通信原理第10章 同步原理课件

第十章同步原理在数字通信系统中，为了使接收端能够正确地从所收到的信号中恢复出原始信息，就必须保证接收机能够从所收到数字序列中正确识别出一个码元的起止时刻、一个码组或码字起止码元、一帧的起止码字，能够保证接收机产生一个频率和相位与所收到的频带信号载波的频率和相位一致的本地载波，这种确保接收机与发送机能够协调一致工作的技术就统称为同步技术。本章将分别讨论载波同步、位同步、帧同步和网同步的原理和性能。•第一节同步的基本内容和要求•第二节载波同步•第三节位同步•第四节帧同步•第五节网同步的基本概念主要内容同步是通信系统中一个非常重要问题。由于一般收、发双方有一定距离，要使它们能很好地发送和接收信息，同步系统是必不可少的。当接收端采用同步解调时，需要提供一个与发射端调制载波同频同相的相干载波。这个相干载波的获取就称为载波同步。第一节同步的基本内容和要求因为数字通信中消息是一串相继的信号码元的序列，解调时常需知道每个码元的起止时刻。因此，接收端必须产生一个用作抽样判决的定时脉冲序列，它和接收码元的终止时刻应对齐。我们把在接收端产生与接收码元的频率和相位一致的定时脉冲序列的过程称为码元同步或位同步，称这个定时脉冲序列为码元同步脉冲或位同步脉冲。对数字信号传输来说，有了载波同步和位同步，发端的代码可以在收端解调出来，但代码是一连串的“1”、“0”码，数字代码总是用若干码元组成一个“字”，又用若干“字”组成一“句”。因此，在接收这些数字流时，同样也必须知道这些“字”、“句“的起止时刻。在接收端产生与“字”、“句”起止时刻相一致的定时脉冲序列，称为“字”同步和“句“同步，统称为群同步或帧同步。随着数字通信的发展，多个用户需相互通信，从而组成了数字通信网。为了保证通信网内各用户之间可靠地进行数据交换，在整个通信网内必须有一个统一的时钟标准，这就是网同步。提取载波的方法分两种：一种是直接法，该方法不专门发送导频，而在接收端直接从发送信号中提取载波。第二种是插入导频法，即在发送有用信号的同时，在适当的频率位置上，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。第二节载波同步一、直接法这种方法的思路是：有些信号虽然不包含载波分量，但对该信号进行某种非线性变换后，就可以直接从其中提取出载波分量来。设调制信号为m(t),m(t)中无直流分量，当它和载波相乘后，得到了抑制载波的双边带信号假定信号传输无失真，到接收端后，将该信号进行平方变换，得显然，上式中E[s2(t)]≠0，所以e(t)表示式的第二项中包含有2fc频率的分量。若用一窄带滤波器将2fc频率分量滤出，再进行二分频，就获得所需的载波fc。tftmtsc2cos)()(tftmtmtftmtecc4cos)(212)(2cos)()(22221．平方变换法和平方环法平方变换法提取载波该方法采用二分频电路后，在相干PSK解调时，解调后的序列可能是正确的，也可能极性正好相反，即“反向工作”。对移相信号而言，解决这个问题的常用方法是采用相对调相。为了改善平方变换法的性能，可以在平方变换法的基础上，把2fc窄带滤波器用锁相环代替，就称为平方环法提取载波。由于锁相环具有良好的跟踪、窄带滤波和记忆性能，因此，平方环法比一般的平方变换法具有更好的性能，应用更为广泛。平方环法提取载波2．同相正交环法同相正交环法提取载波设输入的抑制载波双边带信号为m(t)cos2fct，在压控振荡器锁定后输出信号为v1=cos(2fct+θ)，v1经过相移电路后得v2=sin(2fct+θ)，由于这两个信号相位差/2，因此通常称这种环路为同相正交环，得)4cos(cos)(21)2cos(2cos)(3tftmtftftmccc)4sin(sin)(21)2sin(2cos)(4tftmtftftmccc经低通后的输出分别为将v5和v6加于相乘器得式中θ是压控振荡器输出信号与输入已调信号载波之间的相位误差。