群同步群同步n群同步包含字同步、句同步、分路同步，它有时也称群同步包含字同步、句同步、分路同步，它有时也称帧同帧同步步。n在数字通信中，信息流是用若干码元组成一个在数字通信中，信息流是用若干码元组成一个“字字”，又又用若干个用若干个“字字”组成组成“句句”。n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”的的起止时刻，否则接收端无法正确恢复信息。起止时刻，否则接收端无法正确恢复信息。n对于数字时分多路通信系统，如对于数字时分多路通信系统，如PCM30/32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。各路信码都安排在指定的时隙内传送，形成一定的帧结构。为了使接收端能正确分离各路信号，在发送端必须提供每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，在接收端检测并获取这一标志的过程，称帧的起止标记，在接收端检测并获取这一标志的过程，称为帧同步。为帧同步。n在接收端产生与在接收端产生与“字字”、“句句”及及“帧帧”起止时刻相一致起止时刻相一致的定时脉冲序列的过程统称为群同步。的定时脉冲序列的过程统称为群同步。6网同步网同步n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，两两点间的数字通信就可以有序、准确、可靠地进行了。点间的数字通信就可以有序、准确、可靠地进行了。n然而，然而，随着数字通信的发展，尤其是计算机通信的发展，随着数字通信的发展，尤其是计算机通信的发展，多个用户之间的通信和数据交换，构成了多个用户之间的通信和数据交换，构成了数字通信网数字通信网。n显然，为了保证通信网内各用户之间可靠地通信和数据交显然，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，这就是网同步换，全网必须有一个统一的时间标准时钟，这就是网同步的问题。的问题。7n按照获取和传输同步信息方式的不同，又可分为按照获取和传输同步信息方式的不同，又可分为n外同步法外同步法n自同步法自同步法n外同步法外同步法由发送端发送专门的同步信息（常被称为由发送端发送专门的同步信息（常被称为导频导频），接收端把这个导频提取出来作为同步信号的方），接收端把这个导频提取出来作为同步信号的方法法 n自同步法自同步法发送端不发送专门的同步信息，接收端设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法从收到的信号中提取同步信息的方法n自同步法是人们最希望的同步方法，因为可以把全部功自同步法是人们最希望的同步方法，因为可以把全部功率和带宽分配给信号传输。在载波同步和位同步中，两率和带宽分配给信号传输。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的应用。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。而群同步一般都采用外同步法。811.2 载波同步载波同步n直接法（自同步法）直接法（自同步法）n这种方法是设法从接收信号中提取同步载波。这种方法是设法从接收信号中提取同步载波。n有些信号，如有些信号，如DSB-SC、PSK等，它们虽然本身不直接含等，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，将具有有载波分量，但经过某种非线性变换后，将具有载波的谐载波的谐波分量波分量，因而可从中提取出载波分量来。，因而可从中提取出载波分量来。n平方变换法平方变换法n平方环法平方环法9平方变换法平方变换法n设调制信号设调制信号m(t)无直流分量，则抑制载波的双边带信号为无直流分量，则抑制载波的双边带信号为n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器件后得到平方律器件后得到n若用一窄带滤波器将频率分量若用一窄带滤波器将频率分量 滤出，再进行二分频，滤出，再进行二分频，就可获得所需的相干载波就可获得所需的相干载波 n若若m(t)=1，则抑制载波的双边带信号就成为二相移相，则抑制载波的双边带信号就成为二相移相信号（信号（2PSK）有直流有直流10平方变换法提取载波平方变换法提取载波 11n在实际中，伴随信号一起进入接收机的还有加性高斯白噪在实际中，伴随信号一起进入接收机的还有加性高斯白噪声，声，n为了改善平方变换法的性能，使恢复的相干载波更为纯净，为了改善平方变换法的性能，使恢复的相干载波更为纯净，n窄带滤波器常用锁相环（窄带滤波器常用锁相环（PLL）代替，构成平方环法提取）代替，构成平方环法提取载波。载波。