定时与同步

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，另一方面可以利用它作为自动 增益控制。
（2）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。
（3）插入导频法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实 际信噪功率比要小一些。
8.3 位同步
8.3.1 插入导频法 8.3.2 自同步法 8.3.3 位同步系统的性能指标
2．位同步
位同步又称为码元同步。 不论是基带传输，还是频带传输，都需 要位同步。 因为在数字通信系统中，信息是一串相 继的信号码元的序列，解调时常需要知道每 个码元的起止时刻，以便判决。 例如用取样判决器对信号进行取样判决 时，均应对准每个码元最大值的位置。
因此，需要在接收端产生一个“码元定 时脉冲序列”，这个定时脉冲序列的重复频 率要与发送端的码元速率相同，相位（位置） 要对准最佳取样判决位置（时刻）。
这些信号本身不含载频或含有载频不易 取出，对于这些信号可以用插入导频法。
插入导频是在已调信号的频谱中再加入 一个低功率的频谱（其对应的正弦波即为导 频信号）。
在接收端可以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。
插入导频的方法很多，但基本原理都是 相似的。
插入导频的位置应该在信号频谱为零， 否则导频与信号频谱成分重叠，接收时不易 取出。
图8-4 时域插入导频法
在每一帧中，除了包含一定数目的数字
信息外，在t0～t1的时隙中传送位同步信号， 在t1～t2的时隙内传送帧同步信号，在t2～t3 的时隙内传送载波同步信号，而在t3～t4时间
内才传送数字信息。
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，其余时间是
没有载频标准的。
8.2.2 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 的方法。
下面介绍几种直接提取载波的方法。
1．平方变换法
由式（8-2）可以看出，虽然前面假设
x(t)中无直流分量，但x2(t)却一定有直流分 量，这是因为x2(t)必为大于等于0的数，因 此，x2(t)的均值必大于0，而这个均值就是 x2(t)的直流分量，这样r(t)的第二项中就包
下面分两种情况讨论。
（1）模拟调制信号 （2）数字调制信号
图8-2 数字信号的导频插入方式（只考虑正向频谱）
图8-3 导频插入与发送端、接收端框图
2．时域插入导频法
除了在频域插入导频的方法以外，还可 以在时域插入导频以传送和提取同步载波。
时域插入导频法中对被传输的数据信号 和导频信号在时间上加以区别，具体分配情 况如图8-4（a）所示。
学习重点
定时与同步的概念 三种同步的相互关系 载波同步的概念及工作原理 位同步的概念及工作原理 帧同步的概念及工作原理 网同步的概念及作用
同步是通信系统中一个重要的技术问题。 通信系统能否有效地、可靠地工作，在很大 程度上依赖于良好的同步系统。
同步问题是进行数字通信的前提和基础， 同步性能的好坏直接影响通信系统的性能。
图8-10 滤波法原理框图 图8-11 波形变换后的波形
2．采用锁相法提取位同步
与载波同步的提取类似，把采用锁相环 来提取位同步信号的方法称为锁相法。
在数字通信中，这种锁相电路常采用数 字锁相环来实现。
采用锁相法提取位同步原理方框图如图 8-12所示，它由高稳定度振荡器（晶振）、 分频器、相位比较器和控制电路组成。
在发送部分，假设时钟为192kHz，两路
抽样（图中的SL1，SL2）频率均为8kHz，每个 抽样信号编码为8bit（D1，D2），各占1个时
隙（TS1，TS2）。 为了保证帧同步，采用连贯式插入法在
时隙TS0处插入帧同步码（FS）：1110010。
经过复接后的An为一个时分复用基带PCM
信号，码元速率为192kbit/s，帧长为125s， 然后，再经过差分编码、2PSK调制，就可以
1．采用滤波法提取位同步
根据基带信号的谱分析可知，对于不归 零的随机二进制序列，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 变成单极性归零脉冲后，则该序列中就有
f = 1/Tb的位同步信号分量，经一个窄带滤
波器，可滤出此信号分量，再将它通过一移 相器调整相位后，就可以形成位同步脉冲， 这种方法的方框图如图8-10所示。
除了按照功用来区分同步外，还可以按 照传输同步信息方式的不同，把同步分为外 同步法（插入导频法）和自同步法（直接法） 两种。
外同步法是指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；自同步法是指发送端 不发送专门的同步信息，而在接收端设法从 收到的信号中提取同步信息的方法。
含2fc频率的分量。
图8-5 平方变换法提取载波
2．平方环法
为了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8-6所示的框图，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。
对tc的要求是越短越好，这样一旦建立
同步以后可以保持较长的时间。
8.2.4 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，信噪功率比可以 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系统）。
第8章 定时与同步
8.1 数字通信系统中同步的作用 8.2 载波同步 8.3 位同步 8.4 帧同步 8.5 网同步 本章内容小结
学习要点
定时与同步的基本概念 同步在通信系统的位置 载波同步的概念、特点及工作原理 位同步的概念、特点及工作原理 帧同步的概念、特点及工作原理 网同步的概念及方法
