《數(shù)字通信技術(shù)》模塊七-同步原理

1模塊七同步原理

載波同步

位同步

群同步2同步是指通信系統(tǒng)的收、發(fā)雙方在時(shí)間上步調(diào)一致，又稱定時(shí)。由于通信的目的就是使不在同一地點(diǎn)的各方之間能夠通信聯(lián)絡(luò)，故在通信系統(tǒng)尤其是數(shù)字通信系統(tǒng)以及采用相干解調(diào)的模擬通信系統(tǒng)中，同步是一個(gè)十分重要的問(wèn)題。只有收、發(fā)兩端協(xié)調(diào)工作，系統(tǒng)才有可能真正實(shí)現(xiàn)通信功能?？梢哉f(shuō)，整個(gè)通信系統(tǒng)工作正常的前提就是同步系統(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。

3本章學(xué)習(xí)目的和要求熟悉同步系統(tǒng)的組成及應(yīng)用理解載波同步、位同步及群同步的原理及實(shí)現(xiàn)方法了解同步性能及其相位誤差對(duì)性能的影響本章學(xué)習(xí)方法建議課前預(yù)習(xí)與課后及時(shí)復(fù)習(xí)相結(jié)合在掌握基本內(nèi)容的基礎(chǔ)上，獨(dú)立完成課后習(xí)題查閱有關(guān)同步原理的相關(guān)資料4

同步可分為(1)載波同步,(2)位同步,(3)群同步幾大類。

一、載波同步

定義：

在采用相干解調(diào)系統(tǒng)中,接收端必須提供一個(gè)與發(fā)送載波同頻同相的相干載波,這就是載波同步。

相干載波信息通常是從接收到的信號(hào)中提取。

5

若已調(diào)信號(hào)中存在載波分量，即可以從接收信號(hào)中直接提取載波同步信息；

若已調(diào)信號(hào)中不存在載波分量，就需要采用在發(fā)端插入導(dǎo)頻的方法，或者在接收端對(duì)信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟ㄐ巫儞Q，以取得載波同步信息。

前者稱為插入導(dǎo)頻法，又稱外同步法；后者稱為自同步法，又稱內(nèi)同步法。

一、載波同步61插入導(dǎo)頻法

在抑制載波系統(tǒng)中無(wú)法從接收信號(hào)中直接提取載波。

例如：DSB、VSB、SSB和2PSK本身都不含有載波分量，或即使含有一定的載波分量，也很難從已調(diào)信號(hào)中分離出來(lái)

為了獲取載波同步信息，可以采取插入導(dǎo)頻的方法。

插入導(dǎo)頻是在已調(diào)信號(hào)頻譜中加入一個(gè)低功率的線狀譜(其對(duì)應(yīng)的正弦波形即稱為導(dǎo)頻信號(hào))。

在接收端可以利用窄帶濾波器較容易地把它提取出來(lái)。經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)奶幚硇纬山邮斩说南喔奢d波。

插入導(dǎo)頻的頻率應(yīng)當(dāng)與原載頻有關(guān)或者就是載頻。

這里僅介紹抑制載波的雙邊帶信號(hào)中插入導(dǎo)頻法。一、載波同步7

在DSB信號(hào)中插入導(dǎo)頻時(shí)，導(dǎo)頻的插入位置應(yīng)該在信號(hào)頻譜為零的位置，否則導(dǎo)頻與已調(diào)信號(hào)頻譜成分重疊，接收時(shí)不易提取。如圖所示為插入導(dǎo)頻的一種方法。

插入導(dǎo)頻一、載波同步8

插入的導(dǎo)頻并不是加入調(diào)制器的載波，而是將該載波移相π/2的“正交載波”。其發(fā)端方框圖如圖所示。

一、載波同步9

設(shè)調(diào)制信號(hào)為f(t)，f(t)無(wú)直流分量。

載波為Acosω0t，則發(fā)端輸出的信號(hào)為

接收端的方框圖：

一、載波同步10

如果不考慮信道失真及噪聲干擾,并設(shè)接收端收到的信號(hào)與發(fā)端的信號(hào)完全相同,則此信號(hào)通過(guò)中心頻率為ω0的窄帶濾波器可取得導(dǎo)頻asinω0t,再將其移相π/2,就可以得到與調(diào)制載波同頻同相的相干載波cosω0t。

