数字通信原理与技术：第6章 同 步 系 统

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1、第 6 章 同 步 系 统 第 6 章 同 步 系 统 6.1 概述概述 6.2 载波同步技术载波同步技术 6.3 位同步技术位同步技术 6.4 群同步群同步(帧同步帧同步)技术技术 第 6 章 同 步 系 统 6.1 概概 述述 6.1.1 不同功用的同步不同功用的同步 1.载波同步载波同步 2.位同步位同步(码元同步码元同步)3.群同步群同步(帧同步帧同步)4.网同步网同步 第 6 章 同 步 系 统 6.1.2 不同传输方式的同步不同传输方式的同步 1.外同步法外同步法 2.自同步法自同步法 第 6 章 同 步 系 统 6.2 载波同步技术载波同步技术 载波同步的方法通常有直接法(自同步

2、法)和插入导频法(外同步法)两种。直接法又可分为非线性变换滤波法和特殊锁相环法。用直接法提取载波分量的另一途径是采用特殊的锁相环，这种特殊锁相环具有从已调信号中消除调制和滤除噪声的功能，所以能鉴别接收已调信号中被抑制了的载波分量与本地VCO输出信号之间的相位误差，从而恢复出相应的相干载波。通常采用的特殊环路有：同相正交环、逆调制环、判决反馈环和基带数字处理载波跟踪环等。第 6 章 同 步 系 统 插入导频法也可以分为两种：一种是在频域插入，即在发送信息的频谱中或频带外插入相关的导频；另一种是在时域插入，即在一定的时段上传送载波信息。对载波同步的要求是：发送载波同步信息所占的功率尽量小，频带尽量

3、窄。载波同步的具体实现方案与采用的数字调制方式有着一定的关系。也就是说，具体采用哪一种载波同步方式，应视具体的调制方式而定。第 6 章 同 步 系 统 6.2.1 非线性变换非线性变换滤波法滤波法 1.平方变换法平方变换法 图 6-1 平方变换法提取同步载波 带通低通x(t)ni(t)平方律部件二分频2fc窄带滤波e(t)2fcfcx(t)cosct第 6 章 同 步 系 统 ttxtxttxtecccos)(21)(21cos)()(222 对于2PSK信号，x(t)是双极性矩形脉冲，设x(t)=1，则x2(t)=1，这样已调信号x(t)cosct经过非线性变换平方律部件后得 ttec2co

4、s2121)(第 6 章 同 步 系 统 2.平方环法平方环法 图 6-2 平方环法提取载波 鉴相器开路滤波器压控振荡器平方律部件二分频锁 相 环输入已调信号载波输出第 6 章 同 步 系 统*3.M次方环法次方环法 设输入的QPSK信号为)(cos)(11ttUtscm图 6-3 四次方环原理方框图 鉴相环路滤波器(*)4压控(*)4参考载波s(t)QPSKU1(t)UDU2(t)第 6 章 同 步 系 统 输入信号经过四次方运算后，调制信息被消除，产生了四倍的载波分量)44cos(41)(1411tUtucm设环路已经锁定，压控振荡器的正弦电压经过四次方后送给鉴相器的信号为)44sin()

5、(222tUtucm则鉴相器输出为 4sin)(4sin811224121dmmmmdKUUKuuKu取基波第 6 章 同 步 系 统 图 6-4 四次方环鉴相特性 第 6 章 同 步 系 统 同样原理，对MPSK信号就可以采用M次方环，其原理方框图与图 6-3 相似。M次方环的鉴相特性为 可以看出，M次方环的非线性处理方式是在中频上进行的。通过M次倍频后，键控信号的调制信息被消除，产生了M倍载频分量；然后用普通锁相环对M倍载频分量进行跟踪，由此得到了参考载波。M次方环的鉴相特性为正弦型，它具有M重相位模糊。MKuddsin第 6 章 同 步 系 统 6.2.2 特殊锁相环法特殊锁相环法 1.

