通信原理第10章-同步原理課件

第十章同步原理在數(shù)字通信系統(tǒng)中，為了使接收端能夠正確地從所收到的信號(hào)中恢復(fù)出原始信息，就必須保證接收機(jī)能夠從所收到數(shù)字序列中正確識(shí)別出一個(gè)碼元的起止時(shí)刻、一個(gè)碼組或碼字起止碼元、一幀的起止碼字，能夠保證接收機(jī)產(chǎn)生一個(gè)頻率和相位與所收到的頻帶信號(hào)載波的頻率和相位一致的本地載波，這種確保接收機(jī)與發(fā)送機(jī)能夠協(xié)調(diào)一致工作的技術(shù)就統(tǒng)稱為同步技術(shù)。本章將分別討論載波同步、位同步、幀同步和網(wǎng)同步的原理和性能。第十章同步原理在數(shù)字通信系統(tǒng)中，為了使接收端能夠1第一節(jié)同步的基本內(nèi)容和要求第二節(jié)載波同步第三節(jié)位同步第四節(jié)幀同步第五節(jié)網(wǎng)同步的基本概念主要內(nèi)容第一節(jié)同步的基本內(nèi)容和要求主要內(nèi)容2同步是通信系統(tǒng)中一個(gè)非常重要問題。由于一般收、發(fā)雙方有一定距離，要使它們能很好地發(fā)送和接收信息，同步系統(tǒng)是必不可少的。當(dāng)接收端采用同步解調(diào)時(shí)，需要提供一個(gè)與發(fā)射端調(diào)制載波同頻同相的相干載波。這個(gè)相干載波的獲取就稱為載波同步。第一節(jié)同步的基本內(nèi)容和要求同步是通信系統(tǒng)中一個(gè)非常重要問題。由于一般收、發(fā)3因?yàn)閿?shù)字通信中消息是一串相繼的信號(hào)碼元的序列，解調(diào)時(shí)常需知道每個(gè)碼元的起止時(shí)刻。因此，接收端必須產(chǎn)生一個(gè)用作抽樣判決的定時(shí)脈沖序列，它和接收碼元的終止時(shí)刻應(yīng)對(duì)齊。我們把在接收端產(chǎn)生與接收碼元的頻率和相位一致的定時(shí)脈沖序列的過程稱為碼元同步或位同步，稱這個(gè)定時(shí)脈沖序列為碼元同步脈沖或位同步脈沖。因?yàn)閿?shù)字通信中消息是一串相繼的信號(hào)碼元的序列，解4對(duì)數(shù)字信號(hào)傳輸來(lái)說(shuō)，有了載波同步和位同步，發(fā)端的代碼可以在收端解調(diào)出來(lái)，但代碼是一連串的“1”、“0”碼，數(shù)字代碼總是用若干碼元組成一個(gè)“字”，又用若干“字”組成一“句”。因此，在接收這些數(shù)字流時(shí)，同樣也必須知道這些“字”、“句“的起止時(shí)刻。在接收端產(chǎn)生與“字”、“句”起止時(shí)刻相一致的定時(shí)脈沖序列，稱為“字”同步和“句“同步，統(tǒng)稱為群同步或幀同步。對(duì)數(shù)字信號(hào)傳輸來(lái)說(shuō)，有了載波同步和位同步，發(fā)端的5

隨著數(shù)字通信的發(fā)展，多個(gè)用戶需相互通信，從而組成了數(shù)字通信網(wǎng)。為了保證通信網(wǎng)內(nèi)各用戶之間可靠地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，在整個(gè)通信網(wǎng)內(nèi)必須有一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)鐘標(biāo)準(zhǔn)，這就是網(wǎng)同步。隨著數(shù)字通信的發(fā)展，多個(gè)用戶需相互通信，從而組成6

提取載波的方法分兩種：一種是直接法，該方法不專門發(fā)送導(dǎo)頻，而在接收端直接從發(fā)送信號(hào)中提取載波。第二種是插入導(dǎo)頻法，即在發(fā)送有用信號(hào)的同時(shí)，在適當(dāng)?shù)念l率位置上，插入一個(gè)（或多個(gè)）稱作導(dǎo)頻的正弦波，接收端就由導(dǎo)頻提取出載波。第二節(jié)載波同步提取載波的方法分兩種：一種是直接法，該方法不專門7一、直接法

這種方法的思路是：有些信號(hào)雖然不包含載波分量，但對(duì)該信號(hào)進(jìn)行某種非線性變換后，就可以直接從其中提取出載波分量來(lái)。一、直接法8

設(shè)調(diào)制信號(hào)為m(t),m(t)中無(wú)直流分量，當(dāng)它和載波相乘后，得到了抑制載波的雙邊帶信號(hào)

假定信號(hào)傳輸無(wú)失真，到接收端后，將該信號(hào)進(jìn)行平方變換，得顯然，上式中E[s2(t)]≠0，所以e(t)表示式的第二項(xiàng)中包含有2fc頻率的分量。若用一窄帶濾波器將2fc頻率分量濾出，再進(jìn)行二分頻，就獲得所需的載波fc。

1．平方變換法和平方環(huán)法1．平方變換法和平方環(huán)法9平方變換法提取載波

平方變換法提取載波10該方法采用二分頻電路后，在相干PSK解調(diào)時(shí)，解調(diào)后的序列可能是正確的，也可能極性正好相反，即“反向工作”。對(duì)移相信號(hào)而言，解決這個(gè)問題的常用方法是采用相對(duì)調(diào)相。為了改善平方變換法的性能，可以在平方變換法的基礎(chǔ)上，把2fc窄帶濾波器用鎖相環(huán)代替，就稱為平方環(huán)法提取載波。由于鎖相環(huán)具有良好的跟蹤、窄帶濾波和記憶性能，因此，平方環(huán)法比一般的平方變換法具有更好的性能，應(yīng)用更為廣泛。該方法采用二分頻電路后，在相干PS11平方環(huán)法提取載波平方環(huán)法提取載波12

2．同相正交環(huán)法

同相正交環(huán)法提取載波2．同相正交環(huán)法同相正交環(huán)法提取載波13

設(shè)輸入的抑制載波雙邊帶信號(hào)為m(t)cos2pfct，在壓控振蕩器鎖定后輸出信號(hào)為v1=cos(2pfct+θ)，v1經(jīng)過相移電路后得v2=sin(2pfct+θ)，由于這兩個(gè)信號(hào)相位差p/2，因此通常稱這種環(huán)路為同相正交環(huán)，得

設(shè)輸入的抑制載波雙邊帶信號(hào)為m(t)cos2pfct，14經(jīng)低通后的輸出分別為將v5和v6加于相乘器得式中θ是壓控振蕩器輸出信號(hào)與輸入已調(diào)信號(hào)載波之間的相位誤差。當(dāng)θ較小時(shí)經(jīng)低通后的輸出分別為15v7的大小與相位誤差θ成正比，它就相當(dāng)于一個(gè)鑒相器的輸出。用v7去控制壓控振蕩器輸出信號(hào)的相位，最后使穩(wěn)態(tài)相位誤差減小到很小。這時(shí)壓控振蕩器的輸出v7就是所需提取的載波。這種方法初看沒有二分頻，似乎沒有相位模糊問題，但通過分析同樣存在這個(gè)問題，因?yàn)楫?dāng)v1=cos(2pfct+θ+180°)時(shí)，經(jīng)過計(jì)算可得v7=1/8m2(t)sin2θ,因此v1的相位也是不確定的。v7的大小與相位誤差θ成正比，它就相當(dāng)于一個(gè)16二、插入導(dǎo)頻法

