1、數(shù)字與數(shù)據(jù)通信技術(shù)同步控制技術(shù)同步是指通信系統(tǒng)的收、發(fā)雙方在時間上步調(diào)一致，又稱定時。由于通信的目的就是使不在同一地點的各方之間能夠通信聯(lián)絡(luò)，故在通信系統(tǒng)尤其是數(shù)字通信系統(tǒng)以及采用相干解調(diào)的模擬通信系統(tǒng)中，同步是一個十分重要的問題。只有收、發(fā)兩端協(xié)調(diào)工作，系統(tǒng)才有可能真正實現(xiàn)通信功能。可以說，整個通信系統(tǒng)工作正常的前提就是同步系統(tǒng)正常，同步質(zhì)量的好壞對通信系統(tǒng)的性能指標起著至關(guān)重要的作用。同步的種類很多，按照同步的功用來分，數(shù)字通信系統(tǒng)中的同步分為載波同步、位同步（碼元同步）、幀同步和網(wǎng)同步（數(shù)字通信網(wǎng)中用）四種，下面分別加以說明。1.載波同步當采用同步解調(diào)或者相干檢測時，接收端需要提供一個與

2、發(fā)射端調(diào)制載波同頻同相的相干載波，而這個相干載波的獲取就稱為載波同步（載波提取）。 同步控制技術(shù) 1.1 同步技術(shù)概述2.位同步位同步又稱為碼元同步。不論是基帶傳輸，還是頻帶傳輸，都需要位同步。因為在數(shù)字通信系統(tǒng)中，信息是一串相繼的信號碼元的序列，解調(diào)時常需要知道每個碼元的起止時刻，以便判決。例如用取樣判決器對信號進行取樣判決時，均應對準每個碼元最大值的位置。因此，需要在接收端產(chǎn)生一個“碼元定時脈沖序列”，這個定時脈沖序列的重復頻率要與發(fā)送端的碼元速率相同，相位（位置）要對準最佳取樣判決位置（時刻）。這樣的一個碼元定時脈沖序列就被稱為“位同步脈沖”（或“碼元同步脈沖”），而把位同步脈沖的獲取稱

3、為位同步提取。3.幀同步數(shù)字通信中的信息數(shù)字流，總是用若干碼元組成一個“字”，又用若干“字”組成一“句”。因此，在接收這些數(shù)字流時，同樣也必須知道這些“字”、“句”的起止時刻。而在接收端產(chǎn)生與“字”、“句”起止時刻相一致的定時脈沖序列，就被稱為“字”同步和“句”同步，統(tǒng)稱為幀同步。4.網(wǎng)同步現(xiàn)代通信需要在多點之間相互連接構(gòu)成通信網(wǎng)。在一個通信網(wǎng)中，往往需要把各個方向傳來的信息，按不同目的進行分路、合路和交換 。為了有效地完成這些功能，必須實現(xiàn)網(wǎng)同步。隨著數(shù)字通信的發(fā)展，特別是計算機通信的發(fā)展，多點（或多用戶）之間的通信和數(shù)據(jù)交換構(gòu)成了數(shù)字通信網(wǎng)。為了保證數(shù)字通信網(wǎng)穩(wěn)定可靠地進行通信和交換，整個

4、數(shù)字通信網(wǎng)內(nèi)必須有一個統(tǒng)一的時間標準，即整個網(wǎng)絡(luò)必須同步地工作，這就是網(wǎng)同步需要討論的問題。除了按照功用來區(qū)分同步外，還可以按照傳輸同步信息方式的不同，把同步分為外同步法（插入導頻法）和自同步法兩種。外同步法是指發(fā)送端發(fā)送專門的同步信息，接收端把這個專門的同步信息檢測出來作為同步信號的方法；自同步法是指發(fā)送端不發(fā)送專門的同步信息，而在接收端設(shè)法從接收到的信號中提取同步信息的方法。提取載波的方法一般分為兩類：一類是不專門發(fā)送導頻，而在接收端直接從發(fā)送信號中提取載波，這類方法稱為自同步法；另一類是在發(fā)送有用信號的同時，在適當?shù)念l率位置上，插入一個（或多個）稱做導頻（專門設(shè)置含有載波信息的單頻信號）

5、的正弦波，在接收端就可以利用導頻提取出載波，這類方法稱為插入導頻法（或外同步法）。載波同步的實現(xiàn)方案與采用的數(shù)字調(diào)制方式有一定的關(guān)系。1.插入導頻法（外同步法） 插入導頻法分為兩種：一種是在發(fā)送信息的頻譜中或頻帶外插入相關(guān)的導頻信號，稱為頻域插入導頻法；另外一種是在一定時間段上傳送載波信息，稱為時域?qū)ьl法1.2 載波同步（1）頻域?qū)ьl法 抑制載波的通信系統(tǒng)無法從接收信號直接提取載波，例如DSB信號、2PSK信號、VSB信號和SSB信號等。這些信號本身不含載頻或含有載頻不易取出，對于這些信號可以用插入導頻法。插入導頻是在已調(diào)信號的頻譜中再加入一個低功率信號的頻譜(其對應的正弦波即為導頻信號)。在

6、接收端可以利用窄帶濾波器把它提取出來，經(jīng)過適當?shù)奶幚硇纬山邮斩说南喔奢d波。插入導頻的方法很多，但基本原理都是相似的。插入導頻的位置應該在信號頻譜為零，否則導頻與信號頻譜成分重疊，接收時不易取出。下面分兩種情況討論。a.模擬調(diào)制信號對于DSB和SSB這樣的模擬調(diào)制信號，在載頻fc附近信號頻譜為0，就可以插入導頻，這時插入的導頻對信號的影響最小。b.數(shù)字調(diào)制信號對于2PSK和2DPSK等數(shù)字調(diào)制信號，在載波fc附近的頻譜不但有，而且比較大，對于這樣的信號，在調(diào)制之前先對基帶信號進行相關(guān)編碼，經(jīng)雙邊帶調(diào)制后，在fc附近的頻譜分量很小，且沒有離散譜，這樣可以在fc處插入頻率為fc的導頻，如圖6.15所

