34-4 载波同步的性能指标
同步原理(载波同步与位同步)
载波同步的基本原理，实现方法和性能指标
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，常用锁相环代替窄带滤波器。如下图： 平方环法提取载波框图 锁相环具有良好的跟踪，窄带滤波和记忆功能。
等价于：中心频率可调的窄带滤波器
载波同步的基本原理，实现方法和性能指标
载波同步：是指在相干解调时，接收端需要提供一个与接收信号中的调制载波同频同相的相干载波。 载波同步是实现相干解调的先决条件。 提取相干载波的方法：直接法（自同步法）
插入导频法
载波同步的基本原理，实现方法和性能指标
载波同步的基本原理，实现方法和性能指标
直接法：有些信号（DSB-SC,PSK），虽然本身不含有载波分量，但经过某种非线性变化后，将具有载波的谐波分量，因此可以从中提取。下面介绍几种常用的方法：
载波同步的基本原理，实现方法和性能指标
一：在抑制载波的双边带信号中插入导频法 导频的插入方法： 在抑制载波双边带信号的已调信号的载频出插入一个与该信号频谱正交的载波信号。 插入导频系统的发端框图： 输出信号为：
载波同步的基本原理，实现方法和性能指标
1
插入导频系统的接收端框图：
平方变换法和平方环法 设调制信号 ，则抑制载波的双边带信号为： 平方变换法提取载波框图： 窄带滤波器输出为：
载波同步的基本原理，实现方法和性能指标
二分频器输出，可得载波信号： 注意：载波提取的方框图中用了一个二分频电路，由于分频起点的不确定性，使输出的载波相对于接收信号的相位有180度的相位模糊。 相位模糊对模拟通信关系不大（人耳听不出相位变化） 对数字通信影响很大，有可能使2PSK相干解调后出 现“反向工作”的问题。 解决办法：对调制器输入的信息序列进行差分编码。（2DPSK）
载波同步的方法1插入导频法
8.3 群（帧）同步技术 群同步的方法 群同步的性能
25
一、群同步的方法
1. 连贯式插入法
连贯式插入法又称集中插入法，是指在每一信
息群的开头集中插入作为群同步码组的特殊码组
，该码组应在信息码中很少出现，即使偶尔出现
，也不可能依照群的规律周期出现。 连贯插入法的关键是寻找实现群同步的特殊码组。
=
LPF
轾A 犏 臌2
f
(t) +
A 2
f
(t) cos 2w0t
+
A 2
sin
2w0t
=
A 2
f
(t)
11
一、载波同步的方法
2. 直接法 ① 平方变换法
输入已调 信号
. e(t)
( )2
2c
BPF
二分频 载波输出
sm(t) = m(t) coswct
e(t)
= [m(t) coswct]2
=
1 m2 2
A. 位同步
B. 载波同步
C. 网同步
D. 群同步
C. 网同步
D. 群同步
4 ． PCM30/32 的 E1 帧结构中， 第 0 时隙通常用于
同步， 属于 ( ) 。
A. 位同步
B. 载波同步
C. 网同步
D. 群同步
第 8 章 同步原理
5 ．在无线局域网中， 无线信号在帧头部分插入 11 位
巴克码进行同步， 这种同步方法属于 ( ) 。
0 (t)
带通
相乘器
m f(t)
低通
0
窄带 滤波
/2
相移
10
一、载波同步的方法
1. 插入导频法 ----DSB 系统
通信原理(第二版)(章 (11)
第11章 同步原理 图11.2.5 DSB信号中插入导频示意图
第11章 同步原理 图11.2.6 插入导频法发送端及接收端框图
第11章 同步原理 图11.2.6(a)是插入导频法发送端方框图，根据此图可知
uo(t)=acm(t) cos2πfct+ac sin2πfct 其中，acm(t) cos2πfct为DSB信号项， acsin2πfct为插入的导频信 号，它与载波accos2πfct正交，所以也称为正交载波(导频)。图 11.2.6(b)是接收端解调的方框图，假设收到的信号就是uo(t)， uo(t)的导频经中心频率为fc的窄带滤波器滤出来，再经过90° 相移后得到同步载波ac cos2πfct， uo(t)与载波accos2πfct经相乘 器相乘后输出，有
S Ts 2 n (步) Ts n 2
第11章 同步原理
在接收二进制数字信号时，各码元出现“0”或“1”是随机 的，两个相邻码元出现01、10、11、00的概率可以近似认为相 等。若把码元“0”变“1”或“1”变“0”时的交变点提取出来作 为比相用的脉冲，也就是说，每出现一次交变点，鉴相器比相 一次，使得控制器扣除或附加一个脉冲，位定时信号调整一次， 那么，对位定时信号平均调整一个Ts/n所需要的时间为2Ts秒， 故同步建立时间为
下面以DSB及2PSK为例来说明插入导频法实现载波同步 的基本方法。图11.2.5(a)是基带信号的频谱，(b)是其DSB信号 的频谱及插入导频的位置(虚线所示)。导频插在DSB信号频谱 为0的地方，即导频的频率为fc，且与调制用的载波信号正交。 插入导频法发送端及接收端的方框图如图11.2.6所示。
第11章 同步原理 图11.2.4 Costas环法提取同步载波及解调方框图
南京邮电大学期末试题《通信原理》试卷13
