通信原理課件第13章-同步原理

通信原理電子教案

第13章同步原理西北工業(yè)大學(xué)

（2008.6）2/1/2023113.1概述同步：是指收發(fā)雙方在時(shí)間上保持步調(diào)一致。

同步的分類： 載波同步－－同頻同相相干載波； 位（碼元）同步－－節(jié)拍一致、相位可調(diào)； 群同步－－幀同步； 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)

網(wǎng)同步（通信網(wǎng)中用）。同步信號(hào)來自于接收信號(hào)；在通信系統(tǒng)中，通常都是要求同步信息傳輸?shù)目煽啃愿哂谛盘?hào)傳輸?shù)目煽啃?。本章要求：掌握載波、位、群同步的工作原理和獲取方法。 性能及影響作一般了解。2/1/20232研究的問題：13.1

引言13.2

載波同步13.3碼元同步13.4群同步13.5網(wǎng)同步2/1/2023313.2載波同步獲取方法●插入導(dǎo)頻法（外同步法）：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)稱作載頻的正弦波，接收端由導(dǎo)頻提取載波；●直接法（自同步法）：不專門發(fā)送導(dǎo)頻，在接收端直接從發(fā)送信號(hào)中提取載波。2/1/2023413.2.1有輔助導(dǎo)頻時(shí)的載頻提?。迦雽?dǎo)頻法

適用：不包含載頻分量的信號(hào)：DSB、SSB、2DSP、2DPSK。原理：注：插入導(dǎo)頻為“正交載波”－－與加在調(diào)制器的那個(gè)載波移相90°。模型：2/1/20235數(shù)學(xué)分析：發(fā)端：

收端：LPF輸出：2/1/20236在VSB信號(hào)中插入導(dǎo)頻（不討論）：

注：●二進(jìn)制數(shù)字調(diào)相信號(hào)就是抑制載波的雙邊帶信號(hào)。故上述插入導(dǎo)頻法完全適用于2DPSK；

●SSB導(dǎo)頻插入原理與上討論一樣；

●在VSB中插入不討論，自學(xué)。2/1/2023713.2.2無輔助導(dǎo)頻時(shí)的載波提取

－－直接法（自同步法）思路：DSB信號(hào)雖不含載波分量，但對(duì)該信號(hào)進(jìn)行某種非線性變換（如：平方）后－－派生新的頻率分量，就可從中提取同步信息。2/1/20238（1）平方變換法和平方環(huán)法

發(fā)端：設(shè)調(diào)制信號(hào)中無直流分量，則DSB信號(hào)為：收端：平方變換法模型：經(jīng)平方律部件后:注：雖m(t)中無直流分量，但m2(t)=1卻有直流分量，故e(t)中第二項(xiàng)包含有2ωc頻率分量，經(jīng)窄帶濾波器可獲成分：2ωc二分頻，得:2/1/20239好處：窄帶、跟蹤、記憶、維持。討論：平方環(huán)適于DSB，2PSK、2DPSK[m2(t)＝k]；問題：二分頻電路提取出的載波存在π相位模糊問題。

解決？

問題：窄帶濾波器不易實(shí)現(xiàn)。改進(jìn)：用PLL（鎖相環(huán)）代替。載波跟蹤環(huán)2/1/202310（2）同相-正交環(huán)法（科斯塔斯環(huán)）經(jīng)低通后：目標(biāo)：只需證得v7∝θ(載波相位差)。同相載波正交載波雙PLL環(huán)模型：2/1/202311經(jīng)低通后的輸出分別為：乘法器的輸出為：上式可以近似地表示為：好處：載波提取、相干解調(diào)一次完成！v5;工作頻率為fc，不是2fc，當(dāng)載波頻率很高時(shí)易于實(shí)現(xiàn)；

無π相位模糊問題。2/1/20231213.2.3載波同步的性能載波同步系統(tǒng)的主要性能包括：精度、同步建立時(shí)間和同步保持時(shí)間。1、精度－－相位誤差

精度是指提取的同步載波與載波標(biāo)準(zhǔn)比較，它們之間的相位誤差大小。（1）穩(wěn)態(tài)相位誤差當(dāng)利用窄帶濾波器提取載波時(shí)，假設(shè)所用的窄帶濾波器為一簡(jiǎn)單單調(diào)諧回路，其Q值一定。那么，當(dāng)回路的中心頻率ω0與載波頻率ωc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ω0與ωc之差為Δω，且Δω較小時(shí)，可得可見：Q值越高，所引起的穩(wěn)態(tài)相差越大。2/1/202313（2）隨機(jī)相位誤差