7、示。圖6.15 數(shù)字信號的導頻插入方式（只考慮正向頻譜）由圖6.15可以看出，插入的導頻與傳輸?shù)纳舷逻厧Р皇侵丿B的，接收端易通過窄帶濾波器提取導頻作為相干載波。插入的導頻并不是加在調(diào)制器的那個載波，而是將該載波移相900后的“正交載波”，其波形如圖6.16(a)所示，插入導頻的發(fā)端、收端方框圖如圖6.16（b）（c）所示。（a）（b）圖6.16 導頻插入與發(fā)送端、接收端框圖圖6.16 導頻插入與發(fā)送端、接收端框圖（c）（2）時域插入導頻法除了在頻域插入導頻的方法以外，還可以在時域插入導頻以傳送和提取同步載波。時域插入導頻法中對被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號和導頻信號在時間上加以區(qū)別，具體分配情況如圖6.17

8、(a)所示。在每一幀中，除了包含一定數(shù)目的數(shù)字信息外，在t0t1的時隙內(nèi)傳送位同步信號，在t1t2的時隙內(nèi)傳送幀同步信號，在t2t3的時隙內(nèi)傳送載波同步信號，而在t3t4時間內(nèi)才傳送數(shù)字信息。這種時域插入導頻方式，只是在每幀的一小段時間內(nèi)才作為載頻標準，其余時間是沒有載頻標準的。在接收端用相應的控制信號將載頻標準取出以形成解調(diào)用的同步載波。但是由于發(fā)送端發(fā)送的載波標準是不連續(xù)的，在一幀內(nèi)只有很少一部分時間存在，因此如果用窄帶濾波器取出這個間斷的載波是不能應用的。對于這種時域插入導頻方式的載波提取往往采用鎖相環(huán)路，其方框圖如圖6.17(b)所示。在鎖相環(huán)中，壓控振蕩器的自由振蕩頻率應盡量和載波標

9、準頻率相等，而且要有足夠的頻率穩(wěn)定度，鑒相器每隔一幀時間與由門控信號取出的載波標準比較一次，并通過它去控制壓控振蕩器。當載頻標準消失后，壓控振蕩器具有足夠的同步保持時間，直到下一幀載波標準出現(xiàn)時再進行比較和調(diào)整。適當?shù)卦O(shè)計鎖相環(huán)，就可以使恢復的同步載波的頻率和相位的變化控制在允許的范圍以內(nèi)。(a)(b)圖6.17 時域插入導頻法2.自同步法有些信號（抑制載波的雙邊帶信號等）雖然本身不包含載波分量，但對該信號進行某些非線性變換以后，就可以直接從中提取出載波分量來，這就是自同步法提取同步載波的方法。下面介紹幾種直接提取載波的方法。（1）平方變換法設(shè)調(diào)制信號為x(t)， x(t)中無直流分量，則抑制

10、載波的雙邊帶信號為 (6.1) 接收端將該信號進行平方變換，即經(jīng)過一個平方律部件后就得到 (6.2)由式（6.2）可以看出，雖然前面假設(shè)x(t)中無直流分量，但x2(t)卻一定有直流分量，這是因為x2(t)必為大于等于0的數(shù)，因此，x2(t)的均值必大于0，而這個均值就是x2(t)的直流分量，這樣r(t)的第二項中就包含2fc頻率的分量。例如，對于2PSK信號，x(t)為雙極性矩形脈沖序列，設(shè)x(t)為1那么x2(t)=1，這樣經(jīng)過平方律部件后可以得到 （6.3） 由式（6.3）可知通過2fc 窄帶濾波器從r(t)中很容易取出2fc 頻率分量。經(jīng)過一個二分頻器就可以得到fc的頻率成分，這就是所

11、需要的同步載波，如圖6.18所示。圖6.18 平方變換法提取載波（2）平方環(huán)法為了改善平方變換的性能，可以在平方變換法的基礎(chǔ)上，把窄帶濾波器用鎖相環(huán)替代，構(gòu)成如圖6.19所示的框圖，這樣就實現(xiàn)了平方環(huán)提取載波。由于鎖相環(huán)具有良好的跟蹤、窄帶濾波和記憶性能，因此平方環(huán)比一般的平方變換法具有更好的性能，因此得到廣泛的應用。圖6.19 平方環(huán)法提取載波注意：上面兩個提取載波的方框圖中都用了一個二分頻電路。因此，提取出載波存在相位模糊問題。對移相信號而言，解決這個問題的常用方法就是采用前面已介紹過的相對移相。（3）同相正交環(huán)（Costas環(huán)）法利用鎖相環(huán)提取載波的另一種常用的方法如圖6-20所示，加在

12、兩個相乘器的本地信號分別為壓控振動器的輸出信號 和它的正交信號 ，通常稱這種環(huán)路為同相正交環(huán)，有時也稱為科斯塔（Costas）環(huán)。 圖6.20 同相正交環(huán)法提取載波設(shè)輸入的抑制載波雙邊帶信號為 ，則經(jīng)過低通后的輸出分別為乘法器的輸出為 （6.4）式中是壓控振動器輸出信號與輸入已調(diào)信號載波之間的相位誤差。當較小時，式（6.4）可以近似地表示為 （6.5）式（6.5）中 的大小與相位誤差成正比，它相當于一個鑒相器的輸出。用 去調(diào)整輸出信號的相位，最后就可以使穩(wěn)態(tài)相位誤差減小到很小的數(shù)值。這樣壓控振動器的輸出 就是所需要提取的載波。不僅如此，當減小到很小時， 就接近于調(diào)制信號x(t)。因此，同相正交

