通信原理-同步原理
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功用来分:载波同步、位同步(码元同步)、 功用来分:载波同步、位同步(码元同步)、 帧同步(群同步)、网同步(通信网中用)。 )、网同步 帧同步(群同步)、网同步(通信网中用)。
信 源 编 码 器 信 道 编 码 器 数 字 调 制 器 数 字 解 调 器 信 道 译 码 器 信 源 译 码 器
信 息 源
2012-2-6 10
7.2 载波同步
经低通后的输出分别为 : 乘法器的输出为: 乘法器的输出为:
1 v 5 = 2 m(t ) cos θ 1 v 6 = m(t ) sin θ 2
1 2 1 2 v 7 = v5 ⋅ v 6 = m (t ) sin θ cos θ = m (t ) sin 2θ 4 8 1 2 上式可以近似地表示为: 上式可以近似地表示为:v 7 ≈ m (t )θ 4
难点内容
平方变换法和克斯塔斯环的工作原理。 平方变换法和克斯塔斯环的工作原理。
教学效果期望值
在理解同步在通信系统中的作用的基础上,结 理解同步在通信系统中的作用的基础上, 合调制解调过程掌握载波同步的原理和性能。 合调制解调过程掌握载波同步的原理和性能。
2012-2-6 3
7.1 同步的分类 一、按同步的功能分类
1、基本要求 、 码元速率相同,码元相位对准。 码元速率相同,码元相位对准。 2、作用 、
位同步
判决器的抽样脉冲;解码脉冲; 系统; 判决器的抽样脉冲;解码脉冲;PCM系统;帧 系统 同步的基准;信标信号。 同步的基准;信标信号。 3、分类 、 同步和插入导频法。 同步和插入导频法。
2012-2-6 23
作业
7-2,7-3,7-4 ,7-5 , ,
2012-2-6 20
第7章 同步原理 章
1 2 3 4
同步的分类 载波同步 位同步 帧同步
2012-2-6
21
7.1 同步的分类 重点内容
同步分类方法和作用; 同步分类方法和作用;插入导频法和数字锁相 环的工作原理,位同步的性能的分析与计算。 环的工作原理,位同步的性能的分析与计算。
7.3 三、直接法
位同步
当系统的位同步采用自同步方法时, 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, 门发送导频信号,而直接从数字信号中提取位同步 信号。 信号。 1、滤波法 、
全占空码 波形变换 单极性归零码 fb窄带滤波器 移相 脉冲形成 位同步
2012-2-6
27
7.3
1、滤波法 、
3、延迟相乘法 、
a 乘法器 b T/2延迟器 c 窄带滤波器 d 相移 脉冲形成
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30
三、直接法
4、直接从频带信号中提取同步信号 、 另一种常用的波形变换方法是对带限信号进行 包络检波。 包络检波。
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7
7.2 载波同步 一、直接法(自同步法) 直接法(自同步法) 1. 平方变换法
设调制信号中无直流分量, 设调制信号中无直流分量,则抑制载波的双边 带信号为: 带信号为: s (t ) = m(t ) cos ω c t 经过一个平方律部件后就得到
m (t ) 1 2 e(t ) = m (t ) cos ω c t = + m (t ) cos 2ω c t 2 2
7.3 二、插入导频法
1、插入位定时导频法(位置) 、插入位定时导频法(位置)
P(f ) (a) P(f ) (b)
位同步
1 Tb
2 Tb
3 Tb
f
1 2Tb
1 Tb
f
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24
二、插入导频法 框图
m(t )
相关编码器
m′(t )
相加
f b 2位同步导频
调制
cos ω c t
(a) 输入 信号 带通 相乘 低通 窄带 滤波
输入已调 信号 四次方部件 e(t) 4fc 窄带滤波器 四分频 载波输出
规律? 规律?
