通信原理第13章同步原理

13.1概述13.2载波同步13.3位同步13.4群（帧）同步13.5网同步概念第13章同步原理第13章同步系统213.1概述发端收端（协调一致）节拍载波信号一致同步是指收发双方在时间上步调一致，故又称第13章同步系统3载波同步位同步群同步网同步13.1概述1、按照同步的功用分为：第13章同步系统4载波同步是指在相干解调时，接收端需要获得一个与发送端同频同相的相干载波。这个载波的获取称为载波提取或载波同步。位同步又称码元同步。为了得到抽样周期，保证相位一致。在数字通信系统中，任何消息都是通过一连串码元序列传送的，所以接收时需要知道每个码元的起止时刻，以便在恰当的时刻进行取样判决。(1)载波同步(2)位同步13.1概述第13章同步系统5(3)群同步群同步有时也称帧同步，包含字同步、句同步、分路同步。在数字通信中，信息流是用若干码元组成一个“字”，又用若干个“字”组成“句”。在接收这些数字信息时，必须知道这些“字”、“句”的起止时刻，否则接收端无法正确恢复信息。13.1概述第13章同步系统6在获得了以上讨论的载波同步、位同步、群同步之后，两点间的数字通信就可以有序、准确、可靠地进行了。然而，随着数字通信的发展，尤其是计算机通信的发展，多个用户之间的通信和数据交换，构成了数字通信网。显然，为了保证通信网内各用户之间可靠地通信和数据交换，全网必须有一个统一的时间标准时钟，这就是网同步的问题。(4)网同步13.1概述第13章同步系统72、按照获取和传输同步信息方式分为：外同步法自同步法13.1概述第13章同步系统8由发送端发送专门的同步信息（常被称为导频），接收端把这个导频提取出来作为同步信号的方法，称为外同步法。13.1概述(1)外同步法(2)自同步法发送端不发送专门的同步信息，接收端设法从收到的信号中提取同步信息的方法，称为自同步法。第13章同步系统9自同步法是人们最希望的同步方法，因为可以把全部功率和带宽分配给信号传输。在载波同步和位同步中，两种方法都采用，但自同步法正得到越来越广泛的应用。而群同步一般都采用外同步法。13.1概述第13章同步系统10同步是进行信息传输的必要和前提。同步性能的好坏直接影响着通信系统的性能。如果出现同步误差或失去同步就会导致通信系统性能下降或通信中断。同步系统应具有比信息传输系统更高的可靠性和更好的质量指标，如同步误差小、相位抖动小以及同步建立时间短，保持时间长等。13.1概述第13章同步系统1113.2载波同步2ccccm(t)costcostm(t)cost11m(t)m(t)cos2t221m(t)2低通信道m(t)基带信号×ccost滤波器h(t)滤波器×ccost低通m(t)相干解调第13章同步系统12问题：中间有信道及滤波设备，如何如何保障一定得到同频同相的相干载波？载波同步的目的：获得同频同相的相干载波。载波同步的方法:13.2载波同步发—信号+导频—收外同步插入导频法发—信号—收内同步直接法第13章同步系统131、何时用插入导频法?2、插在什么位置?3、插什么内容?研究问题：13.2.1插入导频法第13章同步系统141、何时用插入导频法对于已调信号本身不含载波或接收端很难从已调信号的频谱中分离出载波这种情况，在发送有用信号的同时，在适当频率位置上，插入一个（或多个）称作导频的正弦波，接收端就由导频提取出载波，这类方法称为插入导频法，也叫外同步法。DSB-SC、SSB、VSB、PSK双边带抑制载波单边带残留边带移相键控无载波有但难提取P=1/2时无载波13.2.1插入导频法第13章同步系统152、导频插在什么位置?(以双边带抑制载波为例)尽量少影响原始信号。在此处频谱分量为0，即无原始信号。易于滤出相干载波。载频附近频谱分量很小。0ffcfc+fmfc-fm图13-1DSB-SC信号的导频插入13.2.1插入导频法第13章同步系统163、插什么(以双边带抑制载波为例)载波移相900后的“正交载波”。