精品课件-通信原理(第二版)(黄葆华)-第11章
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第11章 同步原理
第11章 同步原理
11.1 载波同 步 11.2 位同步 11.3 群同步 习题
第11章 同步原理
11.1 引 言
同步是通信系统中的一个非常重要的内容。通信系 统中收、 发双方能否协调一致地工作，很大程度上依赖于有 无良好的同步系统。 接收机中涉及的同步， 按功能分主要 有载波同步、 位同步和群同步（帧同步）。 本章重点讨论这些同步系统的实现原理及性能指标。
第11章 同步原理
11.2 载波同步
11.2.1 直接法（自同步法） 有些接收信号虽然本身不含有载波分量，但对该接收
信号作某些非线性变换后，通过窄带滤波器再进行分频， 就可以提取到载波分量，这是直接法提取同步载波的基本 原理。根据此原理构建的载波提取电路方框图如图11.2.1 所示。
第11章 同步原理
图11.2.1 直接法提取载波
第11章 同步原理
在图11.2.1所示的载波提取方法中，首先对接收的MPSK 进行M次变换，然后用一个中心频率为Mfc的窄带滤波器滤出 频率为Mfc的信号，最后对这个信号进行M次分频，得到所需 的频率为fc的同步载波。
当M=2时，可从2PSK或DSB信号中提取同步载波，如图 11.2.2所示，此方法称为平方变换法。
第11章 同步原理
图11.2.2 平方变换法提取载波
第11章 同步原理
根据图11.2.2，我们对变换法能够提取同步载波的可行性作 简单讨论。在这种方法中，首先对接收到的DSB或2PSK信号进行 平方变换，设收到的信号为x(t) cos2πfct，此信号平方后为
由于x2e((tt))中有[x直(t流) c成os分2，πf所ct以]2 e(t12)中[x有2 (cto)s4πx2f(ct)成c分os（4π在fcet(]t)
的频谱中有位于2fc位置上的冲激），经中心频率2fc的窄带滤波 器，可得到cos4πfct成分，此成分经二分频后可得到cos2πfct 成分，这就是所需要的同步载波信号。
第11章 同步原理
为了改善变换法的性能，可以在变换法的基础上，将窄带滤 波器改用锁相环，这样就变成了变换环法，图11.2.2所示的变换 法所对应的变换环法方框图如图11.2.3所示，称为平方环法。由 于锁相环具有良好的跟踪、 窄带滤波和记忆性能，因此平方环 法比一般的平方变换法具有更好的性能，因而得到广泛的应用。
第11章 同步原理
图11.2.3 平方环法提取同步载波
第11章 同步原理
图11.2.3中的二分频电路将使载波有180°的相位模糊。这 是因为一般的分频器都由触发器构成，由于触发器的初始状态是 未知的，分频器输出的波形相位可能随机地取0°或180°。相位 模糊对模拟信号影响不大，而对2PSK将引起反向工作问题，解决 的办法是采用2DPSK调制。
从接收信号中提取同步载波的另一方法是Costas 环法，也 称为同相正交环法。图11.2.4是这种方法的方框图。
第11章 同步原理
图11.2.4 Costas环法提取同步载波及解调方框图
第11章 同步原理
由图11.2.4可见，Costas 环由两条支路构成，一条称为同相 支路，另一条称为正交支路。这两条支路通过同一个压控振荡器 耦合在一起，构成一个负反馈系统。当达到同步时，同相支路输 出已解调的基带波形，此基带波形送到取样判决器，经取样判决 输出二进制数字序列。
应当注意，Costas 环法同样存在相位模糊问题。
第11章 同步原理
11.2.2 插入导频法(外同步法) 有些信号中虽没有载波成分(如DSB信号，2PSK信号等)，但
它可以用直接法提取同步载波。除此之外，它还可以用插入导 频法使接收端获取同步载波。
由于导频是插入到信号中一起发送的，为使接收端能很方 便地获取同步载波而又不影响信号，对插入的导频通常有如下 要求：
(1) 导频要在信号频谱为零的位置插入，否则导频与信号 频谱成分重叠在一起，接收端不易从接收信号中将导频提取出 来。
第11章 同步原理