n由于锁相环具有良好的跟踪、窄带滤波和记忆功能，平方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。因此，平方环环法比一般的平方变换法具有更好的性能。因此，平方环法提取载波得到了较广泛的应用。法提取载波得到了较广泛的应用。12平方环法提取载波平方环法提取载波13n2PSK信号平方后得到信号平方后得到n设设g(t)为矩形脉冲为矩形脉冲n假设环路锁定，假设环路锁定，VCO的频率锁定在的频率锁定在 频率上，其输出信频率上，其输出信号为：号为：n经鉴相器（由相乘器和低通滤波器组成）后输出的经鉴相器（由相乘器和低通滤波器组成）后输出的误差电误差电压压为为n为相位差为相位差n环路锁定之后，环路锁定之后，一个很小的量一个很小的量n因此因此VCO 的输出经过二分频后，就是所需的相干载波。的输出经过二分频后，就是所需的相干载波。鉴相灵敏度，是一个常数鉴相灵敏度，是一个常数 14n应当注意，载波提取的方框图中用了一个二分频电路应当注意，载波提取的方框图中用了一个二分频电路.n由于分频起点的不确定性，使其输出的载波相对于接收信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号相位有180o的相位模糊。的相位模糊。n分频也分相分频也分相n相位模糊对模拟通信关系不大，因为人耳听不出相位的变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。但它有可能使化。但它有可能使2PSK相干解调后出现相干解调后出现“反向工作反向工作”的的问题。问题。n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（是采用相对移相（2DPSK）。）。15同相正交环法同相正交环法n同相正交环法又叫科斯塔斯（同相正交环法又叫科斯塔斯（Costas）环。）环。n压控振荡器（压控振荡器（VCO）提供两路互为）提供两路互为正交的载波正交的载波，与输入接，与输入接收信号分别在同相和正交两个鉴像器中进行鉴相，经低通收信号分别在同相和正交两个鉴像器中进行鉴相，经低通滤波之后的输出均含调制信号滤波之后的输出均含调制信号n两者相乘后可以消除调制信号的影响，经环路波器得到仅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。调整。16Costas 环法提取载波环法提取载波17n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 n假定环路锁定假定环路锁定，VCO的输出为：的输出为：n为为VCO输出信号与输入已调信号载波之间的相位误差输出信号与输入已调信号载波之间的相位误差同步载波同步载波18n经低通滤波后分别为：经低通滤波后分别为：n环路锁定后，环路锁定后，很小：很小：nV5,v6相乘产生误差信号相乘产生误差信号n经环路滤波器（低通滤波，直流分量通过）经环路滤波器（低通滤波，直流分量通过）解调输出解调输出19nCostas环与平方环具有相同的鉴相特性环与平方环具有相同的鉴相特性曲线曲线n （n为任意整数）为为任意整数）为PLL的稳定平衡点。的稳定平衡点。nPLL工作时可能锁定在任何一个稳定平衡点上工作时可能锁定在任何一个稳定平衡点上。n考虑到在周期考虑到在周期 内内取值可能为取值可能为0或或 ，这意味着恢复，这意味着恢复出的载波可能与理想载波同相，也可能反相。出的载波可能与理想载波同相，也可能反相。n这种相位关系的不确定性，称为这种相位关系的不确定性，称为0，的相位模糊度。的相位模糊度。n这是用这是用PLL从抑制载波的双边带信号（从抑制载波的双边带信号（2PSK或或DSB）中）中提取载波时不可避免的共同问题。提取载波时不可避免的共同问题。n不但在上述两种环路中存在，在其他类型的载波恢复环路不但在上述两种环路中存在，在其他类型的载波恢复环路中，也同样存在；中，也同样存在；n不但在不但在2PSK 时存在，在多相移相信号（时存在，在多相移相信号（MPSK）也同样）也同样存在相位模糊度问题存在相位模糊度问题20鉴相特性曲线鉴相特性曲线21平方环法与科斯塔斯环法的比较平方环法与科斯塔斯环法的比较n（1）Costas环与平方环相比，虽然在电路上要复杂一些，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Costas环易于实现；环易于实现；n（2）当环路正常锁定后，当环路正常锁定后，Costas环可直接获得解调输出，环可直接获得解调输出，而平方环则没有这种功能。而平方环则没有这种功能。22多相移相信号（多相移相信号（MPSK）的载波提取）的载波提取n当数字信息通过载波的当数字信息通过载波的M相调制发送时，可将上述方法推相调制发送时，可将上述方法推广，以获取同步载波。广，以获取同步载波。n 一种基于平方变换法或平方环法的推广，是一种基于平方变换法或平方环法的推广，是M次方变换法次方变换法或或M方环法。