現(xiàn)代通信原理與技術(shù)第10章同步原理

1、第十一章 同步原理 所謂同步就是要求和建立系統(tǒng)的收發(fā)兩端（或多端）在時間上保持步調(diào)一致，又稱定時 。11.2 載波同步11.3 位同步11.4 幀同步11.5 網(wǎng)同步 在數(shù)字通信中，按照同步的功用分：載波同步、位同步、群同步和網(wǎng)同步。1、載波同步：指在相干解調(diào)時，接收端需要提供一個與接收信號中的調(diào)制載波同頻同相的相干載波。這個載波的獲取稱為載波提取或載波同步。2、位同步：又稱碼元同步，在數(shù)字通信系統(tǒng)中，任何消息都是通過一連串碼元序列傳送的，所以接收時需要知道每個碼元的起止時刻，以便在恰當(dāng)?shù)臅r刻進(jìn)行取樣判決， 接收端必須提供一個位定時脈沖序列，該序列的重復(fù)頻率與碼元速率相同，相位與最佳取樣判決時

2、刻一致。把提取這種定時脈沖序列的過程稱為位同步。3、群同步：包含字同步、句同步、分路同步，也稱幀同步。為了使接收端能正確分離各路信號，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，稱為幀同步。本章重點： 載波同步； 位同步； 幀同步 112 載波同步載波同步 提取相干載波的方法有兩種：直接法和插入導(dǎo)頻法。一、載波同步方法： 1、插入導(dǎo)頻法 在發(fā)送有用信號的同時，在適當(dāng)?shù)念l率位置上，插入一個或多個稱為導(dǎo)頻的正弦波，接收端就由導(dǎo)頻提取出載波。插入導(dǎo)頻法的發(fā)端方框圖(a)、收端方框圖(b)及插入導(dǎo)頻后DSB信號頻譜如下圖所示： 設(shè)調(diào)制信號m(t)中無直流分量，被調(diào)載波為 ，將它經(jīng)

3、900移相形成插入導(dǎo) 頻 （正交載波），其中a是插入導(dǎo)頻的振幅。于是輸出信號為： fC導(dǎo)頻ftacsintaccostattamtucccossin)()(0設(shè)收到的信號就是發(fā)端輸出u0(t)，則收端用一個中心頻率 為的窄帶濾波器提取導(dǎo)頻 ，再將它經(jīng)900移相后得到與調(diào)制載波同頻同相的相干載波 ，收端的解調(diào)輸出： cftaccostcsinV(t)=u0(t)sincttattmatmacc2sin22cos)(2)(22PSK和DSB信號都屬于抑制載波的雙邊帶信號，上述插入導(dǎo)頻方法對兩者均適用。對SSB信號，導(dǎo)頻插入的原理與上述相同。 插入正交導(dǎo)頻的目的：收端相乘器的輸出V(t)中無直流。也

4、可以插入同相導(dǎo)頻，低通濾波器中加入隔直電容即可。 插入導(dǎo)頻信號的功率應(yīng)比較小，否則就成為AM信號了。 VSB信號一般在電視中采用，常用包絡(luò)檢波法解調(diào)。 采用插入導(dǎo)頻法應(yīng)注意：采用插入導(dǎo)頻法應(yīng)注意：1 導(dǎo)頻的頻率應(yīng)當(dāng)是與載頻有關(guān)的或者就是載頻的頻率；2 插入導(dǎo)頻的位置與已調(diào)信號的頻譜結(jié)構(gòu)有關(guān)?？偟脑瓌t：在已調(diào)信號頻譜中的零點插入導(dǎo)頻，且要求其附近的信號頻譜分量盡量小，這樣便于插入導(dǎo)頻以及解調(diào)時易于濾除它。 2、直接法： 從2PSK信號中直接提取相干載波。（1）平方變換法： 2PSK信號e(t)cos2ctcosct-cosct 2fc窄帶 帶通 平方二分頻)2cos1 (21cos)()(222

