通信原理课件 同步原理
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第十三章 同步原理
13.3 码元同步
现代通信原理
1.位同步与载波同步的区别：模拟通信没有位 同步，数字通信一般都有位同步；位同步信 号从基带中提取，特殊情况在频带信号中提 取，而载波同步一定在频带信号中提取。
2.对位同步信号的要求： (1)使收端的位同步脉冲频率和发送端的码元速 率相同。 (2)使收端最佳判决时对接收码元作抽样判决。 3.位同步方法的分类：直接法和插入导频法。 直接法中也分滤波法和锁相法。
cos(1t 1 ) cos(2t 2 )
θ1 ：第一个导频的初相 θ2 ：第二个导频的初相 发送端的载波为cos(ωct+θc)
第十三章 同步原理
现代通信原理
13.2.2 无辅助导频时的载波提取
此方法广泛用于建立抑制载波的双边带信 号的载波同步。 设调制信号m(t)无直流分量，则抑制载波 的双边带信号为 S(t ) m(t ) cos t
1 v5 m(t ) cos 2 经过低通滤波器后分别得 v 1 m(t ) sin 6 2
第十三章 同步原理
现代通信原理
v5、v6相乘产生误差信号
1 2 v7 v5 v6 m (t)sin cos 4 1 2 m (t)sin2 8 1 2 1 2 m (t)2 m (t) 8 4
第十三章 同步原理
现代通信原理
位同步是正确取样判决的基础，只有数 字通信才需要，并且不论基带传输还是 频带传输都需要位同步；所提取的位同 步信息是频率等于码速率的定时脉冲， 相位则根据判决时信号波形决定，可能 在码元中间，也可能在码元终止时刻或 其他时刻。
第十三章 同步原理
现代通信原理
群同步：包含字同步、句同步、分路同步等， 有时也称帧同步。在接收端产生与“字”、 “句”及“帧”起止时刻相一致的定时脉冲序 列的过程统称为群同步。 网同步：为了保证通信网内各用户之间可靠地 通信和数据交换，全网必须有一个统一的时间 标准时钟，这就是网同步的问题。
第十三章 同步原理
现代通信原理
同步的重要性
同步本身虽然不包含所要传送的信息，但只有 收发设备之间建立了同步后才能开始传送信息， 所以同步是进行信息传输的必要和前提。同步 性能的好坏又将直接影响着通信系统的性能。 如果出现同步误差或失去同步就会导致通信系 统性能下降或通信中断。因此，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。
第十三章 同步原理
现代通信原理
2. 在残留边带信号中插入导频 残留边带频谱的特点
第十三章
同步原理
现代通信原理
插入导频f1、f2的选择 可在残留边带频谱的两侧插入f1和f2; 假设: f1 (fc fm ) f1
f 2 (fc fr ) f 2
fr：滚降部分占用带宽的一半 fm：基带信号的最高频率
效率：指为了获得载波信号而尽量少消耗 发送功率。 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。 同步建立时间ts：指从开机或失步到同步 所需要的时间。显然ts越小越好。 同步保持时间tc：指同步建立后，若同步 信号小时，系统还能维持同步的时间。
第十三章 同步原理
现代通信原理
第十三章 同步原理
现代通信原理
• 解调器输出
v(t) u o (t)ac sin ct [ac m(t )sin ct ac cos ct ] (ac sin ct ) ac2 m(t )sin 2 ct ac2 sin ct cos ct 1 2 1 2 1 2 ac m(t ) ac m(t ) cos 2ct ac sin 2ct 2 2 2 1 2 经低通滤波后得 2 a c m(t)
第十三章 同步原理
现代通信原理
2. 同相正交环法 (科斯塔斯环 ) v v
3
低通
5
输出 输入已调 信号
v1
压控 振荡器 低通 环路 滤波器
-90° 相移
v7
