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1、第十一章 同步原理基本内容基本内容11.1引言引言11.2载波同步载波同步11.3位同步位同步11.4帧同步帧同步 11.5 网同步网同步2023/2/5211.1引言引言定义：定义：指系统的收发两端（或多端）在时间上保持步调一致。指系统的收发两端（或多端）在时间上保持步调一致。载波同步载波同步:同步解调时相干载波的获取同步解调时相干载波的获取码元（位）同步：抽样时刻应位于码元终止时刻；码元（位）同步：抽样时刻应位于码元终止时刻；群同步群同步（字同步）（字同步）帧同步帧同步（句同步）（句同步）网同步网同步意义：意义：信息传输的前提，同步性能的好坏直接影响系统性能。信息传输的前提，同步性能的好坏
2、直接影响系统性能。2023/2/5311.1引言引言F(t)m1(t)CLKSL1PCM1PCMAkm2(t)CLKSL2PCM2CLKBkcos ctaPCM编码编码PCM编码编码同同步步复复接接码变换码变换2PSK调制调制发滤波器发滤波器信道信道acos ctBkAkPCMb收滤收滤波器波器载波同步载波同步低通低通位同步位同步抽样抽样判决判决码反码反变换变换cp(t)bcp(t)FsF1F2F1cp(t)cp(t)m1(t)m2(t)帧同步帧同步延迟延迟PCM译码译码PCM译码译码2023/2/5411.1引言引言(续续)设设CLK频率为频率为192KHz、SL1、SL2的频率为的频率为8
3、KHz，则则SL1、SL2、PCM1、PCM2、F(t)、及及PCM信号的波形如下信号的波形如下SL1SL2D11D12PCM1D21PCM201110010D11D2101110010D12D22PCM0111001001110010F(t)D222023/2/55一、载波同步方法一、载波同步方法11.2载波同步载波同步1插入导频法插入导频法 可可在在抑抑制制载载波波双双边边带带信信号号中中插插入入导导频频，也也可可以以在在单单边边带带信信号号中中插插入入导导频频。当当基基带带信信号号是是模模拟拟话话音音信信号号时时，由由于于话话音音最最低低频频率率为为300Hz、故故DSB信信号号频频谱谱
4、图图中中，在在载载频频fc附附近近无无连连续续谱谱，有有利利于于插插入入导导频频。当当基基带带信信号号是是数数字字信信号号时时，必必须须进进行行相相关关编编码码变换再进行变换再进行DSB调制（如调制（如PSK）。）。载波同步方法载波同步方法分插入导频法分插入导频法(外同步法外同步法)和直接法和直接法(自同步自同步)。2023/2/56发方框图发方框图m(t)sin ct-cos ct(正交导频正交导频)u0(t)=m(t)sin ct-cos ct90o o相移相移相加相加带通带通ud(t)m(t)V(t)sin ct收方框图收方框图90o o相移相移低通低通带通带通fc窄带带通窄带带通插入导
5、频法插入导频法2023/2/57fC导频导频频谱图频谱图f注意：注意：（1）插插入入正正交交导导频频的的目目的的：收收端端相相乘乘器器的的输输出出V(t)中中无无直直流流。也可以插入同相导频，低通滤波器中加入隔直电容即可。也可以插入同相导频，低通滤波器中加入隔直电容即可。（2）插入导频信号的功率应比较小，否则就成为）插入导频信号的功率应比较小，否则就成为AM信号了。信号了。（3）VSB信号一般在电视中采用，常用包络检波法解调。信号一般在电视中采用，常用包络检波法解调。2023/2/582直接法（介绍如何从直接法（介绍如何从2PSK信号中直接提取相干载波）信号中直接提取相干载波）2PSK信号信号
6、e(t)cos2 ctcos ct-cos ct2fc窄带窄带带通带通平方平方二分频二分频注意：注意：二分频产生相模糊现象二分频产生相模糊现象 2PSK信信号号ui(t)PDLFVCOu0(t)cos ct-cos ct平方平方鉴相器鉴相器环路环路滤波器滤波器压控压控振荡器振荡器二分频二分频移相移相 一般采用模拟环，一般采用模拟环，uo(t)超前于超前于ui(t)中的中的2fc成分成分90，二，二分频、移相后得到分频、移相后得到cos ct或或-cos ct。平方变换法和平方环法平方变换法和平方环法2023/2/59uiu1u2u3u4u6u5u7低通低通900移相移相VCOLPF低通低通同相
