第12章同步原理

1、12.1 12.1 概概 述述 同步是同步是數(shù)字通信數(shù)字通信系統(tǒng)，以及某些采用相干解調(diào)的系統(tǒng)，以及某些采用相干解調(diào)的模擬模擬通信通信系統(tǒng)中一個(gè)重要的實(shí)際問題。系統(tǒng)中一個(gè)重要的實(shí)際問題。同步的基本類型：同步的基本類型：n載波同步載波同步n碼元同步（位同步）碼元同步（位同步）n群同步（幀同步）群同步（幀同步）n網(wǎng)同步網(wǎng)同步n載波同步載波同步：u當(dāng)采用同步檢測或相干解調(diào)時(shí)，接收端需要提供一個(gè)當(dāng)采用同步檢測或相干解調(diào)時(shí)，接收端需要提供一個(gè)與接收信號中的調(diào)制載波與接收信號中的調(diào)制載波同頻同相同頻同相的相干載波。這個(gè)的相干載波。這個(gè)載波獲取的過程稱為載波獲取的過程稱為載波恢復(fù)載波恢復(fù)或或載波同步載波同步。

2、n碼元同步（位同步）碼元同步（位同步）：u在數(shù)字通信系統(tǒng)中，為了正確識別發(fā)送端傳送的每一在數(shù)字通信系統(tǒng)中，為了正確識別發(fā)送端傳送的每一位碼元，接收端需要對收到的信息碼元進(jìn)行判決。在位碼元，接收端需要對收到的信息碼元進(jìn)行判決。在接收端產(chǎn)生與接收碼元的重復(fù)頻率和相位一致的接收端產(chǎn)生與接收碼元的重復(fù)頻率和相位一致的的過程稱為的過程稱為碼元同步碼元同步。u二進(jìn)制碼元的同步又稱為二進(jìn)制碼元的同步又稱為位同步位同步。12.1 12.1 概概 述述n群同步（幀同步、字符同步）群同步（幀同步、字符同步）：u在時(shí)分多路復(fù)用數(shù)字通信系統(tǒng)中，為了能正確分離各在時(shí)分多路復(fù)用數(shù)字通信系統(tǒng)中，為了能正確分離各路時(shí)隙信號，

3、在發(fā)送端必須提供每幀的起止標(biāo)記，在路時(shí)隙信號，在發(fā)送端必須提供每幀的起止標(biāo)記，在接收端檢測并獲取這一標(biāo)志的過程稱為接收端檢測并獲取這一標(biāo)志的過程稱為幀同步幀同步。u多個(gè)二進(jìn)制碼元表示一個(gè)字符時(shí)，接收端需知道組成多個(gè)二進(jìn)制碼元表示一個(gè)字符時(shí)，接收端需知道組成字符的碼元的起止位置字符的碼元的起止位置 字符同步字符同步n網(wǎng)同步網(wǎng)同步：u解決網(wǎng)中各用戶之間的載波同步、位同步和幀同步等解決網(wǎng)中各用戶之間的載波同步、位同步和幀同步等問題。問題。12.1 12.1 概概 述述同步信息的獲取方式同步信息的獲取方式u外同步法外同步法：由發(fā)送端發(fā)送專門的同步信息（如導(dǎo)頻信：由發(fā)送端發(fā)送專門的同步信息（如導(dǎo)頻信號）

4、，接收端把這個(gè)導(dǎo)頻信號提取出來作為同步信號號），接收端把這個(gè)導(dǎo)頻信號提取出來作為同步信號的方法。的方法。u自同步法自同步法：發(fā)送端不發(fā)送專門的同步信息，接收端設(shè)：發(fā)送端不發(fā)送專門的同步信息，接收端設(shè)法從收到的信號中提取同步信息的方法。法從收到的信號中提取同步信息的方法。12.1 12.1 概概 述述12.2 12.2 載波同步載波同步12.2.1 插入導(dǎo)頻法（插入導(dǎo)頻法（外同步法外同步法）n在發(fā)送端的已調(diào)信號頻譜中額外插入一個(gè)導(dǎo)頻信號，在發(fā)送端的已調(diào)信號頻譜中額外插入一個(gè)導(dǎo)頻信號，以便接收端作為載波同步信號加以恢復(fù)。以便接收端作為載波同步信號加以恢復(fù)。n主要用于接收信號頻譜中沒有離散載頻分量，

