通信原理第9章同步原理课件

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1、1 概概 述述信信 源源发送端发送端接收端接收端信道编码信道编码调调 制制信信 道道压缩编码压缩编码解解 调调信信 宿宿保密解码保密解码信道解码信道解码压缩解码压缩解码保密编码保密编码噪声噪声同步同步信源编码信源编码信源解码信源解码数字通信系统模型数字通信系统模型2 同步需要解决的问题同步需要解决的问题 要实现信号的正确传输，要求接收机产生的要实现信号的正确传输，要求接收机产生的信号与发射机发送过来的信号具有相同的频率与信号与发射机发送过来的信号具有相同的频率与相位关系，称具有相同频率和相位的时间关系的相位关系，称具有相同频率和相位的时间关系的两信号为同步信号。两信号为同步信号。载波同步载波同

2、步数字信号同步数字信号同步位同步位同步群同步（字同步）群同步（字同步）网同步网同步39.1 同步的分类同步的分类 9.1.1 按同步的功能分类按同步的功能分类 功用来分：同步可以分为载波同步、位功用来分：同步可以分为载波同步、位同步（码元同步）、帧同步（群同步）和网同步（码元同步）、帧同步（群同步）和网同步（通信网中用）。同步（通信网中用）。1、载波同步、载波同步BPFBPFLPF tm 11costtct 11costtm 22costtcr tm tz4接收端作相干解调，得接收端作相干解调，得低通滤波器后输出差频，得低通滤波器后输出差频，得因此，要求收发端同频同相。因此，要求收发端同频同相

3、。2211coscostttmtz 2121cos21ttmtm5 2、位同步、位同步 位同步：要求在接受端产生于发送端相位同步：要求在接受端产生于发送端相同码元重复频率，并且具有合适的相位位置。同码元重复频率，并且具有合适的相位位置。3、帧同步、帧同步 建立在位同步基础之上，通常由位同步建立在位同步基础之上，通常由位同步分频产生，关注的是为同步产生的位置。分频产生，关注的是为同步产生的位置。4、网同步、网同步69.1.2 按同步的实现方法分类按同步的实现方法分类 外同步法：在适当的位置，专门发送同外同步法：在适当的位置，专门发送同步信息。步信息。自同步法：同步信息可以从信号中直接自同步法：同

4、步信息可以从信号中直接提取出来。提取出来。在通信系统中，通常都是要求同步信息传在通信系统中，通常都是要求同步信息传输的可靠性高于信号传输的可靠性。输的可靠性高于信号传输的可靠性。79.2 载波同步载波同步9.2.1 直接法（自同步法）直接法（自同步法）1.平方变换法平方变换法 设调制信号中无直流分量，则抑制载设调制信号中无直流分量，则抑制载波的双边带信号为：波的双边带信号为：经过一个平方律部件后就得到经过一个平方律部件后就得到 ttmtsccos ttmtmttmtecc2cos212cos22228平方律部件2fc 窄带滤波器二分频输入已调信号e(t)载波输出平方律部件二分频输入已调信号载波

5、输出鉴相器环路滤波器压控振荡器锁相环锁相环 二分频电路提取出的载波存在二分频电路提取出的载波存在相位模相位模糊问题。糊问题。2.平方环法平方环法93.科斯塔斯环科斯塔斯环 输入已调信号 相移低通压控振荡器环路滤波器2低通载波输出1v2v3v4v5v6v7v ttmccos ttmtttmvttmtttmvcccccc2sinsin21sincos2coscos21coscos4310经低通后的输出分别为经低通后的输出分别为：乘法器的输出为：乘法器的输出为：上式可以近似地表示为：上式可以近似地表示为：4.多相移相信号中提取同步信息多相移相信号中提取同步信息 数字通信中经常使用多相移相信号，这数字

6、通信中经常使用多相移相信号，这类信号同样可以利用多次方变换法从已调信类信号同样可以利用多次方变换法从已调信号中提取载波信息。号中提取载波信息。sin21cos2165tmvtmv 2814122657sincossintmtmvvv tmv274111 9.2.2 插入导频法插入导频法 1、双边带信号中插入导频、双边带信号中插入导频 插入的位置应在频谱位零处，导频与加插入的位置应在频谱位零处，导频与加在调制器的那个载波移相在调制器的那个载波移相90后的所谓后的所谓“正正交载波交载波”。其输出信号可表示为：其输出信号可表示为：相乘调制带通相加 相移2 tmtaccsin输出 tu0带通相乘器 相