從物理概念上講，正弦波加上隨機(jī)噪聲以后，相位變化是隨機(jī)的，它與噪聲的性質(zhì)和信噪功率比有關(guān)。經(jīng)過分析當(dāng)噪聲為窄帶高斯噪聲時(shí)，隨機(jī)相位差與信噪功率比之間的關(guān)系式為其中：f0回路的中心頻率，A接收信號(hào)幅度?？梢姡簽V波器的Q值越高，隨機(jī)相位誤差越小。2/1/2023142、同步建立時(shí)間和保持時(shí)間

建立時(shí)間

保持時(shí)間可見：要使建立時(shí)間變短，Q值需要減??；要延長(zhǎng)保持時(shí)間，Q值要求增大，因此這兩個(gè)參數(shù)對(duì)Q值的要求是矛盾的。2/1/202315

3、兩種載波同步方法的比較

直接法的優(yōu)缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾方面：（1）不占用導(dǎo)頻功率，因此信噪功率比可以大一些；（2）防止導(dǎo)頻和信號(hào)間的互相干擾，也可以防止信道不理想引起導(dǎo)頻相位的誤差;（3）但有的調(diào)制系統(tǒng)不能用直接法（如SSB系統(tǒng)）。插入導(dǎo)頻法的優(yōu)缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在；

（1）有單獨(dú)的導(dǎo)頻信號(hào)，一方面可以提取同步載波，另一方面可以利用它作為自動(dòng)增益控制；（2）有些不能用直接法提取同步載波的調(diào)制系統(tǒng)只能用插入導(dǎo)頻法；（3）與直接法比較，在總功率相同條件下實(shí)際信噪功率比要小一些。2/1/20231613.2.4載波同步誤差對(duì)解調(diào)信號(hào)的影響設(shè)則2/1/202317討論：希望：解調(diào)出m(t)，最好：cosθ=1，即θ=0。若

θ=0，x(t)=m(t)/2----正是可希望的

θ≠0，x(t)將衰減cosθ倍對(duì)模擬信號(hào)，相當(dāng)于功率下降cos2θ倍：S/N↓;對(duì)數(shù)字信號(hào)，相當(dāng)于能量下降cos2θ倍:2/1/202318

13.3位同步的方法

要求：與發(fā)端節(jié)拍一致、相位可調(diào)。

獲取方法：插入導(dǎo)頻法（外同步法）、直接法（自同步法）。

13.3.1插入導(dǎo)頻法（外同步法）

原理：同于載波同步時(shí)導(dǎo)頻插入法。單/雙極性NRZ部分響應(yīng)系統(tǒng)2/1/202319部分響應(yīng)系統(tǒng)：2/1/20232013.3.2自同步法

當(dāng)系統(tǒng)的位同步采用自同步方法時(shí)，發(fā)端不專門發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)，而直接從數(shù)字信號(hào)中提取位同步信號(hào)。自同步法具體又可分為濾波法和鎖相法。（1）波形變換濾波法波形變換：由微分、整流電路構(gòu)成。移相：正弦波，好實(shí)現(xiàn)。2/1/202321（2）鎖相法本地：同相－－常態(tài)超前－－扣除滯后－－添加●接收碼元頻率：F●晶振頻率nF'●

a、b兩路脈沖相位相差180度●相位比較器：完成本地脈沖與接收碼元比相2/1/202322若相位相同：無附加脈沖；若超前：超前脈沖—減脈沖引起相位滯后：T/n；若滯后：滯后脈沖—附加脈沖引起相位超前：T/n；直至相位相同、鎖定。本地同步脈沖T=1/Fnn-1123n-1nabcdefnn-1n123n12nn4n原理－－時(shí)序：(n)(n)2/1/2023231.位同步系統(tǒng)的性能指標(biāo)

位同步系統(tǒng)的性能指標(biāo)除了效率以外，主要有以下幾個(gè)：（1）相位誤差（精度）,（2）同步建立時(shí)間,（3）同步保持時(shí)間,（4）同步帶寬。（1）相位誤差θe