XXX 级本科《通信原理》试题（卷）说明：答案要求简明扼要，全部做在考试题（卷）上。
一． 填空题（每题3分，共30分）1．通信系统按其传输信号形式分可分为 和。
2．平稳高斯白噪声的一维概率密度函数为 ， 其相关函数为 。
3．持续时间t 1的信号s （t ），其匹配滤波器H （f ）=,最大信噪比时刻t 0 t 1，最大信噪比r omax ＝ 。
4．若消息代码序列为00000000……，则其HDB 3码为 。
5．在VSB 调制系统中，为了不失真地恢复信号，其低通滤波器的传输函数H （ω）应满足 。
6．2ASK ，DP2FSK ，2DPSK 信号的频带利用率大小关系是r 2ASK r 2DPSK r DP2FSK ，误码率P e 的大小关系是P e2ASK P eDP2FSK P e2DPSK .7．在PCM 系统中，若采用13折线A 律压缩特性进行压缩，且编码器为逐次比较型，最小量化极为一个单位，则抽样值为 －158个单位时的PCM 码组为， 量化误差为 ，设7位非线性码对应11位线性码为 。
8．时分多路PCM 信号通过调制在通信网内传送，正常通信需 同步。
9．先验等概的最佳接收机，当P ＝ 时误码率最小。
最佳接收机中的相关器可用 代替。
10．某信源输出有5种符号，x1、x2、x3、x 4、x 5，其概率分别为161161814121、、、、。
若信源每秒传104个符号，则信源每秒可能传输的最大信息量为 。
简答题（每题5分，共20分）． 的方法有哪些，载波同步系统的主要性能指标有 ．2DPSK 信号采用相干解调和差分相干解调的主要区．什么是门限效应，哪些解调方式，在什么情况下会出 ．几种数字基带系统传输特性如图，若传码率为实际应选用哪种特性？为什么？ .题 综合题1.(10分)若对模拟信号m(t)进行简单增量调制,其调制(1)所示.途中,判决器的抽样速f s ,量化台阶为σ, (1)若输入信号为m(t)=Acos ωk t,试确定临界振幅值.(2)若输入调制器信号频率为f k =3000H z ,抽样速率f s =32H z ,台阶σ=0.1V ,试确定编码器的编码范围.3.(8分)某模拟信号m(t)接PCM 传输,设m(t)的频率范围为0到4KH z ,取值范围为-3.2V 到+3.2V ,对其进行均匀量化,且量化间隔ΔV=0.00625V ,(1)若对信号按奈奎斯特速率进行抽样,试求下来情况下的码元传输速率:① 量化输出信号直接传输; ② 量化传输信号按二进制传输;(2)若m(t)在取值范围内均匀分布,求量化器输出的信噪功率比。
定时与同步
32
第6章 定时与同步
（2）.载波相位误差对单边带信号的影响
载波相位误差Δφ引起双边带解调系统的信噪比下 降，误码率增加。当Δφ近似为常数时，不会引起波形 失真。 然而，对单边带和残留边带解调而言，相位误差 Δφ不仅引起信噪比下降，而且还引起输出波形失真。
第6章 定时与同步
第六章
定时与同步
安全防范系
1
第6章 定时与同步
6.1
同步的概念
一、同步：是指收发双方在时间上保持步调一致。
二、同步的分类：
载波同步－－同频同相相干载波； 位（码元）同步－－节拍一致、相位可调； 群同步－－ 帧同步； 网同步（通信网中用）。 同步信号来自于___???______；在通信系统中，通常都 是要求同步信息传输的可靠性高于信号传输的可靠性。
5
第6章 定时与同步
群同步
对于数字时分多路通信系统，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。
这是识别数据格式的基础，即帧起止位置的识别。
6
第6章 定时与同步
网同步
显然，为了保证通信网内各用户之间可靠地 通信和数据交换，全网必须有一个统一的时间标
解决？
20
第6章 定时与同步
2. 同相正交环法（科斯塔斯环） 模型：
mt cos c t
输入已调 信号 载波输出
v3 v1
低通
v5 v7
同相载波 正交载波 双PLL环
2 相移
压控振 荡器
环路滤 波器
v2 v4
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。
基于OFDM的低压电力线窄带载波通信技术及其应用
基于OFDM的低压电⼒线窄带载波通信技术及其应⽤基于固定频点的传统窄带调制技术在实际应⽤中存在通信速率低、抗窄带⼲扰和多径衰落能⼒差、可靠性不⾼等局限。
结合基于OFDM 的PRIME 和G3-PLC 标准，对国内外OFDM 技术研究现状进⾏了介绍。
通过分析OFDM 基本原理和同步、信道估计、峰均功率⽐等关键技术，验证了基于OFDM 的低压窄带载波具有通信速率⾼、抗多径延时﹑频率选择性衰落和突发性⼲扰能⼒强、通信可靠性⾼等优点，在远程⾃动抄表、家居智能化以及新型智能化⼩区等⽅⾯具有⼴阔的应⽤前景。
关键词电⼒线通信；正交频分复⽤；窄带载波基于OFDM 的低压电⼒线窄带载波通信技术及其应⽤王智慧，李建歧，渠晓峰，赵涛（中国电⼒科学研究院北京100192）摘要1引⾔低压电⼒线载波（power line carrier ，PLC ）通信技术利⽤⼰有的380V/220V 低压配电线作为传输媒介，⽆需另外敷设专⽤通道即可实现⼏乎所有点之间的数据传递和信息交换，被⼴泛认为是楼宇⾃动化、远程抄表、安防监控等领域替代专⽤⽹络的⼀种重要的数字通信⽅式[1~3]。
