《通信原理》課件第8章

8.1載波同步技術(shù)

8.2位同步技術(shù)

8.3群(幀)同步技術(shù)

本章小結(jié)

習題

實訓10幀同步提取系統(tǒng)實驗

所謂同步，就是指通信系統(tǒng)的收、發(fā)雙方在時間上步調(diào)一致。在通信系統(tǒng)中，同步是一個非常重要的問題。只有收、發(fā)雙方工作步調(diào)一致，系統(tǒng)才能真正實現(xiàn)通信功能。因此，同步系統(tǒng)的好壞直接影響通信質(zhì)量的好壞，甚至會影響通信能否正常進行。舉個例子，如果某位同學手表上的時間與其他人的不一致，那么他就會遲到，工作和學習就會不正常。通信系統(tǒng)也一樣，如果在時間上沒有統(tǒng)一的收、發(fā)步調(diào)，就會導致接收端無法收到發(fā)送端發(fā)送的信息，從而使整個系統(tǒng)通信不正常。概述在通信系統(tǒng)中，從不同的角度可把同步可分成不同的類型。

按照同步的功能分，同步可分為載波同步、位同步、群(幀)同步和網(wǎng)同步4種。其中載波同步主要用于調(diào)制、解調(diào)中的相干檢測。位同步指的是數(shù)字通信中的每個比特的同步。群同步指一幀數(shù)據(jù)(包含多個比特)的同步。如果把一列火車上的每個座位號比喻成位同步的話，那么每一節(jié)車廂的編號就可以比喻成群同步，有了座位號和車廂號，我們就可以根據(jù)火車票找到座位，所以有了位同步和群同步，我們就可以準確接收數(shù)據(jù)。此外，現(xiàn)代通信網(wǎng)絡還需要網(wǎng)同步，有了網(wǎng)同步，整個通信網(wǎng)絡才能正常工作。按照傳輸同步信息的方式不同，同步可分為外同步和自同步。不論外同步還是自同步都是針對接收端而言的。所謂外同步，就是發(fā)送端專門發(fā)送同步信息，接收端從該信息中提取同步信號；而自同步，就是發(fā)送端不專門發(fā)送同步信息，只發(fā)送需要傳送的其他信息，接收端自動從這些信息中提取同步信號。

由于通信系統(tǒng)能否正常工作在很大程度取決于同步的好壞，因此通常我們要求同步信息傳輸?shù)目煽啃砸哂谄胀ㄐ盘杺鬏數(shù)目煽啃?。在前面講到過的調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相系統(tǒng)中，如果接收端采用相干解調(diào)，就需要一個與發(fā)送端同頻、同相的載波。如何獲得這個由接收端產(chǎn)生且與發(fā)送端載波同頻、同相的載波，就是載波同步技術(shù)要解決的問題。

載波同步的方法主要有直接法(自同步法)和插入導頻法(外同步法)。8.1載波同步技術(shù)直接法就是接收端直接從發(fā)送的有用信號中提取載波的方法，又稱為自同步法。

插入導頻法就是在發(fā)送有用信號的同時，在適當?shù)念l率位置上插入一個(或多個)稱為導頻的正弦波，接收端根據(jù)導頻就可以提取出與發(fā)送端同頻、同相的正弦波的方法。由于發(fā)送端專門發(fā)送了導頻信息，因此插入導頻法又稱為外同步法。8.1.1直接法(自同步法)

在利用直接法進行載波同步的系統(tǒng)中，由于發(fā)送端不專門發(fā)送載波信息，接收端只能根據(jù)發(fā)送端發(fā)送的有用信息提取載波。

如果接收信號本身就含有載波分量，比如幅度AM信號，則可以直接用濾波器把載波分量與接收信號的其他分量分離開來，顯然這是最簡單的直接法。此外，有的信號雖然本身不含載波分量，比如抑制載波的雙邊帶(DSB)調(diào)制信號、數(shù)字調(diào)相(PSK)調(diào)制信號，但是通過對這些信號進行某些線性變換后，可以獲得載波分量，從而達到載波同步的目的，這種方法也屬于直接法。下面介紹幾種實現(xiàn)直接提取載波的方法。

