第13章同步原理课件

第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/61通通 信信 原原 理理 电电 子子 教教 案案第第1313章章 同步原理同步原理 2023/8/11通 信 原 理 电 子 教 案第13章第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/62数字频带传输通信系统数字频带传输通信系统 p信源编码与译码目的：提高信息传输的有效性完成模/数转换 p信道编码与译码目的：增强抗干扰能力p加密与解密目的：保证所传信息的安全p数字调制与解调目的：形成适合在信道中传输的带通信号 p同步目的：使收发两端的信号在时间上保持步调一致 2023/8/12数字频带传输通信系统信源编码与译码目的：第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/6313.1 13.1 引言引言同步：同步：是指收发双方在时间上保持步调一致。是指收发双方在时间上保持步调一致。同步的分类：同步的分类：载波同步载波同步同频同相相干载波；同频同相相干载波；位位（码元）（码元）同步同步节拍一致、相位可调；节拍一致、相位可调；群同步群同步 帧同步；帧同步；点对点点对点网同步（通信网中用）。网同步（通信网中用）。同步信号来自于接收信号；在通信系统中，通常都是同步信号来自于接收信号；在通信系统中，通常都是要求要求同同步信息传输的可靠性高于信号传输的可靠性。步信息传输的可靠性高于信号传输的可靠性。本章要求本章要求：掌握载波、位、群同步的工作原理和获取方法。掌握载波、位、群同步的工作原理和获取方法。性能及影响作一般了解。性能及影响作一般了解。2023/8/1313.1 引言同步：是指收发双方在时间上第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/64研究的问题：研究的问题：13.1 13.1 概述概述 13.2 13.2 载波同步载波同步 13.3 13.3 码元同步码元同步 13.4 13.4 群同步群同步13.5 13.5 网同步网同步2023/8/14研究的问题：13.1 概述 第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/6513.2 13.2 载波同步载波同步获取方法获取方法 插入导频法（外同步法）：插入导频法（外同步法）：在发送有用信号的同时，在适在发送有用信号的同时，在适当的频率位置上插入一个或多个称作载频的正弦波，接收端由当的频率位置上插入一个或多个称作载频的正弦波，接收端由导频提取载波；导频提取载波；直接法（自同步法）：直接法（自同步法）：不专门发送导频，在接收端直接从不专门发送导频，在接收端直接从发送信号中提取载波。发送信号中提取载波。2023/8/1513.2 载波同步获取方法第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/6613.2.1.13.2.1.有辅助导频时的载波提取（插入导频法）有辅助导频时的载波提取（插入导频法）适用：适用：DSB、SSB、2DSP、2DPSK信号频谱中皆不含载波成分信号频谱中皆不含载波成分.原理：原理：注：注：插入导频为插入导频为“正交载波正交载波”与加在调制器的那个载波与加在调制器的那个载波移相移相90。模型：模型：2023/8/1613.2.1.有辅助导频时的载波提取（插入第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/67数学分析：数学分析：发端：发端：收端：收端：LPF输出：输出：2023/8/17数学分析：收端：LPF输出：第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/68在在VSBVSB信号中插入导频（不讨论）：信号中插入导频（不讨论）：注：注：二进制数字调相信号就是抑制载波的双边带信号。故上二进制数字调相信号就是抑制载波的双边带信号。故上述插入导频法完全适用于述插入导频法完全适用于2DPSK；SSB导频插入原理与上讨论一样；导频插入原理与上讨论一样；在在VSB中插入不讨论，自学。中插入不讨论，自学。2023/8/18在VSB信号中插入导频（不讨论）：注：第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/69锁相环（PLL）提取载波锁相环原理方框图锁相环原理方框图环路滤波器压控振荡器输出导频输入信号鉴相器对环路滤波器的要求：对环路滤波器的要求：通带越窄，能够通过的噪声越少，通带越窄，能够通过的噪声越少，但是对导频相位漂移的限制越大。但是对导频相位漂移的限制越大。数字化接收机中锁相环的实现方法：数字化接收机中锁相环的实现方法：窄带滤波器：改用数字滤波器窄带滤波器：改用数字滤波器压控振荡器：用只读存储器代替压控振荡器：用只读存储器代替 鉴相器：可以是一组匹配滤波器鉴相器：可以是一组匹配滤波器 2023/8/19锁相环（PLL）提取载波环路滤波器压控振荡第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/61013.2.2.13.2.2.