通信原理第10章同步原理

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第 10 章 同步原理 1 插入导频法 在抑制载波系统中无法从接收信号中直接提取载波。 例如：DSB、VSB、SSB和2PSK本身都不含有载波分量，或即 使含有一定的载波分量，也很难从已调信号中分离出来 为了获取载波同步信息，可以采取插入导频的方法。 插入导频是在已调信号频谱中加入一个低功率的线状谱(其 对应的正弦波形即称为导频信号)。 在接收端可以利用窄带滤波器较容易地把它提取出来。经 过适当的处理形成接收端的相干载波。 插入导频的频率应当与原载频有关或者就是载频。 这里仅介绍抑制载波的双边带信号中插入导频法。
m (t ) (t ). cosω0t [ A f (t ) cosω0t a sin ω0t ]. cosω0t A A a f (t ) f (t ) cos 2ω0t sin 2ω0t 2 2 2 上式表示的信号通过截止角频率为m的低通滤波器就可得到
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A 基带信号 f (t ) 2
第 10 章 同步原理
同步可分为(1)载波同步,(2)位同步,(3)帧同 步,(4)网同步几大类。
一、载波同步
定义： 在采用相干解调系统中,接收端必须提供一个 与发送载波同频同相的相干载波,这就是载波同步。 相干载波信息通常是从接收到的信号中提取。
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第 10 章 同步原理
若已调信号中存在载波分量，即可以从接收信号中直 接提取载波同步信息； 若已调信号中不存在载波分量，就需要采用在发端插 入导频的方法，或者在接收端对信号进行适当的波形变 换，以取得载波同步信息。 前者称为插入导频法，又称外同步法；后者称为自同 步法，又称内同步法。
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在DSB信号中插入导频时，导频的插入位置应该在信号 频谱为零的位置，否则导频与已调信号频谱成分重叠，接 收时不易提取。如图所示为插入导频的一种方法。
插入导频
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插入的导频并不是加入调制器的载波，而是将该载 波移相π/2的“正交载波”。其发端方框图如图所示。
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两个相干解调器的输出同时送入乘法器，并通过低通滤波 器形成闭环系统，去控制压控振荡器(VCO)，使本地载波自动 跟踪发射载波的相位。在同步时，同相支路的输出即为所需的 解调信号，这时正交支路的输出为0。
因此，这种方法叫做同相正交法。 设VCD的输出为cos(ω0t+φ)，
在两个相邻抽样值间隔中，分成32个时隙，其中30个时 隙用来传送30路电话，一个时隙用来传送帧同步码，另一 个时隙用来传送各话路的标志信号码。 第1到第15话路的码组依次安排在时隙TS1到TS15中传送， 第16到第30话路的码组依次在时隙TS17到TS31中传送。 TS0时隙传送帧同步码，TS16时隙传送标志信号码。
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第 10 章 同步原理 （1）起止式同步法 起止式同步法广泛应用于电传机中，如图所示。
（2）集中插入同步法 PCM30/32路数字传输时的帧同步通常采用集中插入方法。 下面以PCM30/32路数字传输为例讨论另一种形式的集中插 入帧同步方法。
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PCM30/32路时分多路时隙的分配图：
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第 10 章 同步原理 经过带宽为Wm的LPF后得
1 f (t ) cos(θ 0 φ ) 2 1 U6 f (t ) sin(θ 0 φ ) 2 U5
将U5和U6加入相乘器后，得 如果(0－)很小，则sin2(0－)2(0－)。因此，乘 法器的输出近似为
U7 1 2 f (t ) ( 0 ) 4
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第 10 章 同步原理 以PSK为例
S (t ) cos[0t (t )]
若用cost进行附加调幅后，得已调信号为
(1 cost ) cos[0t (t )]
