第5章 数字通信系统的同步

环 路 滤 波器
压 控 振 荡器
二 分频
载 输出 波
锁 环 相
鉴相器：鉴别输入信号Ui与输出信号Uo之间的相 位差 ，并输出误差电压Ud 。
环路滤波器：具低通性质，滤除 Ud 中的噪声和 干扰成分，形成压控振荡器（VCO）的控制电压 Uc。
压控振荡器：由输入的Uc作用，把输出振荡频率 fo拉向环路输入信号频率fi ，当二者相等时，环路被锁 定 ，称为入锁。
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。
5.1
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）
5.1.1

直接法
直接法举例

平方变换法 平方环法 同相正交环法


5.1.1
1、平方变换法
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。
5.1.3
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。 载波相位误差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。
第5章
数字通信系统的同步
学习目标
1、掌握同步的基本概念。什么叫内同步？什 么叫外同步？ 2、掌握载波同步的2种方法（直接提取法和 导频法） 3、什么叫位同步？掌握位同步的基本方法 4、什么群同步？掌握群帧频的基本方法
5.1 载波同步

5.1.1 载波的直接提取法 5.1.2 载波的导频插入法
5.1.1
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 解调信号。
v3 v1 x(t)cosωct 9 0° 相移 v2 v4 低通 v6 低通 v5 x′ (t)
v1
压控振荡器
环路滤波器
v7
v3
低通
v5
x′ (t)
数学分析：
v1 x(t)cosωct v1 压控振荡器 环路滤波器 v7
基带 信号 定时 序列
A 0
0 1 0 1 1 0
-A
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。
5.2
位同步
位同步的实现方法：
插入导频法（外同步法）
直接法（自同步法）
滤波法 包络陷落法 数字锁相法
5.2.1 插入导频法
问题：
导频插入的方法?
经过低通滤波器后分别得
1 v5 2 x(t ) cos v 1 x(t ) sin 6 2
v3 v1 x(t)cosωct 9 0° 相移
低通
v5
x′ (t)
v1
压控振荡器
环路滤波器
v7
v5, v6经过乘法器后得
v2 v4 低通 v6
1 2 1 2 v7 v5 v6 x (t ) sin cos x (t ) sin 2 4 8 k sin 2
二分频
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。相位模糊对模拟系 统影响不大，但对于2PSK信号可能出现“反相工作”问 题，因此要采用2DPSK系统。
5.1.1
直接法
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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。 锁相环---锁相环将压控振荡器输出的频率和 相位 “锁定”到输入参考源的频率和相位上。 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。
确定这些“字”、“句”的起止时刻，就称为群
同步。
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
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) 自同步法
发送端不发送专门的同步信息，接收端
1 1 此时： v(5) x(t ) cos x(t ) 2 2
为解调信号
5.1.1
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 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。
5.1.1
x(t)cos ωct n i (t)
直接法
带 通 × fc 平 律 方 部 件 e(t) 二 频 分 2fc 低 通 x(t)
2、平方环法
2fc 窄 滤波 带
代替
输入已调 信号
平方律 部件
鉴相器
环路 滤波器
压控 振荡器
二分频
载波输出
锁相环
输 已调 入 信 号
平 律 方 部 件
鉴 相器
插入导频的位置应该在信号频谱为零的位置。
对于模拟调制的信号，在载波fc附近信号频谱为0， 可以直接插入导频。

