同步技术

同步技术一、同步技术的定义：同步技术即调整通信网中的各种信号使之协同工作的技术。

诸信号协同工作是通信网正常传输信息的基础。

二、同步技术的分类：按照同步的功能来分，同步可以分为载波同步、位同步（码元同步）、群同步（帧同步）和网同步（通信网中用）等四种。

（一）载波同步1、定义当采用同步解调（相干检测，它的基本功能就是完成频谱的线性搬移，但为了防止失真，同步检波电路中都必须输入与载波同步的解调载波。

）时，接收端需要提供一个与接收信号载波同频同相的相干载波，而这个相干载波的获取就称为载波提取，或称为载波同步。

2-12、提取方法载波同步一般有两类方法：一类是直接提取法（自同步法），一类是插入倒频法（外同步法）。

（1）直接提取法（自同步法）定义：是从接收到的有用信号中直接（或经变换）提取相干载波，而不需要另外传送载波或其它倒频信号。

基本原理：有些信号（如DSB信号、2PSK信号等）虽然本身不包含载波分量，但却包含载波信息，对该信号进行某些非线性变换以后，就可以直接从中提取出载波分量来。

提取方法：平方变换法和平方环法、同相正交环法（科斯塔斯环）①平方变换法和平方环法图2-2平方变换法提取载波图2-2即为平方变换法提取载波，为了改善性能，可以在平方变换法大的基础上，把窄带滤波器用锁相环替代，构成如图2-3所示的方框图，这就是平方环法提取载波。

图2-3平方环法提取载波由于锁相环具有良好的跟踪、窄带滤波性能，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。

②同相正交环法（科斯塔斯环）图2-4同相正交环法提取载波同相正交环法（科斯塔斯环）是利用锁相环提取载波的另一种常用方法，由于加到上下两个相乘器的本地信号分别为压控振荡器的输出信号和它的正交信号，因此常称这种环路为同相正交环，有时也被称为科斯塔斯环（Costas）环。

如图2-4所示。

（2）插入倒频法（外同步法）定义：是在发端发送信息码元的同时，再发送一个（或多个）包含载波信息的倒频信号，并且要求这个倒频信号不随传播的信息变换，在接收端根据倒频信号提取载波。

即发端除了发送有用信号外，还在适当的位置上插入一个供接收端恢复相干载波之用的正弦波信号（这个信号通常称为导频信号）。

有些信号中没有载波成分（如DSB信号、2PSK信号等），可以用前面讲到的直接法提取同步载波，还可以用插入导频法（外同步法）来提取同步载波。

而有些信号（如VSB信号）它虽然含有载波但不易取出，对于这样的信号可以用插入导频法。

也有的信号（如SSB信号）既没有载波又不能用直接法提取载波，此时只能用插入导频法。

插入导频信号的方法：频域插入导频法、时域插入导频法①频域插入导频法定义：是指在已调信号的频谱中加入一个低功率的线谱，该线谱对应的正弦波即称为导频信号。

以DSB信号为例，导频插入的位置应该在信号频谱为零处，否则导f 频与信号频谱成分重叠，接收端不易取出。

如图2-5所示，载波频率点cf。

处信号的能量为零，因而可在此点插入导频，导频的频率为c2-5插入导频示意图这一频率与加入调制器的载波频率是一致的，但它的相位一般与被调载波正交（即相差90），称为“正交载波”。

在接收端，只要用滤波器提取这一导频信号，在相移90就可作为本地相干载波输出，进行相干解调。

如下图2-6和2-7所示。

2-6插入导频法发送端方框2-7插入导频法接收端方框②时域插入导频法除了在频域插入导频法外，还可以在时域插入导频以传送和提取同步载波。

时域插入导频法在时分多址卫星通信中应用较多，在一般数字通信中也有应用。

时域插入导频法对被传送的数据信号和导频信号在时间上加以区别，具体分配情况如下图2-8()a 所示。

在每一帧中，除了包含一定数目的数字信息外，在1ot t 的时隙中传送位同步信号，在12t t 的时隙内传送帧同步信号，在23t t 的时隙内传送载波同步信号，而在34t t 时隙内才传送数字信息。

可以发现这种时域插入导频方式，只是在每帧的一小段时间内才作为载频标准，其余时间没有载频标准。

在接收端用相应的控制信号将载频标准取出以形成解调用的同步载波，但是由于发送端发送的载波标准是不连续的，在一帧内只有很少一部分时间存在，因此如果用窄带滤波器取出这个间断的载波是不能应用的。

对于这种时域插入导频方式的载波提取往往采用锁相环路，其框图如2-8()b 所示。

在锁相环中，压控振荡器的自由振荡频率应尽量和载波标准频率相等，而且要有足够高的频率稳定度，而且要有足够高的频率稳定度，鉴相器每隔一帧时间与由门控信号取出的载波标准比较一次，并且通过它去控制压控振荡器。

当载波标准消失后，压控振荡器具有足够的同步保持时间，直到下一帧载波标准出现时再进行比较调整。

适当地设计锁相环路，就可以使恢复的同步载波的频率和相位的变化控制在允许的范围内。

2-8时域插入导频法3、载波同步性能及其比较判断一个载波同步系统的主要性能指标主要有如下两条：•效率所谓提高效率是指在能够获得载波的情况下，尽量减少发送载波的功率。

