第13同步原理1第13章同步原理13.1概述 數(shù)字通信系統(tǒng)中的同步種類：載波同步、碼元同步、群同步和網(wǎng)同步。載波同步：又稱載波恢復(fù)。目的：在接收設(shè)備中產(chǎn)生一個(gè)和接收信號(hào)的載波同頻、同相的本地振蕩，用于相干解調(diào)。方法： 接收信號(hào)中有載頻分量時(shí)：需要調(diào)整其相位。 接收信號(hào)中無載頻分量時(shí)：需從信號(hào)中提取載波，或插入輔助同步信息。2碼元同步：又稱時(shí)鐘同步或時(shí)鐘恢復(fù)。 對(duì)于二進(jìn)制信號(hào)，又稱位同步。目的：得知每個(gè)接收碼元準(zhǔn)確的起止時(shí)刻，以便決定積分和判決時(shí)刻。方法：從接收信號(hào)中獲取同步信息，由其產(chǎn)生一時(shí)鐘脈沖序列，使后者和接收碼元起止時(shí)刻保持正確關(guān)系?；虿迦胼o助同步信息。群同步：又稱幀同步。目的：將接收碼元正確分組。方法：通常需要在發(fā)送信號(hào)中周期性地插入一個(gè)同步碼元，標(biāo)示出分組位置。網(wǎng)同步：使通信網(wǎng)中各站點(diǎn)時(shí)鐘之間保持同步。313.2載波同步13.2.1有輔助導(dǎo)頻時(shí)的載頻提取用于不包含載頻分量的信號(hào)。在發(fā)送信號(hào)中另外加入一個(gè)或幾個(gè)導(dǎo)頻信號(hào)。多采用鎖相環(huán)（PLL）提取載波。鎖相環(huán)原理方框圖：環(huán)路濾波器壓控振蕩器輸出導(dǎo)頻輸入信號(hào)圖13-1鎖相環(huán)原理方框圖鑒相器5第13章同步原理對(duì)環(huán)路濾波器的要求：通帶越窄，能夠通過的噪聲越少，但是對(duì)導(dǎo)頻相位漂移（由Doppler引起）的限制越大。數(shù)字化接收機(jī)中鎖相環(huán)的實(shí)現(xiàn)方法： 窄帶濾波器：改用數(shù)字濾波器 壓控振蕩器：用只讀存儲(chǔ)器代替 鑒相器：可以是一組匹配濾波器613.2.2無輔助導(dǎo)頻時(shí)的載波提取平方環(huán)：以2PSK信號(hào)為例進(jìn)行討論。設(shè)信號(hào)m(t)=1m(t)取+1和-1概率相等時(shí)，此信號(hào)頻譜中無角頻率c的離散分量。將上式平方，得到含2倍載頻的頻率分量。將此2倍頻分量用窄帶濾波器濾出后再作2分頻，即可得出所需載頻圖13-2平方環(huán)原理方框圖載頻輸出帶通濾波平方壓控振蕩環(huán)路濾波鎖相環(huán)s(t)2分頻窄帶濾波7第13章同步原理科斯塔斯環(huán)法：又稱同相正交環(huán)法或邊環(huán)法。原理方框圖：

圖13-3科斯塔斯環(huán)法原理方框圖90相移環(huán)路濾波壓控振蕩s(t)載頻輸出低通低通解調(diào)輸出abcdefg9第13章同步原理工作原理a點(diǎn)的壓控振蕩電壓為：b點(diǎn)的壓控振蕩電壓為：c點(diǎn)的電壓：d點(diǎn)的電壓：e點(diǎn)的電壓：f點(diǎn)的電壓：g點(diǎn)的電壓：(-

)是壓控振蕩電壓和接收載波相位之差。10第13章同步原理m(t)=1，(-)很小時(shí)sin(-)(-)電壓vg通過環(huán)路濾波器，控制壓控振蕩器的振蕩頻率。這個(gè)電壓控制壓控振蕩器的輸出電壓相位，使(-