13.2.1插入导频法m(t)调制信号csint带通滤波器相加器×0u(t)输出900相移低通m(t)带通滤波器fc窄带滤波器×0u(t)900相移v(t)图13-2插入导频法发端框图图13-3插入导频法收端框图第13章同步系统180ccu(t)m(t)sint(cost)发端：0cccc2cccccu(t)sint[m(t)sintcost]sintm(t)sintcostsint111m(t)m(t)cos2tsin2t2221m(t)2低通收端：v(t)=13.2.1插入导频法第13章同步系统19导频信号的位置和信号的具体形式有关应易于滤出导频信号的形式是正交载波图6.2、6.3所示为插入导频法的系统框图，窄带滤波器可以用锁相环来替代。13.2.1插入导频法第13章同步系统20思考：既然收发所用载波一样，为何要用正交载波？13.2.1插入导频法第13章同步系统210ccu(t)m(t)sintsint发端：0cccc22ccccu(t)sint[m(t)sintsint]sintm(t)sintsint1111m(t)m(t)cos2tcos2t222211m(t)22低通收端：v(t)=思考提示：有直流分量，影响信号13.2.1插入导频法第13章同步系统22直接法也称自同步法。这种方法是设法从接收信号中提取同步载波。有些信号，如DSB-SC、PSK等，它们虽然本身不直接含有载波分量，但经过某种非线性变换（平方变换、平方环）后，可从中提取出载波分量来。13.2.2直接法第13章同步系统23直接法举例平方变换法平方环法同相正交环法13.2.2直接法第13章同步系统24此方法广泛用于建立抑制载波的双边带信号的载波同步。1、平方变换法平方律部件输入已调信号e(t)2fc窄带滤波器二分频载波输出s(t)图13–4平方变换法提取载波13.2.2直接法第13章同步系统25平方后ttmtmttmtecc2cos)(21)(21cos)()(222双边带信号cs(t)m(t)cost2fc窄带滤波器2c1m(t)cos2t2二分频ccost13.2.2直接法第13章同步系统26在实际中，伴随信号一起进入接收机的还有加性高斯白噪声，为了改善平方变换法的性能，使恢复的相干载波更为纯净，图13-4中的窄带滤波器常用锁相环代替，称为平方环法提取载波。由于锁相环具有良好的跟踪、窄带滤波和记忆功能，平方环法比一般的平方变换法具有更好的性能。因此，平方环法提取载波得到了较广泛的应用。13.2.2直接法第13章同步系统272图13-5平方环法提取载波平方律部件输入已调信号鉴相器二分频载波输出环路滤波器压控振荡器锁相环13.2.2直接法第13章同步系统28鉴相器是个相位比较装置。它把输入信号Si(t)和压控振荡器的输出信号So(t)的相位进行比较，产生对应于两个信号相位差的误差电压Se(t)。环路滤波器的作用是滤除误差电压Se(t)中的高频成分和噪声，以保证环路所要求的性能，增加系统的稳定性。压控振荡器受控制电压Sd(t)的控制，使压控振荡器的频率向输入信号的频率靠拢，直至消除频差而锁定。13.2.2直接法第13章同步系统29平方变换法、平方环法存在的问题：载波提取的方框图中用了一个二分频电路，由于分频起点的不确定性，使其输出的载波相位对于接收信号相位有180°的相位模糊。相位模糊对模拟通信关系不大，因为人耳听不出相位的变化。相位模糊对数字通信的影响有可能使2PSK相干解调后出现“反向工作”的问题，克服相位模糊度对相干解调影响的最常用而又有效的方法是采用相对移相（2DPSK），并且在解调后进行差分译码恢复信息。13.2.2直接法第13章同步系统303、同相正交环法同相正交环法又叫科斯塔斯(Costas)环。