无辅助导频时的载波提取（自同步法）无辅助导频时的载波提取（自同步法）思路：思路：DSB信号虽不含载波分量，但对该信号进行某种非线性信号虽不含载波分量，但对该信号进行某种非线性变换（如：平方）后派生新的频率分量，就可从中提取同变换（如：平方）后派生新的频率分量，就可从中提取同步信息。步信息。2023/8/11013.2.2.无辅助导频时的载波提取（自第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/611（1 1）平方变换法和平方环法）平方变换法和平方环法 发端：发端：设调制信号中无直流分量，则设调制信号中无直流分量，则DSB信号为：信号为：收端收端：平方变换法模型：平方变换法模型：经平方律部件后经平方律部件后:注：注：注：注：虽虽m(t)中无直流分量，但中无直流分量，但m2(t)却有直流分量却有直流分量，故故e(t)中第中第二项包含有二项包含有2c频率分量，频率分量，经窄带滤波器可获成分：经窄带滤波器可获成分：二分频，得二分频，得:2023/8/111（1）平方变换法和平方环法 收端：经平方第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/612好处：好处：窄带、跟踪、记忆、维持。窄带、跟踪、记忆、维持。讨论：讨论：平方环平方环适于适于DSB，2PSK、2DPSKm2(t)k；问题：问题：二分频电路提取出的载波存在二分频电路提取出的载波存在相位模糊问题。相位模糊问题。解决？解决？问题：问题：窄带滤波器不易实现。窄带滤波器不易实现。改进：改进：用用PLL（锁相环）代替。（锁相环）代替。载频输出带通滤波平 方压控振荡环路滤波锁相环s(t)2分频窄带滤波2023/8/112好处：窄带、跟踪、记忆、维持。问题：窄带第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/613此方案的缺点：此方案的缺点：1、相位含糊性相位含糊性：2分频器的输出电压有相差分频器的输出电压有相差180 的的两种可能相位，即其输出电压的相位决定于分频器的两种可能相位，即其输出电压的相位决定于分频器的随机初始状态。采用随机初始状态。采用2DPSK体制可以避免此缺点的影体制可以避免此缺点的影响。响。2、错误锁定错误锁定：平方后的接收电压中有可能存在其他：平方后的接收电压中有可能存在其他的离散频率分量，使锁相环锁定在错误的频率上。解的离散频率分量，使锁相环锁定在错误的频率上。解决这个问题的办法是降低环路滤波器的带宽。决这个问题的办法是降低环路滤波器的带宽。2023/8/113此方案的缺点：第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/614（2 2）同相）同相-正交环法（科斯塔斯环）正交环法（科斯塔斯环）同相载波同相载波正交载波正交载波双双PLL环环模型：模型：工作原理工作原理a点的压控振荡电压为：点的压控振荡电压为：b点的压控振荡电压为：点的压控振荡电压为：c点的电压：点的电压：2023/8/114（2）同相-正交环法（科斯塔斯环）同相第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/615d点的电压：点的电压：e点的电压：点的电压：f点的电压：点的电压：g点的电压：点的电压：上式中的上式中的(-)是压控振荡电压和接收载波相位之差。是压控振荡电压和接收载波相位之差。2023/8/115第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/616将将m(t)=1代入上式，并考虑到当代入上式，并考虑到当(-)很小时，很小时，sin(-)(-)，则上式变为，则上式变为电压电压vg 通过环路滤波器，控制压控振荡器的振荡频率通过环路滤波器，控制压控振荡器的振荡频率。这个电压控制压控振荡器的输出电压相位，使这个电压控制压控振荡器的输出电压相位，使(-)尽可能尽可能地小。当地小。当 时，时，vg=0。压控振荡器的输出电压压控振荡器的输出电压va 就是科斯塔斯环提取出的载波。就是科斯塔斯环提取出的载波。2023/8/116第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/617 由上式可见，由上式可见，当当(-)很小时很小时，除了差一个常数因子外，除了差一个常数因子外，电电压压ve 就近似等于解调输出电压就近似等于解调输出电压m(t)。所以科斯塔斯环本身就所以科斯塔斯环本身就同时兼有提取相干载波和相干解调的功能。同时兼有提取相干载波和相干解调的功能。优缺点：优缺点：1、不需要对接收信号作平方运算，工作频率较低不需要对接收信号作平方运算，工作频率较低。2、为了得到科斯塔斯环法在理论上给出的性能，要求、为了得到科斯塔斯环法在理论上给出的性能，要求两路低通滤波器的性能完全相同。两路低通滤波器的性能完全相同。