载波同步的实现方案与采用的数字调制 方式有一定的关系。
8.2.1 插入导频法（外同步法）
插入导频法分为两种：一种是在发送信 息的频谱中或频带外插入相关的导频信号， 称为频域插入导频法；另一种是在一定的时 段上传送载波信息，称为时域导频法。
1．频域插入导频法
抑制载波的通信系统无法从接收信号直 接提取载波，例如DSB信号、2PSK信号、VSB 信号和SSB信号等。
如果存在此分量，就可以利用滤波器从 信息数据流中把位定时信息提取出来。
若基带信号为随机的二进制不归零码序 列，这种信号本身不包含位同步信号，为了 获得位同步信号需在基带信号中插入位同步 的导频信号，或者对该基带信号进行某种码 型变换以得到位同步信息。
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，如图8-8（a）所示。
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。
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。
8.3.1 插入导频法
为了得到码元同步的定时信号，首先要 确定接收到的信息数据流中是否包含有位定 时的频率分量。
2．精度（相位误差）
精度是指提取的同步载波与载波标准比 较，它们之间的相位误差大小。
例如需要的同步载波为cosct，提取的 同步载波为cos(ct+)，就是相位误差， 应尽量小。
通常习惯地将这种误差分为稳态相位误 差和随机相位误差。
3．同步建立时间ts
对ts的要求是越短越好，这样同步建立
得快。
4．同步保持时间tc
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。
本章主要讨论同步的基本原理、实现方 法及其相关的性能指标。
8.1 数字通信系统中同步的作用
8.1.1 定时与同步的概念 8.1.2 同步在数字通信系统中的位 置
8.1.1 定时与同步的概念
数字通信系统中的数字信号，不论是二 进制信号还是多进制信号，都是由一串码元 构成的序列。
这些码元在时间上按一定的顺序排列， 代表不同的信息。
若经某种相关编码处理后的基带信号，
其频谱的第一个零点在f = 1/2Tb处时，插入 导频信号就应在1/2Tb处，如图8-8（b）所示。
图8-8 插入导频法频谱图
图8-9 位同步插入导频法方框图
8.3.2 自同步法
当系统的位同步采用自同步方法时，发 端不需要专门发送导频信号，而直接从数字 信号中提取位同步信号，这种方法在数字通 信中经常采用，而自同步法具体又可分为滤 波法和锁相法。
这样的一个码元定时脉冲序列Байду номын сангаас被称为 “位同步脉冲”（或“码元同步脉冲”）， 而把位同步脉冲的取得称为位同步提取。
3．帧同步
数字通信中的信息数字流，总是用若干 码元组成一个“字”，又用若干“字”组成 一“句”。
因此，在接收这些数字流时，同样也必 须知道这些“字”、“句”的起止时刻。
而在接收端产生与“字”、“句”起止 时刻相一致的定时脉冲序列，就被称为“字” 同步和“句”同步，统称为帧同步（或群同 步）。
同步的种类很多，按照同步的功用来分， 数字通信系统中的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（数字通信网中用）四种，下面分别 加以说明。
1．载波同步
当采用同步解调或相干检测时，接收端 需要提供一个与发射端调制载波同频同相的 相干载波，而这个相干载波的获取就称为载 波同步（或载波提取）。
8.1.2 同步在数字通信系统中的位置
当通信在点对点之间完成了载波同步、 位同步和帧同步之后，就可以进行可靠的通 信了。
为了较深刻地认识这三种同步在数字通 信系统中的位置，图8-1所示给出了两路数字 电话通信系统框图，图8-1（a）所示为发送 部分，图8-1（b）所示为接收部分。
图8-1 两路数字电话系统
图8-6 平方环法提取载波
3．同相正交环（Costas环）法
图8-7 同相正交环法提取载波
8.2.3 载波同步系统的性能指标
载波同步系统的主要性能主要包括：效 率、精度（相位误差）、同步建立时间和同 步保持时间。
1．效率
为获得同步，载波信号应尽量少消耗发 送功率，在这方面直接法由于不需要专门发 送导频，因此是高效率的，而插入导频法由 于插入导频要消耗一部分发送功率，因此效 率要低一些。
得到2DPSK信号，由BPF进入传输信道。
8.2 载波同步
8.2.1 插入导频法（外同步法） 8.2.2 直接法（自同步法） 8.2.3 载波同步系统的性能指标 8.2.4 两种载波同步方法的比较
提取载波的方法一般分为两类：一类是 不专门发送导频，而在接收端直接从发送信 号中提取载波，这类方法称为直接法（或自 同步法）；另一类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） 称做导频（专门设置的含有载波信息的单频 信号）的正弦波，在接收端就可以利用导频 提取出载波，这类方法称为插入导频法（或 外同步法）。
4．网同步
现代通信需要在多点之间相互连接构成 通信网。
在一个通信网中，往往需要把各个方向 传来的信息，按不同目的进行分路、合路和 交换。
为了有效地完成这些功能，必须实现网 同步。
随着数字通信的发展，特别是计算机通 信的发展，多点（或多用户）之间的通信和 数据交换构成了数字通信网。
为了保证数字通信网稳定可靠地进行通 信和交换，整个数字通信网内交换必须有一 个统一的时间标准，即整个网络必须同步地 工作，这就是网同步需要讨论的问题。
要使数字信号在通信过程中能保持完整 的信息，必须保持这些码元时间位置的准确 性，也就是发送端与接收端都要有稳定而准 确的定时脉冲，以保证各种电路始终处于定 时状态，确保数字信息的可靠传输。
为了使整个通信系统有序、准确、可靠 地工作，收、发双方必须有一个统一的时间 标准。
这个时间标准就是靠定时系统完成收、 发双方时间的一致性，即同步。