)盡可能地小。當(dāng)＝

時(shí)，vg

=0。壓控振蕩器的輸出電壓va就是科斯塔斯環(huán)提取出的載波。11第13章同步原理同步建立時(shí)間和保持時(shí)間同步建立時(shí)間：從開始接收到信號(hào)（或從系統(tǒng)失步狀態(tài)）到提取出穩(wěn)定的載頻所需時(shí)間。 要求此時(shí)間越短越好。在同步建立時(shí)間內(nèi)，由于相干載頻的相位還沒有調(diào)整穩(wěn)定，所以不能正確接收碼元。同步保持時(shí)間：從開始失去信號(hào)到失去載頻同步的時(shí)間。 此時(shí)間越長越好。長的同步保持時(shí)間使信號(hào)短暫丟失，或接收斷續(xù)信號(hào)時(shí)，不需要重新建立同步，保持連續(xù)提供穩(wěn)定的本地載頻。13第13章同步原理載波同步誤差對(duì)解調(diào)信號(hào)的影響載波同步的相位誤差：包括兩部分恒定誤差和隨機(jī)誤差（相位抖動(dòng)）

，現(xiàn)在將其寫為：＝

＋相位誤差對(duì)于2PSK信號(hào)誤碼率的影響： 由科斯塔斯環(huán)的輸出電壓 其中(-

)為相位誤差，ve即解調(diào)輸出電壓，而cos(-

)就是由于相位誤差引起的解調(diào)信號(hào)電壓下降。因此信號(hào)噪聲功率比r下降至cos2(-

)倍。代入誤碼率公式，得到相位誤差為(-

)時(shí)的誤碼率等于

r為信號(hào)噪聲功率比。14第13章同步原理相位誤差對(duì)于單邊帶信號(hào)的影響 設(shè)有一單頻基帶信號(hào) 它對(duì)載波cosct進(jìn)行單邊帶調(diào)制后，取出上邊帶信號(hào) 傳輸?shù)浇邮斩恕Ｈ艚邮斩说谋镜叵喔奢d波有相位誤差，則兩者相乘后得到 經(jīng)過低通濾波器濾出的低頻分量為 其中第1項(xiàng)是原調(diào)制基帶信號(hào)，但是受到因子cos的衰減；第2項(xiàng)是和第1項(xiàng)正交的項(xiàng)，它使接收信號(hào)產(chǎn)生失真。15