5、ttCosttmteccc 平方環(huán)法：（上圖的窄帶濾波器常用鎖相環(huán)代替） LFVCO2PSK信 號ui(t)PDcosct-cosct平方鑒相器 環(huán)路濾波器 壓控振蕩器二分頻移相一般采用模擬環(huán)，uo(t) 超前于ui(t) 中的2fc成分90，二分頻、移相后得到cosct或-cosct 。 同相正交環(huán)（Costas環(huán)） uiu1u2u3u4u6u5u7 低通 900移相 VCO LPF 低通)sin()cos(cos)(21ececcitututtmuecemttmUu2coscos)(3ecemttmUu2sinsin)(4ememtmUutmUusin)(cos)(65edemUtmUu2

6、sin2sin)(21227 此即為環(huán)路的鑒相特性 上式中，Um、Ud為乘法器引起的信號幅度變化，當(dāng)VCO的固有振蕩頻率與2PSK的載頻非常接近且環(huán)路增益很高時，環(huán)路鎖定后 ， ?？梢娪猛嗾画h(huán)提取的載波也存在相位模糊現(xiàn)象。環(huán)路鎖定后， ，考慮到噪聲等因素，應(yīng)對u5(t)進(jìn)行抽樣判決以再生數(shù)字基帶信號。 從4PSK信號中提取相干載波的方法與2PSK相似，可用四次方變換，四次方環(huán)及四相Costas環(huán)。 用Costas環(huán)提取相干載波時，環(huán)路的工頻率等于信號載頻，用其它方法時電路工作頻率等于信號載頻的二倍或四倍。 或0etttucccoscos)(1或)()()(5tmtmtu-或二、載波同步系統(tǒng)

7、的性能1、載波同步系統(tǒng)的性能 載波同步系統(tǒng)的性能指標(biāo)主要有：效率、精度、同步建立時間和同步保持時間。載波同步追求是：高效率、高精度、同步建立時間快、保持時間長。同步建立時間ts和同步保持時間tc： tc：載波同步器的輸入信號丟失后，相干載波與輸入信號載波之間的相位誤差小于某一范圍所需要的時間。 減小帶通濾波器的Q值，可減小ts但tc也減小。增大鎖相環(huán)的自然諧振頻率，可減小ts但tc也減小。 2、同步誤差 理想相干載波 與接收機輸入信號載波同頻同相。實際相干載波 為穩(wěn)態(tài)相差，由固有頻差（鎖相環(huán)VCO的固有頻率或振蕩回路中心頻率與載頻之差）產(chǎn)生。n(t)為隨機相差、噪聲產(chǎn)生。減小帶通濾波器帶寬（增

8、大Q值），可減小隨機相差、但增加穩(wěn)態(tài)相差。減小環(huán)路自然諧振頻率可減小隨機相差，增大環(huán)路增益可減小穩(wěn)態(tài)相差。 )(costtnctccos三、載波相位誤差對解調(diào)性能的影響1、模擬通信DSB:m(t)cosct+n(t)cos(ct+)uo(t) BPF LPFttnttntncsccsin)(cos)()(sin)(21cos)(21cos)(21)(tntntmtusco22cos)(41tms )(41sin)(41cos)(41222220tntntnNcsc 輸出信號功率 輸出噪聲功率 可見載波相位誤差使解調(diào)輸出信號功率減小但不改變噪聲功率即輸出信噪比下降。同理可證明，在AM解調(diào)中，載波

9、相位誤差也使輸出信噪比下降。 SSB: 設(shè) ，上邊帶信號為 ，則相干解調(diào)輸出信號 ，第一項與m(t)成正比，但相位誤差使信號功率下降。第二項與原信號正交，使基帶信號產(chǎn)生畸變且越大畸變越大。 與DSB系統(tǒng)一樣，相位誤差并不改變SSB解調(diào)器的輸出噪聲功率，因此載波相位誤差使SSB解調(diào)器的輸出信噪比下降且信號畸變。在VSB相干解調(diào)中也有上述現(xiàn)象發(fā)生。ttm cos)(t )cos(sinsin21coscos21)(tttmo2、數(shù)字通信抽樣判決器輸入信噪比變化規(guī)律同模擬通信，信噪比下降將使誤碼率增加，故誤碼率增大。 2PSK系統(tǒng)誤碼率： )cos2(rQPe)cos2(ooenEQP 相干解調(diào) 最

