現(xiàn)代通信原理教程 課件 黃文淮ch7 同步原理

第7章同步原理內(nèi)容7.1載波同步7.2位同步7.3群同步7.4網(wǎng)同步7.5載波同步仿真實例同步及其分類信源發(fā)送端接收端信道編碼調(diào)制信道壓縮編碼解調(diào)信宿保密解碼信道解碼壓縮解碼保密編碼噪聲同步信源編碼信源解碼數(shù)字通信系統(tǒng)模型同步的基本概念

同步又稱定時，是指收發(fā)雙方在時間上步調(diào)一致只有收發(fā)設(shè)備之間建立了同步后才能開始傳送信息同步系統(tǒng)應(yīng)具有比信息傳輸系統(tǒng)更高的可靠性和更好的質(zhì)量指標(biāo)同步的分類

載波同步數(shù)字信號同步位同步群同步（字同步）網(wǎng)同步

載波同步的方法載波同步的性能載波同步性能對解調(diào)的影響7.1載波同步一、載波同步的方法

插入導(dǎo)頻法：在發(fā)送端的發(fā)送信號中插入一個專門的導(dǎo)頻用于載波同步；直接提取法：在接收端設(shè)法從有用信號中直接提取載波。一、載波同步的方法1.插入導(dǎo)頻法----DSB系統(tǒng)①發(fā)端插入“正交載波”

輸出信號為：

一、載波同步的方法1.插入導(dǎo)頻法----DSB系統(tǒng)②收端用窄帶濾波器提取，再將其移相π/2，就可以得到與調(diào)制載波同頻同相的相干載波。一、載波同步的方法1.插入導(dǎo)頻法----DSB系統(tǒng)③收端解調(diào)信號。一、載波同步的方法2.直接法①平方變換法用一窄帶濾波器將頻率分量濾出，再進(jìn)行二分頻，就可獲得所需的相干載波。一、載波同步的方法2.直接法②平方環(huán)法

在平方變換法的基礎(chǔ)上，把窄帶濾波器改為鎖相環(huán)。由于鎖相環(huán)具有良好的跟蹤、窄帶濾波和記憶功能，平方環(huán)法比一般的平方變換法的性能更好。一、載波同步的方法2.直接法③同相正交法（科斯塔斯環(huán)）

設(shè)VCO的輸出為

則

故

U7自動控制振蕩器相位，使相位差趨于0

這樣U1就是所需提取的載波U5作為解調(diào)信號的輸出一、載波同步的方法2.直接法③同相正交法（科斯塔斯環(huán)）

設(shè)VCO的輸出為

則

故

一、載波同步的方法2.直接法③同相正交法（科斯塔斯環(huán)）

U7自動控制振蕩器相位，使相位差趨于0

這樣U1就是所需提取的載波

U5作為解調(diào)信號的輸出

二、載波同步的性能

載波同步追求的是高效率、高精度、同步建立時間快，保持時間長。高效率指為了獲得載波信號而盡量少消耗發(fā)送功率。直接法優(yōu)于插入導(dǎo)頻法。直接法不需要專門發(fā)送導(dǎo)頻，因而效率高。高精度指接收端提取的載波與需要的載波標(biāo)準(zhǔn)比較，應(yīng)該有盡量小的相位誤差。同步建立時間是指從開機(jī)或失步到同步所需要的時間。同步保持時間是指同步建立后，系統(tǒng)能維持同步的時間。三、載波同步性能對解調(diào)的影響

