西工大通信原理(期末復(fù)習(xí)、考研、求職必備)-第11章 同步原理

通信原理電子教案

第11章同步原理西北工業(yè)大學(xué)

（2008.3）10/14/2023111.1

引言同步：是指收發(fā)雙方在時(shí)間上保持步調(diào)一致。

同步的分類(lèi)： 載波同步－－同頻同相相干載波； 位（碼元）同步－－節(jié)拍一致、相位可調(diào)； 群同步－－幀同步； 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)

網(wǎng)同步（通信網(wǎng)中用）。同步信號(hào)來(lái)自于接收信號(hào)；在通信系統(tǒng)中，通常都是要求同步信息傳輸?shù)目煽啃愿哂谛盘?hào)傳輸?shù)目煽啃?。本章要求：掌握載波、位、群同步的工作原理和獲取方法。 性能及影響作一般了解。10/14/20232研究的問(wèn)題：11.1

引言11.2

載波同步的方法

11.3

載波同步系統(tǒng)的性能

11.4

載波相位誤差對(duì)解調(diào)性能的影響11.5位同步的方法

11.6位同步系統(tǒng)的性能及其相位誤差的性能的影響11.7群同步11.8擴(kuò)頻系統(tǒng)同步11.9網(wǎng)同步10/14/2023311.2載波同步的方法

獲取方法●插入導(dǎo)頻法（外同步法）：在發(fā)送有用信號(hào)的同時(shí)，在適當(dāng)?shù)念l率位置上插入一個(gè)或多個(gè)稱(chēng)作載頻的正弦波，接收端由導(dǎo)頻提取載波；●直接法（自同步法）：不專(zhuān)門(mén)發(fā)送導(dǎo)頻，在接收端直接從發(fā)送信號(hào)中提取載波。10/14/202341.插入導(dǎo)頻法

適用：DSB、SSB、2DSP、2DPSK－－信號(hào)頻譜中皆不含載波成分.原理：注：插入導(dǎo)頻為“正交載波”－－與加在調(diào)制器的那個(gè)載波移相90°。模型：10/14/20235數(shù)學(xué)分析：發(fā)端：

收端：LPF輸出：10/14/20236在VSB信號(hào)中插入導(dǎo)頻（不討論）：

注：●二進(jìn)制數(shù)字調(diào)相信號(hào)就是抑制載波的雙邊帶信號(hào)。故上述插入導(dǎo)頻法完全適用于2DPSK；

●SSB導(dǎo)頻插入原理與上討論一樣；

●在VSB中插入不討論，自學(xué)。10/14/202372.直接法（自同步法）思路：DSB信號(hào)雖不含載波分量，但對(duì)該信號(hào)進(jìn)行某種非線性變換（如：平方）后－－派生新的頻率分量，就可從中提取同步信息。10/14/20238（1）平方變換法和平方環(huán)法

發(fā)端：設(shè)調(diào)制信號(hào)中無(wú)直流分量，則DSB信號(hào)為：收端：平方變換法模型：經(jīng)平方律部件后:注：雖m(t)中無(wú)直流分量，但m2(t)卻有直流分量，故e(t)中第二項(xiàng)包含有2ωc頻率分量，經(jīng)窄帶濾波器可獲成分：二分頻，得:10/14/20239好處：窄帶、跟蹤、記憶、維持。討論：平方環(huán)適于DSB，2PSK、2DPSK[m2(t)＝k]；

對(duì)于4PSK－－圖11－9。問(wèn)題：二分頻電路提取出的載波存在π相位模糊問(wèn)題。

解決？

問(wèn)題：窄帶濾波器不易實(shí)現(xiàn)。改進(jìn)：用PLL（鎖相環(huán)）代替。載波跟蹤環(huán)10/14/202310（2）同相-正交環(huán)法（科斯塔斯環(huán)）經(jīng)低通后：目標(biāo)：只需證得v7∝θ(載波相位差)。同相載波正交載波雙PLL環(huán)模型：10/14/202311經(jīng)低通后的輸出分別為：乘法器的輸出為：上式可以近似地表示為：好處：載波提取、相干解調(diào)一次完成！v5;工作頻率為fc，不是2fc，當(dāng)載波頻率很高時(shí)易于實(shí)現(xiàn)；

