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1、会计学1通信原理与技术同步技术通信原理与技术同步技术n n（1 1）载波同步载波同步n n数字调制系统的性能是由解调方式决定数字调制系统的性能是由解调方式决定的。相干解调中，首先要在接收端恢复出相的。相干解调中，首先要在接收端恢复出相干载波，这个相干载波应与发送端的载波在干载波，这个相干载波应与发送端的载波在频率上同频，在相位上保持某种同步关系。频率上同频，在相位上保持某种同步关系。n n（2 2）位同步（码元同步）位同步（码元同步）n n位同步又称码元同步。不管是基带传输，位同步又称码元同步。不管是基带传输，还是频带传输（相干或非相干解调），都需还是频带传输（相干或非相干解调），都需要位同步
2、。要位同步。第1页/共58页n n（3 3）群同步（帧同步）群同步（帧同步）n n群同步也叫帧同步。对于数字信号传输群同步也叫帧同步。对于数字信号传输来说，数字信号是按照一定数据格式传送的，来说，数字信号是按照一定数据格式传送的，一定数目的信息码元组成一个一定数目的信息码元组成一个“字字”，若干，若干个个“字字”组成一组成一“句句”，若干，若干“句句”构成一构成一帧，从而形成群的数字信号序列。帧，从而形成群的数字信号序列。n n（4 4）网同步网同步n n当通信是在两点之间进行时，完成了载当通信是在两点之间进行时，完成了载波同步、位同步和群同步之后，接收端不仅波同步、位同步和群同步之后，接收端
3、不仅获得了相干载波，而且通信双方的时标关系获得了相干载波，而且通信双方的时标关系也解决了。也解决了。第2页/共58页n n2.2.同步信号的获取方式同步信号的获取方式n n同步也是一种信息，按照传输同步信息方式的不同，可分为外同步法和自同步法。n n（1 1）外同步法外同步法n n由发送端发送专门的同步信息，接收端把这个专门的同步信息检测出来作为同步信号的方法，称为外同步法。第3页/共58页n n（2 2）自同步法自同步法n n发送端不发送专门的同步信息，接收端设法从收到的信号中提取同步信息的方法，称为自同步法。n n3.3.同步的技术指标同步的技术指标n n同步系统性能的降低，会直接导致通信
4、质量的降低，甚至使通信系统不能工作。第4页/共58页7.2 载波同步技术载波同步技术n n1.1.直接法（自同步法）直接法（自同步法）n n直接法又可分为非线性变换滤波法和特殊锁相环法。第5页/共58页n n（1 1）非线性变换非线性变换滤波法滤波法n n有些信号不含有载波分量，但如果采用非线性变换滤波法，首先对接收到的已调信号进行非线性处理，就可得到相应的载频分量。然后，再用窄带滤波器或锁相环进行滤波，滤除调制谱与噪声引入的干扰，提取载频分量。第6页/共58页n n（2 2）同相正交环同相正交环（科斯塔斯环）法（科斯塔斯环）法n n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
5、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。n n科斯塔斯（Costas）环的原理图如图7-3所示。第7页/共58页图图7-3 同相正交环法（科斯塔斯环）同相正交环法（科斯塔斯环）第8页/共58页n n（3）从多相移相信号中提取载波n n数字通信中经常使用多相移相信号。下面介绍两种从多相移相信号中提取载波的方法。n n另一种方法类似于同相正交法，称为多相科斯塔斯环法，也以四相移相信号为例，这种方法的方框图如图7-5所示。压控振荡器的输出就是所需的载波信号。第9页/共58页图图7-5 四相科