3、由锁相环原理可知，锁相环在、由锁相环原理可知，锁相环在(-)值接近值接近0的稳定的稳定点有两个，在点有两个，在(-)等于等于0和和 处。所以，处。所以，科斯塔斯环法科斯塔斯环法提取出的载频也存在相位含糊性。提取出的载频也存在相位含糊性。2023/8/117第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/618再调制器法再调制器法原理方框图原理方框图载频输出90相移环路滤波压控振荡低 通s(t)abcdefg2023/8/118再调制器法载频90相移环路滤波压控振第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/619工作原理工作原理接收信号和接收信号和a点振荡电压相乘后得到的点振荡电压相乘后得到的c点电压点电压它经过低通滤波后，在它经过低通滤波后，在d 点的电压为点的电压为 vd 实际上就是解调电压，它受实际上就是解调电压，它受b点的振荡电压在相乘器点的振荡电压在相乘器中再调制后，得出的中再调制后，得出的e 点电压等于点电压等于 上式的上式的ve 和信号和信号s(t)再次相乘，得到在再次相乘，得到在f点的电压点的电压 2023/8/119工作原理第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/620 vf 经过窄带低通滤波后，得到压控振荡器的控制电压经过窄带低通滤波后，得到压控振荡器的控制电压将上式的控制电压和科斯塔斯环的控制电压式比较可见，将上式的控制电压和科斯塔斯环的控制电压式比较可见，这两个方案中的压控振荡器的控制电压相同这两个方案中的压控振荡器的控制电压相同。2023/8/120第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/62113.2.3 13.2.3 载波同步系统的性能指标载波同步系统的性能指标 载波同步系统的主要性能包括：效率、精度、同步建立时间载波同步系统的主要性能包括：效率、精度、同步建立时间和同步保持时间。和同步保持时间。1 1、精度、精度 精度是指提取的同步载波与载波标准比较，它们之间的相精度是指提取的同步载波与载波标准比较，它们之间的相位误差大小。位误差大小。（1 1）稳态相位误差）稳态相位误差 当利用窄带滤波器提取载波时，假设所用的窄带滤波器为一当利用窄带滤波器提取载波时，假设所用的窄带滤波器为一简单简单单调谐回路单调谐回路，其，其Q值一定。那么，当回路的中心频率值一定。那么，当回路的中心频率0与与载波频率载波频率c不相等时，就会使输出的载波同步信号引起一稳态不相等时，就会使输出的载波同步信号引起一稳态相差相差。若。若0与与c之差为之差为，且，且较小时，可得较小时，可得可见：可见：Q值越高，所引起的稳态相差越大。值越高，所引起的稳态相差越大。2023/8/12113.2.3 载波同步系统的性能指标 可第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/622（2 2）随机相位误差）随机相位误差 从物理概念上讲，正弦波加上随机噪声以后，相位变化是随从物理概念上讲，正弦波加上随机噪声以后，相位变化是随机的，它与噪声的性质和信噪功率比有关。经过分析当噪声为机的，它与噪声的性质和信噪功率比有关。经过分析当噪声为窄带高斯噪声时，随机相位差与信噪功率比之间的关系式为窄带高斯噪声时，随机相位差与信噪功率比之间的关系式为其中：其中：f0回路的中心频率，回路的中心频率，A接收信号幅度。接收信号幅度。可见：可见：滤波器的滤波器的Q值越高，随机相位误差越小。值越高，随机相位误差越小。2023/8/122（2）随机相位误差 其中：f0回路的中心第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/6232 2、同步建立时间和保持时间、同步建立时间和保持时间 建立时间建立时间 保持时间保持时间可见：可见：要使建立时间变短，要使建立时间变短，Q值需要减小；要延长保持时间，值需要减小；要延长保持时间，Q值要求增大，因此这两个参数对值要求增大，因此这两个参数对Q值的要求是矛盾的。值的要求是矛盾的。2023/8/1232、同步建立时间和保持时间可见：要使建立第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/624 3 3、两种载波同步方法的比较、两种载波同步方法的比较 直接法的优缺点直接法的优缺点主要表现在以下几方面：主要表现在以下几方面：（1）不占用导频功率不占用导频功率，因此信噪功率比可以大一些；，因此信噪功率比可以大一些；（2）防止导频和信号间的互相干扰，也可以防止信道不理想防止导频和信号间的互相干扰，也可以防止信道不理想引起导频相位的误差引起导频相位的误差;（3）但但有的调制系统不能用直接法（如有的调制系统不能用直接法（如SSB系统）。系统）。