13.3.1外同步法常用的外同步法：在發(fā)送信號(hào)中插入頻率為碼元速率（1/T）或碼元速率的倍數(shù)的同步信號(hào)。在接收端利用一個(gè)窄帶濾波器，將其分離出來，并形成碼元定時(shí)脈沖。優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備較簡單；缺點(diǎn)是需要占用一定的頻帶寬帶和發(fā)送功率。插入碼元同步信號(hào)的方法時(shí)域：連續(xù)插入增加“同步頭”頻域：在信息碼元頻譜之外占用一段頻譜用于傳輸同步信息利用信息碼元頻譜中的“空隙”處，插入同步信息外同步法目前采用不多。17第13章同步原理13.3.2自同步法自同步法分類：開環(huán)同步法：由于二進(jìn)制等先驗(yàn)概率的不歸零碼元序列中沒有離散的碼元速率頻譜分量，故需要在接收時(shí)對(duì)其進(jìn)行某種非線性變換，才能使其頻譜中含有離散的碼元速率頻譜分量，并從中提取碼元定時(shí)信息。閉環(huán)同步法：用比較本地時(shí)鐘周期和輸入信號(hào)碼元周期的方法，將本地時(shí)鐘鎖定在輸入信號(hào)上。18開環(huán)碼元同步法延遲相乘法原理方框圖相乘器輸入和輸出的波形：延遲相乘后碼元波形的后一半永遠(yuǎn)是正值；而前一半則當(dāng)輸入狀態(tài)有改變時(shí)為負(fù)值。因此，變換后的碼元序列的頻譜中就產(chǎn)生了碼元速率的分量。延遲時(shí)間等于碼元時(shí)間一半時(shí)，碼元速率分量最強(qiáng)。c延遲T/2ab放大限幅窄帶濾波(c)(b)(a)19第13章同步原理閉環(huán)碼元同步法基本原理：將接收信號(hào)和本地產(chǎn)生的碼元定時(shí)信號(hào)相比較，使本地產(chǎn)生的定時(shí)信號(hào)和接收碼元波形的轉(zhuǎn)變點(diǎn)保持同步。這種方法類似載頻同步中的鎖相環(huán)法?！俺?滯后門”同步器：原理方框圖超前門滯后門環(huán)路濾波||||+壓控振蕩+-u1u2|u1||u2|e=|u2|-|u1|m(t)門波形產(chǎn)生21第13章同步原理工作原理Tdd+1-1超前門滯后門(a)同步狀態(tài)(b)超前狀態(tài)d++1-1超前門滯后門T2積分時(shí)間22第13章同步原理存在的問題和解決辦法在上面討論中已經(jīng)假定接收信號(hào)中的碼元波形有突跳邊沿。若它沒有突跳邊沿，則無論有無同步時(shí)間誤差，超前門和滯后門的積分結(jié)果總是相等，這樣就沒有誤差信號(hào)去控制壓控振蕩器，故不能使用此法取得同步。這個(gè)問題在所有自同步法的碼元同步器中都存在，在設(shè)計(jì)時(shí)必須加以考慮。此外，由于兩個(gè)支路積分器的性能也不可能做得完全一樣。這樣將使本來應(yīng)該等于零的誤差值產(chǎn)生偏差；當(dāng)接收碼元序列中較長時(shí)間沒有突跳邊沿時(shí)，此誤差值偏差持續(xù)地加在壓控振蕩器上，使振蕩頻率持續(xù)偏移，從而會(huì)使系統(tǒng)失去同步。為了使接收碼元序列中不會(huì)長時(shí)間地沒有突跳邊沿，可以在發(fā)送時(shí)對(duì)基帶碼元的傳輸碼型作某種變換，例如改用HDB3碼，或用擾亂技術(shù)，使發(fā)送碼元序列不會(huì)長時(shí)間地沒有突跳邊沿。23第13章同步原理分散插入適用于連續(xù)傳輸信息之處，例如數(shù)字電話系統(tǒng)中。信息碼組信息碼組信息碼組同步碼元同步碼元同步碼組同步碼元同步碼元25第13章同步原理同步電路的狀態(tài)：捕捉態(tài)：在捕捉態(tài)時(shí)，確認(rèn)搜索到群同步碼的條件必須規(guī)定得很高，以防發(fā)生假同步。保持態(tài)：一旦確認(rèn)達(dá)到同步狀態(tài)后，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入保持態(tài)。在保持態(tài)下，仍須不斷監(jiān)視同步碼的位置是否正確。但是，這時(shí)為了防止因?yàn)樵肼曇鸬膫€(gè)別錯(cuò)誤導(dǎo)致認(rèn)為失去同步，應(yīng)該降低判斷同步的條件，以使系統(tǒng)穩(wěn)定工作。