數(shù)字通信系統(tǒng)-同步原理

1、11.1 概述概述11.2 載波同步載波同步11.3 位同步位同步11.4 群同步群同步第第 11 章章 同步原理同步原理返回主目錄 11.1 概述概述 所謂同步是指收發(fā)雙方在時間上步調(diào)一致，故又稱定時。在數(shù)字通信中，按照同步的功用分為：載波同步、位同步、群同步和網(wǎng)同步。 (1) 載波同步。 載波同步是指在相干解調(diào)時，接收端需要提供一個與接收信號中的調(diào)制載波同頻同相同頻同相的相干載波。這個載波的獲取稱為載波提取或載波同步。(2) 位同步。 位同步又稱碼元同步。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，所以接收時需要知道每個碼元的起止時刻，以便在恰當(dāng)?shù)臅r刻進行取樣判決。(3) 群同

2、步。 群同步包含字同步、句同步、分路同步，它有時也稱幀同步。在數(shù)字通信中，信息流是用若干碼元組成一個“字”，又用若干個“字”組成“句”。在接收這些數(shù)字信息時，必須知道這些“字”、“句”的起止時刻，否則接收端無法正確恢復(fù)信息。(4) 網(wǎng)同步。 在獲得了以上討論的載波同步、位同步、群同步之后，兩點間的數(shù)字通信就可以有序、準(zhǔn)確、可靠地進行了。然而，隨著數(shù)字通信的發(fā)展，尤其是計算機通信的發(fā)展，多個用戶之間的通信和數(shù)據(jù)交換，構(gòu)成了數(shù)字通信網(wǎng)。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，全網(wǎng)必須有一個統(tǒng)一的時間標(biāo)準(zhǔn)時鐘，這就是網(wǎng)同步的問題。 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

3、可分為外同步法和自同步法。 (1) 外同步法。 由發(fā)送端發(fā)送專門的同步信息（常被稱為導(dǎo)頻），接收端把這個導(dǎo)頻提取出來作為同步信號的方法，稱為外同步法。 (2) 自同步法。 發(fā)送端不發(fā)送專門的同步信息，接收端設(shè)法從收到的信號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，因為可以把全部功率和帶寬分配給信號傳輸。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。而群同步一般都采用外同步法。 同步本身雖然不包含所要傳送的信息，但只有收發(fā)設(shè)備之間建立了同步后才能開始傳送信息，所以同同步是進行信息傳輸?shù)谋匾颓疤岵绞沁M行信息傳輸?shù)谋匾颓疤?。同步性能的好壞?/p>

4、將直接影響著通信系統(tǒng)的性能。如果出現(xiàn)同步誤差或失去同步就會導(dǎo)致通信系統(tǒng)性能下降或通信中斷。因此，同步系統(tǒng)應(yīng)具有比信息傳輸系統(tǒng)更高的可靠性和更好的質(zhì)量指標(biāo)，如同步誤差小、相位抖動小以及同步建立時間短，保持時間長等。 11.2 載波同步載波同步11.2.1 直接法直接法 直接法也稱自同步法。這種方法是設(shè)法從接收信號中提取同步載波。有些信號，如DSB-SC、PSK等，它們雖然本身不直接含有載波分量，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。下面介紹幾種常用的方法。 1. 平方變換法和平方環(huán)法平方變換法和平方環(huán)法 此方法廣泛用于建立抑制載波的雙邊帶信號的載波同步。圖 1

5、1 1 平方變換法提取載波平方律部件輸入已調(diào)信號e(t)2fc窄帶濾波器二 分 頻載波輸出平方后(11.2 - 2)ttmtmttmtecc2cos)(21)(21cos)()(222雙邊帶信號(11.2 - 1)ttmtscmcos)()(若用一窄帶濾波器將2c頻率分量濾出，再進行二分頻，就可獲得所需的相干載波。同樣，若m(t)=1，則DSB信號就成為2PSK，這時(11.2 - 3)tttmtecc2cos2121cos)()(2在實際中，伴隨信號一起進入接收機的還有加性高斯白噪聲，為了改善平方變換法的性能，使恢復(fù)的相干載波更為純凈，圖 11 - 1 中的窄帶濾波器常用鎖相環(huán)代替，稱為平方