6、斯塔斯环法提取载波四相科斯塔斯环法提取载波第10页/共58页n n2.2.插入导频法（外同步法）插入导频法（外同步法）n n（1 1）在在DSBDSB信号中插入导频信号中插入导频n n插入导频的位置应该在信号频谱为零的位置，否则导频与信号频谱成分重叠在一起，接收时不易取出。n n从图7-6所示的频谱图可以看出，在载频处，已调信号的频谱分量为零，载频附近的频谱分量也很小且没有离散谱，这样就便于插入导频以及解调时易于滤出它。第11页/共58页图图7-6 几种信号的正频域频谱图几种信号的正频域频谱图第12页/共58页n n（2 2）在残留边带信号中插入导频在残留边带信号中插入导频n n 残留边带频谱
7、的特点。以下边带为例，残留边带滤波器应具有如图7-9所示的传输特性。n n 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。第13页/共58页图图7-9 残留边带频谱及插入导频残留边带频谱及插入导频第14页/共58页n n 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7-10所示。接收的信号中包含有VSB信号和f1、f2两个导频。假设接收信号中两个导频是n ncos（1t+1），n n1为第一个导频的初相n ncos（2t+2），n n2为第二个导频
8、的初相n n发送端的载波为cos（ct+c），则收端提取的同步载波也应该是cos（ct+c）。第15页/共58页图7-10 插入导频的VSB信号的载波提取第16页/共58页n n（3 3）时域插入导频法时域插入导频法n n 除了在频域插入导频的方法以外，还有一除了在频域插入导频的方法以外，还有一种在时域插入导频以传送和提取同步载波的种在时域插入导频以传送和提取同步载波的方法。时域插入法中对被传输数据信号和导方法。时域插入法中对被传输数据信号和导频信号在时间上加以区别，例如按图频信号在时间上加以区别，例如按图7-7-1111（a a）那样分配。把一定数目的数字信号分那样分配。把一定数目的数字信号
9、分作一组，称为一帧。在每一帧中，除有一定作一组，称为一帧。在每一帧中，除有一定数目的数字信号外，在数目的数字信号外，在t t0 0t t1 1的时隙中传送位的时隙中传送位同步信号，在同步信号，在t t1 1t t2 2的时隙内传送帧同步信号，的时隙内传送帧同步信号，在在t t2 2t t3 3的时隙内传送载波同步信号，而在的时隙内传送载波同步信号，而在t t3 3t t4 4时间内才传送数字信息；以后各帧都如此。时间内才传送数字信息；以后各帧都如此。第17页/共58页n n3.载波同步系统的性能指标n n相位误差通常由稳态相差和随机相差组成。稳态相差主要是指载波信号通过同步信号提取电路以后，在
10、稳态下所引起的相差；随机相差是由于随机噪声的影响而引起同步信号的相位误差。n n载波同步系统的性能除了高效率、高精度外，还要求同步建立时间快、保持时间长等。第18页/共58页n n（1 1）稳态相差稳态相差n n用窄带滤波器提取载波，假设所用的窄带滤波器为一个简单的单调谐回路，其品质因素Q值一定。n n（2 2）随机相差随机相差n n由于随机的高斯噪声叠加在载波信号上，会使载波同步信号产生随机的相位误差。第19页/共58页n n（3 3）建立时间和保持时间建立时间和保持时间n n载波同步系统的建立时间ts和保持时间tc，也以窄带滤波器提取载波为例来作讨论。n n4.4.载载波波相相位位误误差差
11、对对解解调调性性能能的的影响影响n n同步系统的稳态相差和随机相差表示式已在上面给出，总的相位误差应是这两部分相位误差的代数和，即n n=+第20页/共58页n n（1）相位误差对双边带调制信号的影响。设已收到的双边带信号为n ns（t）=m（t）cosctn n提取出的相干载波为n nsc（t）=cos（ct+）n n则解调时，相乘器的输出经低通滤波器后为n nx（t）=1/2m（t）cos第21页/共58页n n（2）相位误差对单边带信号的影响。设基带信号m（t）=cost，单边带信号取上边带为1/2cos（c+）t，当解调相干载波有相位误差时，相干载波与已调信号相乘n n1/2cos（c
