通信原理教學課件1第1頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日學習目標掌握載波同步的實現(xiàn)方法；理解載波相位誤差對解調(diào)性能的影響；理解位同步的實現(xiàn)方法，位同步系統(tǒng)的性能及位同步定時誤差對系統(tǒng)性能的影響；理解群（幀）同步的基本概念、基本方法和技術指標；了解網(wǎng)同步的概念。2第2頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日第13章同步原理13.1概述13.2載波同步13.3碼元同步13.4群同步13.5網(wǎng)同步主要內(nèi)容3第3頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日13.1概述所謂同步是指收發(fā)雙方在時間上步調(diào)一致，故又稱定時。同步的必要性時鐘、定時信號、數(shù)字通信信號中的頻率等不可能絕對穩(wěn)定不變。同步要求相互之間的頻率差異在限定時間內(nèi)應不超出規(guī)定的指標。同步是進行信息傳輸?shù)谋匾疤帷?第4頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日13.1概述 同步的分類：按同步的功用來區(qū)分：載波同步碼元同步群同步網(wǎng)同步按傳輸同步信息方式的不同來區(qū)分：外同步:由發(fā)送端發(fā)送專門的同步信息自同步:設法從傳送信號中提取同步信息5第5頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日13.1概述載波同步：又稱載波恢復。目的：在接收設備中產(chǎn)生一個和接收信號的載波同頻、同相的本地振蕩，用于相干解調(diào)。方法：接收信號中有載頻分量時：需要調(diào)整其相位。接收信號中無載頻分量時：需從信號中提取載波，或插入輔助同步信息。6第6頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日13.1概述碼元同步：又稱時鐘同步或時鐘恢復。 對于二進制信號，又稱位同步目的：得知每個接收碼元準確的起止時刻，以便決定積分和判決時刻。方法：從接收信號中獲取同步信息，由其產(chǎn)生一時鐘脈沖序列，使后者和接收碼元起止時刻保持正確關系或插入輔助同步信息。7第7頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日13.1概述群同步：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)送信號中周期性地插入一個同步碼元，標示出分組位置。網(wǎng)同步：使通信網(wǎng)中各站點時鐘之間保持同步。8第8頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日13.1概述點_點數(shù)字通信系統(tǒng)位同步字同步網(wǎng)絡通信時分多路復用系統(tǒng)幀同步群同步網(wǎng)同步通信線路用戶終端用戶終端通信線路路同步位同步位同步幀同步網(wǎng)同步9第9頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日第13章同步原理13.1概述13.2載波同步13.3碼元同步13.4群同步13.5網(wǎng)同步主要內(nèi)容10第10頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日13.2載波同步

13.2.1有輔助導頻時的載頻提取用于不包含載頻分量的信號；在發(fā)送信號中另外加入一個或幾個導頻信號。插入導頻的位置應該在信號頻譜為零的位置，而且是所謂“正交載波”。對于模擬調(diào)制的信號，在載波fc附近信號頻譜為0，可以直接插入導頻。對于2PSK和2DPSK等數(shù)字調(diào)制信號，在fc附近頻譜很大，故在調(diào)制前需進行相關編碼。11第11頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日13.2載波同步多采用鎖相環(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頻輸入信號鑒相器窄帶濾波器12第12頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日13.2載波同步鎖相環(huán)鑒相特性輸出導頻環(huán)路濾波器壓控振蕩器輸入信號鑒相器窄帶濾波器穩(wěn)定平衡點穩(wěn)定平衡點13第13頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日13.2載波同步對環(huán)路濾波器的要求：通帶越窄，能夠通過的噪聲越少，但是對導頻相位漂移的限制越大。數(shù)字化接收機中鎖相環(huán)的實現(xiàn)方法：

窄帶濾波器：改用數(shù)字濾波器；

壓控振蕩器：用只讀存儲器代替；

鑒相器：可以是一組匹配濾波器。14第14頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日13.2載波同步輔助導頻載波應用實例IS-95CDMA系統(tǒng)中的下行鏈路中使用下行鏈路中包括64個信道，其中一個導頻信道為其它信道的解調(diào)提供相干載波相位參考導頻信道的重要性在功率上給予優(yōu)先安排被移動臺用來區(qū)分基站15第15頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日13.2載波同步13.2.2無輔助導頻時的載波提取平方環(huán)：

2PSK信號的載波提取載波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16第16頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日13.2載波同步BPSK信號平方：對于矩形脈沖基帶信號:假定鎖相環(huán)已經(jīng)鎖定在，VCO輸出信號為：17第17頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日13.2載波同步相乘器輸出為：經(jīng)環(huán)路低通濾波輸出為：此式表明壓控振蕩器的輸出是受控制的。18第18頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日13.2載波同步平方環(huán)法的缺點：

