通信原理與技術(shù)第7章同 步技術(shù).ppt

1、第七章 同 步 技 術(shù),7.1 引 言 7.2 載波同步技術(shù) 7.3 位同步技術(shù) 7.4 群同步（幀同步）技術(shù) 7.5 網(wǎng)同步技術(shù),7.1 引 言,1. 同步的分類 按照同步的功用來區(qū)分，有載波同步、位同步（碼元同步）、群同步（幀同步）和網(wǎng)同步（通信網(wǎng)絡(luò)中使用）等四種。,（1） 載波同步 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能是由解調(diào)方式?jīng)Q定的。相干解調(diào)中，首先要在接收端恢復(fù)出相干載波，這個相干載波應(yīng)與發(fā)送端的載波在頻率上同頻，在相位上保持某種同步關(guān)系。 （2） 位同步（碼元同步） 位同步又稱碼元同步。不管是基帶傳輸，還是頻帶傳輸（相干或非相干解調(diào)），都需要位同步。,（3） 群同步（幀同步） 群同步也叫幀同步。對

2、于數(shù)字信號傳輸來說，數(shù)字信號是按照一定數(shù)據(jù)格式傳送的，一定數(shù)目的信息碼元組成一個“字”，若干個“字”組成一“句”，若干“句”構(gòu)成一幀，從而形成群的數(shù)字信號序列。 （4） 網(wǎng)同步 當(dāng)通信是在兩點(diǎn)之間進(jìn)行時，完成了載波同步、位同步和群同步之后，接收端不僅獲得了相干載波，而且通信雙方的時標(biāo)關(guān)系也解決了。,2. 同步信號的獲取方式 同步也是一種信息，按照傳輸同步信息方式的不同，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，接收端把這個專門的同步信息檢測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

3、方法，稱為自同步法。 3. 同步的技術(shù)指標(biāo) 同步系統(tǒng)性能的降低，會直接導(dǎo)致通信質(zhì)量的降低，甚至使通信系統(tǒng)不能工作。,7.2 載波同步技術(shù),1. 直接法（自同步法） 直接法又可分為非線性變換濾波法和特殊鎖相環(huán)法。,（1） 非線性變換 濾波法 有些信號不含有載波分量，但如果采用非線性變換濾波法，首先對接收到的已調(diào)信號進(jìn)行非線性處理，就可得到相應(yīng)的載頻分量。然后，再用窄帶濾波器或鎖相環(huán)進(jìn)行濾波，濾除調(diào)制譜與噪聲引入的干擾，提取載頻分量。,（2） 同相正交環(huán) （科斯塔斯環(huán)）法 用直接法提取載波分量的另一途徑是采用特殊的鎖相環(huán)，這種特殊鎖相環(huán)具有從已調(diào)信號中消除調(diào)制和濾除噪聲的功能，所以能鑒別接收已調(diào)信

4、號中被抑制了的載波分量與本地VCO輸出信號之間的相位誤差，從而恢復(fù)出相應(yīng)的相干載波。 科斯塔斯（Costas）環(huán)的原理圖如圖7-3所示。,圖7-3 同相正交環(huán)法（科斯塔斯環(huán)）,（3） 從多相移相信號中提取載波 數(shù)字通信中經(jīng)常使用多相移相信號。下面介紹兩種從多相移相信號中提取載波的方法。 另一種方法類似于同相正交法，稱為多相科斯塔斯環(huán)法，也以四相移相信號為例，這種方法的方框圖如圖7-5所示。壓控振蕩器的輸出就是所需的載波信號。,圖7-5 四相科斯塔斯環(huán)法提取載波,2. 插入導(dǎo)頻法（外同步法） （1） 在DSB信號中插入導(dǎo)頻 插入導(dǎo)頻的位置應(yīng)該在信號頻譜為零的位置，否則導(dǎo)頻與信號頻譜成分重疊在一起

5、，接收時不易取出。 從圖7-6所示的頻譜圖可以看出，在載頻處，已調(diào)信號的頻譜分量為零，載頻附近的頻譜分量也很小且沒有離散譜，這樣就便于插入導(dǎo)頻以及解調(diào)時易于濾出它。,圖7-6 幾種信號的正頻域頻譜圖,（2） 在殘留邊帶信號中插入導(dǎo)頻 殘留邊帶頻譜的特點(diǎn)。以下邊帶為例，殘留邊帶濾波器應(yīng)具有如圖7-9所示的傳輸特性。 插入導(dǎo)頻f1、f2的選擇?？梢栽跉埩暨厧ьl譜的兩側(cè)插入f1和f2；f1和f2不能與（fc-fm）和（fc+fr）靠得太近，太近不易濾出f1和f2，但也不能太遠(yuǎn)，太遠(yuǎn)占用過多頻帶。,圖7-9 殘留邊帶頻譜及插入導(dǎo)頻, 載波信號的提取。在插入導(dǎo)頻的VSB信號中提取載波的方框圖如圖7-10