無(wú)π相位模糊問(wèn)題。10/14/20231211.3載波同步系統(tǒng)的性能指標(biāo)

載波同步系統(tǒng)的主要性能包括：效率、精度、同步建立時(shí)間和同步保持時(shí)間。1、精度

精度是指提取的同步載波與載波標(biāo)準(zhǔn)比較，它們之間的相位誤差大小。（1）穩(wěn)態(tài)相位誤差當(dāng)利用窄帶濾波器提取載波時(shí)，假設(shè)所用的窄帶濾波器為一簡(jiǎn)單單調(diào)諧回路，其Q值一定。那么，當(dāng)回路的中心頻率ω0與載波頻率ωc不相等時(shí)，就會(huì)使輸出的載波同步信號(hào)引起一穩(wěn)態(tài)相差Δφ。若ω0與ωc之差為Δω，且Δω較小時(shí)，可得可見(jiàn)：Q值越高，所引起的穩(wěn)態(tài)相差越大。10/14/202313（2）隨機(jī)相位誤差

從物理概念上講，正弦波加上隨機(jī)噪聲以后，相位變化是隨機(jī)的，它與噪聲的性質(zhì)和信噪功率比有關(guān)。經(jīng)過(guò)分析當(dāng)噪聲為窄帶高斯噪聲時(shí)，隨機(jī)相位差與信噪功率比之間的關(guān)系式為其中：f0回路的中心頻率，A接收信號(hào)幅度?？梢?jiàn)：濾波器的Q值越高，隨機(jī)相位誤差越小。10/14/2023142、同步建立時(shí)間和保持時(shí)間

建立時(shí)間

保持時(shí)間可見(jiàn)：要使建立時(shí)間變短，Q值需要減?。灰娱L(zhǎng)保持時(shí)間，Q值要求增大，因此這兩個(gè)參數(shù)對(duì)Q值的要求是矛盾的。10/14/202315

3、兩種載波同步方法的比較

直接法的優(yōu)缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾方面：（1）不占用導(dǎo)頻功率，因此信噪功率比可以大一些；（2）防止導(dǎo)頻和信號(hào)間的互相干擾，也可以防止信道不理想引起導(dǎo)頻相位的誤差;（3）但有的調(diào)制系統(tǒng)不能用直接法（如SSB系統(tǒng)）。插入導(dǎo)頻法的優(yōu)缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在；

（1）有單獨(dú)的導(dǎo)頻信號(hào)，一方面可以提取同步載波，另一方面可以利用它作為自動(dòng)增益控制；（2）有些不能用直接法提取同步載波的調(diào)制系統(tǒng)只能用插入導(dǎo)頻法；（2）與直接法比較，在總功率相同條件下實(shí)際信噪功率比要小一些。10/14/20231611.4載波相位差對(duì)載波性能的影響設(shè)則10/14/202317討論：希望：解調(diào)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)將衰減cosθ倍對(duì)模擬信號(hào)，相當(dāng)于功率下降cos2θ倍：S/N↓;對(duì)數(shù)字信號(hào)，相當(dāng)于能量下降cos2θ倍:10/14/202318

11.5位同步的方法

要求：與發(fā)端節(jié)拍一致、相位可調(diào)。

獲取方法：插入導(dǎo)頻法（外同步法）、直接法（自同步法）。

1.插入導(dǎo)頻法

原理：同于載波同步時(shí)導(dǎo)頻插入法。單/雙極性NRZ部分響應(yīng)系統(tǒng)10/14/202319部分響應(yīng)系統(tǒng)：10/14/2023202.自同步法

