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1、第第9 9章章 同步原理同步原理 1 1、主要内容、主要内容:各种同步技术：包括载波同步、位同各种同步技术：包括载波同步、位同步、群同步步、群同步 、扩频同步、扩频同步 、网同步等的实现；载波同步、网同步等的实现；载波同步、位同步、群同步位同步、群同步 等的性能分析。等的性能分析。2 2、基本要求、基本要求:掌握载波同步和位同步的原理，分别掌握载波同步和位同步的原理，分别包括插入导频法包括插入导频法 、直接法的原理和实现；理解载波同步、直接法的原理和实现；理解载波同步和位同步的性能分析及其对通信系统性能的影响；掌握和位同步的性能分析及其对通信系统性能的影响；掌握连贯式插入法群同步的原理，了解起
2、止式同步法群同步、连贯式插入法群同步的原理，了解起止式同步法群同步、间隔式插入法群同步、自群同步的实现方法；了解群同间隔式插入法群同步、自群同步的实现方法；了解群同步系统的性能指标；了解网同步技术。步系统的性能指标；了解网同步技术。本章要求本章要求(参考学时为8学时)载波同步及其性能分析载波同步及其性能分析位同及其性能分析位同及其性能分析群同步及其性能分析群同步及其性能分析 网同步技术网同步技术知识要点知识要点9.1 9.1 引言引言通通信信系系统统的的同同步步通通常常有有载载波波同同步步、位位同同步步、群同步（帧同步）和网同步等。群同步（帧同步）和网同步等。同同步步是是系系统统正正常常工工作
3、作的的前前提提，同同步步系系统统性性能能的的降降低低会会直直接接导导致致通通信信系系统统性性能能的的降降低低，甚至使通信系统不能工作。甚至使通信系统不能工作。在在数数字字通通信信系系统统中中，要要求求同同步步系系统统具具有有比比信息信号传输更高的可靠性。信息信号传输更高的可靠性。数字通信系统中的同步种类：数字通信系统中的同步种类：载波同步、码元同步、群同步和网同步。载波同步、码元同步、群同步和网同步。载波同步：载波同步：又称载波恢复。又称载波恢复。目的目的：在接收设备中产生一个和接收信号的载波同：在接收设备中产生一个和接收信号的载波同频、同相的本地振荡，用于相干解调。频、同相的本地振荡，用于相
4、干解调。方法方法：接收信号中有载频分量时：需要调整其相位。接收信号中有载频分量时：需要调整其相位。接收信号中无载频分量时：需从信号中提取载波，接收信号中无载频分量时：需从信号中提取载波，或插入辅助同步信息。或插入辅助同步信息。码元同步码元同步：又称时钟同步或时钟恢复。又称时钟同步或时钟恢复。对于二进制信号，对于二进制信号，又称位同步又称位同步。目的目的：得知每个接收码元准确的起止时刻，以便决定积分和判：得知每个接收码元准确的起止时刻，以便决定积分和判决时刻。决时刻。方法方法：从接收信号中获取同步信息，由其产生一时钟脉冲序列，：从接收信号中获取同步信息，由其产生一时钟脉冲序列，使后者和接收码元起
5、止时刻保持正确关系。或插入辅助同步信使后者和接收码元起止时刻保持正确关系。或插入辅助同步信息。息。群同步群同步：又称帧同步又称帧同步。目的目的：将接收码元正确分组。：将接收码元正确分组。方法方法：通常需要在发送信号中周期性地插入一个同：通常需要在发送信号中周期性地插入一个同 步码步码元，标示出分组位置。元，标示出分组位置。网同步网同步：使通信网中各站点时钟之间保持同步。：使通信网中各站点时钟之间保持同步。9.2 9.2 载波同步载波同步 模模拟拟或或数数字字通通信信采采用用相相干干解解调调时时，接接收收端端需需要要一一个个与与发发送送端端调调制制载载波波同同频频同相的相干载波。同相的相干载波。
