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1、第7章 同步系统2022/9/181第1页，共37页，编辑于2022年，星期一7.1 7.1 引言引言同步：同步：是指收发双方在时间上保持步调一致。是指收发双方在时间上保持步调一致。同步的分类：同步的分类：载波同步载波同步同频同相相干载波；同频同相相干载波；位位（码元）（码元）同步同步节拍一致、相位可调；节拍一致、相位可调；群同步群同步 帧同步；帧同步；点对点点对点网同步（通信网中用）。网同步（通信网中用）。同步信号来自于接收信号；在通信系统中，通常都是同步信号来自于接收信号；在通信系统中，通常都是要求要求同步信同步信息传输的可靠性高于信号传输的可靠性。息传输的可靠性高于信号传输的可靠性。20
2、22/9/182第2页，共37页，编辑于2022年，星期一研究的问题：研究的问题：7.1 7.1 引言引言 7.2 7.2 载波同步技术载波同步技术 7.3 7.3 位同步技术位同步技术 7.4 7.4 群同步技术群同步技术 2022/9/183第3页，共37页，编辑于2022年，星期一7.2 7.2 载波同步技术载波同步技术 获取方法：获取方法：插入导频法（外同步法）：插入导频法（外同步法）：在发送有用信号的同时，在适当的频在发送有用信号的同时，在适当的频率位置上插入一个或多个称作载频的正弦波，接收端由导频提取载波；率位置上插入一个或多个称作载频的正弦波，接收端由导频提取载波；直接法（自同步
3、法）：直接法（自同步法）：不专门发送导频，在接收端直接从发送不专门发送导频，在接收端直接从发送信号中提取载波。信号中提取载波。7.2.1 7.2.1 直接法（自同步法）直接法（自同步法）思路：思路：DSB信号虽不含载波分量，但对该信号进行某种非线性变换信号虽不含载波分量，但对该信号进行某种非线性变换（如：平方）后派生新的频率分量，就可从中提取同步信息。（如：平方）后派生新的频率分量，就可从中提取同步信息。2022/9/184第4页，共37页，编辑于2022年，星期一1.1.平方变换法和平方环法平方变换法和平方环法 发端：发端：设调制信号中无直流分量，则抑制载波的双边带信号为：设调制信号中无直流
4、分量，则抑制载波的双边带信号为：收端收端：平方变换法模型：平方变换法模型：经平方律部件后经平方律部件后:经窄带滤波器（经窄带滤波器（2c），含），含:二分频，得二分频，得:2022/9/185第5页，共37页，编辑于2022年，星期一好处：好处：窄带、跟踪、记忆、维持。窄带、跟踪、记忆、维持。问题：问题：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糊问题。相位模糊问题。解决？解决？问题：问题：窄带滤波器不易实现。窄带滤波器不易实现。改进：改进：用用PLL（锁相环）代替。（锁相环）代替。2022/9/186第6页，共37页，编辑于2022年，星期一2.2.同相正交环法（科斯塔斯环）
5、同相正交环法（科斯塔斯环）经低通后：经低通后：目标：目标：只需证得只需证得v7(载波相位差载波相位差)。同相载波同相载波正交载波正交载波双双PLL环环模型：模型：2022/9/187第7页，共37页，编辑于2022年，星期一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：注：注：载波提取、相干解调一次完成！载波提取、相干解调一次完成！v5;无无相位模糊问题。相位模糊问题。另：另：数字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数字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号中提取载波信息
6、。见图换法从已调信号中提取载波信息。见图7-4。2022/9/188第8页，共37页，编辑于2022年，星期一7.2.2 7.2.2 插入导频法插入导频法 1 1、抑制载波的双边带信号中插入导频、抑制载波的双边带信号中插入导频 导频：导频：为为“正交载波正交载波”与加在调制器的那个载波移相与加在调制器的那个载波移相90。模型：模型：数学分析：数学分析：发端：发端：收端：收端：LPF输出：。输出：。2022/9/189第9页，共37页，编辑于2022年，星期一2 2、残留边带信号中插入导频、残留边带信号中插入导频 2022/9/1810第10页，共37页，编辑于2022年，星期一3 3、时域插入