當(dāng)系統(tǒng)的位同步采用自同步方法時(shí)，發(fā)端不專(zhuān)門(mén)發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)，而直接從數(shù)字信號(hào)中提取位同步信號(hào)。自同步法具體又可分為濾波法和鎖相法。（1）波形變換濾波法波形變換：由微分、整流電路構(gòu)成。移相：正弦波，好實(shí)現(xiàn)。10/14/202321（2）鎖相法本地：同相－－常態(tài)超前－－扣除滯后－－添加●接收碼元頻率：F●晶振頻率nF'●

a、b兩路脈沖相位相差180度●相位比較器：完成本地脈沖與接收碼元比相10/14/202322若相位相同：無(wú)附加脈沖；若超前：超前脈沖—減脈沖引起相位滯后：T/n；若滯后：滯后脈沖—附加脈沖引起相位超前：T/n；直至相位相同、鎖定。本地同步脈沖T=1/Fnn-1123n-1nabcdefnn-1n123n12nn4n原理－－時(shí)序：10/14/20232311.6.1位同步系統(tǒng)的性能指標(biāo)

位同步系統(tǒng)的性能指標(biāo)除了效率以外，主要有以下幾個(gè)：（1）相位誤差（精度）,（2）同步建立時(shí)間,（3）同步保持時(shí)間,（4）同步帶寬。1、相位誤差θe

由上圖可見(jiàn)一個(gè)碼元周期內(nèi)由晶振及整形電路來(lái)的脈沖數(shù)為n個(gè)，因此，最大調(diào)整相位為：

可以看到，隨著n的增加，相位誤差θe將減小。11.6位同步系統(tǒng)的性能及相位誤差對(duì)性能的影響10/14/2023242、同步建立時(shí)間ts定義：失去同步后重建同步最所需的長(zhǎng)時(shí)間。故同步建立時(shí)間為：3、同步保持時(shí)間tc系統(tǒng)因?yàn)闆](méi)有輸入，使得收端位同步信號(hào)的相位就會(huì)逐漸發(fā)生漂移，時(shí)間越長(zhǎng)，相位漂移量越大，直至漂移量達(dá)到某一準(zhǔn)許的最大值，就算失步了。為了使同步建立時(shí)間ts減小，要求選用較小的n，這就和相位誤差θe對(duì)n的要求相矛盾。10/14/202325式中：F0－－收發(fā)兩端固有碼元重復(fù)頻率的幾何平均值；ΔF－－收發(fā)兩端存在頻差。說(shuō)明：要想延長(zhǎng)同步保持時(shí)間tc，需要提高收發(fā)兩端振蕩器的頻率穩(wěn)定度。10/14/20232611.6.2位同步相位誤差對(duì)性能的影響假設(shè)：●位同步相位誤差θc－－可用時(shí)間差Te來(lái)表示；●解調(diào)器已解調(diào)出基帶數(shù)字信號(hào)，并假定采用MF法檢測(cè)：即對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行積分、取樣和判決；●設(shè)位同步超前接收碼元Te。10/14/202327接收碼元:位同步:積分、清洗(最佳接收)E－－可充滿，達(dá)最大值，獲最大能量；E’－－不能充滿，能量損失可見(jiàn)：?相鄰碼元無(wú)數(shù)據(jù)變化時(shí)，位同步誤差不影響取樣點(diǎn)的積分能量，獲最大能量E；?相鄰碼元有數(shù)據(jù)變化時(shí)，能量損失。E’=(1-2Te/T

)E10/14/202328設(shè)：●相鄰碼元無(wú)數(shù)據(jù)變化的概率為P，取樣點(diǎn)積分能量達(dá)E；

●相鄰碼元有數(shù)據(jù)變化的概率為(1-P),取樣點(diǎn)積分能量E’。2PSK最佳接收時(shí)：等概時(shí)：其中：所以：可見(jiàn)：位同步相位差→Pe↑10/14/202329 11.7群同步---幀同步

11.7.1引言前提：已實(shí)現(xiàn)位同步。任務(wù)：識(shí)別出數(shù)字信息群的起