1、相位模糊：2分頻器的輸出電壓有相差

180的兩種可能相位，即其輸出電壓的相位決定于分頻器的隨機初始狀態(tài)。采用2DPSK體制可以避免此缺點的影響。

2、錯誤鎖定：平方后的接收電壓中有可能存在其它的離散頻率分量，使鎖相環(huán)鎖定在錯誤的頻率上。解決這個問題的辦法是降低環(huán)路濾波器的帶寬。19第19頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日13.2載波同步科斯塔斯環(huán)法：又稱同相正交環(huán)法或邊環(huán)法。原理方框圖：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abcdefg··20第20頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日13.2載波同步工作原理a點的壓控振蕩電壓為：b點的壓控振蕩電壓為：c點的電壓：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abcdefg··21第21頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日13.2載波同步d點的電壓：e點的電壓：f點的電壓：g點的電壓：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abcdefg··22第22頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日13.2載波同步將m(t)=1代入上式，并考慮到當⊿φ很小時，則電壓vg通過環(huán)路濾波器，控制壓控振蕩器的振蕩頻率。這個電壓控制壓控振蕩器的輸出電壓相位，使Δφ盡可能地小。當Δφ=0時，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。23第23頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日13.2載波同步當⊿φ很小時，除了差一個常數(shù)因子外，電壓ve就近似等于解調(diào)輸出電壓m(t)?？扑顾弓h(huán)本身就同時兼有提取相干載波和相干解調(diào)的功能。24第24頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日13.2載波同步

優(yōu)缺點：

1、不需要對接收信號作平方運算，工作頻率較低。

2、為了得到科斯塔斯環(huán)法在理論上給出的性能，要求兩路低通濾波器的性能完全相同。25第25頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日13.2載波同步3、由鎖相環(huán)原理可知，鎖相環(huán)在⊿φ值接近0的穩(wěn)定點有兩個，在⊿φ等于0和處。所以，科斯塔斯環(huán)法提取出的載頻也存在相位模糊。平方環(huán)、Costas環(huán)的鑒相特性26第26頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日13.2載波同步

MPSK的載波恢復一種基于平方變換法或平方環(huán)法的推廣，是M次方變換法或M方環(huán)法。

M次方環(huán)具有M重相位模糊度，即所提取的載波具有360°/M的相位模糊。解決的方法是采用MDPSK。27第27頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日13.2載波同步

QPSK信號提取載頻的科斯塔斯環(huán)法原理s(t)45移相低通壓控振蕩環(huán)路濾波低通解調(diào)輸出90移相135移相低通低通28第28頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日13.2載波同步再調(diào)制器原理方框圖載頻輸出90相移環(huán)路濾波壓控振蕩低通s(t)abcdefg29第29頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日13.2載波同步13.2.3載波同步的性能載波同步系統(tǒng)的性能指標主要有效率、精度、同步建立時間和同步保持時間。載波同步追求的是高效率、高精度、同步建立時間快，保持時間長。相位誤差相位誤差的種類恒定誤差：由電路參量引起的隨機誤差：由噪聲引起的30第30頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日13.2載波同步恒定誤差分析：當提取載波電路中存在窄帶濾波器時，若其中心頻率fq和載波頻率f0不相等，存在頻率偏差

f，則載波通過它時會有附加相移。當提取載頻的電路中采用鎖相環(huán)時，若鎖相環(huán)工作在穩(wěn)態(tài)，壓控振蕩電壓的頻率f0應當和信號載頻fc相同，并且其相位誤差應當很小。31第31頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日13.2載波同步隨機誤差分析

從物理概念上講，正弦波加上隨機噪聲以后，相位變化是隨機的，它與噪聲的性質(zhì)和信噪比有關。當大信噪比時，由窄帶高斯噪聲引起的隨機相位誤差的方差大小直接和信噪比成反比。隨機相位誤差n的標準偏差稱為相位抖動。32第32頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日13.2載波同步在提取載頻電路中的窄帶濾波器對于信噪比有直接的影響。對于給定的噪聲功率譜密度，窄帶濾波器的通頻帶越窄，使通過的噪聲功率越小，信噪比就越大，這樣隨機相位誤差越小。另一方面，通頻帶越窄，要求濾波器的Q值越大，則恒定相位誤差越大。所以，恒定相位誤差和隨機相位誤差對于Q值的要求是矛盾的。33第33頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日13.2載波同步同步建立時間和保持時間同步建立時間：從開始接收到信號（或從系統(tǒng)失步狀態(tài)）到提取出穩(wěn)定的載頻所需要的時間。 顯然我們要求此時間越短越好。在同步建立時間內(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。34第34頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日13.2載波同步同步保持時間：從開始失去信號到失去載頻同步的時間。顯然希望同步保持時間越長越好。長的同步保持時間有可能使信號短暫丟失時，或接收斷續(xù)信號時，不需要重新建立同步，保持連續(xù)提供穩(wěn)定的本地載頻。35第35頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日13.2載波同步同步建立時間和保持時間的關系

在同步電路中的低通濾波器和環(huán)路濾波器都是通頻帶很窄的電路。一個濾波器的通頻帶越窄，其惰性越大。當在其輸入端加入一個正弦振蕩時，它輸出端振蕩的建立時間越長；當輸入振蕩截止時，輸出端振蕩的保持時間也越長。顯然，這個特性和我們對于同步性能的要求是相左的，即建立時間短和保持時間長是互相矛盾的要求。在設計同步系統(tǒng)時只能折中處理。36第36頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日13.2載波同步載波同步誤差對解調(diào)信號的影響載波同步的相位誤差：包括恒定誤差和隨機誤差（相位抖動）

，記為：＝

＋相位誤差對于2PSK信號誤碼