接收端的解調(diào)過(guò)程為

上式表示的信號(hào)通過(guò)截止角頻率為

m的低通濾波器就可得到基帶信號(hào)一、載波同步11

如果在發(fā)端導(dǎo)頻不是正交插入，而是同相插入，則接收端解調(diào)信號(hào)為

從上式看出，雖然同樣可以解調(diào)出項(xiàng)，但卻增加了一個(gè)直流項(xiàng)。這個(gè)直流項(xiàng)通過(guò)低通濾波器后將對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生不良影響。

這就是發(fā)端導(dǎo)頻應(yīng)采用正交插入的原因。一、載波同步122非線性變換—濾波法

有些信號(hào)(如DSB信號(hào))雖然本身不包含載波分量,只要對(duì)接收波形進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆蔷€性變換,然后通過(guò)窄帶濾波器,就可以從中提取載波的頻率和相位信息,即可使接收端恢復(fù)相干載波。它是自同步法的一種。

下圖為DSB信號(hào)采用平方變換法恢復(fù)載波的框圖,(a)平方變換法,(b)平方環(huán)法。

一、載波同步133同相正交法(科斯塔斯環(huán))

利用鎖相環(huán)提取載波的另一種常用的方法是采用同相正交環(huán),也稱科斯塔斯環(huán)(Castas)，其方框圖如圖所示。

它包括兩個(gè)相干解調(diào)器，它們的輸入信號(hào)相同，分別使用二個(gè)在相位上正交的本地載波信號(hào)，上支路叫做同相相干解調(diào)器，下支路叫做正交相干解調(diào)器。一、載波同步14

兩個(gè)相干解調(diào)器的輸出同時(shí)送入乘法器，并通過(guò)低通濾波器形成閉環(huán)系統(tǒng)，去控制壓控振蕩器(VCO)，使本地載波自動(dòng)跟蹤發(fā)射載波的相位。在同步時(shí)，同相支路的輸出即為所需的解調(diào)信號(hào)，這時(shí)正交支路的輸出為0。

因此，這種方法叫做同相正交法。

設(shè)VCD的輸出為cos(ω0t+φ)，

故：

一、載波同步15經(jīng)過(guò)帶寬為Wm的LPF后得

將U5和U6加入相乘器后，得

如果(

0－

)很小，則sin2(

0－

)

2(

0－

)。因此，乘法器的輸出近似為

如果U7經(jīng)過(guò)一個(gè)相對(duì)于Wm很窄的低通濾波器，此濾波器的作用相當(dāng)于用時(shí)間平均代替f2(t)(即濾波器輸出直流分量)。一、載波同步16

最后，由環(huán)路誤差信號(hào)自動(dòng)控制振蕩器相位，使相位差(θ0-φ)趨于0，在穩(wěn)定條件下θ0≈φ。

科斯塔斯環(huán)的相位控制作用在調(diào)制信號(hào)消失時(shí)會(huì)中止。當(dāng)再出現(xiàn)調(diào)制信號(hào)時(shí)，必須重新鎖定。由于一般入鎖過(guò)程很短，對(duì)語(yǔ)言傳輸不致引起感覺(jué)到的失真。這樣U1就是所需提取的載波，U5作為解調(diào)信號(hào)的輸出。一、載波同步17

定義：

在數(shù)字通信系統(tǒng)中，把在接收端產(chǎn)生與接收碼元的重復(fù)頻率和相位一致的定時(shí)脈沖序列的過(guò)程稱為碼元同步，或稱位同步。

實(shí)現(xiàn)位同步的方法和載波同步類似，有插入導(dǎo)頻法(外同步法)和直接法(自同步法)兩類。

1插入導(dǎo)頻法

為了得到碼元同步的定時(shí)信號(hào)，首先要確定接收到的信息數(shù)據(jù)流中是否有位定時(shí)的頻率分量。如果存在此分量，就可以利用濾波器從信息數(shù)據(jù)流中把位定時(shí)時(shí)鐘直接提取出來(lái)。

