(高職精品)-09同步原理

1、第9章 同步原理 所謂同步是指收發(fā)雙方在時(shí)間上步調(diào)一致 ,故又稱定時(shí)定時(shí)。 在數(shù)字通信中，按照同步的功能分為：載載 波同步波同步、位同步位同步、群同步群同步和網(wǎng)同步網(wǎng)同步。 整個(gè)通信系統(tǒng)正常工作的前提是同步系統(tǒng)正 常，同步質(zhì)量的好壞對(duì)通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)起著 至關(guān)重要的作用。 同步也是一種信息，按照獲取和傳輸同步信 息方式的不同，又可分為外同步法外同步法和自同步法自同步法。 (1) 載波同步載波同步 載波同步是指在相干解調(diào)時(shí)，接收端載波同步是指在相干解調(diào)時(shí)，接收端 需要提供一個(gè)與接收信號(hào)中的調(diào)制載波需要提供一個(gè)與接收信號(hào)中的調(diào)制載波同同 頻同相頻同相的相干載波。這個(gè)載波的獲取稱為的相干載波。這個(gè)

2、載波的獲取稱為 載波提取載波提取或或載波同步載波同步。 在第在第4章的章的模擬調(diào)制模擬調(diào)制以及第以及第 7 章的章的數(shù)字?jǐn)?shù)字 調(diào)制調(diào)制學(xué)習(xí)過程中，我們了解到要想實(shí)現(xiàn)相學(xué)習(xí)過程中，我們了解到要想實(shí)現(xiàn)相 干解調(diào)，必須有相干載波。因此，載波同干解調(diào)，必須有相干載波。因此，載波同 步是實(shí)現(xiàn)相干解調(diào)的先決條件。步是實(shí)現(xiàn)相干解調(diào)的先決條件。 (2) 位同步位同步 位同步又稱位同步又稱碼元同步碼元同步。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，任。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，任 何消息都是通過一連串碼元序列傳送的，所以接收何消息都是通過一連串碼元序列傳送的，所以接收 時(shí)需要知道每個(gè)碼元的起止時(shí)刻，以便在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)時(shí)需要知道每個(gè)碼元的起止時(shí)刻，

3、以便在恰當(dāng)?shù)臅r(shí) 刻進(jìn)行取樣判決。這就要求接收端必須提供一個(gè)位刻進(jìn)行取樣判決。這就要求接收端必須提供一個(gè)位 定時(shí)脈沖序列，定時(shí)脈沖序列，該序列的重復(fù)頻率與碼元速率相同該序列的重復(fù)頻率與碼元速率相同， 相位與最佳取樣判決時(shí)刻一致相位與最佳取樣判決時(shí)刻一致。我們把提取這種定。我們把提取這種定 時(shí)脈沖序列的過程稱為位同步。時(shí)脈沖序列的過程稱為位同步。 (3) 群同步群同步 對(duì) 于 數(shù) 字 時(shí) 分 多 路 通 信 系 統(tǒng) ， 如對(duì) 于 數(shù) 字 時(shí) 分 多 路 通 信 系 統(tǒng) ， 如 PCM30/32電話系統(tǒng)，電話系統(tǒng)， 各路信息都安排在指定各路信息都安排在指定 的時(shí)隙內(nèi)傳送，形成一定的幀結(jié)構(gòu)。為了使的時(shí)

4、隙內(nèi)傳送，形成一定的幀結(jié)構(gòu)。為了使 接收端能正確分離各路信號(hào)，在發(fā)送端必須接收端能正確分離各路信號(hào)，在發(fā)送端必須 提供每幀的起止標(biāo)記，在接收端檢測(cè)并獲取提供每幀的起止標(biāo)記，在接收端檢測(cè)并獲取 這一標(biāo)志的過程，稱為幀（群）同步。這一標(biāo)志的過程，稱為幀（群）同步。 (4) 網(wǎng)同步網(wǎng)同步 在獲得了以上討論的載波同步、位同步、群在獲得了以上討論的載波同步、位同步、群 同步之后，同步之后， 兩點(diǎn)間的數(shù)字通信就可以有序、準(zhǔn)確、兩點(diǎn)間的數(shù)字通信就可以有序、準(zhǔn)確、 可靠地進(jìn)行了。然而，可靠地進(jìn)行了。然而， 隨著數(shù)字通信的發(fā)展，尤隨著數(shù)字通信的發(fā)展，尤 其是計(jì)算機(jī)通信的發(fā)展，多個(gè)用戶之間的通信和其是計(jì)算機(jī)通信的