10、佳相干接收機10.3 位同步在數(shù)字通信中，信號的碼元組成序列向?qū)Ψ絺魉?，接收端解碼時必須知道各個碼元的起止時刻。產(chǎn)生與碼元的頻率和相位一致的定時脈沖序列的過程稱為位同步。為獲得位同步信號，可以在基帶信號中插入位同步導(dǎo)頻信號，也可以通過對基帶信號進(jìn)行處理來提取。位同步是指在接收端的基帶信號中提取碼元定時的過程?；蛘呤故斩巳訒r鐘頻率與發(fā)端的時鐘頻率完全相同的過程。從理論上說，位同步的實現(xiàn)方法也可分為插入導(dǎo)頻法（外同步）和直接法（自同步），但實際工程中，一般采用直接法，直接法又可具體分為濾波法和鎖相環(huán)法。 11.3.1 插入導(dǎo)頻法在基帶信號頻譜的零點處插入導(dǎo)頻信號。若信號頻譜的零頻處幅度達(dá)到最大值

11、，則頻譜的第一個零點處應(yīng)為f=1/T，即可以1/T作為插入導(dǎo)頻處；若基帶信號頻譜的零頻處幅度為零，則f=1/(2T)為頻譜的第一個零點，此時應(yīng)在1/(2T)處插入導(dǎo)頻信號。在接收端通過窄帶濾波器提取位同步信號。當(dāng)導(dǎo)頻信號在1/(2T)處時，濾出導(dǎo)頻后需對其進(jìn)行倍頻，以獲得需要的位同步脈沖。導(dǎo)頻信號插入點示意圖提取導(dǎo)頻信號原理框圖插入導(dǎo)頻法的另一種形式在PSK或FSK通信系統(tǒng)中，通過對已調(diào)信號進(jìn)行附加的幅度調(diào)制，接收端只要進(jìn)行包絡(luò)檢波，就可以形成位同步信號。如；設(shè)PSK信號的表達(dá)式: s1(t)=cosct+ (t) 可對其進(jìn)行幅度調(diào)制: s2(t)=1/2(1+cos t) cosct+ (t

12、) 式中的=2/T，T為碼元寬度。接收端進(jìn)行包絡(luò)檢波后，除去直流分量，就可獲得位同步信號1/2cost。11.3.2 直接法直接（提?。┓窗l(fā)送端不專門發(fā)送導(dǎo)頻信號，接收端直接從數(shù)字信號中提取位同步信號的方法。直接法主要有濾波法和鎖相法兩種。1. 濾波法 對信號進(jìn)行變換，使其變成歸零脈沖； 使用窄帶濾波器，濾出位同步信號分量；使該信號通過一移相器調(diào)整相位，形成位同步脈沖。波形變換方式一：微分、整流2包絡(luò)檢波濾波法1、當(dāng)接收端帶通濾波器的帶寬小于信號帶寬時，使頻帶受限的2PSK信號在相鄰碼元反轉(zhuǎn)點處形成幅度的“陷落”，如圖（a）；2、包絡(luò)檢波后如圖（b）；3、（b）波形可看成一直流與（c）的波形

13、相減；4、（c）波形是具有一定脈沖形狀的歸零脈沖序列，含有位同步的線譜分量。3. 鎖相環(huán)法采用鎖相環(huán)來提取位同步信號的方法稱為鎖相法。通常分兩類：模擬鎖相法：環(huán)路中誤差信號去連續(xù)地調(diào)整位同步信號的相位；數(shù)字鎖相法：誤差信號通過控制器在信號鐘輸出的脈沖序列中附加或扣除一個或幾個脈沖，從而達(dá)到調(diào)整位同步脈沖序列的相位，實現(xiàn)位同步。 常見的數(shù)字鎖相環(huán)位同步器原理方框圖如圖 (不包括數(shù)字環(huán)路濾波器DLF)。由信號鐘、控制器、分頻器、相位比較器等組成。若接收碼元的速率為F=1/T，那么振蕩器頻率設(shè)定在nF，經(jīng)整形電路后，輸出周期性脈沖序列，其周期T0=1/(nF)=T/n。 (1) 數(shù)字鎖相法數(shù)字鎖相法

