第11章_同步原理190626

f 2 (t) 1 22
f 2 (t) cos 20t
注：虽f(t)中无直流分量，但f 2(t)却有直流分量，故e(t)中第二
项包含有2ω0频率分量，经窄带滤波器可获成分： 2ω0
二分频，得: cos0t
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第11章 同步原理
输入已 调信号
平方律
2fc 窄带
部 件 e(t) 滤波器
要求：节拍一致，相位可调 帧（群）同步：在数字通信系统中，接收端只有准确地 区分开各个字、句和段，才能正确地恢复出原始信息和数据。
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第11章 同步原理
方法: 外同步法:
外加专门同步信号来传输，即为了传输独立的同步信号， 需要付出额外的传输功率和频带。 内同步法(自同步法)：
v7
v5
v6
1 4
m2 t sin
cos
1 8
m2 t sin
2
上式可以近似地表示为：
v7
1 4
m2 t
好处：●载波提取、相干解调一次完成！v5; ●工作频率为fc，不是2fc，当载波频率很高时易于实现； ●无π相位模糊问题。
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第11章 同步原理
11.3.2 载波同步系统的性能及其对传输系统误码率的影响
同步建立时间ts：从开始接收信号(或从系统失步状态)至提取 出稳定的载频所需要的时间。
同步保持时间tc ：从开始失去信号到失去载频同步的时间。
U
kU
t
ts
tc
图11-16 载波同步的建立和保持
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第11章 同步原理
若：载波同步电路中所需的窄带滤波器是一简单的单调谐回路
（回路振荡频率ω0和Q值已定）。则： 同步时间：在t=0时刻信号接入回路，则输出电压u(t)为：
全占 空码
波形 单极性 fb 窄带 变换 RZ 滤波器
移相
脉冲 位同步 形成
波形变换：由微分、整流电路构成。 移相：正弦波，好实现。
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第11章 同步原理
1、用模拟锁相环提取位同步信号
s (t) 微分 sa (t) 脉冲 sb (t) 脉冲 sc (t) 环路 sd (t) 压控 sp (t)
φ≠0，x(t)将衰减 cosφ倍。
●对模拟信号，相当于功率下降cos2 φ倍：S/N↓；
●对数字信号，相当于能量下降cos2 φ倍。
例：
2PSK ：
Pe
1 2
erfc
r
修正为：
Pe
1 2
erfc（
r cos）
（11.3-19）
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第11章 同步原理
*2. 同步建立时间和保持时间
1. 相位误差对数字信号解调性能的影响
当所提取的本地载波总相位误差为φ ，只要将原有的各种误
码率表示式中的信号能量或功率乘上这个下降因子cos2 φ ，就
可以估算出这个φ对解调性能或误码率的影响 。
分析： 设
sm (t) m(t) cosct vc (t) cos(ct )
则
vs (t) sm (t)vc (t) m(t) cosct cos(ct )
通过变换，从传输的数字信号中直接提取。
本章要求： 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。
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第11章 同步原理
11.3 载波同步
获取方法： 1. 插入导频法(外同步法)： 在发送信号中专门插入一个载波分量，或者与载波的频率
及相位有关的一个信号。 2. 直接法(自同步法) ： 从接收到的已调信号中直接提取。 ●已调波中含有载波分量，直接提取； ●已调波中不包含载波分量，通过非线性变换的方法提
s2(t) s3(t)
隔直
s2(t) 窄带滤波 s3(t) 脉冲形成 s4(t)
(a) 原理框图
t
t t t t
图11-22 示意图
数字已调信号经过 信道的带限和接收 端BPF后，在码元 转换时刻有很大的 畸变，包检、隔直 后，可得到单极性 的归零码。
s4(t)
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(b) 对应点工作波形
负极性脉冲sc(t)的宽度相等，即 τ1 =τ2。此脉冲无直流分量，经 LP后，输出的直流分量即误差
信号sd(t)为零----系统处于同步状 态。sp(t)即是所要提取的位同步 信号。
●
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第11章 同步原理
2、带限整流法－－带限数字基带信号的位同步提取
s(t) 带通滤波 s1(t) 全波整流 s2(t) 隔直 s3(t) 窄带滤波 s4(t) 脉冲形成 s5(t)
U kU
0 t
t u(t)=U (1 e 2Q )cos0t （11.3-20）
ts
tc
