1、第七章 同 步 技 術,7.1 引 言 7.2 載波同步技術 7.3 位同步技術 7.4 群同步（幀同步）技術 7.5 網(wǎng)同步技術,7.1 引 言,1. 同步的分類 按照同步的功用來區(qū)分，有載波同步、位同步（碼元同步）、群同步（幀同步）和網(wǎng)同步（通信網(wǎng)絡中使用）等四種。,（1） 載波同步 數(shù)字調制系統(tǒng)的性能是由解調方式?jīng)Q定的。相干解調中，首先要在接收端恢復出相干載波，這個相干載波應與發(fā)送端的載波在頻率上同頻，在相位上保持某種同步關系。 （2） 位同步（碼元同步） 位同步又稱碼元同步。不管是基帶傳輸，還是頻帶傳輸（相干或非相干解調），都需要位同步。,（3） 群同步（幀同步） 群同步也叫幀同步。對

2、于數(shù)字信號傳輸來說，數(shù)字信號是按照一定數(shù)據(jù)格式傳送的，一定數(shù)目的信息碼元組成一個“字”，若干個“字”組成一“句”，若干“句”構成一幀，從而形成群的數(shù)字信號序列。 （4） 網(wǎng)同步 當通信是在兩點之間進行時，完成了載波同步、位同步和群同步之后，接收端不僅獲得了相干載波，而且通信雙方的時標關系也解決了。,2. 同步信號的獲取方式 同步也是一種信息，按照傳輸同步信息方式的不同，可分為外同步法和自同步法。 （1） 外同步法 由發(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，稱為外同步法。,（2） 自同步法 發(fā)送端不發(fā)送專門的同步信息，接收端設法從收到的信號中提取同步信息的

3、方法，稱為自同步法。 3. 同步的技術指標 同步系統(tǒng)性能的降低，會直接導致通信質量的降低，甚至使通信系統(tǒng)不能工作。,7.2 載波同步技術,1. 直接法（自同步法） 直接法又可分為非線性變換濾波法和特殊鎖相環(huán)法。,（1） 非線性變換 濾波法 有些信號不含有載波分量，但如果采用非線性變換濾波法，首先對接收到的已調信號進行非線性處理，就可得到相應的載頻分量。然后，再用窄帶濾波器或鎖相環(huán)進行濾波，濾除調制譜與噪聲引入的干擾，提取載頻分量。,（2） 同相正交環(huán) （科斯塔斯環(huán)）法 用直接法提取載波分量的另一途徑是采用特殊的鎖相環(huán)，這種特殊鎖相環(huán)具有從已調信號中消除調制和濾除噪聲的功能，所以能鑒別接收已調信

4、號中被抑制了的載波分量與本地VCO輸出信號之間的相位誤差，從而恢復出相應的相干載波。 科斯塔斯（Costas）環(huán)的原理圖如圖7-3所示。,圖7-3 同相正交環(huán)法（科斯塔斯環(huán)）,（3） 從多相移相信號中提取載波 數(shù)字通信中經(jīng)常使用多相移相信號。下面介紹兩種從多相移相信號中提取載波的方法。 另一種方法類似于同相正交法，稱為多相科斯塔斯環(huán)法，也以四相移相信號為例，這種方法的方框圖如圖7-5所示。壓控振蕩器的輸出就是所需的載波信號。,圖7-5 四相科斯塔斯環(huán)法提取載波,2. 插入導頻法（外同步法） （1） 在DSB信號中插入導頻 插入導頻的位置應該在信號頻譜為零的位置，否則導頻與信號頻譜成分重疊在一起

5、，接收時不易取出。 從圖7-6所示的頻譜圖可以看出，在載頻處，已調信號的頻譜分量為零，載頻附近的頻譜分量也很小且沒有離散譜，這樣就便于插入導頻以及解調時易于濾出它。,圖7-6 幾種信號的正頻域頻譜圖,（2） 在殘留邊帶信號中插入導頻 殘留邊帶頻譜的特點。以下邊帶為例，殘留邊帶濾波器應具有如圖7-9所示的傳輸特性。 插入導頻f1、f2的選擇。可以在殘留邊帶頻譜的兩側插入f1和f2；f1和f2不能與（fc-fm）和（fc+fr）靠得太近，太近不易濾出f1和f2，但也不能太遠，太遠占用過多頻帶。,圖7-9 殘留邊帶頻譜及插入導頻, 載波信號的提取。在插入導頻的VSB信號中提取載波的方框圖如圖7-10