14、(2) 原 理 晶振產(chǎn)生的信號經(jīng)整形后得到周期為T0和相位差為T0/2的兩個脈沖序列，如圖(a)、(b)；脈沖序列(a)通過常開門、或門并經(jīng)n次分頻后，輸出本地位同步信號(c)；為與發(fā)端時鐘同步，分頻器輸出與接收到的碼元序列同時加到相位比較器進(jìn)行比相；（1）若同步，則無誤差信號，本地位同步信號作為同步時鐘；（2）若本地位同步信號相位超前于接收碼元序列時，相位比較器輸出一個超前脈沖加到常開門的禁止端將其關(guān)閉，扣除一個(a)路脈沖，圖(d)，使分頻器輸出脈沖的相位滯后1/n周期，圖(e)；（3）若本地位同步信號相位滯后于接收碼元序列時，相位比較器輸出一個滯后脈沖去打開“常閉門”使脈沖序列(b)中的

15、一個脈沖能插到“常開門”輸出脈沖序列(a)中，如圖(f)，使分頻器輸入端附加了一個脈沖，于是分頻器的輸出相位就提前1/n周期；經(jīng)過若干次調(diào)整后，使分頻器輸出的脈沖序列與接收碼元序列達(dá)到同步的目的，實現(xiàn)位同步。 (3) 數(shù)字鎖相環(huán) 位同步數(shù)字鎖相環(huán)分微分整流型數(shù)字鎖相環(huán)和同相正交積分型數(shù)字鎖相環(huán)兩種。區(qū)別:基準(zhǔn)相位的獲得方法和鑒相器的結(jié)構(gòu)不同。 微分整流鑒相器如圖所示，設(shè)接收信號為不歸零脈沖（波形a），將每個碼元的寬度分為兩個區(qū)，前半碼元稱為“滯后區(qū)”，即若位同步脈沖（波形b）落入此區(qū)，表示位同步脈沖的相位滯后于接收碼元的相位；同樣，后半碼元稱為“超前區(qū)”。接收碼元經(jīng)過零檢測（微分、整形）后，輸

16、出一窄脈沖序列（波形d）。分頻器輸出兩列相差1800的矩形脈沖b和c。當(dāng)位同步脈沖波形b（由n次分頻器b端輸出，取其上升沿而形成的脈沖）位于超前區(qū)時，波形d和b使與門A產(chǎn)生一超前脈沖（波形e），與此同時，與門B關(guān)閉，無脈沖輸出。位同步脈沖滯后的情況相似。 模擬鎖相環(huán)的工作頻率最高，抗噪聲性能最好。數(shù)字鎖相環(huán)的工作頻率低于模擬環(huán)，因為它的時鐘信號頻率fo=NofS，為使同步信號的相位誤差足夠小，No必須足夠大，但高穩(wěn)定度晶體的工作頻率fo的上限一般為幾十MHz，所以位同步信號頻率fS不可能很高。電荷泵鎖相環(huán)位同步器工作頻率低于模擬環(huán)，高于數(shù)字環(huán)，抗噪性能低于模擬環(huán)。 二 位同步系統(tǒng)性能用窄帶帶通

17、濾波器、模擬鎖相環(huán)以及電荷泵鎖相環(huán)構(gòu)造的位同步器的同步誤差、同步建立時間以及同步保持時間與濾波器Q值、環(huán)路自然潛振頻率之間的關(guān)系同載波同步系統(tǒng)。 數(shù)字鎖相環(huán)位同步系統(tǒng)的性能指標(biāo)： (1) 同步建立時間ts（指開機或失去同步后重新建立同步所需的最長時間）： 最大起始相差為或-，若DCO相位調(diào)整量為每次2/N0(如常見的數(shù)字鎖相環(huán))，則最多需調(diào)整次就可以進(jìn)入鎖定狀態(tài)。設(shè)鑒相器在兩個碼元內(nèi)工作一次，且工作m次后，才對DCO進(jìn)行一次相位調(diào)整，則：若對DCO進(jìn)行一次相位調(diào)整就可使環(huán)路鎖定(如快速捕捉數(shù)字鎖相環(huán))，則ts=2mTs(不含軟件執(zhí)行時間)。 sssTmNmTNt0022(2) 同步保持時間tc

