西工大通信原理(期末复习、考研、求职必备)-第11章 同步原理概要

第11章同步原理现代通信系统原理2020/1/241通信原理电子教案第11章同步原理西北工业大学（2008.3）第11章同步原理现代通信系统原理2020/1/24211.1引言同步：是指收发双方在时间上保持步调一致。同步的分类：载波同步－－同频同相相干载波；位（码元）同步－－节拍一致、相位可调；群同步－－帧同步；点对点网同步（通信网中用）。同步信号来自于接收信号；在通信系统中，通常都是要求同步信息传输的可靠性高于信号传输的可靠性。本章要求：掌握载波、位、群同步的工作原理和获取方法。性能及影响作一般了解。第11章同步原理现代通信系统原理2020/1/243研究的问题：11.1引言11.2载波同步的方法11.3载波同步系统的性能11.4载波相位误差对解调性能的影响11.5位同步的方法11.6位同步系统的性能及其相位误差的性能的影响11.7群同步11.8扩频系统同步11.9网同步第11章同步原理现代通信系统原理2020/1/24411.2载波同步的方法获取方法●插入导频法（外同步法）：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载频的正弦波，接收端由导频提取载波；●直接法（自同步法）：不专门发送导频，在接收端直接从发送信号中提取载波。第11章同步原理现代通信系统原理2020/1/2451.插入导频法适用：DSB、SSB、2DSP、2DPSK－－信号频谱中皆不含载波成分.原理：相乘调制带通相加2()mttaccsin输出0()ut带通相乘器相移2输出()mt0()utfc窄带滤波器低通()vtcosccattaccsinffcfc+fmfc-fm0注：插入导频为“正交载波”－－与加在调制器的那个载波移相90°。模型：第11章同步原理现代通信系统原理2020/1/246相乘调制带通相加2()mttaccsin输出0()ut带通相乘器相移2输出ˆ()mt0()utfc窄带滤波器低通()vtcosccattaccsin0()()sincosccccutamttat数学分析：发端：222()()sincossin()cos2sin2()222cccccccccccavtamttatatamtattmt收端：LPF输出：2()ˆ()2camtmt第11章同步原理现代通信系统原理2020/1/2471f2f1f2fcfrfmcfffH2211ffffffffrcmc在VSB信号中插入导频（不讨论）：注：●二进制数字调相信号就是抑制载波的双边带信号。故上述插入导频法完全适用于2DPSK；●SSB导频插入原理与上讨论一样；●在VSB中插入不讨论，自学。第11章同步原理现代通信系统原理2020/1/2482.直接法（自同步法）思路：DSB信号虽不含载波分量，但对该信号进行某种非线性变换（如：平方）后－－派生新的频率分量，就可从中提取同步信息。第11章同步原理现代通信系统原理2020/1/249（1）平方变换法和平方环法发端：设调制信号中无直流分量，则DSB信号为：平方律部件2fc窄带滤波器二分频输入已调信号e(t)载波输出ttmtsccosttmtmttmtecc2cos212cos2222收端：平方变换法模型：经平方律部件后:注：虽m(t)中无直流分量，但m2(t)却有直流分量，故e(t)中第二项包含有2ωc频率分量，经窄带滤波器可获成分：2c二分频，得:cosct第11章同步原理现代通信系统原理2020/1/2410好处：窄带、跟踪、记忆、维持。讨论：平方环适于DSB，2PSK、2DPSK[m2(t)＝k]；对于4PSK－－图11－9。问题：二分频电路提取出的载波存在π相位模糊问题。解决？平方律部件2fc窄带滤波器二分频输入已调信号e(t)载波输出平方律部件二分频输入已调信号载波输出PDLPVCO锁相环问题：窄带滤波器不易实现。改进：用PLL（锁相环）代替。载波跟踪环第11章同步原理现代通信系统原理2020/1/2411（2）同相-正交环法（科斯塔斯环）31421coscoscoscos221cossinsinsin22ccccccvmtttmttvvmtttmttv同相载波正交载波经低通后：目标：只需证得v7∝θ(载波相位差)。同相载波正交载波双PLL环模型：输入已调信号相移LPFVCOLP2LPF载波输出1v2v3v4v5v6v7v解调输出ttmccos第11章同步原理现代通信系统原理2020/1/2412sin21cos2165tmvtmv2814122657sincossintmtmvvvtmv2741经低通后的输出分别为：乘法器的输出为：上式可以近似地表示为：好处：载波提取、相干解调一次完成！v5;工作频率为fc，不是2fc，当载波频率很高时易于实现；无π相位模糊问题。第11章同步原理现代通信系统原理2020/1/241311.3载波同步系统的性能指标载波同步系统的主要性能包括：效率、精度、同步建立时间和同步保持时间。1、精度精度是指提取的同步载波与载波标准比较，它们之间的相位误差大小。（1）稳态相位误差当利用窄带滤波器提取载波时，假设所用的窄带滤波器为一简单单调谐回路，其Q值一定。那么，当回路的中心频率ω0与载波频率ωc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ω0与ωc之差为Δω，且Δω较小时，可得02Q可见：Q值越高，所引起的稳态相差越大。第11章同步原理现代通信系统原理2020/1/2414（2）随机相位误差从物理概念上讲，正弦波加上随机噪声以后，相位变化是随机的，它与噪声的性质和信噪功率比有关。经过分析当噪声为窄带高斯噪声时，随机相位差与信噪功率比之间的关系式为2002122nnfrAQ其中：f0回路的中心频率，A接收信号幅度。