插入導(dǎo)頻法就是在發(fā)送端插入一個(gè)或數(shù)個(gè)導(dǎo)頻與信號(hào)一起傳輸，對(duì)于某些信號(hào)，比如單邊帶調(diào)制信號(hào)，只能用插入導(dǎo)頻法提取載波。下面以在抑制載波的雙邊帶信號(hào)中插入導(dǎo)頻為例說(shuō)明其原理。由于導(dǎo)頻與信號(hào)一起傳輸，因此第一個(gè)要求是在載頻處已調(diào)信號(hào)的頻譜分量為零，這樣可避免信號(hào)與導(dǎo)頻的相互干擾，當(dāng)采用某種相關(guān)編碼信號(hào)去進(jìn)行抑制載波的雙邊帶調(diào)制，載頻附近的頻譜分量很小，易于插入導(dǎo)頻以及解調(diào)時(shí)易于濾出它。第二個(gè)要求是插入的導(dǎo)頻和加于調(diào)制器的那個(gè)載波是正交關(guān)系，目的是為了解調(diào)。二、插入導(dǎo)頻法17抑制載波雙邊帶信號(hào)的導(dǎo)頻插入抑制載波雙邊帶信號(hào)的導(dǎo)頻插入18插入導(dǎo)頻法發(fā)端方框圖

設(shè)調(diào)制信號(hào)為m(t)，m(t)中無(wú)直流分量，被調(diào)載波為acsin2pfct，調(diào)制器假設(shè)為一相乘器，插入導(dǎo)頻是被調(diào)載波移相90°形成的，為-accos2pfct，其中，ac是插入導(dǎo)頻的振幅。于是輸出信號(hào)為插入導(dǎo)頻法發(fā)端方框圖設(shè)調(diào)制信號(hào)為m(t)，m(t)中無(wú)直流19插入導(dǎo)頻法收端方框圖設(shè)u0(t)無(wú)失真地傳到收端，則收端用一個(gè)中心頻率為fc的窄帶濾波器就可取得導(dǎo)頻-accos2pfct，再將它移相p/2，就可得到與調(diào)制載波同頻同相的信號(hào)sin2pfct。插入導(dǎo)頻法收端方框圖設(shè)u0(t)無(wú)失真地傳到收20插入導(dǎo)頻法提取載波要使用窄帶濾波器。這個(gè)窄帶濾波器也可以用鎖相環(huán)來(lái)代替，這是因?yàn)殒i相環(huán)本身就是一個(gè)性能良好的窄帶濾波器，因而使用鎖相環(huán)后，載波提取的性能將有改善。插入導(dǎo)頻法提取載波要使用窄帶濾波器。這21三、載波同步系統(tǒng)的性能載波同步系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)是效率和精度。效率高就是為了獲得載波信號(hào)而盡量少消耗發(fā)送功率。用直接法提取載波時(shí)，發(fā)端不需發(fā)送導(dǎo)頻，因而效率高；而用插入導(dǎo)頻法時(shí)，由于插入導(dǎo)頻要消耗一部分功率，顯然系統(tǒng)的效率降低。精度高就是提取出的載波應(yīng)和標(biāo)準(zhǔn)載波同頻同相，但實(shí)際上很難實(shí)現(xiàn)，只能要求相位誤差盡量小。另外的性能指標(biāo)有同步建立時(shí)間和同步保持時(shí)間。三、載波同步系統(tǒng)的性能載波同步系統(tǒng)22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(hào)通過同步信號(hào)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(hào)的相位誤差。實(shí)際的同步系統(tǒng)中，由于同步信號(hào)提取電路的不同，信號(hào)和噪聲形式的不同，相位誤差也就不同。1.相位誤差相位誤差通常由穩(wěn)態(tài)相差和隨機(jī)相差組成。23假設(shè)所用的窄帶濾波器為一個(gè)簡(jiǎn)單的單調(diào)諧回路，其Q值一定。那么，當(dāng)回路的中心頻率f0與載波頻率fc不相等時(shí)，就會(huì)使輸出的載波同步信號(hào)引起一穩(wěn)態(tài)相差Δφ。若f0與fc之差為Δf，且Δf較小時(shí)，可得因此，Q值越高，所引起的穩(wěn)態(tài)相差越大。假設(shè)所用的窄帶濾波器為一個(gè)簡(jiǎn)單的單調(diào)諧回路，24同步系統(tǒng)使用鎖相環(huán)時(shí)，當(dāng)鎖相環(huán)壓控振蕩器與輸入載波信號(hào)之間有頻率差Δf時(shí)，也會(huì)引起一穩(wěn)態(tài)相差。該穩(wěn)態(tài)相差為

式中，Kv為環(huán)路直流增益。同步系統(tǒng)使用鎖相環(huán)時(shí)，當(dāng)鎖相環(huán)壓控振蕩器與輸25隨機(jī)相差是由于隨機(jī)的噪聲疊加在載波信號(hào)上而引起的。假設(shè)載波信號(hào)的初始相位為零，則θn就是隨機(jī)相差，經(jīng)計(jì)算得相位誤差的分布f(θn)。隨機(jī)相差θn的方差與信噪比r有如下關(guān)系所以隨機(jī)相差θn的方差與信噪比r是反比關(guān)系。隨機(jī)相差是由于隨機(jī)的噪聲疊加在載波信號(hào)上而引26當(dāng)用單調(diào)諧電路作為窄帶濾波器時(shí)，設(shè)回路的諧振頻率f0與Q值已經(jīng)給定。如果在t=0時(shí)刻將信號(hào)接入電路，則輸出電壓為2.建立時(shí)間和保持時(shí)間當(dāng)用單調(diào)諧電路作為窄帶濾波器時(shí)，設(shè)回路的諧振27載波同步的建立與保持當(dāng)t=ts時(shí)，輸出電壓u(ts)達(dá)到ｋＵ，此時(shí)認(rèn)為已建立同步信號(hào)，將u(ts)的表示式代入式中，可求得就是單調(diào)諧電路的載波建立時(shí)間。載波同步的建立與保持當(dāng)t=ts時(shí)，輸出電壓28

如果在t=0時(shí)將接入電路的信號(hào)斷開，由于回路儲(chǔ)能元件的作用，得回路電壓表示式為上式示于曲線的末尾部分，其包絡(luò)逐漸衰減。當(dāng)輸出電壓u(tc)下降到ｋＵ時(shí)，認(rèn)為同步信號(hào)已經(jīng)消失。求得保持時(shí)間為