18、：（由同步到失步所需要的時間）設(shè)發(fā)射機、接收機的時鐘穩(wěn)定度為，則DCO輸出信號頻率與環(huán)路輸入信號信息速率之間的最大誤差為2fs。若允許位同步信號的最大相位誤差為2，則：tc應(yīng)大于兩次相位調(diào)整時間間隔。tc越大，允許連1碼或連0碼越長。 24cstfscft2(3) 相位誤差e： 主要是由于位同步脈沖的相位在跳變地調(diào)整所引起的。每調(diào)整一步，相位改變（對應(yīng)時間 ），n是分頻器的分頻次數(shù)，故最大的相位誤差為： ；若用時間差Te來表示相位誤差，因每碼元的周期T，得： 。 n2nTne0360nTTe(4) 同步帶寬fs（指能夠調(diào)整到同步狀態(tài)所允許的收、發(fā)振蕩器最大頻差）：環(huán)路輸入信號信息速率與環(huán)路開環(huán)

19、時輸出位同步信號頻率之間有一定差值，此差值必須小于某一最大值環(huán)路才能鎖定，此最大值就是環(huán)路的同步帶寬。 2ssff 三 同步誤差對誤碼率的影響同步誤差使抽樣脈沖偏離了最佳抽樣時刻，導(dǎo)致抽樣信號幅度減小，誤碼率增大。2PSK最佳接收機的誤碼率：式中，Te為用時間表示的同步誤差。02/ )21 (221210nTTEQQPebnEeb115 幀幀 同同 步步 當(dāng)信號碼元以多個碼元構(gòu)成的有特定含義的碼元組為單位傳輸時，碼元組常稱為幀。幀同步的作用是正確識別碼元組的“開頭”和“末尾”時刻。實現(xiàn)幀同步，通常采用的方法：起止式同步法和插入特殊同步碼組的同步法。插入特殊碼組的同步法有兩種：連貫式插入法和間隔

20、式插入法。 一 幀同步碼插入方式1起止式同步法數(shù)字電傳機中廣泛使用的是起止式同步法。例： 2集中插入（連貫插入）連貫插入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)。接收端按群的周期連續(xù)數(shù)次檢測該特殊碼組，這樣便獲得群同步信息。 對該碼組的基本要求：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；符合上述要求的特殊碼組：全0碼、全1碼、1與0交替碼、巴克碼、電話基群幀同步碼001011。目前常用的群同步碼組是巴克碼。在一幀開始的n位集中插入n比特幀同步碼，PDH中的A律PCM基群、二次群、

21、三次、四次群，律PCM二次群、三次群、四次群以及SDH中各個等級的同步傳輸模塊都采用集中插入式。 3分散插入式（間隔插入式） n比特幀同步碼分散地插入到n幀內(nèi)，每幀插入1比持，律PCM基群及M系統(tǒng)采用分散插入式。 分散插入式無國際標(biāo)準(zhǔn)，集中插入式有國際標(biāo)準(zhǔn)。 幀同步碼出現(xiàn)的周期為幀周期的整數(shù)倍，即在每N幀（N1）的相同位置插入幀同步碼。二 幀同步碼識別1、巴克碼定義：一個n位長的碼組 ，其中xi的取值為+1或-1，若它的局部相關(guān)函數(shù)： nxxx,21jnijiixxjR1)(njnjorjnxxjRjnijii, 00, 100,)(1滿足：其中j表示錯開的位數(shù)。 目前找到的所有巴克碼組如表：

22、n巴克碼組2+3+-4+- ；+-+5+-+7+-+-11+-+-+-13+-+-+-+其中的+、號表示xi的取值為+1、-1，分別對應(yīng)二進(jìn)制碼的“1”或“0”。 以7位巴克碼組+ + + + 為例，它的局部自相關(guān)函數(shù)：當(dāng)j=0時，當(dāng)j=1時，同理，當(dāng)j=3，5，7時，R(j)=0；當(dāng)j=2,4,6時，R(j)=-1。7位巴克碼的R(j)與j的關(guān)系曲線如圖。其自相關(guān)函數(shù)在j=0時具有尖銳的單峰。 71111111)(712iixjR6111111)(611iiixxjR2、巴克碼識別器如圖所示，當(dāng)輸入碼元的“1”進(jìn)入某移位寄存器時，該移位寄存器的1端輸出電平為+1，0端輸出電平為-1；反之，進(jìn)