1．平方變換法

對于抑制載波的雙邊帶信號(DSB)，可以按照圖8.1.1所示的方法提取載波分量。圖8.1.1中的信號表達式如式(8-1-1)和式(8-1-2)所示。

(8-1-1)

(8-1-2)圖8.1.1平方變換法提取載波分量

2.平方環(huán)法

平方環(huán)法就是在平方變換法的基礎上，把2ωc窄帶濾波器改成鎖相環(huán)提取載波的方法。其基本原理是，在接收端利用鑒相器比較接收載波和本地載波的相位，如果二者相位不一致，則鑒相器產(chǎn)生誤差信號去調(diào)整本地載波信號的相位，直到二者精確同步為止。圖8.1.2所示是平方環(huán)法提取載波的框圖。

由于平方環(huán)法采用了鎖相環(huán)，可以隨時根據(jù)相位的誤差調(diào)整本地載波的相位，因此平方環(huán)法比平方變換法具有更好的同步性能，其應用也更為廣泛。圖8.1.2平方變換法提取載波分量8.1.2插入導頻法(外同步法)

對于前面講到的DSB信號和PSK信號，由于信號中沒有載波成分，一方面，可以利用直接法(自同步法)通過某些線性變換提取載波，另一方面也可以利用插入導頻法(外同步

法)獲得載波同步。由于單邊帶(SSB)信號和殘留邊帶(VSB)信號中沒有載波成分，同時也不易通過某種變換獲得載波，因此不能利用直接法提取載波，而只能利用插入導頻法獲得載波同步。插入導頻法主要有頻域插入導頻法和時域插入導頻法兩種。

1．頻域插入導頻法

所謂頻域插入導頻法，就是在信號中增加導頻。導頻包含接收端載波同步需要的信息，這樣導頻信號和有用信號同時傳輸，接收端通過濾波等手段提取導頻信息，恢復載波，從而達到載波同步的目的。顯然，插入的導頻信息不能影響有用信號，否則導頻與信號的頻譜會混在一起，無法分離，所以插入導頻的位置應該在信號頻譜為零的位置。圖8.1.3所示是頻域插入導頻法的頻譜示意圖。圖8.1.3頻域插入導頻法(a)雙邊帶信號頻譜；(b)插入導頻后信號頻譜

2．時域插入導頻法

時域插入導頻法則是在有用信息傳輸之前，先花一點時間傳輸包含載波信息的導頻信號，接收端收到該載波信息之后，再進行有用信息的傳輸，如圖8.1.4所示。圖8.1.4時域插入導頻法從圖8.1.4所示可知，時域插入導頻法是斷續(xù)傳輸導頻的，即只在專用的時間段里傳輸導頻，而在其他時間段則只傳輸有用信息。這是時域插入導頻法與頻域插入導頻法的最大的區(qū)別。頻域插入導頻法的導頻是混在有用信息中傳輸?shù)模沁B續(xù)傳輸?shù)摹?/p>

由于時域插入導頻法在專用的時間段傳輸導頻，導頻信號與有用信號不會互相干擾，所以一般直接選擇ωc作為導頻頻率。

由于接收端斷斷續(xù)續(xù)收到導頻信號，因此在收到導頻

信號時，就用平方環(huán)法跟蹤載波，而在沒有收到導頻信號時，就保持振蕩，從而產(chǎn)生載波信號。這相當于每過一段時間，接收端就用接收到的導頻載波校準一次自己產(chǎn)生的載波信號，從而保證整個通信過程的載波同步。8.1.3載波同步的性能指標

載波同步系統(tǒng)的主要性能指標有效率、精度、同步建立時間和同步保持時間等。

效率：用于衡量同步方法消耗的功率。由于直接法沒有專門發(fā)送導頻，所以其效率要高于插入導頻法的效率。精度：用于衡量載波同步后接收端載波與發(fā)送端載波之間的相位誤差。顯然精度越高，系統(tǒng)同步性能越好。