从使⽤带宽的⾓度来说，PLC 通信分为窄带电⼒线载波通信和宽带电⼒线载波通信。
窄带电⼒线通信技术是指带宽限定在3～500kHz 、通信速率⼩于1Mbit/s 的电⼒线载波通信技术，多采⽤普通的频率键控（FSK ）、相位键控（PSK ）等频带传输技术；宽带电⼒线(broadband over power line ，BPL)通信技术是指带宽限定在2～30MHz 、通信速率通常在1Mbit/s 以上的电⼒线载波通信技术，多采⽤直接序列扩频（DSSS ）、线性调频（Chirp ）和正交频分复⽤（OFDM ）等扩频通信技术[4~6]。
低压电⼒线载波信道信号衰减、噪声及输⼊阻抗的频率选择性、时变性和随机性使得基于固定频点的传统窄带调制技术在实际应⽤中存在⼀系列局限性[7]。
数字通信技术考点
第二章语音编码技术2 简述波形编码和参量编码的基本原理和特点。
波形编码以重构语音波形为目的，力图使重建语音波形保持原话音信号的波形。
特点：适应能力强、话音质量好、实现简单但所需速率较高，占频带较宽。
参量编码不以重构原始信号波形为目的，将语音信号分段，提取表征语音段特征的参数，在解码端重构一个新的有相似声音但波形与原始波形不尽相同的语音信号。
特点：编码速率低。
3 如何评价语音编码的质量？主观评定方法和客观评定方法。
4 评价语音编码性能的指标有哪些？对语音编码的要求是什么？语音编码性能可以从四个方面来评价：比特率、语音质量、信号时延和复杂度。
移动通信对数字语音编码的要求如下: 速率较低, 纯编码速率应低于16 kb/s;在一定编码速率下的音质应尽可能高;编码时延要短, 要控制在几十毫秒之内;编码算法应具有较好的抗误码性能, 计算量小, 性能稳定;编码器应便于大规模集成。
两种载波同步方法的比较1、直接法的优缺点(1) 不占用导频功率，因此信号功率比可以大一些。
(2) 可防止插入导频法中导频和信号由滤波不好引起的互相干扰，也可防止信道不理想引起的导频相位误差。
(3) 有的调制系统不能用直接法(如SSB系统)。
2、插入导频法的优缺点(1) 有单独的导频信号，一方面可以提取同步载波，另一方面可以用它作自动增益控制。
(2) 有些不能用直接法提取同步信息的调制系统只能用插入导频法。
(3) 要多消耗一部分不带信息的功率，与直接法比较在总功率相同条件下信噪功率比要小一些。
载波同步主要性能指标：(1)效率：为获得同步，载波信号应尽量少消耗发射功率。
(2)精度：精度是指提取的同步载波与发送端的调制载波的相位误差。
应有尽量小的相位误差（稳态相差和随机相差）。
(3)同步建立时间ts：越短越好，这样同步建立得快。
(4)同步保持时间tc：越长越好，这样同步建立后可以保持较长时间。
对位同步信号的要求：(1)使收端的位同步脉冲频率和发送端的码元速率相同（同频）。
波同步技术位同步技术群同步帧同步技术网同步技术
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40
（3）码速调整法
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5
同步信号的获取方式
❖ 同步也是一种信息，按照传输同步信息方式的不同，
❖
由发送端发送专门的同步信息，接收端把这个专门的同 步信息检测出来作为同步信号的方法，称为外同步法。
❖ 自同步法
发送端不发送专门的同步信息，接收端设法从收到的信 号中提取同步信息的方法，称为自同步法。
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❖ （a）基带信号x(t)频谱函数
❖ （b）对x(t)进行相关编码得到的频谱函数
❖ （c）双边带调制后得到的频谱函数
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12
插入导频
双边带调制系统发送端电路框图
❖ 码变换器将Sd(t)频谱中的直流和相邻的低频信号滤掉或衰减 ❖ 经低通滤波器加给环行调制器，由带通滤波器取出上、下边
带送给加法器。 ❖ 同时送给加法器的还有载波移相90°的Acsinωct。（发送端
28
3 群同步（帧同步）技术
❖ 在计算机数据通信系统中，接收端为了正确 恢复所传输的内容，必须知道每个码元序列 的起始与结束位置。由于数据的信号结构是 遵照通信协议事先规定好的，因此在接收端 很容易得到一帧信息。为了实现群同步，要 在数据序列中插入特殊的同步码或同步字符。
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29
群同步系统的要求
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3
群同步（帧同步）
❖ 对于数字信号传输来说，数字信号是按照一 定数据格式传送的，一定数目的信息码元组 成一个“字”，若干个“字”组成一“句”， 若干“句”构成一帧，从而形成群的数字信 号序列。