6、所示。接收的信號中包含有VSB信號和f1、f2兩個導頻。假設接收信號中兩個導頻是 cos（1t+1）， 1為第一個導頻的初相 cos（2t+2）， 2為第二個導頻的初相 發(fā)送端的載波為cos（ct+c），則收端提取的同步載波也應該是cos（ct+c）。,圖7-10 插入導頻的VSB信號的載波提取,（3） 時域插入導頻法 除了在頻域插入導頻的方法以外，還有一種在時域插入導頻以傳送和提取同步載波的方法。時域插入法中對被傳輸數(shù)據(jù)信號和導頻信號在時間上加以區(qū)別，例如按圖7-11（a）那樣分配。把一定數(shù)目的數(shù)字信號分作一組，稱為一幀。在每一幀中，除有一定數(shù)目的數(shù)字信號外，在t0t1的時隙中傳送位同步信號

7、，在t1t2的時隙內傳送幀同步信號，在t2t3的時隙內傳送載波同步信號，而在t3t4時間內才傳送數(shù)字信息；以后各幀都如此。,3. 載波同步系統(tǒng)的性能指標 相位誤差通常由穩(wěn)態(tài)相差和隨機相差組成。穩(wěn)態(tài)相差主要是指載波信號通過同步信號提取電路以后，在穩(wěn)態(tài)下所引起的相差；隨機相差是由于隨機噪聲的影響而引起同步信號的相位誤差。 載波同步系統(tǒng)的性能除了高效率、高精度外，還要求同步建立時間快、保持時間長等。,（1） 穩(wěn)態(tài)相差 用窄帶濾波器提取載波，假設所用的窄帶濾波器為一個簡單的單調諧回路，其品質因素Q值一定。 （2） 隨機相差 由于隨機的高斯噪聲疊加在載波信號上，會使載波同步信號產(chǎn)生隨機的相位誤差。,（3

8、） 建立時間和保持時間 載波同步系統(tǒng)的建立時間ts和保持時間tc，也以窄帶濾波器提取載波為例來作討論。 4. 載波相位誤差對解調性能的影響 同步系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)相差和隨機相差表示式已在上面給出，總的相位誤差應是這兩部分相位誤差的代數(shù)和，即 =+,（1） 相位誤差對雙邊帶調制信號的影響。設已收到的雙邊帶信號為 s（t）=m（t）cosct 提取出的相干載波為 sc（t）=cos（ct+） 則解調時，相乘器的輸出經(jīng)低通濾波器后為 x（t）=1/2m（t）cos,（2） 相位誤差對單邊帶信號的影響。設基帶信號m（t）=cost，單邊帶信號取上邊帶為1/2cos（c+）t，當解調相干載波有相位誤差時，相干載

9、波與已調信號相乘 1/2cos（c+）tcos（ct+）= 1/4cos（2ct+t+）+cos（t）,7.3 位同步技術,位同步是數(shù)字通信中非常重要的一個同步技術。位同步與載波同步是截然不同的兩種同步方式。在模擬通信中，沒有位同步的問題，只有載波同步的問題，而且只有接收機采用同步解調時才有載波同步的問題。但在數(shù)字通信中，一般都有位同步的問題。 對位同步信號的要求有兩點：一是使收信端的位同步脈沖頻率和發(fā)送端的碼元速率相同；二是使收信端在最佳接收時刻對接收碼元進行抽樣判決。,1. 插入導頻法（外同步法） （1） 在基帶信號頻譜的零點插入導頻 在無線通信中，數(shù)字基帶信號一般都采用不歸零的矩形脈沖，

