第7章同步原理

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。
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7.2 载波同步
7.2.2 插入导频法
在模拟通信系统中，抑制载波的双边带（DSB）信号本身不含 有载波；残留边带（VSB）信号虽然一般都含有载波分量，但很难从 已调信号的频谱中将它分离出来；单边带（SSB）信号更是不存在载 波分量。在数字通信系统中，二相移相（2PSK）信号中的载波分量 为零。对这些信号的载波提取，都可以用插入导频法，尤其是SSB信 号，只能用插入导频法提取载波。下面以DSB信号为例，讨论如何在 发送端插入导频和在接收端提取同步载波。
7.2 载波同步
若用一窄带滤波器将 2c 频率分量滤出，再进行二分频，就可 获得所需的相干载波。基于这种构思的平方变换法提取载波的方框 图如图7-1所示。
若 x(t) 1 ，则抑制载波的双边带信号就成为2PSK信号，这
时
e(t)
1 2
1 2
cos2ct
因此，同样能通过图7-1所示的方法提取载波。
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7.2 载波同步
1．平方变换法
此方法广泛用于建立抑制载波的双边带（DSB）信号和二相移 相（2PSK）信号的载波同步。设调制信号x(t)无直流分量，则抑制
载波的双边带信号为
sx (t) x(t) cosct
接收端将该信号经过非线性变换——平方律部件后得到
e(t)
x(t) cosct2
2．位同步
位同步又称码元同步或比特同步。在数字通信系统中，接收端
无论采用什么解调方式，都要用到位同步，而在模拟通信中不存在
位同步。数字通信中，任何消息都是通过一连串码元序列表示且传
送的，这些码元一般均具有相同的持续时间。
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7.1 概 述
接收端接收这些码元序列时，必须知道每个码元的起止时刻， 以便在恰当的时刻进行抽样判决。例如在抽样、判别、解码、解密 等环节上，都要用到码元同步。这就要求接收端必须提供一个码元 定时脉冲序列，该序列的重复频率和相位必须与接收到的码元重复 频率和相位一致，以保证在接收端的定时脉冲重复频率与发送端的 码元速率相同，相位与最佳抽样判决时刻一致。我们把提取这种码 元定时脉冲序列的过程称为位同步。
cos(2ct
)]
v4
x(t) cosct sin(ct )
1 x(t)[sin 2
sin(2ct )]
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7.2 载波同步
经低通滤波后的输出分别为
v5
1 2
x(t)
cos
v6
1 2
x(t) sin
则乘法器的输出为
v7
v5
v6
1 4
x2 (t) sin
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7.2 载波同步
在模拟通信中，采用相干解调时要用到载波同步；在数字通信 中，采用频带传输系统方式时，也一定要用到载波同步。可见，载 波同步是同步系统的一个重要方面。实现载波同步的方法有直接法 和插入导频法两种。
7.2.1 直接法
有些信号，如DSB、2PSK等，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，可从中提取出 载波分量，产生与载波有关的信息，从而完成载波的提取和系统的 同步，这就是直接法提取同步载波的基本原理。下面介绍几种常用 的变换法。
7.1 概 述
在通信系统中，发同步器、收同步器分别为发射机、接收机提 供各种同步信号，使收、发设备能步调一致地进行工作，从而确保 了信息的正确传输。可见，同步（Synchronous）是通信系统（尤其 是数字通信系统）中的关键技术，也是通信系统必不可少的重要组 成部分之一。 所谓同步，是指在通信系统中接收端必须具有或达到与发送端 一致的参数标准。例如，收、发两端时钟的一致；收、发两端载波 频率和相位的一致；收、发两端帧和复帧的一致等。 通信系统中同步的种类很多，按照其功能和作用可以分为载波同步、 位同步、群同步和网同步四种。
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7.2 载波同步
插入导频的发端方框图如图7-7所示。设调制信号x(t)中无直
流分量，被调载波为 ac sin ct ，将它经90°移相形成插入导频
- ac cosct ，其中ac是插入导频的振幅。于是
输出信号为 u0 (t) ac x(t)sin ct ac cosct 设收端收到的信号与发端输出信号相同，则收端用一个中心频
cos 2ct
ac2 2
sin
2ct
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7.2 载波同步
这样，v(t)将经过低通滤除高频成分后，就可恢复调制信号 x(t)。然而，如果发端加入的导频不是正交载波，而是调制载波， 此时发端的输出信号表示为
u0 (t) ac x(t) sin ct ac sin ct
则收端用窄带滤波器取出 ac sin ct 后直接作为同步载波，但
4．网同步
在获得了以上讨论的载波同步、位同步、群同步之后， 两点
间的数字通信就可以有序、准确而可靠地进行了。然而，随着数字
通信的发展，尤其是计算机通信的发展，
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7.1 概 述
多个用户之间的通信和数据交换，构成了数字通信网。显然， 为了保证通信网内各用户之间可靠地进行数据交换，全网必须有一 个统一的时钟基准，这就是网同步需要讨论的问题，限于篇幅这里 不作介绍。 同步也是一种信息，按照获取和传输同步信息方式的不同，可 分为外同步法和自同步法。 所谓外同步法是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，有时也称 为插入导频法。
信号的相位误差去控制输出信号的频率，从而具有良好的频率 跟踪、窄带滤波和记忆功能。因此，平方环法比一般的平方变换法 具有更好的性能，在提取载波方面得到了较广泛的应用。
3．同相正交环法
同相正交环法又称科斯塔斯（Costas）环，它的原理框图如图
7-4所示。在此环路中，压控振荡器（VCO）提供两路互为正交的载
1
插入导频的位置应该在信号频谱为零的位置，否则导频和信号
频谱成分叠加在一起，接收时不易取出。
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7.2 载波同步