13、環(huán)法同時還具有了解調(diào)功能，目前在許多接收機中使用。數(shù)字通信中經(jīng)常使用多相移相信號，這類信號同樣可以利用多次方變換法從已調(diào)信號中提取載波信息。3.載波同步系統(tǒng)的性能指標載波同步系統(tǒng)的主要性能指標包括：效率、精度（相位誤差）、同步建立時間和同步保持時間。（1）效率為獲得同步，載波信號應盡量少占用發(fā)送功率，在這方面直接法由于不需要專門發(fā)送導頻，因此是高效率的，而插入導頻法由于插入導頻要消耗一部分發(fā)送功率，因此效率要低一些。（2）精度（相位誤差）精度是指提取的同步載波與載波標準比較，他們之間的相位誤差大小。例如需要的同步載波為cosct，提取的同步載波為cos(ct+)，就是相位誤差，應盡量小。通常習

14、慣地將這種誤差分為穩(wěn)態(tài)相位誤差和隨機相位誤差。（3）同步建立時間ts 對ts的要求是越短越好，這樣同步建立得快。（4）同步保持時間tc 對tc的要求是越長越好，這樣一旦建立同步以后可以保持較長的時間。4.兩種載波同步方法的比較（1）直接法的優(yōu)缺點a不占用導頻功率，信噪比可以大一些。b可以防止插入導頻法中導頻和信號間由于濾波不好而引起的相互干擾，也可以防止信道不理想引起導頻相位的誤差。c有的調(diào)制系統(tǒng)不能用直接法（如SSB系統(tǒng)）。（2）插入導頻法的優(yōu)缺點a有單獨的導頻信號，一方面可以提取同步載波，另外一方面可以利用它作為自動增益控制。b有些不能用直接法提取同步載波的調(diào)制系統(tǒng)只能用插入導頻法。c插入

15、導頻法要多消耗一部分不帶信息的功率。與直接法比較，在總功率相同的條件下實際信噪比要小一些。位同步是指在接收端的基帶信號中提取碼元定時的過程。它與載波同步有一定的相似和區(qū)別。載波同步是相干解調(diào)的基礎(chǔ)，不論模擬通信還是數(shù)字通信只要是采用相干解調(diào)都需要載波同步，而基帶傳輸時沒有載波同步問題； 所提取的載波同步信息是載頻為fc的正弦波，要求它與接收信號的載波同頻同相。實現(xiàn)方法有插入導頻法和直接法。位同步是正確取樣判決的基礎(chǔ)，只有數(shù)字通信才需要，并且不論基帶傳輸還是頻帶傳輸都需要位同步；所提取的位同步信息是頻率等于碼速率的定時脈沖，相位則根據(jù)判決時信號波形決定，可能在碼元中間，也可能在碼元終止時刻或其他

16、時刻。實現(xiàn)方法也有插入導頻法和直接法。1.3 位同步1.插入導頻法這種方法與載波同步時的插入導頻法類似，也是在基帶信號頻譜的零點處插入所需的位定時導頻信號，如圖6-21所示。其中，圖(a)為常見的雙極性不歸零基帶信號的功率譜， 插入導頻的位置是1/Tb；圖(b)表示經(jīng)某種相關(guān)變換的基帶信號，其譜的第一個零點為 ，插入導頻應在1/2Tb處。在接收端， 對圖6.21（a）的情況，經(jīng)中心頻率為1/Tb的窄帶濾波器，就可從解調(diào)后的基帶信號中提取出位同步所需的信號，這時，位同步脈沖的周期與插入導頻的周期一致； 對圖6.21（b）的情況, 窄帶濾波器的中心頻率應為1/2Tb， 所提取的導頻需經(jīng)倍頻后，才得

17、所需的位同步脈沖。 圖6.21 插入導頻法頻譜圖圖6.22 畫出了插入位定時導頻的系統(tǒng)框圖，它對應于圖6.21（b）所示譜的情況。發(fā)端插入的導頻為1/2Tb，接收端在解調(diào)后設(shè)置了1/2Tb窄帶濾波器，其作用是取出位定時導頻。移相、倒相和相加電路是為了從信號中消去插入導頻，使進入取樣判決器的基帶信號沒有插入導頻。這樣做是為了避免插入導頻對取樣判決的影響。與插入載波導頻法相比，它們消除插入導頻影響的方法各不相同，載波同步中采用正交插入，而位同步中采用反向相消的辦法。這是因為載波同步在接收端進行相干解調(diào)時，相干解調(diào)器有很好的抑制正交載波的能力， 它不需另加電路就能抑制正交載波，因此載波同步采用正交插

18、入。而位定時導頻是在基帶加入，它沒有相干解調(diào)器，故不能采用正交插入。為了消除導頻對基帶信號取樣判決的影響，位同步采用了反相相消。圖6.22 插入位定時導頻系統(tǒng)框圖此外， 由于窄帶濾波器取出的導頻為1/2Tb，圖中微分全波整流起到了倍頻的作用，產(chǎn)生與碼元速率相同的位定時信號1/Tb。圖中兩個移相器都是用來消除窄帶濾波器等引起的相移，這兩個移相器可以合用。另一種導頻插入的方法是包絡(luò)調(diào)制法。這種方法是用位同步信號的某種波形對移相鍵控或移頻鍵控這樣的恒包絡(luò)數(shù)字已調(diào)信號進行附加的幅度調(diào)制，使其包絡(luò)隨著位同步信號波形變化。在接收端只要進行包絡(luò)檢波，就可以形成位同步信號。設(shè)移相鍵控的表達式為利用含有位同步信