当θ较小时cos)(215tmsin)(216tm2sin)(812657tm)(4127tmv7的大小与相位误差θ成正比，它就相当于一个鉴相器的输出。用v7去控制压控振荡器输出信号的相位，最后使稳态相位误差减小到很小。这时压控振荡器的输出v7就是所需提取的载波。这种方法初看没有二分频，似乎没有相位模糊问题，但通过分析同样存在这个问题，因为当v1=cos(2fct+θ+180°)时，经过计算可得v7=1/8m2(t)sin2θ,因此v1的相位也是不确定的。二、插入导频法插入导频法就是在发送端插入一个或数个导频与信号一起传输，对于某些信号，比如单边带调制信号，只能用插入导频法提取载波。下面以在抑制载波的双边带信号中插入导频为例说明其原理。由于导频与信号一起传输，因此第一个要求是在载频处已调信号的频谱分量为零，这样可避免信号与导频的相互干扰，当采用某种相关编码信号去进行抑制载波的双边带调制，载频附近的频谱分量很小，易于插入导频以及解调时易于滤出它。第二个要求是插入的导频和加于调制器的那个载波是正交关系，目的是为了解调。抑制载波双边带信号的导频插入插入导频法发端方框图设调制信号为m(t)，m(t)中无直流分量，被调载波为acsin2fct，调制器假设为一相乘器，插入导频是被调载波移相90°形成的，为-accos2fct，其中，ac是插入导频的振幅。于是输出信号为tfatftmatucccc2cos)(2sin)()(0插入导频法收端方框图设u0(t)无失真地传到收端，则收端用一个中心频率为fc的窄带滤波器就可取得导频-accos2fct，再将它移相/2，就可得到与调制载波同频同相的信号sin2fct。插入导频法提取载波要使用窄带滤波器。这个窄带滤波器也可以用锁相环来代替，这是因为锁相环本身就是一个性能良好的窄带滤波器，因而使用锁相环后，载波提取的性能将有改善。三、载波同步系统的性能载波同步系统的主要性能指标是效率和精度。效率高就是为了获得载波信号而尽量少消耗发送功率。用直接法提取载波时，发端不需发送导频，因而效率高；而用插入导频法时，由于插入导频要消耗一部分功率，显然系统的效率降低。精度高就是提取出的载波应和标准载波同频同相，但实际上很难实现，只能要求相位误差尽量小。另外的性能指标有同步建立时间和同步保持时间。相位误差通常由稳态相差和随机相差组成。稳态相差主要是指载波信号通过同步信号提取电路以后，在稳态下所引起的相差；随机相差是由于随机噪声的影响而引起同步信号的相位误差。实际的同步系统中，由于同步信号提取电路的不同，信号和噪声形式的不同，相位误差也就不同。1.相位误差假设所用的窄带滤波器为一个简单的单调谐回路，其Q值一定。那么，当回路的中心频率f0与载波频率fc不相等时，就会使输出的载波同步信号引起一稳态相差Δφ。若f0与fc之差为Δf，且Δf较小时，可得因此，Q值越高，所引起的稳态相差越大。02ffQ同步系统使用锁相环时，当锁相环压控振荡器与输入载波信号之间有频率差Δf时，也会引起一稳态相差。该稳态相差为式中，Kv为环路直流增益。Kf2随机相差是由于随机的噪声叠加在载波信号上而引起的。假设载波信号的初始相位为零，则θn就是随机相差，经计算得相位误差的分布f(θn)。随机相差θn的方差与信噪比r有如下关系所以随机相差θn的方差与信噪比r是反比关系。2)(nrnenrfrn212当用单调谐电路作为窄带滤波器时，设回路的谐振频率f0与Q值已经给定。如果在t=0时刻将信号接入电路，则输出电压为tfeUutQf0222cos102.建立时间和保持时间载波同步的建立与保持当t=ts时，输出电压u(ts)达到ｋＵ，此时认为已建立同步信号，将u(ts)的表示式代入式中，可求得就是单调谐电路的载波建立时间。kfQts11ln220如果在t=0时将接入电路的信号断开，由于回路储能元件的作用，得回路电压表示式为上式示于曲线的末尾部分，其包络逐渐衰减。