6、所示。接收的信號中包含有VSB信號和f1、f2兩個導(dǎo)頻。假設(shè)接收信號中兩個導(dǎo)頻是 cos（1t+1）， 1為第一個導(dǎo)頻的初相 cos（2t+2）， 2為第二個導(dǎo)頻的初相 發(fā)送端的載波為cos（ct+c），則收端提取的同步載波也應(yīng)該是cos（ct+c）。,圖7-10 插入導(dǎo)頻的VSB信號的載波提取,（3） 時域插入導(dǎo)頻法 除了在頻域插入導(dǎo)頻的方法以外，還有一種在時域插入導(dǎo)頻以傳送和提取同步載波的方法。時域插入法中對被傳輸數(shù)據(jù)信號和導(dǎo)頻信號在時間上加以區(qū)別，例如按圖7-11（a）那樣分配。把一定數(shù)目的數(shù)字信號分作一組，稱為一幀。在每一幀中，除有一定數(shù)目的數(shù)字信號外，在t0t1的時隙中傳送位同步信號

7、，在t1t2的時隙內(nèi)傳送幀同步信號，在t2t3的時隙內(nèi)傳送載波同步信號，而在t3t4時間內(nèi)才傳送數(shù)字信息；以后各幀都如此。,3. 載波同步系統(tǒng)的性能指標(biāo) 相位誤差通常由穩(wěn)態(tài)相差和隨機(jī)相差組成。穩(wěn)態(tài)相差主要是指載波信號通過同步信號提取電路以后，在穩(wěn)態(tài)下所引起的相差；隨機(jī)相差是由于隨機(jī)噪聲的影響而引起同步信號的相位誤差。 載波同步系統(tǒng)的性能除了高效率、高精度外，還要求同步建立時間快、保持時間長等。,（1） 穩(wěn)態(tài)相差 用窄帶濾波器提取載波，假設(shè)所用的窄帶濾波器為一個簡單的單調(diào)諧回路，其品質(zhì)因素Q值一定。 （2） 隨機(jī)相差 由于隨機(jī)的高斯噪聲疊加在載波信號上，會使載波同步信號產(chǎn)生隨機(jī)的相位誤差。,（3

8、） 建立時間和保持時間 載波同步系統(tǒng)的建立時間ts和保持時間tc，也以窄帶濾波器提取載波為例來作討論。 4. 載波相位誤差對解調(diào)性能的影響 同步系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)相差和隨機(jī)相差表示式已在上面給出，總的相位誤差應(yīng)是這兩部分相位誤差的代數(shù)和，即 =+,（1） 相位誤差對雙邊帶調(diào)制信號的影響。設(shè)已收到的雙邊帶信號為 s（t）=m（t）cosct 提取出的相干載波為 sc（t）=cos（ct+） 則解調(diào)時，相乘器的輸出經(jīng)低通濾波器后為 x（t）=1/2m（t）cos,（2） 相位誤差對單邊帶信號的影響。設(shè)基帶信號m（t）=cost，單邊帶信號取上邊帶為1/2cos（c+）t，當(dāng)解調(diào)相干載波有相位誤差時，相干載

9、波與已調(diào)信號相乘 1/2cos（c+）tcos（ct+）= 1/4cos（2ct+t+）+cos（t）,7.3 位同步技術(shù),位同步是數(shù)字通信中非常重要的一個同步技術(shù)。位同步與載波同步是截然不同的兩種同步方式。在模擬通信中，沒有位同步的問題，只有載波同步的問題，而且只有接收機(jī)采用同步解調(diào)時才有載波同步的問題。但在數(shù)字通信中，一般都有位同步的問題。 對位同步信號的要求有兩點(diǎn)：一是使收信端的位同步脈沖頻率和發(fā)送端的碼元速率相同；二是使收信端在最佳接收時刻對接收碼元進(jìn)行抽樣判決。,1. 插入導(dǎo)頻法（外同步法） （1） 在基帶信號頻譜的零點(diǎn)插入導(dǎo)頻 在無線通信中，數(shù)字基帶信號一般都采用不歸零的矩形脈沖，