19、號的某種波形對進行幅度調(diào)制，S1(t)若這種波形為升余弦波形，則其表示式為式中的=2/Tb，Tb為碼元寬度。幅度調(diào)制后的信號為接收端對S2(t)進行包絡(luò)檢波，包絡(luò)檢波器的輸出為 ，除去直流分量后，就可獲得位同步信號 。除了以上兩種在頻域內(nèi)插入位同步導頻之外，還可以在時域內(nèi)插入，其原理與載波時域插入方法類似，參見圖6.17(a)。2. 自同步法當系統(tǒng)的位同步采用自同步方法時，發(fā)端不需要專門發(fā)生導頻信號，而直接從數(shù)字信號中提取位同步信號，這種方法在數(shù)字通信系統(tǒng)中經(jīng)常采用，而自同步法具體又可以分為濾波法和鎖相法。(1) 濾波法a.波形變換-濾波法不歸零的隨機二進制序列，不論是單極性還是雙極性的， 當

20、P(0)=P(1)=1/2時，都沒有fb=1/Tb、2/Tb等線譜，因而不能直接濾出fb=1/Tb的位同步信號分量。但是，若對該信號進行某種變換，例如，變成歸零的單極性脈沖，其譜中含有fb=1/Tb的分量，然后用窄帶濾波器取出該分量，再經(jīng)移相調(diào)整后就可形成位定時脈沖。這種方法的原理框圖如圖6.23 所示。它的特點是先形成含有位同步信息的信號，再用濾波器將其取出。圖中的波形變換電路可以用微分、整流來實現(xiàn)。圖6.23 濾波法原理圖b包絡(luò)檢波-濾波法這是一種從頻帶受限的中頻PSK信號中提取位同步信息的方法，其波形圖如圖6.24所示。當接收端帶通濾波器的帶寬小于信號帶寬時，使頻帶受限的2PSK信號在相

21、鄰碼元相位反轉(zhuǎn)點處形成幅度的“陷落”。經(jīng)包絡(luò)檢波后得到圖6.24(b)所示的波形，它可看成是一直流與圖6.24(c)所示的波形相減， 而圖(c)波形是具有一定脈沖形狀的歸零脈沖序列，含有位同步的線譜分量， 可用窄帶濾波器取出。圖6.24 從2PSK信號中提取位同步信息（2）鎖相法位同步鎖相法的基本原理與載波同步的類似，在接收端利用鑒相器比較接收碼元和本地產(chǎn)生的位同步信號的相位，若兩者相位不一致（超前或滯后），鑒相器就產(chǎn)生誤差信號去調(diào)整位同步信號的相位，直至獲得準確的位同步信號為止。我們把采用鎖相環(huán)來提取位同步信號的方法稱為鎖相法。通常分兩類：一類是環(huán)路中誤差信號去連續(xù)地調(diào)整位同步信號的相位，這

22、一類屬于模擬鎖相法；另有一類鎖相環(huán)位同步法是采用高穩(wěn)定度的振蕩器（信號鐘），從鑒相器所獲得的與同步誤差成比例的誤差信號不是直接用于調(diào)整振蕩器，而是通過一個控制器在信號鐘輸出的脈沖序列中附加或扣除一個或幾個脈沖，這樣同樣可以調(diào)整加到鑒相器上的位同步脈沖序列的相位，達到同步的目的。這種電路可以完全用數(shù)字電路構(gòu)成全數(shù)字鎖相環(huán)路。由于這種環(huán)路對位同步信號相位的調(diào)整不是連續(xù)的，而是存在一個最小的調(diào)整單位，也就是說對位同步信號相位進行量化調(diào)整，故這種位同步環(huán)又稱為量化同步器。這種構(gòu)成量化同步器的全數(shù)字環(huán)是數(shù)字鎖相環(huán)的一種典型應用。用于位同步的全數(shù)字鎖相環(huán)的原理框圖如圖6-25 所示， 它由信號鐘、控制器、

23、分頻器、相位比較器等組成。其中：信號鐘包括一個高穩(wěn)定度的振蕩器（晶體）和整形電路。若接收碼元的速率為F=1/Tb，那么振蕩器頻率設(shè)定在nF，經(jīng)整形電路之后，輸出周期性脈沖序列，其周期T0=1/(nF)=Tb/n?？刂破?包括圖中的扣除門（常開）、附加門（常閉）和“或門”， 它根據(jù)比相器輸出的控制脈沖（“超前脈沖”或“滯后脈沖”）對信號鐘輸出的序列實施扣除（或添加）脈沖。分頻器-是一個計數(shù)器，每當控制器輸出n個脈沖時，它就輸出一個脈沖?？刂破髋c分頻器的共同作用的結(jié)果就調(diào)整了加至比相器的位同步信號的相位。這種相位前、后移的調(diào)整量取決于信號鐘的周期，每次的時間階躍量為 ，相應的相位最小調(diào)整量為 。圖

24、6.25 數(shù)字鎖相原理框圖相位比較器將接收脈沖序列與位同步信號進行相位比較， 以判別位同步信號究竟是超前還是滯后，若超前就輸出超前脈沖，若滯后就輸出滯后脈沖。位同步數(shù)字環(huán)的工作過程簡述如下： 由高穩(wěn)定晶體振蕩器產(chǎn)生的信號， 經(jīng)整形后得到周期為T0和相位差T0/2的兩個脈沖序列，如圖6.26 (a)、(b)所示。脈沖序列(a)通過常開門、或門并經(jīng)n次分頻后，輸出本地位同步信號，如圖6.26(c)。圖6.26 位同步脈沖的相位調(diào)整為了與發(fā)端時鐘同步，分頻器輸出與接收到的碼元序列同時加到相位比較器進行比相。如果兩者完全同步， 此時相位比較器沒有誤差信號，本地位同步信號作為同步時鐘。如果本地位同步信號