5、且在載主要用于接收信號頻譜中沒有離散載頻分量，且在載頻附近頻譜幅度分布很小的情況，如頻附近頻譜幅度分布很小的情況，如DSB、等概率的、等概率的2PSK信號等。信號等。12.2 12.2 載波同步載波同步插入導(dǎo)頻法（插入導(dǎo)頻法（外同步法外同步法）*n發(fā)送框圖發(fā)送框圖n接收框圖接收框圖(正交導(dǎo)頻正交導(dǎo)頻!)90o相移相移 相相 加加 帶帶 通通輸出輸出正交插入的原因正交插入的原因：為：為了避免解調(diào)輸出的附了避免解調(diào)輸出的附加直流分量對信號產(chǎn)加直流分量對信號產(chǎn)生影響生影響導(dǎo)頻頻譜導(dǎo)頻頻譜w wc 90o o相移相移 低通低通 帶通帶通w wc窄帶窄帶濾波器濾波器111( )( )cos( )( )c

6、os2sin2222cccV ts ttm tm tttw ww ww w V(t)經(jīng)低通濾波器后經(jīng)低通濾波器后會濾除掉后兩項(xiàng)高頻會濾除掉后兩項(xiàng)高頻分量，得到分量，得到m(t)/2n導(dǎo)頻插入的原則導(dǎo)頻插入的原則u插入導(dǎo)頻的位置與已調(diào)信號的頻譜結(jié)構(gòu)有關(guān)。一般在插入導(dǎo)頻的位置與已調(diào)信號的頻譜結(jié)構(gòu)有關(guān)。一般在已調(diào)信號頻譜中的已調(diào)信號頻譜中的零點(diǎn)零點(diǎn)插入導(dǎo)頻，且要求其附近的信插入導(dǎo)頻，且要求其附近的信號頻譜分量盡量小，以便于解調(diào)時(shí)濾出它。號頻譜分量盡量小，以便于解調(diào)時(shí)濾出它。u導(dǎo)頻的頻率應(yīng)當(dāng)導(dǎo)頻的頻率應(yīng)當(dāng)與載頻有關(guān)與載頻有關(guān)，如，如載頻的倍數(shù)載頻的倍數(shù)或者就是或者就是載頻的頻率載頻的頻率；12.2 1

7、2.2 載波同步載波同步12.2.2 直接提取法（直接提取法（自同步法自同步法）n在接收端對已調(diào)信號進(jìn)行某種在接收端對已調(diào)信號進(jìn)行某種非線性變換非線性變換后，得到載后，得到載波對應(yīng)的諧波分量，再經(jīng)過分頻可以得到載波同步信號波對應(yīng)的諧波分量，再經(jīng)過分頻可以得到載波同步信號。n1、平方環(huán)法、平方環(huán)法u設(shè)設(shè)2PSK信號信號 s(t)=m(t)cos(w wct+q q)pm(t)=1，等概時(shí)，基帶信號穩(wěn)態(tài)波為，等概時(shí)，基帶信號穩(wěn)態(tài)波為0， s(t)的功的功率譜中無率譜中無w wc的離散分量的離散分量us2 (t) = m2 (t)cos2 (w wct+q q) =1/2 m2 (t)+1/2m2

8、(t)cos(2w wct+q q) =1/2 +1/2cos(2w wct+q q) 12.2 12.2 載波同步載波同步平方平方窄帶濾波器窄帶濾波器二分頻二分頻s(t)s2 (t)2w wcw wc用窄帶濾波器將此二倍頻分量濾出，再經(jīng)二分頻就可得到載波分量n隨信號進(jìn)入接收機(jī)的還有加性高斯白噪聲，為改善平隨信號進(jìn)入接收機(jī)的還有加性高斯白噪聲，為改善平方變換法的性能，產(chǎn)生更純凈的載波，一般用鎖相環(huán)代方變換法的性能，產(chǎn)生更純凈的載波，一般用鎖相環(huán)代替窄帶濾波器替窄帶濾波器n平方環(huán)法平方環(huán)法示意圖示意圖12.2 12.2 載波同步載波同步載頻載頻輸出輸出帶通濾波帶通濾波平平 方方壓控振蕩壓控振蕩環(huán)

