西工大通信原理(期末复习、考研、求职必备)-第11章 同步原理

滞后脉冲
扣除门NC 与 a路 整
附加门NO 与
形 b路
nF'
晶振
本地同步脉冲
F'
F'→F
÷n
或
nF'
●接收码元频率：F ●晶振频率nF'
● a、b两路脉冲相位相差180度
●相位比较器：完成本地脉冲与接收码元比相
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本地：同相－－常态 超前－－扣除 滞后来自百度文库－添加
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第11章 同步原理
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； （2）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。
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第11章 同步原理
11.4 载波相位差对载波性能的影响
设 sm (t) m(t) cosct vc (t) cos(ct )
要求：与发端节拍一致、相位可调。 获取方法：插入导频法（外同步法）、直接法（自同步法）。
1.插入导频法 原理：同于载波同步时导频插入法。
P(f ) (a)
P(f ) (b)
f
1
2
3
f
1
1
Tb
Tb
Tb
2Tb
Tb
单/双极性NRZ
部分响应系统
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第11章 同步原理
部分响应系统：
即对基带信号进行积分、取样和判决；
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第11章 同步原理
注：●二进制数字调相信号就是抑制载波的双边带信号。故上 述插入导频法完全适用于2DPSK；
● SSB导频插入原理与上讨论一样； ●在VSB中插入不讨论，自学。
在VSB信号中插入导频（不讨论）：
Hf
f1
fr f2
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f1 fc fm
2F0
1 K
F F0
2
式中：F0－－收发两端固有码元重复频率的几何平均值；ΔF －－收发两端存在频差。
说明：要想延长同步保持时间tc，需要提高收发两端振荡器的 频率稳定度。
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第11章 同步原理
11.6.2 位同步相位误差对性能的影响
假设： ●位同步相位误差θc－－可用时间差Te来表示； ● 解调器已解调出基带数字信号，并假定采用MF法检测：
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第11章 同步原理
11.2 载波同步的方法
获取方法 ●插入导频法（外同步法）：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载频的正弦波，接收 端由导频提取载波；
●直接法（自同步法）：不专门发送导频，在接收端直接 从发送信号中提取载波。
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为了使同步建立时间ts减小，要求选用较小的n，这就和相位误 差θe对n的要求相矛盾 。
3、同步保持时间tc 系统因为没有输入，使得收端位同步信号的相位就会逐渐
发生漂移，时间越长，相位漂移量越大，直至漂移量达到某 一准许的最大值，就算失步了。
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第11章 同步原理
tc
原理－－时序：
n-1 n 1 2 n-1 n
接收码元 相位 (本地)超前脉冲
a
F
比较 器
滞后脉冲
扣除门NC 与 a路 整
附加门NO 与
b路 形 nF'
晶振
b
本地同步脉冲
F'
F'→F
÷n
或
nF'
c
T=1/F
若相位相同：无附加脉冲； 若超前：超前脉冲—减脉冲
引起相位滞后：T/n； 若滞后：滞后脉冲—附加脉冲
上式可以近似地表示为： v7
1 4
m2
t
好处：载波提取、相干解调一次完成！v5; 工作频率为fc，不是2fc，当载波频率很高时易于实现； 无π相位模糊问题。
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第11章 同步原理
11.3 载波同步系统的性能指标
载波同步系统的主要性能包括：效率、精度、同步建立时间 和同步保持时间。
二项包含有2ωc频率分量，经窄带滤波器可获成分： 2c
二分频，得: cos ct
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第11章 同步原理
输入已 调信号
平方律
2fc 窄带
部 件 e(t) 滤波器