同步建立時間：系統(tǒng)從開機到實現(xiàn)同步或從失步狀態(tài)到同步狀態(tài)所需要的時間。顯然同步建立時間越短越好。

同步保持時間：同步狀態(tài)下，如果同步信號消失，系統(tǒng)還能維持同步的時間。顯然同步保持時間越長越好。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，發(fā)送端按照確定的時間順序，逐個傳輸數(shù)碼脈沖序列中的每個碼元。

而在接收端必須有準確的抽樣判決時刻才能正確判決所發(fā)送的碼元。因此，接收端必須提供一個確定抽樣判決時刻的定時脈沖序列。這個定時脈沖序列的重復頻率必須與發(fā)送的數(shù)碼脈沖序列一致，同時在最佳判決時刻(或稱為最佳相位時刻)對接收碼元進行抽樣判決。

8.2位同步技術(shù)把在接收端產(chǎn)生這樣的定時脈沖序列稱為碼元同步，或稱位同步。

實現(xiàn)位同步的方法和實現(xiàn)載波同步的方法類似，也有直接位同步法(自同步法)和插入導頻位同步法(外同步法)兩種，直接法又分為濾波法和鎖相法。8.2.1直接位同步法(自同步法)

當系統(tǒng)的位同步采用自同步法時，發(fā)送端不專門發(fā)送導頻信號，接收端直接從數(shù)字信號中提取位同步信號，這種方法在數(shù)字通信中經(jīng)常采用。

1．濾波法位同步

通過對基帶信號的頻譜分析可以知道，不能直接從不歸零的隨機二進制序列中濾出位同步信號。但是，若對該信號進行某種變換，例如，將其變成單極性歸零脈沖，則該序列中就有f=1/Tb的位同步信號分量，利用一個窄帶濾波器，可將此信號分量濾出，該信號通過一移相器調(diào)整相位后，就可以形成位同步脈沖。這種方法的方框圖如圖8.2.1所示。它的特點是先形成含有位同步信息的信號，再用濾波器將其濾出。而單極性歸零脈沖序列，由于其包含f=1/Tb的位同步信號分量，一般作為提取位同步信號的中間變換過程。圖8.2.1濾波法位同步原理框圖圖8.2.1所示各個部分輸出的波形如圖8.2.2所示。

另一種常用的波形變換方法是對帶限信號進行包絡檢波。某些數(shù)字微波中繼通信系統(tǒng)，通常在中頻上對頻帶受限的2PSK信號進行包絡檢波，以提取位同步信號。

由于頻帶受限，在相鄰碼元的相位變換點附近會產(chǎn)生幅度的平滑“陷落”，經(jīng)包絡檢波后，可以得到位同步信號。圖8.2.3所示是包絡檢波位同步的原理框圖。

圖8.2.3所示各個部分輸出的波形如圖8.2.4所示。圖8.2.2基帶信號的微分整流波形圖8.2.3包絡檢波位同步的原理框圖圖8.2.4包絡檢波位同步的波形圖

2．鎖相法位同步

利用鎖相電路提取位同步信號的方法稱為鎖相法位同步。在數(shù)字通

信系統(tǒng)中，這種鎖相電路常采用數(shù)字鎖相環(huán)來實現(xiàn)。

接收機采用鎖相法提取位同步的鎖相環(huán)路，主要由高穩(wěn)定度振蕩器(晶振)、分頻器、相位比較器和控制電路組成。該電路是利用鎖相環(huán)的窄帶濾波特性來提取位同步信息的。鎖相法位同步通過鑒相器比較接收信號和本地位同步信號的相位，其輸出為兩個信號的相位差。該輸出信號作為誤差信號去調(diào)整本地位同步信號，直到本地位同步信號與接收信號的相位差小于規(guī)定值為止。也就是說通過不斷地比較、反饋、調(diào)整和控制達到二者同步的目的。鎖相環(huán)路是一種反饋控制電路，簡稱鎖相環(huán)(Phase-LockedLoop，PLL)。鎖相環(huán)的特點是：利用外部輸入的參考信號控制環(huán)路內(nèi)部振蕩信號的頻率和相位。鎖相環(huán)可以實現(xiàn)輸出信號頻率對輸入信號頻率的自動跟蹤。在工作過程中，當輸出信號的頻率與輸入信號的頻率相等時，鎖相環(huán)輸出信號與輸入信號的相位差保持固定，即輸出信號與輸入信號的相位被鎖住，這就是鎖相環(huán)名稱的由來。