9、路濾波環(huán)路濾波鎖相環(huán)鎖相環(huán)s(t)2分頻分頻窄帶濾波窄帶濾波平方平方窄帶濾波器窄帶濾波器二分頻二分頻s(t)s2 (t)2w wcw wc再生頻率為再生頻率為2w wc的載波的載波n鎖相環(huán)工作原理鎖相環(huán)工作原理u1. 壓控振蕩器的輸出信號和基準(zhǔn)信號同時(shí)輸入鑒相器壓控振蕩器的輸出信號和基準(zhǔn)信號同時(shí)輸入鑒相器；u2. 鑒相器通過比較上述兩個(gè)信號的頻率鑒相器通過比較上述兩個(gè)信號的頻率/相位差，然相位差，然后輸出一個(gè)直流脈沖電壓控制壓控振蕩器，使它的頻后輸出一個(gè)直流脈沖電壓控制壓控振蕩器，使它的頻率率/相位改變；相位改變；u3. 不斷改變頻率不斷改變頻率/相位一直到壓控振蕩器的輸出信號相位一直到壓控振

10、蕩器的輸出信號與基準(zhǔn)信號保持一致。與基準(zhǔn)信號保持一致。u4. 環(huán)路濾波器一般為窄帶低通濾波器，目的是濾除控環(huán)路濾波器一般為窄帶低通濾波器，目的是濾除控制信號中的交流分量。制信號中的交流分量。環(huán)路濾波器環(huán)路濾波器壓控振蕩器壓控振蕩器輸出導(dǎo)頻輸出導(dǎo)頻基準(zhǔn)信號基準(zhǔn)信號鑒相器鑒相器12.2 12.2 載波同步載波同步平方環(huán)法的缺點(diǎn)：平方環(huán)法的缺點(diǎn)：1、相位含糊性相位含糊性：2分頻器的輸出電壓有相差分頻器的輸出電壓有相差180 的的兩種可能相位，即其輸出電壓的相位決定于分頻器兩種可能相位，即其輸出電壓的相位決定于分頻器的隨機(jī)初始狀態(tài)。采用的隨機(jī)初始狀態(tài)。采用2DPSK體制可以避免此缺點(diǎn)體制可以避免此缺點(diǎn)

11、的影響。的影響。2、錯(cuò)誤鎖定錯(cuò)誤鎖定：平方后的接收電壓中有可能存在其他：平方后的接收電壓中有可能存在其他的離散頻率分量，使鎖相環(huán)鎖定在錯(cuò)誤的頻率上。的離散頻率分量，使鎖相環(huán)鎖定在錯(cuò)誤的頻率上。解決這個(gè)問題的辦法是降低環(huán)路濾波器的帶寬。解決這個(gè)問題的辦法是降低環(huán)路濾波器的帶寬。12.2 12.2 載波同步載波同步p科斯塔斯環(huán)法科斯塔斯環(huán)法：又稱同相正交環(huán)法或邊環(huán)法。：又稱同相正交環(huán)法或邊環(huán)法。原理方框圖原理方框圖：工作原理工作原理a點(diǎn)的壓控振蕩電壓為：點(diǎn)的壓控振蕩電壓為：b點(diǎn)的壓控振蕩電壓為：點(diǎn)的壓控振蕩電壓為： 12.2 12.2 載波同步載波同步cos()acvtw w sin()bcvtw