6、同相同相正交环法正交环法(科斯塔斯环科斯塔斯环)图 6-5 同相正交环法(科斯塔斯环)x(t)cosct低通 相移压控振荡器低通环路滤波器x(t)v5v6v4v2v1v1v3v790第 6 章 同 步 系 统 假定环路已锁定，若不考虑噪声，则环路的输入信号为 ttxccos)(同相与正交两鉴相器的本地参考信号分别为)sin()90cos()cos(21ttvtvccc第 6 章 同 步 系 统 那么输入信号与v1,v2相乘后得)2sin()sin(21)sin(cos)()2cos()cos(21)cos(cos)(43ttxtttxvttxtttxvcccccc经过低通滤波器后分别得 cos

7、)(21cos)(2165txvtxvv5,v6经过乘法器后得)(412)(812sin)(81cossin)(412222657txtxtxtxvvv第 6 章 同 步 系 统 延迟环路滤波器V CO判决 移相2二相 PSKZp(t)Zp(t)D(t)U1cos(ct1)逆调制鉴相 U1cos(ct 1)UdU1s in(ct 2)U2cos(ct 2)Up(t)D(t)相位解调(a)延迟环路滤波器V CO二相 PSKZp(t)D(t)U1cos(ct 1)调制器鉴相Ud D(t)U2s in(ct 2)Up(t)D(t)相位解调(b)移相2判决图 6-6 逆调制环*2.逆调制环逆调制环 第

8、 6 章 同 步 系 统 设环路已锁定，输入2PSK信号和VCO信号如图6-6(a)所示，则相位解调器输出电压为)cos()()(12tDKtupp根据进入锁定时的相位差(2-1)所处的象限来对D(t)进行判决。若(2-1)是处于第一、四象限，判决输出；若处于第二、三象限，判决输出 。上式中Kp为电路决定的增益常数。基带数字信号波形 对输入二相PSK进行再次调制后消除调制包络，得到U1cos(ct+1),再送到环路鉴相器。经鉴相并取直流输出为)(tD)(tD)(tD012sin)sin(dddKKU第 6 章 同 步 系 统*3.判决反馈环判决反馈环 图 6-7 判决反馈环 延时二相PSKZp

9、(t)cosctUd判决 移相2VCO环路滤波器UIUID(t)sinctUQQ相位解调I相位解调第 6 章 同 步 系 统)cos()()cos()(121211tDKutDKuQQ象限）在当（象限）在当（3,2),(4,1),(12121tDtDU012sin)sin(dddKKU第 6 章 同 步 系 统 6.2.3 插入导频法插入导频法(外同步法外同步法)图 6-8 几种信号的正频域频谱图 第 6 章 同 步 系 统 图 6-9 DSB发射机中导频的插入 tattAxtucccossin)()(0相关编码器带通x(t)x(t)uo(t)相加 相移Asinctacosct90第 6 章

10、同 步 系 统 图 6-10 相干解调器 相关译码器带通uo(t)低通90相移asinctacosctfc窄带滤波Ax(t)sinctacosctx(t)Aa2x(t)Aa2第 6 章 同 步 系 统 假设接收到的信号就是u0(t),u0(t)中的导频经过fc窄带滤波器滤出来，再经过 90相移电路后得asinct,u0(t)与asinct加到乘法器输出)2sin212cos)(21)(21)cossinsin)()sin(cossin)(222tattAxtAaxttattAaxtatattAxcccccccc经过低通滤波器以后，得Aax(t)/2。第 6 章 同 步 系 统 2.在残留边带信

11、号中插入导频在残留边带信号中插入导频(1)残留边带频谱的特点。图 6-11 残留边带频谱 第 6 章 同 步 系 统 (2)插入导频f1,f2的选择。可以在残留边带频谱的两侧插入f1和f2;f1和f2不能与(fc-fm)和(fc+fr)靠得太近，太近不易滤出f1和f2，但也不能太远，太远占用过多频带。假设其中fr是残留边带信号形成滤波器滚降部分占用带宽的一半，而fm为基带信号的最高频率。2211)()(ffffffffrcmc第 6 章 同 步 系 统 (3)载波信号的提取。在插入导频的VSB信号中提取载波的方框图如图 6-12 所示。接收的信号中包含有VSB信号和f1,f2两个导频。假设接收

