1、1,通信原理,第13章 同步原理 (13.113.2),2,學(xué)習(xí)目標(biāo),掌握載波同步的實(shí)現(xiàn)方法； 理解載波相位誤差對(duì)解調(diào)性能的影響； 理解位同步的實(shí)現(xiàn)方法，位同步系統(tǒng) 的性能及位同步定時(shí)誤差對(duì)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(shù)指標(biāo)； 了解網(wǎng)同步的概念。,3,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,4,13.1 概述,所謂同步是指收發(fā)雙方在時(shí)間上步調(diào)一致，故又稱定時(shí)。 同步的必要性 時(shí)鐘、定時(shí)信號(hào)、數(shù)字通信信號(hào)中的頻率等不可能絕對(duì)穩(wěn)定不變。 同步要求相互之間的頻率差異在限定時(shí)間內(nèi)應(yīng)不超出

2、規(guī)定的指標(biāo)。 同步是進(jìn)行信息傳輸?shù)谋匾疤帷?5,13.1 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(shè)法從傳送信號(hào)中提取同步信息,6,13.1 概述,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。,7,13.1 概述,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)

3、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)系或插入輔助同步信息。,8,13.1 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(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。,9,13.1 概述,點(diǎn)_點(diǎn)數(shù)字通信系統(tǒng),位同步,字同步,網(wǎng)絡(luò)通信,時(shí)分多路復(fù)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,10,第13章 同步原理,13.1 概述 13.2 載波同步 13.3

4、碼元同步 13.4 群同步 13.5 網(wǎng)同步,主要內(nèi)容,11,13.2 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)。,插入導(dǎo)頻的位置應(yīng)該在信號(hào)頻譜為零的位置，而且是所謂“正交載波”。 對(duì)于模擬調(diào)制的信號(hào)，在載波fc附近信號(hào)頻譜為 0，可以直接插入導(dǎo)頻。 對(duì)于2PSK和2DPSK等數(shù)字調(diào)制信號(hào)，在fc附近頻 譜很大，故在調(diào)制前需進(jìn)行相關(guān)編碼。,12,13.2 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：,13,13.2 載波同步,鎖相環(huán)鑒相特性,穩(wěn)定平衡點(diǎn),穩(wěn)定平衡點(diǎn),14,13.2 載波同步,對(duì)環(huán)路濾波器的

5、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。,15,13.2 載波同步,輔助導(dǎo)頻載波應(yīng)用實(shí)例 IS-95 CDMA系統(tǒng)中的下行鏈路中使用 下行鏈路中包括64個(gè)信道，其中一個(gè)導(dǎo)頻信道 為其它信道的解調(diào)提供相干載波相位參考 導(dǎo)頻信道的重要性 在功率上給予優(yōu)先安排 被移動(dòng)臺(tái)用來區(qū)分基站,16,13.2 載波同步,13.2.2 無輔助導(dǎo)頻時(shí)的載波提取 平方環(huán)： 2PSK信號(hào)的載波提取,17,13.2 載波同步,BPSK信號(hào)平方：,對(duì)于矩形脈沖基帶信號(hào)

6、:,假定鎖相環(huán)已經(jīng)鎖定在 ，VCO輸出信號(hào)為：,18,13.2 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。,19,13.2 載波同步,平方環(huán)法的缺點(diǎn)： 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(jī)初始狀態(tài)。采 用2DPSK體制可以避免此缺點(diǎn)的影響。 2、錯(cuò)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(cuò)誤的頻率上。解決這個(gè)問題的辦 法是降低環(huán)路濾波器的帶寬。,20,13.2 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：,21,13.2 載波同步,