6、接接收收端端对对这这个个相相干干载载波波的的获获取取就就称称为为载波同步，或称为载波提取。载波同步，或称为载波提取。载波同步方法载波同步方法:(1)插入导频法插入导频法;(2)直接法直接法9.2 9.2 载波同步载波同步 插入导频法插入导频法u定定义义：在在发发送送端端发发送送数数据据信信号号的的同同时时，在在适适当当的的频频率率或或时时间间位位置置上上插插入入作作为为导导频频的的正正弦弦波波，接接收收端端提提取取导频信号而得到相干载波。导频信号而得到相干载波。u插插入入导导频频的的方方法法：频频域域插插入入法法和和时时域插入法域插入法9.2 9.2 载波同步载波同步 u插入导频法应用：插入导
7、频法应用：可可以以在在两两种种信信号号传传输输中中应应用用：一一是是对对于于本本身身不不包包含含载载波波分分量量的的信信号号，例例如如抑抑制制载载波波的的双双边边带带信信号号、单单边边带带信信号号以以及及等等概概率率的的二二相相数数字字相相位位调调制制信信号号等等；二二是是虽虽然然信信号号本本身身含含有有载载波波分分量量但但却却很很难难将将其其从从中中分分离离出来。出来。1.在抑制载波的双边带信号中插入导频在抑制载波的双边带信号中插入导频 导频0相乘电路带通滤波相加电路/2相移载波产生(a)发送端原理方框图带通滤波相乘电路低通滤波/2相移窄带滤波(b)接收端原理方框图插入导频法原理方框图实现框
8、图实现框图: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 f1窄带f2窄带（f2-f1）低通q次分频fc窄带移相接收信号载波输出l3.时域插入导频法（自学）时域插入导频法（自学）带通滤波解调线性门鉴相器低通滤波VCO输入门控信号输出锁相环直接法直接法 1.平方变换法平方变换法 已调信号S（t）输入平方律电路2c窄带滤波器载波输出二分频e（t）2.平方环法平方环法 平方律电路环路滤波器二分频鉴相器压控振荡器已调信号S（t）输入锁相环载波输出3.M次方变换法和次方变换法和M次方环法次方环法 uM次方变换法是对多进制调制信号提取载波的次方变换法是对多进制调制信号提取载波的，对对MPSK信号就
9、可以采用信号就可以采用M次方变换法。对次方变换法。对QPSK来说，可以采用四次方变换法。来说，可以采用四次方变换法。uM次方变换法在（次方变换法在（0,2）范围内有）范围内有M种可能相种可能相位状态，因而具有位状态，因而具有M重相位模糊。重相位模糊。u用锁相环代替用锁相环代替M次方变换法中的窄带滤波器和次方变换法中的窄带滤波器和M分频器，就成为分频器，就成为M次方环法。次方环法。M次方环法同样具次方环法同样具有有M重相位模糊，常见的解决办法是采用重相位模糊，常见的解决办法是采用M项相项相对移相。对移相。4.特殊锁相环法特殊锁相环法 特殊锁相环法也属于直接提取载波方法，常见的是同相正交环法。90
10、相移低通低通压控振荡器环路滤波器V5V6V7V3V4V2V1输出输入已调信号 载波同步的性能指标载波同步的性能指标载载波波同同步步的的主主要要性性能能指指标标有有效效率率、相相位位精精度度、同同步步建建立时间和同步保持时间等立时间和同步保持时间等 效率效率。为了获得载波信号而消耗的功率应尽量少。为了获得载波信号而消耗的功率应尽量少。相位精度相位精度。所提取的载波相对载波标准的相位误差应。所提取的载波相对载波标准的相位误差应该尽量小。该尽量小。同步建立时间同步建立时间。载波同步建立时间越短，同步建立就。载波同步建立时间越短，同步建立就越快。越快。同步保持时间同步保持时间。同步保持时间越长，则载波