10、并以此對高頻載波作各種調(diào)制。解調(diào)后得到的也是不歸零的矩形脈沖，碼元速率為fs，碼元寬度為Ts，這種信號的功率譜在fs處為零，例如雙極性碼的功率譜密度如圖7-13（a）所示。,圖7-13 基帶信號的功率譜密度特性,（2） 包絡(luò)調(diào)制法 插入導(dǎo)頻法的另一種形式是使數(shù)字信號的包絡(luò)按位同步信號的某種波形變化。在移相鍵控或移頻鍵控的通信系統(tǒng)中，對已調(diào)信號進(jìn)行附加的幅度調(diào)制后，接收端只要進(jìn)行包絡(luò)檢波，就可以形成位同步信號。 設(shè)移相信號的表示式為 s1（t）=cosct+（t）,現(xiàn)在用某種波形的位同步信號對s1（t）進(jìn)行幅度調(diào)制，若這種波形為升余弦波形，則其表示式為 m（t）=1/2（1+cost） 式中的=

11、2/Ts，Ts為碼元寬度。幅度調(diào)制后的信號為 s2（t）=1/2（1+cost）cosct+（t） s2（t）可稱為調(diào)幅調(diào)相波。,接收端對s2（t）進(jìn)行包絡(luò)檢波，包絡(luò)檢波器的輸出為1/2（1+cost），除去直流分量后，就可獲得位同步信號1/2cost。 （3） 時域插入法 事實上，同步信號也可以在時域內(nèi)插入，這時載波同步信號、位同步信號和數(shù)據(jù)信號分別被配置在不同的時間內(nèi)傳送。,2. 自同步法 自同步法的收端位同步提取電路，從功能上講，一般都由兩部分組成：第一部分是非線性變換處理電路，它的作用是使接收信號或解調(diào)后的數(shù)字基帶信號經(jīng)過非線性變換處理后含有位同步頻率分量或位同步信息；第二部分是窄帶濾

12、波器或鎖相環(huán)路，它的作用是濾除噪聲和其他頻譜分量，提取純凈的位同步信號。,（1） 濾波法 對于不歸零的隨機(jī)二進(jìn)制序列，不能直接從其中濾出位同步信號。 微分、全波整流 濾波法 圖7-15原理圖中的波形變換，在實際應(yīng)用中可以是一微分、整流電路，經(jīng)微分、整流后的基帶信號波形如圖7-16所示。,圖7-15 濾波法原理圖,圖7-16 基帶信號微分、整流波形, 包絡(luò)檢波 濾波法 在某些數(shù)字微波中繼通信系統(tǒng)中，經(jīng)常在中頻上用對頻帶受限的二相移相信號進(jìn)行包絡(luò)檢波的方法來提取位同步信號。,（2） 鎖相法 位同步鎖相法的基本原理和載波同步的類似。在接收端利用鑒相器比較接收碼元和本地產(chǎn)生的位同步信號的相位，若兩者相

13、位不一致（超前或滯后），鑒相器就產(chǎn)生誤差信號去調(diào)整位同步信號的相位，直至獲得準(zhǔn)確的位同步信號為止。,3. 位同步系統(tǒng)的性能指標(biāo) （1） 相位誤差e 數(shù)字鎖相法提取位同步信號時，相位誤差主要是由位同步脈沖的相位在跳變地調(diào)整所引起的。 （2） 同步建立時間ts 同步建立時間即為失去同步后重建同步所需的最長時間。,（3） 同步保持時間tc 當(dāng)同步建立后，一旦輸入信號中斷，由于收發(fā)雙方的固有位定時重復(fù)頻率之間總存在頻差F，收端同步信號的相位就會逐漸發(fā)生漂移，時間越長，相位漂移量越大，直至漂移量達(dá)到某一準(zhǔn)許的最大值，就算失步了。,（4） 同步帶寬fs 同步帶寬是指位同步頻率與碼元速率之差。如果這個頻差超

14、過一定范圍，就無法使收端位同步脈沖的相位與輸入信號的相位同步。,4. 位同步相位誤差對性能的影響 前面已經(jīng)求得數(shù)字鎖相法位同步的相位誤差e，有時不用相位差而用時間差Te來表示相位誤差。因每碼元的周期為T，故得 Te = T / n,通常，一隨機(jī)二進(jìn)制數(shù)字信號相鄰碼元有數(shù)據(jù)變化和無變化的概率大約各占1/2。相鄰碼元無數(shù)據(jù)變化的那部分信號，由于取樣點(diǎn)的積分值沒受影響，誤碼率仍可用原給出的公式進(jìn)行計算；而對相鄰碼元有數(shù)據(jù)變化的那部分信號，則原公式中的碼元能量E應(yīng)該用（12TeT）E代替。,7.4 群同步（幀同步）技術(shù),1. 外同步法（插入特殊碼組） （1） 起止式同步法 電傳機(jī)中廣泛使用這一方法。它