7、导频法、时域插入导频法原理：原理：利用利用PLL的跟踪、记忆、维持功能。的跟踪、记忆、维持功能。2022/9/1811第11页，共37页，编辑于2022年，星期一7.2.3 7.2.3 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、精度、同步建立时间和同步保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。持时间。1 1、精度、精度 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。误差大小。（1 1）稳态相位误差）稳态相位误差 当利用窄带滤波器提取载波时，假设所用的窄带滤波器为
8、一简单当利用窄带滤波器提取载波时，假设所用的窄带滤波器为一简单单调谐回路单调谐回路，其，其Q值一定。那么，当回路的中心频率值一定。那么，当回路的中心频率0与载波频率与载波频率c不相等时，就会使输出的载波同步信号引起一稳态相差不相等时，就会使输出的载波同步信号引起一稳态相差。若。若0与与c之差为之差为，且，且较小时，可得较小时，可得可见：可见：Q值越高，所引起的稳态相差越大。值越高，所引起的稳态相差越大。2022/9/1812第12页，共37页，编辑于2022年，星期一（2 2）随机相位误差）随机相位误差 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，它从物理概念上讲，正弦波加上随机
9、噪声以后，相位变化是随机的，它与噪声的性质和信噪功率比有关。经过分析当噪声为窄带高斯噪声时，与噪声的性质和信噪功率比有关。经过分析当噪声为窄带高斯噪声时，随机相位差与信噪功率比之间的关系式为随机相位差与信噪功率比之间的关系式为其中：其中：f0回路的中心频率，回路的中心频率，A接收信号幅度。接收信号幅度。可见：可见：滤波器的滤波器的Q值越高，随机相位误差越小。值越高，随机相位误差越小。2022/9/1813第13页，共37页，编辑于2022年，星期一2 2、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 保持时间保持时间可见：可见：要使建立时间变短，要使建立时间变短，Q值需要减
10、小；要延长保持时间，值需要减小；要延长保持时间，Q值要求值要求增大，因此这两个参数对增大，因此这两个参数对Q值的要求是矛盾的。值的要求是矛盾的。2022/9/1814第14页，共37页，编辑于2022年，星期一 3 3、两种载波同步方法的比较、两种载波同步方法的比较 直接法的优缺点直接法的优缺点主要表现在以下几方面：主要表现在以下几方面：（1）不占用导频功率不占用导频功率，因此信噪功率比可以大一些；，因此信噪功率比可以大一些；（2）防止导频和信号间的互相干扰，也可以防止信道不理想引起导频防止导频和信号间的互相干扰，也可以防止信道不理想引起导频相位的误差相位的误差;（3）有的调制系统不能用直接法
11、（如）有的调制系统不能用直接法（如SSB系统）。系统）。插入导频法的优缺点插入导频法的优缺点主要表现在；主要表现在；（1）有单独的导频信号，一方面可以提取同步载波，另一方面）有单独的导频信号，一方面可以提取同步载波，另一方面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）有些不能用直接法提取同步载波的调制系统只能用插入导频）有些不能用直接法提取同步载波的调制系统只能用插入导频法；法；（2）与直接法比较，在总功率相同条件下实际信噪功率比要小一）与直接法比较，在总功率相同条件下实际信噪功率比要小一些。些。2022/9/1815第15页，共37页，编辑于2022年，星期一7.3 7.3
12、 位同步技术位同步技术要求：要求：与发端节拍一致、相位可调。与发端节拍一致、相位可调。获取方法：获取方法：插入导频法（外同步法）、直接法（自同步法）。插入导频法（外同步法）、直接法（自同步法）。不专不专门发送导频，在接收端直接从发送信号中提取载波。门发送导频，在接收端直接从发送信号中提取载波。7.3.1 7.3.1 插入导频法插入导频法原理：原理：同于载波同步时导频插入法。同于载波同步时导频插入法。单单/双极性双极性NRZNRZ部分响应系统部分响应系统2022/9/1816第16页，共37页，编辑于2022年，星期一部分响应系统：部分响应系统：2022/9/1817第17页，共37页，编辑于2