11、同步的稳。同步保持时间越长，则载波同步的稳定性越好。定性越好。1.相位精度及对解调性能的影响相位精度及对解调性能的影响 相位误差通常由稳态相差和随机相差组成相位误差通常由稳态相差和随机相差组成 载波同步的总相位误差是稳态相差和随机相差的载波同步的总相位误差是稳态相差和随机相差的代数和代数和 稳态相差稳态相差 是指载波同步提取电路所引起的相位相差是指载波同步提取电路所引起的相位相差窄带滤波器的稳态相差窄带滤波器的稳态相差锁相环的稳态相差锁相环的稳态相差 Kv：环路直流增益Kv上升，下降 0-C 上升，上升l随机相差随机相差 是由随机噪声引起的相位误差。是由随机噪声引起的相位误差。载载波波信信号号
12、叠叠加加随随机机高高斯斯噪噪声声产产生生随随机机相相位位误误差差相相位抖动位抖动 载波随机相差载波随机相差n的概率密度函数为的概率密度函数为 与正态分布比较：与正态分布比较：随机相差的方差：随机相差的方差：相位抖动：相位抖动：结论：结论：l载载波波同同步步中中的的相相位位误误差差将将导导致致接接收收端端解解调调性性能能的的下下降降。l导导致致双双边边带带调调制制信信号号解解调调输输出出的的信信噪噪比比下下降降、误误码码率率上升。上升。信号幅度下降信号幅度下降coscos倍，信号功率下降倍，信号功率下降coscos2 2 倍倍l导导致致残残留留边边带带和和单单边边带带信信号号的的信信噪噪比比下下
13、降降、误误码码率率上上升，并且使得解调输出信号产生了畸变升，并且使得解调输出信号产生了畸变 2.载波同步建立时间和保持时间载波同步建立时间和保持时间同步建立时间同步建立时间 失去同步后重建同步所需的最长时间失去同步后重建同步所需的最长时间 同步保持时间同步保持时间 同同步步建建立立后后，由由于于信信号号中中断断使使接接收收端端同同步步信信号号相相位位漂移直到失步的时间漂移直到失步的时间9.3 9.3 位同步位同步 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称为位同步或码元同步，而这个定时脉冲序列就称为位同步脉冲或码元同步脉冲。位同步方法也有直接法和插入导频法两种。直接法也包
14、括滤波法和锁相法。插入导频法插入导频法这种方法与载波同步的插入导频法类似，它是在基带信号频谱的零点插入所需的导频信号在基带信号频谱的零点插入所需的导频信号。插入导频法还可以采用包包络络调调制制法法和时域插入法 00M（w）M（w）1/T1/2Tff直接法直接法 这类方法是发发送送端端不不专专门门发发送送导导频频信信号号，接接收收端端直直接接从从数数字字信信号号中中提提取取位位同同步步信信号号。有的信号本身已包含位定时频率分量，这时只需用用窄窄带带滤滤波波器器或或锁锁相相环环路路提提取取即可；对于不具有位定时频率成分的信号，则先经过非线性变换产生位同步频率分量，再用窄带滤波或锁相环路提取。滤波法
15、滤波法通常的不归零随机基带数字信号序列，不能直接从中滤出位同步信号。可以采用微分、全波整流的方法将不归零序列变换成归零序列，然后用窄带滤波器滤出位同步频率分量。另一种常用的波形变换方法是对带限信号进行包络检波。频带受限的二相移相信号经包络检波后可提取位同步信号。基带数字信号s（t）放大限幅微分全波整流窄带滤波移相脉冲形成a b c d位定时脉冲tbts（t）0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1tdtact微分全波整流滤波法及各点波形（a）（b）（c）ttt频带受限二相移相信号的位同步信号提取锁相法锁相法位同步锁相法是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，