26第13章同步原理巴克碼組列表： 表中各碼組的反碼（即正負(fù)號(hào)相反的碼）和反序碼（即時(shí)間順序相反的碼）也是巴克碼。N巴克碼1＋2＋＋，＋－3＋＋－4＋＋＋－，＋＋－＋5＋＋＋－＋7＋＋＋――＋－11＋＋＋―――＋――＋－13＋＋＋＋＋――＋＋－＋－＋29第13章同步原理例：N=5的巴克碼。 在j=0至4的范圍內(nèi)，求其自相關(guān)函數(shù)值： 由以上計(jì)算結(jié)果可見，其自相關(guān)函數(shù)絕對(duì)值除R(0)外，均不大于1。304123-4-1-3-2R(j)1-1 5j320第13章同步原理巴克碼的自相關(guān)函數(shù)值曲線 自相關(guān)函數(shù)是偶函數(shù)，所以其自相關(guān)函數(shù)值畫成曲線如上圖所示。將j=0時(shí)的R(j)值稱為主瓣，其他處的值稱為旁瓣。 實(shí)際通信情況中，在巴克碼前后有其他碼元存在。但是，若假設(shè)信號(hào)碼元的出現(xiàn)是等概率的，則相當(dāng)于在巴克碼前后的碼元取值平均為0。所以平均而言，計(jì)算巴克碼的局部自相關(guān)函數(shù)的結(jié)果，近似地符合在實(shí)際通信情況中計(jì)算全部自相關(guān)函數(shù)的結(jié)果。31第13章同步原理集中插入法群同步碼檢測流程初始化(將同步狀態(tài)設(shè)為捕捉態(tài))移1位開始N等待下一同步碼組Y保持態(tài)捕捉態(tài)NY計(jì)算R(j)(N-2)?計(jì)算R(j)=N?32第13章同步原理13.4.3分散插入法：原理：通常，分散插入法的群同步碼都很短。例如，在數(shù)字電話系統(tǒng)中常采用“10”交替碼，即在下圖所示的同步碼元位置上輪流發(fā)送二進(jìn)制數(shù)字“1”和“0”。 這種有規(guī)律的周期性地出現(xiàn)的“10”交替碼，在信息碼元序列中極少可能出現(xiàn)。因此在接收端有可能將同步碼的位置檢測出來。信息碼組信息碼組信息碼組同步碼元同步碼元同步碼組同步碼元同步碼元33第13章同步原理 在接收端，為了找到群同步碼的位置，需要按照其出現(xiàn)周期搜索若干個(gè)周期。若在規(guī)定數(shù)目的搜索周期內(nèi)，在同步碼的位置上，都滿足“1”和“0”交替出現(xiàn)的規(guī)律，則認(rèn)為該位置就是群同步碼元的位置。至于具體的搜索方法，由于計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，目前多采用軟件的方法，不再采用硬件邏輯電路實(shí)現(xiàn)。 34第13章同步原理13.5網(wǎng)同步13.5.1概述網(wǎng)同步目的：使全網(wǎng)各站能夠互連互通，正確地接收信息碼元。網(wǎng)同步方法分類：單向通信系統(tǒng)：一般由接收設(shè)備調(diào)整自已的時(shí)鐘，使之和發(fā)送設(shè)備的時(shí)鐘同步。雙向通信系統(tǒng)：同步網(wǎng)：全網(wǎng)各站具有統(tǒng)一時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)異步網(wǎng)或準(zhǔn)同步網(wǎng)：容許各站的時(shí)鐘有誤差，但是通過調(diào)整碼元速率的辦法使全網(wǎng)能夠協(xié)調(diào)工作35第13章同步原理同步網(wǎng)的同步方法可能由接收設(shè)備負(fù)責(zé)解決，也可能需要收發(fā)雙方共同解決。例： 一個(gè)衛(wèi)星通信網(wǎng)中有4個(gè)地球（終端）站，在衛(wèi)星（中心站）S1上接收地球站的TDMA信號(hào)，其時(shí)隙安排示于下圖中：上行下行ABCDS1S2E-1E-1E-1E-1E-2ABCDABt36第13章同步原理異步網(wǎng)或準(zhǔn)同步網(wǎng)的同步方法：典型例子是準(zhǔn)同步數(shù)字體系(PDH)中采用的碼速調(diào)整法。37第13章同步原理參考時(shí)間和參考頻率的關(guān)系： 參考頻