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12
7.2 载波同步 二、插入导频法 1、双边带信号中插入导频 、
插入的位置要求: 插入的位置要求: 在频谱位零处; 在频谱位零处; 导频与加在调制器的那个载波移相90° 导频与加在调制器的那个载波移相 °后的所 谓“正交载波”。 正交载波”
4、网同步 、
使得整个数字通信网内有一个统一的时间节拍 标准。 标准。
2012-2-6 6
7.1 同步的分类 二、按同步的实现方法分类
外同步法:在适当的位置(时间、频率、 外同步法:在适当的位置(时间、频率、空 ),专门发送同步信息 专门发送同步信息。 间),专门发送同步信息。 自同步法: 自同步法:同步信息可以从信号中直接提取出 来的方法。 来的方法。 需要注意:在通信系统中, 需要注意: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。 信息传输的可靠性高于信号传输的可靠性。
H(f )
∆f1
fr
∆f 2
f1
fc − fm
fc
f2
f1 = f c − f m − ∆f1 f 2 = f c + f r − ∆f 2
2012-2-6
实现? 实现?
15
7.2 载波同步 3、直接法和插入导频法的比较 、
(1)不占用导频功率 )不占用导频功率; (2)防止导频和信号间的互相干扰; )防止导频和信号间的互相干扰; (3)防止信道不理想引起导频相位误差 。 ) 插入导频法的优缺点主要表现在; 插入导频法的优缺点主要表现在; (1)可以利用它作为自动增益控制; )可以利用它作为自动增益控制; (2)多消耗一部分不带信息的功率。 )多消耗一部分不带信息的功率。
收端乘法器输出为: 收端乘法器输出为:
v(t ) = [ac m(t ) sin ω c t − ac cos ω ct ]⋅ ac sin ω c t ac2 m(t ) ac2 m(t ) ac2 = − cos 2ω ct − sin 2ω ct 2 2 2
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7.2 载波同步 2、残留边带信号中插入导频 、
信 道
收 信 者
编码器
噪 声 源
译码器 同步
4
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7.1 同步的分类 1、载波同步 、
m(t ) cos(ω1t + θ 1 ) m(t ) ×
BPF BPF
×
z (t )
LPF
m′(t )
ct (t ) = cos(ω1t + θ1 )
cr (t ) = cos(ω 2 t + θ 2 )
5
因此,要求收发端同频同相。 因此,要求收发端同频同相。
7.1 同步的分类 2、位同步 、
位同步: 位同步:要求在接受端产生于发送端相同码元 重复频率,并且具有合适的相位位置。 重复频率,并且具有合适的相位位置。
3、帧同步 、
建立在位同步基础之上, 建立在位同步基础之上,通常由位同步分频产 关注的是为同步产生的位置。 生,关注的是为同步产生的位置。
2 2 2Hale Waihona Puke Baidu
输入已调 信号
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平方律部件
e(t)
2fc 窄带滤波器
二分频
载波输出
8
7.2 载波同步 2. 平方环
锁相环 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
二分频电路提取出的载波存在π相位模糊问题。 二分频电路提取出的载波存在 相位模糊问题。 相位模糊问题 (为什么?) 为什么?)
