计算机网络通信原理同步技术

第七章同步技术龚小红福建工程学院计算机网络通信原理——同步技术2第七章同步技术1.同步的基本概念2.载波同步技术3.位同步技术4.群同步(帧同步)技术5.网同步技术计算机网络通信原理——同步技术3同步的基本概念•所谓同步是指收发双方在时间上步调一致，故又称定时。•在计算机通信系统中，同步技术是保证通信系统正常工作的关键技术。•在数字通信系统中，按照传输数据的速率是否恒定分为异步传输和同步传输。•按照同步的功用分为：载波同步、位同步、群同步和网同步。•按照获取和传输同步信息方式的不同，又可分为外同步法和自同步法。计算机网络通信原理——同步技术4同步传输与异步传输•在数字通信系统中，按照传输数据的速率是否恒定分为：1.异步传输方式收发双方独立产生同步时钟，但定期进行校准。2.同步传输方式接收方的时钟完全由发送方控制。计算机网络通信原理——同步技术5异步传输•异步传输采用字符同步方式进行传输时，由于字符短，时钟的漂移不会影响脉冲信号的正确接收，收发双方不需要严格的时间标准。•字符内部的每一位采用固定的时间模式，字符之间间隔可以任意。因此，传输数据的速率不是恒定的。•异步传输又称起止式传输，它采用独特的起始信号（起始位）和终止信号（结束位）来限定每个字符，按位逐次地传输，因此其传输效率较低。计算机网络通信原理——同步技术6同步传输•在同步传输中以数据块为单位发送比特流。数据块加上前缀、后缀和控制信息形成了帧。•为了防止时钟漂移，保证接收端接收的每一位数据都和发送端准确地保持同步，常用的方式有内同步和外同步。①内同步：在传输的信号中嵌入时钟信息，使接收端能从接收的信号波形中提取时钟信息。②外同步：在发送端和接收端之间提供单独的时钟线路，或发送端在发送数据前先发一串同步时钟脉冲（同步字符串），接收端按这个时钟频率调整采样频率。计算机网络通信原理——同步技术7不同功用的同步：载波同步•在数字频带传输系统中，采用相干解调时，接收端需要产生一个与接收信号中的调制载波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。•在学习数字调制技术过程中，我们了解到要想实现相干解调，必须有相干载波。因此，载波同步是实现相干解调的先决条件。计算机网络通信原理——同步技术8不同功用的同步：位同步•位同步又称码元同步。在数字通信系统中，不管采用基带传输，还是频带传输，都需要位同步。•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采样判决。•接收端必须提供一个位同步脉冲序列，该序列的重复频率与码元速率相同，相位与最佳取样判决时刻一致。我们把提取这种定时脉冲序列的过程称为位同步。计算机网络通信原理——同步技术9不同功用的同步：群同步•在数字通信中，信息流是用若干码元组成一个个“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。•在数字时分多路通信系统中，各路信码都安排在指定的时隙内传送，形成一定的帧结构。在接收端为了正确地分离各路信号，首先要识别出每帧的起始时刻，从而找出各路时隙的位置。•接收端必须产生与字、句和帧起止时间相一致的定时信号。我们称获得这些定时序列的过程为群(字、句、帧)同步。计算机网络通信原理——同步技术10不同功用的同步：网同步•上述的载波同步、位同步、群同步技术可以保证两点间的数字通信有序、准确、可靠地进行。•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。•为了保证通信网内各用户之间可靠地通信和交换数据，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。计算机网络通信原理——同步技术11同步信号的获取方式•同步也是一种信息，按照获取和传输同步信息方式的不同可分为：1.外同步法–由发送端发送专门的同步信息（常被称为导频），接收端把这个专门的同步信息检测出来作为同步信号的方法，称为外同步法。