图11-16 载波同步的建立和保持
ts
2Q
0
ln 1 1-k
（11.3-21）
保持时间：若在t=0时将接入回路信号断开，则输出电压u(t)为：
0 t
u(t)=Ue
讨论：
2Q
cos0t
（11.3-22）
2Q 1
1 2
m(t) cos
1 2
m(t) cos(ct
)
LPF
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vo
(t)
1 2
m(t) cos
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第11章 同步原理
讨论：
vo
(t)
1 2
m(t) cos
希望：解调出m(t)，最好：cosφ = 1，即 φ= 0。
若 φ =0，x(t) = m(t)/2 ----正是所希望的。
一、插入导频法（外同步法）： 位同步导频的插入位置应在基带信号频谱的第一零点处。
1. 单/双极性NRZ
P(f ) (a)
f
1
2
3
Tb
Tb
Tb
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含位同步导频 的基带信号
相减器
窄带滤波器
相移器
基带信号
位同步 脉冲形成 信号
图11-18 消除位导频信号的原理方框图
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第11章 同步原理
2.部分响应系统 P(f )
(b)
f
1
1
2Tb
Tb
m(t)
相关编码器
m(t) 相加
fb 2位同步导频 (a)
调制
cosct
输入 带通
相乘
信号
载波同 fc 步提取
低通
窄带 滤波
fb 2
相移
相加
波形反 变换
倒相
放大
微分全
限幅
波整流
(b)
抽样 判决
fb
整形
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第11章 同步原理
二、直接法——自同步法 从所收到的数字基带信号中直接提取出位同步信息的方法。 原理：波形变换滤波法。 例：非归零码转换成归零码。
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第11章 同步原理
模型：
f(t)
× BPF
cosω0t
f0
- /2 相移
s(t)
asinω0t
图11-6 插入导频法发端原理框图
数学分析：
BPF
sp(t)
×
LPF
s0(t)
sinω0t cosω0t
f 0窄带 / 2 滤波器 相移
图11-7 插入导频法收端原理框图
发端： s(t) f (t)cos0t a sin0t
问题：窄带滤波器不易实现。 改进：用PLL（锁相环）代替。
二分频 载波
输出
输入已 平方律 调信号 部 件
锁相环
PD
载波输出
LP
VCO 二分频
好处：窄带、跟踪、记忆、维持。
载波跟踪环
讨论：平方环适于DSB，2PSK、2DPSK [ m2 (t) k ]； 问题：二分频电路提取出的载波存在π相位模糊问题。
收端： sp(t) s(t)cos0t f (t)cos02t a sin0 cos0t
1 2
f
(t)
1 2
f
(t)cos 20t
1 2
a
sin
2
0
t
LPF输出：
s0 (t )
1 2
f (t)
问：可否插入不正交导频？
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第11章 同步原理
窄带滤波实现： 问题：
●理想的窄带滤波器难以实现，总有一定带宽，从而得到的 参考载波频率不可能很“干净”；
● a、b两路脉冲相位相差180度
●相位比较器：完成本地脉冲与接收码元比相
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本地：同相－－常态 超前－－扣除 滞后－－添加
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第11章 同步原理
原理：通过在分频前附加或扣除脉冲的方法，来调整分频器输
s(t)
(a) 原理框图
t
T
2T
3T
4T 5T
6T
s1(t)
s2(t)
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s3(t) s4(t)
s5(t)
(b) 对应点工作波形
图11-21 带限整流法提取位同步信号的示意图 通信原理
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第11章 同步原理
3、包络检波法----窄带调制信号的位同步提取
s(t) 包络检波 s1(t) s(t) s1(t)
取参考载波。
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第11章 同步原理
11.3.1 载波同步的方法 一 、 插入导频法
适用：不包含载频分量的信号：DSB、SSB、2PSK、2DPSK。 原理：
S ( )
0 0 f
0 0 f
Sc ()
导频
图11-5 DSB信号的“正交载波”插入法
注：插入导频为“正交载波”－－与加在调制器的那个载波移 相90°。