6、環(huán)法提取載波。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。 圖11-2 平方環(huán)法提取載波平方律部件輸入已調(diào)信號鑒 相 器二 分 頻載波輸出環(huán) 路濾 波 器壓 控振 蕩 器鎖相環(huán)2PSK信號tnTtgatecSnn22cos)()(圖11-2 平方環(huán)法提取載波平方律部件輸入已調(diào)信號鑒 相 器二 分 頻載波輸出環(huán) 路濾 波 器壓 控振 蕩 器鎖相環(huán)(11.2 - 4)當(dāng)g(t)為矩形時(11.2 - 5)(11.2 - 6)ttec2cos2121)(VCO輸出)22sin()(0tAtvc(11.2 - 6)鑒

7、相器誤差輸出2sinddKv 式中，Kd為鑒相靈敏度，是一個常數(shù)。vd僅與相位差有關(guān)，它通過環(huán)路濾波器去控制壓控振蕩器的相位和頻率，環(huán)路鎖定之后，是一個很小的量。因此，VCO的輸出經(jīng)過二分頻后，就是所需的相干載波。 應(yīng)當(dāng)注意，載波提取的方框圖中用了一個二分頻電路，由于分頻起點的不確定性，使其輸出的載波相對于接收信號相位有180的相位模糊。相位模糊對模擬通信關(guān)系不大，因為人耳聽不出相位的變化。但對數(shù)字通信的影響就不同了，它有可能使2PSK相干解調(diào)后出現(xiàn)“反向工作”的問題，克服相位模糊度對相干解調(diào)影響的最常用而又有效的方法是采用相對移相（2DPSK），并且在解調(diào)后進行差分譯碼恢復(fù)信息。 2. 同相

8、正交環(huán)法同相正交環(huán)法 同相正交環(huán)法又叫科斯塔斯(Costas)環(huán)。在此環(huán)路中，壓控振蕩器(VCO)提供兩路互為正交的載波，與輸入接收信號分別在同相和正交兩個鑒相器中進行鑒相，經(jīng)低通濾波之后的輸出均含調(diào)制信號，兩者相乘后可以消除調(diào)制信號的影響，經(jīng)環(huán)路濾波器得到僅與相位差有關(guān)的控制壓控，從而準(zhǔn)確地對壓控振蕩器進行調(diào)整。VCO輸出(11.2 - 8)cos(1tvc(11.2 - 9)sin(2tvc圖11-3 Costas 環(huán)法提取載波低通壓控振蕩器低通環(huán)路濾波器90 相移輸出輸入已調(diào)信號v3v5v1v2v4v6vd相乘和濾波后(11.2 - 12)cos)(215tmv (11.2 - 13)s

9、in)(216tmv v5和v6相乘后(11.2 - 14)2sin)(812tmvd 當(dāng)m(t)為矩形脈沖的雙極性數(shù)字基帶信號時，m2(t)=1。即使m(t)不為矩形脈沖序列，式中的m2(t)可以分解為直流和交流分量。由于鎖相環(huán)作為載波提取環(huán)時，其環(huán)路濾波器的帶寬設(shè)計的很窄，只有m(t)中的直流分量可以通過，因此vd可寫成如果我們把圖11-3中除環(huán)路濾波器(LF)和壓控振蕩器(VCO)以外的部分看成一個等效鑒相器(PD)，其輸出vd正是我們所需要的誤差電壓。它通過環(huán)路濾波器濾(11.2 - 15)2sinddKv 后去控制VCO的相位和頻率，最終使穩(wěn)態(tài)相位誤差減小到很小的數(shù)值，而沒有剩余頻差

10、，此時由圖11-4可知，=n（n為任意整數(shù)）為PLL的穩(wěn)定平衡點。PLL工作時可能鎖定在任何一個穩(wěn)定平衡點上，考慮到在周期內(nèi)取值可能為0或，這意味著恢復(fù)出的載波可能與理想載波同相，也可能反相。這種相位關(guān)系的不確定性，稱為0，的相位模糊度。這是用PLL從抑制載波的雙邊帶信號（2PSK或DSB）中提取載波時不可避免的共同問題。不但所需的同步載波為)cos(1tvc解調(diào)輸出為)(21cos)(215tmtmv圖11-4 平方緩和Costas 環(huán)得鑒相特性VdKd0 Kd在上述兩種環(huán)路中存在，在其他類型的載波恢復(fù)環(huán)路，如逆調(diào)制環(huán)、判決反饋環(huán)、 松尾環(huán)等性能更好的環(huán)路中，也同樣存在；不但在2PSK 時存在，在多相移相信號（MPSK）也同樣存在相位模糊度問題。 Cos