v2 v4 v6
在此环路中，压控振荡器（VCO）提供两路互为正交的 载波，与输入接收信号分别在同相和正交两个鉴相器 中进行鉴相，经低通滤波之后的输出均含调制信号， 两者相乘后可以消除调制信号的影响，经环路滤波器 得到仅与相位差有关的控制压控，从而准确地对压控 振荡器进行调整。 第十三章 同步原理
～ acsinct
-90° 相移
输出信号为 u0 (t ) acm(t ) sinct ac cosct
第十三章 同步原理
现代通信原理
插入导频法收端框图
uo(t) 带通 相乘器 v(t) 低通 m(t) acsinct fc窄带 滤波器 90° 相移
接收信号为 u0 (t ) acm(t ) sinct ac cosct 接收端用一个中心频率为fc的窄带滤波器提 取导频-acosωct，再将它经90°移相后得到与 调制载波同频同相的相干载波 sinωct，
第十三章 同步原理
现代通信原理
抑制载波的双边带信号（如DSB、等概的 2PSK）本身不含有载波，残留边带（VSB） 信号虽含有载波分量，但很难从已调信号 的频谱中把它分离出来。对这些信号的载 波提取，可以用插入导频法（外同步法）。 尤其是单边带（SSB）信号， 它既没有载 波分量又不能用直接法提取载波，只能用 插入导频法。
现代通信原理
• 设输入抑制载波双边带信号为
m(t)Cosωct
假定环路锁定，且不考虑噪声的影响，则 VCO 输出的两路互为正交的本地载波分别 为
v1 cos(c t ) c t ) v 2 cos(c t 90) sin(
θ为VCO输出信号与输入已调信号载波之 间的相位差
稳态相位误差
当滤波器中心频率与载波频率不相等时就会使 提取的同步载波信号引起一个稳态相位误差 Δφ。 锁相环的剩余相差 k
v
Δω：锁相环压控振荡角频率与输入载波角频 率之差 KV：环路直流总增益
随机相位误差
第十三章 同步原理
现代通信原理
在数字通信中，信号的码元组成序 列向对方传送，接收端解码时必须 知道各个码元的起止时刻。产生与 码元的频率和相位一致的定时脉冲 序列的过程称为位同步。 为获得位同步信号，可以在基带信 号中插入位同步导频信号，也可以 通过对基带信号进行处理来提取。
第十三章
同步原理
现代通信原理
二.按传输同步信息方式的不同来区分 1.外同步: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。 2.自同步: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。 自同步法是人们最希望的同步方法，因为可以把 全部功率和带宽分配给信号传输。在载波同步和 位同步中，两种方法都有采用，但自同步法正得 到越来越广泛的应用。而群同步一般都采用外同 步法。
•
第十三章
同步原理
现代通信原理
发送端是以正交载波作为导频的原因
• 如果发送端加入的导频不是正交载波，而 是调制载波，则接收端v(t)中还有一个不 需要的直流成分，这个直流成分通过低通 滤波器对数字信号产生影响，这就是发端 正交插入导频的原因。
2PSK 和 DSB 信号都属于抑制载波的双边带信号， 所以上述插入导频方法对两者均适用。 对于SSB信号，导频插入的原理也与上述相同。
c
s(t)
带通滤波
平方
环路滤波
压控振荡
2分频
窄带滤波
载频 输出
图13-2 平方环原理方框图
锁相环
第十Fra Baidu bibliotek章
同步原理
现代通信原理
接收端将信号S(t)经过非线性变换—平 方律器件后得到
2 2 m (t) m (t) 2 2 e (t) m (t) cos c t cos2 c t 2 2
第十三章
同步原理
现代通信原理
三.两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，因此信号功率比可以大一些。 (2)可防止插入导频法中导频和信号由滤波不好引 起的互相干扰,也可防止信道不理想引起的导频相 位误差。 (3)有的调制系统不能用直接法(如SSB系统)。