25、相位超前于接收碼元序列時，相位比較器輸出一個超前脈沖加到常開門（扣除門）的禁止端將其關(guān)閉， 扣除一個(a)路脈沖(圖6.26(d)，使分頻器輸出脈沖的相位滯后1/n周期（360/n），如圖6.26(e)所示。如果本地同步脈沖相位滯后于接收碼元脈沖時，比相器輸出一個滯后脈沖去打開“常閉門（附加門）”，使脈沖序列(b)中的一個脈沖能通過此門及或門。正因為兩脈沖序列(a)和(b)相差半個周期， 所以脈沖序列(b)中的一個脈沖能插到“常開門”輸出脈沖序列(a)中(圖6.26(f)，使分頻器輸入端附加了一個脈沖，于是分頻器的輸出相位就提前1/n周期， 如圖6.26(g)所示。經(jīng)過若干次調(diào)整后，使分頻器輸

26、出的脈沖序列與接收碼元序列達到同步的目的，即實現(xiàn)了位同步。根據(jù)接收碼元基準相位的獲得方法和相位比較器的結(jié)構(gòu)不同，位同步數(shù)字鎖相環(huán)又分微分整流型數(shù)字鎖相環(huán)和同相正交積分型數(shù)字鎖相環(huán)兩種。這兩種環(huán)路的區(qū)別僅僅是基準相位的獲得方法和鑒相器的結(jié)構(gòu)不同，其他部分工作原理相同。下面我們重點介紹鑒相器的具體構(gòu)成及工作情況。a微分整流型鑒相器微分型鑒相器如圖6.27（a）所示，假設(shè)接收信號為不歸零脈沖（波形a）。我們將每個碼元的寬度分為兩個區(qū)， 前半碼元稱為“滯后區(qū)”，即若位同步脈沖（波形b）落入此區(qū)，表示位同步脈沖的相位滯后于接收碼元的相位；同樣，后半碼元稱為“超前區(qū)”。接收碼元經(jīng)過零檢測（微分、整流）后，

27、輸出一窄脈沖序列（波形d）。分頻器輸出兩列相差180的矩形脈沖b和c。當位同步脈沖波形b它是由n次分頻器b端的輸出，取其上升沿而形成的脈沖）位于超前區(qū)時，波形d和b使與門A產(chǎn)生一超前脈沖（波形e），與此同時，與門B關(guān)閉，無脈沖輸出。位同步脈沖超前的情況如圖6.27（b）所示。同理，位同步脈沖滯后的情況如圖6.27（c）所示。b. 同相正交積分型數(shù)字鎖相環(huán)同相正交積分型鑒相器采用微分整流型鑒相器的數(shù)字鎖相環(huán)，是從基帶信號的過零點中提取位同步信息的。當信噪比較低時，過零點位置受干擾很大，不太可靠。這種方案就是采用同相正交積分型鑒相器的數(shù)字鎖相環(huán)。圖6.28(a)示出了積分型鑒相器的原理框圖。設(shè)接收

28、的雙極性不歸零碼元為圖中波形a所示的波形，送入兩個并聯(lián)的積分器。積分器的積分時間都為碼元周期Tb，但加入這兩個積分器作猝息用的定時脈沖的相位相差Tb/2。這樣，同相積分器的積分區(qū)間與位同步脈沖的區(qū)間重合，而正交積分器的積分區(qū)間正好跨在兩相鄰位同步脈沖的中點之間（這里的正交就是指兩積分器的積分起止時刻相差半個碼元寬度）。在考慮了猝息作用后，兩個積分器的輸出如波形b和c所示。如果應用匹配濾波的原理，先對輸入的基帶信號進行最佳接收，然后提取同步信號，可減少噪聲干擾的影響，使位同步性能有所改善。圖6.28 同相正交積分型鑒相器圖6.28 同相正交積分型鑒相器兩個積分器的輸出電壓加于取樣保持電路，它是對

29、臨猝息前的積分結(jié)果的極性進行取樣，并保持一碼元寬度時間T，分別得到波形d和e。波形d實際上就是由匹配濾波法檢測所輸出的信號波形。雖然輸入的信號波形a可能由于受干擾影響變得不太規(guī)整，但原理圖中d點的波形卻是將干擾的影響大大減弱的規(guī)整信號。這正是同相正交積分型數(shù)字鎖相優(yōu)于微分整流型數(shù)字鎖相的原因所在。d點的波形極性取決于碼元極性，與同步的超前或滯后無關(guān)，將它進行過零檢測后，就可獲得反映碼元轉(zhuǎn)換與否的信號i。而正交積分保持輸出e的極性，則不僅與碼元轉(zhuǎn)換的方向有關(guān)，還與同步的超前或滯后有關(guān)。對于同一種碼元轉(zhuǎn)換方向而言，同步超前與同步滯后時，e的極性是不同的。因此，將兩個積分清除電路的輸出，經(jīng)保持和硬限

30、幅（保持極性）之和模2相加，可以得到判別同步信號是超前還是滯后的信號h。此信號h加至與門A和B，可控制碼元轉(zhuǎn)換信號從哪一路輸出。在該電路中，在位同步信號超前的情況下，當i脈沖到達時信號h為正極性，將與門A開啟，送出超前脈沖，如圖中(b)所示。在位同步信號滯后的情況下，當i脈沖到達時h為負極性，反相后加至與門B，使之開啟，送出滯后脈沖，如圖中(c)所示。積分型鑒相器由于采用了積分猝息電路以及保持電路，它既充分利用了碼元的能量，又有效地抑制了信道的高斯噪聲，因而可在較低的信噪比條件下工作，性能上優(yōu)于微分型鑒相器。（3）數(shù)字鎖相環(huán)抗干擾性能的改善在前面的數(shù)字鎖相法電路中，由于噪聲的干擾，使接收到的碼