5、發(fā)展，多個(gè)用戶之間的通信和 數(shù)據(jù)交換，構(gòu)成了數(shù)據(jù)交換，構(gòu)成了數(shù)字通信網(wǎng)數(shù)字通信網(wǎng)。顯然，為了保證。顯然，為了保證 通信網(wǎng)內(nèi)各用戶之間可靠地通信和數(shù)據(jù)交換，全通信網(wǎng)內(nèi)各用戶之間可靠地通信和數(shù)據(jù)交換，全 網(wǎng)必須有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘，這就是網(wǎng)同步的網(wǎng)必須有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘，這就是網(wǎng)同步的 問題。問題。 同步也是一種信息，按照獲取和傳輸同步信息方同步也是一種信息，按照獲取和傳輸同步信息方 式的不同，又可分為外同步法和自同步法。式的不同，又可分為外同步法和自同步法。 (1) 外同步法外同步法 由發(fā)送端發(fā)送專門的同步信息（常被稱為由發(fā)送端發(fā)送專門的同步信息（常被稱為導(dǎo)頻導(dǎo)頻），接收），接收 端把這個(gè)導(dǎo)頻

6、提取出來作為同步信號(hào)的方法，稱為外同步法。端把這個(gè)導(dǎo)頻提取出來作為同步信號(hào)的方法，稱為外同步法。 (2) 自同步法自同步法 發(fā)送端不發(fā)送專門的同步信息，接收端設(shè)法從收到的信發(fā)送端不發(fā)送專門的同步信息，接收端設(shè)法從收到的信 號(hào)中提取同步信息的方法，稱為自同步法。號(hào)中提取同步信息的方法，稱為自同步法。 自同步法是人們最希望的同步方法，因?yàn)榭梢园讶抗ψ酝椒ㄊ侨藗冏钕Ｍ耐椒椒ǎ驗(yàn)榭梢园讶抗?率和帶寬分配給信號(hào)傳輸。在載波同步和位同步中，兩種方率和帶寬分配給信號(hào)傳輸。在載波同步和位同步中，兩種方 法都有采用，但自同步法正得到越來越廣泛的應(yīng)用。法都有采用，但自同步法正得到越來越廣泛的應(yīng)用。 （

7、一） 載波同步 （二） 位同步 （三） 群(幀)同步 （四） 網(wǎng)同步 本章內(nèi)容本章內(nèi)容 9.2 載波同步 在相干解調(diào)時(shí)，接收端需要提供一個(gè)與接收 信號(hào)中的調(diào)制載波同頻同相的相干載波。 獲取同頻同相載波的過程，稱為載波提取或 載波同步。 -f m f m ff c f c + f c 如果接收的信號(hào)中 含有調(diào)制載波成分，可 用窄帶濾波器直接提取 載波信號(hào)。 載頻 fc 常用的載波提取方法： 1.直接法 2.插入導(dǎo)頻法 9.2.1 直接法 發(fā)送端不發(fā)送專門的同步載波信號(hào)，接收端 設(shè)法從收到的信號(hào)中提取載波信號(hào)的方法，稱為 直接法。直接法屬于自同步法。 有些信號(hào)，如DSB、PSK等，它們雖然本身不

8、直接含有載波分量，但經(jīng)過某種非線性變換后， 將具有載波的諧波分量，因而可從中提取出載波 分量來。 常用的方法有： 1. 平方變換法和平方環(huán)法 2. 同相正交環(huán)法（科斯塔斯環(huán)法） 例如：抑制載波的雙邊帶信號(hào)(DSB),設(shè) 調(diào)制信號(hào)m(t)中無(wú)直流分量： ttmte c 22 cos 1. 平方變換法和平方環(huán)法 經(jīng)過一個(gè)平方律部件后就得到 s(t)=m(t)cosct ttm tm c 2cos 2 1 2 2 2 平方律 部件 輸入已 調(diào)信號(hào) e(t) 2fc窄帶 濾波器 二分頻 載波輸出 若m(t)=1，則DSB信號(hào)就成為2PSK，這時(shí) tttmte cc 2cos 2 1 2 1 cos)(

9、)( 2 平方律 部件 輸入已 調(diào)信號(hào) 鑒相器 分頻器 載波 輸出 環(huán)路濾 波器 VCO 鎖相環(huán) 在實(shí)際中，伴隨信號(hào)一起進(jìn)入接收機(jī)的還有噪 聲，常用鎖相環(huán)鎖相環(huán)代替窄帶濾波器，稱為平方環(huán)法平方環(huán)法 提取載波提取載波。 由于鎖相環(huán)具有良好的跟蹤、窄帶濾波和記憶 功能，平方環(huán)法比一般的平方變換法具有更好的性 能。因此，平方環(huán)法提取載波得到了較廣泛的應(yīng)用。 2.同相正交環(huán)法 又叫科斯塔斯(Costas)環(huán),也能用于提取載波同步 輸入已調(diào) 信號(hào) 相移 低通 壓控振 蕩器 環(huán)路濾 波器 2 低通 載波輸出 1 v 2 v 3 v 4 v 5 v 6 v 7 v 設(shè) 輸入的抑制載波雙邊帶信號(hào) 則 ttm