如果在t=0時(shí)將接入電路的信號(hào)斷開，由于回29位同步又稱碼元（或比特）定時(shí)。實(shí)現(xiàn)位同步的方法基本上可以分為兩大類，一類是外同步法，另一類是自同步法。外同步法就是在發(fā)送端除了發(fā)送有用的數(shù)字信息外，還專門傳送位同步信號(hào)，到了接收端用窄帶濾波器或鎖相環(huán)把濾波出來(lái)的信號(hào)作為同步之用。自同步法是發(fā)送端不專門向接收端傳送位同步信號(hào)，收端所需要的位同步信號(hào)是從解調(diào)后的數(shù)字基帶信號(hào)中提取出來(lái)。第三節(jié)位同步位同步又稱碼元（或比特）定時(shí)。實(shí)現(xiàn)位同步的方法基30對(duì)于全占空的隨機(jī)二進(jìn)制序列，不論是單極性還是雙極性的，當(dāng)P（1）=P（0）=0.5時(shí)，都沒有fB，2fB等線譜的，因而不能直接從其中濾出位同步信號(hào)。但是，若對(duì)該信號(hào)進(jìn)行某種變換，例如，變成歸零脈沖后，則該序列中就有fB=1/TB的位同步信號(hào)分量。一、自同步法1．濾波法對(duì)于全占空的隨機(jī)二進(jìn)制序列，不論是31上圖中的波形變換，采用微分和全波整流電路，微分的作用是把不歸零脈沖變?yōu)闅w零脈沖，全波整流電路的作用是把雙極性信號(hào)變?yōu)閱螛O性信號(hào)，保證頻譜中有fB分量。濾波法原理圖上圖中的波形變換，采用微分和全波整流電路，微分的作用32基帶信號(hào)微分、整流波形經(jīng)微分、整流后的基帶信號(hào)波形如圖,基帶信號(hào)微分、整流波形經(jīng)微分、整流后的基帶信號(hào)波形如圖,33另一種波形變換方法應(yīng)用對(duì)象是頻帶受限的二相PSK信號(hào)，波形如下頁(yè)圖a。因頻帶受限，在相鄰碼元的相位突變點(diǎn)附近會(huì)產(chǎn)生幅度平滑的“陷落”。經(jīng)包絡(luò)檢波后，可以認(rèn)為它是一直流和下頁(yè)圖b所示波形相減而組成的，因此包絡(luò)檢波后的波形中包含有如下頁(yè)圖c所示波形，而這個(gè)波形中已含有位同步信號(hào)分量。因此，將它經(jīng)濾波器后就可提取出位同步信號(hào)。另一種波形變換方法應(yīng)用對(duì)象是頻帶受34頻帶受限二相PSK信號(hào)的位同步信號(hào)提取a）帶限2PSK信號(hào)b）包絡(luò)檢波后的波形c）含有位同步信號(hào)的波形頻帶受限二相PSK信號(hào)的位同步信號(hào)提取35比如在時(shí)分多址數(shù)字衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，各地球站的信息都是按子幀傳送的，每一子幀都有一報(bào)頭，用作為載波恢復(fù)時(shí)間和位定時(shí)恢復(fù)時(shí)間等。通常地球站發(fā)射報(bào)頭時(shí)功率大，發(fā)射信息部分時(shí)功率小，分幀結(jié)構(gòu)及對(duì)應(yīng)的調(diào)幅波形如下頁(yè)圖所示，由于報(bào)頭的寬度是一個(gè)碼元寬度的整數(shù)倍，故可以用包絡(luò)檢波一濾波法來(lái)提取位同步信號(hào)。為確保位同步恢復(fù)在報(bào)頭內(nèi)實(shí)現(xiàn)，并一直保持到分幀結(jié)束，在濾波之前加了一個(gè)沖激振蕩器。比如在時(shí)分多址數(shù)字衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，各36采用包絡(luò)檢波法從報(bào)頭中提取位同步a）幀結(jié)構(gòu)及對(duì)應(yīng)的調(diào)幅波形b）包絡(luò)檢波提取位同步信號(hào)的方框圖采用包絡(luò)檢波法從報(bào)頭中提取位同步37數(shù)字鎖相環(huán)由數(shù)字電路構(gòu)成，也可由軟件構(gòu)成或某些部件由軟件完成。常見的數(shù)字鎖相環(huán)位同步器原理方框圖如下頁(yè)圖(不包括數(shù)字環(huán)路濾波器DLF)。數(shù)字鎖相環(huán)2.鎖相環(huán)法數(shù)字鎖相環(huán)由數(shù)字電路構(gòu)成，也可由軟件38數(shù)字鎖相環(huán)位同步器原理方框圖

數(shù)字鎖相環(huán)位同步器原理方框圖39圖中，c次分頻器、或門、扣除門和附加門一起構(gòu)成數(shù)控振蕩器(DCO)，此環(huán)路的基本原理是：相位比較器(鑒相器)輸出的兩個(gè)信號(hào)通過控制常開門和常閉門的狀態(tài)，改變N0次分頻器輸出信號(hào)的周期(一次改變2π/N0)，使環(huán)路逐步達(dá)到鎖定狀態(tài)。這種鎖相環(huán)的同步建立時(shí)間比較長(zhǎng)，當(dāng)需要快速建立同步信號(hào)時(shí)，可用快速捕捉數(shù)字鎖相環(huán)。圖中，c次分頻器、或門、扣除門和附加40為了衡量一個(gè)數(shù)字通信設(shè)備的位同步性能，通常提出以下幾項(xiàng)指標(biāo)：相位誤差θe同步建立時(shí)間ts同步保持時(shí)間t0二、位同步系統(tǒng)的性能為了衡量一個(gè)數(shù)字通信設(shè)備的位同步性能，41衡量數(shù)字鎖相環(huán)的一個(gè)重要指標(biāo)是相位誤差，考慮到它對(duì)誤碼的影響，一般用時(shí)差來(lái)表示相位誤差。顯然，為了減小位同步相位誤差的影響，分頻次數(shù)N（N=2n-1)應(yīng)越大越好，但這與減小同步建立時(shí)間有矛盾。因?yàn)樵谕浇⑦^程中，本地位定時(shí)脈沖是每比較一次向輸入信號(hào)過渡點(diǎn)靠近TB/2n-1秒，N越大，靠近的步子就越小，同步建立的速度就越慢。所以N值的選取要折中兩者的要求。1．相位誤差θe衡量數(shù)字鎖相環(huán)的一個(gè)重要指標(biāo)是相位誤42數(shù)字鎖相法提取位同步信號(hào)時(shí)，引起相位誤差的主要原因是位同步脈沖相位的調(diào)整是跳變式的。因?yàn)槊空{(diào)整一步，相位改變2π/N（N是分頻器的分頻次數(shù)），故最大的相位誤差為2π/N，用θe表示若用時(shí)間差Te來(lái)表示相位誤差，因每碼元的周期為TB，故得數(shù)字鎖相法提取位同步信號(hào)時(shí)，引起相位43同步建立時(shí)間為失去同步后重建同步所需的最長(zhǎng)時(shí)間。建立同步最不利的情況，是位同步脈沖與輸入信號(hào)相位相差TB／2，鎖相環(huán)每調(diào)整一步僅能移TB／N秒，故需最大的調(diào)整次數(shù)為2.同步建立時(shí)間ts同步建立時(shí)間為失去同步后重建同步所需44接收隨機(jī)數(shù)字信號(hào)時(shí)，可近似認(rèn)為兩相鄰碼元中出現(xiàn)0l，10，11，00是等概率的，其中過零點(diǎn)的情況占一半。在數(shù)字鎖相法中都是以數(shù)據(jù)過零點(diǎn)中提取標(biāo)準(zhǔn)脈沖用以比相的。因此，平均起來(lái)，相當(dāng)于兩個(gè)周期可調(diào)整一次相位，故同步建立時(shí)間為ts=2TBK=NTB(S)，為使ts減少，故要求N減少。。

接收隨機(jī)數(shù)字信號(hào)時(shí)，可近似認(rèn)為兩相鄰45除相位誤差外，同步保持時(shí)間也是同步系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)。從接收信號(hào)消失或接收信號(hào)中的位同步信息消失開始，到位同步電路輸出的位同步信號(hào)中斷為止這段時(shí)間，稱為位同步的保持時(shí)間。在系統(tǒng)已經(jīng)建立同步的情況下，由于某種原因，使信號(hào)中斷，或出現(xiàn)長(zhǎng)連“0”、連“1”碼時(shí)，因沒有過渡點(diǎn)，也沒有誤差脈沖。如再考慮收、發(fā)兩端的振蕩器不可避免地存在小量的頻率偏移，也會(huì)使收端定時(shí)脈沖的相位逐漸偏離同步位置。對(duì)此，為保證碼元檢測(cè)的精度，應(yīng)要求系統(tǒng)的位定時(shí)脈沖的相位偏移限制在一定的范圍內(nèi)。也就是說(shuō)，在允許的同步保持時(shí)間內(nèi)，應(yīng)保證定時(shí)脈沖的相位偏離不超過允許值。。

