通信原理课件同步原理.pptx

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1、6.1 概述发端收端（协调一致）节拍载波信号一致同步是指收发双方在时间、载波信号等方面步调一致，是信息正确接收的前提，同步系统应具有比信息传输系统更高的可靠性和更好的质量指标。第1页/共56页一、按照同步的功用分为：u 载波同步u 位同步u 帧(群)同步u 网同步第2页/共56页(1)载波同步指在相干解调时，接收端需要获得一个与发送端同频同相的相干载波。这个载波的获取称为载波提取或载波同步。(2)位同步（码元同步）消息都是通过一连串码元序列传送的，所以接收时需要知道每个码元的起止时刻，必须有准确的抽样判决时刻，把在接收端产生与接收码元的重复频率和相位一致的定时脉冲序列的过程第3页/共56页(3

2、)帧（群）同步 数字通信中，信息流总以一定数目的码元组成一个个字进行传输，称之为一帧。帧同步信号的频率可很容易由位同步信号经分频得到，但每帧的开头和结尾却无法由分频器决定。帧同步的任务就是给出这个“开头”和“结尾”的时刻。第4页/共56页当通信是点对点进行时，完成了载波同步、位同步和帧同步后，就能进行可靠通信了。但现代通信系统往往在多点之间实现互连，从而构成通信网。为了保证在通信网中各点之间可靠通信，则必须在网内建立一个统一的时间标准。(4)网同步 二、按照获取和传输同步信息方式分为：u 外同步法u 自同步法第5页/共56页（1）外同步法由发送端发送专门的同步信息（导频），接收端把这个导频提取

3、出来作为同步信号的方法。（2）自同步法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。自同步法是人们最希望的同步方法，因为可以把全部功率和带宽分配给信号传输第6页/共56页6.2 载波同步载波同步的目的：获得同频同相的相干载波载波同步的方法:发信号+导频收外同步v 插入导频法发信号收内（自）同步v 直接法平方变换法、平方环法、同相正交环法第7页/共56页一、插入导频法u何时用插入导频法?u插在什么位置?u插什么内容?研究问题：1、何时用插入导频法 DSB、SSB、VSB、2PSK双边带抑制载波 单边带 残留边带 移相键控 无载波 有但难提取 P=1/2时无载波 第8页/

4、共56页对于已调信号本身不含载波或接收端很难从已调信号的频谱中分离出载波这种情况2、导频插在什么位置?(以DSB为例)0ffcfc+fmfc-fmv 尽量少影响原始信号。在此处频谱分量为0，即无原始信号。v 易于滤出导频。插导频附近信号频谱分量很小。第9页/共56页3、导频形式(以双边带抑制载波为例)导频为载波移相900后的“正交载波”。低通带通滤波器fc窄带滤波器900相移m(t)调制信号带通滤波器相加器输出900相移插入导频法发端框图 插入导频法收端框图第10页/共56页其中，窄带滤波器可以用 锁相环来代替，对于SSB原理一样第11页/共56页问题：导频为何要用正交载波？有直流分量，影响信

5、号第12页/共56页二、直接法 也称自同步法。这种方法是设法从接收信号中提取同步载波。有些信号，如DSB、PSK等，它们虽然本身不直接含有载波信息，但经过某种非线性变换（平方变换、平方环）后，可从中提取出载波的频率和相位信息，从而恢复相干载波。直接法举例（以DSB为例）：u 平方变换法u 平方环法u 同相正交环法第13页/共56页（1）平方变换法DSB：f(t)无直流，上式中无载波分量。对上式进行平方变换，得上式含有2W0成分，如果采用一窄带滤波器滤出2W0的分量，然后再经二分频，便可得所需的载波第14页/共56页根据上述分析得到平方变换法提取载波的方框图如下：u(t)（2）平方环法平方变换法