12、+）tcos（ct+）=n n1/4cos（2ct+t+）+cos（t）第22页/共58页7.3 位同步技术位同步技术n n位同步是数字通信中非常重要的一位同步是数字通信中非常重要的一个同步技术。位同步与载波同步是截然不个同步技术。位同步与载波同步是截然不同的两种同步方式。在模拟通信中，没有同的两种同步方式。在模拟通信中，没有位同步的问题，只有载波同步的问题，而位同步的问题，只有载波同步的问题，而且只有接收机采用同步解调时才有载波同且只有接收机采用同步解调时才有载波同步的问题。但在数字通信中，一般都有位步的问题。但在数字通信中，一般都有位同步的问题。同步的问题。n n对位同步信号的要求有两点：
13、一是对位同步信号的要求有两点：一是使收信端的位同步脉冲频率和发送端的码使收信端的位同步脉冲频率和发送端的码元速率相同；二是使收信端在最佳接收时元速率相同；二是使收信端在最佳接收时刻对接收码元进行抽样判决。刻对接收码元进行抽样判决。第23页/共58页n n1.1.插入导频法（外同步法）插入导频法（外同步法）n n（1 1）在基带信号频谱的零点插入在基带信号频谱的零点插入导频导频n n在无线通信中，数字基带信号一般都采用不归零的矩形脉冲，并以此对高频载波作各种调制。解调后得到的也是不归零的矩形脉冲，码元速率为fs，码元宽度为Ts，这种信号的功率谱在fs处为零，例如双极性码的功率谱密度如图7-13（
14、a）所示。第24页/共58页图图7-13 基带信号的功率谱密度特性基带信号的功率谱密度特性第25页/共58页n n（2 2）包络调制法包络调制法n n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。在移相键控或移频键控的通信系统中，对已调信号进行附加的幅度调制后，接收端只要进行包络检波，就可以形成位同步信号。n n设移相信号的表示式为n ns1（t）=cosct+（t）第26页/共58页n n现在用某种波形的位同步信号对s1（t）进行幅度调制，若这种波形为升余弦波形，则其表示式为n nm（t）=1/2（1+cost）n n式中的=2/Ts，Ts为码元宽度。幅度调制后的信号为
15、n ns2（t）=1/2（1+cost）cosct+（t）n ns2（t）可称为调幅调相波。第27页/共58页n n接收端对s2（t）进行包络检波，包络检波器的输出为1/2（1+cost），除去直流分量后，就可获得位同步信号1/2cost。n n（3 3）时域插入法时域插入法n n事实上，同步信号也可以在时域内插入，这时载波同步信号、位同步信号和数据信号分别被配置在不同的时间内传送。第28页/共58页n n2.2.自同步法自同步法n n自同步法的收端位同步提取电路，从功能上讲，一般都由两部分组成：第一部分是非线性变换处理电路，它的作用是使接收信号或解调后的数字基带信号经过非线性变换处理后含有位
16、同步频率分量或位同步信息；第二部分是窄带滤波器或锁相环路，它的作用是滤除噪声和其他频谱分量，提取纯净的位同步信号。第29页/共58页n n（1 1）滤波法滤波法n n对于不归零的随机二进制序列，不能直接从其中滤出位同步信号。n n 微分、全波整流微分、全波整流滤波滤波法法n n图7-15原理图中的波形变换，在实际应用中可以是一微分、整流电路，经微分、整流后的基带信号波形如图7-16所示。第30页/共58页图图7-15 滤波法原理图滤波法原理图第31页/共58页图图7-16 基基带带信信号号微微分分、整整流流波波形形第32页/共58页n n 包络检波包络检波滤波法滤波法n n在某些数字微波中继通