二、位同步18

若基帶信號(hào)為隨機(jī)的二進(jìn)制不歸零碼序列，這種信號(hào)本身不包含位同步信號(hào)，為了獲得位同步信號(hào)需在基帶信號(hào)中插入位同步的導(dǎo)頻信號(hào)，或者對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行某種碼型變換以得到位同步信息。

位同步的導(dǎo)頻插入方法與載波同步時(shí)的插入導(dǎo)頻法類似，它也要插在基帶信號(hào)頻譜的零點(diǎn)處，以便提取，如圖(a)所示。如果信號(hào)經(jīng)過(guò)相關(guān)編碼，其頻譜的第一個(gè)零點(diǎn)在f=1/2T，插入導(dǎo)頻也應(yīng)在1/2T處，如圖(b)所示.

二、位同步19

下圖為插入位定時(shí)導(dǎo)頻的接收方框圖。在接收端,經(jīng)中心頻率為f=1/T的窄帶濾波器就可從基帶信號(hào)中提取位同步信號(hào)。而上圖(b)則需經(jīng)過(guò)f=1/2T的窄帶濾波器將插入導(dǎo)頻取出，再進(jìn)行二倍頻，得到位同步脈沖。

插入導(dǎo)頻法的另一種形式是使某些恒包絡(luò)的數(shù)字信號(hào)的包絡(luò)隨位同步信號(hào)的某一波形而變化。例如PSK信號(hào)和FSK信號(hào)都是包絡(luò)不變的等幅波。因此，可將導(dǎo)頻信號(hào)調(diào)制在它們的包絡(luò)上，接收端只要用普通的包絡(luò)檢波器就可恢復(fù)導(dǎo)頻信號(hào)作為位同步信號(hào)。且對(duì)數(shù)字信號(hào)本身的恢復(fù)不造成影響。二、位同步20

以PSK為例

若用cos

t進(jìn)行附加調(diào)幅后，得已調(diào)信號(hào)為

其中，T為碼元寬度。

接收端對(duì)它進(jìn)行包絡(luò)檢波，得包絡(luò)為(1+cos

t)，濾除直流成分,即可得到位同步分量cos

t。

插入導(dǎo)頻法的優(yōu)點(diǎn)是接收端提取位同步的電路簡(jiǎn)單。但是，發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)必然要占用部分發(fā)射功率，降低了傳輸?shù)男旁氡龋瑴p弱了抗干擾能力。

二、位同步212自同步法

自同步方法是發(fā)端不用專門發(fā)送位同步導(dǎo)頻信號(hào),而接收端可直接從接收到的數(shù)字信號(hào)中提取位同步信號(hào)。這是數(shù)字通信中經(jīng)常采用的一種方法。

（一）非線性變換—濾波法

（1）微分整流法

圖(a)為微分整流濾波法提取位同步信息的電原理框圖。圖(b)為該電路各點(diǎn)的波形圖。

當(dāng)非歸零的脈沖序列通過(guò)微分和全波整流后，就可得到尖頂脈沖的歸零碼序列，它含有離散的位同步分量。然后用窄帶濾波器(或鎖相環(huán))濾除連續(xù)波和噪聲干擾，取出純凈穩(wěn)定的位同步頻率分量,經(jīng)脈沖形成電路產(chǎn)生位同步脈沖。二、位同步22二、位同步23（2）包絡(luò)檢波法

如圖所示為其原理框圖及波形圖。

二、位同步24（3）延遲相干法

右圖為延遲相干法的原理框圖和波形圖。其工作過(guò)程與DPSK信號(hào)差分相干解調(diào)完全相同。

二、位同步25（二）數(shù)字鎖相法

數(shù)字鎖相法是采用高穩(wěn)定頻率的振蕩器(信號(hào)鐘)。從鑒相器獲得的與同步誤差成比例的誤差電壓，不用于直接調(diào)整振蕩器，而是通過(guò)控制器在信號(hào)鐘輸出的脈沖序列中附加或扣除一個(gè)或幾個(gè)脈沖，調(diào)整加到鑒相器上的位同步脈沖序列的相位達(dá)到同步的目的。

這種電路采用的是數(shù)字鎖相環(huán)路。數(shù)字鎖相環(huán)原理如圖所示。二、位同步26

位同步的目的是確定數(shù)字通信中的各個(gè)碼元的抽樣時(shí)刻，即把每個(gè)碼元加以區(qū)分，使接收端得到一連串的碼元序列，這一連串的碼元序列代表一定的信息。