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。计算机网络通信原理——同步技术12不同场合的同步方式•由于外同步法需要传输独立的同步信号，因此，要付出额外功率和频带，而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，二者都有采用，而自同步法用得较多；在群同步中，一般都采用外同步法。计算机网络通信原理——同步技术13同步技术的重要性•同步本身虽然不包含所要传送的信息，但只有收发设备之间建立了同步后才能开始传送信息，所以同步是进行信息传输的必要和前提。•同步性能的好坏将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直接导致通信质量下降，降低通信系统性能，甚至使通信中断。计算机网络通信原理——同步技术14同步的技术指标•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–同步建立时间短–同步保持时间长计算机网络通信原理——同步技术15第七章同步技术1.同步的基本概念2.载波同步技术3.位同步技术4.群同步(帧同步)技术5.网同步技术计算机网络通信原理——同步技术16载波同步技术•载波同步的方法通常有以下两种：1.插入导频法（外同步法）–所谓插入导频，就是在已调信号频谱中额外插入一个低功率的线谱，以便接收端作为载波同步信号加以恢复，此线谱对应的正弦波称为导频信号。2.直接法（自同步法）–这种方法是设法从接收信号中提取同步载波。计算机网络通信原理——同步技术17（1）插入导频法（外同步法）•插入导频法也可以分为两种：1.一种是在频域插入，即在发送信息的频谱中或频带外插入相关的导频；2.另一种是在时域插入，即在一定的时段上传送载波信息。•对载波同步的要求是：发送载波同步信息所占的功率尽量小，频带尽量窄。计算机网络通信原理——同步技术18插入导频法的使用场合•抑制载波的双边带信号（如DSB、等概的2PSK）本身不含有载波，残留边带（VSB）信号虽含有载波分量，但很难从已调信号的频谱中把它分离出来。对这些信号的载波提取，可以用插入导频法（外同步法）。•尤其是单边带（SSB）信号，它既没有载波分量又不能用直接法提取载波，只能用插入导频法。计算机网络通信原理——同步技术19SSB、DSB信号简介•假设无线电音频信号频率为500Hz，载波频率为10MHz，那么调制后信号将产生的主要频率：10MHz+500Hz=10.0005MHz——上边带（USB）10MHz-500Hz=9.9995MHz——下边带（LSB）•若在调幅波频谱中的上下两个边带都含有相同的信息，只传送一个边带也就可以完成信息的传送,为了提高发射功率的效率,而把其中一个边带和载波都消除掉。这个过程就叫做单边带调制，而最终输出的无线电信号就叫做单边带信号（SSB）。•若在调制时上下两个边带含有不同的信息，称为双边带调制，输出的信号就叫做双边带信号（DSB）。计算机网络通信原理——同步技术20频域插入导频•在DSB信号中插入导频：•插入导频的位置应该在信号频谱为零的位置，否则导频与信号频谱成分重叠在一起，接收时不易取出。•对于2PSK和2DPSK等数字调制的信号，在载波fc附近的频谱不但有，而且比较大，因此对于这样的数字信号，在调制以前先对基带信号x(t)进行相关编码。•相关编码的作用是把如图(a)所示的基带信号频谱函数变为如图(b)所示的频谱函数，这样经过双边带调制以后可以得到图(c)所示的频谱函数，在fc附近频谱函数很小，且没有离散谱，这样可以在fc处插入频率为fc的导频(这里仅画出正频域)。计算机网络通信原理——同步技术212PSK的正频域频谱图•从下图所示的频谱图可以看出，在载频处，已调信号的频谱分量为零，载频附近的频谱分量也很小且没有离散谱，这样就便于插入导频以及解调时易于滤出它。