方环法。n如：从如：从4PSK信号中提取同步载波的四次方环，其鉴相器信号中提取同步载波的四次方环，其鉴相器输出的误差电压为输出的误差电压为n稳定平衡点稳定平衡点为为 即有即有 稳定稳定工作点。这种现象称为四重相位模糊度，或称工作点。这种现象称为四重相位模糊度，或称90的相位的相位模糊。模糊。nM次方环具有次方环具有M重相位模糊度，即重相位模糊度，即360/M的相位模糊。的相位模糊。n解决的方法是采用解决的方法是采用MDPSK。23M方变换法提取载波方变换法提取载波24M方环提取载波方环提取载波25插入导频法插入导频法n抑制载波的双边带信号（如抑制载波的双边带信号（如DSB、等概的、等概的2PSK）本身不）本身不含有载波；含有载波；n残留边带（残留边带（VSB）信号虽含有载波分量，但很难从已调信）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；号的频谱中把它分离出来；n单边带（单边带（SSB）信号，没有载波分量）信号，没有载波分量n可以用插入导频法（外同步法）可以用插入导频法（外同步法）n导频导频n含有载波信息的单频信号（与载波有关，或者就是含有载波信息的单频信号（与载波有关，或者就是载波频率）载波频率）n插入导频插入导频在已调信号频谱中额外插入在已调信号频谱中额外插入一个低功率的线一个低功率的线谱，以便接收端作为载波同步信号加以恢复，此线谱对应谱，以便接收端作为载波同步信号加以恢复，此线谱对应的正弦波称为导频信号。的正弦波称为导频信号。26在抑制载波的在抑制载波的DSB中插入导频中插入导频（频域）（频域）n插入导频应注意：插入导频应注意：n在已调信号频谱中的在已调信号频谱中的零点插入零点插入导频，且要求其附近的信导频，且要求其附近的信号频谱分量尽量小号频谱分量尽量小n导频的插入导频的插入不应超出信号频谱的范围不应超出信号频谱的范围（主瓣），以避免（主瓣），以避免增加带宽增加带宽n一般在载频处插入，使用一般在载频处插入，使用正交载波（相移正交载波（相移90o）n对于模拟调制中的对于模拟调制中的DSB或或SSB信号，在载频信号，在载频 附近信号频谱附近信号频谱为为0；n对于数字调制中的对于数字调制中的2PSK或或2DPSK信号，在信号，在 附近的频谱不附近的频谱不但有，而且比较大，因此对这样的信号，在调制以前先对但有，而且比较大，因此对这样的信号，在调制以前先对基带信号进行相关编码基带信号进行相关编码n相关编码的作用是相关编码的作用是对基带信号进行频谱变换对基带信号进行频谱变换27相关编码进行频谱变换相关编码进行频谱变换对基带信号进行频谱变换对基带信号进行频谱变换28抑制载波双边带信号的导频插入抑制载波双边带信号的导频插入频域插入导频频域插入导频29插入导频法发端框图插入导频法发端框图导频导频30插入导频法收端框图插入导频法收端框图相干解调相干解调31以正交载波作为导频的原因以正交载波作为导频的原因n调制器的输出信号：调制器的输出信号：n解调解调器的器的输出为输出为：经经LPF后滤除后滤除解调解调后的有用信号后的有用信号32n若不用正交载波，则：若不用正交载波，则：n解调解调器的器的输出为输出为：解调解调后的有用信号后的有用信号直流分量，不需要直流分量，不需要经经LPF后滤除后滤除使用正交载波，是为了避免使用正交载波，是为了避免解调输出的附加直流分量对解调输出的附加直流分量对数字信号产生影响数字信号产生影响33时域插入导频时域插入导频n时域插入导频方法是按照一定的时间顺序，在指定的时间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。内发送载波标准，即把载波标准插到每帧的数字序列中。n这种插入的结果只是在每帧的一小段时间内才出现载波标这种插入的结果只是在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。准，在接收端应用控制信号将载波标准取出。n从理论上讲可以用窄带滤波器直接取出这个载波，但实际从理论上讲可以用窄带滤波器直接取出这个载波，但实际上是困难的，这是因为导频在时间上是断续传送的，并且上是困难的，这是因为导频在时间上是断续传送的，并且只在很小一部分时间存在，只在很小一部分时间存在，用窄带滤波器取出这个间断的用窄带滤波器取出这个间断的载波是不能应用的。载波是不能应用的。n时域插入导频法常用锁相环来提取同步载波时域插入导频法常用锁相环来提取同步载波3435载波同步系统的性能载波同步系统的性能 n载波同步系统的性能指标主要有效率、精度、同步建立时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、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。