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7.2 载波同步 三、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、 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。 同步建立时间和同步保持时间。 1、载波同步的精度 、 精度是指提取的同步载波与载波标准比较, 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。 们之间的相位误差大小。 (1)稳态相位误差 )
v3
载波输出 输入已调 信号 低通
v5
v1
压控振 荡器 环路滤 波器
π 2 相移
v7
v2
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v4
低通
v6
11
7.2 载波同步 4.多相移相信号中提取同步信息 多相移相信号中提取同步信息
数字通信中经常使用多相移相信号, 数字通信中经常使用多相移相信号,这类信号 同样可以利用多次方变换法从已调信号中提取载波 信息。具体情况见图7.2.4。 信息。具体情况见图 。
全占空码 波形变换 单极性归零码 fb窄带滤波器 移相
位同步
位同步 脉冲形成
基带信号
微分
(a)
(b) 整流
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(c)
28
三、直接法
2、采用锁相法提取位同步 、
位同步脉冲输出 输入相 位基准 控制电路 (扣除门 和添加门 脉冲)
相位比 较 器
n次分频
晶振及 整 形
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三、直接法
ts =
2012-2-6
保持时间
tc = 2Q
2Q
ω0
ln(1 (1 − k ))
ω0
ln(1 k )
18
7.2 载波同步 四、频率误差和相位误差对解调性能影响
1、既有频差又有相位差 、 解调后得到的信号是: 解调后得到的信号是:
1 m′(t ) = m(t ) cos[∆ωt + ∆ϕ ] 2
2、只有相位差 、 对于2PSK信号而言,会使误码率增大。 对于 信号而言,会使误码率增大。 信号而言
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7.2 载波同步 3. 科斯塔斯环
v3
m(t ) cos ω c t
低通
v5
载波输出
v1
压控振 荡器 环路滤 波器
输入已调 信号
π 2 相移
v7
v2 v4
低通
v6
1 v 3 = m(t ) cos ω c t cos(ω c t + θ ) = 2 m(t )[cos θ + cos(2ω c t + θ )] 1 v 4 = m(t ) cos ω c t sin (ω c t + θ ) = m(t )[sin θ + sin (2ω c t + θ )] 2
∆ϕ ≈ 2Q
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∆ω
ω0
∆ω ∆ϕ = Kv
17
7.2 载波同步
(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, 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, 相位变化是随机的,它与噪声的性质和信噪功率比 有关。 有关。 π ⋅ n0 ⋅ f 0 2 ϕ n = 1 2r = 2 A2 ⋅ Q 2、载波同步的效率 、 3、同步建立时间和保持时间 、 建立时间
m (t )
相乘 调制 带通 相加 输出
u 0 (t ) u 0 (t )
带通
相乘器
v (t )
低通
输出 m (t )
a c sin ω c t
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π 2 相移
fc 窄带滤 波器
π 2相移
13
7.2 载波同步
其输出信号可表示为: 其输出信号可表示为:
u0 (t ) = ac m(t ) sin ω c t − ac cos ω c t
fb 2 fb 2
相加 相移 相移 (b) 倒相 放大 限幅
波形反 变换
抽样 判决 fb
载波同 步提取
fc
微分全 波整流
整形
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二、插入导频法
2、波形变化法 、 插入导频法的另一种形式是使数字信号的包络 按位同步信号的某种波形变化。 按位同步信号的某种波形变化。
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26
教材: 通信原理教程》 教材:《通信原理教程》,北京邮电大学出版社
1
第7章 同步原理 章
1 2 3 4
同步的分类 载波同步 位同步 帧同步
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2
7.1 同步的分类 重点内容
同步在通信系统中的作用,同步分类方法, 同步在通信系统中的作用,同步分类方法,载 波同步原理和性能分析。 波同步原理和性能分析。
接收端作相干解调, 接收端作相干解调,得
z (t ) = m(t ) cos(ω1t + θ 1 ) cos(ω 2 t + θ 2 )
低通滤波器后输出差频, 低通滤波器后输出差频,得
m′(t ) =