17、信系统中，经常在中频上用对频带受限的二相移相信号进行包络检波的方法来提取位同步信号。第33页/共58页n n（2 2）锁相法锁相法n n位同步锁相法的基本原理和载波同步的类似。在接收端利用鉴相器比较接收码元和本地产生的位同步信号的相位，若两者相位不一致（超前或滞后），鉴相器就产生误差信号去调整位同步信号的相位，直至获得准确的位同步信号为止。第34页/共58页n n3.3.位同步系统的性能指标位同步系统的性能指标n n（1 1）相位误差相位误差 e en n数字锁相法提取位同步信号时，相位误差主要是由位同步脉冲的相位在跳变地调整所引起的。n n（2 2）同步建立时间同步建立时间t ts sn n
18、同步建立时间即为失去同步后重建同步所需的最长时间。第35页/共58页n n（3 3）同步保持时间同步保持时间t tc cn n当同步建立后，一旦输入信号中断，由于收发双方的固有位定时重复频率之间总存在频差F，收端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，就算失步了。第36页/共58页n n（4 4）同步带宽同步带宽ffs sn n同步带宽是指位同步频率与码元速率之差。如果这个频差超过一定范围，就无法使收端位同步脉冲的相位与输入信号的相位同步。第37页/共58页n n4.4.位位同同步步相相位位误误差差对对性性能能的影响的影响n n前面已经求得数字
19、锁相法位同步的相位误差e，有时不用相位差而用时间差Te来表示相位误差。因每码元的周期为T，故得n nTe=T/n第38页/共58页n n通常，一随机二进制数字信号相邻码元有数据变化和无变化的概率大约各占1/2。相邻码元无数据变化的那部分信号，由于取样点的积分值没受影响，误码率仍可用原给出的公式进行计算；而对相邻码元有数据变化的那部分信号，则原公式中的码元能量E应该用（12TeT）E代替。第39页/共58页7.4 群同步（帧同步）技术群同步（帧同步）技术n n1.外同步法（插入特殊码组）n n（1 1）起止式同步法起止式同步法n n电传机中广泛使用这一方法。它用5个码元代表一个字母（或符号等），
20、在每个字母开始时，先发送一个码元宽度的负值脉冲，再传输5个单元编码信息，接着再发送一个宽度为1.5个码元的正值脉冲。第40页/共58页n n（2 2）连贯式插入法连贯式插入法n n连贯式插入法又称为集中插入法。这种方式就是将帧同步码以集中的形式插入信息码流中，一般帧同步码集中插入到一帧的开始位置。第41页/共58页n n 对群同步码组的要求对群同步码组的要求n n对作为群同步码组的特殊码组有两个方面的要求：一方面要求同步码组在信息码元序列中不易出现以便识别，即将信息码元误认为同步码组的概率要小，同时当同步码组中有误码时，漏识别的概率也要小。另一方面的要求是识别该特殊码组的识别器应该尽量简单。n
21、 n 巴克码巴克码n n巴克码是一种非周期序列。第42页/共58页n n（3 3）间歇式插入法（分散插入法）间歇式插入法（分散插入法）n n群同步码组不是集中插入在信息码流中，而是将它分散地插入，即每隔一定数量的信息码元，插入一个群同步码元。群同步码码型选择的主要原则是：一方面要便于收端识别，即要求群同步码具有特定的规律性，这种码型可以是全“1”码、“1”“0”交替码等；另一方面，要使群同步码的码型尽量和信息码相区别。第43页/共58页n n2.2.群同步系统的性能群同步系统的性能n n（1 1）漏同步概率漏同步概率P P1 1n n由于干扰的影响会引起同步码组中的一码元发生错误，从而使识别器
22、漏识别已发出的同步码组。n n（2 2）假同步概率假同步概率P P2 2n n在消息码元中，也可能出现与所要识别的群同步码组相同的信息码组，这时会被识别器误认为是同步码组而实现假同步。出现这种情况的可能性就称为假同步概率P2。第44页/共58页n n（3 3）平均同步建立时间平均同步建立时间t ts sn n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Ts，则一帧的时间为NTs。在建立同步过程中，如出现一次漏同步，则建立时间要增加NTs；第45页/共58页n n如出现一次假同步，建立时间也要增加NTs，因此，