同步建立时间快，保持时间长。n高效率高效率指为了获得载波信号而尽量少消耗发送功率。指为了获得载波信号而尽量少消耗发送功率。n直接法由于不需要专门发送导频，因而效率高直接法由于不需要专门发送导频，因而效率高n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。一些。n高精度高精度指接收端提取的载波与需要的载波标准比较，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。如需要的同步载波应该有尽量小的相位误差。如需要的同步载波 ，提取的同步载波为提取的同步载波为 ，就是载波相位误差。就是载波相位误差。n 通常分为稳态相差通常分为稳态相差 和随机相差和随机相差 两部分，即两部分，即36n同步建立时间同步建立时间ts n指从开机或失步到同步所需要的时间。指从开机或失步到同步所需要的时间。nts显然越小越好。显然越小越好。n同步保持时间同步保持时间tcn指同步建立后，若同步信号消失，系统还指同步建立后，若同步信号消失，系统还能维持同步的时间能维持同步的时间n tc越大越好。越大越好。37载波相位误差对解调性能的影响载波相位误差对解调性能的影响 n相位误差对不同信号的解调所带来的影响是不同的。相位误差对不同信号的解调所带来的影响是不同的。n DSB信号为：信号为：n所提取的相干载波为所提取的相干载波为：n解调输出为：解调输出为：n经经LPF：n若存在相位差，即若存在相位差，即 时，时，解调后信号，解调后信号幅度下降，使信噪功率比下降幅度下降，使信噪功率比下降 倍。倍。38n对于对于2PSK信号，信噪功率比下降将使误码率增加。信号，信噪功率比下降将使误码率增加。n若若 时，时，n则则 时时39n下面分析单边带信号。下面分析单边带信号。n设单音基带信号设单音基带信号n单边带信号取上边带单边带信号取上边带n所提取的相干载波为所提取的相干载波为n解调器的输出为：解调器的输出为：40 n经经LPF：n若用来传输数字信号，波形失真会产生码间串扰，使误码若用来传输数字信号，波形失真会产生码间串扰，使误码率大大增加，率大大增加，41使信噪比下降使信噪比下降 使恢复的基带信号使恢复的基带信号波形失真波形失真 11.3 位同步位同步n载波同步是相干解调的基础，不论模拟通信还是数字通信载波同步是相干解调的基础，不论模拟通信还是数字通信只要是采用相干解调都需要载波同步。只要是采用相干解调都需要载波同步。n在基带传输时没有载波同步问题在基带传输时没有载波同步问题n位同步是指在接收端的基带信号中提取码元定时的过程。位同步是指在接收端的基带信号中提取码元定时的过程。n位同步是正确取样判决的基础，只有数字通信才需要。位同步是正确取样判决的基础，只有数字通信才需要。n对位同步信号的对位同步信号的要求要求n位同步脉冲的频率位同步脉冲的频率=码元速率码元速率n位置（相位）对准最佳抽样判决时刻，可能在码元中间，位置（相位）对准最佳抽样判决时刻，可能在码元中间，也可能在码元终止时刻或其他时刻。也可能在码元终止时刻或其他时刻。n实现方法有实现方法有n插入导频法（外同步）插入导频法（外同步）n直接法（自同步）。直接法（自同步）。42插入导频法插入导频法n在基带信号频谱的在基带信号频谱的零点处插入零点处插入所需的位定时导频信号所需的位定时导频信号 n要求要求插入导频不应超出信号频谱的范围插入导频不应超出信号频谱的范围43双极性不归零基带信号的功率谱双极性不归零基带信号的功率谱经某种相关变换的基带信号经某种相关变换的基带信号所提取的导频需经倍频后，所提取的导频需经倍频后，才得所需的位同步脉冲才得所需的位同步脉冲插入位定时导频系统框图插入位定时导频系统框图4445从信号中消去插入导频从信号中消去插入导频 倍频倍频使进入取样判决器的基使进入取样判决器的基带信号没有插入导频。带信号没有插入导频。这样做是为了避免插入这样做是为了避免插入导频对取样判决的影响导频对取样判决的影响 反相相消反相相消包络调制法包络调制法n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，使其包络数字已调信号进行附加的幅度调制，使其包络随着位包络随着位同步信号波形变化同步信号波形变化n在接收端只要进行包络检波，就可以形成位同步信号在接收端只要进行包络检波，就可以形成位同步信号n设移相键控的表达式为：设移相键控的表达式为：n含有位同步信号的某种波形含有位同步信号的某种波形 对对 进行幅度调制进行幅度调制n幅度调制后的信号为幅度调制后的信号为 46调幅调相波调幅调相波n接收端对接收端对 进行包络检波，包络检波器的输出为进行包络检波，包络检波器的输出为n除去直流分量后，就可获得位同步信号除去直流分量后，就可获得位同步信号 n还可以在时域内插入导频还可以在时域内插入导频 n常用锁相环来提取位同步信息常用锁相环来提取位同步信息47直接法直接法n发端不专门发送导频信号，而直接从接收的数字信号中提发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最广泛的应取位同步信号。