12、信号中两个导频是)cos()cos(2211tt1为第一个导频的初相 2为第二个导频的初相 发送端的载波为cos(ct+c)，收端提取的同步载波也应该是cos(ct+c)。第 6 章 同 步 系 统 图 6-12 插入导频的VSB信号的载波提取 带通低通f1窄带滤波f2窄带滤波(f2f1)低通q次分频fc窄带滤波移相v6v5v4v3v2v1接收信号VSB信号和f1 、f2两个导频让VSB信 号通过，滤除f1、f2第 6 章 同 步 系 统 3.时域插入导频法时域插入导频法 图 6-13 时域插入导频法 位同步帧同步载波同步信息位同步帧同步载波同步信息第一帧第二帧t0t1t2t3t4(a)带通解

13、调线性门鉴相器环 路滤波器压 控振荡器锁相环门控信号接收信号(b)第 6 章 同 步 系 统 6.2.4 载波同步系统的性能指标载波同步系统的性能指标(1)效率。(2)精度。(3)同步建立时间ts。(4)同步保持时间tc。第 6 章 同 步 系 统 6.3 位位 同同 步步 技技 术术 6.3.1 插入导频法插入导频法(外同步法外同步法)图 6-14 功率谱密度特性 第 6 章 同 步 系 统 图 6-15 位定时导频插入法方框图(a)发端；(b)收端 相关编码器调制x(t)x(t)信道相加cosct位定时导频fb2(a)fc输入信号带通相乘低通相加波形反变换取样判决同步载波提取窄带滤波移相倒

14、相移相放大限幅微分全波整流整形fb2fb2fb(b)第 6 章 同 步 系 统 6.3.2 自同步法自同步法 1.从基带数字信号中提取同步信息从基带数字信号中提取同步信息(1)微分、全波整流滤波法。图图 6-16 微分、全波整流微分、全波整流滤波法方框图及各点波形图滤波法方框图及各点波形图(a)方框图；方框图；(b)波形图波形图 第 6 章 同 步 系 统(2)从延迟解调的基带信号中滤取位同步分量。图 6-17 从延迟解调的基带信号中滤取位同步分量(a)方框图；(b)波形图 第 6 章 同 步 系 统(3)延迟相乘滤波法。图 6-18 延迟相乘滤波法(a)方框图；(b)波形图 第 6 章 同

15、步 系 统 2.从已调信号中提取位同步信息从已调信号中提取位同步信息 1)包络检波滤波法 (1)采用包络检波滤波法从频带受限的中频PSK信号提取同步信息。由于频带受限的中频PSK信号在相位反转点处形成幅度的“陷落”，所以可以采用包络检波滤波法来提取位同步信息。这种方法的方框图和波形图如图 6-19 所示。第 6 章 同 步 系 统 图 6-19 从中频PSK信号中提取位同步信息(a)方框图；(b)波形图 第 6 章 同 步 系 统(2)采用包络检波滤波法从报头中提取位同步信息。图图 6-20 从报头中提取位同步信息从报头中提取位同步信息 第 6 章 同 步 系 统 3.锁相法提取位同步信号锁相

16、法提取位同步信号 图 6-22 数字锁相原理方框图 放大限幅比相器n次分频1常开门常闭门(扣除门)(附加门)形成网络标准振荡位脉冲输出超前脉冲滞后脉冲自解调输出信号u1u2第 6 章 同 步 系 统 6.3.3 位同步系统的性能指标位同步系统的性能指标 1.相位误差相位误差 2.同步建立时间同步建立时间 3.同步保持时间同步保持时间 4.同步带宽同步带宽 第 6 章 同 步 系 统 6.4 群同步群同步(帧同步帧同步)技术技术 群同步问题实质上是一个对群同步标志进行检测的问题。对群同步系统的基本要求是：(1)正确建立同步的概率要大，即漏同步概率要小，错误同步或假同步的概率要小。(2)捕获时间要