第十三章
同步原理
现代通信原理
第十三章 同步原理
一、插入导频法
现代通信原理
在抑制载波的双边带信号中插入导频
所谓插入导频，就是在已调信号频谱中额 外插入一个低功率的线谱，以便接收端作 为载波同步信号加以恢复，此线谱对应的 正弦波称为导频信号。
O
fc- fm
fc 导频
fc+fm
f
抑制载波双边带信号的导频插入
第十三章 同步原理
现代通信原理
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，另一方面可以用它作自动增益 控制。 (2)有些不能用直接法提取同步信息的调 制系统只能用插入导频法。 (3)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信噪功率 比要小一些。
第十三章 同步原理
现代通信原理
13.2.3 载波同步系统的性能
第十三章 同步原理
现代通信原理
让VSB信 号通 过，滤除f1 、f2 接收VSB 信号和f1 、f2两 个导频 带通 × 低通
f1窄带滤波
f2窄带滤波
v1
(f2－f1) 低通
v4
fc窄带滤波
v5
v6
移相
v2
q次分频
插入导频的VSB信号的载波提取
v3
第十三章
同步原理
现代通信原理
载波信号的提取 接收的信号中包含有VSB信号和f1、f2 两个导频。假设接收信号中两个导频是
第十三章 同步原理
现代通信原理
信号m(t)Cosωct 分别与 v1 、 v2 相乘后得
1 v 3 m(t ) cosc t cos(c t ) m(t )[cos cos(2c t )] 2 1 v m(t ) cos t sin ( t ) m(t )[sin sin ( 2c t )] 4 c c 2
现代通信原理
第13章 同步原理
13.1 13.2 13.3 13.4 13.5 概述 载波同步 码元同步 群同步 网同步
第十三章
同步原理
现代通信原理
13.1
概述
同步：指要求和建立系统的收发两端（或多端） 在时间上保持步调一致，故又称定时。 分类（按同步的功用分）：载波同步、位同步、 群同步和网同步。 载波同步：是指在相干解调时，接收端需要提供 一个与接收信号中的调制载波同频同相的相干载 波。这个载波的获取称为载波提取或载波同步。 位同步：又称码元同步。把提取这种定时脉冲序 列的过程称为位同步。
第十三章 同步原理
现代通信原理
13.2
载波同步
载波同步的方法：直接法(自同步法)、插入 导频法(外同步法) 插入导频法：在发送信息的频谱中或频带外 插入相关的导频，或在时域插入（即在一定 的时段上传送载波信息）。 直接法：也称自同步法。设法从接收信号中 提取同步载波。 对载波同步的要求：发送载波同步信息所占 的功率尽量小，频带尽量窄。
插入导频法
• 在fc附近的频谱函数很小，且没有离散谱， 这样可以在fc处插入频率为fc的导频（这 里仅画出正频域）。但应注意，在图 中 插入的导频并不是加于调制器的那个载波， 而是将该载波移相90°后的所谓“正交载 波”。
第十三章
同步原理
现代通信原理
插入导频法发端框图
m(t) 调制信号 相乘 调制 带通 相加 uo(t) 输出
上式的第二项包含有载波的倍频2ωc的 分量。若用一窄带滤波器将2ωc频率分 量滤出，再进行二分频，就可获得所需 的相干载波。
第十三章
同步原理
现代通信原理
若m(t)=±1，则抑制载波的双边带信号 就成为二相移相信号（2PSK），这时
1 1 e(t ) [m(t ) cos ct ] cos 2ct 2 2
2
因而同样可以通过图中所示的方法提取 载波。
第十三章
同步原理
现代通信原理
平方环法提取载波的缺点
相位模糊：2分频器的输出电压有相差 180的两种可能相位，即其输出电压的相 位决定于分频器的随机初始状态。采用 2DPSK体制可以避免此缺点的影响。