7、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：,22,13.2 載波同步,d點(diǎn)的電壓： e點(diǎn)的電壓： f點(diǎn)的電壓： g點(diǎn)的電壓：,23,13.2 載波同步,將m(t) = 1代入上式，并考慮到當(dāng)很小時(shí)， 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(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) =0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。,24,13.2 載波同步,當(dāng)很小時(shí)，除了差一個(gè)常數(shù)因子外， 電壓ve 就近似等于解調(diào)輸出電壓m(t)?？扑?塔斯環(huán)本身就同時(shí)兼有提取相干載波和相 干解調(diào)的功能。,25,13.2

8、載波同步,優(yōu)缺點(diǎn)： 1、不需要對(duì)接收信號(hào)作平方運(yùn)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。,26,13.2 載波同步,3、由鎖相環(huán)原理可知，鎖相環(huán)在值接近0 的穩(wěn)定點(diǎn)有兩個(gè)，在等于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,27,13.2 載波同步,MPSK的載波恢復(fù) 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。,28,13.2 載波同步,QPSK信號(hào)提取載頻的科斯塔斯

9、環(huán)法原理,29,13.2 載波同步,再調(diào)制器 原理方框圖,30,13.2 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(biāo)主要有效率、精度、同步建立時(shí)間和同步保持時(shí)間。載波同步追求的是高效率、高精度、同步建立時(shí)間快，保持時(shí)間長(zhǎng)。 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(jī)誤差：由噪聲引起的,31,13.2 載波同步,恒定誤差分析： 當(dāng)提取載波電路中存在窄帶濾波器時(shí)，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(shí)會(huì)有附加相移。 當(dāng)提取載頻的電路中采用鎖相環(huán)時(shí)，若鎖相環(huán) 工作在穩(wěn)態(tài)，壓控振蕩電壓的頻率f0應(yīng)當(dāng)和信 號(hào)載頻fc相同，并且其相位誤

10、差應(yīng)當(dāng)很小。,32,13.2 載波同步,隨機(jī)誤差分析 從物理概念上講，正弦波加上隨機(jī)噪聲以后，相位變化是隨機(jī)的，它與噪聲的性質(zhì)和信噪比有關(guān)。,當(dāng)大信噪比時(shí)，由窄帶高斯噪聲引起的隨機(jī)相位誤差的方差大小直接和信噪比成反比。隨機(jī)相位誤差n的標(biāo)準(zhǔn)偏差稱為相位抖動(dòng)。,33,13.2 載波同步,在提取載頻電路中的窄帶濾波器對(duì)于信噪比有直 接的影響。對(duì)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(jī)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(jī)相位誤差對(duì)于Q值的要求是矛盾的。,34,13.2 載波同

11、步,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)定的載頻所需要的時(shí) 間。 顯然我們要求此時(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。,35,13.2 載波同步,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。 顯然希望同步保持時(shí)間越長(zhǎng)越好。長(zhǎng)的同步保持時(shí)間有可能使信號(hào)短暫丟失時(shí)，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。,36,13.2 載波同步,同步建立時(shí)間和保持時(shí)間的關(guān)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(gè)濾波器的通頻帶越窄，其惰性越大。當(dāng)在其輸入端加

12、入一個(gè)正弦振蕩時(shí)，它輸出端振蕩的建立時(shí)間越長(zhǎng)；當(dāng)輸入振蕩截止時(shí)，輸出端振蕩的保持時(shí)間也越長(zhǎng)。顯然，這個(gè)特性和我們對(duì)于同步性能的要求是相左的，即建立時(shí)間短和保持時(shí)間長(zhǎng)是互相矛盾的要求。在設(shè)計(jì)同步系統(tǒng)時(shí)只能折中處理。,37,13.2 載波同步,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： 包括恒定誤差 和隨機(jī)誤差（相位抖動(dòng)） ，記為： 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,38,13.2 載波同步,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。因此信噪比r下降至cos2 倍。將它代入誤碼率公式，得到相位誤差為時(shí)的誤碼率等于,39,13.2 載波同步,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?。若接收端的本地相干載波有相位誤差，則兩者相乘