16、若两者相位不一致，鉴相器就产生误差信号去调整本地位同步信号的相位，直至获得准确的位同步信号。数字锁相数字锁相 位同步脉冲输出接收码元超前脉冲滞后脉冲a路b路相位比较器n次分频器或门扣除门（常开）附加门（常闭）整形晶振数字锁相原理框图数字锁相的位同步脉冲相位调整数字锁相的位同步脉冲相位调整n-1 n 1 2 3 4 5 6 7 8 n-1 n 1 2 3 4 5附加一个脉冲周期T=1/F脉冲一个扣除n-1 n 1 2 3 4 5 6 7 n-2 n-1 n 1 2 3 4n-1 n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 n 1 2 3 4 5 6（a）（b）（c）（d）（e）（f）（g）数字锁相抗
17、干扰性能的改善 或门MNN门或滞后脉冲滞后脉冲超前脉冲超前脉冲（a）N先于M滤波器置“0”置“0”2N可逆计数器或门2N0复位置加计数减计数（b）随机徘徊滤波器超前脉冲滞后脉冲超前脉冲滞后脉冲数字锁相抗干扰性能的改善数字式滤波器 超前脉冲滞后脉冲QQ与门与门超前脉冲滞后脉冲图9.3.7 缩短相位调整时间的方案数字锁相抗干扰性能的改善早早-迟门同步迟门同步压控振荡器环路滤波器绝对值绝对值基带信号输入+位同步输出早-迟门同步原理框图早门迟门早门早门d+1-1迟门迟门d（a）相位同步状态早门早门迟门迟门（b）相位超前状态+1-1位同步的性能位同步的性能 位同步的性能主要有相位误差、建立时间和保持时间
18、等 相位误差及对系统性能的影响相位误差及对系统性能的影响 数字锁相法的相位误差主要由于位同步脉冲的跳变调整所导致。因为每调整一步的相位跳变为2/n，n是分频器的分频次数，所以最大的相位误差为相位误差将影响接收机检测基带信号的性能相位误差将影响接收机检测基带信号的性能 1 0 0 1 0 0 第一码元 第二码元 第三码元TeTTe2TeT E(12Te/T)E t1t2 t3 ttttt同步建立时间同步建立时间 指从失步状态到建立同步所需要的最长时间指从失步状态到建立同步所需要的最长时间.数字锁相的同步建立时间越短越好。若位同步脉冲的相位与输入信号码元的相位相差T/2秒，由于数字锁相环每调整一步
19、为T/n秒，因此所需要的调整次数为 平均每2T秒调整一次相位，故同步建立时间为同步保持时间同步保持时间 接收端在输入信号中断的状态下能够保持相位同步的时间接收端在输入信号中断的状态下能够保持相位同步的时间。设数字锁相环的固有频率与接收码元重复频率之间的频差为F,两个频率的平均值为F0，相应的周期为T0，则同步保持时间为：事先给定同步保持时间tc，则所允许的频率误差为 收发两端振荡器共同造成的。如果两振荡器的频率稳定度相同，则要求每个振荡器的稳定度不能低于同步宽带同步宽带 收发两端能够实现同步所允许的最大频率差，也就是同步宽带为 9.4 群同步群同步 群同步通常有两类方法：一类是在数字信息流中插
20、入一些特殊码组作为每群的头尾标记，接收端根据这些特殊码组的位置实现群同步；另一类方法不需要额外的特殊码组，而是利用数据码组之间彼此不同的特性来实现自同步。群同步码码型选择原则：具有特定的规律性，便于收端识别尽量与信息码相区别 9.4 群同步群同步 插入特殊码组实现群同步的方法主要有连贯式插入法和间隔式插入法两种，此外，在电传机中曾经广泛使用起止式群同步法。起止式同步法起止式同步法 15 1.5起止起止式同步的信号波形止连贯式插入法连贯式插入法 连贯式插入法又称集中插入法，是将帧同步码集中插入到每群的开头部分。这种方法的关键是构造作为群同步码组的特殊码组，这个特特殊殊码码组组要要求求具具有有以以
