数字通信原理第9章同步原理

(3) 群同步
➢也称帧同步，包含字同步、句同步等。 ➢ 在数字通信中，信息流是用若干码元组成一个 “字”，又用若干个“字”组成“句”。 ➢确定这些“字”、“句”的起止时刻，就称为群 同步。
5
9.1 概述
2、按照获取和传输同步信息方式分为：
❖ 外同步法 ❖ 自同步法
6
9.1 概述
(1) 外同步法
➢由发送端发送专门的同步信息（常被称 为导频）。接收端把这个导频提取出来 作为同步信号的方法，称为外同步法。 ➢群同步一般都采用外同步法。
2
2
19
9.2.1 直接法
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
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9.2.1 直接法
2
x(t)cos ωct ni(t)
带通
×
平方 律 部件
fc 二分 频
e(t) 2fc
2fc
窄带 滤波
代替
输入已调 平方律
信号
部件
鉴相器
环路 滤波器
压控 振荡器
低通
x(t)
二 分 频 载波输出
锁相环
15
9.2.1 直接法
3、 同相正交环法：又叫科斯塔斯(Costas)环
它不需要预先做平方处理，并且可以直接得到解
接收码元
1
0
1
超前区 滞后 超前 区区
39
9.3.3 位同步系统的性能指标
位同步系统的性能指标主要有以下几个： ❖ 相位误差（精度） ❖ 同步建立时间 ❖ 同步保持时间 ❖ 同步带宽
注：讨论的是数字锁相环法的上述指标
40
9.3.3位同步系统的性能指标
1、相位误差θe ：位同步的相位和最佳抽样点 的偏差 ： Te =Tb/n n Te 2、同步建立时间ts、保持时间tc
❖ 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。
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9.2.3 载波同步系统的性能指标
载波同步系统的性能指标 ❖高效率 ❖高精度 ❖同步的建立时间、保持时间
注：这些指标与提取的电路、信号及噪声的情况有关。当采用 性能优越的锁相环提取载波时 这些指标主要取决于锁相环的 性能。
调信号。
v3 低通
v5
x′ (t)
x( t)cos ωct
v1 v1 压控振荡器
环路滤波器 v7
90 °相移 v2 v4
低通
v6
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数学分析：
x( t)cos ωct
v3 低通 v1 v1 压控振荡器
v5
x′ (t)
环路滤波器 v7
90 °相移
环路的输入信号为 x(t) cosct
v2
低通
v4
v6
实现群同步，通常采用的方法是起止式同步法和插入特殊 同步码组的同步法。而插入特殊同步码组的方法有两种：一种 为连贯式插入法，另一种为间隔式插入法。
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9.4.1 起止同步法
例如电传机。
7.5个码元
止起
止
Байду номын сангаас
1 负脉冲
5个码元 （信息）
1.5 正脉冲
图 起止式同步
45
9.4.1 起止同步法
❖ 不发信号时，一直发送停止位（正电平）。 ❖ 收端根据正电平（大于或等于1.5倍的时间长） 第一次转到负电平，确定一个字的起始位置。 ❖收端收到1.5倍码元周期长的正电平表示一个字的 结束 缺点： ❖ 止脉冲宽度与码元宽度不一致，同步传输不便； ❖ 效率低，一般用在异步低速传送方式中。
(2) 位同步
位同步又称码元同步。要求： ➢ 定时脉冲频率和码元速率相同 ➢ 定时脉冲位置（相位）对准最佳抽样判决位置。 ➢ 这个位同步脉冲的取得称为位同步提取。
3
9.3 位同步
y(t) BPF
zx(t)
xr(t)
LPF
cosωct 载波同步
抽样判决 So(t)
cp(t) 位同步器
4
9.1 概述
第九章 同步原理
9.1 概述 9.2 载波同步 9.3 位同步 9.4 群（帧）同步
9.1 概述
1、按照同步的功用分为：
❖ 载波同步 ❖ 位同步 ❖ 群同步 ❖ 网同步
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9.1 概述
(1) 载波同步
➢相干解调时，接收端需要获得一个与发送端 同频同相的相干载波。 ➢这个载波的获取称为载波提取或载波同步。
鉴相：相乘器+低通
P249图8-315 3
数字锁相法
误差信号
❖晶振产生信号经过整形成网络后，成为周期性脉冲； 经过控制电路送入n次分频器，输出位同步脉冲； ❖如果输出位同步脉冲与输入的相位基准不一致（超前 或滞后），则要根据相位比较器输出的误差信号。
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具体电路：
控制电路
自解 调 输出 信号
放大 限幅
u1
(a)
蝌
u2
(b)
无控制脉冲时(c) 分频器输出 有超前脉冲时(d) 或门输出 有分超频前器脉输冲出时(e) 有滞后脉冲时 或门输出 (f)