这种方法在数字通信中得到了最广泛的应用。用。n直接提取位同步的方法又分直接提取位同步的方法又分n滤波法滤波法n波形变换波形变换滤波法滤波法n包络检波包络检波滤波法滤波法n锁相环锁相环法法49波形变换波形变换滤波法滤波法n不归零的随机二进制序列，不论是单极性还是双极性的，不归零的随机二进制序列，不论是单极性还是双极性的，当当P(0)=P(1)=1/2时，都没有时，都没有f=1/Ts，2/Ts等线谱，因等线谱，因而不能直接滤出而不能直接滤出f=1/Ts的位同步信号分量。的位同步信号分量。n若对该信号进行某种变换，例如，变成归零的单极性脉冲，若对该信号进行某种变换，例如，变成归零的单极性脉冲，其谱中含有其谱中含有f=1/Ts的分量，然后用窄带滤波器取出该分量，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。再经移相调整后就可形成位定时脉冲。50包络检波包络检波滤波法滤波法n是一种从频带受限的中频是一种从频带受限的中频PSK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n当接收端带通滤波器的带宽小于信号带宽时，使频带受限的当接收端带通滤波器的带宽小于信号带宽时，使频带受限的2PSK信号在相邻码元相位反转点处形成幅度的信号在相邻码元相位反转点处形成幅度的“陷落陷落”，如图（如图（a）所示）所示n经包络检波后得到图（经包络检波后得到图（b）所示的波形。它可看成是一直流）所示的波形。它可看成是一直流与图与图（c）所示的波形相减。）所示的波形相减。n而图（而图（c）波形是具有一定脉冲形状的归零脉冲序列，含有位）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，同步的线谱分量，可用窄带滤波器取出。可用窄带滤波器取出。51从从2PSK信号中提取位同步信息信号中提取位同步信息52锁相环法锁相环法n把采用锁相环来提取位同步信号的方法称为把采用锁相环来提取位同步信号的方法称为锁相法锁相法。n在接收端利用鉴相器比较接收码元和本地产生的位同步信号在接收端利用鉴相器比较接收码元和本地产生的位同步信号的相位，若两者相位不一致（超前或滞后），鉴相器就产生的相位，若两者相位不一致（超前或滞后），鉴相器就产生误差信号去调整位同步信号的相位，直至获得准确的位同步误差信号去调整位同步信号的相位，直至获得准确的位同步信号为止。信号为止。n模拟锁相法模拟锁相法环路中误差信号去连续地调整位同步信号的相位环路中误差信号去连续地调整位同步信号的相位n数字锁相环数字锁相环采用高稳定度的振荡器（信号钟），从鉴相器所获得采用高稳定度的振荡器（信号钟），从鉴相器所获得的误差信号不是直接用于调整振荡器，而是通过一个控制器在信号钟的误差信号不是直接用于调整振荡器，而是通过一个控制器在信号钟输出的脉冲序列中输出的脉冲序列中附加或扣除一个或几个脉冲附加或扣除一个或几个脉冲，这样同样可以调整加，这样同样可以调整加到减相器上的位同步脉冲序列的相位，达到同步的目的。到减相器上的位同步脉冲序列的相位，达到同步的目的。n由于这种环路对位同步信号相位的调整不是连续的，由于这种环路对位同步信号相位的调整不是连续的，而是存而是存在一个最小的调整单位，也就是说对位同步信号相位进行量在一个最小的调整单位，也就是说对位同步信号相位进行量化调整，故这种位同步环又称为化调整，故这种位同步环又称为量化同步器量化同步器。53数字锁相原理框图数字锁相原理框图54控制器控制器计数器计数器 信号钟信号钟 n信号钟信号钟包括一个高稳定度的振荡器（晶体）和整形电包括一个高稳定度的振荡器（晶体）和整形电路。若接收码元的速率为路。若接收码元的速率为F=1/Ts，那么振荡器频率设定，那么振荡器频率设定在在nF，经整形电路之后，输出周期性脉冲序列，其周期，经整形电路之后，输出周期性脉冲序列，其周期 n控制器控制器根据比相器输出的控制脉冲（根据比相器输出的控制脉冲（“超前脉冲超前脉冲”或或“滞后脉冲滞后脉冲”）对信号钟输出的序列实施）对信号钟输出的序列实施扣除扣除（或（或添加添加）脉冲脉冲n分频器分频器是一个计数器，每当控制器输出是一个计数器，每当控制器输出n个脉冲时，个脉冲时，它就输出一个脉冲。控制器与分频器的共同作用的结果就它就输出一个脉冲。