3．同步保持時(shí)間t0除相位誤差外，同步保持時(shí)間也是同步系46設(shè)發(fā)射機(jī)、接收機(jī)的時(shí)鐘穩(wěn)定度為η，則DCO輸出信號(hào)頻率與環(huán)路輸入信號(hào)信息速率之間的最大誤差為2ηfBs。若允許位同步信號(hào)的最大相位誤差為2πε，則4ηfBπtc=2πε,由此得

tc應(yīng)大于兩次相位調(diào)整時(shí)間間隔。tc越大，允許連1碼或連0碼越長(zhǎng)。設(shè)發(fā)射機(jī)、接收機(jī)的時(shí)鐘穩(wěn)定度為η，則47數(shù)字通信的時(shí)分復(fù)用技術(shù)就是通過時(shí)間分割來(lái)實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用，在此幀同步的作用是使在接收端的時(shí)隙脈沖排列規(guī)律和接收到的碼流中時(shí)序排列規(guī)律一致，以保證正確無(wú)誤地進(jìn)行分路。幀同步有時(shí)也稱為群同步。接收端實(shí)現(xiàn)幀同步的方法一般可以分為兩類：第一類方法是在發(fā)送的數(shù)字信號(hào)序列中插入幀同步脈沖或幀同步碼作為幀的起始標(biāo)志，這類方法稱為外同步法；另一類方法是利用數(shù)字信號(hào)序列本身的特性來(lái)恢復(fù)幀同步信號(hào)，例如某些具有糾錯(cuò)能力的抗于擾編碼具有這種特性，這種方法稱為自同步法。這一節(jié)只介紹數(shù)字通信中應(yīng)用較多的外同步法。第四節(jié)幀同步數(shù)字通信的時(shí)分復(fù)用技術(shù)就是通過時(shí)間分割來(lái)實(shí)現(xiàn)多路48幀同步問題實(shí)質(zhì)上是一個(gè)對(duì)幀同步標(biāo)志進(jìn)行檢測(cè)的問題。對(duì)幀同步系統(tǒng)提出的基本要求是：（1）正確建立同步的概率大，錯(cuò)誤同步的概率小。（2）捕捉時(shí)間要短。無(wú)論是初始捕捉還是失步后重新進(jìn)入捕捉，都要求捕捉時(shí)間要短。因?yàn)樵诓蹲竭^程中系統(tǒng)處于失步狀態(tài)。這樣，對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將丟失數(shù)據(jù)信息，對(duì)于數(shù)字電話系統(tǒng)將出現(xiàn)話音中斷現(xiàn)象。實(shí)踐證明，人耳對(duì)于小于100ms的中斷現(xiàn)象不易感覺，所以要求數(shù)字電話系統(tǒng)一旦幀失步后，重新建立同步的時(shí)間（又稱捕捉時(shí)間）應(yīng)小于100ms，對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)則要求捕捉時(shí)間更短些。幀同步問題實(shí)質(zhì)上是一個(gè)對(duì)幀同步標(biāo)志49

（3）穩(wěn)定地保持同步。接收端的幀同步系統(tǒng)一旦進(jìn)人同步狀態(tài)之后，應(yīng)當(dāng)穩(wěn)定地保持同步，而不被信道干擾引起的誤碼破壞同步。信道中的干擾，根據(jù)統(tǒng)計(jì)來(lái)看，其時(shí)間寬度一般小于3ms，為了防止信道誤碼破壞同步狀態(tài)，往往在收端幀同步系統(tǒng)中采取了相應(yīng)的保護(hù)措施。同步后接收端收不到幀同步碼有兩種情況：

（3）穩(wěn)定地保持同步。接收端的幀同步系統(tǒng)一旦進(jìn)人同步狀態(tài)之50

①真正失步了。在這種情況下，收不到幀同步時(shí)間都較長(zhǎng)，總是大于3ms；

②由于信道誤碼而收不到幀同步。發(fā)生這種情況的時(shí)間比較短，一般小于3ms，根據(jù)兩種情況的不同特點(diǎn)，對(duì)幀同步就可以采用相應(yīng)的保護(hù)措施，只有在真失步的情況下，收端幀同步系統(tǒng)才轉(zhuǎn)入捕捉態(tài)。（4）在滿足幀同步性能要求的條件下，為提高有效信息的傳輸效率，幀同步碼的長(zhǎng)度應(yīng)盡可能短些。①真正失步了。在這種情況下，收不到幀同步時(shí)間都較長(zhǎng)，總是51一、起止式同步法這種方法主要應(yīng)用于電傳報(bào)中，在發(fā)送每一個(gè)字符代碼的前面均加上一個(gè)“起”信號(hào)，其長(zhǎng)度規(guī)定為一個(gè)碼元，極性為負(fù)，后面均加一個(gè)“止”信號(hào)；“止”信號(hào)長(zhǎng)度為1.5個(gè)碼元，極性為正。字符可以連續(xù)發(fā)送，也可以單獨(dú)發(fā)送；不發(fā)送字符時(shí)，連續(xù)發(fā)送“止”信號(hào)。因此，每一字符的起始時(shí)刻可以是任意的，但在同一個(gè)字符內(nèi)各碼元長(zhǎng)度相等。這樣，接收端可根據(jù)字符之間的從“止”信號(hào)到“起”信號(hào)的跳變來(lái)檢測(cè)識(shí)別一個(gè)新字符的“起”信號(hào)，從而正確地區(qū)分一個(gè)個(gè)字符。因此，這樣的字符同步方法稱起止式同步。其優(yōu)點(diǎn)是：實(shí)現(xiàn)字符同步比較簡(jiǎn)單，收發(fā)雙方的時(shí)鐘信號(hào)不需要精確的同步。缺點(diǎn)是每個(gè)字符增加了2～3bit，降低了傳輸效率。一、起止式同步法這種方法主要應(yīng)用于電傳報(bào)中，52起止式同步的信號(hào)波形起止式同步的信號(hào)波形53這種方法就是將幀同步碼組在每幀的開頭連續(xù)插入，在收端，只要檢測(cè)出幀同步碼組的位置，就可識(shí)別出幀的開頭，從而可確定幀內(nèi)信息碼組。這種方法實(shí)現(xiàn)較容易。作為幀同步碼組，在傳輸過程中不可避免地也會(huì)受到噪聲的影響，從而導(dǎo)致幀同步碼組中某些碼元出錯(cuò)，以致接收端檢測(cè)不出幀同步碼組，造成漏同步。同時(shí)，由于信息碼序列是隨機(jī)的，有可能出現(xiàn)與幀同步碼組完全相同的碼型，這會(huì)使收端產(chǎn)生假同步。在實(shí)際中，總是希望漏同步和假同步概率越小越好，并且碼組易于識(shí)別，傳輸效率要高，即幀同步碼組的長(zhǎng)度應(yīng)盡量短。為了滿足這些要求，通常選用巴克碼作為幀同步碼組。二、連貫式插入法這種方法就是將幀同步碼組在每幀的開頭連續(xù)插入54巴克碼是一種具有特殊規(guī)律的二進(jìn)制序列。其規(guī)律是：一個(gè)長(zhǎng)度為n位的巴克碼組{x1,x2,x3…xn}，xi取值為+1或-1，它的局部自相關(guān)函數(shù)為巴克碼是一種具有特殊規(guī)律的二進(jìn)制序列。其規(guī)律55目前所有的巴克碼組如表目前所有的巴克碼組如表56以n=7為例，根據(jù)上式求出它的自相關(guān)函數(shù)如下：當(dāng)j=0

時(shí)

當(dāng)j=l時(shí)

同理可求出j=2，3，4，5，6，7

時(shí)的R（j）值分別為-1、0、-1、0、-1、0

；再求出j為負(fù)值時(shí)的自相關(guān)函數(shù)值，自相關(guān)函數(shù)波形如下頁(yè)圖所示，其自相關(guān)函數(shù)在j＝0時(shí)出現(xiàn)尖銳的單峰。以n=7為例，根據(jù)上式求出它的自相關(guān)函數(shù)如下57第六章同步原理七位巴克碼的自相關(guān)函數(shù)第六章同步原理七位巴克碼的自相關(guān)函數(shù)58三、幀同步系統(tǒng)的性能幀同步系統(tǒng)的性能指標(biāo)主要是漏同步概率P1假同步概率P2幀同步平均建立時(shí)間ts三、幀同步系統(tǒng)的性能幀同步系統(tǒng)的性能指標(biāo)主要是漏同步概率P159數(shù)字信號(hào)在傳輸過程中由于干擾的影響使同步碼組產(chǎn)生誤碼，而使幀同步信息丟失，造成假失步現(xiàn)象，稱為漏同步。出現(xiàn)這種情況的可能性稱為漏同步概率P1