现代通信技术-载波同步-插入导频法
插入导频法主要有频域插入导频法和时域插入导频法两种。
3.2 频域插入导频法
频域插入导频法就是在信号中增加导频。插入导频应当注意： 1 2 2 导频的频率应当是与载频有关的或者就是载频的频率； 为了避免调制信号与导频信号之间相互干扰，通常 选择导频信号在调制信号的零频谱位置插入； 为了减小或避免导频对信号解调的影响一般采用 正交方式插入导频；
谢谢
《现代通信技术》课程
载波同步-插入导频法
目 录
01
02 03
插入导频法的概念
频域插入导频法
时域插入导3.1 插入导频法的概念
对于已调信号本身不含载波或接收端很难从已调信号的频 谱中分离出载波这种情况，在发送有用信号的同时，在适当频 率位置上，插入一个（或多个）称作导频的正弦波，接收端就 由导频提取出载波，这类方法称为插入导频法，也叫外同步法。
图4 时域插入导频法
3.4 载波同步的性能指标
衡量载波同步的主要性能指标是：
效率η
提取载波所用的发送功 率 总信号功率
精度⊿φ ：提取载波信号与接收信号标准载波的频率差和相位差。 同步建立时间ts：系统启动到实现同步或从失步状态到同步状态 所经历的时间。 同步保持时间tc：同步状态下，若同步信号消失，系统还能维持 同步的时间；
（1）
图 2 插入导频法发端框图
收端用一个中心频率为fc的窄带滤波器提取导频-acosω ct， 再将它经90°移相后得到相干载波sinω ct，收端解调如图3所 示，输出为：
v(t)=uo(t)·sinωct=am(t)sin2ωct-acosωctsinωct =
a [ m(t) -m(t) cos2ωct- sin2ωct ] 2
0
定时与同步
11
第6章 定时与同步
四、同步的重要性
同步是进行信息传输的必要和前提。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。 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 2c t
19
第6章 定时与同步
平方律 部 件 2fc 窄带 滤波器
二分频 载波 输出
输入已 调信号
e(t)
问题：窄带滤波器不易实现。 改进：用PLL（锁相环）代替。
输入已 调信号
平方律 部 件
锁相环
鉴相器
环路滤 波器
压控振 荡器
载波输出 二分频
好处：窄带、跟踪、记忆、维持。 问题：二分频电路提取出的载波存在π相位模糊问题。
经低通后：
21
第6章 定时与同步
经低通后的输出分别为 ：
1 v 5 mt cos 2 1 v 6 mt sin 2
乘法器的输出为： 1 1 v7 v5 v6 m 2 t sin cos m 2 t sin 2 4 8 上式可以近似地表示为： 1 2 v7 m t 4 注：载波提取、相干解调一次完成！v5; 无π相位模糊问题。
9
第6章 定时与同步
2、自同步法
• 发送端不发送专门的同步信息，接收端从所收到
的信号中提出同步信息。（这意味着在所发送的 信号中必须包含有同步信息，如果没有，则通过 一定的预处理使发送的信息中包含有同步信息）
10
第6章 定时与同步
• 自同步法是人们最希望的同步方法，因为可以
把全部功率和带宽分配给信号传输。 • 自同步法正得到越来越广泛的应用。 • 在载波同步和位同步中，两种方法都可采用， 而群同步一般都采用外同步法。
GMSK信号相干解调及载波同步方法
GM SK 信号相干解调及载波同步方法
张邦宁①
【摘要】本文讨论了 GM SK 相干解调器技术, 对 GM SK 解调器的结构 及性能进行了理论分析, 重点讨论了载波同步技术, 提出了两种实现 GM 2 SK 信号载波恢复的方法, 并对其鉴相特性曲线进行了计算和分析比较。 关键词: GM SK 相干解调 载波恢复
图 3 M SK 相干接收机结构
表示成无码间串扰的 PAM 信号时, 这种线 性M SK 接收机才是最佳的。由于 GM SK 信 号的同相和正交相位信号是一种有码间串扰 的 PAM 信号, 故用这种简单的接收机相干 解调只能获得准最佳性能[5]。 但是只要合理
对于 GM SK 信号, 不同 B bT 值的 g ( t) 波形在各个 T 宽度内面积经计算列在表 2 中。这 7 个 T 宽度内 g ( t) 的面积分别为 g - 3、 g - 2、g - 1、g 0、g 1、g 2、g 3 , 从表 2 中可以看出, GM SK 信号 g ( t) 波形主要集中在 (- 2. 5T
结构复杂, 人们一直在寻找简化接收设备的 方法, 其宗旨是以较小的性能恶化换取尽可 能简单的接收机结构。从现有的文献来看, 人 们研究出的方法可以分成两个类型。 一种是
a ( t) =
co s
Πt 2T
t
≤T
(9)
0 t ≥ 0
可求得:
从M L SE 本身出发, 它的基本思想是: 接收 机处理的是一个比发送端具有更短脉冲宽度
率谱边瓣衰减得越迅速, 带外辐射功率越小, 当 B bT 值趋于无穷大时, GM SK 信号成为
当 B bT =
0.