6、提取载波在实际中，伴随信号一起进入接收机的还有加性高斯白噪声，为了改善平方变换法的性能，使恢复的相干载波更为纯净，常采用平方环法。第15页/共56页由于锁相环具有良好的跟踪、窄带滤波和记忆功能，平方环法比一般的平方变换法具有更好的性能,应用较为广泛平方环法提取载波第16页/共56页（3）同相正交环法（科斯塔斯环，Costas）LPFVCOLPFLPF载波输出U2U1U3U4U5U6U7同相支路正交支路VCO输出为两路正交的信号U1，U2第17页/共56页和输入已调信号相乘后得到经过低通滤波后得到第18页/共56页是VCO输出信号与输入已调信号载波之间的相位差若 很小，则有与相位误差成正比，相当

7、于一个鉴相器的输出 用U7去调整VCO输出信号的相位，使相位差 趋于0，在稳定状态下 。VCO输出即为提取的 载波，而稳态时，同相支路输出U5就是解调出的原信号，同相正交环法同时还具有了解调功能第19页/共56页Costas环与平方环都是利用锁相环（PLL）提取载波的常用方法。v Costas环与平方环相比，在电路上要复杂一些，但它的工作频率为载波频率，而平方环的工作频率是载波频率的两倍。v 当环路正常锁定后，Costas环可直接获得解调输出，而平方环则没有这种功能。第20页/共56页三、两种载波同步方法的比较u 直接法的优缺点：(1)不占用导频功率因此信噪功率比大一些；(2)可以防止插入导频

8、法中导频和信号间由于滤波不 好而引起的互相干扰，也可以防止信道不理想引起导 频相位的误差；(3)有的调制系统不能用直接法（如SSB系统）。第21页/共56页u插入导频法的优缺点：(1)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（SSB)；(2)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；(3)插入导频法要多消耗一部分不带信息的功率。因 此，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。第22页/共56页四、载波同步系统的性能载波同步系统的主要性能指标：u高效率u高精度u同步的建立时间、保持时间高效率：在获得载波信号时，尽量少消耗发送

9、功率（直接法优于插入导频法）高精度指的是接收端提取的载波应是相位误差尽量小的相干载波。第23页/共56页载波相位误差分为稳态相差和随机相差1、稳态相差主要是由系统决定，指接收信号中的载波与同步电路提取出的参考载波，在稳态情况下的相位差a）窄带滤波器 假设窄带滤波器为单调谐回路，其品质因数为Q。若滤波器的中心频率W0与载波频率Wc不相等时，会使提取的载波同步信号产生一个稳态相差 对于不同的同步提取方法，相位误差的分析方法也不同第24页/共56页希望 小，则Q小；但当Q小时，滤波器的带宽B（）增加，不能保证窄带，相矛盾。此种方法不理想。b)PLL 当用锁相环提取载波时，其稳态相差为：其中 为锁相环

10、VCO的输出信号频率与输入载波之间的频差，为环路直流增益。为了减小 ，应使VCO的频率准确稳定，减小 ，增大 。只要 足够大就可以保证 足够小。第25页/共56页2、随机相差是由于随机噪声的影响而引起的同步信号的相位误差。此种误差分析较复杂，只给出一些结论。通常用随机相差的均方根值 来衡量，称为相位抖动。r为信噪比a)窄带滤波器功率谱密度为n0/2的白噪声通过窄带滤波器，其等效带宽为Bn，则噪声功率为：第26页/共56页若滤波器为单调谐回路，则那么滤波器的Q值越高，相位抖动值越小。但是在分析稳态相差时，要求Q要小，而对于相位抖动要求Q要高，它们相矛盾。Q值要适当选择第27页/共56页b)PLL

11、当锁相环的直流增益Kv 增大时，环路带宽Bn也增大，引起 的增加，与稳态相差 对Kv的要求矛盾。但锁相环可以合理地选择其他参数，使矛盾不象窄带滤波器那样突出3、建立时间ts和保持时间tc建立时间：同步信号从无到有的过程。保持时间：同步信号从最高到无的过程。要求ts短，tc长第28页/共56页(a)窄带滤波器tUkUtstcU:同步信号峰值kU:输出电压的包络达到此值，认为同步建立载波同步的建立与保持第29页/共56页建立时间保持时间 建立时间短短和保持时间长长也是矛盾的。Q值高，保持时间虽然长，但建立时间也长(b)PLL 对于PLL提取载波法，建立时间即为环路捕捉时间，而保持时间，即为环路的同