。1．漏同步概率P1數(shù)字信號(hào)在傳輸過程中由于干擾的影響使同步碼組60設(shè)幀同步碼組長(zhǎng)為n，碼元的誤碼率為Pe，m為容許碼組出錯(cuò)的最大數(shù)。因此碼組中所有不超過m個(gè)錯(cuò)誤的碼組都能當(dāng)作同步碼正確識(shí)別，則未漏概率為得漏同步概率為設(shè)幀同步碼組長(zhǎng)為n，碼元的誤碼率為Pe，m為61由于被傳輸?shù)男畔⒋a元是隨機(jī)的，完全可能出現(xiàn)與幀同步相同的碼組。這時(shí)識(shí)別器會(huì)誤認(rèn)為是同步碼組而實(shí)現(xiàn)假同步。出現(xiàn)這種情況的可能性就稱為假同步概率P2

。假同步概率的實(shí)質(zhì)就是計(jì)算消息碼元中能被判為同步碼組的組合數(shù)與所有可能的碼組數(shù)之比。經(jīng)計(jì)算得：2．假同步概率P2由于被傳輸?shù)男畔⒋a元是隨機(jī)的，完全可能出現(xiàn)與62設(shè)漏同步和假同步都不出現(xiàn)，在最不利的情況下，實(shí)現(xiàn)幀同步最多需要一幀的時(shí)間。設(shè)每幀的碼元數(shù)為N，碼元周期為TB，則一幀的時(shí)間為NTB?？紤]到出現(xiàn)一次漏同步或一次假同步大致要多花費(fèi)NTB的時(shí)間才能建立起幀同步，故幀同步的平均建立時(shí)間大致為3．平均建立時(shí)間ts

設(shè)漏同步和假同步都不出現(xiàn)，在最不利的情況下，63四、幀同步的保護(hù)無(wú)同步保護(hù)時(shí)，同步系統(tǒng)的漏同步概率PL等于識(shí)別器漏識(shí)別概率P1，假同步概率Pj等于識(shí)別器的假識(shí)別概率平P2。由上述分析可見。當(dāng)信道誤碼率一定時(shí)，幀碼長(zhǎng)度對(duì)漏同步概率及假同步概率的影響是矛盾的。這一矛盾可用同步保護(hù)電路解決。四、幀同步的保護(hù)無(wú)同步保護(hù)時(shí)，同步系統(tǒng)的漏同64當(dāng)幀同步系統(tǒng)處于捕捉態(tài)（即還未建立同步信號(hào)）時(shí)，連續(xù)α個(gè)同步幀時(shí)間內(nèi)識(shí)別器有輸出時(shí)，同步系統(tǒng)進(jìn)入同步狀態(tài)，輸出幀同步信號(hào)。此措施可減小假同步概率。也可以在采取此措施的同時(shí)提高門限電平以進(jìn)一步減小假同步概率。1．后方保護(hù)當(dāng)幀同步系統(tǒng)處于捕捉態(tài)（即還未建立同步信號(hào)）65當(dāng)幀同步系統(tǒng)處于同步態(tài)（即已建立了同步信號(hào)）時(shí)，連續(xù)β個(gè)同步幀時(shí)間內(nèi)識(shí)別器檢測(cè)不到幀同步碼，則系統(tǒng)回到捕捉態(tài)。此措施可以減小漏同步（假失步）概率。也可以在采取此措施的同時(shí)降低門限電平，以進(jìn)一步減小漏同步概率。在GSM系統(tǒng)中，基站收發(fā)信臺(tái)所有無(wú)線頻道上、下行線的TDMA幀都必須被調(diào)節(jié)。上行線TDMA幀的開始時(shí)刻相對(duì)于下行線TDMA幀的開始時(shí)刻延遲了3個(gè)時(shí)隙的固定時(shí)間間隔，這就是通常所稱的TDMA幀的交錯(cuò)。2．前方保護(hù)當(dāng)幀同步系統(tǒng)處于同步態(tài)（即已建立了同步信號(hào)）66第十章同步原理在數(shù)字通信系統(tǒng)中，為了使接收端能夠正確地從所收到的信號(hào)中恢復(fù)出原始信息，就必須保證接收機(jī)能夠從所收到數(shù)字序列中正確識(shí)別出一個(gè)碼元的起止時(shí)刻、一個(gè)碼組或碼字起止碼元、一幀的起止碼字，能夠保證接收機(jī)產(chǎn)生一個(gè)頻率和相位與所收到的頻帶信號(hào)載波的頻率和相位一致的本地載波，這種確保接收機(jī)與發(fā)送機(jī)能夠協(xié)調(diào)一致工作的技術(shù)就統(tǒng)稱為同步技術(shù)。本章將分別討論載波同步、位同步、幀同步和網(wǎng)同步的原理和性能。第十章同步原理在數(shù)字通信系統(tǒng)中，為了使接收端能夠67第一節(jié)同步的基本內(nèi)容和要求第二節(jié)載波同步第三節(jié)位同步第四節(jié)幀同步第五節(jié)網(wǎng)同步的基本概念主要內(nèi)容第一節(jié)同步的基本內(nèi)容和要求主要內(nèi)容68同步是通信系統(tǒng)中一個(gè)非常重要問題。由于一般收、發(fā)雙方有一定距離，要使它們能很好地發(fā)送和接收信息，同步系統(tǒng)是必不可少的。當(dāng)接收端采用同步解調(diào)時(shí)，需要提供一個(gè)與發(fā)射端調(diào)制載波同頻同相的相干載波。這個(gè)相干載波的獲取就稱為載波同步。第一節(jié)同步的基本內(nèi)容和要求同步是通信系統(tǒng)中一個(gè)非常重要問題。由于一般收、發(fā)69因?yàn)閿?shù)字通信中消息是一串相繼的信號(hào)碼元的序列，解調(diào)時(shí)常需知道每個(gè)碼元的起止時(shí)刻。因此，接收端必須產(chǎn)生一個(gè)用作抽樣判決的定時(shí)脈沖序列，它和接收碼元的終止時(shí)刻應(yīng)對(duì)齊。我們把在接收端產(chǎn)生與接收碼元的頻率和相位一致的定時(shí)脈沖序列的過程稱為碼元同步或位同步，稱這個(gè)定時(shí)脈沖序列為碼元同步脈沖或位同步脈沖。因?yàn)閿?shù)字通信中消息是一串相繼的信號(hào)碼元的序列，解70對(duì)數(shù)字信號(hào)傳輸來(lái)說(shuō)，有了載波同步和位同步，發(fā)端的代碼可以在收端解調(diào)出來(lái)，但代碼是一連串的“1”、“0”碼，數(shù)字代碼總是用若干碼元組成一個(gè)“字”，又用若干“字”組成一“句”。因此，在接收這些數(shù)字流時(shí)，同樣也必須知道這些“字”、“句“的起止時(shí)刻。在接收端產(chǎn)生與“字”、“句”起止時(shí)刻相一致的定時(shí)脈沖序列，稱為“字”同步和“句“同步，統(tǒng)稱為群同步或幀同步。對(duì)數(shù)字信號(hào)傳輸來(lái)說(shuō)，有了載波同步和位同步，發(fā)端的71

隨著數(shù)字通信的發(fā)展，多個(gè)用戶需相互通信，從而組成了數(shù)字通信網(wǎng)。為了保證通信網(wǎng)內(nèi)各用戶之間可靠地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，在整個(gè)通信網(wǎng)內(nèi)必須有一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)鐘標(biāo)準(zhǔn)，這就是網(wǎng)同步。隨著數(shù)字通信的發(fā)展，多個(gè)用戶需相互通信，從而組成72

提取載波的方法分兩種：一種是直接法，該方法不專門發(fā)送導(dǎo)頻，而在接收端直接從發(fā)送信號(hào)中提取載波。第二種是插入導(dǎo)頻法，即在發(fā)送有用信號(hào)的同時(shí)，在適當(dāng)?shù)念l率位置上，插入一個(gè)（或多個(gè)）稱作導(dǎo)頻的正弦波，接收端就由導(dǎo)頻提取出載波。第二節(jié)載波同步提取載波的方法分兩種：一種是直接法，該方法不專門73一、直接法