对于模拟调制的DSB信号或SSB信号，在载频fc附近信号频谱为 零，但对于2PSK或2DPSK等数字调制的信号，在fc附近的信号频谱不 仅有，而且比较大。因此，对于这样的数字信号，在调制以前先对 基带信号进行相关编码。相关编码的作用是把图7-5（a）所示的基 带信号频谱函数变换成图 7-5（b）所示的频谱函数，这样经过双边 带调制以后可以得到图7-6所示的已调信号的频谱函数。由图7-6可 知，在导频fc附近的频谱函数很小，且没有离散谱，这样可以在fc 处插入频率为fc的导频（这里仅画出正频域）。不过应注意的是， 这时插入的导频并不是加于调制器的那个载波，而是将该载波移相 90°后的所谓“正交载波”。
且不考虑噪声的影响，则VCO输出的两路互为正交的本地载波分别为
v1 cos(ct ) 式中，v2θ是si压n(控c振t 荡器) 输出信号与输入已调信号载波之间的相
位误差。
那么，输入已调信号
分别与v1、v2相乘后得
x(t) cosct
v3
x(t) cosct cos(ct
)
1 2
x(t )[cos
同步本身虽然不包含所要传送的信息，但通信系统只有在收、
发两端之间建立了同步后才能开始传送信息，所以同步是进行信息
传输的必要和前提。另外，同步性能的好坏又将直接影响着通信系
统的性能，如果出现同步误差或失去同步就会导致通信系统性能下
降或通信中断。
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7.1 概 述
因此，同步系统应具有比信息传输系统更高的可靠性和更好的 质量指标，如同步误差小、相位抖动小以及同步建立时间短，保持 时间长等。
cos
1 8
x2 (t)sin 2
1 4
x2 (t)
Costas环与平方环都是利用锁相环提取载波的常用方法，也都
存在相位模糊的问题。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
插入导频法的优缺点主要表现在以下几方面：
（1）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；
（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
导频法；
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7.2 载波同步
（3）插入导频法要多消耗一部分不带信息的功率。因此，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。
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，经环路滤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。
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7.2 载波同步
设输入的抑制载波双边带信号为 x(t) cosct ，并假定环路锁定，
率为fc的窄带滤波器就可以提取导频- ac cosct ，再将它移相
90°后得到与调制载波同频同相的相干载波 ac sin ct ，接收端的 解调方框图如图 7-8所示。
接收端相乘器的输出为
v(t) [ac x(t) sin ct ac cosct] ac cosct
ac2 x(t) 2
ac2 x(t) 2
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7.2 载波同步
2．直接法和插入导频法的比较
直接法的优缺点主要表现在以下几方面：
（1）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；
（3）有的调制系统不能用直接法（如SSB系统）。
2．平方环法
当然，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，为了改善平方变换法的性能，使恢复的相干载波更为纯净，图
7-1 中的窄带滤波器常用锁相环（PLL）来实现，如图7-3所示，称
为平方环法。
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7.2 载波同步
锁相环是一个相位负反馈控制系统，即利用输入信号与输出
x 2 (t) 2
1 2
x2 (t) cos 2ct
可以看出，虽然前面假设x(t)中无直流分量，但x2(t必为大于等于0的数，因此，x2(t)的
均值也必大于0，而这个均值就是x2(t) 的直流分量，这样e(t)的第
二项中就只包含有载波倍频 2c 的频率分量。 上一页 下一页 返回
3．群同步
数字通信的信息流是若干码元构成一个“字”，若干个“字”
组成一“句”，称为帧结构。接收时，须识别这些“字”、“句”
的起止时刻，
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7.1 概 述
此识别方法称为“字”同步、“句”同步，否则接收端将无法 正确恢复信息。对于数字时分多路通信系统，如PCM30/32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。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，称为“帧”同步。因此，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。
此时经过相乘器和低通滤波器解调后输出为 ac2 x(t) 2 ac2 2 ，多了
一个不需要的直流成分a
2 c
2
，而这个直流成分通过低通滤波器会对
数字信号产生影响，这就是发端采用正交插入导频的原因。
2PSK就是一种抑制载波的双边带信号，所以上述插入导频方法 也适用。 对于SSB信号，导频插入的原理也与上述相同。
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7.1 概 述
所谓自同步法，是指发送端不发送专门的同步信息，接收端则 是设法从收到的信号中提取同步信息的方法，通常也称为直接法。
自同步法是人们最希望的同步方法，因为采用这种方法可以把 全部功率和带宽都分配给信号传输，从而提高传输效率。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；而群同步一般都采用外同步法。
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7.1 概 述
1．载波同步
在前面的模拟调制和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。可见，载波同步是实现相干解调的 先决条件。因而，无论是在模拟通信还是在数字通信中，只要采用 了相干解调，在接收端都需要提供一个与发送端完全同频同相的载 波信号，其获取方法就称为载波提取或载波同步。