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1 m(t ) cos[(ω1 − ω 2 )t + (θ 1 − θ 2 )] 2
1 Pe = erfc cos ∆ϕ ρ 2
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[
]
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本次课小结 课程小结
1、讲授了同步的概念和分类(结合计算机理解) 、讲授了同步的概念和分类(结合计算机理解) 2、载波同步的原理和实现方法。注意框图原理的 、载波同步的原理和实现方法。 理解,其中包含的意义。 理解,其中包含的意义。 3、载波同步性能分析(兼顾有效性和可靠性方面 、载波同步性能分析( 的知识来理解) 的知识来理解)
难点内容
数字锁相环的工作原理和位同步的性能分析。 数字锁相环的工作原理和位同步的性能分析。
教学效果期望值
在理解位同步在数据通信中的作用,结合计算 理解位同步在数据通信中的作用, 机串口设置,掌握位同步的原理和性能。 机串口设置,掌握位同步的原理和性能。
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7.3 一、位同步的作用与分类
信 源 编 码 器 信 道 编 码 器 数 字 调 制 器 数 字 解 调 器 信 道 译 码 器 信 源 译 码 器
信 息 源
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7.2 载波同步
经低通后的输出分别为 : 乘法器的输出为: 乘法器的输出为:
1 v 5 = 2 m(t ) cos θ 1 v 6 = m(t ) sin θ 2
1 2 1 2 v 7 = v5 ⋅ v 6 = m (t ) sin θ cos θ = m (t ) sin 2θ 4 8 1 2 上式可以近似地表示为: 上式可以近似地表示为:v 7 ≈ m (t )θ 4
难点内容
平方变换法和克斯塔斯环的工作原理。 平方变换法和克斯塔斯环的工作原理。
教学效果期望值
在理解同步在通信系统中的作用的基础上,结 理解同步在通信系统中的作用的基础上, 合调制解调过程掌握载波同步的原理和性能。 合调制解调过程掌握载波同步的原理和性能。
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7.1 同步的分类 一、按同步的功能分类
1、基本要求 、 码元速率相同,码元相位对准。 码元速率相同,码元相位对准。 2、作用 、
位同步
判决器的抽样脉冲;解码脉冲; 系统; 判决器的抽样脉冲;解码脉冲;PCM系统;帧 系统 同步的基准;信标信号。 同步的基准;信标信号。 3、分类 、 同步和插入导频法。 同步和插入导频法。
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作业
7-2,7-3,7-4 ,7-5 , ,
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第7章 同步原理 章
1 2 3 4
同步的分类 载波同步 位同步 帧同步
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7.1 同步的分类 重点内容
同步分类方法和作用; 同步分类方法和作用;插入导频法和数字锁相 环的工作原理,位同步的性能的分析与计算。 环的工作原理,位同步的性能的分析与计算。
7.3 三、直接法
位同步
当系统的位同步采用自同步方法时, 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, 门发送导频信号,而直接从数字信号中提取位同步 信号。 信号。 1、滤波法 、
全占空码 波形变换 单极性归零码 fb窄带滤波器 移相 脉冲形成 位同步
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7.3
1、滤波法 、
3、延迟相乘法 、
a 乘法器 b T/2延迟器 c 窄带滤波器 d 相移 脉冲形成
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三、直接法
4、直接从频带信号中提取同步信号 、 另一种常用的波形变换方法是对带限信号进行 包络检波。 包络检波。
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7.2 载波同步 一、直接法(自同步法) 直接法(自同步法) 1. 平方变换法
设调制信号中无直流分量, 设调制信号中无直流分量,则抑制载波的双边 带信号为: 带信号为: s (t ) = m(t ) cos ω c t 经过一个平方律部件后就得到
m (t ) 1 2 e(t ) = m (t ) cos ω c t = + m (t ) cos 2ω c t 2 2
7.3 二、插入导频法
1、插入位定时导频法(位置) 、插入位定时导频法(位置)
P(f ) (a) P(f ) (b)
位同步
1 Tb
2 Tb
3 Tb
f
1 2Tb
1 Tb
f
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二、插入导频法 框图
m(t )
相关编码器
m′(t )
相加
f b 2位同步导频
调制
cos ω c t
(a) 输入 信号 带通 相乘 低通 窄带 滤波
输入已调 信号 四次方部件 e(t) 4fc 窄带滤波器 四分频 载波输出
规律? 规律?