12、 w 圖圖13-3 科斯塔斯環(huán)法原理方框圖科斯塔斯環(huán)法原理方框圖90 相移相移環(huán)路濾波環(huán)路濾波壓控振蕩壓控振蕩s(t)載頻載頻輸出輸出低低 通通低低 通通 解調(diào)解調(diào)輸出輸出 abcdefg=m(t)cos(w wct+q q)c點(diǎn)的電壓：點(diǎn)的電壓：d點(diǎn)的電壓：點(diǎn)的電壓：e點(diǎn)的電壓：點(diǎn)的電壓：f點(diǎn)的電壓：點(diǎn)的電壓：12.2 12.2 載波同步載波同步 90 相移相移環(huán)路濾波環(huán)路濾波壓控振蕩壓控振蕩s(t)載頻載頻輸出輸出低低 通通低低 通通 解調(diào)解調(diào)輸出輸出abcdefg1( )cos()cos()( ) cos()cos(2)2ccccvm tttm ttw wq qw w q qw w q

13、q 1( )cos()sin()( ) sin()sin(2)2dcccvm tttm ttw wq qw w q qw w q q 1( )cos()2evm t q q 1( )sin()2fvm t q q g點(diǎn)的電壓：點(diǎn)的電壓：將將m(t) = 1代入上式，并考慮到當(dāng)代入上式，并考慮到當(dāng)( - q q)很小時(shí)，很小時(shí)，sin( - q q) ( - q q)，則上式變?yōu)?，則上式變?yōu)殡妷弘妷簐g 通過通過環(huán)路濾波環(huán)路濾波控制控制壓控振蕩器壓控振蕩器的輸出電壓相的輸出電壓相位位 ，使，使( - q q )盡可能地小。當(dāng)盡可能地小。當(dāng) q q 時(shí)，時(shí)，vg = 0 。12.2 12.2 載波

14、同步載波同步 90 相移相移環(huán)路濾波環(huán)路濾波壓控振蕩壓控振蕩s(t)載頻載頻輸出輸出低低 通通低低 通通 解調(diào)解調(diào)輸出輸出abcdefg21( )sin2()8gefvv vmt q q 1()4gvqq - q q ：本地相：本地相干載波和調(diào)制載干載波和調(diào)制載波相位之差波相位之差由上式可見，當(dāng)由上式可見，當(dāng)( - q q )很小時(shí)，除了差一個(gè)常數(shù)因很小時(shí)，除了差一個(gè)常數(shù)因子外，電壓子外，電壓ve 就近似等于解調(diào)輸出電壓就近似等于解調(diào)輸出電壓m(t)。所以。所以科斯塔斯環(huán)本身就同時(shí)兼有科斯塔斯環(huán)本身就同時(shí)兼有提取相干載波提取相干載波和和相干解相干解調(diào)調(diào)的功能。的功能。12.2 12.2 載波同

15、步載波同步 90 相移相移環(huán)路濾波環(huán)路濾波壓控振蕩壓控振蕩s(t)載頻載頻輸出輸出低低 通通低低 通通 解調(diào)解調(diào)輸出輸出abcdefg1( )cos()2evm t q q 優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn)：1、不需要對接收信號作平方運(yùn)算，工作頻率較低。不需要對接收信號作平方運(yùn)算，工作頻率較低。2、為了得到科斯塔斯環(huán)法在理論上給出的性能，為了得到科斯塔斯環(huán)法在理論上給出的性能，要求兩路低通濾波器的性能完全相同。要求兩路低通濾波器的性能完全相同。3、由鎖相環(huán)原理可知，鎖相環(huán)在、由鎖相環(huán)原理可知，鎖相環(huán)在( - q q )值接近值接近0的穩(wěn)定點(diǎn)有兩個(gè)，在的穩(wěn)定點(diǎn)有兩個(gè)，在( - q q )等于等于0和和 處。所以，處

16、。所以，科斯塔斯環(huán)法提取出的載頻也存在相位含糊性?？扑顾弓h(huán)法提取出的載頻也存在相位含糊性。12.2 12.2 載波同步載波同步12.2.3 載波同步的性能載波同步的性能n1、 相位誤差相位誤差u要求提取的載頻和接收信號的載頻保持要求提取的載頻和接收信號的載頻保持同頻同相同頻同相u載波頻率一般沒有誤差載波頻率一般沒有誤差u相位誤差相位誤差總是存在總是存在p電路參量引起的恒定誤差電路參量引起的恒定誤差p噪聲引起的隨機(jī)誤差噪聲引起的隨機(jī)誤差12.2 12.2 載波同步載波同步n2、同步建立時(shí)間和保持時(shí)間、同步建立時(shí)間和保持時(shí)間u同步建立時(shí)間同步建立時(shí)間:p從開始接收到信號（或從系統(tǒng)失步狀態(tài)）到提取