12、步保持时间。分析表明，两者同样存在矛盾。但PLL优越之处在于，可通过改变锁定前后的环路时间常数，从而减少捕捉时间而加长保持时间。第30页/共56页6.3 位同步接收端必须提供一个频率和相位与发送端码元序列相一致的定时脉冲序列。若基带信号为随机的二进制不归零码序列，这种信号本身不包含位同步信号，为了获得位同步信号，需在基带信号中插入位同步的导频信号，或对基带信号进行某种码型变换以得到位同步信息。第31页/共56页滤波法锁相法v插入导频法v直接法位同步实现方法第32页/共56页一、插入导频法v 尽量少影响原始信号。在此处频谱分量为0，即无 信号。v 易于滤出导频信息。导频附近频谱分量很小。u 插在

13、基带信号频谱的零点处u 利用调制的方法插入u 利用独立信道传送位定时信号1、导频插入在基带信号频谱的零点处导频插入方法：第33页/共56页在接收端，由窄带滤波器就可以从基带信号中提取位同步信号。一般基带信号的第一零点在f=1/T处。如果信号经过某种相关编码，其频谱的第一零点在f=1/2T处第34页/共56页位同步插入导频法框图（对应于b)第35页/共56页由窄带滤波器取出导频的另一路经过移相和放大限幅、微分全波整流、整形等电路，产生位定时脉冲，微分全波整流电路起到倍频器的作用，因此虽然导频是 fb/2，但定时脉冲的重复频率变为与码元速率fb相同。为减小导频对信号的影响，应从接收的总信号中减去导

14、频信号。由窄带滤波器取出的导频（fb/2）经过移相和倒相后，再经过相加器把基带数字信号中的导频成分抵消。图中两个移相器都是用来消除由窄带滤波器等引起的相移，这两个移相器可以合用。第36页/共56页2、用调制的方法插入双重调制导频插入法v 适用于FSK、PSK中。都是包络不变的等幅波，因此，可将位同步导频信号调制在它们的包络上。v 对已调信号再进行附加的幅度调制，调幅用的信号即位同步信号v 接收端用包络检波得到位同步信号第37页/共56页3、利用独立信道传送位定时信号（时域）同步信号也可以在时域内插入，这时载波同步信号、位同步信号和数据配置在不同的时间段内传送。第38页/共56页二、直接法不发送

15、导频，直接从数字信号中提取位同步信号的方法u 滤波法u 锁相法1、滤波法 对于不归零的随机二进制序列，不能直接从中滤出位同步信号，但对该信号进行某种变换，变成归零脉冲，就会包含位同步分量，然后用窄带滤波器或锁相环可提取位同步信号.第39页/共56页波形变换 窄带滤波器移相脉冲 形成全占空码单极性归零码fb位同步1011微分、整流滤波法原理图特点就是：先形成含有同步信息的信号再用滤波器滤波第40页/共56页2、数字锁相法基本原理：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，产生误差电压，不用于直接调整振荡器，而是通过控制器在信号钟输出的脉冲序列中附加或扣除一个或几个脉冲，调整加到鉴相器

16、上的位同步脉冲序列的相位达到同步的目的。三、位同步系统性能（略）第41页/共56页6.4 帧同步 数字通信中，一般总以一定数目的码元组成一个个字进行传输，称之为一帧。帧同步信号的频率可很容易由位同步信号经分频得到，但每帧的开头和结尾却无法由分频器决定。帧同步的任务就是给出这个“开头”和“结尾”的时刻。第42页/共56页实现方法有两种：1)1)插入同步码组法插入同步码组法：在数字信息流中插入一些特殊码组作为头尾标记，接收端根据这些特殊码组的位置实现帧同步。插入法又分为连贯式(集中）插入法和间隔式（分散）插入法。2)2)直接法直接法：不需要外加特殊码组，利用数据码组本身之间彼此不同的特性来实现自同