7、正交环法同相正交环法2023/2/510上上式式中中，Um、Ud为为乘乘法法器器引引起起的的信信号号幅幅度度变变化化，当当VCO的的固固有有振振荡荡频频率率与与2PSK的的载载频频非非常常接接近近且且环环路路增增益益很很高高时时，环环路路锁锁定定后后，。可可见见用用同同相相正正交环提取的载波也存在相位模糊现象。交环提取的载波也存在相位模糊现象。环环路路锁锁定定后后，考考虑虑到到噪噪声声等等因因素素，应应对对u5(t)进行抽样判决以再生数字基带信号。进行抽样判决以再生数字基带信号。从从4PSK信信号号中中提提取取相相干干载载波波的的方方法法与与2PSK相相似似，可可用用四四次次方变换，四次方环及
8、四相方变换，四次方环及四相Costas环。环。用用Costas环提取相干载波时，环路的工作频率等于信号载频，环提取相干载波时，环路的工作频率等于信号载频，用其它方法时电路工作频率等于信号载频的二倍或四倍。用其它方法时电路工作频率等于信号载频的二倍或四倍。同相正交环法同相正交环法2023/2/511二、载波同步系统的性能二、载波同步系统的性能高效率：高效率：为了获得载波信号而尽量少消耗发送功率；为了获得载波信号而尽量少消耗发送功率；高精度：高精度：提取的载波应是相位尽量精确的相干载波，即相提取的载波应是相位尽量精确的相干载波，即相位误差尽量小；位误差尽量小；相位误差相位误差=稳态相差稳态相差+随
9、机相差。随机相差。1、稳态相差、稳态相差2023/2/5122、随机相差、随机相差2023/2/5133、建立时间与保持时间、建立时间与保持时间2023/2/514结论：结论：建立时间短和保持时间长是矛盾的，若建立时间短和保持时间长是矛盾的，若Q值高，保持时值高，保持时间长，但建立时间也长；反之，若间长，但建立时间也长；反之，若Q值低，建立时间短，但保值低，建立时间短，但保持时间也短。持时间也短。2023/2/515三、载波相位误差对解调性能的影响三、载波相位误差对解调性能的影响模拟通信模拟通信m(t)cos ct+n(t)cos(ct+)uo(t)BPFLPF输出信号功率输出信号功率 输出噪
10、声功率输出噪声功率2023/2/516三、载波相位误差对解调性能的影响三、载波相位误差对解调性能的影响可见，相位误差对双边带信号解调性能可见，相位误差对双边带信号解调性能的影响只是引起信噪比下降，然而，对的影响只是引起信噪比下降，然而，对残留边带信号和单边带信号来说，相位残留边带信号和单边带信号来说，相位误差不仅引起信噪比的下降，而且还引误差不仅引起信噪比的下降，而且还引起信号的畸变。起信号的畸变。2023/2/51711.3位同步位同步位同步方法位同步方法分为插入导频法分为插入导频法（外同步法）（外同步法）和直接法和直接法（自同步）（自同步）1.插入导频法插入导频法 01/TfM(w)M(w
11、)01/2Tf输入基带信号输入基带信号延时延时窄带窄带LF移相器移相器倒相器倒相器基带信号基带信号定时器定时器同步信号同步信号2023/2/51811.3位同步位同步2、直接法、直接法(1).滤波法滤波法 r(t)ui(t)u0(t)cp(t)波形波形变换变换窄带带通窄带带通滤波器滤波器脉冲脉冲形成形成移移相相波形变换输出信号中必须含有频率等于码速率的离散谱。波形变换输出信号中必须含有频率等于码速率的离散谱。若信道中传输的是若信道中传输的是BNRZ码或码或2DPSK信号，则波形变换单元信号，则波形变换单元可由比较、微分、整流等三部分构成，波形示意图如下可由比较、微分、整流等三部分构成，波形示意
12、图如下2023/2/519比较器输出比较器输出r(t)微分输出微分输出ui(t)若若无无码码间间串串扰扰且且无无噪噪声声，则则ui(t)脉脉冲冲的的上上升升沿沿都都应应与与各各码码元元的的开开始始时时间间对对齐齐，它它的的频频谱谱中中包包含含有有位位同同步步信信号号重重复复频频率率的的离离散谱成分，滤波、脉冲形成及移相后可得到理想的位同步信号。散谱成分，滤波、脉冲形成及移相后可得到理想的位同步信号。2023/2/520码间串扰和噪声使位同步器输出的位同步信号在一定码间串扰和噪声使位同步器输出的位同步信号在一定范围内抖动。范围内抖动。信息码中的连信息码中的连“1”或连或连“0”码也会造成位同步信