可见：滤波器的Q值越高，随机相位误差越小。第11章同步原理现代通信系统原理2020/1/24152、同步建立时间和保持时间建立时间保持时间可见：要使建立时间变短，Q值需要减小；要延长保持时间，Q值要求增大，因此这两个参数对Q值的要求是矛盾的。00220.46()scQQtt第11章同步原理现代通信系统原理2020/1/24163、两种载波同步方法的比较直接法的优缺点主要表现在以下几方面：（1）不占用导频功率，因此信噪功率比可以大一些；（2）防止导频和信号间的互相干扰，也可以防止信道不理想引起导频相位的误差;（3）但有的调制系统不能用直接法（如SSB系统）。插入导频法的优缺点主要表现在；（1）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；（2）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）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。第11章同步原理现代通信系统原理2020/1/241711.4载波相位差对载波性能的影响()()cos()cos()mcccstmttvtt设则()()()()coscos()11()cos()cos()221()()cos2smccccovtstvtmtttmtmttLPFvtmt第11章同步原理现代通信系统原理2020/1/2418讨论：希望：解调出m(t)，最好：cosθ=1，即θ=0。若θ=0，x(t)=m(t)/2----正是可希望的θ≠0，x(t)将衰减cosθ倍对模拟信号，相当于功率下降cos2θ倍：S/N↓;对数字信号，相当于能量下降cos2θ倍:1()()cos2ovtmt2012bepskEPerfcn最佳第11章同步原理现代通信系统原理2020/1/241911.5位同步的方法要求：与发端节拍一致、相位可调。获取方法：插入导频法（外同步法）、直接法（自同步法）。1.插入导频法原理：同于载波同步时导频插入法。bT1bT2bT3bT21ffP(f)P(f)(a)(b)bT1单/双极性NRZ部分响应系统第11章同步原理现代通信系统原理2020/1/2420带通相乘载波同步提取低通窄带滤波相移相移倒相相加放大限幅微分全波整流波形反变换抽样判决整形fc2bf2bffb输入信号相关编码器相加位同步导频调制2bftmtmtccos(a)(b)部分响应系统：第11章同步原理现代通信系统原理2020/1/24212.自同步法当系统的位同步采用自同步方法时，发端不专门发送导频信号，而直接从数字信号中提取位同步信号。自同步法具体又可分为滤波法和锁相法。（1）波形变换滤波法波形变换窄带滤波器移相脉冲形成全占空码单极性RZfb位同步波形变换：由微分、整流电路构成。移相：正弦波，好实现。第11章同步原理现代通信系统原理2020/1/2422（2）锁相法本地：同相－－常态超前－－扣除滞后－－添加相位比较器与或与÷n整形晶振(本地)超前脉冲滞后脉冲接收码元F本地同步脉冲F'扣除门NC附加门NOa路b路nF'nF'F'→F●接收码元频率：F●晶振频率nF'●a、b两路脉冲相位相差180度●相位比较器：完成本地脉冲与接收码元比相第11章同步原理现代通信系统原理2020/1/2423若相位相同：无附加脉冲；若超前：超前脉冲—减脉冲引起相位滞后：T/n；若滞后：滞后脉冲—附加脉冲引起相位超前：T/n；直至相位相同、锁定。本地同步脉冲T=1/Fnn-1123n-1nabcdefnn-1n123n12nn4n原理－－时序：相位比较器与或与÷n整形晶振(本地)超前脉冲滞后脉冲接收码元F本地同步脉冲F'扣除门NC附加门NOa路b路nF'nF'F'→F第11章同步原理现代通信系统原理2020/1/242411.6.1位同步系统的性能指标位同步系统的性能指标除了效率以外，主要有以下几个：（1）相位误差（精度）,（2）同步建立时间,（3）同步保持时间,（4）同步带宽。1、相位误差θe由上图可见一个码元周期内由晶振及整形电路来的脉冲数为n个，因此，最大调整相位为：ne360可以看到，随着n的增加，相位误差θe将减小。11.6位同步系统的性能及相位误差对性能的影响第11章同步原理现代通信系统原理2020/1/24252、同步建立时间ts定义：失去同步后重建同步最所需的长时间。故同步建立时间为：bbsnTNTt23、同步保持时间tc系统因为没有输入，使得收端位同步信号的相位就会逐渐发生漂移，时间越长，相位漂移量越大，直至漂移量达到某一准许的最大值，就算失步了。为了使同步建立时间ts减小，要求选用较小的n，这就和相位误差θe对n的要求相矛盾。第11章同步原理现代通信系统原理2020/1/242600122ctFFKF式中：F0－－收发两端固有码元重复频率的几何平均值；ΔF－－收发两端存在频差。说明：要想延长同步保持时间tc，需要提高收发两端振荡器的频率稳定度。第11章同步原理现代通信系统原理2020/1/242711.6.2位同步相位误差对性能的影响假设：●位同步相位误差θc－－可用时间差Te来表示；●解调器已解调出基带数字信号，并假定采用MF法检测：即对基带信号进行积分、取样和判决；●设位同步超前接收码元Te。第11章同步原理现代通信系统原理2020/1/2428接收码元:位同步:积分、清洗(最佳接收)1110000TcTeE-EE'-E'2TetttTc-TeE－－可充满，达最大值，获最大能量；E’－－不能充满，能量损失可见：•相邻码元无数据变化时，位同步误差不影响取样点的积分能量，获最大能量E；•相邻码元有数据变化时，能量损失。E’=(1-2Te/T)E第11章同步原理现代通信系统原理2020/1/2429设：●相邻码元无数据变化的概率为P，取样点积分能量达E；●相邻码元有数