7、移2输出 tm tu0fc 窄带滤波器低通 tv tattmatucccccossin012 tattmatmatatattmatvccccccccccc22222222sincossincossin收端乘法器输出为：收端乘法器输出为：2、残留边带信号中插入导频、残留边带信号中插入导频 1f2f1f2fcfrfmcff fH2211ffffffffrcmc13 3、直接法和插入导频法的比较、直接法和插入导频法的比较 （1）不占用导频功率不占用导频功率;（2）防止导频和信号间的互相干扰；防止导频和信号间的互相干扰；（3）防止信道不理想引起导频相位误差防止信道不理想引起导频相位误差。插入导频法的优

8、缺点主要表现在；插入导频法的优缺点主要表现在；（1）可以利用它作为自动增益控制；可以利用它作为自动增益控制；（2）多消耗一部分不带信息的功率。多消耗一部分不带信息的功率。14 9.2.3 载波同步系统的性能指标载波同步系统的性能指标 载波同步系统的主要性能包括：效率、载波同步系统的主要性能包括：效率、精度、同步建立时间和同步保持时间。精度、同步建立时间和同步保持时间。1、载波同步精度、载波同步精度 精度是指提取的同步载波与载波标准比精度是指提取的同步载波与载波标准比较，它们之间的相位误差大小。较，它们之间的相位误差大小。（1 1）稳态相位误差）稳态相位误差 02QvK15 （2）随机相位误差）

9、随机相位误差 从物理概念上讲，正弦波加上随机噪声从物理概念上讲，正弦波加上随机噪声以后，相位变化是随机的，它与噪声的性质以后，相位变化是随机的，它与噪声的性质和信噪功率比有关。和信噪功率比有关。2、载波同步的效率、载波同步的效率 3、同步建立时间和保持时间、同步建立时间和保持时间 建立时间建立时间 保持时间保持时间rn212QAfn2002kQts1120lnkQtc120ln169.2.4 频率误差和相位误差对解调性能影响频率误差和相位误差对解调性能影响 1、既有频差又有相位差、既有频差又有相位差 解调后得到的信号是：解调后得到的信号是：2、只有相位差、只有相位差 对于对于2PSK信号而言，

10、会使误码率增大。信号而言，会使误码率增大。ttmtmcos21cos21erfcPe179.3 位同步位同步9.3.1 位同步的作用与分类位同步的作用与分类 1、基本要求、基本要求 码元速率相同，码元相位对准。码元速率相同，码元相位对准。2、作用、作用 判决器的抽样脉冲；解码脉冲；判决器的抽样脉冲；解码脉冲；PCM系统；帧同步的基准；信表信号。系统；帧同步的基准；信表信号。3、分类、分类 自同步和插入导频法。自同步和插入导频法。189.3.1 插入导频法插入导频法 1、插入位定时导频法、插入位定时导频法 位置位置 bT1bT2bT3bT21ffP(f)P(f)(a)(b)bT119带通相乘载波

11、同步提取低通窄带滤波相移相移倒相相加放大限幅微分全波整流波形反变换抽样判决整形fc2bf2bffb输入信号相关编码器相加 位同步导频调制2bf tm tmtccos(a)(b)框图框图 2、波形变化法、波形变化法 插入导频法的另一种形式是使数字信号的插入导频法的另一种形式是使数字信号的包络按位同步信号的某种波形变化。包络按位同步信号的某种波形变化。209.3.3 直接法直接法 当系统的位同步采用自同步方法时，发当系统的位同步采用自同步方法时，发端不专门发送导频信号，而直接从数字信号端不专门发送导频信号，而直接从数字信号中提取位同步信号。中提取位同步信号。1、滤波法、滤波法 波形变换 窄带滤波器