10
时,
d
2 m
in
通信原理--同步原理
第三节 位同步
对于全占空的随机二进制序列，不论是单极性还是双极性的，当P（1）=P（0）=0.5时，都没有fB ，2fB等线谱的，因而不能直接从其中滤出位同步信号。但是，若对该信号进行某种变换，例如，变成归零脉冲后，则该序列中就有fB=1/TB的位同步信号分量。
一、自同步法
抑制载波双边带信号的导频插入
插入导频法发端方框图
设调制信号为m(t)，m(t)中无直流分量，被调载波为acsin2pfct，调制器假设为一相乘器，插入导频是被调载波移相90°形成的，为-accos2pfct，其中，ac是插入导频的振幅。于是输出信号为
插入导频法收端方框图
设u0(t)无失真地传到收端，则收端用一个中心频率为fc的窄带滤波器就可取得导频-accos2pfct ，再将它移相p/2，就可得到与调制载波同频同相的信号sin2pfct 。
随机相差是由于随机的噪声叠加在载波信号上而引起的。假设载波信号的初始相位为零，则θn就是随机相差，经计算得相位误差的分布f(θn)。随机相差θn的方差与信噪比r有如下关系所以随机相差θn的方差与信噪比r是反比关系。
当用单调谐电路作为窄带滤波器时，设回路的谐振频率f0与Q 值已经给定。如果在t=0 时刻将信号接入电路，则输出电压为
随着数字通信的发展，多个用户需相互通信，从而组成了数字通信网。为了保证通信网内各用户之间可靠地进行数据交换，在整个通信网内必须有一个统一的时钟标准，这就是网同步。
提取载波的方法分两种：一种是直接法，该方法不专门发送导频，而在接收端直接从发送信号中提取载波。第二种是插入导频法，即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，接收端就由导频提取出载波。
载波同步
比较式（7）与式（15）可知，Costas环与平方环具有 相同的鉴相特性（vd-θ曲线），如图 4 所示。 由图可知， θ=nπ（n为任意整数）为PLL的稳定平衡点。 PLL工作时可 能锁定在任何一个稳定平衡点上，考虑到在周期π内θ取值可 能为0或π，这意味着恢复出的载波可能与理想载波同相，也 可能反相。
2.科斯塔斯（Costas）环 科斯塔斯（ ） 即同相正交环法， 它的原理框图如图 3 所示。在此环路中， 压控振荡器（VCO）提供两路互为正交的载波，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。 设输入的抑制载波双边带信号为m(t)cosωct，并假定环路锁 定，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(ωct+θ) v2= sin(ωct+θ) (8) (9)
载波同步
• 电子与通信工程：薛同思，邹维辰，李超，高东惠
信号与信息处理： 杨延强，董旭良，戴小军
载波同步概述 载波同步概述
所谓同步是指收发双方在时间上步调一致，故又称定时。 在数字通信中，按照同步的功用分为：载波同步、位同步、群 同步和网同步。 载波同步是指在相干解调时，接收端需要提供一个与接收 信号中的调制载波严格同频同相的相干载波。在模拟调制和数 字调制中，要想实现相干解调，必须有相干载波。因此，载波 同步是实现相干解调的先决条件。 如果接收信号中包含离散的载波分量时，在接受端可从信 号中分离出信号载波作为本地相干波，这样分离出的本地相干 波必然和接收信号的载波频率相同，但要相位相同，仍要作适 当调整。如果接收信号中没有离散载频分量，就需要用复杂的 方法从信号中提取载波。
载波同步的方法_通信原理（第3版）_[共3页]
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第3章 模拟调制系统 87跌；门限点以上，DSB 、SSB 的信噪比比AM 高4.7dB 以上，而FM （6f m =）的信噪比比AM 高22dB 。
图3-34 各种模拟调制系统的性能曲线就频带利用率而言，SSB 最好，VSB 与SSB 接近，DSB 、AM 、NBFM 次之，WBFM 最差。
由表3-1还可看出，FM 的调频指数越大，抗噪性能越好，但占据带宽越宽，频带利用率越低。
3.7 载波同步在通信系统中，同步是一个非常重要的问题。
通信系统能否有效地可靠地工作，在很大程度上依赖于有无良好的同步系统。
当采用同步解调或相干检测时，接收端需要提供一个和发射载波同频、同相的本地载波，而这个本地载波的频率和相位信息必须来自接收信号，或是说需要从接收信号中提取载波同步信息。
这个本地载波的获取就称为载波提取，或称为载波同步。
3.7.1 载波同步的方法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。
1．直接法（自同步法）有些信号（如抑制载波的双边带信号等）虽然本身不包含载波分量，但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，这就是直接法提取同步载波的基本原理。