通常由若干個(gè)碼元代表一個(gè)字母（符號(hào)、數(shù)字），而由若干個(gè)字母組成一個(gè)字，若干個(gè)字組成一個(gè)句。在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)則把若干個(gè)碼元組成一個(gè)個(gè)的碼組，即一個(gè)個(gè)的“字”或“句”，通常稱之為群或幀。群同步又稱幀同步。

群同步的任務(wù)是把字、句和碼組區(qū)分出來(lái)。在時(shí)分多路傳輸系統(tǒng)中，信號(hào)是以幀的方式傳送的。每一幀中包括許多路。接收端為了把各路信號(hào)區(qū)分開(kāi)來(lái)，也需要群同步系統(tǒng)。

三、群（幀）同步27

為了解決群同步中開(kāi)頭和結(jié)尾的時(shí)刻，即為了確定幀定時(shí)脈沖的相位，通常有兩類方法：

一類是在數(shù)字信息流中插入一些特殊碼組作為每幀的頭尾的標(biāo)記，接收端根據(jù)這些特殊碼組的位置就可以實(shí)現(xiàn)群同步。

另一類方法不需要外加特殊碼組，用類似于載波同步和位同步中的自同步法，利用碼組本身之間彼此不同的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)自同步。

我們主要討論插入特殊碼組實(shí)現(xiàn)群同步。插入特殊碼組實(shí)現(xiàn)群同步的方法有兩種：集中插入方式和分散插入方式。下面分別予以介紹。

在此之前，首先簡(jiǎn)單介紹一種在電傳機(jī)中廣泛使用的起止式群同步法。

三、群（幀）同步28

（1）起止式同步法

起止式同步法廣泛應(yīng)用于電傳機(jī)中，如圖所示。

（2）集中插入同步法

PCM30/32路數(shù)字傳輸時(shí)的群同步通常采用集中插入方法。

下面以PCM30/32路數(shù)字傳輸為例討論另一種形式的集中插入群同步方法。

三、群（幀）同步29

在兩個(gè)相鄰抽樣值間隔中，分成32個(gè)時(shí)隙，其中30個(gè)時(shí)隙用來(lái)傳送30路電話，一個(gè)時(shí)隙用來(lái)傳送群同步碼，另一個(gè)時(shí)隙用來(lái)傳送各話路的標(biāo)志信號(hào)碼。

第1到第15話路的碼組依次安排在時(shí)隙TS1到TS15中傳送，

第16到第30話路的碼組依次在時(shí)隙TS17到TS31中傳送。TS0時(shí)隙傳送群同步碼，TS16時(shí)隙傳送標(biāo)志信號(hào)碼。

PCM30/32路時(shí)分多路時(shí)隙的分配圖：

三、群（幀）同步30CCITT對(duì)PCM30/32路設(shè)備的幀時(shí)隙分配建議見(jiàn)表所示。

為了使群同步能較好的識(shí)別假失步和避免偽同步，群同步碼選為0011011。

表群同步碼的分配情況

三、群（幀）同步31

從表看出，群同步碼占有第2到第8碼位，插入在偶幀TS0時(shí)隙。第1位碼目前保留未用。

奇幀TS0時(shí)隙插入碼的分配是：

第1位保留給國(guó)際用，暫定為1。

第2位作監(jiān)視碼，用以檢驗(yàn)幀定位碼。

第3位用作對(duì)告碼，同步時(shí)為0，一但出現(xiàn)失步，即變?yōu)?。并告訴對(duì)方，出現(xiàn)對(duì)告指示。

第4位到第8位目前固定為1，留給國(guó)內(nèi)今后開(kāi)發(fā)使用。

PCM30/32路的群同步碼采用集中插入方式。

三、群（幀）同步32

（3）分散插入同步法

另一種群同步方法是將群同步碼分散地插入到信息碼元中。即每隔一定數(shù)量的信息碼元插入一個(gè)群同步碼元。這時(shí)為了便于提取，群同步碼不宜太復(fù)雜。

PCM24路數(shù)字電話系統(tǒng)的群同步碼就是采用的分