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第11章 同步原理
1、平方变换法和平方环法
发端：设调制信号中无直流分量，则DSB信号
s(t) f (t) cosct
收端：
平方变换法模型：
输入已 调信号
无载波分量。
平方律
2f0窄带
部 件 e(t) 滤波器
f (t) 0
二分频 载波 输出
经平方律部件后:
e(t)
f 2 (t) cos2 0t
PD 鉴相器
LP 环路滤波器
VCO 参考载波
压控振荡器
sc(t)
好处：窄带、跟踪、记忆、维持。
图11-8
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第11章 同步原理
二、 直接法（自同步法） －－无辅助导频时的载波提取。
思路：DSB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 取同步信息。
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第11章 同步原理
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11.1 引言
同步：解决信号传输的时间基准问题，以保证收发两端的设 备在时间上步调一致的工作。 分类：
载波同步：相干解调时，在接收端必须能够提供一个与 所接收到的载波信号同频同相的本地参考载波。
位（码元）同步：在数字通信系统中，在接收端需要知 道每个码元的起止时间，以便在恰当的时刻进行采样判决。
解决？
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第11章 同步原理
2、同相-正交环法（科斯塔斯环）
模型：
mtcos ct
输入已调 信号
同相载波 正交载波 双PLL环
v3 载波输出 v1
2相移
v2 v4
LPF VCO LPF
v5 解调输出 LP v7
v6
目标：只需证得v7∝θ(载波相位差)。
v3
v4
m t cosct c1os442ct443
t
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第11章 同步原理
（42、）用锁数相字法锁相环提取位同步信号
接收码元 F
相位 比较
器
(本地)超前脉冲
滞后脉冲
扣除门NC 与 a路 整
附加门NO 与
b路 形 NF'
晶振
本地同步脉冲
F'
F'→F
÷N
或
NF'
●接收码元频率：F
Normal Connect
●晶振频率NF'
Normal Off
整流器
形成器
鉴相器
滤波器
振荡器
s (t) sa (t) sb (t) sp (t)
(a) Tb
2τ 2τ
sc (t)
τ2
τ1
(b)
图11-20 脉冲锁相法形成位同步信号示意图
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sb(t)实际上为选通脉冲序列，与 VCO输出脉冲序列sp(t)进行比相， 产生幅度相等的正负极性脉冲
sc(t)。 ●当sb(t)与sp(t)频率相同、相位 差90°（即sp(t)脉冲上沿处于sb(t) 脉冲中心）时，鉴相器输出的正
tc 0 ln k （11.3-23）
●同步建立时间和同步保持时间相互矛盾。
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第11章 同步原理
11.4 位同步（码元同步）
目的：在收端产生一个与发射端码序列节拍一致、相位可调的同步 脉冲序列，供抽样判决或其它需要。
11.4.1 位同步的方法
同样分为插入导频法和直接提取法。
v1同相载波
m t cosct s1in42ct43
1 2
1 2
m t m t
cos sin
cos 2ct sin 2ct
v2正交载波
经低通后：
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第11章 同步原理
经低通后的输出分别为 ：
v5
v
6
1
2 1
2
mtcos mtsin
乘法器的输出为：
●由于“窄滤”通带很窄，所以要求载波频率或导频相对于 窄带滤波器的中心频率不能有漂移，否则这会使解调质量大大 降低。为此，---希望：
●找到中心频率能跟随输入频率作相应变化的窄带滤波器， 这可用锁相环 （PLL）来实现。
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第11章 同步原理
用PLL提取本地载波的原理框图:
s(t) 带通滤波器
第11章 同步原理
通信原理电子教案
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西 北 工 业 大 学 （2019.6）
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第11章 同步原理
第11章 同步原理
同步是通信信号传输的基本保证。 本章主要介绍同步的基本原理与方法，并简单分析其性能。
➢ 11.1 引言 ➢ *11.2 锁相环的基本原理 ➢ 11.3 载波同步 ➢ 11.4 位同步 ➢ 11.5 帧同步