31、元轉(zhuǎn)換時間產(chǎn)生隨機抖動甚至產(chǎn)生虛假的轉(zhuǎn)換，相應在鑒相器輸出端就有隨機的超前或滯后脈沖，這導致鎖相環(huán)進行不必要的來回調(diào)整，引起位同步信號的相位抖動。仿照模擬鎖相環(huán)鑒相器后加有環(huán)路濾波器的方法，在數(shù)字鎖相環(huán)鑒相器后加入一個數(shù)字濾波器。插入數(shù)字濾波器的作用就是濾除這些隨機的超前、滯后脈沖，提高環(huán)路的抗干擾能力。這類環(huán)路常用的數(shù)字濾波器有“N先于M”濾波器和“隨機徘徊”濾波器兩種。N先于M濾波器如圖6-29(a)所示， 它包括一個計超前脈沖數(shù)和一個計滯后脈沖數(shù)的N計數(shù)器，超前脈沖或滯后脈沖還通過或門加于一M計數(shù)器（所謂N或M計數(shù)器，就是當計數(shù)器置“0”后，輸入N或M個脈沖，該計數(shù)器輸出一個脈沖）。選擇

32、NM2N， 無論哪個計數(shù)器計滿，都會使所有計數(shù)器重新置“0”。當鑒相器送出超前脈沖或滯后脈沖時，濾波器并不馬上將它送去進行相位調(diào)整， 而是分別對輸入的超前脈沖（或滯后脈沖）進行計數(shù)。如果兩個N計數(shù)器中的一個，在M計數(shù)器計滿的同時或未計滿前就計滿了，則濾波器就輸出一個“減脈沖”（或“加脈沖”）控制信號去進行相位調(diào)整， 同時將三個計數(shù)器都置“0”（即復位），準備再對后面的輸入脈沖進行處理。如果是由于干擾的作用，使鑒相器輸出零星的超前或滯后脈沖， 而且這兩種脈沖隨機出現(xiàn)，那么，當兩個N計數(shù)器的任何一個都未計滿時，M計數(shù)器就很可能已經(jīng)計滿了，并將三個計數(shù)器又置“0”，因此濾波器沒有輸出，這樣就消除了隨

33、機干擾對同步信號相位的調(diào)整。隨機徘徊濾波器如圖6.29(b)所示， 它是一個既能進行加法計數(shù)又能進行減法計數(shù)的可逆計數(shù)器。當有超前脈沖（或滯后脈沖）輸入時，觸發(fā)器（未畫出）使計數(shù)器接成加法（或減法）狀態(tài)。如果超前脈沖超過滯后脈沖的數(shù)目達到計數(shù)容量N時，就輸出一個“減脈沖”控制信號，通過控制器和分頻器使位同步信號相位后移。反之，如果滯后脈沖超過超前脈沖的數(shù)目達到計數(shù)容量N時，就輸出一個“加脈沖”控制信號，調(diào)整位同步信號相位前移。在進入同步之后，沒有因同步誤差引起的超前或滯后脈沖進入濾波器，而噪聲抖動則是正負對稱的，由它引起的隨機超前、滯后脈沖是零星的， 不會是連續(xù)多個的。因此，隨機超前與滯后脈沖

34、之差數(shù)達到計數(shù)容量N的概率很小，濾波器通常無輸出。這樣一來就濾除了這些零星的超前、滯后脈沖，即濾除了噪聲對環(huán)路的干擾作用。上述兩種數(shù)字式濾波器的加入的確提高了鎖相環(huán)抗干擾能力， 但是由于它們應用了累計計數(shù)，輸入N個脈沖才能輸出一個加（或減）控制脈沖，必然使環(huán)路的同步建立過程加長?？梢?，提高鎖相環(huán)抗干擾能力（希望N大）與加快相位調(diào)整速度（希望N小）是一對矛盾。為了緩和這一對矛盾，縮短相位調(diào)整時間， 可如圖6.30 所示附加閉鎖門電路。當輸入連續(xù)的超前（或滯后）脈沖多于N個后，數(shù)字式濾波器輸出一超前（或滯后）脈沖，使觸發(fā)器C1（或C2）輸出高電平，打開與門1（或與門2），輸入的超前（或滯后）脈沖就

35、通過這兩個與門加至相位調(diào)整電路。如鑒相器這時還連續(xù)輸出超前（或滯后）脈沖，那么，由于這時觸發(fā)器的輸出已使與門打開，這些脈沖就可以連續(xù)地送至相位調(diào)整電路，而不需再待數(shù)字式濾波器計滿N個脈沖后才能再輸出一個脈沖， 這樣就縮短了相位調(diào)整時間。對隨機干擾來說，鑒相器輸出的是零星的超前（或滯后）脈沖，這些零星脈沖會使觸發(fā)器置“0”，這時整個電路的作用就和一般數(shù)字式濾波器的作用類同，仍具有較好的抗干擾性能。圖6.30 縮短相位調(diào)整時間原理圖3. 位同步系統(tǒng)的性能及其相位誤差對性能的影響與載波同步系統(tǒng)相似，位同步系統(tǒng)的性能指標主要有相位誤差、同步建立時間、同步保持時間及同步帶寬等。下面結(jié)合數(shù)字鎖相環(huán)介紹這些

36、指標，并討論相位誤差對誤碼率的影響。（1）位同步系統(tǒng)的性能a.相位誤差e位同步信號的平均相位和最佳相位之間的偏差稱為靜態(tài)相差。對于數(shù)字鎖相法提取位同步信號而言，相位誤差主要是由于位同步脈沖的相位在跳變地調(diào)整所引起的。每調(diào)整一步，相位改變2/n （對應時間Tb/n），n是分頻器的分頻次數(shù)，故最大的相位誤差為若用時間差Te來表示相位誤差，因每碼元的周期為Tb，故得 b同步建立時間ts同步建立時間是指開機或失去同步后重新建立同步所需的最長時間。由前面分析可知，當位同步脈沖相位與接收基準相位差（對應時間Tb/2）時，調(diào)整時間最長。這時所需的最大調(diào)整次數(shù)為由于接收碼元是隨機的， 對二進制碼而言，相鄰兩個

