通信原理课件——第十章
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第十章 同步系统
10.1 引言 10.2 载波同步 10.3 位同步 10.4 群同步 10.5 网同步
此外，在有多个用户的通信网中，还有使网内各站点之 间保持同步的网同步问题。为了保证通信网内各用户之 间可靠地进行数据交换，必须要求整个数字通信网内有 一个统一的时间节拍标准。
同步系统的好坏将直接影响通信质量的好坏，甚至会影 响通信能否正常工作。可以说，在同步通信系统中， “同步”是进行信息传输的前提，正因为如此，为了保 证信息的可靠传输，要求同步系统应有更高的可靠性。
实现位同步的方法和载波同步类似，也有直接法（自同 步法）和插入导频法（外同步法）两种，而在直接法中 也分为滤波法和锁相法。下面将分别介绍这两类同步技 术，重点介绍直接法（自同步法）。
10.3.1 插入导频法
插入导频法与载波同步时的插入导频法类似，它也是在 发送端信号中插入频率为码元速率（1/T）或码元速率的 倍数的位同步信号。在接收端利用一个窄带滤波器，将 其分离出来，并形成码元定时脉冲。
10.3 位同步
在数字通信系统中，发端按照确定的时间顺序，逐个传 输数码脉冲序列中的每个码元。而在接收端必须有准确 的抽样判决时刻才能正确判决所发送的码元，因此，接 收端必须提供一个确定抽样判决时刻的定时脉冲序列。 这个定时脉冲序列的重复频率必须与发送的数码脉冲序 列一致，同时在最佳判决时刻（或称为最佳相位时刻） 对接收码元进行抽样判决。可以把在接收端产生这样的 定时脉冲序列称为码元同步，或称位同步。
图10-5 四相科斯塔环法的载波提取
应该注意的是，前述两种方法所提取的载波同样存在相 位模糊问题，常见的解决办法是采用四相相对移相。
10.2.2 插入导频法
插入导频法主要用于接收信号频谱中没有离散载频分量， 或即使含有一定的载频分量，也很难从接收信号中分离 出来的情况。对这些信号的载波提取，可以用插入导频 法。
2、科斯塔环法 科斯塔环法（Costas）环法又称为同相正交环法。它也
是利用锁相环提取载频，但是不需要预先做平方处理， 并且可以直接得到输出解调信号。该方法的原理方框图 如图10-3所示。
图10-3科斯塔环法原理方框图
3、从多相移相信号中提取载波 对于多相移相信号，同样可以利用多次方变换法和多相
图10-7 插入导频法原理方框图
SSB和2PSK的插入导频方法与DSB相同。VSB的插入导频技 术较复杂，通常采用双导频法，基本原理与DSB类似。这 里不再繁述。
10.2.3 载波同步系统的性能
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。对载波同步系统的主要性能要求 是高效率、高精度，同步建立时间快、保持时间长等。 下面对它们进行简单讨论。
一、高效率
高效率是指为了获得载波信号而尽量少消耗发送功率。 在这方面，直接法由于不需要专门发送导频，因而效率 高，而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。
二、高精度
高精度是指接收端提取的同步载波与需要的载波标准比 较，应该有尽量小的相位误差。相位误差通常由稳态相 位误差和随机相位误差组成。
对于抑制载波的双边带调制而言，在载频处，已调信号 的频谱分量为零，同时对调制信号进行适当的处理，就 可以使已调信号在载频附近的频谱分量很小，这样就可 以插入导频，这时插入的导频对信号的影响最小。图 10-6所示为插入的导频和已调信号频谱示意图。在此方 案中插入的导频并不是加在调制器的那个载波，而是将 该载波移相90°后的所谓“正交载波”。根据上述原理， 就可构成插入导频的发端方框图如图10-7（a）所示。
本章将分别讨论载波同步、位同步、群同步和网同步的 基本原理和性能。
10.2 载波同步
载波同步的方法有直接法（自同步法）和插入导频法 （外同步法）两种。直接法不需要专门传输导频（同步 信号），而是接收端直接从接收信号中提取载波；插入 导频法是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）称作导频的正弦波（同步载波）， 接收端就利用导频提取出载波。下面分别加以介绍。