這種方法的思路是：有些信號(hào)雖然不包含載波分量，但對(duì)該信號(hào)進(jìn)行某種非線性變換后，就可以直接從其中提取出載波分量來(lái)。一、直接法74

設(shè)調(diào)制信號(hào)為m(t),m(t)中無(wú)直流分量，當(dāng)它和載波相乘后，得到了抑制載波的雙邊帶信號(hào)

假定信號(hào)傳輸無(wú)失真，到接收端后，將該信號(hào)進(jìn)行平方變換，得顯然，上式中E[s2(t)]≠0，所以e(t)表示式的第二項(xiàng)中包含有2fc頻率的分量。若用一窄帶濾波器將2fc頻率分量濾出，再進(jìn)行二分頻，就獲得所需的載波fc。

1．平方變換法和平方環(huán)法1．平方變換法和平方環(huán)法75平方變換法提取載波

平方變換法提取載波76該方法采用二分頻電路后，在相干PSK解調(diào)時(shí)，解調(diào)后的序列可能是正確的，也可能極性正好相反，即“反向工作”。對(duì)移相信號(hào)而言，解決這個(gè)問題的常用方法是采用相對(duì)調(diào)相。為了改善平方變換法的性能，可以在平方變換法的基礎(chǔ)上，把2fc窄帶濾波器用鎖相環(huán)代替，就稱為平方環(huán)法提取載波。由于鎖相環(huán)具有良好的跟蹤、窄帶濾波和記憶性能，因此，平方環(huán)法比一般的平方變換法具有更好的性能，應(yīng)用更為廣泛。該方法采用二分頻電路后，在相干PS77平方環(huán)法提取載波平方環(huán)法提取載波78

2．同相正交環(huán)法

同相正交環(huán)法提取載波2．同相正交環(huán)法同相正交環(huán)法提取載波79

設(shè)輸入的抑制載波雙邊帶信號(hào)為m(t)cos2pfct，在壓控振蕩器鎖定后輸出信號(hào)為v1=cos(2pfct+θ)，v1經(jīng)過相移電路后得v2=sin(2pfct+θ)，由于這兩個(gè)信號(hào)相位差p/2，因此通常稱這種環(huán)路為同相正交環(huán)，得

設(shè)輸入的抑制載波雙邊帶信號(hào)為m(t)cos2pfct，80經(jīng)低通后的輸出分別為將v5和v6加于相乘器得式中θ是壓控振蕩器輸出信號(hào)與輸入已調(diào)信號(hào)載波之間的相位誤差。當(dāng)θ較小時(shí)經(jīng)低通后的輸出分別為81v7的大小與相位誤差θ成正比，它就相當(dāng)于一個(gè)鑒相器的輸出。用v7去控制壓控振蕩器輸出信號(hào)的相位，最后使穩(wěn)態(tài)相位誤差減小到很小。這時(shí)壓控振蕩器的輸出v7就是所需提取的載波。這種方法初看沒有二分頻，似乎沒有相位模糊問題，但通過分析同樣存在這個(gè)問題，因?yàn)楫?dāng)v1=cos(2pfct+θ+180°)時(shí)，經(jīng)過計(jì)算可得v7=1/8m2(t)sin2θ,因此v1的相位也是不確定的。v7的大小與相位誤差θ成正比，它就相當(dāng)于一個(gè)82二、插入導(dǎo)頻法

插入導(dǎo)頻法就是在發(fā)送端插入一個(gè)或數(shù)個(gè)導(dǎo)頻與信號(hào)一起傳輸，對(duì)于某些信號(hào)，比如單邊帶調(diào)制信號(hào)，只能用插入導(dǎo)頻法提取載波。下面以在抑制載波的雙邊帶信號(hào)中插入導(dǎo)頻為例說(shuō)明其原理。由于導(dǎo)頻與信號(hào)一起傳輸，因此第一個(gè)要求是在載頻處已調(diào)信號(hào)的頻譜分量為零，這樣可避免信號(hào)與導(dǎo)頻的相互干擾，當(dāng)采用某種相關(guān)編碼信號(hào)去進(jìn)行抑制載波的雙邊帶調(diào)制，載頻附近的頻譜分量很小，易于插入導(dǎo)頻以及解調(diào)時(shí)易于濾出它。第二個(gè)要求是插入的導(dǎo)頻和加于調(diào)制器的那個(gè)載波是正交關(guān)系，目的是為了解調(diào)。二、插入導(dǎo)頻法83抑制載波雙邊帶信號(hào)的導(dǎo)頻插入抑制載波雙邊帶信號(hào)的導(dǎo)頻插入84插入導(dǎo)頻法發(fā)端方框圖

設(shè)調(diào)制信號(hào)為m(t)，m(t)中無(wú)直流分量，被調(diào)載波為acsin2pfct，調(diào)制器假設(shè)為一相乘器，插入導(dǎo)頻是被調(diào)載波移相90°形成的，為-accos2pfct，其中，ac是插入導(dǎo)頻的振幅。于是輸出信號(hào)為插入導(dǎo)頻法發(fā)端方框圖設(shè)調(diào)制信號(hào)為m(t)，m(t)中無(wú)直流85插入導(dǎo)頻法收端方框圖設(shè)u0(t)無(wú)失真地傳到收端，則收端用一個(gè)中心頻率為fc的窄帶濾波器就可取得導(dǎo)頻-accos2pfct，再將它移相p/2，就可得到與調(diào)制載波同頻同相的信號(hào)sin2pfct。插入導(dǎo)頻法收端方框圖設(shè)u0(t)無(wú)失真地傳到收86插入導(dǎo)頻法提取載波要使用窄帶濾波器。這個(gè)窄帶濾波器也可以用鎖相環(huán)來(lái)代替，這是因?yàn)殒i相環(huán)本身就是一個(gè)性能良好的窄帶濾波器，因而使用鎖相環(huán)后，載波提取的性能將有改善。插入導(dǎo)頻法提取載波要使用窄帶濾波器。這87三、載波同步系統(tǒng)的性能載波同步系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)是效率和精度。效率高就是為了獲得載波信號(hào)而盡量少消耗發(fā)送功率。用直接法提取載波時(shí)，發(fā)端不需發(fā)送導(dǎo)頻，因而效率高；而用插入導(dǎo)頻法時(shí)，由于插入導(dǎo)頻要消耗一部分功率，顯然系統(tǒng)的效率降低。精度高就是提取出的載波應(yīng)和標(biāo)準(zhǔn)載波同頻同相，但實(shí)際上很難實(shí)現(xiàn)，只能要求相位誤差盡量小。另外的性能指標(biāo)有同步建立時(shí)間和同步保持時(shí)間。三、載波同步系統(tǒng)的性能載波同步系統(tǒng)88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(hào)通過同步信號(hào)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(hào)的相位誤差。實(shí)際的同步系統(tǒng)中，由于同步信號(hào)提取電路的不同，信號(hào)和噪聲形式的不同，相位誤差也就不同。1.相位誤差相位誤差通常由穩(wěn)態(tài)相差和隨機(jī)相差組成。89假設(shè)所用的窄帶濾波器為一個(gè)簡(jiǎn)單的單調(diào)諧回路，其Q值一定。那么，當(dāng)回路的中心頻率f0與載波頻率fc不相等時(shí)，就會(huì)使輸出的載波同步信號(hào)引起一穩(wěn)態(tài)相差Δφ。若f0與fc之差為Δf，且Δf較小時(shí)，可得因此，Q值越高，所引起的穩(wěn)態(tài)相差越大。假設(shè)所用的窄帶濾波器為一個(gè)簡(jiǎn)單的單調(diào)諧回路，90同步系統(tǒng)使用鎖相環(huán)時(shí)，當(dāng)鎖相環(huán)壓控振蕩器與輸入載波信號(hào)之間有頻率差Δf時(shí)，也會(huì)引起一穩(wěn)態(tài)相差。該穩(wěn)態(tài)相差為