在此环路中，压控振荡器(VCO)提供两路互为正交的载波，与输入接收信号分别在同相和正交两个鉴相器中进行鉴相，经低通滤波之后的输出均含调制信号，两者相乘后可以消除调制信号的影响，经环路滤波器得到仅与相位差有关的控制压控，从而准确地对压控振荡器进行调整。13.2.2直接法第13章同步系统31VCO图13-6Costas环法提取载波低通压控振荡器低通环路滤波器90°相移载波输出输入已调信号v3v5v1v2v4v6v7cm(t)cost13.2.2直接法VCO输出cos)(215tmvsin)(216tmv)cos(1tvc)sin(2tvc3cccvm(t)costcos(t)1m(t)[coscos(2t)]24cccvm(t)costsin(t)1m(t)[sinsin(2t)]2滤波后相乘后v5和v6相乘后2721vm(t)sin281m(t)4当很小第13章同步系统33如果我们把图13-6中除环路滤波器(LF)和压控振荡器(VCO)以外的部分看成一个等效鉴相器(PD)，其输出v7正是我们所需要的误差电压。用v7去调整压控振荡器输出信号的相位，最后就可以使稳态相位误差θ减小到很小的数值。这样压控振荡器的输出v1就是所需要提取的载波。不仅如此，当θ减小到很小的时候，v5就接近于调制信号m(t)，因此，同相正交环法同时还具有了解调功能，目前在许多接收机中已经到了使用。13.2.2直接法第13章同步系统34Costas环与平方环都是利用锁相环（PLL）提取载波的常用方法。Costas环与平方环相比，在电路上要复杂一些，但它的工作频率即为载波频率，而平方环的工作频率是载波频率的两倍，显然当载波频率很高时，工作频率较低的Costas环易于实现当环路正常锁定后，Costas环可直接获得解调输出，而平方环则没有这种功能。13.2.2直接法第13章同步系统35直接法的优缺点：(1)不占用导频功率．因此信噪功率比大一些；(2)可以防止插入导频法中导频和信号间由于滤波不好而引起的互相干扰，也可以防止信道不理想引起导频相位的误差；(3)有的调制系统不能用直接法（如SSB系统）。两种载波同步方法的比较第13章同步系统36插入导频法的优缺点：(1)有些不能用直接法提取同步载波的调制系统只能用插入导频法；(2)有单独的导频信号，一方面可以提取同步载波，另一方面可以利用它作为自动增益控制；(3)插入导频法要多消耗一部分不带信息的功率。因此，与直接法比较，在总功率相同条件下实际信噪功率比要小一些。两种载波同步方法的比较第13章同步系统3713.2.3载波同步系统的性能指标高效率高精度同步的建立时间、保持时间高效率指的是为了获取载波信号而尽量少消耗发送功率。（直接法优于插入导频法）载波同步系统的性能指标第13章同步系统38高精度指的是接收端提取的载波应是相位误差尽量小的相干载波。载波相位误分为稳态误差和随机误差:稳态误差主要是由系统决定，随机误差则是由随机噪声产生。同步建立时间ts和保持时间tc，要求ts短，tc长。建立时间：同步信号从无到有的过程。保持时间：同步信号从最高到无的过程。13.2.3载波同步系统的性能指标第13章同步系统3913.3位同步位同步的概念：在数字通信系统中，发端按照确定的时间顺序，逐个传输数码脉冲序列中的每个码元。接收端必须有准确的抽样判决时刻才能正确判决所发送的码元。接收端必须提供一个确定抽样判决时刻的定时脉冲序列。这个定时脉冲序列的重复频率必须与发送的数码脉冲序列一致，同时在最佳判决时刻对接收码元进行抽样判决。可以把在接收端产生这样的定时脉冲序列称为码元同步，或称位同步。第13章同步系统4013.3位同步位同步的实现方法：滤波法得到位同步信号有两种方法：对信号进行某种变换后滤出位同步信号；对带限信号进行包络检波，利用幅度的“陷落”进而恢复出位同步信号。滤波法锁相法位同步锁相法是指利用锁相环来提取位同步信号，根据数字通