23、帧同步的平均建立时间为n nts=（1+P1+P2）NTsn n对于分散式插入法，其平均建立时间经过分析计算可得n ntsN2Ts第46页/共58页n n3.3.群同步的保护群同步的保护n n捕捉态：n n判决门限提高，判决器容许群同步码组中最大错码数就会下降，假同步概率P2就会下降。n n维持态：n n判决门限降低，判决器容许群同步码组中最大错码数就会上升，但漏同步概率P1就会下降。第47页/共58页n n4.4.PCM 30/32PCM 30/32路帧同步系统路帧同步系统n n帧同步是实现时分多路通信必不可少的条件之一。它在很大程度上决定了时分多路通信的有效性及可靠性。同步系统是使收、发定
24、时系统同步工作，以保证在收端能正确地接收每一个码元，并正确分出每一路信息码和信令码。第48页/共58页n n下面简单讨论PCM帧同步系统的具体性能。n n（1 1）帧同步建立时间帧同步建立时间n n要求开机后整个系统要能很快地进入帧同步，或一旦帧失步后，能很快恢复帧同步。第49页/共58页n n（2 2）帧同步系统的稳定性帧同步系统的稳定性n n信道误码可能使帧同步码误码，而产生假失步。在正常帧同步情况下，如果根据假失步进行调整的话，就会使已经处于帧同步的状态变成帧失步状态，即造成误调整。误调整结果将使正常的通信中断。第50页/共58页n n 帧失步：如果帧同步系统连续34个同步帧（同步帧=2
25、T=2125s=250s）未收到帧同步码，则判为系统已失步，此时帧同步系统立即进入捕捉状态。n n 帧同步：帧同步系统进入捕捉状态后，在捕捉过程中，如果捕捉到的帧同步码组（每帧时间长125s具有以下规律。第51页/共58页n na a.第第NN帧有帧同步码帧有帧同步码 1 0 1 0 011011011011（第（第1 1位码暂固定为位码暂固定为1 1）。）。n nb b.第第NN+l l帧无帧同步码，而帧无帧同步码，而有对端告警码有对端告警码1 1 01 1 0111111111111。n nc c.第第NN+2+2帧有帧同步码。帧有帧同步码。第52页/共58页7.5 网同步技术网同步技术n
26、 n1.1.主从同步方式主从同步方式n n这种方法是在整个通信网中的某一站设置一个高稳定的主时钟源，它产生的时钟按图7-30沿箭头所示的方向逐站传送至网内的各站，因而保证网内各站的频率和相位都相同。第53页/共58页图图7-30 主主从从同同步步法法的的时时钟钟传传送送第54页/共58页n n2.2.互同步方式互同步方式n n为了解决主从同步方式的不足，提出互同步方式，这种方式是在没有主时钟的情况下，使互相联接的数字网高度地同步。它所采用的同步方式是相互的，没有上述的主从关系，网内各交换点（站）都有自己的时钟，但它们相互联结，相互影响，最后统一到同一时钟频率（平均值）上。第55页/共58页n
27、n3.3.码速调整法码速调整法n n前面已经指出，在CCITT标准中，采用数字复接技术把较低群次的数字流逐级汇合成更高群次的数字流，参与复接的各支路数字流若是异步的，合群时，首先必须将这些异步的数字流进行码速调整，使之变为相互同步的数字流；收端分路时，从这些相互同步的数字流中分别进行码速恢复，复原出各支路异步的数字流。第56页/共58页n n4.4.水库法水库法n n它不是依靠填充脉冲或扣除脉冲的方法来调整速率，而是依靠在通信网的各站都设置极高稳定度的振荡器和容量足够大的缓冲存储器，使得在很长的时间间隔内不发生“取空”或“溢出”的现象。容量足够大的存储器就像水库一样，既很难将水抽干，也很难将水库灌满，因而就无需进行码速调整了。第57页/共58页