鎖相環(huán)通常由鑒相器(PhaseDetector，PD)、環(huán)路濾波器(LoopFilter，LF)和壓控振蕩器(VoltageControlledOscillator，VCO)3部分組成，鎖相環(huán)組成的原理框圖如圖8.2.5所示。圖8.2.5鎖相環(huán)原理圖鎖相環(huán)中的鑒相器又稱為相位比較器，它的作用是檢測輸入信號和輸出信號的相位差，并將檢測出的相位差信號轉(zhuǎn)換成ud(t)電壓信號輸出，該信號經(jīng)低通濾波器濾除高頻分量后形成壓控振蕩器的控制電壓uc(t)，對振蕩器輸出信號的頻率實施控制。8.2.2插入導頻的位同步法(外同步法)

為了得到碼元同步的定時信號，首先要確定接收到的信息數(shù)據(jù)流中是否包含有位同步的頻率分量。如果存在此分量，就可以利用濾波器從信息數(shù)據(jù)流中把位同步信息提取出來。

若基帶信號為隨機的二進制不歸零碼序列，這種信號本身不包含位同步信號，為了獲得位同步信號需在基帶信號中插入用于位同步的導頻信號，或者對該基帶信號進行某種碼型變換以得到位同步信息。

插入導頻的位同步法與載波同步時的插入導頻法類似，也是在基帶信號頻譜的零點插入所需的導頻信號，如圖8.2.6所示。圖8.2.6插入導頻的位同步法的頻譜圖在接收端，對圖8.2.6(a)所示的情況，通過中心頻率f=1/Tb的窄帶濾波器，就可從解調(diào)后的基帶信號中提取出位同步所需的信號。這時，位同步脈沖的周期與插入的導頻周期是一致的；對圖8.2.6(b)所示的情況，窄帶濾波器的中心頻率f應為1/2Tb。因為這時的位同步脈沖的周期為插入導頻周期的1/2，故需將插入的導頻2倍頻，才能獲得所需的位同步脈沖。圖8.2.7給出了插入導頻的位同步法的方框圖。在圖8.2.7(a)中基帶信號經(jīng)相關編碼器處理后，其頻譜在f=1/2Tb位置為零，這樣就可以在f=1/2Tb處插入位同步導頻。接收端的原理框圖如圖8.2.7(b)所示。從該圖可以看出，由窄帶濾波器取出的導頻(fb/2)經(jīng)過移相和倒相后，再經(jīng)過相加器把基帶數(shù)字信號中的導頻成分抵消。

由窄帶濾波器取出的另一路導頻，經(jīng)過移相、放大限幅、微分全波整流和整形等電路，產(chǎn)生位同步脈沖。微分全波整流電路起倍頻器的作用，因此雖然導頻是fb/2，但同步脈沖的重復頻率則變?yōu)榕c碼元速率相同的fb。兩個移相器都用于消除由窄帶濾波器等引起的相移，這兩個移相器可以合用。圖8.2.7插入導頻的位同步法的方框圖插入導頻的位同步法的另一種形式是使數(shù)字信號的包絡按位同步信號的某種波形變化。PSK信號和FSK信號都是包絡不變的等幅波，因此，將位導頻信號調(diào)制到它們的包絡上，接收端就可用普通的包絡檢波器恢復出位同步信號。事實上，同步信號也可以在時域內(nèi)插入，這時載波同步信號、位同步信號和數(shù)據(jù)信號等信息分別被配置在不同的時間段內(nèi)傳送。時域插入導頻的位同步法與時域插入載波的位同步法之原理是一樣的。8.2.3位同步系統(tǒng)的性能指標