插入导频法的优缺点插入导频法的优缺点主要表现在；主要表现在；（1）有单独的导频信号，一方面可以提取同步载波，另一方）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；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用插入）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；导频法；（2）与直接法比较，在总功率相同条件下实际信噪功率比要）与直接法比较，在总功率相同条件下实际信噪功率比要小一些。小一些。2023/8/124 3、两种载波同步方法的比较 第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/625讨论：载波相位差对载波性能的影响讨论：载波相位差对载波性能的影响设设则则2023/8/125讨论：载波相位差对载波性能的影响设则第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/626讨论：讨论：希望：希望：解调出解调出m(t)，最好：最好：cos=1，即，即 =0。若若 =0，x(t)=m(t)/2-正是可希望的正是可希望的 0，x(t)将衰减将衰减 cos 倍倍 对模拟信号，相当于功率下降对模拟信号，相当于功率下降cos2倍：倍：S/N;对数字信号，相当于能量下降对数字信号，相当于能量下降cos2倍倍:2023/8/126讨论：第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/62713.3 13.3 码元同步码元同步码元同步目的：码元同步目的：准确的时刻对接收码元进行判决，以及对接收准确的时刻对接收码元进行判决，以及对接收码元能量正确积分。码元能量正确积分。要求：要求：与发端节拍一致、相位可调。与发端节拍一致、相位可调。获取方法：获取方法：插入导频法（外同步法）、直接法（自同步法）。插入导频法（外同步法）、直接法（自同步法）。13.3.1.13.3.1.插入导频法插入导频法原理：原理：同于载波同步时导频插入法。同于载波同步时导频插入法。单单/双极性双极性NRZNRZ部分响应系统部分响应系统2023/8/12713.3 码元同步码元同步目的：第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/628部分响应系统：部分响应系统：2023/8/128部分响应系统：第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/62913.3.2.13.3.2.自同步法自同步法 当系统的位同步采用自同步方法时，发端不专门发送导频当系统的位同步采用自同步方法时，发端不专门发送导频信号，而直接从数字信号中提取位同步信号。信号，而直接从数字信号中提取位同步信号。自同步法具体又可分为自同步法具体又可分为滤波法滤波法和和锁相法锁相法。（1 1）波形变换滤波法）波形变换滤波法波形变换：波形变换：由微分、整流电路构成由微分、整流电路构成。移相：移相：正弦波，好实现。正弦波，好实现。2023/8/12913.3.2.自同步法波形变换：由微分、第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/630（2 2）开环码元同步法）开环码元同步法延迟相乘法延迟相乘法原理方框图原理方框图相乘器输入和输出的波形：相乘器输入和输出的波形：延迟相乘后码元波形的后一延迟相乘后码元波形的后一半永远是正值半永远是正值；而前一半则；而前一半则当输入状态有改变时为负值。当输入状态有改变时为负值。因此，变换后的码元序列的因此，变换后的码元序列的频谱中就产生了码元速率的频谱中就产生了码元速率的分量。分量。延迟时间等于码元时间一半延迟时间等于码元时间一半时，码元速率分量最强。时，码元速率分量最强。c延迟T/2ab放大限幅窄带滤波(c)(b)(a)2023/8/130（2）开环码元同步法c延迟T/2ab放大第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/631微分整流法微分整流法原理原理同步误差同步误差若窄带滤波器的带宽等于若窄带滤波器的带宽等于1/KT，其中，其中K为一个常数，则提取同步的为一个常数，则提取同步的时间误差比例为：时间误差比例为：T 码元持续时间；码元持续时间；Eb 码元能量；码元能量；n0 单边噪声功率谱密度。单边噪声功率谱密度。只要接收信噪比大，上述方案能保证足够准确的码元同步。只要接收信噪比大，上述方案能保证足够准确的码元同步。低 通微 分整 流窄带滤波放大限幅式中，同步误差时间的均值；2023/8/131微分整流法原理低 通微 分整 流窄带滤波第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/632闭环码元同步法闭环码元同步法基本原理：基本原理：将接收信号和本地产生的码元定时信号相比较，使本将接收信号和本地产生的码元定时信号相比较，使本地产生的定时信号和接收码元波形的转变点保持同步。这种方地产生的定时信号和接收码元波形的转变点保持同步。这种方法类似载频同步中的锁相环法。法类似载频同步中的锁相环法。