式中，Kv為環(huán)路直流增益。同步系統(tǒng)使用鎖相環(huán)時(shí)，當(dāng)鎖相環(huán)壓控振蕩器與輸91隨機(jī)相差是由于隨機(jī)的噪聲疊加在載波信號(hào)上而引起的。假設(shè)載波信號(hào)的初始相位為零，則θn就是隨機(jī)相差，經(jīng)計(jì)算得相位誤差的分布f(θn)。隨機(jī)相差θn的方差與信噪比r有如下關(guān)系所以隨機(jī)相差θn的方差與信噪比r是反比關(guān)系。隨機(jī)相差是由于隨機(jī)的噪聲疊加在載波信號(hào)上而引92當(dāng)用單調(diào)諧電路作為窄帶濾波器時(shí)，設(shè)回路的諧振頻率f0與Q值已經(jīng)給定。如果在t=0時(shí)刻將信號(hào)接入電路，則輸出電壓為2.建立時(shí)間和保持時(shí)間當(dāng)用單調(diào)諧電路作為窄帶濾波器時(shí)，設(shè)回路的諧振93載波同步的建立與保持當(dāng)t=ts時(shí)，輸出電壓u(ts)達(dá)到ｋＵ，此時(shí)認(rèn)為已建立同步信號(hào)，將u(ts)的表示式代入式中，可求得就是單調(diào)諧電路的載波建立時(shí)間。載波同步的建立與保持當(dāng)t=ts時(shí)，輸出電壓94

如果在t=0時(shí)將接入電路的信號(hào)斷開，由于回路儲(chǔ)能元件的作用，得回路電壓表示式為上式示于曲線的末尾部分，其包絡(luò)逐漸衰減。當(dāng)輸出電壓u(tc)下降到ｋＵ時(shí)，認(rèn)為同步信號(hào)已經(jīng)消失。求得保持時(shí)間為

如果在t=0時(shí)將接入電路的信號(hào)斷開，由于回95位同步又稱碼元（或比特）定時(shí)。實(shí)現(xiàn)位同步的方法基本上可以分為兩大類，一類是外同步法，另一類是自同步法。外同步法就是在發(fā)送端除了發(fā)送有用的數(shù)字信息外，還專門傳送位同步信號(hào)，到了接收端用窄帶濾波器或鎖相環(huán)把濾波出來(lái)的信號(hào)作為同步之用。自同步法是發(fā)送端不專門向接收端傳送位同步信號(hào)，收端所需要的位同步信號(hào)是從解調(diào)后的數(shù)字基帶信號(hào)中提取出來(lái)。第三節(jié)位同步位同步又稱碼元（或比特）定時(shí)。實(shí)現(xiàn)位同步的方法基96對(duì)于全占空的隨機(jī)二進(jìn)制序列，不論是單極性還是雙極性的，當(dāng)P（1）=P（0）=0.5時(shí)，都沒有fB，2fB等線譜的，因而不能直接從其中濾出位同步信號(hào)。但是，若對(duì)該信號(hào)進(jìn)行某種變換，例如，變成歸零脈沖后，則該序列中就有fB=1/TB的位同步信號(hào)分量。一、自同步法1．濾波法對(duì)于全占空的隨機(jī)二進(jìn)制序列，不論是97上圖中的波形變換，采用微分和全波整流電路，微分的作用是把不歸零脈沖變?yōu)闅w零脈沖，全波整流電路的作用是把雙極性信號(hào)變?yōu)閱螛O性信號(hào)，保證頻譜中有fB分量。濾波法原理圖上圖中的波形變換，采用微分和全波整流電路，微分的作用98基帶信號(hào)微分、整流波形經(jīng)微分、整流后的基帶信號(hào)波形如圖,基帶信號(hào)微分、整流波形經(jīng)微分、整流后的基帶信號(hào)波形如圖,99另一種波形變換方法應(yīng)用對(duì)象是頻帶受限的二相PSK信號(hào)，波形如下頁(yè)圖a。因頻帶受限，在相鄰碼元的相位突變點(diǎn)附近會(huì)產(chǎn)生幅度平滑的“陷落”。經(jīng)包絡(luò)檢波后，可以認(rèn)為它是一直流和下頁(yè)圖b所示波形相減而組成的，因此包絡(luò)檢波后的波形中包含有如下頁(yè)圖c所示波形，而這個(gè)波形中已含有位同步信號(hào)分量。因此，將它經(jīng)濾波器后就可提取出位同步信號(hào)。另一種波形變換方法應(yīng)用對(duì)象是頻帶受100頻帶受限二相PSK信號(hào)的位同步信號(hào)提取a）帶限2PSK信號(hào)b）包絡(luò)檢波后的波形c）含有位同步信號(hào)的波形頻帶受限二相PSK信號(hào)的位同步信號(hào)提取101比如在時(shí)分多址數(shù)字衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，各地球站的信息都是按子幀傳送的，每一子幀都有一報(bào)頭，用作為載波恢復(fù)時(shí)間和位定時(shí)恢復(fù)時(shí)間等。通常地球站發(fā)射報(bào)頭時(shí)功率大，發(fā)射信息部分時(shí)功率小，分幀結(jié)構(gòu)及對(duì)應(yīng)的調(diào)幅波形如下頁(yè)圖所示，由于報(bào)頭的寬度是一個(gè)碼元寬度的整數(shù)倍，故可以用包絡(luò)檢波一濾波法來(lái)提取位同步信號(hào)。為確保位同步恢復(fù)在報(bào)頭內(nèi)實(shí)現(xiàn)，并一直保持到分幀結(jié)束，在濾波之前加了一個(gè)沖激振蕩器。比如在時(shí)分多址數(shù)字衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，各102采用包絡(luò)檢波法從報(bào)頭中提取位同步a）幀結(jié)構(gòu)及對(duì)應(yīng)的調(diào)幅波形b）包絡(luò)檢波提取位同步信號(hào)的方框圖采用包絡(luò)檢波法從報(bào)頭中提取位同步103數(shù)字鎖相環(huán)由數(shù)字電路構(gòu)成，也可由軟件構(gòu)成或某些部件由軟件完成。常見的數(shù)字鎖相環(huán)位同步器原理方框圖如下頁(yè)圖(不包括數(shù)字環(huán)路濾波器DLF)。數(shù)字鎖相環(huán)2.鎖相環(huán)法數(shù)字鎖相環(huán)由數(shù)字電路構(gòu)成，也可由軟件104數(shù)字鎖相環(huán)位同步器原理方框圖

數(shù)字鎖相環(huán)位同步器原理方框圖105圖中，c次分頻器、或門、扣除門和附加門一起構(gòu)成數(shù)控振蕩器(DCO)，此環(huán)路的基本原理是：相位比較器(鑒相器)輸出的兩個(gè)信號(hào)通過控制常開門和常閉門的狀態(tài)，改變N0次分頻器輸出信號(hào)的周期(一次改變2π/N0)，使環(huán)路逐步達(dá)到鎖定狀態(tài)。這種鎖相環(huán)的同步建立時(shí)間比較長(zhǎng)，當(dāng)需要快速建立同步信號(hào)時(shí)，可用快速捕捉數(shù)字鎖相環(huán)。圖中，c次分頻器、或門、扣除門和附加106為了衡量一個(gè)數(shù)字通信設(shè)備的位同步性能，通常提出以下幾項(xiàng)指標(biāo)：相位誤差θe同步建立時(shí)間ts同步保持時(shí)間t0二、位同步系統(tǒng)的性能為了衡量一個(gè)數(shù)字通信設(shè)備的位同步性能，107衡量數(shù)字鎖相環(huán)的一個(gè)重要指標(biāo)是相位誤差，考慮到它對(duì)誤碼的影響，一般用時(shí)差來(lái)表示相位誤差。顯然，為了減小位同步相位誤差的影響，分頻次數(shù)N（N=2n-1)應(yīng)越大越好，但這與減小同步建立時(shí)間有矛盾。因?yàn)樵谕浇⑦^程中，本地位定時(shí)脈沖是每比較一次向輸入信號(hào)過渡點(diǎn)靠近TB/2n-1秒，N越大，靠近的步子就越小，同步建立的速度就越慢。所以N值的選取要折中兩者的要求。1．相位誤差θe衡量數(shù)字鎖相環(huán)的一個(gè)重要指標(biāo)是相位誤108數(shù)字鎖相法提取位同步信號(hào)時(shí)，引起相位誤差的主要原因是位同步脈沖相位的調(diào)整是跳變式的。因?yàn)槊空{(diào)整一步，相位改變2π/N（N是分頻器的分頻次數(shù)），故最大的相位誤差為2π/N，用θe表示若用時(shí)間差Te來(lái)表示相位誤差，因每碼元的周期為TB，故得數(shù)字鎖相法提取位同步信號(hào)時(shí)，引起相位109同步建立時(shí)間為失去同步后重建同步所需的最長(zhǎng)時(shí)間。建立同步最不利的情況，是位同步脈沖與輸入信號(hào)相位相差TB／2，鎖相環(huán)每調(diào)整一步僅能移TB／N秒，故需最大的調(diào)整次數(shù)為2.同步建立時(shí)間ts同步建立時(shí)間為失去同步后重建同步所需110接收隨機(jī)數(shù)字信號(hào)時(shí)，可近似認(rèn)為兩相鄰碼元中出現(xiàn)0l，10，11，00是等概率的，其中過零點(diǎn)的情況占一半。在數(shù)字鎖相法中都是以數(shù)據(jù)過零點(diǎn)中提取標(biāo)準(zhǔn)脈沖用以比相的。因此，平均起來(lái)，相當(dāng)于兩個(gè)周期可調(diào)整一次相位，故同步建立時(shí)間為ts=2TBK=NTB(S)，為使ts減少，故要求N減少。。