17、短，即同步建立的时间要短。(3)稳定地保持同步。采取保持措施，使同步保持时间持久稳定。(4)在满足群同步性能要求条件下，群同步码的长度应尽可能短些，这样可以提高信息传输效率。第 6 章 同 步 系 统 6.4.1 起止式同步法起止式同步法 图 6-23 电传机编码波形 止起止7.5个码元5个码元(信息)第 6 章 同 步 系 统 6.4.2 连贯式插入法连贯式插入法 1.巴克码巴克码 巴克码是一种具有特殊规律的二进制码组，是有限长的非 周 期 序 列。它 的 特 殊 规 律 是：若 一 个 n 位 的 巴 克 码x1,x2,x3,xn，每个码元xi只可能取值+1 或-1，则它必然满足条件 1,

18、1,0)(1nxxjRjnijiinjj00当当第 6 章 同 步 系 统 表表 6-1 巴巴 克克 码码 组组 第 6 章 同 步 系 统 以以n=7 为例，它的局部自相关函数如下：为例，它的局部自相关函数如下：第 6 章 同 步 系 统 图 6-24 7 位巴克码的自相关函数 R(j)765432101234567-1-2-3-4-5-6-7j1第 6 章 同 步 系 统 2.巴克码识别器巴克码识别器 图 6-25 7位巴克码识别器 判决相 加0 1(7)0 1(6)0 1(5)0 1(4)0 1(3)0 1(2)0 1(1)输入码元移位方向第 6 章 同 步 系 统 6.4.5 群同步系

19、统的性能指标群同步系统的性能指标 1.群同步可靠性群同步可靠性 群同步可靠性受两个因素的影响。第一，由于干扰的存在，接收的同步码组中可能出现一些错误码元，从而使识别器漏识别已发出的同步码组，出现这种情况的概率称为漏同步概率，记为P1。第二，在接收的数字信号序列中，也可能在表示信息的码元中出现与同步码组相同的码组，它被识别器识别出来误认为是同步码组而形成假同步信号。出现这种情况的概率称为假同步概率，记为P2。这两种概率就是衡量群同步可靠性的主要指标。第 6 章 同 步 系 统 设Pe为码元错误概率，n为同步码组的码组元数，m为判决器容许码组中的错误码元最大数，则同步码组码元n中所有不超过m个错误

20、码元的码组都能被识别器识别，因而，未漏同步概率为 mrrnerernPPC0)1(故得漏同步同步概率为 mrrnerernPPCP01)1(1第 6 章 同 步 系 统 假同步概率P2的计算就是计算信息码元中能被判为同步码组的组合数与所有可能的码组数之比。设二进制信息码中 1、0 码等概率出现，P(1)=P(0)=0.5，则由该二进制码元组成n位码组的所有可能的码组数为2n个，而其中能被判为同步码组的组合数也与m有关，若m=0，只有C0n个码组能识别；若m=1，则有个码组能识，其余类推。写成普遍式，信息码中可被判为同步码组的组合数为 10nnCC mrrnC0，由此可得假同步概率的普遍式为 m

21、rrnnCP0221第 6 章 同 步 系 统 例题例题 设群同步码组中的码元数n=7，系统的误码率Pe=10-3，当最大错码数m=1 时，试求其可靠性指标。漏同步概率 5333731037371101.210)101(710)101(110)101(1rrrCP假同步概率1027772103.6)71(2121rrCP第 6 章 同 步 系 统 2.平均同步建立时间平均同步建立时间ts 对于连贯式插入法，假设漏同步和假同步都不出现，在最不利的情况下，实现帧同步最多需要一帧时间，设每帧的码元数为N,每码元的时间宽度为Tb，则一帧的时间为NTb。在建立同步过程中，如出现一次漏同步，则建立时间要增加NTb；如出现一次假同步，建立时间也要增加NTb，因此，帧同步的平均建立时间为 bsNTPPt)1(21对于分散式插入法，其平均建立时间经过分析计算可得 bsTNt2第 6 章 同 步 系 统 6.4.4 群同步的保护群同步的保护 图图 6-27 连贯式插入法群同步保护原理图连贯式插入法群同步保护原理图 分频器n&3置“1”1&1识别器位同步收码调判决门限&4n2&2群同步输出置“0”S 状态 QR QC