(2) 导频的频率应当与载波频率有关，通常导频频率等于载 波频率。这样，接收端用窄带滤波器将导频滤出，滤出的导频就 是同步载波。
(3) 插入的导频应与载波正交，避免导频对信号解调产生影 响。
下面以DSB及2PSK为例来说明插入导频法实现载波同步的基 本方法。图11.2.5(a)是基带信号的频谱，(b)是其DSB信号的频 谱及插入导频的位置(虚线所示)。导频插在DSB信号频谱为0的地 方，即导频的频率为fc，且与调制用的载波信号正交。插入导频 法发送端及接收端的方框图如图11.2.6所示。
第11章 同步原理
图11.2.5 DSB信号中插入导频示意图
第11章 同步原理
图11.2.6 插入导频法发送端及接收端框图
第11章 同步原理
图11.2.6(a)是插入导频法发送端方框图，根据此图可知
uo(t)=acm(t) cos2πfct+ac sin2πfct 其中，acm(t) cos2πfct为DSB信号项， acsin2πfct为插入的导 频信号，它与载波accos2πfct正交，所以也称为正交载波(导 频)。图11.2.6(b)是接收端解调的方框图，假设收到的信号就
是uo(t)， uo(t)的导频经中心频率为fc的窄带滤波器滤出来， 再经过90°相移后得到同步载波ac cos2πfct， uo(t)与载波 accos2πfct经相乘器相乘后输出，有
[acm(t) cos 2πfct ac sin 2πfct] ac cos 2πfct
ac2m(t) cos2 2πfct ac2 sin 2πfct cos 2πfct
经过低通12滤a波c2m器(t以) 后 ，12 a得c2
m(t)
1
2
cos 4πf
ac2m(t)
ct
。
1 2
ac2
sin
4πfct
第11章 同步原理
11.2.3 载波同步系统的性能指标 载波同步系统的性能指标主要有效率、 同步建立时间、 同
步保持时间和精度。 效率是指为获取同步所消耗的发送功率的多少。直接法由于
不需要专门发送导频，因此是高效率的。 而插入导频法由于插入导频要消耗一部分发送功率，因此效
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11.1 载波同 步 11.2 位同步 11.3 群同步 习题
第11章 同步原理
11.1 引 言
同步是通信系统中的一个非常重要的内容。通信系 统中收、 发双方能否协调一致地工作，很大程度上依赖于有 无良好的同步系统。 接收机中涉及的同步， 按功能分主要 有载波同步、 位同步和群同步（帧同步）。 本章重点讨论这些同步系统的实现原理及性能指标。
第11章 同步原理
11.2 载波同步
11.2.1 直接法（自同步法） 有些接收信号虽然本身不含有载波分量，但对该接收
信号作某些非线性变换后，通过窄带滤波器再进行分频， 就可以提取到载波分量，这是直接法提取同步载波的基本 原理。根据此原理构建的载波提取电路方框图如图11.2.1 所示。
第11章 同步原理
图11.2.1 直接法提取载波
第11章 同步原理
在图11.2.1所示的载波提取方法中，首先对接收的MPSK 进行M次变换，然后用一个中心频率为Mfc的窄带滤波器滤出 频率为Mfc的信号，最后对这个信号进行M次分频，得到所需 的频率为fc的同步载波。
当M=2时，可从2PSK或DSB信号中提取同步载波，如图 11.2.2所示，此方法称为平方变换法。
第11章 同步原理
图11.2.2 平方变换法提取载波
第11章 同步原理
根据图11.2.2，我们对变换法能够提取同步载波的可行性作 简单讨论。在这种方法中，首先对接收到的DSB或2PSK信号进行 平方变换，设收到的信号为x(t) cos2πfct，此信号平方后为
由于x2e((tt))中有[x直(t流) c成os分2，πf所ct以]2 e(t12)中[x有2 (cto)s4πx2f(ct)成c分os（4π在fcet(]t)
的频谱中有位于2fc位置上的冲激），经中心频率2fc的窄带滤波 器，可得到cos4πfct成分，此成分经二分频后可得到cos2πfct 成分，这就是所需要的同步载波信号。