37、碼元（01、10、11、00）中，有或無過零點的情況各占一半。我們在前面所討論的兩種數(shù)字鎖相法中都是從數(shù)據(jù)過零點中提取作比相用的基準脈沖的，因此平均來說，每兩個脈沖周期（2Tb）可能有一次調(diào)整，所以同步建立時間為 ts =2TbN = nTbc同步保持時間tc當同步建立后，一旦輸入信號中斷，或出現(xiàn)長連“0”、連“1”碼時，鎖相環(huán)就失去調(diào)整作用。由于收發(fā)雙方位定時脈沖的固有重復頻率之間總存在頻差F，收端同步信號的相位就會逐漸發(fā)生漂移，時間越長，相位漂移量越大，直至漂移量達到某一準許的最大值，就算失去同步了。由同步到失步所需要的時間，稱為同步保持時間。d.同步帶寬同步帶寬是指位同步頻率與碼元速率之

38、差。若這個頻差超過一定的范圍，就無法使接收端位同步脈沖的相位與輸入信號的相位同步，從對系統(tǒng)性能要求來說，同步帶寬越小越好。數(shù)字通信中，一般總是以若干個碼元組成一個字，若干個字組成一個句，即組成一個個的“幀”進行傳輸。幀同步的任務(wù)就是在位同步的基礎(chǔ)上識別出這些數(shù)字信息群（字、句、幀“開頭”和“結(jié)尾”的時刻，使接收設(shè)備的幀定時與接收到的信號中的幀定時處于同步狀態(tài)。實現(xiàn)幀同步，通常采用的方法是起止式同步法和插入特殊同步碼組的同步法。而插入特殊同步碼組的方法有兩種：一種為連貫插入法，另一種為間隔插入法。1. 起止式同步法數(shù)字電傳機中廣泛使用的是起止式同步法。在電傳機中， 常用的是五單位碼。為標志每個字

39、的開頭和結(jié)尾，在五單位碼的前后分別加上1 個單位的起碼（低電平）和1.5個單位的止碼（高電平），共7.5個碼元組成一個字，如圖6.31所示。收端根據(jù)高電平第一次轉(zhuǎn)到低電平這一特殊標志來確定一個字的起始位置，從而實現(xiàn)字同步。1.4 幀同步這種7.5單位碼（碼元的非整數(shù)倍）給數(shù)字通信的同步傳輸帶來一定困難。另外，在這種同步方式中，7.5個碼元中只有5個碼元用于傳遞消息，因此傳輸效率較低。圖6.31 起止式同步波形2. 連貫插入法連貫插入法，又稱集中插入法。它是指在每一信息群的開頭集中插入作為群同步碼組的特殊碼組，該碼組應在信息碼中很少出現(xiàn)，即使偶爾出現(xiàn)，也不可能依照群的規(guī)律周期出現(xiàn)。接收端按群的周

40、期連續(xù)數(shù)次檢測該特殊碼組，這樣便獲得群同步信息。連貫插入法的關(guān)鍵是尋找實現(xiàn)幀同步的特殊碼組。對該碼組的基本要求是：具有尖銳單峰特性的自相關(guān)函數(shù)；便于與信息碼區(qū)別；碼長適當，以保證傳輸效率。符合上述要求的特殊碼組有：全0碼、全1碼、1與0交替碼、巴克碼、電話基群幀同步碼0011011。目前常用的幀同步碼組是巴克碼。(1)巴克碼巴克碼是一種有限長的非周期序列。它的定義如下： 一個n位長的碼組x1, x2, x3， ，xn，其中xi的取值為+1或1， 若它的局部相關(guān)函數(shù)則稱這種碼組為巴克碼，其中j表示錯開的位數(shù)。目前已找到的所有巴克碼組如表6 .1 所示。其中的、號表示xi的取值為+1、-1，分別對

41、應二進制碼的“1”或“0”。表6.1 巴克碼組以7位巴克碼組+ + + - - + -為例， 它的局部自相關(guān)函數(shù)如下：當j=0時，同樣可求出j=3，5，7時R（j）=0； j=2，4，6時R（j）=-1。根據(jù)這些值，利用偶函數(shù)性質(zhì)，可以作出7位巴克碼的R（j）與j的關(guān)系曲線，如圖6.32 所示。由圖可見，其自相關(guān)函數(shù)在j=0時具有尖銳的單峰特性。這一特性正是連貫式插入群同步碼組的主要要求之一。當j=1時，圖6.32 7位巴克碼的自相關(guān)函數(shù)（2）巴克碼識別器仍以7位巴克碼為例。用7級移位寄存器、相加器和判決器就可以組成一個巴克碼識別器，如圖6.33 所示。當輸入碼元的“1”進入某移位寄存器時，該

42、移位寄存器的1端輸出電平為+1，0端輸出電平為-1。反之，進入“0”碼時，該移位寄存器的0端輸出電平為+1，1端輸出電平為-1。各移位寄存器輸出端的接法與巴克碼的規(guī)律一致, 這樣識別器實際上是對輸入的巴克碼進行相關(guān)運算。當一幀信號到來時，首先進入識別器的是群同步碼組，只有當7位巴克碼在某一時刻（如圖6.34(a)中的t1）正好已全部進入7位寄存器時，7位移位寄存器輸出端都輸出+1，相加后得最大輸出+7，其余情況相加結(jié)果均小于+7。若判別器的判決門限電平定為+6，那么就在7位巴克碼的最后一位0進入識別器時，識別器輸出一個同步脈沖表示一群的開頭，如圖6.34(b)所示。圖6.33 巴克碼識別器圖6