10、c cos)( )cos(cos)( 3 tttmV cc )2cos()cos( 2 1 ttm c )sin(cos)( 4 tttmV cc )2sin()sin( 2 1 ttm c 經(jīng)低通后的輸出分別為: cos)( 2 1 5 tmV sin)( 2 1 6 tmV 是VCO輸出信號(hào)與輸入已調(diào)信號(hào)載波之間的 相位誤差。 當(dāng)較小時(shí), V7的大小與相位誤差成正比,用V7去調(diào)整 VCO輸出信號(hào)的相位, 最后使穩(wěn)態(tài)相位誤差 減小到很小的數(shù)值.這樣VCO的輸出就是所需 提取的載波。 2sin)( 8 1 2 657 tmVVV )( 4 1 2 7 tmV 9.2.2 插入導(dǎo)頻法 插入導(dǎo)頻原

11、則： (1)為了避免調(diào)制信號(hào)與導(dǎo)頻信號(hào)之間相互干擾， 通常選擇導(dǎo)頻信號(hào)在調(diào)制信號(hào)的零頻譜位置插入 (2)為了減小或避免導(dǎo)頻對(duì)信號(hào)解調(diào)的影響一般采 用正交方式插入導(dǎo)頻。 所謂插入導(dǎo)頻，就是在發(fā)送有用信號(hào)的同時(shí)， 在適當(dāng)?shù)念l率位置上插入稱作導(dǎo)頻的正弦波，接收 端利用導(dǎo)頻提取出載波。 抑制載波的雙邊帶信號(hào)，單邊帶信號(hào)， 2PSK等信號(hào)中都不含載波分量。為了在接 收端能夠獲得載波，在發(fā)送端有時(shí)插入導(dǎo) 頻載波。 抑制載波的雙邊帶信號(hào)的導(dǎo)頻插入： c f mc ff mc ff 導(dǎo)頻 相乘調(diào)制帶通相加 90相移 )(tm ta cc sin 輸出 )( 0 tu 插入導(dǎo)頻法發(fā)端方框圖 相乘器帶通低通 90

12、相移 )(tm 輸出 )( 0 tu 插入導(dǎo)頻法收端方框圖 )(tv 窄帶 濾波 c f ta cc sin ta cc cos ta cc cos tfatftmatu cccco 2sin2cos)()( 9.2.3 載波同步系統(tǒng)的性能指標(biāo) 衡量載波同步的性能主要指標(biāo)是：效率 、精 度、同步建立時(shí)間ts和同步保持時(shí)間tc 。 1.效率 2.精度：提取載波信號(hào)與接收信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)載波 的頻率差和相位差。 3.同步建立時(shí)間ts：系統(tǒng)啟動(dòng)到實(shí)現(xiàn)同步或從 失步狀態(tài)到同步狀態(tài)所經(jīng)歷的時(shí)間。 4.同步保持時(shí)間tc：同步狀態(tài)下，若同步信號(hào) 消失，系統(tǒng)還能維持同步的時(shí)間。 總信號(hào)功率 率提取載波所用的發(fā)送功 9

13、.3 位同步 010101 A 0 -A 位同步是指在接收端的基帶信號(hào)中提取碼元 定時(shí)的過程。 接收 信號(hào) 定時(shí) 序列 位同步是正確取樣判決的基礎(chǔ)，只有數(shù)字通 信才需要； 并且基帶傳輸和頻帶傳輸都需要位同步。 實(shí)現(xiàn)位同步的方法與載波同步相類似，也實(shí)現(xiàn)位同步的方法與載波同步相類似，也 分為分為插入導(dǎo)頻法插入導(dǎo)頻法和和直接法直接法兩類。兩類。 （一）插入導(dǎo)頻法（一）插入導(dǎo)頻法 相關(guān)編 碼器 相加調(diào)制 位定時(shí) 導(dǎo)頻 tfc2cos 2 s f (a) 帶通相乘低通 窄帶 濾波 移相倒相 相加 移相 放大 限幅 微分全 波整流 整形 取樣 判決 (b) 圖8.3.2 位定時(shí)導(dǎo)頻插入法方框圖 (a) 發(fā)