17、出從開始接收到信號（或從系統(tǒng)失步狀態(tài)）到提取出穩(wěn)定的載頻所需的時(shí)間穩(wěn)定的載頻所需的時(shí)間p此時(shí)間越短越好此時(shí)間越短越好u同步保持時(shí)間同步保持時(shí)間:p從開始失去信號到失去載頻同步的時(shí)間從開始失去信號到失去載頻同步的時(shí)間p此時(shí)間越長越好此時(shí)間越長越好u同步建立時(shí)間和保持時(shí)間是相互矛盾的同步建立時(shí)間和保持時(shí)間是相互矛盾的12.2 12.2 載波同步載波同步n3、載波同步誤差對誤碼率的影響、載波同步誤差對誤碼率的影響u載波相位誤差對不同信號的解調(diào)所帶來的影響是不同載波相位誤差對不同信號的解調(diào)所帶來的影響是不同的的p對雙邊帶調(diào)制信號，相位誤差引起解調(diào)系統(tǒng)的信噪對雙邊帶調(diào)制信號，相位誤差引起解調(diào)系統(tǒng)的信噪比

18、下降比下降p對對PSK信號，導(dǎo)致誤碼率增加信號，導(dǎo)致誤碼率增加12.2 12.2 載波同步載波同步u載波同步誤差對載波同步誤差對2PSK信號誤碼率的影響信號誤碼率的影響p解調(diào)輸出為解調(diào)輸出為式中式中相位誤差相位誤差qq導(dǎo)致信號電壓下降導(dǎo)致信號電壓下降cos(qq) ) ，信號，信號噪聲功率比噪聲功率比r下降為下降為cos2(qq) )倍。倍。p因此，誤碼率下降為因此，誤碼率下降為式中，式中，r為信號噪聲功率比。為信號噪聲功率比。1( )cos()2evm tqq ) )1cos()2ePerfcr q q 12.2 12.2 載波同步載波同步相干載波相位相干載波相位調(diào)制載波相位調(diào)制載波相位u碼

19、元同步方法分類：碼元同步方法分類：p外同步法：它是一種利用輔助信息同步的方法，需外同步法：它是一種利用輔助信息同步的方法，需要在信號中另外加入包含碼元定時(shí)信息的導(dǎo)頻或數(shù)要在信號中另外加入包含碼元定時(shí)信息的導(dǎo)頻或數(shù)據(jù)序列。據(jù)序列。p自同步法，它不需要輔助同步信息，直接從信息碼自同步法，它不需要輔助同步信息，直接從信息碼元中提取出碼元定時(shí)信息。顯然，這種方法要求在元中提取出碼元定時(shí)信息。顯然，這種方法要求在信息碼元序列中含有碼元定時(shí)信息。信息碼元序列中含有碼元定時(shí)信息。 12.3 12.3 碼元同步碼元同步n 13.3.1 外同步法外同步法u實(shí)現(xiàn)方法實(shí)現(xiàn)方法于發(fā)送信號中插入于發(fā)送信號中插入頻率為碼

20、元速率（頻率為碼元速率（1/T）或碼元速率的倍數(shù)或碼元速率的倍數(shù)的同步信號。在接收端利用一個(gè)窄的同步信號。在接收端利用一個(gè)窄帶濾波器，將其分離出來，并形成碼元定時(shí)脈沖。帶濾波器，將其分離出來，并形成碼元定時(shí)脈沖。 u優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備較簡單；缺點(diǎn)是需要占用一定的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備較簡單；缺點(diǎn)是需要占用一定的頻帶寬帶和發(fā)送功率。頻帶寬帶和發(fā)送功率。 12.3 12.3 碼元同步碼元同步n 13.3.2 自同步法自同步法u自同步法分類：自同步法分類：p開環(huán)同步法：由于二進(jìn)制等先驗(yàn)概率的不歸零碼元開環(huán)同步法：由于二進(jìn)制等先驗(yàn)概率的不歸零碼元序列中沒有離散的碼元速率頻譜分量，故需要在接序列中沒有離散的