10、并以此對高頻載波作各種調制。解調后得到的也是不歸零的矩形脈沖，碼元速率為fs，碼元寬度為Ts，這種信號的功率譜在fs處為零，例如雙極性碼的功率譜密度如圖7-13（a）所示。,圖7-13 基帶信號的功率譜密度特性,（2） 包絡調制法 插入導頻法的另一種形式是使數(shù)字信號的包絡按位同步信號的某種波形變化。在移相鍵控或移頻鍵控的通信系統(tǒng)中，對已調信號進行附加的幅度調制后，接收端只要進行包絡檢波，就可以形成位同步信號。 設移相信號的表示式為 s1（t）=cosct+（t）,現(xiàn)在用某種波形的位同步信號對s1（t）進行幅度調制，若這種波形為升余弦波形，則其表示式為 m（t）=1/2（1+cost） 式中的=

11、2/Ts，Ts為碼元寬度。幅度調制后的信號為 s2（t）=1/2（1+cost）cosct+（t） s2（t）可稱為調幅調相波。,接收端對s2（t）進行包絡檢波，包絡檢波器的輸出為1/2（1+cost），除去直流分量后，就可獲得位同步信號1/2cost。 （3） 時域插入法 事實上，同步信號也可以在時域內插入，這時載波同步信號、位同步信號和數(shù)據(jù)信號分別被配置在不同的時間內傳送。,2. 自同步法 自同步法的收端位同步提取電路，從功能上講，一般都由兩部分組成：第一部分是非線性變換處理電路，它的作用是使接收信號或解調后的數(shù)字基帶信號經(jīng)過非線性變換處理后含有位同步頻率分量或位同步信息；第二部分是窄帶濾

12、波器或鎖相環(huán)路，它的作用是濾除噪聲和其他頻譜分量，提取純凈的位同步信號。,（1） 濾波法 對于不歸零的隨機二進制序列，不能直接從其中濾出位同步信號。 微分、全波整流 濾波法 圖7-15原理圖中的波形變換，在實際應用中可以是一微分、整流電路，經(jīng)微分、整流后的基帶信號波形如圖7-16所示。,圖7-15 濾波法原理圖,圖7-16 基帶信號微分、整流波形, 包絡檢波 濾波法 在某些數(shù)字微波中繼通信系統(tǒng)中，經(jīng)常在中頻上用對頻帶受限的二相移相信號進行包絡檢波的方法來提取位同步信號。,（2） 鎖相法 位同步鎖相法的基本原理和載波同步的類似。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

13、位不一致（超前或滯后），鑒相器就產(chǎn)生誤差信號去調整位同步信號的相位，直至獲得準確的位同步信號為止。,3. 位同步系統(tǒng)的性能指標 （1） 相位誤差e 數(shù)字鎖相法提取位同步信號時，相位誤差主要是由位同步脈沖的相位在跳變地調整所引起的。 （2） 同步建立時間ts 同步建立時間即為失去同步后重建同步所需的最長時間。,（3） 同步保持時間tc 當同步建立后，一旦輸入信號中斷，由于收發(fā)雙方的固有位定時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，就算失步了。,（4） 同步帶寬fs 同步帶寬是指位同步頻率與碼元速率之差。如果這個頻差超

14、過一定范圍，就無法使收端位同步脈沖的相位與輸入信號的相位同步。,4. 位同步相位誤差對性能的影響 前面已經(jīng)求得數(shù)字鎖相法位同步的相位誤差e，有時不用相位差而用時間差Te來表示相位誤差。因每碼元的周期為T，故得 Te = T / n,通常，一隨機二進制數(shù)字信號相鄰碼元有數(shù)據(jù)變化和無變化的概率大約各占1/2。相鄰碼元無數(shù)據(jù)變化的那部分信號，由于取樣點的積分值沒受影響，誤碼率仍可用原給出的公式進行計算；而對相鄰碼元有數(shù)據(jù)變化的那部分信號，則原公式中的碼元能量E應該用（12TeT）E代替。,7.4 群同步（幀同步）技術,1. 外同步法（插入特殊碼組） （1） 起止式同步法 電傳機中廣泛使用這一方法。它