13、号码也会造成位同步信号相位抖动。连相位抖动。连“1”或连或连“0”个数越多，滤波输出信号个数越多，滤波输出信号uo(t)的周期和幅度变化越大，位同步输出信号的相位抖动的周期和幅度变化越大，位同步输出信号的相位抖动也越大。因此在基带传输系统中常采用也越大。因此在基带传输系统中常采用HDB3码，在数字调码，在数字调制传输中常将信号源输出的数字基带信号位进行扰码处理制传输中常将信号源输出的数字基带信号位进行扰码处理以减少连以减少连“1”和连和连“0”的个数。的个数。2023/2/521(2).锁相环法锁相环法扣除门扣除门超超前前脉脉冲冲滞滞后后脉脉冲冲相位比较器相位比较器n次分频器次分频器或门或门整
14、形整形晶振晶振位同步脉冲输出位同步脉冲输出接收码元接收码元附加门附加门a路路b路路2023/2/522微分整流型数字锁相环微分整流型数字锁相环位同步脉冲输出位同步脉冲输出dc脉冲形成脉冲形成n次分频器次分频器或门或门整流整流晶振晶振接收码元接收码元a路路微分微分单稳单稳4整形整形单单稳稳2单稳单稳1AB单单稳稳3b路路feabg常开门常开门常闭门常闭门2023/2/523同相正交积分型数字锁相同相正交积分型数字锁相接收码元接收码元正交积分正交积分同相积分同相积分取样保持取样保持取样保持取样保持微分微分单稳单稳BA模模2加加扣扣除除门门附附加加门门整形整形晶振晶振或门或门n次分频次分频脉冲形成脉
15、冲形成延迟延迟T/2滞后脉冲滞后脉冲位同步脉冲位同步脉冲adbcefghjk2023/2/524位同步系统的性能及其相位误差对性能的影响位同步系统的性能及其相位误差对性能的影响一、数字锁相法的同步性能一、数字锁相法的同步性能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：2023/2/525二、位同步相位误差对性能的影响二、位同步相位误差对性能的影响同步误差使误码率增大，因同步信号偏离了被采样信号同步误差使误码率增大，因同步信号偏离了被采样信号的最大值对应的时间。如的最大值对应的时间。如2PSK最佳接收机的误码率为：最佳接
16、收机的误码率为：2023/2/52611.4帧（群）同步帧（群）同步一、帧同步码插入方式及码型一、帧同步码插入方式及码型1集中插入（连贯插入）集中插入（连贯插入）在一帧开始的在一帧开始的n位集中插入位集中插入n比特帧同步码，比特帧同步码，PDH中的中的A律律PCM基群、二次群、三次、四次群，基群、二次群、三次、四次群，律律PCM二次群、三次二次群、三次群、四次群以及群、四次群以及SDH中各个等级的同步传输模块都采用集中中各个等级的同步传输模块都采用集中插入式。插入式。2分散插入式（间隔插入式）分散插入式（间隔插入式）n比比特特帧帧同同步步码码分分散散地地插插入入到到n帧帧内内，每每帧帧插插入入
17、1比比持持，律律PCM基基群群及及M系系统统采采用用分分散散插插入入式式。分分散散插插入入式式无无国国际际标标准准，集集中中插插入入式式有有国国际际标标准准。帧帧同同步步码码出出现现的的周周期期为为帧帧周周期期的的整整数数倍，即在每倍，即在每N帧（帧（N1）的相同位置插入帧同步码。的相同位置插入帧同步码。2023/2/5273.帧同步码码型选择原则帧同步码码型选择原则 （1）假同步概率小）假同步概率小（2）有尖锐的自相关特性，以减小漏同步概率）有尖锐的自相关特性，以减小漏同步概率如如A律律PCM基群的帧同步码为基群的帧同步码为0011011，设，设“1”对应正电平对应正电平1，“0”码对应负电
18、平码对应负电平-1，则此帧同步码的自相关特性如下图，则此帧同步码的自相关特性如下图所示所示 0123456-6-5-4-3-2-1-1-1-1-1-5-5-5-53333j7R(j)2023/2/528二、二、帧同步码识别帧同步码识别集中插入帧同步码的识别方法：设帧同码为集中插入帧同步码的识别方法：设帧同码为0011011，当，当帧同步码全部进入移位寄存器时它的帧同步码全部进入移位寄存器时它的7个输出端全为高电平，个输出端全为高电平，相加器相加器3个输出端全为高电平，表示个输出端全为高电平，表示ui=1+2+4=7。门限门限L由由3个个输入电平决定，它们的权值分别为输入电平决定，它们的权值分别
19、为1，2，4。比较器比较器相加器相加器门限门限L421124u0ui移位寄存器移位寄存器PCM码流码流QQQQQQQ2023/2/529x0011011数据码数据码x0011011数据码数据码ttPCM码流码流u0此此脉脉冲冲对对齐齐第第一一位位数据数据2023/2/530三、三、识别识别器性能器性能设误码率为设误码率为Pe，n帧码位，帧码位，L=n-m，（，（即允许帧同步码错即允许帧同步码错m位），求漏识别概率位），求漏识别概率P1和假识别概率和假识别概率P2以及同步识别时间以及同步识别时间ts。1漏识别概率漏识别概率 结论：结论：门限门限L越低，越低，Pe越小，则漏识别概率越小。越小，则漏