下面介绍几种实现直接提取载波的方法。
（1）平方变换法和平方环法设调制信号为()m t ，()m t 中无直流分量，则抑制载波的双边带信号为c ()()cos s t m t t ω=（3.7-1） 接收端将该信号进行平方变换后，得到 22222c c 11()()cos ()()cos222s t m t t m t m t t ωω==+ （3.7-2）。
载波同步技术
通信信号处理
42ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
数据辅助的频偏估计器
将rc(k)经过长度为L的延时得到rc(k-L) 将rc(k)与rc(k-L)共轭相乘，并在长度L内求和 将求和的结果取复角，即可得载波频偏估计值
通信信号处理
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数据辅助的频偏估计器
具体推导
L −1
L −1
rc* (k )rc (k − L) = xP*N (k )e− j(ΔωkTs +Δϕ ) ⋅ xPN (k )e j[Δω(k −L)Ts +Δϕ ]
接收端直接从接收信号中提取载波信号18通信信号处理18外同步法19通信信号处理插入导频法用于已调制的数字信号中没有载波分量以及虽有载波分量但难以实现载波分离的情况可在适当的频率位置上插入一个低功率的线谱此线谱对应的时域正弦波称为导频信号接收端用窄带滤波器将导频取出经过适当处理得到相干载波插入导频的方法包括时域插入导频法20通信信号处理频域插入导频在载波中心频率f的位置插入导频信号插入的导频必须是正交导频导频与调制载波相差90度21通信信号处理频域插入导频22通信信号处理频域插入导频发射信号接收端sincossincossinsincossin23通信信号处理时域插入导频在时域中插入导频以传送和提取同步载波的方法时域插入法中对被传输数据信号和导频信号在时间上加以区别把一定数目的数字信号分作一组称为一帧在每一帧中除有一定数目的数字信号外在特定的时隙位置插入同步信号24通信信号处理时域插入导频信号帧结构图25通信信号处理时域插入导频接收机提取相干载波26通信信号处理26自同步法27通信信号处理自同步法直接从接收信号中提取同步载波的方法数据辅助的频偏估计器28通信信号处理非线性变换法适用于无载频分量的信号和抑制载频的双边带信号经过非线性变换后可以得到载频的倍频分量再用窄带滤波器或等效锁相环提取经过分频可得相干载波两种常用的方法平方环法29通信信号处理平方变换法平方律部件二分频2f30通信信号处理平方变换法经过平方变换之后的信号为t经过非线性变换平方律部件后得31通信信号处理平方变换法经过2f窄带滤波器可得到2倍频的载波信号经过2分频之后可以得到cost也可能是cost称为相位模糊32通信信号处理平方环法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中的窄带滤波器常用锁相环代替称为平方环法提取载波锁相环具有良好的跟踪窄带滤波和记忆功能平方环法比一般的平方变换法具有更好的性能
基于Gardner位定时同步算法综述
1.1位同步算法在软件无线电接收机中，要正确的恢复出发送端所携带的信号，接收端必须知道每个码元的起止时刻，以便在每个码元的中间时刻进行周期性的采样判决恢复出二进制信号[43]。
信号在传播过程中的延时一般是未知的，而且由于传输过程中噪声、多径效应等影响，造成接收到的信号与本地时钟信号不同步，这就需要位同步算法，恢复出与接收码元同频同相的时钟信号。
正确的同步时钟是接收端正确判断的基础，也是影响系统误码率的重要因素；没有准确的位同步算法，就不可能进行可靠的数据传输，位同步性能的好坏直接影响整个通信系统的性能[44]。
实现位同步算法的种类很多，按照处理方式的不同可分为模拟方式、半数字方式和全数字方式如图3-10所示。
a)b)c)图3-10 位同步算法模型Fig.3-10 Bit Synchronous Algorithm Model图3-10(a)模型为全模拟位同步实现技术，通过在模拟域计算出输入信号的位同步定时控制信号去控制本地时钟，对信号进行同步采样。
图3-10(b)模型为半模拟同步模型，该模型的主要思想是通过将采样后的信号经过一系列的数字化处理，提取出输入信号与本地时钟的偏差值，通过这个偏差来改变本地时钟的相位达到位同步。
(a)(b)两种方式都需要适时改变本地时钟的相位，不利于高速数字信号的实现且集成化程度较低。
图3-10(c)为全数字方式的位同步是目前比较常用方法，全数字方式的位同步算法十分适用于软件无线电的实现。
该方法通过一个固定的本地时钟对输入的模拟信号进行采样，将采样后的信号经过全数字化的处理实现同步；采用此种方法，实现简单，且便于数字化实现，对本地时钟的要求大大降低。
本次设计主要分析了基于内插方式的Gardner 定时恢复算法。