“超前超前/滞后门滞后门”同步器：同步器：原理方框图原理方框图超前门滞后门环路滤波|+压控振荡+-u1u2|u1|u2|e=|u2|-|u1|m(t)门波形产生2023/8/132闭环码元同步法超前门滞后门环路滤波|第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/633Tdd+1-1超前门滞后门(a)同步状态(b)超前状态d+1-1超前门滞后门T2积分时间工作原理工作原理2023/8/133Tdd+1-1超前门滞后门(a)同步状第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/634存在的问题和解决办法存在的问题和解决办法1、在上面讨论中已经假定接收信号中的码元波形有突跳边沿。、在上面讨论中已经假定接收信号中的码元波形有突跳边沿。若它没有突跳边沿，则无论有无同步时间误差，超前门和滞后若它没有突跳边沿，则无论有无同步时间误差，超前门和滞后门的积分结果总是相等，这样就没有误差信号去控制压控振荡门的积分结果总是相等，这样就没有误差信号去控制压控振荡器，故不能使用此法取得同步。这个问题在所有自同步法的码器，故不能使用此法取得同步。这个问题在所有自同步法的码元同步器中都存在，在设计时必须加以考虑。此外，由于两个元同步器中都存在，在设计时必须加以考虑。此外，由于两个支路积分器的性能也不可能做得完全一样。这样将使本来应该支路积分器的性能也不可能做得完全一样。这样将使本来应该等于零的误差值产生偏差；当接收码元序列中较长时间没有突等于零的误差值产生偏差；当接收码元序列中较长时间没有突跳边沿时，此误差值偏差持续地加在压控振荡器上，使振荡频跳边沿时，此误差值偏差持续地加在压控振荡器上，使振荡频率持续偏移，从而会使系统失去同步。率持续偏移，从而会使系统失去同步。2、为了使接收码元序列中不会长时间地没有突跳边沿，可以在、为了使接收码元序列中不会长时间地没有突跳边沿，可以在发送时对基带码元的传输码型作某种变换，例如改用发送时对基带码元的传输码型作某种变换，例如改用HDB3码，码，或用扰乱技术，使发送码元序列不会长时间地没有突跳边沿。或用扰乱技术，使发送码元序列不会长时间地没有突跳边沿。2023/8/134存在的问题和解决办法第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/6351 1、位同步系统的性能指标位同步系统的性能指标 位同步系统的性能指标除了效率以外，主要有以下几个：位同步系统的性能指标除了效率以外，主要有以下几个：（1）相位误差（精度）相位误差（精度）,（2）同步建立时间）同步建立时间,（3）同步保持）同步保持时间时间,（4）同步带宽。）同步带宽。（1 1）相位误差）相位误差e 由上图可见一个码元周期内由晶振及整形电路来的脉冲数由上图可见一个码元周期内由晶振及整形电路来的脉冲数为为n个，因此，最大调整相位为：个，因此，最大调整相位为：可以看到，随着可以看到，随着n的增加，相位误差的增加，相位误差e将减小。将减小。13.3.3 13.3.3 位同步系统的性能及相位误差对性能的影响位同步系统的性能及相位误差对性能的影响2023/8/1351、位同步系统的性能指标 可以看到，随第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/636（2）同步建立时间）同步建立时间ts定义：定义：失去同步后重建同步最所需的长时间。失去同步后重建同步最所需的长时间。故故同步建立时间同步建立时间为：为：（3）同步保持时间）同步保持时间tc 系统因为没有输入，使得收端位同步信号的相位就会逐渐系统因为没有输入，使得收端位同步信号的相位就会逐渐发生漂移，时间越长，相位漂移量越大，直至漂移量达到某发生漂移，时间越长，相位漂移量越大，直至漂移量达到某一准许的最大值，就算失步了。一准许的最大值，就算失步了。为了使同步建立时间为了使同步建立时间ts减小，要求选用较小的减小，要求选用较小的n，这就和相位误，这就和相位误差差e对对n的要求相矛盾的要求相矛盾。2023/8/136（2）同步建立时间ts（3）同步保持时间第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/637式中：式中：F0收发两端固有码元重复频率的几何平均值；收发两端固有码元重复频率的几何平均值；F收发两端存在频差。收发两端存在频差。说明：说明：要想延长同步保持时间要想延长同步保持时间tc，需要提高收发两端振荡器的，需要提高收发两端振荡器的频率稳定度。频率稳定度。2023/8/137式中：F0收发两端固有码元重复频率的第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/6382 2、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假设：假设：位同步相位误差位同步相位误差c可用时间差可用时间差Te来表示；来表示；解调器已解调出基带数字信号，并假定采用解调器已解调出基带数字信号，并假定采用MF法检测：法检测：即对基带信号进行积分、取样和判决；即对基带信号进行积分、取样和判决；设位同步超前接收码元设位同步超前接收码元Te。