43、.34 識別器的輸出波形巴克碼用于群同步是常見的，但并不是惟一的， 只要具有良好特性的碼組均可用于群同步，例如PCM30/32路電話基群的連貫隔幀插入的幀同步碼為0011011。3. 間隔插入法間隔插入法又稱為分散插入法，它是將群同步碼以分散的形式均勻插入信息碼流中。這種方式比較多地用在多路數(shù)字電路系統(tǒng)中，如PCM 24路基群設(shè)備以及一些簡單的M系統(tǒng)一般都采用1、0交替碼型作為幀同步碼間隔插入的方法。即一幀插入“1”碼，下一幀插入“0”碼，如此交替插入。由于每幀只插一位碼，那么它與信碼混淆的概率則為1/2， 這樣似乎無法識別同步碼，但是這種插入方式在同步捕獲時我們不是檢測一幀兩幀，而是連續(xù)檢測

44、數(shù)十幀，每幀都符合“1”、“0”交替的規(guī)律才確認同步。分散插入的最大特點是同步碼不占用信息時隙， 每幀的傳輸效率較高，但是同步捕獲時間較長，它較適合于連續(xù)發(fā)送信號的通信系統(tǒng)， 若是斷續(xù)發(fā)送信號，每次捕獲同步需要較長的時間，反而降低效率。分散插入常用滑動同步檢測電路。所謂滑動檢測，它的基本原理是接收電路開機時處于捕捉態(tài)，當收到第一個與同步碼相同的碼元，先暫認為它就是群同步碼，按碼同步周期檢測下一幀相應位碼元，如果也符合插入的同步碼規(guī)律，則再檢測第三幀相應位碼元，如果連續(xù)檢測M幀（M為數(shù)十幀）， 每幀均符合同步碼規(guī)律，則同步碼已找到，電路進入同步狀態(tài)。如果在捕捉態(tài)接收到的某個碼元不符合同步碼規(guī)律，

45、則碼元滑動一位，仍按上述規(guī)律周期性地檢測，看它是否符合同步碼規(guī)律，一旦檢測不符合，又滑動一位如此反復進行下去。若一幀共有N個碼元，則最多滑動（N-1）位，一定能把同步碼找到。滑動同步檢測可用軟件實現(xiàn)，也可用硬件實現(xiàn)。軟件流程圖如圖6.35所示。圖6.36所示為硬件實現(xiàn)滑動檢測的方框圖， 假設(shè)幀同步碼每幀均為“1”碼，N為每幀的碼元個數(shù)，M為確認同步時需檢測幀的個數(shù)。圖6.36 中“1”碼檢測器是在本地幀同步碼到來時檢測信碼，若信碼為“1”則輸出正脈沖，信碼為“0”則輸出負脈沖。如果本地幀碼與收碼中幀同步碼對齊，則“1”碼檢測器將連續(xù)輸出正脈沖，計數(shù)器計滿M個正脈沖后輸出高電位并鎖定，它使與門3

46、打開，本地幀碼輸出，系統(tǒng)處于同步態(tài)。如果本地幀碼與收信碼中幀同步尚未對齊，“1”碼檢測器只要檢測到信碼中的“0”碼，便輸出負脈沖，該負脈沖經(jīng)非門2使計數(shù)器M復位， 從而與門3關(guān)閉，本地幀碼不輸出，系統(tǒng)處于捕捉態(tài)。同時非門2輸出的正脈沖延時T后封鎖一個位脈沖，使本地群碼滑動一位， 隨后“1”碼檢測器繼續(xù)檢測信碼，若遇“0”碼，本地幀碼又滑動一位，直到滑動到與信息碼中群同步碼對齊， 并連續(xù)檢驗M幀后進入同步態(tài)。圖6.36是幀同步碼每幀均為“1”，若幀同步碼為“0”、“1”碼交替插入，則電路還要復雜些。圖6.35滑動監(jiān)測流程4.幀同步系統(tǒng)的性能幀同步性能主要指標是同步可靠性（包括漏同步概率P1和假同

47、步概率P2）及同步建立時間ts。下面，我們主要以連貫插入法為例進行分析。圖 6.36滑動同步檢測（1） 漏同步概率P1由于干擾的影響， 接收的同步碼組中可能出現(xiàn)一些錯誤碼元，從而使識別器漏識已發(fā)出的同步碼組，出現(xiàn)這種情況的概率稱為漏同步概率，記為P1。以n位巴克碼識別器為例，設(shè)判決門限為6，此時7 位巴克碼只要有一位碼出錯，7位巴克碼全部進入識別器時相加器輸出由7變?yōu)?，因而出現(xiàn)漏同步。如果將判決門限由6降為4，則不會出現(xiàn)漏識別，這時判決器允許7 位巴克碼中有一位碼出錯。漏同步概率與幀同步的插入方式、幀同步碼的碼組長度、系統(tǒng)的誤碼概率及識別器電路和參數(shù)選取等均有關(guān)系。對于連貫式插入法，設(shè)n為同步碼組的碼元數(shù)， Pe為碼元錯誤概率， m為判決器允許碼組中的錯誤碼元最大數(shù)，則Pr(1-P)n-r表示n位同步碼組中，r位錯碼和（n-r）位正確碼同時發(fā)生的概率。當rm時， 錯碼的位數(shù)在識別器允許的范圍內(nèi)，Crn表示出現(xiàn)r個錯誤的組合數(shù)，所有這些情況，都能被識別器識別，因此未漏概率為(2) 假同步概率P2假同步是指信息的碼元中出現(xiàn)與同步碼組相同的碼組，這時信息碼會被識別器誤認為同步碼，從而出現(xiàn)假同步信號。發(fā)生這種情