有滞后脉冲时(g) 分频器输出
蝌
周期T＝1/F
n 1 2 3 4 5 6 7 蝌 (n-1) n 1 2 3 4
蝌
该脉冲扣除
相位滞后
n 1 2 34 5 6 7 8 9 蝌 n 1 2 3 4 5
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v3 低通
v5
x′ (t)
x( t)cos ωct
v1 v1 压控振荡器
环路滤波器 v7
90 °相移
v5, v6经过乘法器后得
v2
低通
v4
v6
v7
v5
v6
1 4
x2 (t) sin
cos
1 8
x2 (t) sin
2
1 8
x2 (t) 2
1 4
kd
此时： v(5) 1 x(t) cos 1 x(t) 为解调信号
蝌
附加一个脉冲
蝌
相位超前 38
➢超前脉冲，作用于常开门（扣除门），通过扣除一个脉 冲，将分频器输出脉冲相位推后1/n周期；
➢滞后脉冲，作用于常闭门（添加门），通过插入一个脉 冲，将分频器输出脉冲相位提前1/n周期； ➢经过多次比较，反复调整分频器输出脉冲的相位，最终 得位同步信号。
➢在数字锁相法中都是从数据过零点中提取相位基准
基带 A 0
1
0
1
1
0
信号 0
-A
定时 序列
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。
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9.3 位同步
y(t) BPF
zx(t)
xr(t)
LPF
cosωct 载波同步
抽样判决 So(t)
cp(t) 位同步器
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9.3 位同步
位同步的实现方法： ❖插入导频法（外同步法，略） ❖直接法（自同步法）
(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。 ➢载波同步和位同步中多采用自同步法。
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9.1 概述
❖ 同步是进行信息传输的必要和前提。 ❖ 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。
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。
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v3 低通
v5
x′ (t)
x( t)cos ωct
v1 v1 压控振荡器
环路滤波器 v7
➢ 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。
➢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。
➢锁相环输出也会有 180゜反相稳定输出的两种波形
滤波法
包络陷落法
数字锁相法
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滤波法：
原理：得到单极性归零脉冲信号，其功率谱 密度函数为：
Ps ( f )
0.5
3 fs 2 fs fs
fs
2 fs 3 fs
f
0
位同步 分量
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滤波法包含两部分： 1、非线性变换电路：使得基带信号经处理后含有 位同步频率分量(通常采用微分和全波整流电路)； 2、窄带滤波器或者锁相环：滤除噪声和其他谱分 量，提取纯净的位同步信号。
e(t) 2fc
2fc
窄带滤波
低通 x(t)
载波提 取电路
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9.2.1 直接法
频带信号
x(t)cos ct
平方后
e(t) x(t) cosct2
1 2
x2
(t)
1 2
x2
(t)
cos
2ct
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
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9.2 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,略）
9
9.2.1 直接法
直接法举例 ❖ 平方变换法 ❖ 平方环法 ❖ 同相正交环法
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9.2.1 直接法
1、平方变换法
x(t)cos ωct ni(t)
带通
平方律 部件
×
fc 二分频
ts ：失步后重建同步最所需的最长时间，要求ts要短。
tc：由同步到失步所需要的时间，要求tc要长。
失步原因：