错误锁定：平方后的接收电压中有可能 存在其他的离散频率分量，使锁相环锁定 在错误的频率上。解决这个问题的办法是 降低环路滤波器的带宽。
13.3 码元同步
现代通信原理
1.位同步与载波同步的区别：模拟通信没有位 同步，数字通信一般都有位同步；位同步信 号从基带中提取，特殊情况在频带信号中提 取，而载波同步一定在频带信号中提取。
2.对位同步信号的要求： (1)使收端的位同步脉冲频率和发送端的码元速 率相同。 (2)使收端最佳判决时对接收码元作抽样判决。 3.位同步方法的分类：直接法和插入导频法。 直接法中也分滤波法和锁相法。
cos(1t 1 ) cos(2t 2 )
θ1 ：第一个导频的初相 θ2 ：第二个导频的初相 发送端的载波为cos(ωct+θc)
第十三章 同步原理
现代通信原理
13.2.2 无辅助导频时的载波提取
此方法广泛用于建立抑制载波的双边带信 号的载波同步。 设调制信号m(t)无直流分量，则抑制载波 的双边带信号为 S(t ) m(t ) cos t
1 v5 m(t ) cos 2 经过低通滤波器后分别得 v 1 m(t ) sin 6 2
第十三章 同步原理
现代通信原理
v5、v6相乘产生误差信号
1 2 v7 v5 v6 m (t)sin cos 4 1 2 m (t)sin2 8 1 2 1 2 m (t)2 m (t) 8 4
第十三章 同步原理
现代通信原理
位同步是正确取样判决的基础，只有数 字通信才需要，并且不论基带传输还是 频带传输都需要位同步；所提取的位同 步信息是频率等于码速率的定时脉冲， 相位则根据判决时信号波形决定，可能 在码元中间，也可能在码元终止时刻或 其他时刻。
第十三章 同步原理
现代通信原理
群同步：包含字同步、句同步、分路同步等， 有时也称帧同步。在接收端产生与“字”、 “句”及“帧”起止时刻相一致的定时脉冲序 列的过程统称为群同步。 网同步：为了保证通信网内各用户之间可靠地 通信和数据交换，全网必须有一个统一的时间 标准时钟，这就是网同步的问题。
第十三章 同步原理
现代通信原理
同步的重要性
同步本身虽然不包含所要传送的信息，但只有 收发设备之间建立了同步后才能开始传送信息， 所以同步是进行信息传输的必要和前提。同步 性能的好坏又将直接影响着通信系统的性能。 如果出现同步误差或失去同步就会导致通信系 统性能下降或通信中断。因此，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。
第十三章 同步原理
现代通信原理
2. 在残留边带信号中插入导频 残留边带频谱的特点
第十三章
同步原理
现代通信原理
插入导频f1、f2的选择 可在残留边带频谱的两侧插入f1和f2; 假设: f1 (fc fm ) f1
f 2 (fc fr ) f 2
fr：滚降部分占用带宽的一半 fm：基带信号的最高频率
效率：指为了获得载波信号而尽量少消耗 发送功率。 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。 同步建立时间ts：指从开机或失步到同步 所需要的时间。显然ts越小越好。 同步保持时间tc：指同步建立后，若同步 信号小时，系统还能维持同步的时间。
第十三章 同步原理
现代通信原理
第十三章 同步原理
现代通信原理
• 解调器输出
v(t) u o (t)ac sin ct [ac m(t )sin ct ac cos ct ] (ac sin ct ) ac2 m(t )sin 2 ct ac2 sin ct cos ct 1 2 1 2 1 2 ac m(t ) ac m(t ) cos 2ct ac sin 2ct 2 2 2 1 2 经低通滤波后得 2 a c m(t)
第十三章 同步原理
现代通信原理
2. 同相正交环法 (科斯塔斯环 ) v v
3
低通
5
输出 输入已调 信号
v1
压控 振荡器 低通 环路 滤波器
-90° 相移
v7
v2 v4 v6