20、识别概率越小。2假识别概率假识别概率 结论：结论：门限越高，帧码位数越多，则假识别概率越小。门限越高，帧码位数越多，则假识别概率越小。2023/2/5313同步识别时间同步识别时间ts结论：结论：集中插入式同步识别时间远小于分散插入式的集中插入式同步识别时间远小于分散插入式的同步识别时间。同步识别时间。2023/2/532四、四、同步保护同步保护1后方保护：后方保护：当帧同步系统处于捕捉态时，连续当帧同步系统处于捕捉态时，连续 个同步帧个同步帧时间内识别器有输出时，同步系统进入同步状态，输出帧同步时间内识别器有输出时，同步系统进入同步状态，输出帧同步信号。此措施可减小假同步概率。也可以在采取此
21、措施的同时信号。此措施可减小假同步概率。也可以在采取此措施的同时提高门限电平以进一步减小假同步概率。提高门限电平以进一步减小假同步概率。2前方保护：前方保护：当帧同步系统处于同步态时，连续当帧同步系统处于同步态时，连续个同步帧个同步帧时间内识别器检测不到帧同步码，则系统回到捕捉态。此措施时间内识别器检测不到帧同步码，则系统回到捕捉态。此措施可以减小漏同步（假失步）概率。也可以在采取此措施的同时可以减小漏同步（假失步）概率。也可以在采取此措施的同时降低限电平，以进一步减小漏同步概率。降低限电平，以进一步减小漏同步概率。3同步性能：同步性能：设门限等于帧码码元数设门限等于帧码码元数n，同步帧长为同
22、步帧长为N比持，比持，同步周期为同步周期为TF秒，则秒，则 2023/2/53311.5网同步网同步一、必要性一、必要性复复接接器器信道信道分分接接器器ABCDABCD低速数据流低速数据流高速数据流高速数据流同同步步复复接接：各各低低速速率率支支路路的的数数据据的的速速率率完完全全相相等等，则则通通信信网网需对各支路用户提供同步时钟即建立一个同步网。需对各支路用户提供同步时钟即建立一个同步网。准同步复接：准同步复接：各支路数据速率的标称值相等但实际值存在一各支路数据速率的标称值相等但实际值存在一定误差，复接时对各支路数据速率进行调整或其它处理。码定误差，复接时对各支路数据速率进行调整或其它处理
23、。码速调整及其它处理方法也属于网同步技术范畴。速调整及其它处理方法也属于网同步技术范畴。2023/2/534二、网同步方法简介二、网同步方法简介1主主从从同同步步法法：通通信信网网中中某某一一站站（主主站站）设设置置一一个个高高稳稳定定的的主主时时钟钟，其其它它各各站站（从从站站）的的时时钟钟频频率率和和相相位位同同步步于于主主时时钟钟的频率和相位。的频率和相位。2.相相互互同同步步法法：网网内内各各站站设设有有独独立立时时钟钟，它它们们的的固固有有频频率率存存在在一一定定偏偏差差，各各站站所所使使用用的的时时钟钟频频率率锁锁定定在在网网内内各各站站固固有有频频率的平均值上（此平均值将称为网频
24、）。率的平均值上（此平均值将称为网频）。3码码速速调调整整法法：有有正正码码速速调调整整、负负码码速速调调整整、正正负负码码速速调调整整和和正正/零零/负负码码速速调调整整四四大大类类。在在PDH系系列列中中最最常常用用的的是是正正码码速调整。速调整。2023/2/535缓缓冲冲器器支路信号支路信号写入时钟写入时钟fL支路复接信号支路复接信号读出时钟读出时钟fm支路信号码速率为支路信号码速率为fL，读出时钟频率读出时钟频率fmfL。对缓冲器进对缓冲器进行慢写快读，当两个时钟相位误差小于某一值时，将读出时行慢写快读，当两个时钟相位误差小于某一值时，将读出时钟扣除一个脉冲，停读一次，在这个被扣除的时钟脉冲对应钟扣除一个脉冲，停读一次，在这个被扣除的时钟脉冲对应的码元内不传输信息。支路复接信号的码速率等于的码元内不传输信息。支路复接信号的码速率等于fm。4水水库库法法：各各站站的的时时钟钟稳稳定定度度都都很很高高，缓缓冲冲器器容容量量足足够够大大，虽虽然然写写入入脉脉冲冲和和读读出出脉脉冲冲频频率率不不相相等等，但但缓缓冲冲器器在在很很长长时时间间内不发生内不发生“取空取空”或或“溢出溢出”现象，无需进行码速调整。现象，无需进行码速调整。2023/2/536