第11章 同步原理
为了改善变换法的性能，可以在变换法的基础上，将窄带滤 波器改用锁相环，这样就变成了变换环法，图11.2.2所示的变换 法所对应的变换环法方框图如图11.2.3所示，称为平方环法。由 于锁相环具有良好的跟踪、 窄带滤波和记忆性能，因此平方环 法比一般的平方变换法具有更好的性能，因而得到广泛的应用。
第11章 同步原理
图11.2.3 平方环法提取同步载波
第11章 同步原理
图11.2.3中的二分频电路将使载波有180°的相位模糊。这 是因为一般的分频器都由触发器构成，由于触发器的初始状态是 未知的，分频器输出的波形相位可能随机地取0°或180°。相位 模糊对模拟信号影响不大，而对2PSK将引起反向工作问题，解决 的办法是采用2DPSK调制。
从接收信号中提取同步载波的另一方法是Costas 环法，也 称为同相正交环法。图11.2.4是这种方法的方框图。
第11章 同步原理
图11.2.4 Costas环法提取同步载波及解调方框图
第11章 同步原理
由图11.2.4可见，Costas 环由两条支路构成，一条称为同相 支路，另一条称为正交支路。这两条支路通过同一个压控振荡器 耦合在一起，构成一个负反馈系统。当达到同步时，同相支路输 出已解调的基带波形，此基带波形送到取样判决器，经取样判决 输出二进制数字序列。
应当注意，Costas 环法同样存在相位模糊问题。
第11章 同步原理
11.2.2 插入导频法(外同步法) 有些信号中虽没有载波成分(如DSB信号，2PSK信号等)，但
它可以用直接法提取同步载波。除此之外，它还可以用插入导 频法使接收端获取同步载波。
由于导频是插入到信号中一起发送的，为使接收端能很方 便地获取同步载波而又不影响信号，对插入的导频通常有如下 要求：
(1) 导频要在信号频谱为零的位置插入，否则导频与信号 频谱成分重叠在一起，接收端不易从接收信号中将导频提取出 来。
第11章 同步原理
(2) 导频的频率应当与载波频率有关，通常导频频率等于载 波频率。这样，接收端用窄带滤波器将导频滤出，滤出的导频就 是同步载波。
(3) 插入的导频应与载波正交，避免导频对信号解调产生影 响。
下面以DSB及2PSK为例来说明插入导频法实现载波同步的基 本方法。图11.2.5(a)是基带信号的频谱，(b)是其DSB信号的频 谱及插入导频的位置(虚线所示)。导频插在DSB信号频谱为0的地 方，即导频的频率为fc，且与调制用的载波信号正交。插入导频 法发送端及接收端的方框图如图11.2.6所示。
第11章 同步原理
图11.2.5 DSB信号中插入导频示意图
第11章 同步原理
图11.2.6 插入导频法发送端及接收端框图
第11章 同步原理
图11.2.6(a)是插入导频法发送端方框图，根据此图可知
uo(t)=acm(t) cos2πfct+ac sin2πfct 其中，acm(t) cos2πfct为DSB信号项， acsin2πfct为插入的导 频信号，它与载波accos2πfct正交，所以也称为正交载波(导 频)。图11.2.6(b)是接收端解调的方框图，假设收到的信号就
是uo(t)， uo(t)的导频经中心频率为fc的窄带滤波器滤出来， 再经过90°相移后得到同步载波ac cos2πfct， uo(t)与载波 accos2πfct经相乘器相乘后输出，有
[acm(t) cos 2πfct ac sin 2πfct] ac cos 2πfct
ac2m(t) cos2 2πfct ac2 sin 2πfct cos 2πfct
经过低通12滤a波c2m器(t以) 后 ，12 a得c2
m(t)
1
2
cos 4πf
ac2m(t)
ct
。
1 2
ac2
sin
4πfct
第11章 同步原理
11.2.3 载波同步系统的性能指标 载波同步系统的性能指标主要有效率、 同步建立时间、 同
步保持时间和精度。 效率是指为获取同步所消耗的发送功率的多少。直接法由于
不需要专门发送导频，因此是高效率的。 而插入导频法由于插入导频要消耗一部分发送功率，因此效