插入位同步信息的方法有多种。从时域考虑，可以连续 插入，并随信号码元同时传输；也可以在每组信号码元 之前增加一个“位同步头”，由它在接收端建立位同步， 并用锁来自百度文库环使同步状态在相邻两个“位同步头”之间得 以保持。从频域考虑，可以在信号码元频谱之外占用一 段频谱，专门用于传输同步信息；也可以利用信号码元 频谱中的“空隙”处，插入同步信息。
科斯塔环法从已调信号中提取载波信息。如以四相移相 信号为例，图10-4是用多次方变换法从四相移相信号中 提取同步载波的方法。
图10-4 四次方变换法提取载波
上式表示在4次倍频的信号中含有 4fc 的分量。将它滤 出并4分频，即可得到载频fc分量。
除了上述多次方变换法以外，我们还可以用多相科斯塔 环法提取同步载波。图10-5是一个四相科斯塔环法提取 同步载波的方框图，压控振荡器的输出就是所需的载波 信号。其原理类似于图10-3，这里不再繁述。
在同步电路中的低通滤波器和环路滤波器都是通频带很窄的电路。一 个滤波器的通频带越窄，其惰性越大。也就是说，一个滤波器的通频 带越窄，则当在其输入端加入一个正弦振荡时，其输出端振荡的建立 时间越长；当其输入振荡截止时，其输出端振荡的保持时间也越长。 显然，这个特性和我们对于同步性能的要求是矛盾的，即建立时间短 和保持时间长是相互矛盾的。在设计同步系统时要折中考虑。
所谓插入导频，就是在已调信号频谱中额外插入一个低 功率的线谱(此线谱对应的正弦波称为导频信号)，在接 收端利用窄带滤波器把它提取出来，经过适当的处理形 成接收端的相干载波。插入导频的传输方法有多种，基 本原理相似。这里仅介绍在抑制载波的双边带信号中插 入导频法。
图10-6 插入的导频和已调信号频谱示意图
图10-1平方变换法提取载波
为改善平方变换的性能，可以在平方变换法的基础上， 把窄带滤波器用锁相环替代，构成如图10-2所示框图， 这样就实现了平方环法提取载波。由于锁相环具有良好 的跟踪、窄带滤波和记忆性能，因此平方环法比一般的 平方变换法具有更好的性能，因而得到广泛的应用。
图10-2 平方环法提取载波
10.1 引言 10.2 载波同步 10.3 位同步 10.4 群同步 10.5 网同步
此外，在有多个用户的通信网中，还有使网内各站点之 间保持同步的网同步问题。为了保证通信网内各用户之 间可靠地进行数据交换，必须要求整个数字通信网内有 一个统一的时间节拍标准。
同步系统的好坏将直接影响通信质量的好坏，甚至会影 响通信能否正常工作。可以说，在同步通信系统中， “同步”是进行信息传输的前提，正因为如此，为了保 证信息的可靠传输，要求同步系统应有更高的可靠性。
实现位同步的方法和载波同步类似，也有直接法（自同 步法）和插入导频法（外同步法）两种，而在直接法中 也分为滤波法和锁相法。下面将分别介绍这两类同步技 术，重点介绍直接法（自同步法）。
10.3.1 插入导频法
插入导频法与载波同步时的插入导频法类似，它也是在 发送端信号中插入频率为码元速率（1/T）或码元速率的 倍数的位同步信号。在接收端利用一个窄带滤波器，将 其分离出来，并形成码元定时脉冲。
10.3 位同步
在数字通信系统中，发端按照确定的时间顺序，逐个传 输数码脉冲序列中的每个码元。而在接收端必须有准确 的抽样判决时刻才能正确判决所发送的码元，因此，接 收端必须提供一个确定抽样判决时刻的定时脉冲序列。 这个定时脉冲序列的重复频率必须与发送的数码脉冲序 列一致，同时在最佳判决时刻（或称为最佳相位时刻） 对接收码元进行抽样判决。可以把在接收端产生这样的 定时脉冲序列称为码元同步，或称位同步。
图10-5 四相科斯塔环法的载波提取
应该注意的是，前述两种方法所提取的载波同样存在相 位模糊问题，常见的解决办法是采用四相相对移相。
10.2.2 插入导频法
插入导频法主要用于接收信号频谱中没有离散载频分量， 或即使含有一定的载频分量，也很难从接收信号中分离 出来的情况。对这些信号的载波提取，可以用插入导频 法。
2、科斯塔环法 科斯塔环法（Costas）环法又称为同相正交环法。它也