控制器与分频器的共同作用的结果就调整了加至比相器的位同步信号的相位调整了加至比相器的位同步信号的相位n相位比较器（鉴相器）相位比较器（鉴相器）将位同步信号与接收码元序列将位同步信号与接收码元序列进行相位比较，进行相位比较，n若位同步信号超前于接收码元序列若位同步信号超前于接收码元序列输出超前脉冲输出超前脉冲n若位同步信号滞后于接收码元序列若位同步信号滞后于接收码元序列输出滞后脉冲输出滞后脉冲55位同步脉冲的相位调整位同步脉冲的相位调整 56位同步系统的性能位同步系统的性能n结合数字锁相环进行分析结合数字锁相环进行分析n相位误差相位误差n位同步信号的平均相位和最佳相位之间的偏差称为静态位同步信号的平均相位和最佳相位之间的偏差称为静态相差相差 n相位误差主要是由于位同步脉冲的相位在跳变地调整所相位误差主要是由于位同步脉冲的相位在跳变地调整所引起的引起的n最大的相位误差为最大的相位误差为:n若用时间差若用时间差Te来表示相位误差来表示相位误差:57同步建立时间同步建立时间n同步建立时间同步建立时间tsn是指开机或失去同步后重新建立同步所需的最长时间。是指开机或失去同步后重新建立同步所需的最长时间。n当位同步脉冲相位与接收基准相位差当位同步脉冲相位与接收基准相位差（对应时间（对应时间Ts/2）时，）时，调整时间最长。调整时间最长。n这时所需的最大调整次数为这时所需的最大调整次数为n接收码元是随机的，对二进制码而言，接收码元是随机的，对二进制码而言，n相邻两个码元（相邻两个码元（01、10、11、00）中，有或无过零点的情况各占）中，有或无过零点的情况各占一半。一半。n数字锁相法中都是从数据过零点中提取作比相用的基准脉冲的，因数字锁相法中都是从数据过零点中提取作比相用的基准脉冲的，因此平均来说，每两个脉冲周期（此平均来说，每两个脉冲周期（2Ts）可能有一次调整，所以同步建）可能有一次调整，所以同步建立时间为立时间为58同步保持时间同步保持时间n同步保持时间同步保持时间tcn当同步建立后，一旦输入信号中断，或出现长连当同步建立后，一旦输入信号中断，或出现长连“0”、连、连“1”码时，锁相环就失去调整作用。码时，锁相环就失去调整作用。n由于收发双方位定时脉冲的固有重复频率之间总存在频差由于收发双方位定时脉冲的固有重复频率之间总存在频差F，收端同步信号的相位就会逐渐发生漂移，漂移量达到，收端同步信号的相位就会逐渐发生漂移，漂移量达到某一准许的最大值，就算失去同步了。某一准许的最大值，就算失去同步了。n由同步到失步所需要的时间，称为同步保持时间。由同步到失步所需要的时间，称为同步保持时间。59同步带宽同步带宽n同步带宽同步带宽n是指能够调整到同步状态所允许的收、发振荡器最大是指能够调整到同步状态所允许的收、发振荡器最大频差。频差。60位同步相位误差对性能的影响位同步相位误差对性能的影响n位同步的相位误差位同步的相位误差e主要是造成位定时脉冲的位移，主要是造成位定时脉冲的位移，使抽样使抽样判决时刻偏离最佳位置。判决时刻偏离最佳位置。n在第在第5、7章推导的误码率公式，都是在最佳抽样判决时刻得章推导的误码率公式，都是在最佳抽样判决时刻得到的。当位同步存在相位误差到的。当位同步存在相位误差e（或（或Te）时，必然使误码率）时，必然使误码率Pe增大。增大。n用时差用时差Te代替相差代替相差e对系统误码率的影响。对系统误码率的影响。n假设采用匹配滤波器法检测，即对基带信号进行积分、取样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。和判决。n若位同步脉冲有相位误差若位同步脉冲有相位误差Te，则脉冲的取样时刻就会偏离信，则脉冲的取样时刻就会偏离信号能量的最大点。号能量的最大点。6162n可以看到，相邻码元的极性无交变时，位同步的相位误差可以看到，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个码元能量E，图（，图（c）中的）中的t4和和t6时刻就是这种情况。时刻就是这种情况。n而当相邻码元的极性交变时，位同步的相位误差使取样点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，如图的积分能量减小，如图t3点的值只是（点的值只是（T-2Te）时间内的）时间内的积分值。由于积分能量与时间成正比，故积分能量减小为积分值。由于积分能量与时间成正比，故积分能量减小为63n所以相邻码元无变化时，仍按原来相应的误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。比（或能量）下降后计算。6411.4 群同步群同步n数字通信时，一般总是以若干个码元组成一个字，若干个数字通信时，一般总是以若干个码元组成一个字，若干个字组成一个句，即组成一个个的字组成一个句，即组成一个个的“群群”进行传输。进行传输。n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、帧群（字、句、帧“开头开头”和和“结尾结尾”的时刻），使接收设的时刻），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。备的群定时与接收到的信号中的群定时处于同步状态。