設(shè)提取的載波與接收信號中的載波之間的相位誤差為：

DSB信號為

解調(diào)輸出信號為

解調(diào)后信號幅度下降，使功率和信噪功率比下降，①對DSB信號的影響由于

當(dāng)近似為常數(shù)時，不會引起波形失真

若傳輸?shù)氖菙?shù)字信號，會使誤碼率增加。三、載波同步性能對解調(diào)的影響

設(shè)提取的載波與接收信號中的載波之間的相位誤差為：

①對SSB信號的影響設(shè)單音基帶信號

單邊帶信號取上邊帶

提取的相干載波為

相干載波與已調(diào)信號相乘得：

經(jīng)低通濾除高頻即得解調(diào)輸出

式中的第一項與原基帶信號相比，使信噪比下降了；第二項是與原基帶信號正交的項，它使恢復(fù)的基帶信號波形失真，推廣到多頻信號時也將引起波形的失真。

若傳輸?shù)氖菙?shù)字信號，波形失真會產(chǎn)生碼間串?dāng)_，會使誤碼率大大增加。7.2位同步位同步的方法位同步的性能位同步的性能對解調(diào)的影響一、位同步的方法

插入導(dǎo)頻法：也是在基帶信號頻譜的零點(diǎn)處插入所需的位定時導(dǎo)頻信號

；直接提取法：接收端可直接從接收到的數(shù)字信號中提取位同步信號。一、位同步的方法1.插入導(dǎo)頻法——窄帶濾波法

雙極性不歸零基帶信號的功率譜提取的導(dǎo)頻就是所需的位同步脈沖。某種波形的功率譜提取的導(dǎo)頻需經(jīng)倍頻后，才能獲得所需的位同步脈沖。

一、位同步的方法1.插入導(dǎo)頻法——包絡(luò)調(diào)制法設(shè)相移鍵控的表達(dá)式為含有位同步信號的升余弦波形

式中，T為碼元寬度

幅度調(diào)制后的信號為

接收端對進(jìn)行包絡(luò)檢波，包絡(luò)檢波器的輸出為，除去直流分量后，就可獲得位同步信號

包絡(luò)調(diào)制法：用位同步信號的某種波形對相移鍵控或頻移鍵控這樣的恒包絡(luò)數(shù)字已調(diào)信號進(jìn)行附加的幅度調(diào)制，使其包絡(luò)隨著位同步信號波形變化。在接收端只要進(jìn)行包絡(luò)檢波，就可以形成位同步信號。一、位同步的方法2.直接法——微分整流法

一、位同步的方法2.直接法——包絡(luò)檢波法

一、位同步的方法2.直接法——數(shù)字鎖相法

一、位同步的方法1.直接法——數(shù)字鎖相法

兩列脈沖序列本地位同步信號超前后扣除一個a脈沖滯后了的同步信號滯后后添加一個b脈沖超前了的同步信號二、位同步性能相位誤差——位同步信號的平均相位和最佳取樣點(diǎn)的相位之間的偏差稱為靜態(tài)相差。靜態(tài)相差越小，誤碼率越低同步建立時間——同步建立時間即為失去同步后重建同步所需的最長時間。通常要求同步建立的時間要短。同步保持時間——當(dāng)同步建立后，一旦輸入信號中斷，由于收發(fā)雙方的固有位定時重復(fù)頻率之間總存在頻差，接收端同步信號的相位就會逐漸發(fā)生漂移，漂移量達(dá)到某一準(zhǔn)許的最大值，就算失步了。從含有位同步信息的接收信號消失開始，到輸出的正常位同步信號中斷為止的這段時間，稱為位同步保持時間，同步保持時間越長越好。同步帶寬——同步帶寬是指位同步頻率與碼元速率之差。如果這個頻差超過一定的范圍，就無法使接收端位同步脈沖的相位與輸入信號的相位同步。因此，要求同步帶寬越小越好。三、位同步的性能對解調(diào)的影響

位同步的相位誤差主要是造成位定時脈沖的位移，使抽樣判決時刻偏離最佳位置。當(dāng)位同步存在相位誤差時，必然使誤碼率增大。

7.3群同步群同步的方法群同步的性能一、群同步的方法1.集中插入法

集中插入法又稱連貫插入法，是指在每一信息群的開頭集中插入作為群同步碼組的特殊碼組，該碼組應(yīng)在信息碼中很少出現(xiàn)，即使偶爾出現(xiàn)，也不可能依照群的規(guī)律周期出現(xiàn)。連貫插入法的關(guān)鍵是尋找實現(xiàn)群同步的特殊碼組。對該碼組的基本要求是：具有尖銳單峰特性的自相關(guān)函數(shù)；便于與信息碼區(qū)別；碼長適當(dāng)，以保證傳輸效率。目前常用的群同步碼組是巴克碼。一、群同步的方法巴克碼以7位巴克碼組{＋＋＋－－＋－}為例:

當(dāng)j=0時，

當(dāng)j=1時，

同樣可求出j=3，5，7時，j=2，4，6時，一、群同步的方法巴克碼識別器只有當(dāng)7位寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)正好為巴克碼時，輸出端都輸出+1，相加后得最大輸出+7，其余情況相加結(jié)果均小于+7一、群同步的方法1.分散插入法

分散插入法又稱為間隔式插入法，它是將群同步碼以分散的形式均勻插入信息碼流中。二、群同步的性能1.漏同步概率：將正確同步位置漏過的概率。2.假同步概率：把錯誤的同步位置當(dāng)作正確的同步位置捕捉到。

3.同步平均建立時間：越快越好

由于噪聲的影響，把正確的同步碼元變成錯誤的碼元。把信息碼元錯當(dāng)成同步碼元。7.4網(wǎng)同步網(wǎng)同步的目的常用的網(wǎng)同步方法一、網(wǎng)同步的目的數(shù)字通信網(wǎng)中具有相同標(biāo)稱速率的交換和傳輸設(shè)備之間，必然存在時鐘速率差，從而導(dǎo)致滑碼，其結(jié)果破壞接收系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)的完整性，致使通信中斷。因此在數(shù)字通信網(wǎng)中，必須采取措施，實現(xiàn)網(wǎng)同步。二、常用的網(wǎng)同步方法