是利用锁相环提取载频，但是不需要预先做平方处理， 并且可以直接得到输出解调信号。该方法的原理方框图 如图10-3所示。
图10-3科斯塔环法原理方框图
3、从多相移相信号中提取载波 对于多相移相信号，同样可以利用多次方变换法和多相
图10-7 插入导频法原理方框图
SSB和2PSK的插入导频方法与DSB相同。VSB的插入导频技 术较复杂，通常采用双导频法，基本原理与DSB类似。这 里不再繁述。
10.2.3 载波同步系统的性能
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。对载波同步系统的主要性能要求 是高效率、高精度，同步建立时间快、保持时间长等。 下面对它们进行简单讨论。
一、高效率
高效率是指为了获得载波信号而尽量少消耗发送功率。 在这方面，直接法由于不需要专门发送导频，因而效率 高，而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。
二、高精度
高精度是指接收端提取的同步载波与需要的载波标准比 较，应该有尽量小的相位误差。相位误差通常由稳态相 位误差和随机相位误差组成。
对于抑制载波的双边带调制而言，在载频处，已调信号 的频谱分量为零，同时对调制信号进行适当的处理，就 可以使已调信号在载频附近的频谱分量很小，这样就可 以插入导频，这时插入的导频对信号的影响最小。图 10-6所示为插入的导频和已调信号频谱示意图。在此方 案中插入的导频并不是加在调制器的那个载波，而是将 该载波移相90°后的所谓“正交载波”。根据上述原理， 就可构成插入导频的发端方框图如图10-7（a）所示。
本章将分别讨论载波同步、位同步、群同步和网同步的 基本原理和性能。
10.2 载波同步
载波同步的方法有直接法（自同步法）和插入导频法 （外同步法）两种。直接法不需要专门传输导频（同步 信号），而是接收端直接从接收信号中提取载波；插入 导频法是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）称作导频的正弦波（同步载波）， 接收端就利用导频提取出载波。下面分别加以介绍。
插入位同步信息的方法有多种。从时域考虑，可以连续 插入，并随信号码元同时传输；也可以在每组信号码元 之前增加一个“位同步头”，由它在接收端建立位同步， 并用锁来自百度文库环使同步状态在相邻两个“位同步头”之间得 以保持。从频域考虑，可以在信号码元频谱之外占用一 段频谱，专门用于传输同步信息；也可以利用信号码元 频谱中的“空隙”处，插入同步信息。
科斯塔环法从已调信号中提取载波信息。如以四相移相 信号为例，图10-4是用多次方变换法从四相移相信号中 提取同步载波的方法。
图10-4 四次方变换法提取载波
上式表示在4次倍频的信号中含有 4fc 的分量。将它滤 出并4分频，即可得到载频fc分量。
除了上述多次方变换法以外，我们还可以用多相科斯塔 环法提取同步载波。图10-5是一个四相科斯塔环法提取 同步载波的方框图，压控振荡器的输出就是所需的载波 信号。其原理类似于图10-3，这里不再繁述。
在同步电路中的低通滤波器和环路滤波器都是通频带很窄的电路。一 个滤波器的通频带越窄，其惰性越大。也就是说，一个滤波器的通频 带越窄，则当在其输入端加入一个正弦振荡时，其输出端振荡的建立 时间越长；当其输入振荡截止时，其输出端振荡的保持时间也越长。 显然，这个特性和我们对于同步性能的要求是矛盾的，即建立时间短 和保持时间长是相互矛盾的。在设计同步系统时要折中考虑。
所谓插入导频，就是在已调信号频谱中额外插入一个低 功率的线谱(此线谱对应的正弦波称为导频信号)，在接 收端利用窄带滤波器把它提取出来，经过适当的处理形 成接收端的相干载波。插入导频的传输方法有多种，基 本原理相似。这里仅介绍在抑制载波的双边带信号中插 入导频法。
图10-6 插入的导频和已调信号频谱示意图
图10-1平方变换法提取载波
为改善平方变换的性能，可以在平方变换法的基础上， 把窄带滤波器用锁相环替代，构成如图10-2所示框图， 这样就实现了平方环法提取载波。由于锁相环具有良好 的跟踪、窄带滤波和记忆性能，因此平方环法比一般的 平方变换法具有更好的性能，因而得到广泛的应用。
图10-2 平方环法提取载波