23、入“0”碼時，該移位寄存器的0端輸出電平為+1，1端輸出電平為-1。 例：設(shè)幀同碼為1110010，當(dāng)幀同步碼全部進(jìn)入移位寄存器時它的7個輸出端全為高電平，輸出為最大值ui=1+2+4=7。其余情況相加結(jié)果均小于+7。若判決門限電平定為+6，當(dāng)7位巴克碼的最后一位0進(jìn)入識別器時，識別器輸出一個同步脈沖表示一群的開頭。 比較器的功能為LuLuuiio,0, 1據(jù)此可得以下波形： x1110010 數(shù)據(jù)碼 x1110010 數(shù)據(jù)碼ttPCM碼流u0三 識別器性能 群同步性能主要指標(biāo)是同步可靠性（包括漏同步概率P1和假同步概率P2）及同步建立時間ts。設(shè)誤碼率為Pe，n位幀碼，L=n-m，（即允許幀

24、同步碼錯m位），求漏識別概率P1、假識別概率P2以及同步識別時間ts。 1漏識別概率： 正確識別概率為 ，故： ，m=0時 ，門限L越低，幀同步碼越短，Pe越小，則漏識別概率越小。2假識別概率：（信息的碼元中出現(xiàn)與同步碼組相同的碼組，這時，信息碼會被識別器誤認(rèn)為是同步碼，從而出現(xiàn)假同步信號） mneenPPC0)1 (mneepPnP01)1 (1enPP 1n位信碼產(chǎn)生一個假識別信號的概率為 門限越高，幀碼位數(shù)越多，則假識別概率越小。 nmnnPmCP202202時3同步識別時間ts： P1=P2=0時，ts=NTs，N為一個同步幀中碼元位數(shù)，Ts為碼元寬度，當(dāng)Nn時，一個同步幀中產(chǎn)生假識別

25、信號的概率為NP2，當(dāng)P10、P20時 ， ；分散插入幀同步碼的同步識別時間： 可見集中插入式同步識別時間遠(yuǎn)小于分散插入式的同步識別時間。 SSNTNPPt)1 (21SSTNt2四 群同步的保護(hù) 無同步保護(hù)時，同步系統(tǒng)的漏同步概率PL等于識別器漏識別概率P1，假同步概率Pj等于識別器的假識別概率平P2。由上述分析可見。當(dāng)信道誤碼率一定時，幀碼長度對漏同步概率及假同步概率的影響是矛盾的。這一矛盾可用同步保護(hù)電路解決。 1后方保護(hù)： 當(dāng)幀同步系統(tǒng)處于捕捉態(tài)（即還未建立同步信號）時，連續(xù)個同步幀時間內(nèi)識別器有輸出時，同步系統(tǒng)進(jìn)入同步狀態(tài)，輸出幀同步信號。 此措施可減小假同步概率。也可以在采取此措施的同時提高門限電平以進(jìn)一步減小假同步概率。 2前方保護(hù)： 當(dāng)幀同步系統(tǒng)處于同步態(tài)（即已建立了同步信號）時，連續(xù)個同步幀時間內(nèi)識別器檢測不到幀同步碼，則系統(tǒng)回到捕捉態(tài)。 此措施可以減小漏同步（假失步）概率。也可以在采取此措施的同時降低門限電平，以進(jìn)一步減小漏同步概率。 3同步性能：設(shè)門限等于幀碼碼元數(shù)n，同步幀長為N比持，同步幀周期為TF秒，則 ：同步建立時間 njeLNPnPP2)(FenpTnPNt2)1 (2)1 (1 1116 網(wǎng)同步網(wǎng)同步 一個通信網(wǎng)常常包含許多站點和通信支路，在它們之間進(jìn)行數(shù)字傳輸、交換、復(fù)接時，建立起全網(wǎng)的時間同步是必要的。實現(xiàn)網(wǎng)同