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7.2 载波同步 二、插入导频法 1、双边带信号中插入导频 、
插入的位置要求: 插入的位置要求: 在频谱位零处; 在频谱位零处; 导频与加在调制器的那个载波移相90° 导频与加在调制器的那个载波移相 °后的所 谓“正交载波”。 正交载波”
4、网同步 、
使得整个数字通信网内有一个统一的时间节拍 标准。 标准。
2012-2-6 6
7.1 同步的分类 二、按同步的实现方法分类
外同步法:在适当的位置(时间、频率、 外同步法:在适当的位置(时间、频率、空 ),专门发送同步信息 专门发送同步信息。 间),专门发送同步信息。 自同步法: 自同步法:同步信息可以从信号中直接提取出 来的方法。 来的方法。 需要注意:在通信系统中, 需要注意: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。 信息传输的可靠性高于信号传输的可靠性。
H(f )
∆f1
fr
∆f 2
f1
fc − fm
fc
f2
f1 = f c − f m − ∆f1 f 2 = f c + f r − ∆f 2
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实现? 实现?
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7.2 载波同步 3、直接法和插入导频法的比较 、
(1)不占用导频功率 )不占用导频功率; (2)防止导频和信号间的互相干扰; )防止导频和信号间的互相干扰; (3)防止信道不理想引起导频相位误差 。 ) 插入导频法的优缺点主要表现在; 插入导频法的优缺点主要表现在; (1)可以利用它作为自动增益控制; )可以利用它作为自动增益控制; (2)多消耗一部分不带信息的功率。 )多消耗一部分不带信息的功率。
收端乘法器输出为: 收端乘法器输出为:
v(t ) = [ac m(t ) sin ω c t − ac cos ω ct ]⋅ ac sin ω c t ac2 m(t ) ac2 m(t ) ac2 = − cos 2ω ct − sin 2ω ct 2 2 2
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7.2 载波同步 2、残留边带信号中插入导频 、
信 道
收 信 者
编码器
噪 声 源
译码器 同步
4
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7.1 同步的分类 1、载波同步 、
m(t ) cos(ω1t + θ 1 ) m(t ) ×
BPF BPF
×
z (t )
LPF
m′(t )
ct (t ) = cos(ω1t + θ1 )
cr (t ) = cos(ω 2 t + θ 2 )
5
因此,要求收发端同频同相。 因此,要求收发端同频同相。
7.1 同步的分类 2、位同步 、
位同步: 位同步:要求在接受端产生于发送端相同码元 重复频率,并且具有合适的相位位置。 重复频率,并且具有合适的相位位置。
3、帧同步 、
建立在位同步基础之上, 建立在位同步基础之上,通常由位同步分频产 关注的是为同步产生的位置。 生,关注的是为同步产生的位置。
2 2 2Hale Waihona Puke Baidu
输入已调 信号
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平方律部件
e(t)
2fc 窄带滤波器
二分频
载波输出
8
7.2 载波同步 2. 平方环
锁相环 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
二分频电路提取出的载波存在π相位模糊问题。 二分频电路提取出的载波存在 相位模糊问题。 相位模糊问题 (为什么?) 为什么?)