21、碼元速率頻譜分量，故需要在接收時(shí)對其進(jìn)行某種非線性變換，才能使其頻譜中含收時(shí)對其進(jìn)行某種非線性變換，才能使其頻譜中含有離散的碼元速率頻譜分量，并從中提取碼元定時(shí)有離散的碼元速率頻譜分量，并從中提取碼元定時(shí)信息。信息。 p閉環(huán)同步法：用比較本地時(shí)鐘周期和輸入信號碼元閉環(huán)同步法：用比較本地時(shí)鐘周期和輸入信號碼元周期的方法，將本地時(shí)鐘鎖定在輸入信號上。周期的方法，將本地時(shí)鐘鎖定在輸入信號上。 12.3 12.3 碼元同步碼元同步p開環(huán)碼元同步法開環(huán)碼元同步法延遲相乘法原理方框圖延遲相乘法原理方框圖p相乘器輸入和輸出的波形：相乘器輸入和輸出的波形：延遲相乘后碼元波形的延遲相乘后碼元波形的后一后一半永遠(yuǎn)

22、是正值半永遠(yuǎn)是正值；而；而前一半則前一半則當(dāng)輸入狀態(tài)有改變時(shí)為負(fù)值當(dāng)輸入狀態(tài)有改變時(shí)為負(fù)值。因此，變換后的碼元序列的因此，變換后的碼元序列的頻譜中就產(chǎn)生了碼元速率的頻譜中就產(chǎn)生了碼元速率的分量。分量。p延遲時(shí)間等于碼元時(shí)間一半延遲時(shí)間等于碼元時(shí)間一半時(shí)，碼元速率分量最強(qiáng)。時(shí)，碼元速率分量最強(qiáng)。第13章 同步原理c延遲延遲T/2ab放大限幅放大限幅窄帶濾波窄帶濾波(c)(b)(a)n13.4.1 概述概述u群同步碼的種類：群同步碼的種類：p1、集中式插入（、集中式插入（連貫式插入連貫式插入）將特定的群同步碼組插到一群碼元的前面，接收端將特定的群同步碼組插到一群碼元的前面，接收端一旦檢測到這個(gè)特定

23、的同步碼組就馬上知道這群碼一旦檢測到這個(gè)特定的同步碼組就馬上知道這群碼元的元的“頭頭”信息碼組信息碼組群同步群同步碼組碼組信息碼組信息碼組群同步群同步碼組碼組信息碼組信息碼組群同步群同步碼組碼組群同步群同步碼組碼組12.4 12.4 群同步群同步p2、分散插入、分散插入將群同步碼組中的碼元分散插入到信息碼組前將群同步碼組中的碼元分散插入到信息碼組前第13章 同步原理信息碼組信息碼組信息碼組同步碼元同步碼元同步碼元同步碼元同步碼組同步碼組同步碼元同步碼元同步碼元同步碼元n12.4.2 集中式插入集中式插入 采用具有采用具有自相關(guān)函數(shù)的群同步碼組，集中自相關(guān)函數(shù)的群同步碼組，集中插入在信息碼組的前頭，使得接收時(shí)容易捕獲插入在信息碼組的前頭，使得接收時(shí)容易捕獲u常用的群同步碼組是常用的群同步碼組是巴克碼巴克碼pn位長位長x1,x2,，xn，xi=1 p局部自相關(guān)函數(shù)局部自相關(guān)函數(shù)R(0)=n其他處其他處R(j)絕對值不大于絕對值不大于1 12.4 12.4 群同步群同步1,0( )01,00,njiijinjR jx xjnjn 或或n常用巴克碼組常用巴克碼組1+2+，+-3+-4+-，+-+5+-+7+-+-11+-+-+-13+-+-+-+10種常用巴克碼組種常用巴克碼組（+表示表示+1，-表示表示-1）12.4 12.4 群同步群同步p例：例：N = 5的巴克碼（