2023/8/1382、位同步相位误差对性能的影响假设：第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/639接收码元接收码元:位同步位同步:积分、清洗积分、清洗(最佳接收最佳接收)E 可充满，可充满，达最大值，获最达最大值，获最大能量；大能量；E不能充满，不能充满，能量损失能量损失可见：可见：相邻码元无数据变化时，位同步误差不影响取样点的积相邻码元无数据变化时，位同步误差不影响取样点的积分能量，获最大能量分能量，获最大能量E；相邻码元有数据变化时，能量损失。相邻码元有数据变化时，能量损失。E=(1-2Te/T)E2023/8/139接收码元:位同步:积分、清洗E 可充第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/640设：设：相邻码元无数据变化的概率为相邻码元无数据变化的概率为P P，取样点积分能量达，取样点积分能量达E E；相邻码元有数据变化的概率为相邻码元有数据变化的概率为(1-P),(1-P),取样点积分能量取样点积分能量EE。2PSK最佳接收时：最佳接收时：等概时：等概时：其中：其中：所以：所以：可见：可见：位同步相位差位同步相位差Pe2023/8/140设：相邻码元无数据变化的概率为P，取样第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/64113.4 13.4 群同步群同步-帧同步帧同步13.4.1 13.4.1 引言引言前提：前提：已实现已实现位同步。位同步。任任务务：识识别别出出数数字字信信息息群群的的起起止止时时刻刻，或或者者说说给给出出每每个个群群的的“开头开头”和和“末尾末尾”时刻。时刻。实现方法：实现方法：自同步：自同步：利用数据码组本身之间不同的特性来实现。利用数据码组本身之间不同的特性来实现。外外同同步步：在在数数字字信信息息流流中中插插入入一一些些特特殊殊码码字字作作为为每每个个群群的的头尾标记，接收端据其位置实现群同步。头尾标记，接收端据其位置实现群同步。连贯式插入法连贯式插入法间隔式插入法间隔式插入法重点：重点：外同步。外同步。2023/8/14113.4 群同步-帧同步13第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/642连贯式插入法连贯式插入法 间隔式插入法间隔式插入法信息码组同步码组信息码组信息码组信息码组同步码组同步码组适用于要求快速建立同步的地方，或间断传输信息并且每次传适用于要求快速建立同步的地方，或间断传输信息并且每次传输时间很短的场合。输时间很短的场合。信息码组信息码组信息码组同步码元同步码元同步码组同步码元同步码元适用于连续适用于连续传输信息之传输信息之处，例如数处，例如数字电话系统字电话系统中。中。2023/8/142连贯式插入法信息码组同步码组信息码组信第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/643同步电路的状态：同步电路的状态：捕捉态：捕捉态：在捕捉态时，确认搜索到群同步码的条件必须规定得在捕捉态时，确认搜索到群同步码的条件必须规定得很高，以防发生假同步。很高，以防发生假同步。保持态保持态：一旦确认达到同步状态后，系统转入保持态。在保持：一旦确认达到同步状态后，系统转入保持态。在保持态下，仍须不断监视同步码的位置是否正确。但是，这时为了防态下，仍须不断监视同步码的位置是否正确。但是，这时为了防止因为噪声引起的个别错误导致认为失去同步，应该降低判断同止因为噪声引起的个别错误导致认为失去同步，应该降低判断同步的条件，以使系统稳定工作。步的条件，以使系统稳定工作。2023/8/143同步电路的状态：第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/64413.4.2 13.4.2 起止同步法起止同步法结构：结构：缺点：缺点：止脉冲与码元宽度不同，给同步数字传输带来不便；止脉冲与码元宽度不同，给同步数字传输带来不便；传输效率低：传输效率低：67%。2023/8/14413.4.2 起止同步法缺点：止脉冲与码第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/64513.4.3 13.4.3 连贯式插入法连贯式插入法 连贯式插入法：连贯式插入法：在在每群的开头集中插入每群的开头集中插入群同步码字的同步方法。群同步码字的同步方法。例：例：PCM30/32同步码字同步码字特殊码字：特殊码字：局部自相关特性有尖锐的峰值；局部自相关特性有尖锐的峰值；在信息码元序列中不易出现以便识别；在信息码元序列中不易出现以便识别；识别器要简单。识别器要简单。最常用的群同步码字最常用的群同步码字：“巴克码巴克码”。1 1、巴克码、巴克码 定义：定义：一个长为一个长为n的码组的码组x1,x2,x3,xn，其中，其中xi 取值取值1，其，其局局部自相关函数部自相关函数满足满足则称该码组为巴克码。