21、下下的的特特点点：一是与之相同的组合在信息码流中出现的概率很小，以减小假同步的发生；二是具有良好的自相关特性，即尖锐单峰的自相关特性；三是要求识别器尽量简单。最常用的一类群同步码是巴克码。巴克码是一种非周期序列。一个n位的巴克码组为 ，其中 取值为+1或1，它的局部自相关函数为 6 4 2 0 +2 +4 +6 jR（j）71七位巴克码的自相关函数 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1相 加判 决输出 七位巴克码识别器 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0识别器输入巴克码 信息码 巴克码t识别器输出t一群识别器工作波形间隔式插入法间隔式插入法 间间隔隔式式插
22、插入入法法又又称称分分散散插插入入法法，即即将将群群同同步步码码组组各各比特位按一定间隔分散地插入到信息流中。比特位按一定间隔分散地插入到信息流中。群同步码帧复帧自群同步自群同步自自群群同同步步方方法法是是将将信信息息进进行行适适当当编编码码，使使这这些些码码既既代代表表信信息息又又具具有有分分群群的的能能力力。一一般般地地，码字需要兼有两个基本特征：码字需要兼有两个基本特征：唯一可译唯一可译可同步可同步群同步系统的性能指标群同步系统的性能指标 漏同步概率漏同步概率 漏漏同同步步概概率率指指由由于于干干扰扰的的影影响响导导致致同同步步码码组组中中的的一一些些码码元元发生错码，使识别器漏识别已达
23、到的同步码组的概率发生错码，使识别器漏识别已达到的同步码组的概率 假同步概率假同步概率 假假同同步步概概率率指指由由于于消消息息码码元元中中出出现现与与同同步步码码组组相相同同的的码码序序列而被识别器误认为同步码组，导致错误同步的概率列而被识别器误认为同步码组，导致错误同步的概率 比较上面二式：比较上面二式：P1与与P2矛盾，判决门限的选择要兼顾两者矛盾，判决门限的选择要兼顾两者平均建立时间平均建立时间 连贯式插入法连贯式插入法 间隔式插入法间隔式插入法 采用逐码移位法检测同步码，其平均建立时间大致采用逐码移位法检测同步码，其平均建立时间大致 群同步的保护群同步的保护 群群同同步步过过程程中中
24、存存在在漏漏同同步步和和假假同同步步现现象象，这这两两种种情情况况的的出出现现概概率率越越小小越越好好。然然而而，要要求求漏漏同同步步概概率小和要求假同步概率小是相互矛盾的。率小和要求假同步概率小是相互矛盾的。为为了了改改善善同同步步系系统统性性能能，常常用用的的群群同同步步保保护护措措施施是是将将群群同同步步的的工工作作划划分分为为两两种种状状态态：捕捕捉捉态态和和维维持持态态。处处在在捕捕捉捉态态时时，也也就就是是未未同同步步状状态态，以以降降低低假假同同步步概概率率为为目目的的；处处在在维维持持态态时时，也也就就是是同同步建立之后，以降低漏同步概率为目的。步建立之后，以降低漏同步概率为目
25、的。分频器与门识别器假同步保护计数器N1状态寄存器与门漏同步保护计数器N2“同步”“失步”群同步输出状态指示工作控制清“0”门限电平调整置“0”位同步收码群同步保护原理图9.5 扩频同步扩频同步 接收机本地生成的扩频序列与接收信号的同步通常经过两个步骤完成：第一步是搜索和捕获接收信号的粗略相位，使得相位对准误差小于1个码元，通常称这一步为捕获或初始同步；第二步是在捕获的前提下，使码相位误差进一步减小，使得所建立的同步持续保护下去，通常称这一步为跟踪。捕获捕获的任务是搜索不确定时间相位或频率的接收信号，使本地生成的扩频序列粗略同步到所接收的扩频信号上。常用的捕获方法有串行搜索法，序贯估计法、前置