•精度所谓提高精度是指提取的同步载波与接收信号载波之间的相位误差要越小越好。

载波同步系统的精度越高，则传输系统误码率就越小。

这是影响传输系统误码率的主要因素。

除了以上指标外，还有同步建立时间（越短越好）、同步保持时间（越长越好）、相位抖动（越小越好）等。

从载波同步方式上来看，直接提取法在性能上要优于插入导频法。

首先，直接提取法不需另外发送导频，即发送功率全部用于传输信息，电路简单，没有功率损失，故效率高、功率信噪比大。

其次，由于直接提取法是在接收端由信号直接再生相干载波，这就避免了在传输过程中由于信道干扰及不均衡引起的相位误差，或者导频与信号之间由于滤波不好引起的相互干扰，故它又有精度高的优点。

但直接提取法只适用于具有双边带频谱的信号，而在单边带调制系统中不能采用。

（二）位同步1、定义：位同步就是在接收端产生一个确定抽样判决时刻的定时脉冲序列。

2、实现方法：实现位同步的方法有插入导频法（外同步法）和直接法（自同步法）两种，而在直接法中分为滤波法和锁相法。

（1）插入导频法（外同步法）插入导频法与载波同步时的插入导频法类似，它也是在基带信号频谱的零点插入所需的导频信号，如下图2-9所示。

图()a插入导频的位置是1/T，图()b频谱的第一个零频点在1/2T，插入导频应在1/2T处。

2-9（2）自同步法自同步法也称为直接提取位同步法，是指发端不传送专门的位同步信息，而直接从接收信号或解调后的数字基带信号中提取位同步信号。

它的具体实现方法又可以分为滤波法和锁相法。

①滤波法对于不归零的二进制随机序列，将其变成单极性归零脉冲后，经过一个窄带滤波器，就可以滤出此信号分量，再将它通过一个移相器调整相位后，就可以形成位同步脉冲。

其框图如图2-10所示，基本原理是先形成含有位同步信息的信号，再用滤波器将其滤出。

2-10滤波法原理方框图②锁相法锁相法即是用锁相环路替代一般窄带滤波器以提取位同步信号的方法。

它的基本原理是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），鉴相器就产生误差信号去调整位同步信号的相位，直至获得精确的同步为止。

采用锁相法提取位同步原理方框图如图2-11所示，它由晶振、分频器、相位比较器和控制电路组成。

其中控制电路包括扣除门和附加门。

2-11数字锁相原理方框图3、位同步的主要性能指标衡量数字通信系统的位同步性能，通常有以下几项指标：•相位误差位同步信号的相位误差增大时，传输系统误码率必然增高。

•同步建立时间同步建立时间为失去同步后重新建立同步所需的最长时间，同步建立时间越短越好。

•同步保持时间从接收信号消失或接收信号中的位同步信息消失开始，到位同步电路输出的位同步信号中断为止，这段时间称为位同步保持时间。

当收、发两端振荡器的振荡频率有较高的稳定度时，同步时间越长，就越有利于位同步。

•同步门限信噪比在保证一定的位同步质量的前提下，接收机输入端所允许的最小信噪比，称为同步门限信噪比。

这个指标规定了位同步对深衰落信道的适应能力。

（三）群同步1、定义群同步有时也称为帧同步，是指在位同步的基础上，识别数字信息群的起止时刻，或者说给出每个群的“开头”和“结尾”时刻。

2、实现方法为了实现群同步，可以在数字信息流中插入一些特殊码字作为每个群的头尾标记，这些特殊的码字应该在信息码元序列中不会出现，或者是偶尔可能出现，但不会重复出现，此时只要将这个特殊码字连发几次，接收端就能够识别出来，并根据这些特殊码字的位置实现群同步。

下面我们主要介绍插入特殊码字实现群同步的方法。

插入特殊码字实现群同步的方法有两种，即连贯式插入法和间隔式插入法。

在介绍这两种方法之前，先简要介绍一种在电传机中所使用的起止式群同步法。

（1）起止同步法电传报文的一个字由7.5个码元组成，假设电传报文传送的数字序列为10010，则码元构成如图2-12。

从图中可以看出，在每个字开头，先发一个码元的起脉冲（无电），中间5个码元是信息，字的末尾是1.5码元宽度的止脉冲（有电），接收端根据1.5码元宽度的正电平转换到负电平这一特殊规律，确定一个字的起始位置，因而就实现了群同步。

2-12起止同步的信号波形（2）连贯式插入法连贯式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字组的特殊码组，该码组应在信息码中很少出现，即使偶尔出现，也不能依照群的规律周期出现。

接收端按群的周期连续数次检测该特殊码组，这样便获得群同步信息。

连贯式插入法的关键是寻找群同步码组。

对群同步码组的基本要求是：具有尖锐单峰特性的自相关特性；便于与信息码区别；码长适当，以保证传输效率。

符合上述要求的特殊码组有：全0码、全1码、0与1交替码、巴克码、电话基群帧同步码0011011。

（3）间隔式插入法间隔式插入法又称为分散插入法，它是将群同步码以分散的形式均匀插入信息码流中。

由于计算机技术的发展，目前移位搜索法的具体实现多采用软件的方法，较少采用硬件逻辑电路实现。

3、群同步系统的主要性能指标•捕捉时间现代通信系统都采取多路复用的方式传输信息，所以每一帧都包含有很多信息。

一旦帧同步丢失，这些信息也会随之丢失。

为此，要求帧同步系统在开始工作或失步后，要能在很短的时间内捕捉到同步码组，建立同步。

这一时间也称为捕捉时间或同步建立时间。

同步建立时间和同步恢复的时间都要尽量短。

•假失步概率与假不同概率在传输过程中，由于信道干扰的存在而不可避免地出现误码，如果只是偶尔一次同步丢失就重新开始搜索同步（漏同步或假失步），或把信息码误判为同步码（假同步或伪同步），势必造成正常的通信经常发生中断，从而丢失很多信息。

因此，对于帧同步系统的另一个重要要求就是工作的稳定可靠，具有较强的抗干扰能力。