问题：窄带滤波器不易实现。
改进：用PLL（锁相环）代替。
二分频 载波
输出
输入已 平方律 调信号 部 件
锁相环
1、精度
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。
（1）稳态相位误差
当利用窄带滤波器提取载波时，假设所用的窄带滤波器为一
简单单调谐回路，其Q值一定。那么，当回路的中心频率ω0与 载波频率ωc不相等时，就会使输出的载波同步信号引起一稳态 相差Δφ。若ω0与ωc之差为Δω，且Δω较小时，可得
mt
相关编码器
mt
相加
fb 2位同步导频 (a)
调制
cosct
输入 带通 信号
相乘
载波同 fc 步提取
低通
窄带 滤波
fb 2
相移
fb
2 相移
相加
倒相 放大 限幅
波形反 变换
微分全 波整流
(b)
抽样 判决
fb
整形
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第11章 同步原理
2.自同步法
当系统的位同步采用自同步方法时，发端不专门发送导频 信号，而直接从数字信号中提取位同步信号。
若 θ = 0，x(t) = m(t)/2 ----正是可希望的
θ ≠0，x(t)将衰减 cosθ 倍
对模拟信号，相当于功率下降cos2θ倍：S/N↓;
对数字信号，相当于能量下降cos2θ倍:
1
Pe2 psk 最佳
erfc 2
Eb n0
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第11章 同步原理
11.5 位同步的方法
模型：
mtcos ct
输入已调 信号
同相载波 正交载波 双PLL环
v3 载波输出 v1
2相移
v2 v4
LPF VCO LPF
v5 解调输出 LP v7
v6
目标：只需证得v7∝θ(载波相位差)。
v3
v4
m t cosct c1os442ct443
v1同相载波
m t cosct s1in42ct43
f1 fc fm f1 f2 fc fr f2
fc
f2
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第11章 同步原理
2. 直接法（自同步法）
思路：DSB信号虽不含载波分量，但对该信号进行某种非线 性变换（如：平方）后－－派生新的频率分量，就可从中提 取同步信息。
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第11章 同步原理
自同步法具体又可分为滤波法和锁相法。 （1）波形变换滤波法
全占 波形 单极性 fb 窄带
移
空码 变换 RZ 滤波器
相
波形变换：由微分、整流电路构成 。 移相：正弦波，好实现。
脉冲 位同步 形成
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第11章 同步原理
（2）锁相法
接收码元 F
相位 比较
器
(本地)超前脉冲
引起相位超前：T/n； 直至相位相同、锁定。
n 本地同步脉冲 n d
n 1 2 3 n-1 n e
n 1 2 34
n
f
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第11章 同步原理
11.6 位同步系统的性能及相位误差对性能的影响
11.6.1 位同步系统的性能指标 位同步系统的性能指标除了效率以外，主要有以下几个： （1）相位误差（精度）,（2）同步建立时间,（3）同步保持 时间,（4）同步带宽。 1、相位误差θe
ac sinct
2相移
数学分析：
发端： u0 (t) acm(t) sin ct ac cosct
收端： v(t) acm(t) sin ct ac cosct ac sin ct
LPF输出：
ac2 m(t ) 2
ac2 m(t ) 2
cos
2ct
ac2 2
sin
2ct
mˆ (t) ac2m(t) 2
（1）平方变换法和平方环法 发端：设调制信号中无直流分量，则DSB信号为：
st mtcos ct
收端：
平方变换法模型： 输入已
调信号
平方律
2fc 窄带
部 件 e(t) 滤波器
二分频 载波
输出
经平方律部件后:
et
m2
t cos
2
ct
m2 t
2
1 2
m2
t cos
2 c t
注：虽m(t)中无直流分量，但m2(t)却有直流分量，故e(t)中第
PD
载波输出
LP
VCO 二分频
好处：窄带、跟踪、记忆、维持。
载波跟踪环
讨论：平方环适于DSB，2PSK、2DPSK[m2(t) ＝k]；
对于4PSK－－图11－9。
问题：二分频电路提取出的载波存在π相位模糊问题。
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解决？
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第11章 同步原理
（2）同相-正交环法（科斯塔斯环）
由上图可见一个码元周期内由晶振及整形电路来的脉冲数 为n个，因此，最大调整相位为：