同步建立后，一旦基带信号中断，或者遇到长连0码、长 连1码时，由于接收的码元没有过零脉冲，比相器就因为 没有输入相位基准而不起作用，将出现失步。
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9.3.3位同步系统的性能指标
3、同步带宽Δf
非线 性变 换电 路
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微分的作用：变为归零脉冲。 全波整流电路的作用：变为单极性信号。
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完整的滤波法框图和各点波形图：
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包络陷落法：
应用对象是频带受限的二相PSK 信号，因频带受限， 在相邻码元的相位突变点附近会产生幅度平滑的“陷 落”。
陷落
频带受限：带通滤波器的带宽小于信号带宽 取包络陷落分为：从基带信号中取；从频带信号中取
90 °相移
那么输入信号与v1,v2相乘后得
v2
低通
v4
v6
v3
x(t) cosct
cos(ct
)
1 2
x(t)[cos
c os (2ct
)]
v4
x(t) cosct
sin(ct
)
1 2
x(t)[sin
sin(2ct
)]
经过低通滤波器后分别得
v5
1 2
x(t) cos
v6
1 2
x(t) sin
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9.2.3 载波同步系统的性能指标
高效率：指的是为了获取载波信号而尽量少消耗 发送功率。（直接法优于插入导频法）
高精度:指接收端提取的载波与需要的载波标准比较， 应该有尽量小的相位误差。 如需要的同步载波为cosωct，提取的同步载波为 cos(ωct+Δφ)，Δφ就是相位误差。
载波相位误分为稳态误差和随机误差: 稳态误差主要是由提取电路有关 随机误差则是由随机噪声产生。
比相 器
位脉 冲输出
滞后 脉冲 超前 脉冲
n 次分 频
≥1
常开 门 u1
( 扣 除门)
常闭门 u2 ( 附 加门)
形成 网络
标准 振荡
相位基准
常开门、常闭门的输入信号u1、u2为同频，但时间上
差半个周期的脉冲信号。
1
01
误差信号为：滞后脉冲、超前脉冲
超前 滞后 超前
区 区区
37
(n-1)n 1 2 3 4 5 6 7 8 (n-1) n 1 2 3 4 5
后得
e(t)
1 2
1 2
cos2ct
12
2fc窄带滤波器 二分频
1 2 cos 2ct cos ct or cos(wct )
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。它对于2PSK会出现 “反相工作”问题，因此要采用2DPSK系统。
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9.2.1 直接法
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同步建立时间ts和保持时间tc，要求ts短，tc长。
建立时间： 指从开机或失步到同步所需要的时间
保持时间： 指同步建立后，若同步信号小时，系统还 能维持同步的时间。
窄带滤波器
U kU
ts
tc
U:同步信号峰值
kU:输出电压的包络达到此值，认为同步建立
t
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9.3 位同步
位同步的概念：
位同步是指在接收端的基带信号中提取码元 定时的过程。
31
频带不受限的调制波形：相位翻转迅速
32
频带不受限与频带受限的波形比较：
频带不受限波形
频带受限波形
33
1、从频带受限的2PSK（2DPSK）频带信号中取陷 落
直流分量
归零脉冲
P250图8-15 34
2、 从频带 受限的 2DPSK 信号经 差分解 调后的 基带信 号中取 陷落
基带信号 中含有同 步分量
同步带宽是指能够调整到同步状态所允许的同步频率
与码元速率之差。要求Δf 越小越好。
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载波同步、位同步比较：
位同步与载波同步有一定的相似和区别。
1、载波同步是相干解调的基础，不论模拟通信还是 数字通信只要是采用相干解调都需要载波同步，载波 同步信号一般从频带信号中提取。实现方法有插入导 频法和直接法。
2、位同步是正确取样判决的基础，只有数字通信中 需要（不论基带传输还是频带传输）， 位同步信号 一般从基带信号中提取。实现方法也有插入导频法和 直接法。
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9.4 群（帧）同步技术
数字通信时，一般总是以若干个码元组成一个字，若干个 字组成一个句，即组成一个个的“群”进行传输。群同步的任 务就是在位同步的基础上识别出这些数字信息群（字、句） “开头”和“结尾”的时刻。