则称该码组为巴克码。信信 息息 码码标标 识识 码码一帧一帧2023/8/14513.4.3 连贯式插入法 则称该码组为第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/646表表13-1巴克码字巴克码字位数位数n巴克巴克码字字2+；+3+4+；+5+7+11+13+表中表中+表示表示+1，表示表示1 例：例：7位巴克码位巴克码2023/8/146表13-1巴克码字位数n巴克码字2+第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/647集中插入法群同步码检测流程集中插入法群同步码检测流程 初始化(将同步状态设为捕捉态)移1位开始N等待下一同步码组Y保持态捕捉态NY计算R(j)(N-2)?计算R(j)=N?2 2、巴克码识别器、巴克码识别器2023/8/147集中插入法群同步码检测流程 初始化(将第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/6482023/8/148第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/64913.4.4 13.4.4 分散插入法：分散插入法：原理：原理：通常，分散插入法的群同步码都很短。例如，在数通常，分散插入法的群同步码都很短。例如，在数字电话系统中常采用字电话系统中常采用“10”交替码，即在下图所示的同步交替码，即在下图所示的同步码元位置上轮流发送二进制数字码元位置上轮流发送二进制数字“1”和和“0”。这种有规律的周期性地出现的这种有规律的周期性地出现的“10”交替码，在信息码元交替码，在信息码元序列中极少可能出现。因此在接收端有可能将同步码的位序列中极少可能出现。因此在接收端有可能将同步码的位置检测出来。置检测出来。信息码组信息码组信息码组同步码元同步码元同步码组同步码元同步码元2023/8/14913.4.4 分散插入法：信息码组信息码第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/650在接收端，为了找到群同步码的位置，需要按照其出现周期搜索在接收端，为了找到群同步码的位置，需要按照其出现周期搜索若干个周期。若在规定数目的搜索周期内，在同步码的位置上，若干个周期。若在规定数目的搜索周期内，在同步码的位置上，都满足都满足“1”和和“0”交替出现的规律，则认为该位置就是群同步交替出现的规律，则认为该位置就是群同步码元的位置。至于具体的搜索方法，由于计算技术的发展，目前码元的位置。至于具体的搜索方法，由于计算技术的发展，目前多采用软件的方法，不再采用硬件逻辑电路实现。多采用软件的方法，不再采用硬件逻辑电路实现。2023/8/150在接收端，为了找到群同步码的位置，需要第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/651软件搜索方法软件搜索方法移位搜索法移位搜索法1、系统开始处于捕捉态。、系统开始处于捕捉态。2、对接收码元逐个考察，若考察的第一个接收码元就发现它符、对接收码元逐个考察，若考察的第一个接收码元就发现它符合群同步码元的要求，则暂时假定它就是群同步码元；合群同步码元的要求，则暂时假定它就是群同步码元；3、在等待一个周期后，再考察下一个预期位置上的码元是否还、在等待一个周期后，再考察下一个预期位置上的码元是否还符合要求。若连续符合要求。若连续n个周期都符合要求，就认为捕捉到了群同个周期都符合要求，就认为捕捉到了群同步码。步码。4、若第一个接收码元不符合要求或在、若第一个接收码元不符合要求或在n个周期内出现一次被考察个周期内出现一次被考察的码元不符合要求，则推迟一位考察下一个接收码元。直至找的码元不符合要求，则推迟一位考察下一个接收码元。直至找到符合要求的码元并保持连续到符合要求的码元并保持连续n个周期都符合为止；这时捕捉个周期都符合为止；这时捕捉态转为保持态。态转为保持态。5、在保持态，同步电路仍然要不断考察同步码是否正确，但是、在保持态，同步电路仍然要不断考察同步码是否正确，但是为了防止考察时因噪声偶然发生一次错误而导致错认为失去同为了防止考察时因噪声偶然发生一次错误而导致错认为失去同步，一般可以规定在连续步，一般可以规定在连续n个周期内发生个周期内发生m次次(m n)考察错误考察错误才认为是失去同步。这种措施称为同步保护。在下图中画出了才认为是失去同步。这种措施称为同步保护。在下图中画出了上述方法的流程图。上述方法的流程图。2023/8/151软件搜索方法第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/652Y初始化开始同步状态移一位是同步码？记数器A记到n？记数器A加1N状态转换YYN置0是同步码？记数器B加1记数器B记到m？N记数器C加1Y记数器C记到n？置0保持态捕捉态将同步状态设为捕捉态将各记数器置02023/8/152Y初始化开始同步状态移一位是同步码？