n采用外同步法采用外同步法n起止式同步法起止式同步法n插入插入特殊同步码组特殊同步码组的同步法的同步法n一种为连贯式插入法一种为连贯式插入法n间隔式插入法。间隔式插入法。65起止式同步法起止式同步法n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。n在电传机中，常用的是五单位码。在电传机中，常用的是五单位码。n为标志每个字的开头和结尾，在五单位码的前后分别加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）和上一个单位的起码（低电平）和1.5个单位的止码（高个单位的止码（高电平），共电平），共7.5个码元组成一个字。个码元组成一个字。n收端根据高电平第一次转到低电平这一特殊标志来确定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。一个字的起始位置，从而实现字同步。n码元的非整数倍码元的非整数倍n传输效率较低。传输效率较低。66连贯式插入法连贯式插入法n连贯插入法，又称集中插入法。它是指在每一信息群的开连贯插入法，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。头集中插入作为群同步码组的特殊码组。n特殊码组特殊码组如全如全“0”码，全码，全“1”码，码，“1”“0”交替码，巴克交替码，巴克码等码等n 电话基群帧同步码电话基群帧同步码n对该码组的基本要求是：对该码组的基本要求是：n局部自相关函数具有尖锐单峰特性局部自相关函数具有尖锐单峰特性n便于与信息码区别便于与信息码区别n码长适当，识别电路简单码长适当，识别电路简单n常用群同步码组是巴克码常用群同步码组是巴克码67巴克码巴克码n巴克码是一种有限长的非周期序列。巴克码是一种有限长的非周期序列。n一个一个n位长的码组位长的码组 n其中其中xi的取值为的取值为+1或或1 n若它的局部相关函数满足：若它的局部相关函数满足：n则称这种码组为巴克码则称这种码组为巴克码68巴克码组巴克码组69n巴克码组2 (11)3 （110）4(1110)；(1101)5(11101)7(1110010)11(11100010010)13(1111100110101)n以以7位巴克码组位巴克码组+-+-为例，它的局部自相关函为例，它的局部自相关函数如下：数如下：n当当j=0时，时，n当当j=1时，时，nj=3，5，7时时R（j）=0，nj=2，4，6时时R（j）=-1 n由图可见，其自相关函数在由图可见，其自相关函数在j=0时具有尖锐的单峰特性。时具有尖锐的单峰特性。707位巴克码的自相关函数位巴克码的自相关函数71巴克码识别器巴克码识别器n识别器实际上是对输入端巴克码进行相关运算识别器实际上是对输入端巴克码进行相关运算n用用7级移位寄存器、相加器和判决器就可以组成一级移位寄存器、相加器和判决器就可以组成一个巴克码识别器。个巴克码识别器。n当输入码元的当输入码元的“1”进入某移位寄存器时进入某移位寄存器时n1端输出电平为端输出电平为+1n0端输出电平为端输出电平为-1。n当输入码元的当输入码元的“0”进入某移位寄存器时进入某移位寄存器时n0端输出电平为端输出电平为+1n1端输出电平为端输出电平为-1。n各移位寄存器输出端的接法与巴克码的规律一致各移位寄存器输出端的接法与巴克码的规律一致n只有当只有当7位巴克码在某一时刻正好已全部进入位巴克码在某一时刻正好已全部进入7位位寄存器时，寄存器时，7位移位寄存器输出端都输出位移位寄存器输出端都输出+1，相，相加后得最大输出加后得最大输出+7。7273识别器的输出波形识别器的输出波形74间隔式插入法间隔式插入法n间隔式插入法又称为分散插入法间隔式插入法又称为分散插入法n它是将群同步码以它是将群同步码以分散的形式分散的形式均匀插入信息码流中。这种方式比较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，如多地用在多路数字电路系统中，如PCM 24路基群设备路基群设备n一般都采用一般都采用1、0交替码型作为帧同步码间隔插入的方法。交替码型作为帧同步码间隔插入的方法。即一帧插入即一帧插入“1”码，下一帧插入码，下一帧插入“0”码，如此交替插入。码，如此交替插入。n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，每帧都符合续检测数十帧，每帧都符合“1”、“0”交替的规律才确交替的规律才确认认 同步。同步。n分散插入的最大特点是同步码不占用信息时隙，分散插入的最大特点是同步码不占用信息时隙，每帧的传每帧的传输效率较高，但是同步捕获时间较长，输效率较高，但是同步捕获时间较长，75群同步系统的性能群同步系统的性能n群同步性能主要指标是同步可靠性（包括漏同步概率群同步性能主要指标是同步可靠性（包括漏同步概率P1和假和假同步概率同步概率P2）及同步建立时间）及同步建立时间ts。