（a）基带信号x(t)频谱函数（b）对x(t)进行相关编码得到的频谱函数（c）双边带调制后得到的频谱函数插入导频计算机网络通信原理——同步技术22双边带调制系统发送端电路框图•码变换器将Sd(t)频谱中的直流和相邻的低频信号滤掉或衰减。•经低通滤波器加给环行调制器，由带通滤波器取出上、下边带送给加法器。•同时送给加法器的还有载波移相90°的Acsinωct。（发送端必须正交插入导频，不能加入Acosωt导频信号，否则接收端解调后会出现直流分量，这个直流分量无法用低通滤波器滤除，将对基带信号的提取产生影响。）计算机网络通信原理——同步技术23在残留边带信号中插入导频•残留边带频谱的特点：•以取下边带为例，fc为载波频率，从(fc-fm)到fc的下边带频谱绝大部分可以通过，而上边带信号的频谱fc到(fc+fr)只有小部分通过。这样，当基带信号为数字信号时，残留边带信号的频谱中包含有载频分量fc，而且fc附近都有频谱，因此插入导频不能位于fc。计算机网络通信原理——同步技术24在残留边带信号中插入导频•插入导频f1、f2的选择：•可以在残留边带频谱的两侧插入f1和f2；f1和f2不能与（fc-fm）和（fc+fr）靠得太近，太近不易滤出f1和f2，但也不能太远，太远占用过多频带。计算机网络通信原理——同步技术25插入导频法接收端电路框图计算机网络通信原理——同步技术262PSK载波信号的提取•假定接受端收到的信号与发送端完全相同e(t)=ASc(t)cosωct+Acsinωct•接受信号中含有频率fc，移相90°得到Accosωct•相乘器完成（ASc(t)cosωct+Acsinωct）Accosωct=A·AcSc(t)/2+A·AcSc(t)/2+cos2cosωct+½Ac2sin2ωct•通过低通滤波器得到A·AcSc(t)/2•如果用Accosωct时，得到AcSc(t)/2+Ac/2注意：直流分量Ac/2对抽样判决有干扰。计算机网络通信原理——同步技术27时域插入导频法•时域插入法中对被传输数据信号和导频信号在时间上加以区别。•把一定数目的数字信号分作一组，称为一帧。–t0～t1的时隙中传送位同步信号；t1～t2的时隙内传送帧同步信号；–t2～t3的时隙内传送载波同步信号；t3～t4的时间内传送数字信息。位同步帧同步载波同步信息位同步帧同步载波同步信息第一帧第二帧t0t1t2t3t4(a)计算机网络通信原理——同步技术28时域插入导频法接收端电路框图带通解调线性门鉴相器环路滤波器压控振荡器锁相环门控信号接收信号(b)计算机网络通信原理——同步技术29（2）直接法（自同步法）•直接法可分为:非线性变换（滤波法）和特殊锁相环法。•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后，将具有载波的谐波分量，因而可从中提取出载波分量来。计算机网络通信原理——同步技术30非线性变换——平方变换法•平方变换法广泛用于建立抑制载波的双边带信号的载波同步。•已调信号x(t)cosωct,其中x(t)为2PSK信号，双极性矩形脉冲。带通低通x(t)ni(t)平方律部件二分频2fc窄带滤波e(t)2fcfcx(t)cosωct×计算机网络通信原理——同步技术31平方变换法•已调信号x(t)cosωct为2PSK信号，双极性矩形脉冲。•接收端经过平方律部件后得到e(t)=[x(t)cosωct]2=x2(t)/2+x2(t)cos2ωct/2∵x(t)=±1∴e(t)=(1+cos2ωct)/2•由此，通过窄带滤波器取出2fc，经过二分频得到的频率就是所需要的载波频率。计算机网络通信原理——同步技术32平方环法•为了改善平方变换的性能，使恢复的相干载波更为纯净，常常在非线性处理之后加入锁相环。具体做法是在平方变换法的基础上，把窄带滤波器改为锁相环。•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的性能更好，因此得到了广泛应用。鉴相器开路滤波器压控振荡器平方律部件二分频锁相环输入已调信号载波输出计算机网络通信原理——同步技术33特殊锁相环路法•通常采用的特