其中 ，T为码元宽度。 接收端对它进行包络检波，得包络为(1+ cost)，滤除直 流成分,即可得到位同步分量cost。 插入导频法的优点是接收端提取位同步的电路简单。但是， 发送导频信号必然要占用部分发射功率，降低了传输的信噪比， 减弱了抗干扰能力。
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三、帧同步
位同步的目的是确定数字通信中的各个码元的抽样时刻， 即把每个码元加以区分，使接收端得到一连串的码元序列，这 一连串的码元序列代表一定的信息。 通常由若干个码元代表一个字母（符号、数字），而由若 干个字母组成一个字，若干个字组成一个句。在传输数据时则 把若干个码元组成一个个的码组，即一个个的“字”或“句”， 通常称之为群或帧。群同步又称帧同步。 帧同步的任务是把字、句和码组区分出来。在时分多路传 输系统中，信号是以帧的方式传送的。每一帧中包括许多路。 接收端为了把各路信号区分开来，也需要帧同步系统。
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第 10 章 同步原理 为了解决帧同步中开头和结尾的时刻，即为了确定帧定时 脉冲的相位，通常有两类方法： 一类是在数字信息流中插入一些特殊码组作为每帧的头尾 的标记，接收端根据这些特殊码组的位置就可以实现帧同步。 另一类方法不需要外加特殊码组，用类似于载波同步和位 同步中的自同步法，利用码组本身之间彼此不同的特性来实现 自同步。 我们主要讨论插入特殊码组实现帧同步。插入特殊码组实 现帧同步的方法有两种：集中插入方式和分散插入方式。下面 分别予以介绍。 在此之前，首先简单介绍一种在电传机中广泛使用的起止 式帧同步法。
科斯塔斯环的相位控制作用在调制信号消失时会中止。当 再出现调制信号时，必须重新锁定。由于一般入锁过程很短， 对语言传输不致引起感觉到的失真。这样U1就是所需提取的载 波，U5作为解调信号的输出。
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二、位同步
定义： 在数字通信系统中，把在接收端产生与接收码元的重复频 率和相位一致的定时脉冲序列的过程称为码元同步，或称位同 步。 实现位同步的方法和载波同步类似，有插入导频法(外同 步法)和直接法(自同步法)两类。 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 数据流中是否有位定时的频率分量。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时钟直接提取出来。
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3 同相正交法(科斯塔斯环) 利用锁相环提取载波的另一种常用的方法是采用同相正交 环,也称科斯塔斯环(Castas)，其方框图如图所示。
它包括两个相干解调器，它们的输入信号相同，分别使用 二个在相位上正交的本地载波信号，上支路叫做同相相干解调 器，下支路叫做正交相干解调器。
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第 10 章 同步原理 2 非线性变换—滤波法 有些信号(如DSB信号)虽然本身不包含载波分量,只要对接收 波形进行适当的非线性变换,然后通过窄带滤波器,就可以从中提 取载波的频率和相位信息,即可使接收端恢复相干载波。它是自 同步法的一种。 下图为DSB信号采用平方变换法恢复载波的框图,(a)平方变 换法,(b)平方环法。
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设调制信号为f(t) ， f(t)无直流分量。 载波为Acosω0t，则发端输出的信号为
0 (t ) A f (t ) cosω0t a sin ω0t
接收端的方框图：
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第 10 章 同步原理
如果不考虑信道失真及噪声干扰,并设接收端收到的信号与发 端的信号完全相同,则此信号通过中心频率为ω0的窄带滤波器 可取得导频asinω0t,再将其移相π/2,就可以得到与调制载波 同频同相的相干载波cosω0t。 接收端的解调过程为
如果U7经过一个相对于Wm很窄的低通滤波器，此滤波器 的作用相当于用时间平均 f 2 (t ) 代替f2(t)(即滤波器输出直 流分量)。
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相位，使相位差(θ0-φ)趋于0，在稳定条件下θ0≈φ。
1 2 最后，由环路误差信号 f (t ) (θ 0 φ) 自动控制振荡器 4