由上圖可見一個(gè)碼元周期內(nèi)由晶振及整形電路來的脈沖數(shù)為n個(gè)，因此，最大調(diào)整相位為：

可以看到，隨著n的增加，相位誤差θe將減小。13.3.3碼元同步誤差對(duì)于誤碼率的影響2/1/202324（2）同步建立時(shí)間ts定義：失去同步后重建同步最所需的長(zhǎng)時(shí)間。故同步建立時(shí)間為：（3）同步保持時(shí)間tc系統(tǒng)因?yàn)闆]有輸入，使得收端位同步信號(hào)的相位就會(huì)逐漸發(fā)生漂移，時(shí)間越長(zhǎng)，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。為了使同步建立時(shí)間ts減小，要求選用較小的n，這就和相位誤差θe對(duì)n的要求相矛盾。2/1/202325式中：F0－－收發(fā)兩端固有碼元重復(fù)頻率的幾何平均值；ΔF－－收發(fā)兩端存在頻差。說明：要想延長(zhǎng)同步保持時(shí)間tc，需要提高收發(fā)兩端振蕩器的頻率穩(wěn)定度。2/1/202326（2）位同步相位誤差對(duì)性能的影響假設(shè)：●位同步相位誤差θc－－可用時(shí)間差Te來表示；●解調(diào)器已解調(diào)出基帶數(shù)字信號(hào)，并假定采用MF法檢測(cè)：即對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行積分、取樣和判決；●設(shè)位同步超前接收碼元Te。2/1/202327接收碼元:位同步:積分、清洗(最佳接收)E－－可充滿，達(dá)最大值，獲最大能量；E’－－不能充滿，能量損失可見：?相鄰碼元無數(shù)據(jù)變化時(shí)，位同步誤差不影響取樣點(diǎn)的積分能量，獲最大能量E；?相鄰碼元有數(shù)據(jù)變化時(shí)，能量損失。E’=(1-2Te/T

)E2/1/202328設(shè)：●相鄰碼元無數(shù)據(jù)變化的概率為P，取樣點(diǎn)積分能量達(dá)E；

●相鄰碼元有數(shù)據(jù)變化的概率為(1-P),取樣點(diǎn)積分能量E’。2PSK最佳接收時(shí)：等概時(shí)：其中：所以：可見：位同步相位差→Pe↑2/1/202329 13.4群同步---幀同步

13.4.1引言前提：已實(shí)現(xiàn)位同步。任務(wù)：識(shí)別出數(shù)字信息群的起止時(shí)刻，或者說給出每個(gè)群的“開頭”和“末尾”時(shí)刻。實(shí)現(xiàn)方法：自同步：利用數(shù)據(jù)碼組本身之間不同的特性來實(shí)現(xiàn)。外同步：在數(shù)字信息流中插入一些特殊碼字作為每個(gè)群的頭尾標(biāo)記，接收端據(jù)其位置實(shí)現(xiàn)群同步。 ●連貫式插入法（集中插入法） ●間隔式插入法（分散插入法）重點(diǎn)：外同步。2/1/20233013.4.2連貫式插入法（集中插入法）

連貫式插入法：在每群的開頭集中插入群同步碼字的同步方法。 例：PCM30/32同步碼字－－特殊碼字：●局部自相關(guān)特性有尖銳的峰值； ●在信息碼元序列中不易出現(xiàn)以便識(shí)別； ●識(shí)別器要簡(jiǎn)單。最常用的群同步碼字：“巴克碼”。

1、巴克碼

定義：一個(gè)長(zhǎng)為n的碼組{x1,x2,x3,…,xn}，其中xi取值±1，其局部自相關(guān)函數(shù)滿足則稱該碼組為巴克碼。???信息碼標(biāo)識(shí)碼一幀2/1/202331表13-1巴克碼位數(shù)n巴克碼字2++；–+3++–4+++–；++–+5+++–+7+++––+–11+++–––+––+–13+++++––++–+–+表中+表示+1，–表示–1例：7位巴克碼2/1/2023322、巴克碼識(shí)別器2/1/20233313.4.3間歇式插入法（分散插入法）

定義：將群同步碼字分散地插入到信息之中，即每隔一定數(shù)量的信息碼元，插入一個(gè)群同步碼字。例：PCM24群同步則采用間歇式插入法。

收端要確定群同步碼位置的方法：（1）逐碼移位法；（2）RAM幀碼檢測(cè)法。

2/1/202334

逐碼移位法的基本原理：由位同步脈沖經(jīng)過n次分頻以后的本地群碼與接收到碼元中間歇式插入的群同步碼進(jìn)行逐碼移位比較，使本地群碼與發(fā)送來的群同步碼同步。

2/1/202335例：等間隔插入全“1”碼！a－位同步碼；c－收到的碼：信碼、同步碼；N－同步位＋信息位=1+3=4;異或門＝不一致門經(jīng)過計(jì)算，群同步平均建立的時(shí)間近似為：2/1/20233613.4.4群同步系統(tǒng)的性能要求：●同步時(shí)間要短，即捕獲時(shí)間要短； ●同步性要可靠。影響同步性能的兩個(gè)錯(cuò)誤：

●漏同步：如7位巴克碼錯(cuò)1位，輸出和將減為5； ●假同步：信息碼中有同與巴克碼的碼形。1.漏同步的概率P1和參數(shù)的關(guān)系設(shè)：巴克碼中每碼元出錯(cuò)的概率為Pe，則正確的概率為1-Pe

；

n－－巴克碼的長(zhǎng)度；

m－－識(shí)別器允許巴克碼出錯(cuò)的最大個(gè)數(shù)。2/1/202337?m=0：未漏概率：(1-Pe)n漏概率:P1=1-(1-Pe)n?m=1，m=0

---至多錯(cuò)一位?通式：n---巴克碼的長(zhǎng)度；