第7章 通信系统中的同步

锁相环
鉴相器：鉴别输入信号Ui与输出信号Uo之间的相 位差 ，并输出误差电压Ud 。
环路滤波器：具低通性质，滤除 Ud 中的噪声和 干扰成分，形成压控振荡器（VCO）的控制电压 Uc。
压控振荡器：由输入的Uc作用，把输出振荡频率 fo拉向环路输入信号频率fi ，当二者相等时，环路被锁 定 ，称为入锁。
2、平方环法
x(t)cos ωct n i (t) 带通 × fc 平方律 部件 e(t) 二分频 2fc 低通 x(t)
2fc 窄带滤波
代替
输入已调 信号
平方律 部件
鉴相器
环路 滤波器
压控 振荡器
二分频
载波输出
锁相环
输入已调 信号
平方律 部件
鉴 相器
环 路 滤 波器
压 控 振 荡器
二 分频
载波输出
7.2
载波同步
载波同步的目的：
获得同频同相的相干载波。
载波同步的方法:
直接法（自同步法）
插入导频法（外同步法）
直接法

直接法举例

平方变换法 平方环法 同相正交环法


7.2.1 插入导频法
1、何时用插入导频法
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，

插入的导频是“正交导频”
相关编码： 相关编码的作用是把(a)所示的基带信号频谱函数变 换成图(b)所示的频谱函数， 这样经过双边带调制以 后可以得到如图(c) 所示的频谱函数。
正交导频：
导频与调制载波 相位差90°
0
fc-fm
fc
fc+fm
f
注： 1、在fc附近的频谱函数很小，且没有离散谱，在fc处插 入频率为fc的导频（这里仅画出正频域）。 2、插入的导频是将载波移相90°后的所谓“正交载 波”。
同步性能的好坏直接影响着通信系统的性能。
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。
不同功用的同步 按照同步的功用来区分， 有载波同步、 位同步(码元同 步)、 群同步(帧同步)和网同步(通信网络中使用)等四种。 1. 载波同步（载波跟踪、载波提取）：相干解调中，在接 收端恢复出与发送端的载波在频率上同频的相干载波的过程。 载波同步是实现相干解调的先决条件。 2. 位同步(码元同步):位同步脉冲与接收码元的重复频率 和相位的一致。 接收端 “码元定时脉冲序列”的重复频率和相位(位置)要 与接收码元一致，以保证：① 接收端的定时脉冲重复频率和发 送端的码元速率相同;② 取样判决时刻对准最佳取样判决位置。 这个码元定时脉冲序列称为“码元同步脉冲”或“位同步脉 冲”。
第7章
通信系统中的同步
学习目标
1、掌握同步的基本概念。什么叫内同步？什 么叫外同步？ 2、掌握载波同步的2种方法（直接提取法和 导频法） 3、什么叫位同步？掌握位同步的基本方法 4、什么群同步？掌握群帧频的基本方法
7.1 同步的概念
同步是指通信系统的收、发双方在时间上步调的一 至。
同步是进行信息传输的必要和前提。
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），
接收端就用窄带滤波器将它取出来，经过适当处理，
பைடு நூலகம்
得到相干载波。
2、插入导频的要求
插入导频的位置应该在信号频谱为零的位置。
对于模拟调制的信号，在载波fc附近信号频谱为0， 可以直接插入导频。

但对2PSK和2DPSK等数字调制信号，在fc附近频谱很 大，故在调制前需先对基带信号进行相关编码。
位同步的概念：
位同步
位同步是指在接收端的基带信号中提取码 元定时的过程。
基带 信号 定时 序列
A 0
0 1 0 1 1 0
-A
对位同步信号的要求： (1) 位同步频率和发送端的码元速率相同。 (2)位同步的相位为最佳抽样判决时刻。
位同步的实现方法：
插入导频法（外同步法）
直接法（自同步法）
滤波法 包络陷落法 数字锁相法
7.2.3、 同相正交法（科斯塔斯(Costas)环）
它不需要预先做平方处理，并且可以直接得到解 调信号。
v3 v1 x(t)cosωct 90° 相移 v2 v4 低通 v6 低通 v5 x′ (t)
v1
压控振荡器
环路滤波器
v7
v3
低通
v5
x′ (t)
数学分析：
v1 x(t)cosωct v1 压控振荡器 环路滤波器 v7
v3 v1 x(t)cosωct 90° 相移
低通
v5
x′ (t)
v1
压控振荡器
环路滤波器
v7
那么输入信号与v1,v2相乘后得
v2 v4 低通 v6
1 v3 x (t ) cos c t cos( c t ) 2 x (t )[cos cos(2 c t )] v x (t ) cos t sin( t ) 1 x (t )[sin sin(2 t )] c c c 4 2
1 2 幅度调制后：s 2 (t) (1 cos t)cos[c t (t)] 2 TB 1 2 包络检波： (1 cos t) 2 TB 1 2 滤除直流分量： cos t 2 TB
对于2PSK信号， x(t)是双极性矩形脉冲，设 x(t)=±1， 则x2(t)=1，这样已调信号 x(t)cosωct 经过非线性变换—平方律 部件后得
1 1 e(t ) cos 2ct 2 2
2fc窄带滤波器
1 cos 2c t 2
cos c t or cos(wc t )
经过低通滤波器后分别得
1 v5 2 x(t ) cos v 1 x(t ) sin 6 2
v3 v1 x(t)cosωct 90° 相移
低通
v5
x′ (t)
v1
压控振荡器
环路滤波器
v7
v5, v6经过乘法器后得
v2 v4 低通 v6
1 2 1 2 v7 v5 v6 x (t ) sin cos x (t ) sin 2 4 8 k sin 2
插入导频法
发端：s(t) am(t)sin c t ( acos c t)
收端：v(t)=s(t)a sin c t [am(t)sin c t a cos c t]a sin c t a 2 m(t)sin 2 c t a 2 cos c t sin c t 1 2 1 2 1 2 a m(t) a m(t)cos 2 c t a sin 2 c t 2 2 2 低通 1 a 2 m(t) 2
f
在频谱分量为0处插入。 导频附近频谱分量很小，易于滤出导频。
（2）接收端如何提取导频信号（对应图b）
图 位同步插入导频法框图
位定时脉冲:导频信号经过移相和放大限幅、微分全 波整流、整形等电路。 微分全波整流电路起到倍频器的作用，因此虽然导 频是 fb /2，但定时脉冲的重复频率与码元速率相同 为fb 。 为减小导频对信号的影响，应从接收的总信号中减 去导频信号。
2. 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。