1.1.1 Gardner 定时恢复算法原理Gardner 定时恢复算法是基于内插的位同步方式，全数字方式的位同步算法模型中，固定的本地采样时钟不能保证能在信号的极值点处实现采样，所以需要通过改变重采样时钟或输入信号来实现极值处采样[45-46]。
现代数字通信技术 第四章 同步技术
4.1 概述
（3）帧同步（群同步） 帧（frame）,数字信号传输的一种基本单位。（例如， PCM30/32 体制的帧结构）。在一帧信号中，各路信号在 指定的时隙传送。接收端正确识别每一帧的起始时刻及各 路信号的时隙位置，并且产生相应的定时脉冲信号，被称 为帧同步。 （4）网同步 为保证通信网各点之间相互可靠地通信，在网内建立 一个统一的时间标准，被称为网同步。
4.3.2 自同步法
2. 包络检波法
（1）从中频已调信号中提取位同步信息
这种方法不需要先进行载波提取。和插入导频法中的 包络调制法不同的是，等幅PSK调制信号 由于带限信道 的作用，使得信号波形在码元相位变化时刻发生幅度 “平滑陷落”失真，因此包络中含有位同步信息。
4.3.2 自同步法
（2）从报头中提取位同步信息 这种方法用于时分多址数字卫星通信。报头为载波同步 信息和位同步信息，发射功率较大，而且报头宽度为码元宽 度整数倍
4.3.3 位同步性能指标
3.同步保持时间tc 从含有位同步信息的接收信号消失开始，到位同步提取 电路正常位同步信号中断止,越长越好。
4.同步带宽 位同步频率与码元速率之差。
4.4 帧同步
在多路信号组成的一帧信号中，加入一特殊标志，即 帧同步信号。 帧同步的任务是在位同步基础上，正确识别出帧起始位 置，进而确定出各路信号位置。要求： 1 正确建立同步概率要大，漏同步和假同步概率要小 2 捕获时间短 3 同步保持时间长 4 帧同步码长仅可能短 (1) 起止式同步法 早期电传机，微机RS232串口。
4.2 载波同步
一般有直接法（自同步法）和插入导频法（外同步 法）。具体实现方案与调制方式有关。 4.2.1 插入导频法 分为频域插入导频法和时域插入导频法。 （1）频域插入导频法 在抑制载波系统中，在已调信号频谱中，插入一较 低功率载频（正弦波）信号。接收端利用窄带滤波器提 取相干载波。有两个措施：
34-1 同步的概念和分类
载波同步、码元同步、帧同步和网同步
¾按实现方式分类 9外同步: 由发送端发送专门的同步信息 9自同步: 设法从传送信 国防科技大学电子科学与工程学院 马东堂 _____________________________
同步的概念和分类
载波同步，又称载波恢复 ¾ 功能：在接收设备中产生一个和接收信号的载波同频、
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同步与数字复接
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第三十四讲 同步的概念和载波同步
第一节 同步的概念和分类
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同相的本地载波，是相干解调的先决条件
¾ 实现方法 9 接收信号中有载频分量时，接收端通常采用锁相环
提取相干载波载波
9 接收信号中没有载频分量时，相干载波可以通过对
接收信号进行某种变换处理恢复出相干载波
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同步的概念和分类
码元同步，又称时钟同步或时钟恢复 ¾ 功能：确定每个接收码元准确的起止时刻，以便决定积
同步的概念和分类
同步的定义 ¾ 同步是指让通信的双方（多方）在时间上步调一致，
也称为“定时” 同步的必要性
¾ 时钟、定时信号、数字通信信号中的频率等不可能绝
对稳定不变
¾ 同步要求相互之间的频率差异在限定时间内应不超出
规定的指标
¾ 同步是信息可靠传输的必要前提
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同步的概念和分类
同步的分类 ¾按功能分类：
分和判决时刻
¾ 实现方法 9 从接收信号中获取码元同步信息，由其产生一时钟脉
通信原理教学大纲
通信原理教学大纲一、课程基本信息课程名称：通信原理课程类别：专业必修课学分：＿____总学时：＿____适用专业：通信工程、电子信息工程等相关专业二、课程性质与教学目标（一）课程性质通信原理是通信工程、电子信息工程等专业的一门重要的专业基础课程，是研究通信系统中信息传输基本原理和方法的课程。
通过本课程的学习，使学生掌握通信系统的基本组成、基本原理和性能分析方法，为后续的专业课程学习和从事通信领域的工作打下坚实的基础。
（二）教学目标1、知识目标掌握通信系统的组成、分类和性能指标。
理解模拟通信和数字通信的基本原理，包括模拟调制解调、数字基带传输和数字频带传输。
熟悉信道的特性、噪声对通信系统的影响以及信道编码和纠错编码的基本原理。