n下面，我们主要以连贯插入法为例进行分析。下面，我们主要以连贯插入法为例进行分析。n1.漏同步概率漏同步概率P1n由于干扰的影响，由于干扰的影响，接收的同步码组中可能出现一些错误码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。概率称为漏同步概率。n以以n位巴克码识别器为例，位巴克码识别器为例，n设判决门限为设判决门限为6，此时七位巴克码只要有一位码出错，七位巴克码全，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部进入识别器时相加器输出由7变为变为5，因而出现漏同步。，因而出现漏同步。n如果将判决门限由如果将判决门限由6降为降为4，则不会出现漏识别，这时判决器容许七，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。位巴克码中有一位错码出错。76n每个码元的错误概率为每个码元的错误概率为Pn每个码元的正确概率为（每个码元的正确概率为（1-P）n帧同步码组的码长为帧同步码组的码长为nn识别器允许允许码组中的错误码元最大数识别器允许允许码组中的错误码元最大数mn若若 m=0，未漏概率为（，未漏概率为（1-p）n P1=1-（1-p）n nn（1-p）n P1n降低漏同步概率，要求减小码长降低漏同步概率，要求减小码长nn若若 m=1，至多允许错一个（，至多允许错一个（1个或个或0个）个）n未漏概率未漏概率n漏同步概率漏同步概率77n若若 m=2，至多允许错二个（，至多允许错二个（0个、个、1个或个或2个）个）n未漏概率未漏概率n漏同步概率漏同步概率nn未漏概率为未漏概率为 n漏同步概率为：漏同步概率为：782.假同步概率假同步概率P2n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生这种情况的概率称为假同步概率P2。n假同步概率是信息码元中能判为同步码组的组合数与所有可假同步概率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之比。能的码组数之比。nn位长的所有可能的码组数为位长的所有可能的码组数为2n个，而其中能被判为同步码个，而其中能被判为同步码组的组合数显然与组的组合数显然与m有关。有关。nm=0 可见可见n P2 nm=1 79n可见：可见：m P1 m P1 n 门限降低门限降低 P2 门限升高门限升高 P2 nP1、P2 两者对判决门限电平的要求是矛盾的两者对判决门限电平的要求是矛盾的n码长码长 n P1 n P2 n因此：码长因此：码长n选取合适选取合适n允许错误的码元位数允许错误的码元位数m（或门限）（或门限）可调整可调整n群同步的保护群同步的保护80群同步的保护群同步的保护n同步系统的稳定可靠对于通信设备是十分重要的。同步系统的稳定可靠对于通信设备是十分重要的。n为了保证同步系统的性能可靠，就必须要求漏同步概率为了保证同步系统的性能可靠，就必须要求漏同步概率P1和和假同步概率假同步概率P2都要低，但这一要求对识别器判决门限的选择都要低，但这一要求对识别器判决门限的选择是矛盾的。是矛盾的。n我们希望在同步建立时，应尽量防止假同步混入；我们希望在同步建立时，应尽量防止假同步混入；n在建立同步后，要防止真同步漏掉。在建立同步后，要防止真同步漏掉。n因此，我们把同步过程分为两种不同的状态，以便在不同状因此，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。步和假同步的目的。n捕捉态：判决门限提高，即捕捉态：判决门限提高，即m减小，使假同步概率减小，使假同步概率P2下降下降n 宁漏勿假宁漏勿假n维持态：判决门限降低，即维持态：判决门限降低，即m增大，使漏同步概率增大，使漏同步概率P1下降下降n 宁假勿漏宁假勿漏81同步平均建立时间同步平均建立时间tsn连贯式插入法连贯式插入法n假设漏同步和假同步都不出现，在最不利的情况，实现群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。设每群的码元数为同步最多需要一群的时间。设每群的码元数为N（其中（其中n位位为群同步码），每码元的时间宽度为为群同步码），每码元的时间宽度为T，则一群的时间为，则一群的时间为NT。n在建立同步过程中，如出现一次漏同步，则建立时间要增在建立同步过程中，如出现一次漏同步，则建立时间要增加加NT；n如出现一次假同步，建立时间也要增加如出现一次假同步，建立时间也要增加NT，n因此，帧同步的平均建立时间为因此，帧同步的平均建立时间为82谢谢各位同学的配合谢谢各位同学的配合预祝你们取得满意的成绩！预祝你们取得满意的成绩！83