12、移相脉冲形成全占空码单极性归零码fb位同步212、采用锁相法提取位同步、采用锁相法提取位同步 3、直接从频带信号中提取同步信号、直接从频带信号中提取同步信号 另一种常用的波形变换方法是对带限信另一种常用的波形变换方法是对带限信号进行包络检波。号进行包络检波。22 9.3.4 位同步系统的性能指标位同步系统的性能指标 位同步系统的性能指标除了效率以外，位同步系统的性能指标除了效率以外，主要有以下几方面主要有以下几方面1、相位误差、相位误差 由上图可见一个码元周期内由晶振来的由上图可见一个码元周期内由晶振来的脉冲数为脉冲数为n个，因此，最大调整相位为：个，因此，最大调整相位为：ne 36023 2

13、、同步建立时间、同步建立时间ts 定义：失去同步后重建同步最所需的长定义：失去同步后重建同步最所需的长时间。时间。故同步建立时间为：故同步建立时间为：3、同步保持时间、同步保持时间tc 系统因为没有输入，使得收端位同步信系统因为没有输入，使得收端位同步信号的相位就会逐渐发生漂移，时间越长，相号的相位就会逐渐发生漂移，时间越长，相位漂移量越大，直至漂移量达到某一准许的位漂移量越大，直至漂移量达到某一准许的最大值，就算失步了。最大值，就算失步了。22nnTTNbbbbsnTNTt 224KtFKFtFFtKTccc1100或202112212111FFFFFFFFTT0210210TTTFFTTF

14、000002212122FFKFttKFFFFFcc或25 4、同步带宽、同步带宽f 如果输入信号码元的重复频率和收端固如果输入信号码元的重复频率和收端固有位定时脉冲的重复频率不相等时，每经过有位定时脉冲的重复频率不相等时，每经过T0时间该频差会引起时间该频差会引起 的时间漂移。的时间漂移。锁相环每次所能调整的时间为锁相环每次所能调整的时间为Tb/n则：则：21TT 0021212nFnTTTnFfnFFfTT221002021265、相位误差对性能的影响、相位误差对性能的影响 相位误差的大小将直接影响到抽样点的相位误差的大小将直接影响到抽样点的位置，误差越大，越偏离最佳抽样时刻。位置，误差越

15、大，越偏离最佳抽样时刻。这时的误码率可以表示为这时的误码率可以表示为00214141nTTEerfcnEerfcPbee279.4 帧同步帧同步 帧同步的任务就是在位同步信息的基帧同步的任务就是在位同步信息的基础上，识别出数字信息群的起止时刻，或础上，识别出数字信息群的起止时刻，或者说给出每个群的者说给出每个群的“开头开头”和和“末尾末尾”时时刻。刻。10.4.1 帧同步的方法帧同步的方法 为了实现群同步，可在数字信息流中为了实现群同步，可在数字信息流中插入一些特殊码字作为每个群的头尾标记。插入一些特殊码字作为每个群的头尾标记。实现方法：连贯式插入法和间隔式插实现方法：连贯式插入法和间隔式插入

16、法。入法。281、起止同步法、起止同步法 2、连贯式插入法、连贯式插入法 连贯式插入法就是在每群的开头集中插连贯式插入法就是在每群的开头集中插入群同步码字的同步方法。该方法的关键是入群同步码字的同步方法。该方法的关键是需要找到一个特殊的帧同步码组。需要找到一个特殊的帧同步码组。巴克码巴克码 止 起5个码元（信息）7.5个码元止29 巴克码巴克码 它的特殊规律是：若一个它的特殊规律是：若一个n位的巴克码位的巴克码x1,x2,x3,xn，每个码元，每个码元xi 只可能取值只可能取值+1或或-1，则它必然满足条件，则它必然满足条件 njjnxxjRjnijii001101当当,巴克码识别器巴克码识别

17、器 识别器用识别器用10级移位寄存级移位寄存器、相加器和判决器就可以器、相加器和判决器就可以组成，具体结构如图所示。组成，具体结构如图所示。246-2-4-6246R(j)300 1(7)0 1(6)0 1(5)0 1(4)0 1(3)0 1(2)0 1(1)相 加判决输入码元移动方向10111001011100信息码巴克码巴克码一群ttt1(a)(b)31 判决器输出的两个脉冲之间的数据，称判决器输出的两个脉冲之间的数据，称为一群数据或称为一帧数据。为一群数据或称为一帧数据。对于信息而言，由于其具有的随机特性，对于信息而言，由于其具有的随机特性，使得我们考察一种最不利的情况：使得我们考察一种