在此环路中，压控振荡器（VCO）提供两路互为正交的 载波，与输入接收信号分别在同相和正交两个鉴相器 中进行鉴相，经低通滤波之后的输出均含调制信号， 两者相乘后可以消除调制信号的影响，经环路滤波器 得到仅与相位差有关的控制压控，从而准确地对压控 振荡器进行调整。 第十三章 同步原理
～ acsinct
-90° 相移
输出信号为 u0 (t ) acm(t ) sinct ac cosct
第十三章 同步原理
现代通信原理
插入导频法收端框图
uo(t) 带通 相乘器 v(t) 低通 m(t) acsinct fc窄带 滤波器 90° 相移
接收信号为 u0 (t ) acm(t ) sinct ac cosct 接收端用一个中心频率为fc的窄带滤波器提 取导频-acosωct，再将它经90°移相后得到与 调制载波同频同相的相干载波 sinωct，
第十三章 同步原理
现代通信原理
抑制载波的双边带信号（如DSB、等概的 2PSK）本身不含有载波，残留边带（VSB） 信号虽含有载波分量，但很难从已调信号 的频谱中把它分离出来。对这些信号的载 波提取，可以用插入导频法（外同步法）。 尤其是单边带（SSB）信号， 它既没有载 波分量又不能用直接法提取载波，只能用 插入导频法。
现代通信原理
• 设输入抑制载波双边带信号为
m(t)Cosωct
假定环路锁定，且不考虑噪声的影响，则 VCO 输出的两路互为正交的本地载波分别 为
v1 cos(c t ) c t ) v 2 cos(c t 90) sin(
θ为VCO输出信号与输入已调信号载波之 间的相位差
稳态相位误差
当滤波器中心频率与载波频率不相等时就会使 提取的同步载波信号引起一个稳态相位误差 Δφ。 锁相环的剩余相差 k
v
Δω：锁相环压控振荡角频率与输入载波角频 率之差 KV：环路直流总增益
随机相位误差
第十三章 同步原理
现代通信原理
在数字通信中，信号的码元组成序 列向对方传送，接收端解码时必须 知道各个码元的起止时刻。产生与 码元的频率和相位一致的定时脉冲 序列的过程称为位同步。 为获得位同步信号，可以在基带信 号中插入位同步导频信号，也可以 通过对基带信号进行处理来提取。
第十三章
同步原理
现代通信原理
二.按传输同步信息方式的不同来区分 1.外同步: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。 2.自同步: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。 自同步法是人们最希望的同步方法，因为可以把 全部功率和带宽分配给信号传输。在载波同步和 位同步中，两种方法都有采用，但自同步法正得 到越来越广泛的应用。而群同步一般都采用外同 步法。
•
第十三章
同步原理
现代通信原理
发送端是以正交载波作为导频的原因
• 如果发送端加入的导频不是正交载波，而 是调制载波，则接收端v(t)中还有一个不 需要的直流成分，这个直流成分通过低通 滤波器对数字信号产生影响，这就是发端 正交插入导频的原因。
2PSK 和 DSB 信号都属于抑制载波的双边带信号， 所以上述插入导频方法对两者均适用。 对于SSB信号，导频插入的原理也与上述相同。
c
s(t)
带通滤波
平方
环路滤波
压控振荡
2分频
窄带滤波
载频 输出
图13-2 平方环原理方框图
锁相环
第十Fra Baidu bibliotek章
同步原理
现代通信原理
接收端将信号S(t)经过非线性变换—平 方律器件后得到
2 2 m (t) m (t) 2 2 e (t) m (t) cos c t cos2 c t 2 2
第十三章
同步原理
现代通信原理
三.两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，因此信号功率比可以大一些。 (2)可防止插入导频法中导频和信号由滤波不好引 起的互相干扰,也可防止信道不理想引起的导频相 位误差。 (3)有的调制系统不能用直接法(如SSB系统)。
第十三章
同步原理