e 360 n
可以看到，随着n的增加，相位误差θe将减小。
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第11章 同步原理
2、同步建立时间ts 定义：失去同步后重建同步最所需的长时间。 故同步建立时间为：
ts 2Tb N nTb
则 vs (t) sm (t)vc (t) m(t) cosct cos(ct )
1 2
m(t) cos
1 2
m(t) cos(ct
)
LPF
vo
(t)
1 2
m(t) cos
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第11章 同步原理
讨论：
vo (t)
1 2
m(t) cos
希望：解调出m(t)，最好：cosθ = 1，即 θ = 0。
点对点
网同步（通信网中用）。
同步信号来自于接收信号；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。
本章要求：掌握载波、位、群同步的工作原理和获取方法。 性能及影响作一般了解。
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第11章 同步原理
研究的问题：
➢ 11.1 引言 ➢ 11.2 载波同步的方法 ➢ 11.3 载波同步系统的性能 ➢ 11.4 载波相位误差对解调性能的影响 ➢ 11.5 位同步的方法 ➢ 11.6 位同步系统的性能及其相位误差的性能的影响 ➢ 11.7 群同步 ➢ 11.8 扩频系统同步 ➢ 11.9 网同步
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第11章 同步原理
1.插入导频法
适用：DSB、SSB、2DSP、2DPSK－－信号频谱中皆不含载波成分. 原理：
0 fc-fm fc fc+fm f
注：插入导频为“正交载波”－－与加在调制器的那个载 波移相90°。 模型：
m(t) 相乘
调制
ac sinct
带通
相加 输出 u0 (t) 带通 u0 (t)
2Q 0
可见：Q值越高，所引起的稳态相差越大。
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第11章 同步原理
（2）随机相位误差 从物理概念上讲，正弦波加上随机噪声以后，相位变化是随
机的，它与噪声的性质和信噪功率比有关。经过分析当噪声为 窄带高斯噪声时，随机相位差与信噪功率比之间的关系式为
2 n
1
2r
第11章 同步原理
通信原理电子教案
第11章 同步原理
西 北 工 业 大 学 （2008.3）
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第11章 同步原理
11.1 引言
同步：是指收发双方在时间上保持步调一致。 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；
1 2
1 2
mt mt
cos sin
cos 2ct sin 2ct
v2正交载波
经低通后：
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现代通信系统原理 11
第11章 同步原理
经低通后的输出分别为 ：
v5
v
6
1
2 1
2
mtcos mtsin
乘法器的输出为：
v7
v5
v6
1 4
m2 tsin
cos
1 8
m2 tsin2
2
ac cosct
fc 窄带 滤波器
相乘 器
v(t)
低通 输出
m(t)
ac sinct
2相移
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第11章 同步原理
m(t) 相乘
调制
ac sinct
带通
相加 输出 u0 (t) 带通 u0 (t)
2
ac cosct
fc 窄带 滤波器
相乘 器
v(t)
低通 输出
mˆ (t)
n0 f0
2 A2 Q
其中：f0回路的中心频率，A接收信号幅度。 可见：滤波器的Q值越高，随机相位误差越小。
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第11章 同步原理
2、同步建立时间和保持时间
建立时间
保持时间
ts
2Q 0.46( )
0
tc
2Q
0
可见：要使建立时间变短，Q值需要减小；要延长保持时间， Q值要求增大，因此这两个参数对Q值的要求是矛盾的。
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第11章 同步原理
3、两种载波同步方法的比较
直接法的优缺点主要表现在以下几方面： （1）不占用导频功率，因此信噪功率比可以大一些； （2）防止导频和信号间的互相干扰，也可以防止信道不理想
引起导频相位的误差 ; （3）但有的调制系统不能用直接法（如SSB系统）。 插入导频法的优缺点主要表现在； （1）有单独的导频信号，一方面可以提取同步载波，另一方