位同步系統(tǒng)的性能指標除了效率以外，主要有以下4個：相位誤差(精度)，同步建立時間，同步保持時間，同步帶寬。

(1)相位誤差。同步建立并穩(wěn)定后，收、發(fā)端的相位偏差稱為相位誤差。相位誤差越小，系統(tǒng)的位同步性能越好。

(2)同步建立時間。同步建立時間即失去同步后重建同步所需的最長時間。系統(tǒng)同步建立時間越短越好，這樣，系統(tǒng)才能更快地正常工作。

(3)同步保持時間。同步建立后，遇到特殊情況(如信號中斷，信號為長“0”或長“1”信號)時，接收端同步電路無法正常工作，此時接收端仍能正常抽樣判決的時間，即從接收端無法收到位同步信號開始，到接收端失步，導致無法正確抽樣判決為止的這段時間稱為同步保持時間。顯

然，同步保持時間越長越好。

(4)同步帶寬。同步帶寬是指位同步頻率與碼元速率之差。如果這個頻率差超過一定范圍，就會導致位同步不正常。同步帶寬越寬越好，這樣，位同步就會相對穩(wěn)定，不會因為一點點偏差，就無法工作。在數(shù)字通信時，一般總是以一定數(shù)目的碼元組成一個個的“字”或“句”，即組成一個個的“群”進行傳輸?shù)?。因此，群同步信號的頻率很容易由位同步信號經(jīng)分頻而得出。但是，每個群的開頭和末尾時刻卻無法由分頻器的輸出決定。群同步的任務就是在位同步信息的基礎上，識別出數(shù)字信息群(“字”或“句”)的起止時刻，或者說給出每個群的“開頭”和“末尾”時刻。8.3群(幀)同步技術(shù)群同步有時也稱為幀同步。為了實現(xiàn)群同步，可以在數(shù)字信息流中插入一些特殊碼字作為每個群的頭、尾標記，這些特殊的碼字不應該在信息碼元序列中出現(xiàn)，或者即使偶然出現(xiàn)，但不會重復出現(xiàn)，此時只要將這個特殊碼字連發(fā)幾次，接收端就能識別出來。接收端根據(jù)這些特殊碼字的位置就可以實現(xiàn)群同步。

本節(jié)主要講述插入特殊碼字以實現(xiàn)群同步的方法。

插入特殊碼字實現(xiàn)群同步的方法有兩種，即連貫式插入法和間隔式插入法。在介紹這兩種方法以前，先簡單介紹一種在電傳機中廣泛使用的起止式群同步法。8.3.1起止同步法

目前在電傳機中廣泛使用的同步方法，就是起止式群同步法，下面就以電傳機為例，簡要地介紹一下這種群同步法的工作原理。

電傳報文的一個字由7.5個碼元組成。假設電傳報文傳送的數(shù)字序列為10010，則其碼元結(jié)構(gòu)如圖8.3.1所示。從圖中可以看到，在每個字開頭，先發(fā)一個碼元的起脈沖(負值)，中間5個碼元是信息，字的末尾是1.5碼元寬度的止脈沖(正值)。接收端根據(jù)正電平第一次轉(zhuǎn)到負電平的這一特殊規(guī)律，確定一個字的起始位置，因而就實現(xiàn)了群同步。由于這種同步方式中的止脈沖寬度與碼元寬度不一致，就會給同步數(shù)字傳輸帶來不便。另外，在這種同步方式中，7.5個碼元中只有5個碼元用于傳遞信息，因此編碼效率較低。但起止同步法的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，特別適合于異步低速數(shù)字傳輸方式。圖8.3.1起止同步的信號波形8.3.2連貫式插入法

連貫式插入法就是在每個群的開頭集中插入群同步碼字的同步方法。首先作為群同步碼字的特殊碼字應該具有尖銳單峰特性的局部自相關特性，其次，該特殊碼字在信息碼元序列中不易出現(xiàn)以便識別，最后識別該特殊碼字的群同步識別器應盡量簡單。目前已經(jīng)找到的最常用的群同步碼字