但对2PSK和2DPSK等数字调制信号，在fc附近频谱很 大，故在调制前需先对基带信号进行相关编码。

插入的导频是“正交导频”
5.1.2 插入导频法
相关编码： 相关编码的作用是把(a)所示的基带信号频谱函数变 换成图(b)所示的频谱函数， 这样经过双边带调制以 后可以得到如图(c) 所示的频谱函数。
5、两种载波同步方法的比较
直接法的优缺点： (1) 不占用导频功率．因此信噪功率比大一些； (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）。
插入导频法的优缺点：
(1)有些不能用直接法提取同步载波的调制系
收端：v(t)=s(t)a sin c t [am(t)sin c t a cos c t]a sin c t a 2 m(t)sin 2 c t a 2 cos c t sin c t
1 2 1 2 1 2 a m(t) a m(t)cos 2 c t a sin 2 c t 2 2 2 低通 1 a 2 m(t) 2
5.1.2 插入导频法
1、何时用插入导频法
对于已调信号本身不含载波或接收端很难从已调信
号的频谱中分离出载波这种情况，
可在适当的频率位置上，插入一个低功率的线谱
（此线谱对应的时域正弦波称为导频信号），
接收端就用窄带滤波器将它取出来，经过适当处理，
得到相干载波。
5.1.2 插入导频法
2、插入导频的要求
统只能用插入导频法； (2)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； (3)插入导频法要多消耗一部分不带信息的功 率。因此，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。
5.1.3
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
9.2.2 插入导频法
思考：
为何要用正交载波作为导频？
思考提示：
发端：s(t) m(t)asin c t asin c t
收端：v(t)=s(t)a sin c t [m(t)a sin c t a sin c t]a sin c t a 2 m(t)sin 2 c t a 2 sin 2 c t 1 1 1 1 a [ m(t) m(t)cos 2 c t cos 2 c t] 2 2 2 2 低通 1 1 2 有直流分量， 2 a m(t) a 影响信号 2 2
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
U:同步信号峰值
t tc
kU:输出电压的包络达到此值，认为同步建立
5.2
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。
环路的输入信号为 x(t ) cosct
9 0° 相移 v2 v4 低通 v6
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。
直接法
x(t)cosωct n i (t)
带通
× fc 平方律 部件 e(t) 二分频 2fc
低通
x(t)
2fc 窄带滤波
载波提 取电路
9.2.1
频带信号
平方后
直接法
x(t)cos c t
e(t ) x(t ) cos ct
2
1 2 1 2 x (t ) x (t ) cos 2ct 2 2
2
4、时域插入导频法
载 波 同 步 t2 t3 第一帧 (a) 接收信号 带通 线性门 解调 锁相环 环路 滤波器 压控 振荡器 载 波 同 步
位 同 步 t0 t1
帧 同 步
信息
位 同 步 t4
帧 同 步
信息
第二帧
门控信号
鉴相器
这种方法在时分多址卫星通信中应用较多。
前面介绍的插入导频都属于频域插入，它们的特点是插入的导 频在时间上是连续的，即信道中自始至终都有导频信号传送。 时域插入导频方法只是在每帧的一小段时间内才出现载波标准， 在接收端应用控制信号将载波取出。 时域插入导频法常用锁相环来提取同步载波。
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 部件后得
1 1 e(t ) cos 2 ct 2 2
2fc窄带滤波器
1 cos 2c t 2
cos c t or cos(w c t )
概述
同步是指通信系统的收、发双方在时间上步调的一 至。
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。
概述
(1) 载波同步
相干解调时，接收端需要获得一个与接收信
v3 v1 x(t)cosωct 9 0° 相移
低通
v5
x′ (t)
v1
压控振荡器
环路滤波器
v7
那么输入信号与v1,v2相乘后得
v2 v4 低通 v6
1 v3 x(t ) cosct cos(ct ) 2 x(t )[cos cos(2ct )] v x(t ) cos t sin( t ) 1 x(t )[sin sin(2 t )] c c c 4 2
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。
(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
这个位同步脉冲的取得称为位同步提取。
定时脉冲位置（相位）对准最佳抽样判决位置。
概述
(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”。
1、插在基带信号频谱的零点处（频域插入） 2、利用包络调制的方法插入（频域插入） 3、利用独立信道传送位定时信号（时域插入）
9.3.1 插入导频法
1、导频插在基带信号频谱零点处
正交导频：
导频与调制载波 相位差90°
0
fc-fm
fc
fc+fm
f
注： 1、在fc附近的频谱函数很小，且没有离散谱，在fc处插 入频率为fc的导频（这里仅画出正频域）。 2、插入的导频是将载波移相90°后的所谓“正交载 波”。
9.2.2 插入导频法
发端：s(t) am(t)sin c t ( acos c t)