现代通信原理
第十三章 同步原理
一、插入导频法
现代通信原理
在抑制载波的双边带信号中插入导频
所谓插入导频，就是在已调信号频谱中额 外插入一个低功率的线谱，以便接收端作 为载波同步信号加以恢复，此线谱对应的 正弦波称为导频信号。
O
fc- fm
fc 导频
fc+fm
f
抑制载波双边带信号的导频插入
第十三章 同步原理
现代通信原理
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，另一方面可以用它作自动增益 控制。 (2)有些不能用直接法提取同步信息的调 制系统只能用插入导频法。 (3)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信噪功率 比要小一些。
第十三章 同步原理
现代通信原理
13.2.3 载波同步系统的性能
第十三章 同步原理
现代通信原理
让VSB信 号通 过，滤除f1 、f2 接收VSB 信号和f1 、f2两 个导频 带通 × 低通
f1窄带滤波
f2窄带滤波
v1
(f2－f1) 低通
v4
fc窄带滤波
v5
v6
移相
v2
q次分频
插入导频的VSB信号的载波提取
v3
第十三章
同步原理
现代通信原理
载波信号的提取 接收的信号中包含有VSB信号和f1、f2 两个导频。假设接收信号中两个导频是
第十三章 同步原理
现代通信原理
信号m(t)Cosωct 分别与 v1 、 v2 相乘后得
1 v 3 m(t ) cosc t cos(c t ) m(t )[cos cos(2c t )] 2 1 v m(t ) cos t sin ( t ) m(t )[sin sin ( 2c t )] 4 c c 2
现代通信原理
第13章 同步原理
13.1 13.2 13.3 13.4 13.5 概述 载波同步 码元同步 群同步 网同步
第十三章
同步原理
现代通信原理
13.1
概述
同步：指要求和建立系统的收发两端（或多端） 在时间上保持步调一致，故又称定时。 分类（按同步的功用分）：载波同步、位同步、 群同步和网同步。 载波同步：是指在相干解调时，接收端需要提供 一个与接收信号中的调制载波同频同相的相干载 波。这个载波的获取称为载波提取或载波同步。 位同步：又称码元同步。把提取这种定时脉冲序 列的过程称为位同步。
第十三章 同步原理
现代通信原理
13.2
载波同步
载波同步的方法：直接法(自同步法)、插入 导频法(外同步法) 插入导频法：在发送信息的频谱中或频带外 插入相关的导频，或在时域插入（即在一定 的时段上传送载波信息）。 直接法：也称自同步法。设法从接收信号中 提取同步载波。 对载波同步的要求：发送载波同步信息所占 的功率尽量小，频带尽量窄。
插入导频法
• 在fc附近的频谱函数很小，且没有离散谱， 这样可以在fc处插入频率为fc的导频（这 里仅画出正频域）。但应注意，在图 中 插入的导频并不是加于调制器的那个载波， 而是将该载波移相90°后的所谓“正交载 波”。
第十三章
同步原理
现代通信原理
插入导频法发端框图
m(t) 调制信号 相乘 调制 带通 相加 uo(t) 输出
上式的第二项包含有载波的倍频2ωc的 分量。若用一窄带滤波器将2ωc频率分 量滤出，再进行二分频，就可获得所需 的相干载波。
第十三章
同步原理
现代通信原理
若m(t)=±1，则抑制载波的双边带信号 就成为二相移相信号（2PSK），这时
1 1 e(t ) [m(t ) cos ct ] cos 2ct 2 2
2
因而同样可以通过图中所示的方法提取 载波。
第十三章
同步原理
现代通信原理
平方环法提取载波的缺点
相位模糊：2分频器的输出电压有相差 180的两种可能相位，即其输出电压的相 位决定于分频器的随机初始状态。采用 2DPSK体制可以避免此缺点的影响。
错误锁定：平方后的接收电压中有可能 存在其他的离散频率分量，使锁相环锁定 在错误的频率上。解决这个问题的办法是 降低环路滤波器的带宽。