對網(wǎng)同步的最基本要求：長期的穩(wěn)定性。當(dāng)一部分發(fā)生故障時，對其它部分的影響最小。具有較高的同步質(zhì)量。適應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展。網(wǎng)同步方法分類:準(zhǔn)同步法同步法二、常用的網(wǎng)同步方法1.準(zhǔn)同步法各交換節(jié)點(diǎn)的時鐘彼此獨(dú)立，但它們的頻率精度要求保持在極窄的頻率容差之中，各節(jié)點(diǎn)設(shè)立一個高精度的時鐘（采用銫原子鐘，頻率精度達(dá)10-12）。這樣，滑動的影響就可以忽略不記，網(wǎng)絡(luò)接近于同步工作狀態(tài)。優(yōu)點(diǎn)是：網(wǎng)路結(jié)構(gòu)簡單，各節(jié)點(diǎn)時鐘彼此獨(dú)立工作，節(jié)點(diǎn)之間不需要有控制信號來校準(zhǔn)時鐘精度；網(wǎng)路的增設(shè)和改動都很靈活。缺點(diǎn)是：不論時鐘的精度有多高，由于各節(jié)點(diǎn)是獨(dú)立工作的，總是要產(chǎn)生周期性滑動；原子鐘需要較大的投資和高的維護(hù)費(fèi)用。目前，國際網(wǎng)路采用準(zhǔn)同步方式。二、常用的網(wǎng)同步方法2.同步法:——主從同步主從同步:數(shù)字網(wǎng)中所有節(jié)點(diǎn)都以一個規(guī)定的主節(jié)點(diǎn)時鐘作為基準(zhǔn)(一般為銫鐘)，主節(jié)點(diǎn)之外的所有節(jié)點(diǎn)或者從直達(dá)的數(shù)字鏈路上接收主節(jié)點(diǎn)來的定時基準(zhǔn)，或者是從經(jīng)過中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)后的數(shù)字鏈路上接收主節(jié)點(diǎn)來的定時基準(zhǔn)，然后把交換節(jié)點(diǎn)的本地振蕩器相位鎖定到所接收的定時基準(zhǔn)上，使節(jié)點(diǎn)時鐘從屬于主節(jié)點(diǎn)時鐘。優(yōu)點(diǎn)是：能避免準(zhǔn)同步網(wǎng)中固有的周期性滑動；只需要較低頻率精度的鎖相環(huán)路；控制簡單，特別適用于星形或樹形網(wǎng)。缺點(diǎn)是：系統(tǒng)采用單端控制，任何傳輸鏈路中的抖動及漂移都將導(dǎo)致定時基準(zhǔn)的抖動和漂移。這種抖動累積；而且，一旦主節(jié)點(diǎn)基準(zhǔn)時鐘和傳輸鏈路發(fā)生故障，將喪失網(wǎng)同步能力。因此，主節(jié)點(diǎn)基準(zhǔn)時鐘須采用多重備份以提高可靠性。二、常用的網(wǎng)同步方法2.同步法:——相互同步相互同步：數(shù)字網(wǎng)中沒有特定的主節(jié)點(diǎn)和時鐘基準(zhǔn)，網(wǎng)中每一個節(jié)點(diǎn)的本地時鐘，通過鎖相環(huán)路受所有接收到的外來數(shù)字鏈路定時信號的共同加權(quán)控制。因此，節(jié)點(diǎn)的鎖相環(huán)路是一個具有多個輸入信號的環(huán)路，而相互同步網(wǎng)構(gòu)成將多輸入鎖相環(huán)相互連接的一個復(fù)雜的多路反饋系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)某些傳輸鏈路或節(jié)點(diǎn)時鐘發(fā)生故障時，網(wǎng)路仍然處于同步工作狀態(tài)；可以降低節(jié)點(diǎn)時鐘頻率穩(wěn)定度的要求，使設(shè)備較便宜。缺點(diǎn)是：由于系統(tǒng)穩(wěn)定頻率的不確定性，很難與其他同步方式兼容。而且，由于整個同步網(wǎng)構(gòu)成一個閉路反饋系統(tǒng)，系統(tǒng)參數(shù)的變化容易引起系統(tǒng)性能變壞，甚至引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。二、常用的網(wǎng)同步方法2.同步法:——主從相互同步主從同步：數(shù)字網(wǎng)中所有節(jié)點(diǎn)分級，網(wǎng)中設(shè)立一個主基準(zhǔn)時鐘，級與級之間的同步方式采用主從同步方式，同級之間的節(jié)點(diǎn)通過傳輸鏈路聯(lián)結(jié)，采用相互同步方式。全網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的時鐘頻率都鎖定在主時鐘頻率上。優(yōu)缺點(diǎn)：這種方式具有主從和相互同步的優(yōu)點(diǎn)，但控制技術(shù)復(fù)雜程度和相互同步方式相當(dāng)。

位同步是要找到與接收碼元位置相對應(yīng)的一系列脈沖。從抽樣判決要求看，位同步脈沖（用作抽樣脈沖）應(yīng)出現(xiàn)于接收碼元波形的最大值瞬間。此外，位同步還用于碼反變換、幀同步等單元中。與載波同步一樣，位同步的方法也可分為插入導(dǎo)頻法和直接法兩類。不同之處在于：載波同步是在已調(diào)信號層面上進(jìn)行，而位同步是在基帶信號層面上進(jìn)行，例如：位同步的導(dǎo)頻信號應(yīng)在基帶信號頻譜零點(diǎn)處插入；而載波導(dǎo)頻則應(yīng)在已調(diào)信號頻譜零點(diǎn)處插入。3．位同步

幀同步又稱群同頻，在接收端位同步之后出現(xiàn)。其功能是對接收端已解調(diào)、并抽樣判決整形后的一系列串行碼元（比特）流進(jìn)行群組識別，即分清哪些碼元組成某一個群組，或者說識別每個群組的起、止點(diǎn)。幀同步的方法也可分為自同步和外同步兩類。在外同步法中，起止式同步法用于電傳報，間隔式插入法用于T1PCM系統(tǒng)等，連貫式插入法的應(yīng)用最為廣泛。4．幀同步7.5科斯塔斯環(huán)法載波提取仿真一、仿真參數(shù)基帶信號：幅值1V，頻率0~5Hz；正弦信號：幅值1V