接收隨機(jī)數(shù)字信號(hào)時(shí)，可近似認(rèn)為兩相鄰111除相位誤差外，同步保持時(shí)間也是同步系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)。從接收信號(hào)消失或接收信號(hào)中的位同步信息消失開始，到位同步電路輸出的位同步信號(hào)中斷為止這段時(shí)間，稱為位同步的保持時(shí)間。在系統(tǒng)已經(jīng)建立同步的情況下，由于某種原因，使信號(hào)中斷，或出現(xiàn)長(zhǎng)連“0”、連“1”碼時(shí)，因沒有過渡點(diǎn)，也沒有誤差脈沖。如再考慮收、發(fā)兩端的振蕩器不可避免地存在小量的頻率偏移，也會(huì)使收端定時(shí)脈沖的相位逐漸偏離同步位置。對(duì)此，為保證碼元檢測(cè)的精度，應(yīng)要求系統(tǒng)的位定時(shí)脈沖的相位偏移限制在一定的范圍內(nèi)。也就是說(shuō)，在允許的同步保持時(shí)間內(nèi)，應(yīng)保證定時(shí)脈沖的相位偏離不超過允許值。。

3．同步保持時(shí)間t0除相位誤差外，同步保持時(shí)間也是同步系112設(shè)發(fā)射機(jī)、接收機(jī)的時(shí)鐘穩(wěn)定度為η，則DCO輸出信號(hào)頻率與環(huán)路輸入信號(hào)信息速率之間的最大誤差為2ηfBs。若允許位同步信號(hào)的最大相位誤差為2πε，則4ηfBπtc=2πε,由此得

tc應(yīng)大于兩次相位調(diào)整時(shí)間間隔。tc越大，允許連1碼或連0碼越長(zhǎng)。設(shè)發(fā)射機(jī)、接收機(jī)的時(shí)鐘穩(wěn)定度為η，則113數(shù)字通信的時(shí)分復(fù)用技術(shù)就是通過時(shí)間分割來(lái)實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用，在此幀同步的作用是使在接收端的時(shí)隙脈沖排列規(guī)律和接收到的碼流中時(shí)序排列規(guī)律一致，以保證正確無(wú)誤地進(jìn)行分路。幀同步有時(shí)也稱為群同步。接收端實(shí)現(xiàn)幀同步的方法一般可以分為兩類：第一類方法是在發(fā)送的數(shù)字信號(hào)序列中插入幀同步脈沖或幀同步碼作為幀的起始標(biāo)志，這類方法稱為外同步法；另一類方法是利用數(shù)字信號(hào)序列本身的特性來(lái)恢復(fù)幀同步信號(hào)，例如某些具有糾錯(cuò)能力的抗于擾編碼具有這種特性，這種方法稱為自同步法。這一節(jié)只介紹數(shù)字通信中應(yīng)用較多的外同步法。第四節(jié)幀同步數(shù)字通信的時(shí)分復(fù)用技術(shù)就是通過時(shí)間分割來(lái)實(shí)現(xiàn)多路114幀同步問題實(shí)質(zhì)上是一個(gè)對(duì)幀同步標(biāo)志進(jìn)行檢測(cè)的問題。對(duì)幀同步系統(tǒng)提出的基本要求是：（1）正確建立同步的概率大，錯(cuò)誤同步的概率小。（2）捕捉時(shí)間要短。無(wú)論是初始捕捉還是失步后重新進(jìn)入捕捉，都要求捕捉時(shí)間要短。因?yàn)樵诓蹲竭^程中系統(tǒng)處于失步狀態(tài)。這樣，對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將丟失數(shù)據(jù)信息，對(duì)于數(shù)字電話系統(tǒng)將出現(xiàn)話音中斷現(xiàn)象。實(shí)踐證明，人耳對(duì)于小于100ms的中斷現(xiàn)象不易感覺，所以要求數(shù)字電話系統(tǒng)一旦幀失步后，重新建立同步的時(shí)間（又稱捕捉時(shí)間）應(yīng)小于100ms，對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)則要求捕捉時(shí)間更短些。幀同步問題實(shí)質(zhì)上是一個(gè)對(duì)幀同步標(biāo)志115

（3）穩(wěn)定地保持同步。接收端的幀同步系統(tǒng)一旦進(jìn)人同步狀態(tài)之后，應(yīng)當(dāng)穩(wěn)定地保持同步，而不被信道干擾引起的誤碼破壞同步。信道中的干擾，根據(jù)統(tǒng)計(jì)來(lái)看，其時(shí)間寬度一般小于3ms，為了防止信道誤碼破壞同步狀態(tài)，往往在收端幀同步系統(tǒng)中采取了相應(yīng)的保護(hù)措施。同步后接收端收不到幀同步碼有兩種情況：

（3）穩(wěn)定地保持同步。接收端的幀同步系統(tǒng)一旦進(jìn)人同步狀態(tài)之116

①真正失步了。在這種情況下，收不到幀同步時(shí)間都較長(zhǎng)，總是大于3ms；

②由于信道誤碼而收不到幀同步。發(fā)生這種情況的時(shí)間比較短，一般小于3ms，根據(jù)兩種情況的不同特點(diǎn)，對(duì)幀同步就可以采用相應(yīng)的保護(hù)措施，只有在真失步的情況下，收端幀同步系統(tǒng)才轉(zhuǎn)入捕捉態(tài)。（4）在滿足幀同步性能要求的條件下，為提高有效信息的傳輸效率，幀同步碼的長(zhǎng)度應(yīng)盡可能短些。①真正失步了。在這種情況下，收不到幀同步時(shí)間都較長(zhǎng)，總是117一、起止式同步法這種方法主要應(yīng)用于電傳報(bào)中，在發(fā)送每一個(gè)字符代碼的前面均加上一個(gè)“起”信號(hào)，其長(zhǎng)度規(guī)定為一個(gè)碼元，極性為負(fù)，后面均加一個(gè)“止”信號(hào)；“止”信號(hào)長(zhǎng)度為1.5個(gè)碼元，極性為正。字符可以連續(xù)發(fā)送，也可以單獨(dú)發(fā)送；不發(fā)送字符時(shí)，連續(xù)發(fā)送“止”信號(hào)。因此，每一字符的起始時(shí)刻可以是任意的，但在同一個(gè)字符內(nèi)各碼元長(zhǎng)度相等。這樣，接收端可根據(jù)字符之間的從“止”信號(hào)到“起”信號(hào)的跳變來(lái)檢測(cè)識(shí)別一個(gè)新字符的“起”