13、022年，星期一7.3.2 7.3.2 自同步法自同步法 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，而直接从数字信号中提取位同步信号。直接从数字信号中提取位同步信号。自同步法具体又可分为自同步法具体又可分为滤波法滤波法和和锁相法锁相法。1 1、采用滤波法提取位同步、采用滤波法提取位同步波形变换：波形变换：由微分、整流电路构成由微分、整流电路构成。2022/9/1818第18页，共37页，编辑于2022年，星期一2 2、采用锁相法提取位同步、采用锁相法提取位同步FnFFF F本地：超前扣除本地：超前扣除 滞后添加滞后添加nF
14、2022/9/1819第19页，共37页，编辑于2022年，星期一7.3.3 7.3.3 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，主要有以下几个：（位同步系统的性能指标除了效率以外，主要有以下几个：（1）相位误差（精度）相位误差（精度）,（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。1 1、相位误差、相位误差e 由上图可见一个码元周期内由晶振及整形电路来的脉冲数为由上图可见一个码元周期内由晶振及整形电路来的脉冲数为n个，因个，因此，最大调整相位为：此，最大调整相位为：可以看到，随着可以看到，随着n的增加，相位
15、误差的增加，相位误差e将减小。将减小。2022/9/1820第20页，共37页，编辑于2022年，星期一2、同步建立时间、同步建立时间ts定义：定义：失去同步后重建同步最所需的长时间。失去同步后重建同步最所需的长时间。故故同步建立时间同步建立时间为：为：3、同步保持时间、同步保持时间tc 系统因为没有输入，使得收端位同步信号的相位就会逐渐发生漂移，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，相位漂移量越大，直至漂移量达到某一准许的最大值，就算时间越长，相位漂移量越大，直至漂移量达到某一准许的最大值，就算失步了。失步了。为了使同步建立时间为了使同步建立时间ts减小，要求
16、选用较小的减小，要求选用较小的n，这就和相位误差，这就和相位误差e对对n的要的要求相矛盾求相矛盾。2022/9/1821第21页，共37页，编辑于2022年，星期一式中：式中：F0收发两端固有码元重复频率的几何平均值；收发两端固有码元重复频率的几何平均值；F收发两端存在频差。收发两端存在频差。说明：说明：要想延长同步保持时间要想延长同步保持时间tc，需要提高收发两端振荡器的频率稳定，需要提高收发两端振荡器的频率稳定度。度。2022/9/1822第22页，共37页，编辑于2022年，星期一7.4 7.4 群同步技术群同步技术 前提：前提：已实现已实现位同步。位同步。任任务务：识识别别出出数数字字
17、信信息息群群的的起起止止时时刻刻，或或者者说说给给出出每每个个群群的的“开头开头”和和“末尾末尾”时刻。时刻。实现方法：实现方法：自同步：利用数据码组本身之间不同的特性来实现。自同步：利用数据码组本身之间不同的特性来实现。外外同同步步：在在数数字字信信息息流流中中插插入入一一些些特特殊殊码码字字作作为为每每个个群群的的头头尾尾标标记记，接收端据其位置实现群同步。接收端据其位置实现群同步。连贯式插入法连贯式插入法间隔式插入法间隔式插入法重点：重点：外同步。外同步。2022/9/1823第23页，共37页，编辑于2022年，星期一7.4.1 7.4.1 起止同步法起止同步法结构：结构：缺点：缺点：
18、止脉冲与码元宽度不同，给同步数字传输带来不便；止脉冲与码元宽度不同，给同步数字传输带来不便；传输效率低：传输效率低：67%。2022/9/1824第24页，共37页，编辑于2022年，星期一7.4.2 7.4.2 连贯式插入法连贯式插入法 连贯式插入法：连贯式插入法：在每群的开头集中插入群同步码字的同步方法。在每群的开头集中插入群同步码字的同步方法。同步码字同步码字特殊码字：特殊码字：首先应该具有尖锐单峰特性的局部自相关特性，首先应该具有尖锐单峰特性的局部自相关特性，其次这个特殊码字在信息码元序列中不易出现以便识别，最后群同步识其次这个特殊码字在信息码元序列中不易出现以便识别，最后群同步识别器
19、需要尽量简单。别器需要尽量简单。目前已经找到的目前已经找到的最常用的群同步码字最常用的群同步码字，就是，就是“巴克码巴克码”。1 1、巴克码、巴克码 一种具有一种具有特殊规律特殊规律的二进制码字：若一个的二进制码字：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，则它的，则它的局部自相关函数局部自相关函数必然满足条必然满足条件件 2022/9/1825第25页，共37页，编辑于2022年，星期一表表7-1巴克码字巴克码字位数位数n巴克巴克码码字字2+；+3+4+；+5+7+11+13+表中表中+表示表示+1，表示表示1 2022/9