14、端 (b) 收端 數(shù)字基帶 信號(hào) 接收碼元 輸入 信號(hào) c f 同步載 波提取 2 s f 2 s f 位定時(shí) s f 去信道輸入數(shù) 字信號(hào) 鎖相環(huán)法 在接收端利用鑒相器比較接收碼元和本地產(chǎn) 生的位同步信號(hào)的相位，若兩者相位不一致(超 前或滯后)，鑒相器就產(chǎn)生誤差信號(hào)去調(diào)整位同 步信號(hào)的相位，直至獲得準(zhǔn)確的位同步信號(hào)為止。 模擬鎖相環(huán)法 數(shù)字鎖相環(huán)法 （二）直接法（二）直接法 濾波法 位同步系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)位同步系統(tǒng)的主要性能指標(biāo) 1相位誤差相位誤差 2同步建立時(shí)間同步建立時(shí)間 失去同步后重建同步所需的最長(zhǎng)時(shí)間 3同步保持時(shí)間同步保持時(shí)間 由同步到失去同步所經(jīng)過的時(shí)間 4同步帶寬同步帶寬 能

15、夠調(diào)整到同步狀態(tài)所允許的收、發(fā)振蕩器最大頻差 9.4 群（幀）同步 當(dāng)信號(hào)碼元以多個(gè)碼元構(gòu)成的有特定含義的 碼元組為單位傳輸時(shí)，碼元組常稱為幀。 幀同步的作用是正確識(shí)別碼元組的“開頭” 和“末尾”時(shí)刻。 實(shí)現(xiàn)群同步，通常采用的方法是起止式同步 法和插入特殊同步碼組的同步法。 而插入特殊同步碼組的方法有兩種：一種為 連貫式插入法，另一種為間隔式插入法。 止起 15個(gè)碼元 1.5 止 起止式同步法 被傳輸?shù)膯挝皇亲址?，每個(gè)字符可由58位 碼元組成，每個(gè)字符前面加一位起始位， 用“0”代表，在字符后加1.5位停止位，用 “1”代表，不發(fā)信號(hào)時(shí)，一直發(fā)送停止位。 連貫式插入法 在每群的開始處集中插入群

16、同步碼組的方法在每群的開始處集中插入群同步碼組的方法 間歇式插入法間歇式插入法 將群同步碼字分散地插入到信息之中，將群同步碼字分散地插入到信息之中， 24路路PCM系統(tǒng)中，群同步則采用間歇式插入系統(tǒng)中，群同步則采用間歇式插入 法，采用的碼型是法，采用的碼型是1 1、0 0交替的碼型。交替的碼型。 同步碼字中一些碼元發(fā)生錯(cuò)誤，從而使識(shí) 別器漏識(shí)別已發(fā)出的群同步碼字，出現(xiàn)這種情 況的概率稱為漏同步概率。 群同步系統(tǒng)的性能指標(biāo) 1.漏同步概率 2.假同步概率 在信息碼中也可能出現(xiàn)與所要識(shí)別的群同 步碼字相同的碼字，這時(shí)識(shí)別器會(huì)把它誤認(rèn)為 群同步碼字而出現(xiàn)假同步。 3.群同步平均建立時(shí)間 群同步的保護(hù)

17、 步概率下降。判決門限降低，使漏同維持態(tài)： 步概率下降。判決門限提高，使假同捕捉態(tài)： 9.5 網(wǎng)同步 網(wǎng)同步是使網(wǎng)中各網(wǎng)元的時(shí)鐘頻率和網(wǎng)同步是使網(wǎng)中各網(wǎng)元的時(shí)鐘頻率和 相位都控制在預(yù)先確定的容差范圍內(nèi)，以相位都控制在預(yù)先確定的容差范圍內(nèi)，以 保證各網(wǎng)元之間通信的正常進(jìn)行。保證各網(wǎng)元之間通信的正常進(jìn)行。 常見的網(wǎng)同步方法包括主從同步法、常見的網(wǎng)同步方法包括主從同步法、 相互同步法、碼速調(diào)整法、水庫(kù)法等。相互同步法、碼速調(diào)整法、水庫(kù)法等。 1主從同步法主從同步法 主從同步法是在通信網(wǎng)中某一網(wǎng)元（主站）主從同步法是在通信網(wǎng)中某一網(wǎng)元（主站） 設(shè)置一個(gè)高穩(wěn)定的主時(shí)鐘，其它各網(wǎng)元（從站）設(shè)置一個(gè)高穩(wěn)定的主時(shí)鐘，其它各網(wǎng)元（從站） 的時(shí)鐘頻率和相位同步于主時(shí)鐘的頻率和相位，的時(shí)鐘頻率和相位同