15、用5個碼元代表一個字母（或符號等），在每個字母開始時，先發(fā)送一個碼元寬度的負(fù)值脈沖，再傳輸5個單元編碼信息，接著再發(fā)送一個寬度為1.5個碼元的正值脈沖。,（2） 連貫式插入法 連貫式插入法又稱為集中插入法。這種方式就是將幀同步碼以集中的形式插入信息碼流中，一般幀同步碼集中插入到一幀的開始位置。, 對群同步碼組的要求 對作為群同步碼組的特殊碼組有兩個方面的要求：一方面要求同步碼組在信息碼元序列中不易出現(xiàn)以便識別，即將信息碼元誤認(rèn)為同步碼組的概率要小，同時當(dāng)同步碼組中有誤碼時，漏識別的概率也要小。另一方面的要求是識別該特殊碼組的識別器應(yīng)該盡量簡單。 巴克碼 巴克碼是一種非周期序列。,（3） 間歇式

16、插入法（分散插入法） 群同步碼組不是集中插入在信息碼流中，而是將它分散地插入，即每隔一定數(shù)量的信息碼元，插入一個群同步碼元。群同步碼碼型選擇的主要原則是：一方面要便于收端識別，即要求群同步碼具有特定的規(guī)律性，這種碼型可以是全“1”碼、“1”“0”交替碼等；另一方面，要使群同步碼的碼型盡量和信息碼相區(qū)別。,2. 群同步系統(tǒng)的性能 （1） 漏同步概率P1 由于干擾的影響會引起同步碼組中的一碼元發(fā)生錯誤，從而使識別器漏識別已發(fā)出的同步碼組。 （2） 假同步概率P2 在消息碼元中，也可能出現(xiàn)與所要識別的群同步碼組相同的信息碼組，這時會被識別器誤認(rèn)為是同步碼組而實現(xiàn)假同步。出現(xiàn)這種情況的可能性就稱為假同

17、步概率P2。,（3） 平均同步建立時間ts 對于連貫式插入法，假設(shè)漏同步和假同步都不出現(xiàn)，在最不利的情況下，實現(xiàn)幀同步最多需要一幀時間，設(shè)每幀的碼元數(shù)為N，每碼元的時間寬度為Ts，則一幀的時間為NTs。在建立同步過程中，如出現(xiàn)一次漏同步，則建立時間要增加NTs；,如出現(xiàn)一次假同步，建立時間也要增加NTs，因此，幀同步的平均建立時間為 ts=（1+P1+P2）NTs 對于分散式插入法，其平均建立時間經(jīng)過分析計算可得 tsN2Ts,3. 群同步的保護(hù) 捕捉態(tài)： 判決門限提高，判決器容許群同步碼組中最大錯碼數(shù)就會下降，假同步概率P2就會下降。 維持態(tài)： 判決門限降低，判決器容許群同步碼組中最大錯碼數(shù)

18、就會上升，但漏同步概率P1就會下降。,4. PCM 30/32路幀同步系統(tǒng) 幀同步是實現(xiàn)時分多路通信必不可少的條件之一。它在很大程度上決定了時分多路通信的有效性及可靠性。同步系統(tǒng)是使收、發(fā)定時系統(tǒng)同步工作，以保證在收端能正確地接收每一個碼元，并正確分出每一路信息碼和信令碼。,下面簡單討論P(yáng)CM幀同步系統(tǒng)的具體性能。 （1） 幀同步建立時間 要求開機(jī)后整個系統(tǒng)要能很快地進(jìn)入幀同步，或一旦幀失步后，能很快恢復(fù)幀同步。,（2） 幀同步系統(tǒng)的穩(wěn)定性 信道誤碼可能使幀同步碼誤碼，而產(chǎn)生假失步。在正常幀同步情況下，如果根據(jù)假失步進(jìn)行調(diào)整的話，就會使已經(jīng)處于幀同步的狀態(tài)變成幀失步狀態(tài)，即造成誤調(diào)整。誤調(diào)整結(jié)果將使正常的通信中斷。, 幀失步：如果幀同步系統(tǒng)連續(xù)34個同步幀（同步幀=2T=2125s=250s）未收到幀同步碼，則判為系統(tǒng)已失步，此時幀同步系統(tǒng)立即進(jìn)入捕捉狀態(tài)。 幀同步：幀同步系統(tǒng)進(jìn)入捕捉狀態(tài)后，在捕捉過程中，如果捕捉到的幀同步碼組（每幀時間長125s具有以下規(guī)律。,a. 第N幀有幀同步