20、/1826第26页，共37页，编辑于2022年，星期一2 2、巴克码识别器、巴克码识别器2022/9/1827第27页，共37页，编辑于2022年，星期一7.4.2 7.4.2 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，即每隔一定数量的信息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，插入码元，插入一个一个群同步码字。这种群同步码字的插入方式被称为间歇群同步码字。这种群同步码字的插入方式被称为间歇式插入法。式插入法。24路路PCM系统中，群同步则采用间歇式插入法。系统中，群同步则采用间歇式插入法。收端收端要确定群同步码位置的方法：要确定群同步码位置的方法：（1
21、1）逐码移位法；）逐码移位法；（2 2）RAM帧码检测法。帧码检测法。2022/9/1828第28页，共37页，编辑于2022年，星期一2022/9/1829第29页，共37页，编辑于2022年，星期一 逐码移位法的基本原理：逐码移位法的基本原理：由位同步脉冲经过由位同步脉冲经过n次分频以后的本地群码与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，使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，使本地群码与发送来的群同步码同步。发送来的群同步码同步。2022/9/1830第30页，共37页，编辑于2022年，星期一经过计算，群同步平均建立的时经过计算，群
22、同步平均建立的时间近似为：间近似为：2022/9/1831第31页，共37页，编辑于2022年，星期一 7.4.4 7.4.4 群同步系统的性能指标群同步系统的性能指标 对于群同步系统而言，我们希望其对于群同步系统而言，我们希望其建立的时间要短建立的时间要短、建立同步以后建立同步以后应该具有较强的抗干扰能力应该具有较强的抗干扰能力。因此，在通常情况下，用以下三个性。因此，在通常情况下，用以下三个性能指标来表示。能指标来表示。1 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，从而使识别器漏识别已发出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，出现这种情况的概率
23、称为的群同步码字，出现这种情况的概率称为漏识概率漏识概率。这时这时漏同步概率的通式漏同步概率的通式可以写为：可以写为：2022/9/1832第32页，共37页，编辑于2022年，星期一2、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同步码字相同的码字，这时识别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认为群同步码字而出现器会把它误认为群同步码字而出现假同步假同步。假同步概率假同步概率的表达式为：的表达式为：2022/9/1833第33页，共37页，编辑于2022年，星期一3、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
24、贯式群同步平均建立时间：间歇式插入法平均建立时间：间歇式插入法平均建立时间：2022/9/1834第34页，共37页，编辑于2022年，星期一7.4.5 7.4.5 群同步的保护群同步的保护 群群同同步步的的保保护护措措施施，通通常常将将群群同同步步的的工工作作过过程程划划分分为为两两种种状状态态，即捕捉态和维持态。即捕捉态和维持态。（1）当当系系统统处处于于捕捕捉捉态态时时，需需要要减减小小假假同同步步概概率率P2，以以提提高高判判决门限；决门限；（2）当当系系统统处处于于维维持持态态时时，需需要要减减小小漏漏同同步步概概率率P1，以以降降低低判判决决门门限。限。2022/9/1835第35页，共37页，编辑于2022年，星期一1 1、连贯式插入法中的群同步保护、连贯式插入法中的群同步保护2022/9/1836第36页，共37页，编辑于2022年，星期一2 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 2022/9/1837第37页，共37页，编辑于2022年，星期一