26、同步法、发射参考信号、突发同步法和匹配滤波器同步法等 串行搜索法串行搜索法 比较器门限值搜 索控制器伪 码产生器时钟接收信号捕获标志直序扩频信号的串行搜索捕获接收信号带 通滤波器平方津检测器积分器比较器搜索控制伪 码产生器时钟跳频器门限值捕获标志跳频信号的串行搜索捕获序贯估计法序贯估计法 接收信号伪随机序列码片检测器n级伪随机序列发生器时钟比较器搜索控制2门限1捕获标志跟踪跟踪 延迟锁定环跟踪，也称早延迟锁定环跟踪，也称早-迟门环跟踪迟门环跟踪 abc跟踪点复合相关特性包络检波波包络检波波接收信号中放解调低通中放时钟中放信码T/2nn-11延迟锁定环跟踪接收机伪码产生器c+ab 9.6 网同步
27、网同步为了保证数字信息的可靠复接和交换，必须使整个网各转接点的时钟频率和相位相互协调一致，即实现网同步。数字通信网同步的主要方式有3种：主从同步法相互同步法独立时钟同步法。主从同步法主从同步法 在在整整个个通通信信网网中中设设置置一一个个高高稳稳定定度度的的主主时时钟钟源源，它它产产生生的的时时钟钟沿沿箭箭头头所所示示方方向向逐逐站站传传送送至至网网内内的的各各站站，使使网网内内各站的频率和相位保持一致。各站的频率和相位保持一致。主主从从同同步步法法的的优优点点是是时时钟钟稳稳定定高高、设设备简单。备简单。主主从从同同步步法法的的缺缺点点是是，当当时时钟钟传传递递路路径径中中的的某某一一站站发
28、发生生故故障障时时，不不仅仅影影响响本站，还要影响它以下的各站。本站，还要影响它以下的各站。MS2 S3 S1 2S4S5 S6 主时钟源主从同步法的时钟传送相互同步法相互同步法 网网内内各各站站都都有有自自己己的的时时钟钟，并并把把它它们们相相互互连连接接起起来来，使使其其相相互互影影响响，各各站站的的时时钟钟频频率率最最终终锁锁定定在在网网内内各各站站固固有时钟频率的平均值上有时钟频率的平均值上。相相互互同同步步法法的的优优点点当当某某一一站站出出故故障障时时，网网频频率率将将平平滑滑过过渡渡到到一一个个新新的的平平均均值值，其其他他站站仍仍然然能能够够正正常常工工作作。克克服服了了主主从
29、从同同步步法法过过分分依依赖赖主主时时钟钟源源的的缺缺点点，提提高高了了通信网工作的可靠性。通信网工作的可靠性。相互同步法的相互同步法的缺点缺点是设备较复杂。是设备较复杂。独立时钟同步法独立时钟同步法 独独立立时时钟钟同同步步又又称称准准同同步步，或或称称异异步步复复接接。这这种种方方式式是是全全网网内内各各局局都都采采用用独独立立的的时时钟钟源源，各各局局的的时时钟钟频频率率不不一一定定完完全全相相等等，但但要要求求时时钟钟频频率率稍稍高高于于所所传传的的信信息息码码速速率率，并并且且信信码码速速率率的的波动也不会高于时钟频率。波动也不会高于时钟频率。可可以以采采用用“填填充充脉脉冲冲”的的
30、方方法法或或“水水库库法法”调调整数码速率。整数码速率。独立时钟同步法的优点：各支路可工作于异步状态，使用灵活、方便。缺点存储器读出时钟有相位抖动，影响同步质量。填充脉冲同步填充脉冲同步填充脉冲同步方法又称正码速调整法填充脉冲同步方法又称正码速调整法 填充脉冲写读写读合路缓冲存贮器分路缓冲存贮器水库法水库法在通信网的各站设置极高稳定度的时钟源和容量足够大的缓冲存贮器，使得在很长的时间间隔内缓冲存贮器都不会发生“取空”或“溢出”，就像水库一样既不会被抽干又很难将水灌满，因而无须进行码速率调整。若存贮器的位数为2n，起始为半满状态的n位，存贮器读写速率差为f，则发生一次“取空”或“溢出”的时间间隔T为设数字信号的频率为f，令S=f/f,则是水库法的基本计算公式Ch9 E N DCh9 E N D