当输出电压u(tc)下降到ｋＵ时，认为同步信号已经消失。求得保持时间为tfUetutQf0222cos)(0kfQtc1ln220位同步又称码元（或比特）定时。实现位同步的方法基本上可以分为两大类，一类是外同步法，另一类是自同步法。外同步法就是在发送端除了发送有用的数字信息外，还专门传送位同步信号，到了接收端用窄带滤波器或锁相环把滤波出来的信号作为同步之用。自同步法是发送端不专门向接收端传送位同步信号，收端所需要的位同步信号是从解调后的数字基带信号中提取出来。第三节位同步对于全占空的随机二进制序列，不论是单极性还是双极性的，当P（1）=P（0）=0.5时，都没有fB，2fB等线谱的，因而不能直接从其中滤出位同步信号。但是，若对该信号进行某种变换，例如，变成归零脉冲后，则该序列中就有fB=1/TB的位同步信号分量。一、自同步法1．滤波法上图中的波形变换，采用微分和全波整流电路，微分的作用是把不归零脉冲变为归零脉冲，全波整流电路的作用是把双极性信号变为单极性信号，保证频谱中有fB分量。滤波法原理图基带信号微分、整流波形经微分、整流后的基带信号波形如图,另一种波形变换方法应用对象是频带受限的二相PSK信号，波形如下页图a。因频带受限，在相邻码元的相位突变点附近会产生幅度平滑的“陷落”。经包络检波后，可以认为它是一直流和下页图b所示波形相减而组成的，因此包络检波后的波形中包含有如下页图c所示波形，而这个波形中已含有位同步信号分量。因此，将它经滤波器后就可提取出位同步信号。频带受限二相PSK信号的位同步信号提取a）带限2PSK信号b）包络检波后的波形c）含有位同步信号的波形比如在时分多址数字卫星通信系统中，各地球站的信息都是按子帧传送的，每一子帧都有一报头，用作为载波恢复时间和位定时恢复时间等。通常地球站发射报头时功率大，发射信息部分时功率小，分帧结构及对应的调幅波形如下页图所示，由于报头的宽度是一个码元宽度的整数倍，故可以用包络检波一滤波法来提取位同步信号。为确保位同步恢复在报头内实现，并一直保持到分帧结束，在滤波之前加了一个冲激振荡器。采用包络检波法从报头中提取位同步a）帧结构及对应的调幅波形b）包络检波提取位同步信号的方框图数字锁相环由数字电路构成，也可由软件构成或某些部件由软件完成。常见的数字锁相环位同步器原理方框图如下页图(不包括数字环路滤波器DLF)。数字锁相环2.锁相环法数字锁相环位同步器原理方框图图中，c次分频器、或门、扣除门和附加门一起构成数控振荡器(DCO)，此环路的基本原理是：相位比较器(鉴相器)输出的两个信号通过控制常开门和常闭门的状态，改变N0次分频器输出信号的周期(一次改变2π/N0)，使环路逐步达到锁定状态。这种锁相环的同步建立时间比较长，当需要快速建立同步信号时，可用快速捕捉数字锁相环。为了衡量一个数字通信设备的位同步性能，通常提出以下几项指标：相位误差θe同步建立时间ts同步保持时间t0二、位同步系统的性能衡量数字锁相环的一个重要指标是相位误差，考虑到它对误码的影响，一般用时差来表示相位误差。显然，为了减小位同步相位误差的影响，分频次数N（N=2n-1)应越大越好，但这与减小同步建立时间有矛盾。因为在同步建立过程中，本地位定时脉冲是每比较一次向输入信号过渡点靠近TB/2n-1秒，N越大，靠近的步子就越小，同步建立的速度就越慢。所以N值的选取要折中两者的要求。1．相位误差θe数字锁相法提取位同步信号时，引起相位误差的主要原因是位同步脉冲相位的调整是跳变式的。因为每调整一步，相位改变2π/N（N是分频器的分频次数），故最大的相位误差为2π/N，用θe表示若用时间差Te来表示相位误差，因每码元的周期为TB，故得Ne360NTTBe同步建立时间为失去同步后重建同步所需的最长时间。建立同步最不利的情况，是位同步脉冲与输入信号相位相差TB／2，锁相环每调整一步仅