分析： (1)由于外同步法需要传输独立的同步信号，因此，要付出额 外功率和频带，在实际应用中， 二者都有采用。在载波同步 中，采用两种同步方法，而自同步法用的较多；在位同步中， 大多采用自同步法，外同步法也有采用；在群同步中，一般都 采用外同步法。 (2)无论采用哪种同步方式， 对正常的信息传输来说，都是必 要的，只有收发之间建立了同步才能开始传输信息。同步误差 小、相位抖动小以及同步建立时间短、保持时间长等为其主要 指标， 它是系统正常工作的前提，否则就会使数字通信设备 的抗干扰性能下降，误码增加。如果同步丢失(或失步)，将会 使整个系统无法工作。
由窄带滤波器取出的导频（fb/2）经过移相和倒相后， 再经过相加器把基带数字信号中的导频成分抵消。
2、用调制的方法插入—双重调制导频插入法
适用于FSK、PSK中。都是包络不变的等幅波， 因此，可将位导频信号调制在它们的包络上。 接收端用包络检波得到位同步信号
插入导频法
调相信号：s1 (t) cos[c t (t)] 1 2 导频信号：m(t) (1 cos t) 2 TB TB : 码元周期
环路的输入信号为 x (t ) cos ct
90° 相移 v2 v4 低通 v6
若锁相环已锁定，则同相与正交载波信号分别为
v1 cos(ct ) v2 cos(ct 90) sin(ct )
θ 是锁相环输出信号与输入已调信号载波之间的相位误差， 当锁相环锁定时，取值应较小。
统）。
插入导频法的优缺点：
(1)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； (2)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； (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。
7.3
7.3.1 插入导频法
问题：
导频插入的方法?
1、插在基带信号频谱的零点处（频域插入） 2、利用包络调制的方法插入（频域插入） 3、利用独立信道传送位定时信号（时域插入）
1、导频插在基带信号频谱零点处
（1）插入位置示意
P(f ) (a) P(f ) (b)
1 Tb
2 Tb
3 Tb
f
1 2Tb
1 Tb
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。
两种载波同步方法的比较
直接法的优缺点： (1) 不占用导频功率．因此信噪功率比大一些； (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
二分频
注： 由于分频起点的不确定性得到的可能是coswct也
可能是cos(wct+π)，称为相位模糊。相位模糊对模拟系 统影响不大，但对于2PSK信号可能出现“反相工作”问 题，因此要采用2DPSK系统。
直接法——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---锁相环将压控振荡器输出的频率和 相位 “锁定”到输入参考源的频率和相位上。 由于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。因此，平方环法提取载波得到了较广泛 的应用。
通信网也有模拟网和数字网之分。在一个数字通信网中，
往往需要把各个方向传来的信码，按它们的不同目的进行分路、 合路和交换， 为了有效地完成这些功能，必须实现网同步。
不同传输方式的同步
同步也是一种信息，按照传输同步信息方式的不同，可分
为外同步法和自同步法。 1. 外同步法 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。
1 1 此时： v(5) x(t ) cos x(t ) 2 2
为解调信号
Costas环与平方环法比较： 都是利用锁相环（PLL）提取载波的常用方法，都 有180°相位模糊问题。
Costas环与平方环相比，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环易于实 现
7.2.2
1、平方变换法
非线性变换——滤波法
x(t)cosωct n i (t)
带通
× fc 平方律 部件 e(t) 二分频 2fc
低通
x(t)
2fc 窄带滤波
载波提 取电路
直接法——平方变换法
频带信号
平方后
x(t)cos ct
e(t ) x(t ) cos ct
2
1 2 1 2 x (t ) x (t ) cos 2c t 2 2
3. 群同步(帧同步):在数字时分多路通信系统中，各路信码 都安排在指定的时隙内传送，形成一定的帧结构。在接收端为了 正确地分离各路信号，首先要识别出每帧的起始时刻，从而找出 各路时隙的位置。也就是说， 接收端必须产生与字、句和帧起
止时间相一致的定时信号。我们称获得这些定时序列的过程为帧
(字、 句、 群)同步。 4. 网同步