就是“巴克”碼。巴克碼的特殊規(guī)律是：n位巴克碼x1x2…xn的每個碼元xi只可能取值+1或-1，且滿足下列條件

(8-3-1)式(8-3-1)中，R(j)稱為局部自相關函數(shù)。從計算巴克碼的局部自相關函數(shù)可以看到，它滿足作為群同步碼字的第一條特性，也就是說，巴克碼的局部自相關函數(shù)具有尖銳單峰特性，從后面的分析可以看出，其識別器的結(jié)構(gòu)非常簡單。目前人們已找到了多個巴克碼字，具體情況如表8-3-1所示。表中“+”表示“+1”，“-”表示-1。表8-3-1巴克碼字由此可見，巴克碼的自相關函數(shù)具有很明顯的單峰形狀，在j=0時達到最大值，如圖8.3.2所示。顯然，同步系統(tǒng)利用巴克碼的自相關函數(shù)的單峰特性，就很容易找到最大值

對應的j=0的位置，從而實現(xiàn)同步。

圖8.3.3是7位巴克碼的自相關函數(shù)的曲線圖，其單峰特性十分明顯，而且峰值比5位巴克碼還要高。通過推導可知，巴克碼的位數(shù)越高，其單峰的峰值也越高，同步特性也越好。無線局域網(wǎng)的IEEE802.11標準中采用的就是11位巴克碼同步。圖8.3.25位巴克碼的自相關函數(shù)曲線圖8.3.37位巴克碼的自相關函數(shù)曲線本章主要講述了通信系統(tǒng)中的重要技術(shù)——同步技術(shù)。按照其功能的不同可以把同步分為載波同步、位同步、群(幀)同步和網(wǎng)同步4種。本章按照這種分類方法，分別介紹了不同同步技術(shù)的原理、應用場合以及衡量同步技術(shù)的性能指標等內(nèi)容。

此外根據(jù)傳輸同步信息的方式不同，同步技術(shù)又可分為外同步和自同步。外同步和自同步的概念是本章需要重點掌握的內(nèi)容。本章小結(jié)本章還介紹了衡量同步技術(shù)性能的部分指標。載波同步系統(tǒng)的主要性能指標有效率、精度、同步建立時間和同步保持時間。位同步系統(tǒng)的性能指標主要是效率、相位誤差、同步建立時間、同步保持時間和同步帶寬。

一、選擇題

1.由發(fā)送端發(fā)送專門的同步信息，接收端把這個專門的同步信息檢測出來作為同步信號的方法，被稱為()。

A.外同步法B.自同步法

C.位同步法D.群同步法

2.下列信號中同步可以采用直接法的是()。

A.DSBB.AMC.PMD.FM習題

3．在相干解調(diào)中，要求接收端信號與發(fā)送端實現(xiàn)()，解調(diào)后的脈沖信號對準最佳取樣判決位置的過程叫()，把各組數(shù)據(jù)區(qū)別開來則需要()，為了保證各用戶建立可靠的通信，還必須實現(xiàn)()。

A.位同步 B.載波同步

C.網(wǎng)同步 D.群同步

4．PCM30/32的E1幀結(jié)構(gòu)中，第0時隙通常用于同步，屬于()。

A.位同步 B.載波同步

C.網(wǎng)同步 D.群同步

5．在無線局域網(wǎng)中，無線信號在幀頭部分插入11位巴克碼進行同步，這種同步方法屬于()。

A.位同步 B.載波同步

C.網(wǎng)同步 D.群同步

二、簡答題

1. 同步技術(shù)主要有哪幾種？各種同步信號主要有什么作用？

2. 請說明自同步技術(shù)和外同步技術(shù)的區(qū)別及各自的優(yōu)點與缺點。

3. 請說明衡量同步技術(shù)性能的主要技術(shù)指標。一、實訓目的

(１)了解幀