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第 10 章 同步原理 下图为插入位定时导频的接收方框图。在接收端,经中心频 率为f=1/T的窄带滤波器就可从基带信号中提取位同步信号。而 上图(b)则需经过f=1/2T的窄带滤波器将插入导频取出，再进行 二倍频，得到位同步脉冲。
插入导频法的另一种形式是使某些恒包络的数字信号的包络 随位同步信号的某一波形而变化。例如PSK信号和FSK信号都是包 络不变的等幅波。因此，可将导频信号调制在它们的包络上，接 收端只要用普通的包络检波器就可恢复导频信号作为位同步信号。 且对数字信号本身的恢复不造成影响。
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第 10 章 同步原理 CCITT对PCM30/32路设备的帧时隙分配建议见表所示。 为了使帧同步能较好的识别假失步和避免伪同步，帧同 步码选为0011011。 表 帧同步码的分配情况
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第 10 章 同步原理 从表看出，帧同步码占有第2到第8码位，插入在偶帧TS0时 隙。第1位码目前保留未用。 奇帧TS0时隙插入码的分配是： 第 1 位保留给国际用，暂定为1。 第 2 位作监视码，用以检验帧定位码。 第 3 位用作对告码，同步时为0，一但出现失步，即变为1。 并告诉对方，出现对告指示。 第 4 位到第8位目前固定为1，留给国内今后开发使用。 PCM30/32路的帧同步码采用集中插入方式。
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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，或者对基带信号进行某种码型变换以得到位同步 信息。 位同步的导频插入方法与载波同步时的插入导频法类似，它 也要插在基带信号频谱的零点处，以便提取，如图(a)所示。如 果信号经过相关编码，其频谱的第一个零点在f=1/2T，插入导频 也应在1/2T处，如图(b)所示.
第 10 章 同步原理
如果在发端导频不是正交插入，而是同相插入，则接收端 解调信号为
[ A f (t ) cosω0t a cosω0t ]. cosω0t A A a a f (t ) f (t ) cos 2ω0t cos 2ω0t 2 2 2 2
f (t ) 项，但却增加 从上式看出，虽然同样可以解调出 A 2 了一个直流项。这个直流项通过低通滤波器后将对数字信号 产生不良影响。 这就是发端导频应采用正交插入的原因。

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2 T
第 10 章 同步原理 2 自同步法 自同步方法是发端不用专门发送位同步导频信号,而接收端 可直接从接收到的数字信号中提取位同步信号。这是数字通信中 经常采用的一种方法。 （一）非线性变换—滤波法 （1）微分整流法 图(a)为微分整流滤波法提取位同步信息的电原理框图。图 (b)为该电路各点的波形图。 当非归零的脉冲序列通过微分和全波整流后，就可得到尖顶 脉冲的归零码序列，它含有离散的位同步分量。然后用窄带滤波 器(或锁相环)滤除连续波和噪声干扰，取出纯净稳定的位同步频 率分量,经脉冲形成电路产生位同步脉冲。
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第 10 章 同步原理 （2）包络检波法 如图所示为其原理框图及波形图
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（3）延迟相干 法 右图为延迟 相干法的原理 框图和波形图。 其工作过程与 DPSK信号差分 相干解调完全 相同。
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第 10 章 同步原理 （二）数字锁相法 数字锁相法是采用高稳定频率的振荡器(信号钟)。从鉴相器 获得的与同步误差成比例的误差电压，不用于直接调整振荡器， 而是通过控制器在信号钟输出的脉冲序列中附加或扣除一个或几 个脉冲，调整加到鉴相器上的位同步脉冲序列的相位达到同步的 目的。 这种电路采用的是数字锁相环路。数字锁相环原理如图所示。
U1 cos (0t )
故：
U 2 sin (ω0t φ)
U 3 f (t ) cos (ω0 θ 0 ).cos (ω0t φ) 1 f (t ) [cos (θ 0 φ) cos (2ω0t θ 0 φ)] 2 U 4 f (t ) cos (ωt θ 0 ).sin (ω0t φ) 1 f (t )[ sin (θ 0 φ) sin ( 2ω0t θ 0 φ)] 2