15、用5個碼元代表一個字母（或符號等），在每個字母開始時，先發(fā)送一個碼元寬度的負值脈沖，再傳輸5個單元編碼信息，接著再發(fā)送一個寬度為1.5個碼元的正值脈沖。,（2） 連貫式插入法 連貫式插入法又稱為集中插入法。這種方式就是將幀同步碼以集中的形式插入信息碼流中，一般幀同步碼集中插入到一幀的開始位置。, 對群同步碼組的要求 對作為群同步碼組的特殊碼組有兩個方面的要求：一方面要求同步碼組在信息碼元序列中不易出現(xiàn)以便識別，即將信息碼元誤認為同步碼組的概率要小，同時當同步碼組中有誤碼時，漏識別的概率也要小。另一方面的要求是識別該特殊碼組的識別器應該盡量簡單。 巴克碼 巴克碼是一種非周期序列。,（3） 間歇式

16、插入法（分散插入法） 群同步碼組不是集中插入在信息碼流中，而是將它分散地插入，即每隔一定數(shù)量的信息碼元，插入一個群同步碼元。群同步碼碼型選擇的主要原則是：一方面要便于收端識別，即要求群同步碼具有特定的規(guī)律性，這種碼型可以是全“1”碼、“1”“0”交替碼等；另一方面，要使群同步碼的碼型盡量和信息碼相區(qū)別。,2. 群同步系統(tǒng)的性能 （1） 漏同步概率P1 由于干擾的影響會引起同步碼組中的一碼元發(fā)生錯誤，從而使識別器漏識別已發(fā)出的同步碼組。 （2） 假同步概率P2 在消息碼元中，也可能出現(xiàn)與所要識別的群同步碼組相同的信息碼組，這時會被識別器誤認為是同步碼組而實現(xiàn)假同步。出現(xiàn)這種情況的可能性就稱為假同

17、步概率P2。,（3） 平均同步建立時間ts 對于連貫式插入法，假設漏同步和假同步都不出現(xiàn)，在最不利的情況下，實現(xiàn)幀同步最多需要一幀時間，設每幀的碼元數(shù)為N，每碼元的時間寬度為Ts，則一幀的時間為NTs。在建立同步過程中，如出現(xiàn)一次漏同步，則建立時間要增加NTs；,如出現(xiàn)一次假同步，建立時間也要增加NTs，因此，幀同步的平均建立時間為 ts=（1+P1+P2）NTs 對于分散式插入法，其平均建立時間經(jīng)過分析計算可得 tsN2Ts,3. 群同步的保護 捕捉態(tài)： 判決門限提高，判決器容許群同步碼組中最大錯碼數(shù)就會下降，假同步概率P2就會下降。 維持態(tài)： 判決門限降低，判決器容許群同步碼組中最大錯碼數(shù)

18、就會上升，但漏同步概率P1就會下降。,4. PCM 30/32路幀同步系統(tǒng) 幀同步是實現(xiàn)時分多路通信必不可少的條件之一。它在很大程度上決定了時分多路通信的有效性及可靠性。同步系統(tǒng)是使收、發(fā)定時系統(tǒng)同步工作，以保證在收端能正確地接收每一個碼元，并正確分出每一路信息碼和信令碼。,下面簡單討論PCM幀同步系統(tǒng)的具體性能。 （1） 幀同步建立時間 要求開機后整個系統(tǒng)要能很快地進入幀同步，或一旦幀失步后，能很快恢復幀同步。,（2） 幀同步系統(tǒng)的穩(wěn)定性 信道誤碼可能使幀同步碼誤碼，而產(chǎn)生假失步。在正常幀同步情況下，如果根據(jù)假失步進行調整的話，就會使已經(jīng)處于幀同步的狀態(tài)變成幀失步狀態(tài)，即造成誤調整。誤調整結果將使正常的通信中斷。, 幀失步：如果幀同步系統(tǒng)連續(xù)34個同步幀（同步幀=2T=2125s=250s）未收到幀同步碼，則判為系統(tǒng)已失步，此時幀同步系統(tǒng)立即進入捕捉狀態(tài)。 幀同步：幀同步系統(tǒng)進入捕捉狀態(tài)后，在捕捉過程中，如果捕捉到的幀同步碼組（每幀時間長125s具有以下規(guī)律。,a. 第N幀有幀同步