记数第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/653新码元进入老码元输出检验是否“1”和“0”交替08007x06x05x04x03x02x01x16115x14x13x12x11x10 x09x24023x22x21x20 x19x18x17x32131x30 x29x28x27x26x25x40039x38x37x36x35x34x33x存储检测法存储检测法：1、先将接收码元序列存在计算机的、先将接收码元序列存在计算机的RAM中，再进行检验。下中，再进行检验。下图画出了一个图画出了一个RAM的示意图，它按先进先出的示意图，它按先进先出(FIFO)的原理工的原理工作：作：2023/8/153新码元进入老码元输出检验是否080706第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/6542、图中画出的存储容量为、图中画出的存储容量为40 b，相当于，相当于5帧信息码元长度，每帧长帧信息码元长度，每帧长8 b，其中包括，其中包括1 b同步码。同步码。3、在每个方格中，上部阴影区内的数字是码元的编号，下部的数字、在每个方格中，上部阴影区内的数字是码元的编号，下部的数字是码元的取值是码元的取值“1”或或“0”，而，而“x”代表任意值。编号为代表任意值。编号为“01”的码元最先进入的码元最先进入RAM，编号，编号“40”的码元为当前进入的码元为当前进入RAM的码元。的码元。4、每当进入、每当进入1比特时，立即检验最右列存储位置中的码元是否符合同比特时，立即检验最右列存储位置中的码元是否符合同步序列的规律（例如，步序列的规律（例如，“10”交替）。按照图示，相当只连续检验交替）。按照图示，相当只连续检验了了5个周期。个周期。5、若它们都符合同步序列的规律，则判定新进入的码元为同步码元。、若它们都符合同步序列的规律，则判定新进入的码元为同步码元。若不完全符合，则在下若不完全符合，则在下1比特进入时继续检验。比特进入时继续检验。6、实际应用的方案中，这种方案需要连续检验的帧数和时间可能较、实际应用的方案中，这种方案需要连续检验的帧数和时间可能较长。例如在单路数字电话系统中，每帧长度可能有长。例如在单路数字电话系统中，每帧长度可能有50多比特，而检多比特，而检验帧数可能有数十帧。这种方法也需要加用同步保护措施。它的原验帧数可能有数十帧。这种方法也需要加用同步保护措施。它的原理与第一种方法中的类似。理与第一种方法中的类似。2023/8/1542、图中画出的存储容量为40 b，相当于第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/65513.4.5 13.4.5 群同步系统的性能群同步系统的性能要求：要求：同步时间要短，即捕获时间要短；同步时间要短，即捕获时间要短；同步性要可靠。同步性要可靠。影响同步性能的两个错误：影响同步性能的两个错误：漏同步：如漏同步：如7位巴克码错位巴克码错1位，输出和将减为位，输出和将减为5；假同步：信息码中有同与巴克码的码形。假同步：信息码中有同与巴克码的码形。1.1.漏同步的概率漏同步的概率P P1 1和参数的关系和参数的关系设：设：巴克码中每码元出错的概率为巴克码中每码元出错的概率为Pe，则正确的概率为，则正确的概率为1-Pe；n巴克码的长度；巴克码的长度；m识别器允许巴克码出错的最大个数。识别器允许巴克码出错的最大个数。2023/8/15513.4.5 群同步系统的性能第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/656 m=0：未漏概率：未漏概率：(1-Pe)n漏概率漏概率:P1=1-(1-Pe)n m=1，m=0-至多错一位至多错一位 通式：通式：n-巴克码的长度；巴克码的长度；m-识别器允许巴克码出错的最大个数。识别器允许巴克码出错的最大个数。结论：结论：P1反比于反比于m。2023/8/156 m=0：未漏概率：(1-Pe第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/6572.2.假同步的概率假同步的概率 P P2 2结论：结论：P2正比于正比于m。n-巴克码的长度；巴克码的长度；m-识别器允许巴克码出错的最大个数。识别器允许巴克码出错的最大个数。2023/8/1572.假同步的概率 P2结论：P2正比于第第1313章章 同步原理同步原理现代通信系统原理2024/8/658新的问题：以上构成一对矛盾。新的问题：以上构成一对矛盾。3.3.群同步保护电路群同步保护电路设计思路：设计思路：判决门限可变。判决门限可变。同步同步捕获态：捕获态：防止假同步（宁漏勿假）门限选高；防止假同步（宁漏勿假）门限选高；维持态：维持态：防止漏同步（宁假勿漏）门限选低。防止漏同步（宁假勿漏）门限选低。4.4.同步平均建立时间同步平均建立时间:从捕捉态开始捕捉到保持态所需的时间从捕捉态开始捕捉到保持态所需的时间N-群码总数群码总数T-码元长度码元长度P1漏同步概率漏同步概率P2假同步的概率假同步的概率 2023/8/158新的问题：以上构成一对矛盾。3.群同步