了解通信系统中的同步技术，包括载波同步、位同步和帧同步。
2、能力目标能够对简单通信系统进行性能分析和计算。
具备设计和实现基本通信系统的能力。
能够运用所学知识解决通信工程中的实际问题。
3、素质目标培养学生的工程思维和创新意识。
提高学生的自主学习能力和团队协作能力。
增强学生的职业道德和社会责任感。
三、教学内容与要求（一）绪论1、通信的基本概念通信的定义和目的。
通信系统的模型和组成部分。
2、通信系统的分类按传输媒介分类（有线通信和无线通信）。
按信号特征分类（模拟通信和数字通信）。
3、通信系统的性能指标有效性指标（传输速率、频带利用率）。
可靠性指标（误码率、误信率）。
（二）确知信号1、确知信号的分类周期信号和非周期信号。
能量信号和功率信号。
2、确知信号的频域特性傅里叶变换的基本性质。
周期信号的频谱。
3、确知信号的时域特性信号的自相关函数和互相关函数。
（三）随机过程1、随机过程的基本概念随机过程的定义和分类。
随机过程的数字特征（均值、方差、自相关函数）。
2、平稳随机过程平稳随机过程的定义和性质。
各态历经性。
3、高斯随机过程高斯随机过程的定义和性质。
高斯随机变量的概率分布。
（四）信道1、信道的定义和分类有线信道和无线信道。
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¾ 同步保持时间：从开始失去信号到失去载频同步的时间
显然希望同步保持时间越长越好。长的同步保持时间 有可能使信号短暂丢失时，或接收断续信号时，不需要重 新建立同步，保持连续提供稳定的本地载频。
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载波同步的性能指标
同步建立时间和保持时间的关系 ¾ 在载波同步电路中的低通滤波器和环路滤波器都是通频
载波同步的性能指标
¾ 结论
在提取载频电路中的窄带滤波器对于信噪比有直接的 影响。对于给定的噪声功率谱密度，窄带滤 波器的通频 带越窄，使通过的噪声功率越小，信噪比就越大，这样随 机相位误差越小。另一方面，通频带越窄，要求滤波器的 Q值越大，则恒定相位误差Δϕ越大。所以，恒定相位误差 和随机相位误差对于Q值的要求是矛盾的。
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载波同步的性能指标
同步建立时间和保持时间 ¾ 同步建立时间：从开始接收到信号（或从系统失步状态）
到提取出稳定的载频所需要的时间 显然我们要求此时间越短越好。在同步建立时间内， 由于相干载频的相位还没有调整稳定，所以不能正确接收 码元。
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载波频率f0不相等，存在频率偏差Δf，则载波通过它时会 有附加相移。
Δϕ ≈ 2Q Δf fq
9 当提取载频的电路中采用锁相环时，若锁相环工作在稳态，
压控振荡电压的频率f0应当和信号载频fc相同，并且其相 位误差应当很小。
Δϕ = Δf Kd
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载波同步的性能指标
¾ 随机误差分析 9 从物理概念上讲，正弦波加上随机噪声以后，相位变化
保持时间长
相位误差 ¾ 相位误差的种类 9恒定误差：由电路参量引起的 9随机误差：由噪声引起的
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载波同步的性能指标
¾ 恒定误差分析： 9 当提取载波电路中存在窄带滤波器时，若其中心频率fq和
带很窄的电路。一个滤波器的通频带越窄，其惰性越大。 当在其输入端加入一个正弦振荡时，它输出端振荡的建 立时间越长；当输入振荡截止时，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 是相左的
¾ 建立时间短和保持时间长是互相矛盾的要求，在设计同
步系统时只能折中处理
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第三十四讲 同步的概念和载波同步
第四节 载波同步的性能指标
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载波同步的性能指标
载波同步系统的主要性能指标 ¾ 同步效率、精度、同步建立时间和同步保持时间。 ¾ 载波同步的目标是高效率、高精度、同步建立时间快，
是随机的，与噪声的性质和信噪比有关
θ n2 = π ⋅ n0 ⋅ f 0 1 = 2r 2 A2 ⋅Q
9 当大信噪比时，由窄带高斯噪声引起的随机相位误差的
方差大小直接和信噪比成反比。随机相位误差θn的标准 偏差称为相位抖动
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