18、最不利的情况：22446681012a相加器输出图7-18 相加器输出波形32 3、间歇式插入法、间歇式插入法 将群同步码字分散地插入道信息之中，将群同步码字分散地插入道信息之中，即每隔一定数量的信息码元，插入一个群同即每隔一定数量的信息码元，插入一个群同步码字。这种群同步码字的插入方式被称为步码字。这种群同步码字的插入方式被称为间歇式插入法。间歇式插入法。24路路PCM系统中，群同步则系统中，群同步则采用间歇式插入法。采用间歇式插入法。收端要确定群同步码位置的方法：收端要确定群同步码位置的方法：（1 1）逐码移位法；）逐码移位法；（2 2）RAM帧码检测法。帧码检测法。331 2 3 4 5

19、 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 241 2 3 4 5 6 7 8第一帧第二帧第三帧共192824位插入的一个群同步码元34延迟一位禁门异或门N本地群码分路定时脉冲收码位同步码abcdef 逐码移位法的基本原理：由位同步脉冲逐码移位法的基本原理：由位同步脉冲经过经过n次分频以后的本地群码与接收到码元中次分频以后的本地群码与接收到码元中间歇式插入的群同步码进行远码移位比较，间歇式插入的群同步码进行远码移位比较，使本地群码与发送来的群同步码同步。使本地群码与发送来的群同步码同步。3512345678910111213141516

20、123123123123123123abcdd1d2ee1ff1 经过计算，群同步平均经过计算，群同步平均建立的时间近似为：建立的时间近似为：bsTNt236 9.4.2 帧同步的性能帧同步的性能 对于群同步系统而言，我们希望其建立对于群同步系统而言，我们希望其建立的时间要短、建立同步以后应该具有较强的的时间要短、建立同步以后应该具有较强的抗干扰能力。因此，在通常情况下，用以下抗干扰能力。因此，在通常情况下，用以下三个性能指标来表示。三个性能指标来表示。1、漏同步概率、漏同步概率P1 同步码字中一些码元发生错误，从而使同步码字中一些码元发生错误，从而使识别器漏识别已发出的群同步码字，出现这识别

21、器漏识别已发出的群同步码字，出现这种情况的概率称为漏识概率。种情况的概率称为漏识概率。37这时漏同步概率的通式可以写为：这时漏同步概率的通式可以写为：2、假同步概率、假同步概率P2 在信息码中也可能出现与所要识别的群在信息码中也可能出现与所要识别的群同步码字相同的码字，这时识别器会把它误同步码字相同的码字，这时识别器会把它误认为群同步码字而出现假同步。认为群同步码字而出现假同步。假同步概率的表达式为：假同步概率的表达式为：rnrmrrnppCP1111mrrnnCP02238 3、群同步平均建立时间、群同步平均建立时间ts 连贯式群同步平均建立时间：连贯式群同步平均建立时间：间歇式插入法平均建

22、立时间：间歇式插入法平均建立时间：bsTNPPt211bsTNt2399.4.3 帧同步的保护帧同步的保护 帧同步的保护措施，通常将帧同步的工帧同步的保护措施，通常将帧同步的工作过程划分为两种状态，即捕捉态和维持态。作过程划分为两种状态，即捕捉态和维持态。（1）当系统处于捕捉态时，需要减小假）当系统处于捕捉态时，需要减小假同步概率同步概率P2，以提高判决门限；，以提高判决门限；（2）当系统处于维持态时，需要减小漏）当系统处于维持态时，需要减小漏同步概率同步概率P1，以降低判决门限。，以降低判决门限。40 1、连贯式插入法中的帧同步保护、连贯式插入法中的帧同步保护 n分频与门1与门2与门3与门4群同步识别器n2计数或门CQQRS位同步收码调门限电平置“1”置“0”群同步输出41 2、间歇式插入法中群同步的保护、间歇式插入法中群同步的保护 异或门n1计数n2计数CQQRS与门1与门2延迟一位收码 c本地群码置“0”置“0”取解调器edf