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7.2 载波同步 三、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、 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。 同步建立时间和同步保持时间。 1、载波同步的精度 、 精度是指提取的同步载波与载波标准比较, 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。 们之间的相位误差大小。 (1)稳态相位误差 )
v3
载波输出 输入已调 信号 低通
v5
v1
压控振 荡器 环路滤 波器
π 2 相移
v7
v2
2012-2-6
v4
低通
v6
11
7.2 载波同步 4.多相移相信号中提取同步信息 多相移相信号中提取同步信息
数字通信中经常使用多相移相信号, 数字通信中经常使用多相移相信号,这类信号 同样可以利用多次方变换法从已调信号中提取载波 信息。具体情况见图7.2.4。 信息。具体情况见图 。
全占空码 波形变换 单极性归零码 fb窄带滤波器 移相
位同步
位同步 脉冲形成
基带信号
微分
(a)
(b) 整流
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(c)
28
三、直接法
2、采用锁相法提取位同步 、
位同步脉冲输出 输入相 位基准 控制电路 (扣除门 和添加门 脉冲)
相位比 较 器
n次分频
晶振及 整 形
2012-2-6 29
三、直接法
ts =
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保持时间
tc = 2Q
2Q
ω0
ln(1 (1 − k ))
ω0
ln(1 k )
18
7.2 载波同步 四、频率误差和相位误差对解调性能影响
1、既有频差又有相位差 、 解调后得到的信号是: 解调后得到的信号是:
1 m′(t ) = m(t ) cos[∆ωt + ∆ϕ ] 2
2、只有相位差 、 对于2PSK信号而言,会使误码率增大。 对于 信号而言,会使误码率增大。 信号而言
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9
7.2 载波同步 3. 科斯塔斯环
v3
m(t ) cos ω c t
低通
v5
载波输出
v1
压控振 荡器 环路滤 波器
输入已调 信号
π 2 相移
v7
v2 v4
低通
v6
1 v 3 = m(t ) cos ω c t cos(ω c t + θ ) = 2 m(t )[cos θ + cos(2ω c t + θ )] 1 v 4 = m(t ) cos ω c t sin (ω c t + θ ) = m(t )[sin θ + sin (2ω c t + θ )] 2
∆ϕ ≈ 2Q
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∆ω
ω0
∆ω ∆ϕ = Kv
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7.2 载波同步
(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, 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, 相位变化是随机的,它与噪声的性质和信噪功率比 有关。 有关。 π ⋅ n0 ⋅ f 0 2 ϕ n = 1 2r = 2 A2 ⋅ Q 2、载波同步的效率 、 3、同步建立时间和保持时间 、 建立时间
m (t )
相乘 调制 带通 相加 输出
u 0 (t ) u 0 (t )
带通
相乘器
v (t )
低通
输出 m (t )
a c sin ω c t
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π 2 相移
fc 窄带滤 波器
π 2相移
13
7.2 载波同步
其输出信号可表示为: 其输出信号可表示为:
u0 (t ) = ac m(t ) sin ω c t − ac cos ω c t
fb 2 fb 2
相加 相移 相移 (b) 倒相 放大 限幅
波形反 变换
抽样 判决 fb
载波同 步提取
fc
微分全 波整流
整形
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二、插入导频法
2、波形变化法 、 插入导频法的另一种形式是使数字信号的包络 按位同步信号的某种波形变化。 按位同步信号的某种波形变化。
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教材: 通信原理教程》 教材:《通信原理教程》,北京邮电大学出版社
1
第7章 同步原理 章
1 2 3 4
同步的分类 载波同步 位同步 帧同步
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2
7.1 同步的分类 重点内容
同步在通信系统中的作用,同步分类方法, 同步在通信系统中的作用,同步分类方法,载 波同步原理和性能分析。 波同步原理和性能分析。
接收端作相干解调, 接收端作相干解调,得
z (t ) = m(t ) cos(ω1t + θ 1 ) cos(ω 2 t + θ 2 )
低通滤波器后输出差频, 低通滤波器后输出差频,得
m′(t ) =
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1 m(t ) cos[(ω1 − ω 2 )t + (θ 1 − θ 2 )] 2
1 Pe = erfc cos ∆ϕ ρ 2
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本次课小结 课程小结
1、讲授了同步的概念和分类(结合计算机理解) 、讲授了同步的概念和分类(结合计算机理解) 2、载波同步的原理和实现方法。注意框图原理的 、载波同步的原理和实现方法。 理解,其中包含的意义。 理解,其中包含的意义。 3、载波同步性能分析(兼顾有效性和可靠性方面 、载波同步性能分析( 的知识来理解) 的知识来理解)
难点内容
数字锁相环的工作原理和位同步的性能分析。 数字锁相环的工作原理和位同步的性能分析。
教学效果期望值
在理解位同步在数据通信中的作用,结合计算 理解位同步在数据通信中的作用, 机串口设置,掌握位同步的原理和性能。 机串口设置,掌握位同步的原理和性能。
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7.3 一、位同步的作用与分类