17、步第43页/共56页一、起止式同步法 电传机传输的信息码字由7.5个码元组成，一个码元的负脉冲，五个码元的信息，最后是1.5个码元的正脉冲作为结束位。接收端根据1.5码元正电平转到一个负电平的特殊规律确定起始位置，实现帧同步。这种方式传输不便，效率低。第44页/共56页二、连贯式（集中）插入法 这种方法就是在每帧的开头集中插入帧同步码组的方法。作为帧同步码组的特殊码组 首先应具有尖锐单峰特性的局部自相关函数。局部自相关函数按下式计算：对同步码组另外一个要求是识别器应该尽量简单第45页/共56页常用的帧同步码组是巴克码。巴克码具有很理想的局部自相关函数：7位的巴克码组为第46页/共56页 自相关

18、函数在j0时具有尖锐的单峰特性。第47页/共56页以7位巴克码为例。识别器用7级移位寄存器、相加器和判决器就组成，具体结构如图所示。第48页/共56页v 各移位寄存器输出端的接法与巴克码一致。当输入数据的“1”存入移位寄存器时，“1”端的输出电平为+1，而“0”端的输出电平为-1；反之，存入数据“0”时，“0”端的输出电平为+1，“1”端的电平为-1。v 如果输入移位寄存器的数字有一位或多位与巴克码不一致，则相加器输出就一定小于7；只有输入为巴克码时，相加器输出才为7。第49页/共56页v将判决器的判决门限电平定为+6，当在t1时刻7位巴克码全部进入移位寄存器，识别器输出一个帧同步脉冲。v 输

19、出的两个脉冲之间的数据，称为一帧数据或称为一群数据。第50页/共56页三、间隔式（分散）插入法 此种方法是将帧同步码分散地插入到信息码元中，即每隔一定数量的信息码插入一个帧同步码元。为了便于提取，帧同步码选择原则是：u便于收端识别，要求码组具有特定的规律性u码型与信息码能区别开。四、帧同步系统性能（略）第51页/共56页6.5 网同步 当通信是点对点进行时，完成了载波同步、位同步和帧同步后，就能进行可靠通信了。但现代通信系统往往在多点之间实现互连，从而构成通信网。为了保证在通信网中各点之间可靠通信，则必须在网内建立一个统一的时间标准，即实现网同步。第52页/共56页实现网同步的方法主要有两大类

20、：1.全网同步系统：网中各站时钟彼此同步，频率和相位都保持一致。1)主从同步法：通信网中主站将高稳定度的主时钟传送到网内的各个站去。缺点是可靠性差。2)相互同步法：网中各站有自己的时钟，频率锁定在各站固有频率的平均值上，这个平均值称为网频频率，从而实现网同步，提高了可靠性，缺点是每一站都较复杂。第53页/共56页2.异步复接：也称独立时钟法，这时各支路参与复接的数字流是非同步的，均采用高稳定性的时钟，相互独立，允许其速率偏差在一定的范围内，各站设法对输入信号进行处理，使其速率与本站的速率相同。1)码速调整法：各站对输入的码流首先进行码速调整，使之变成与本站同步的码流。2)水库法：不是依靠填充脉冲或扣除脉冲的方法，各站均设置高稳定度的时钟源和大容量的缓冲存储器，先将传来的信息码存入缓冲存储器，然后逐位取出，这样输出的码流就与本站同步。第54页/共56页6.6 小结1、同步的概念和分类2、载波同步的方法：插入导频法和直接法3、位同步的方法：插入导频法和直接法4、帧位同步的方法：插入同步码组法和直接法第55页/共56页感谢您的观看！第56页/共56页